JP6604002B2 - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

積層造形装置および積層造形方法 Download PDF

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本発明は、3次元積層造形に関し、特に、部分的な温度制御を行なうことで造形品質を向上させる技術に関する。
3次元CAD(Computer Aided Design)データを層分割し、分割した層毎に層の上に層を積むように材料を付加しながら層間を付着させて、3次元形状の構造物を数値表現から製造する方法は、国際規格でAdditive Manufacturingと定義されている。1980年代に発明されたこの製造方法は、一般的には3Dプリンタと呼ばれる。3Dプリンタは、3次元CADデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を容易に製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。
3Dプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を同一の層内に自由に配置させた造形を容易とすることも期待されている。複数の材料を用いた造形により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した3次元形状モデルが実現できるからである。
例えば、導電材料と絶縁材料とを複合させることで、電子回路の機能を有する3次元形状モデルが実現する。また、硬質な材料と柔軟な材料とを複合させることで、強度と柔軟性の両立した機能を有する3次元形状モデルが実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも容易に実現することができる。
特開2005−131938号公報 特開2007−21747号公報
しかしながら、複数の材料を同一層内に造形する際には、それぞれの材料の融点の違いにより、融点の高い材料を溶融し固化して造形する際に、隣接する融点の低い材料が再溶解してしまい、目的とする形状が精度良く得られないという問題が生じている。すなわち、造形中に融点の低い材料の形状を保つためには冷却をする必要がある。
造形時に造形部分を冷却する方法が、特許文献1に開示されている。この方法によれば、光造形時に、硬化中の樹脂面に冷却気体を送風して冷却することで、光硬化反応に伴う硬化発熱による局所的な温度上昇を低減する。これにより、硬化樹脂面の表面温度を均一に保ち、反りや変形の小さい造形が可能となるとしている。しかしながら、この方法では、硬化樹脂面全体が冷却されるため、融点の高い材料を加熱する一方で、融点の低い材料は部分的に冷却し、造形面内の温度差を積極的に保ちながら造形することはできない。よって、融点の異なる複数の材料を同一の層内に造形することはできない。
造形時に造形部分を冷却する別の方法が、特許文献2に開示されている。この方法によれば、一つの薄層ごとに選択的に加熱して焼結し、焼結した一層の薄層ごとに、或いは焼結した複数の薄層ごとに表面に冷媒を流す、あるいは冷却板に接触させる、あるいは冷却したローラを転がす等の方法により冷却する。これにより、薄層間の内部応力を低く維持しつつ、造形に要する時間及び完成した造形物を取り出すまでの時間を短縮することができるとしている。しかしながら、この方法では層全体の冷却は可能になるが、同じ層内である部分は加熱しながらある部分は冷却を行うという様に、積極的に造形面内に温度差をつけながら造形することはできない。よって、融点の異なる複数の材料を同一の層内に造形することはできない。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、層を積層して3次元構造物を製造する積層造形装置において、融点の異なる複数の材料を同一の層内に精度良く造形することを可能とすることにある。
本発明による積層造形装置は、第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、前記第1の材料を前記層内の所定の位置に供給する第1の材料供給部と、前記第2の材料を前記層内の所定の位置に供給する第2の材料供給部と、少なくとも前記第2の材料を供給する際に前記第2の材料を加熱する加熱部と、前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却する部分冷却部と、を備える。
本発明による積層造形方法は、第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、前記第1の材料を所定の位置に供給して造形し、前記第2の材料を所定の位置に供給して造形し、前記第2の材料を供給する際に、供給する前記第2の材料を加熱し、前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却する。
本発明によれば、層を積層して3次元構造物を製造する積層造形装置において、融点の異なる複数の材料を同一の層内に精度良く造形することが可能となる。
本発明の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態の積層造形装置により3次元形状モデルを造形する具体的な形態を説明する図である。 本発明の実施形態の積層造形装置により3次元形状モデルを造形する別の具体的な形態を説明する図である。 本発明の実施形態の積層造形装置により3次元形状モデルを造形するさらに別の具体的な形態を説明する図である。
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
図1は、本発明の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態の積層造形装置100は、第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、前記第1の材料を前記層内の所定の位置に供給する第1の材料供給部104と、前記第2の材料を前記層内の所定の位置に供給する第2の材料供給部105と、少なくとも前記第2の材料を供給する際に前記第2の材料を加熱する加熱部103と、前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却する部分冷却部102と、を備える。
すなわち、積層造形装置100は、図1に示すように、3次元形状モデル107(3次元構造物)を造形するための造形ステージ101と、造形ステージ101上に第1の材料を所定の位置に供給して積層するための第1の材料供給部104と、造形ステージ101上に第2の材料を所定の位置に供給して積層するための第2の材料供給部105と、供給された第1の材料と第2の材料の各々を加熱溶融するための加熱部103と、を備えている。さらに、第2の材料が造形される周囲に存在する第1の材料を部分的に冷却する部分冷却部102を備えている。部分冷却部102は、第2の材料の加熱時に、第2の材料が造形される周囲に存在する第1の材料を部分的に冷却することができる。さらに、前記の各部に接続し、それぞれの材料の供給量、供給位置、供給タイミング、加熱温度、部分冷却等の、3次元形状モデル107の造形に関わる制御を行なう制御部106を備えている。
本実施形態では、第2の材料の融点の方が、第1の材料の融点よりも高いとする。よって、第2の材料を溶融する温度は第1の材料を溶融する温度よりも高くする必要があるため、加熱部103では、第2の材料を加熱する温度は第1の材料を加熱する温度よりも高く設定される。
なお、図1の積層造形装置100では、加熱部103は第1の材料と第2の材料とで共通としているが、それぞれ材料ごとに個別に設けることもできる。個別に設けた場合は、第1の材料の加熱部と第2の材料の加熱部とは、異なる加熱方法を用いることができる。さらに、材料は、第1の材料と第2の材料との2種類には限定されず、複数の材料を使用することができる。さらに、これら複数の材料に対応した材料供給部や加熱部を設けることができる。
以下に説明する積層造形装置100の具体的な形態では、3次元形状モデル107として電子回路の機能を有する3次元形状モデルを製造することを想定し、これに対応した第1の材料と第2の材料とを例としているが、本実施形態はこれには限定されない。
図2は、本実施形態の積層造形装置100により3次元形状モデルを造形する、具体的な形態を説明する図である。図2では、積層造形装置100による部分冷却の具体的な方法を示している。
図2では、3次元形状モデル107は第1の材料による部分1と第2の材料による部分2とを有する。そして、第1の材料による部分1と第2の材料による部分2との上に、造形層3を造形しているとする。造形層3は、第1の材料の積層領域と第2の材料の積層領域とを有する。
第1の材料は、誘電体としての性質を有し、プラスチックが代表的な材料である。具体例としては、ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、ポリカーボネート、ポリ乳酸、アクリル、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ナイロン、ポリエチレン、シリコーン、エポキシ等が挙げられるが、これらに限定されない。
第1の材料の積層方法としては、図2中に示していないが、ASTM(American Society for Testing and Materials)がAdditive Manufacturingの方式として分類している方式を用いることができる。例えば、加熱部103と第1の材料供給部104を一体化し、第1の材料供給部104を加熱して溶融した第1の材料を、第1の材料供給部104に設けたノズルなどの開口部から選択的に押出し、造形ステージ101上に堆積する材料押出方式(Material extrusion)が挙げられる。また、他の方法としては、第1の材料供給部104から第1の材料の液滴を噴射し、選択的に硬化させ堆積させる材料噴射方式(Material jetting)などが挙げられる。
第1の材料の溶融、硬化については、熱可塑性樹脂であれば、加熱溶融させた材料を所定の位置に所定量供給し、空冷によって硬化させることができる。また、熱硬化や光硬化性樹脂の場合、材料の液滴を噴射し、熱硬化性樹脂であれば加熱、光硬化性樹脂であれば紫外線等を照射することで、第1の材料を積層することができる。
第2の材料は、電気伝導体としての性質を有する材料である。この材料は、例として、銅、銀、アルミが挙げられるが、これらに限定はされない。また、通常、第2の材料の融点は、第1の材料の融点よりも高い。
第2の材料の積層方法としては、例えば、ヒータ5(加熱部103に相当)が組み込まれた材料供給管4(第2の材料供給部105に相当)により、あらかじめ所定量が計量された第2の材料を、ヒータ5により加熱し溶融させて、所定の位置に積層させる方法が可能である。材料供給管4は、加熱部103と第2の材料供給部105とが一体化した構造となっている。材料供給管4に所定量の第2の材料を供給する際には、第2の材料を粉末状、フィラー状、線状等の溶融しやすい形状に加工しておいてもよい。また、第2の材料の溶融時に気化する物質と混合することで、ペースト状にしておいても良い。
第2の材料の積層方法の他の方法として、ASTMがAdditive Manufacturingの方式として分類している方式から、材料を供給しつつ熱エネルギーを集中することによって材料を溶融結合する指向エネルギー堆積方式(Directed energy deposition)を用いることもできる。
溶融した第2の材料を供給する際に、第2の材料の周囲に存在する第1の材料を部分的に冷却する。図2に示した形態では、冷却媒体供給装置(図示せず)と接続された冷却媒体供給筒6(部分冷却部102に相当)によって、冷却媒体7を第2の材料の周囲の第1の材料の表面に供給することにより冷却を行なう。冷却媒体供給筒6の造形層3に対向する先端形状は、第2の材料の周囲の第1の材料の表面を均一に冷却できることを目的とし、例えば、円筒形状とすることができる。
冷却媒体7としては、気体を用いることができ、例えば室温以下の大気、窒素、アルゴンが挙げられる。また、液体を用いる場合は、アルコールなど、気化しやすい物質を選定することが望ましい。水等の気化しにくい物質の場合は、第1の材料を冷却した後に、冷却媒体を回収する方式を併用することが望ましい。
次に、図2の形態の動作を説明する。図2では、造形層3を造形しているとする。
まず、冷却媒体供給装置(図示せず)と接続されている冷却媒体供給筒6の先端部を、造形層3内の、第2の材料が供給される位置に合わせた所定の位置に配置する。このとき、造形物の表面から冷却媒体供給筒6の先端部までの距離は、造形層3の厚さより長いことが望ましい。さらに、詳細は、第1の材料表面の冷却状態によって適宜決定することが望ましい。
続いて、第2の材料を所定の位置に供給するために、材料供給管4を造形層3の所定の位置に配置する。このとき、造形物の表面から材料供給管4の先端部までの距離は、造形層3の厚さと同等でも良く、造形層3の厚さより長くても良い。さらに、造形物の表面から材料供給管4の先端部までの距離は、第2の材料の積層状態や冷却媒体7による第1の材料表面の冷却状態によって、適宜決定することが望ましい。
続いて、材料供給管4から第2の材料を供給する。このとき、冷却媒体供給装置から冷却媒体7を供給し、冷却媒体供給筒6より、第2の材料が供給される周囲の第1の材料の表面を冷却する。冷却媒体7の供給量については、第1の材料表面の冷却状態によって適宜決定することが望ましい。第2の材料は、ヒータ5により加熱された材料供給管4の中を経由することで溶融状態となり、造形層3の所定の位置に積層し硬化する。
続いて、造形層3の第1の材料の積層領域に、第1の材料を積層し硬化することで、造形層3の複合構造が完成する。以上を造形層3毎に繰り返すことで、複合構造の3次元形状モデル107が完成する。
図3は、本実施形態の積層造形装置100により3次元形状モデルを造形する、別の具体的な形態を説明する図である。図3では、積層造形装置100による部分冷却の別の具体的な方法を示している。第1の材料と第2の材料の材質、および、第1の材料の積層方法は、図2の形態と同様である。
図3では、3次元形状モデル107は第1の材料による部分1と第2の材料による部分2とを有する。そして、第1の材料による部分1と第2の材料による部分2との上に、造形層3を造形しているとする。造形層3は、第1の材料の積層領域と第2の材料の積層領域とを有する。
図3では、まず、造形層3の第1の材料の積層領域に第1の材料を積層し硬化した状態で、第2の材料の積層領域に第2の材料を所定量供給する。この時、第2の材料を、粉末状やフィラー状等の供給しやすく溶融しやすい形状に加工して供給しても良く、第2の材料の溶融時に気化する物質と混合させたペースト状で供給しても良い。第2の材料を供給する領域は、あらかじめ積層された第1の材料で周囲を覆われているため、前記した粉末状、フィラー状、ペースト状であっても供給した位置に保持しておくことが可能である。なお、第2の材料を供給する第2の材料供給部105(図示せず)は、第2の材料の状態に合わせて、例えば、図2の材料供給管4(ヒータ5を除く)を使用することもできる。
造形層3内の、第2の材料の供給領域の周囲に配置する冷却ブロック11(部分冷却部102に相当)は、第2の材料の周囲の第1の材料の表面を均一に冷却することを目的とするため、第1の材料の表面に対向する面は、例えば円筒形状とすることができる。さらに、冷却ブロック11は、第2の材料の周囲の第1の材料の表面に接触することで、第1の材料の温度上昇を抑制する。冷却ブロック11の中には、冷却回路10が形成されており、この中に水等の冷却媒体を循環させることにより、冷却ブロック11を低温に保つことができる。冷却ブロック11の材質は、第2の材料を溶融する温度においても耐熱性を有している金属やセラミック等を使用することが望ましく、これらの材料を部分的に使用しても良い。
所定の位置に供給された第2の材料は、レーザ照射装置8(加熱部103に相当)によるレーザ光9の照射により加熱され溶融する。その後、レーザ光9の照射を終了することで、硬化する。レーザ照射装置8としては、Additive Manufacturingで使用されているファイバーレーザ等を用いることができる。
次に、図3の構成の動作を説明する。図3では、造形層3を造形しているとする。
まず、造形層3の第1の材料の積層領域に第1の材料を積層し硬化する。続いて、第2の材料を、周囲を第1の材料で覆われた所定の箇所に供給する。さらに、冷却回路10に冷媒が循環した冷却ブロック11を第1の材料の表面と接触するように配置する。ここで、第2の材料の供給と冷却ブロック11の配置については、順序が入れ替わってもよい。
続いて、供給された第2の材料にレーザ光9を照射することにより第2の材料を溶融し、レーザ光9の照射を終了して硬化して造形層3の複合構造を完成する。以上を造形層3毎に繰り返すことで、複合構造の3次元形状モデル107が完成する。
また、図3の形態では、第2の材料を供給した後に第2の材料を溶融させているが、溶融した第2の材料を供給しても良い。
図4は、本実施形態の積層造形装置100により3次元形状モデルを造形する、さらに別の具体的な形態を説明する図である。図4では、積層造形装置100による部分冷却のさらに別の具体的な方法を示している。第1の材料と第2の材料の材質、および、第1の材料の積層方法は、図3の形態と同様である。
図4では、3次元形状モデル107は第1の材料による部分1と第2の材料による部分2とを有する。そして、第1の材料による部分1と第2の材料による部分2の上に、造形層3を造形しているとする。造形層3は、第1の材料の積層領域と第2の材料の積層領域とを有する。
冷却ブロック12(部分冷却部102に相当)は、第2の材料の供給領域の周囲に存在する第1の材料の表面を均一に冷却することを目的とするため、第1の材料の表面に対向する面は、例えば円筒形状とすることができる。冷却ブロック12は、第2の材料の周囲の第1の材料の表面に接触することで、第1の材料の温度上昇を抑制している。また、冷却ブロック12の中には、冷却回路10が形成されており、この中に水等の冷却媒体を循環させることにより、冷却ブロック12を低温に保つことができる。冷却ブロック12の材質は、第2の材料を溶融する温度においても耐熱性を有している金属やセラミック等を使用することが望ましく、これらの材料を部分的に使用しても良い。
さらに、冷却ブロック12は、先端部が第2の材料の供給時の位置決めの役割を兼ねており、第2の材料の積層形状に合わせた形状となっている。これにより第2の材料の供給領域は、あらかじめ冷却ブロック12で覆われているため、供給される第2の材料が粉末状、フィラー状、ペースト状であっても供給した位置に保持しておくことが可能となる。
次に、図4の構成の動作を説明する。図4では、造形層3を造形しているとする。
まず、第2の材料の供給位置に、冷却回路10に冷媒を循環させた冷却ブロック12を、第1の材料の表面と接触するように配置する。続いて、第2の材料を、周囲を冷却ブロック12で覆われた所定の箇所に供給する。続いて、供給された第2の材料にレーザ光9を照射することにより第2の材料を溶融し、レーザ光9の照射を終了して硬化することで第2の材料の積層が完了する。続いて、造形層3の第1の材料の積層領域に第1の材料を積層し硬化することで造形層3の複合構造が完成する。以上を造形層3毎に繰り返すことで、複合構造の3次元形状モデル107が完成する。
なお、以上の図2、図3、図4に示した具体的な形態の構成要素を、任意に組み合わせることも可能である。さらに、材料は、第1の材料と第2の材料との2種類には限定されず、複数の材料を使用することができる。さらに、これら複数の材料に対応した材料供給部や加熱部を設けることができる。
以上のように、本実施形態によれば、融点の高い材料を加熱する一方で、融点の低い材料は部分的に冷却し、造形面内の温度差を積極的に保ちながら造形することができる。そのため、融点などの熱的性質の異なる複数の材料を同一の層内に複合的に精度良く造形することが可能になるため、造形物にそれぞれの材料の特徴を活かした機能を付与することが可能となる。
すなわち、本実施形態によれば、層を積層して3次元構造物を製造する積層造形装置において、融点の異なる複数の材料を同一の層内に精度良く造形することが可能となる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
付記
(付記1)
第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、
前記第1の材料を前記層内の所定の位置に供給する第1の材料供給部と、
前記第2の材料を前記層内の所定の位置に供給する第2の材料供給部と、
少なくとも前記第2の材料を供給する際に前記第2の材料を加熱する加熱部と、
前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却する部分冷却部と、を備える積層造形装置。
(付記2)
前記部分冷却部は、前記第2の材料の加熱時に冷却する、付記1記載の積層造形装置。
(付記3)
前記加熱部は、前記第2の材料を加熱する温度の方が前記第1の材料を加熱する温度よりも高い、付記1または2記載の積層造形装置。
(付記4)
前記第1の材料供給部と前記加熱部、前記第2の材料供給部と前記加熱部の、少なくとも一方は一体構造である、付記1から3の内の1項記載の積層造形装置。
(付記5)
前記部分冷却部は、冷却媒体を放射する、付記1から4の内の1項記載の積層造形装置。
(付記6)
前記部分冷却部は、冷却ブロックである、付記1から4の内の1項記載の積層造形装置。
(付記7)
前記冷却ブロックは、冷却媒体を流す回路を有する、付記6記載の積層造形装置。
(付記8)
前記冷却ブロックは、前記第2の材料を供給する所定の位置を指定する、付記6または7記載の積層造形装置。
(付記9)
第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、
前記第1の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第2の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第2の材料を供給する際に、供給する前記第2の材料を加熱し、
前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却する、積層造形方法。
(付記10)
前記第2の材料を加熱する温度は前記第1の材料を加熱する温度よりも高い、付記9記載の積層造形方法。
(付記11)
前記造形は、前記第1の材料もしくは前記第2の材料を供給しながら積層し硬化する、付記9または10記載の積層造形方法。
(付記12)
前記冷却は、冷却媒体による、付記9から11の内の1項記載の積層造形方法。
(付記13)
前記冷却は、冷却ブロックによる、付記9から11の内の1項記載の積層造形方法。
(付記14)
前記冷却ブロックにより前記第2の材料を供給する所定の位置を指定して、前記第2の材料を供給する、付記13記載の積層造形方法。
1 第1の材料による部分
2 第2の材料による部分
3 造形層
4 材料供給管
5 ヒータ
6 冷却媒体供給筒
7 冷却媒体
8 レーザ照射装置
9 レーザ光
10 冷却回路
11、12 冷却ブロック
100 積層造形装置
101 造形ステージ
102 部分冷却部
103 加熱部
104 第1の材料供給部
105 第2の材料供給部
106 制御部
107 3次元形状モデル

Claims (8)

  1. 第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、
    前記第1の材料を前記層内の所定の位置に供給する第1の材料供給部と、
    前記第2の材料を前記層内の所定の位置に供給する第2の材料供給部と、
    少なくとも前記第2の材料を供給する際に前記第2の材料を加熱する加熱部と、
    前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却する部分冷却部と、
    を備え、
    前記部分冷却部は、
    冷却ブロックを有し、
    前記第2の材料を供給する所定の位置を指定する
    積層造形装置。
  2. 前記部分冷却部は、前記第2の材料の加熱時に冷却する、
    請求項1記載の積層造形装置。
  3. 前記加熱部は、前記第2の材料を加熱する温度の方が前記第1の材料の融点よりも高い、
    請求項1または2記載の積層造形装置。
  4. 前記第1の材料供給部と前記加熱部、前記第2の材料供給部と前記加熱部の、少なくとも一方は一体構造である、
    請求項1から3の内の1項記載の積層造形装置。
  5. 前記部分冷却部は、冷却媒体を放射する、
    請求項1から4の内の1項記載の積層造形装置。
  6. 前記冷却ブロックは、冷却媒体を流す回路を有する、
    請求項記載の積層造形装置。
  7. 第1の材料と第2の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、
    前記第1の材料を所定の位置に供給して造形し、
    前記第2の材料を所定の位置に供給して造形し、
    前記第2の材料を供給する際に、供給する前記第2の材料を加熱し、
    冷却ブロックを用いて前記第2の材料の周囲に存在する前記第1の材料を冷却し、
    前記第1の材料の冷却を行う際に、前記冷却ブロックを用いて前記第2の材料を供給する所定の位置を指定する
    積層造形方法。
  8. 前記第2の材料を加熱する温度は前記第1の材料の融点よりも高い、
    請求項記載の積層造形方法。
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