JP6625134B2 - 造形物の製造方法及び造形物 - Google Patents
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Description
図1のブロック図を参照して、第1の実施の形態に係る造形物を製造するための製造装置の構成を説明する。
この製造装置は、3Dプリンタ100と、無電解めっき装置110と、電解めっき装置120とを備える。3Dプリンタ100は、後述するように、第1材料R1からなる造形物を形成するための装置である。第1材料R1は、後述するように、第1の層では第1方向を長手方向として所定の間隔を空けて形成される。一方、第1の層の上方の第2の層では、第1方向と交差する第2方向を長手方向として所定の間隔を空けて形成される(いわゆる井桁構造)。以下では、このような井桁構造を有する構造物を、井桁構造物と称する。この第1材料R1は、3Dプリンタ100がいわゆる熱溶融積層法を用いたものである場合、ABS樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。
また、無電解めっき装置110は、3Dプリンタ100により形成された第1井桁構造物A1(第1材料R1)の壁面に、無電解めっき法により金属材料としての第2材料R2の薄膜を形成するための装置である。無電解めっき装置110は、一例として、シード剤を格納するシード剤容器111と、無電解めっき液を格納する無電解めっき液容器112を有している。第2材料R2としては、銅、ニッケル、金、銀など、無電解めっき法を利用し得る様々な金属が使用し得る。無電解めっきは、基材が金属材料でなくとも実行することができるめっき法である。
また、電解めっき装置120は、第2材料R2の薄膜R2を形成された第2井桁構造物A2に対し、電解めっき法により第3材料R3を形成するための装置である。電解めっき装置120は、一例として電解めっき液を格納した電解めっき液容器121を有している。この電解めっき法により、第2井桁構造物A2の隙間は第3材料R3により充填され、これにより第3井桁構造物A3が形成される。なお、第3材料R3は、第2材料R2とは異なる金属材料であってもよいし、同じ金属材料であってもよい。
次に、3Dプリンタ100の構成の一例を、図2〜図5を参照して説明する。
図2は、第1の実施の形態で用いる3Dプリンタ100の概略構成を示す斜視図である。3Dプリンタ100は、フレーム11と、XYステージ12と、造形ステージ13と、昇降テーブル14と、ガイドシャフト15とを備えている。
フレーム11は、図2に示すように、例えば直方体の外形を有し、アルミニウム等の金属材料の枠組を備えている。このフレーム11の4つの角部に、例えば4本のガイドシャフト15が、図2のZ方向、すなわち造形ステージ10の平面に対し垂直な方向に延びるように形成されている。ガイドシャフト15は、後述するように昇降テーブル14を上下方向に移動させる方向を規定する直線状の部材である。ガイドシャフト15の本数は4本には限られず、昇降テーブル14を安定的に維持・移動させることができる本数に設定される。
造形ステージ13は、造形物Sが載置される台であり、後述する造形ヘッドから吐出される熱可塑性樹脂が堆積される台である。
昇降テーブル14は、図2及び図3に示すように、その4つの角部においてガイドシャフト15を貫通させており、ガイドシャフト15の長手方向(Z方向)に沿って移動可能に構成されている。昇降テーブル14は、ガイドシャフト15と接触するローラ34,35を備えている。ローラ34,35は昇降テーブル14の2つの角部に形成されたアーム部33において回動可能に設置されている。このローラ34,35がガイドシャフト15上と接触しつつ回動することで、昇降テーブル14はZ方向にスムーズに移動することが可能とされている。また、昇降テーブル14は、図3に示すように、モータMzの駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、上下方向に所定間隔(例えば0.1mmピッチ)で移動する。モータMzは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。なお、実際の昇降テーブル14の高さ方向の位置を連続的又は間欠的にリアルタイムで、図示しない位置センサを用いて測定し、適宜補正をかけることによって、昇降テーブル14の位置精度を高めるようにしてもよい。後述する造形ヘッド25A、25Bについても同様である。
XYステージ12は、この昇降テーブル14の上面に載置されている。図4は、このXYステージ12の概略構成を示す斜視図である。XYステージ12は、枠体21と、Xガイドレール22と、Yガイドレール23と、リール24A、24Bと、造形ヘッド25A、25Bと、造形ヘッドホルダHを備えている。Xガイドレール22は、その両端がYガイドレール23に嵌め込まれ、Y方向に摺動自在に保持されている。リール24A、24Bは、造形ヘッドホルダHに固定されており、造形ヘッドホルダHによって保持された造形ヘッド25A、25Bの動きに追従してXY方向を移動する。造形物Sの材料となる熱可塑性樹脂は、径が3〜1.75mm程度の紐状の樹脂(フィラメント38A、38B)であり、通常リール24A,24Bに捲かれた状態で保持されているが、造形時には後述する造形ヘッド25A,25Bに設けられたモータ(エクストルーダ)によって造形ヘッド25A,25B内に送り込まれる。
なお、図2〜図4では、造形ヘッド25Aは、フィラメント38Aを溶融・吐出するよう構成され、造形ヘッド25Bは、フィラメント38Bを溶融し吐出するよう構成され、異なるフィラメントのためにそれぞれ独立の造形ヘッドが用意されている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の造形ヘッドのみを用意し、単一の造形ヘッドにより複数種類のフィラメント(樹脂材料)を選択的に溶融・吐出させるような構成も採用することができる。
次に、図5のブロック図を参照してドライバ300の構造の詳細について説明する。ドライバ300は、CPU301、フィラメント送り装置302、ヘッド制御装置303、電流スイッチ304、及びモータドライバ306を含んでいる。
ここで無電解めっき液とは、電気を用いずともめっきを行うことのできる金属イオンまたは金属錯体と、還元剤とからなる水溶液である。例えばコバルトめっきを行う場合には、無電解めっき液は、コバルト錯体(例:クエン酸コバルト)と次亜リン酸ナトリウムの混合水溶液とすることができ、この水溶液を加温して用いることができる(一般的には70〜90℃)。
このような方法により、シード剤を核として、無電解めっき液中の金属原子が第1井桁構造物A1’の表面に析出し成長する(無電解めっきが施されその表面に第2材料R2が付着した第1井桁構造物A1’を、以下では第2井桁構造物A2という)。浸漬時間におよそ比例して金属は成長し、数十ナノメートル〜数十ミクロンの金属層を形成することができる。
なお上述した無電解めっき液に用いた次亜リン酸ナトリウム、ジメチルアミンボラン、水素化ホウ素ナトリウムはいずれも金属を析出させる還元剤の例である。特にこれらリン化合物またはホウ素化合物またはその両方を用いると、第2材料R2として析出する金属の中にリンまたはホウ素またはその両方の元素が0.1〜15%の重量比で取り込まれ、膜の強度向上に寄与し、好ましい。
図11A〜11Eはこのような井桁構造物を断面図を用いて説明したものである。図11Aは第1井桁構造物A1の部分断面図(XZ断面)を表し、第1材料R1が水平方向と垂直方向に積層されて構成されている。この第1井桁構造物A1にシード剤を付加した後の第1井桁構造物A1’に対し無電解めっきが施されると、図11Bに示すように、第2材料R2が第1井桁構造物A1’の表面全域に渡って形成され、第2井桁構造物A2となる。
続いてこの第2井桁構造物A2に対し、電解めっきが施されると、図11Cに示すように、第2材料R2を電極としてめっきが施され、第3材料R3が第2井桁構造物A2の表面全域に渡って形成され、第3井桁構造物A3となる。
なお、無電解めっきにより作られる第2材料R2、及び電解めっきにより作られる第3材料R3は、その断面構造において特徴的な形状を持つ。具体的には、第3井桁構造物A3の断面サンプルを作成し、光学顕微鏡または電子顕微鏡で観察すると、無電解めっきにより作られる第2材料R2は細かな柱状結晶であり、図11Dに示すように第1材料R1の表面に対して垂直に立った結晶成長であることが認められる。一方、電気めっきにより作られる第3材料R3は粒子の粗い柱状結晶であり、図11Dに示すように第2材料R2の表面に対して垂直に立った結晶成長を示すものの、第1材料R1の窪みとなる部分においては、複数の方向からの結晶成長が合流した複雑な結晶方位を持つ構造が認められる。言い換えれば、図11Dの断面構造を有する構造物は、本発明に従う製造方法により、第2材料R2の表面すべてを電極として結晶成長(電気めっき)を行ったことを示すものである。
特に樹脂材料、樹脂材料と接する第1の金属材料、及び第1の金属材料と接する第2の金属材料からなる、複数の材料を複合的に用いた造形物は強固である。特に第1の金属材料が樹脂材料面に対して垂直に立った柱状結晶であり、第1の金属材料と接する第2の金属材料も第1の金属材料面に対して垂直に立った柱状結晶とした時、これら第1及び第2の金属材料に対する外部からの強度は高くなると共に、応力の分散も井桁構造物全体に及ぶので、破断することなく、複数材料間の接合は良好に維持される。特に第1の金属材料の中にリンまたはホウ素またはその両方の元素が含まれるものは本発明の最も好ましい造形物である。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る造形物の製造装置を、図12を参照して説明する。第2の実施の形態の製造装置は、図12に示すように、3Dプリンタ100’と、鋳型形成装置400と、金属又はセラミック鋳造装置500と、樹脂注入装置600とを備えている。
また、セラミック単体に対して金属や樹脂と複合化された構造体や金属単体に対する樹脂と複合化された構造体では、曲げに対する弾性変形領域を拡大する事ができ、セラミック単体や金属単体より柔軟性に富んだ材料を提供することができる。
まず、変形例1について図19を参照して説明する。図10では、第3井桁構造物A3の第1材料R1が熱可塑性樹脂であり、第2材料R2及び第3材料R3が金属であるとして説明した。変形例1では、第2材料R2を用いず、第3材料R3を金属に代えてマイカを用いる。マイカは天然に鉱物として産出する二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カリウム及び結晶水とからなる層状のケイ酸塩である。例えばKAl2(Si3Al)O10(OH)2、KMg3(Si3Al)O10(OH)2などの化学式が代表例である。
次に、変形例2について図20を参照して説明する。
この変形例2の造形物の製造装置は、図20に示すように、3Dプリンタ100’と、鋳型形成装置400と、セラミック鋳造装置550と、溶融金属注入装置900とを備えている。
向上すると共に、強度と屈曲性を兼ね備えた構造物とすることができる。
次に、変形例3について図21を参照して説明する。
この変形例3の造形物の製造装置は、図21に示すように、3Dプリンタ100’と、鋳型形成装置400と、金属鋳造装置560と、溶融金属注入装置910とを備えている。
この変形例3の製造方法を図21を参照しつつ説明する。3Dプリンタ100により第1井桁構造物A1を作成したのち、鋳型形成装置400を用いて鋳型の形成を行うところまでは第2の実施の形態、及び変形例2と同じである。
以上説明してきた実施形態及び変形例の井桁構造物は、すべてXY平面上における2種類の材料のピッチが共に等しく、一定であるものおつぃて説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではない。
図22で示すように、高さ方向(Z方向)に進むに従って、構成材(第1材料R1)のピッチ及び密度が変化するような密度可変の井桁構造物A7としても構わない。このように構成すると、2成分組成について高さ方向のグラデーションを有する井桁構造物とすることができる。
Claims (14)
- 第1の層において、第1の材料を第1の方向に連続的に形成し且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記第1の材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物を形成するステップと、
前記第1井桁構造物の壁面に無電解めっき法を用いて第2の材料の薄膜を堆積させて第2井桁構造物を形成するステップと、
前記第2井桁構造物に対し電解めっき法を実行して第3の材料を前記隙間に堆積させて第3井桁構造物を形成するステップと
を備えたことを特徴とする造形物の製造方法。 - 第1の層において、第1の材料を第1の方向に連続的に形成し且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記第1の材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物を形成するステップと、
前記第1井桁構造物を覆う鋳型を形成するステップと、
前記鋳型を残して前記第1井桁構造物を除去するステップと、
前記鋳型に対し溶融された第2の材料を流し込んで凝固させることにより第2井桁構造物を形成するステップと、
前記第2井桁構造物を残して鋳型を除去するステップと、
前記第2井桁構造物に対し液状の第3の材料を前記隙間に注入して凝固させることにより第3井桁構造物を形成するステップと
を備えたことを特徴とする造形物の製造方法。 - 前記第1井桁構造物の除去は、加熱処理により実行される、請求項2記載の製造方法。
- 前記第1の材料は、3Dプリンタにより形成される、請求項1又は2記載の造形物の製造方法。
- 前記第1の材料は、熱可塑性を有する樹脂材料である、請求項4記載の造形物の製造方法。
- 第1の層において、樹脂材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記樹脂材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物が構成され、
前記第1井桁構造物の前記隙間に金属材料が構成され、
前記金属材料は、前記第1井桁構造物に接する第1層と、その第1層の上層に位置する第2層とからなり、
前記第1層は、前記樹脂材料の表面に対して垂直な結晶方位を有する柱状結晶であり、
前記第2層は前記第1層の表面に対して垂直な結晶方位を有する柱状結晶である
ことを特徴とする造形物。 - 前記第2層の結晶は、前記第1層の結晶よりも荒い、請求項6記載の造形物。
- 前記第2層は、前記第1井桁構造物の窪み部分において、複数の方向に向かう結晶方位を有する、請求項6記載の造形物。
- 前記第2層の結晶は、前記第1層の結晶よりも荒い、請求項8記載の造形物。
- 第1の層において、樹脂材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記樹脂材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物が構成され、
前記第1井桁構造物の前記隙間に金属材料が構成され、
前記金属材料は前記第1井桁構造物に接する第1層と、その第1層の上層の第2層とからなり、
前記第1層は、リンまたはホウ素を少なくとも有する金属材料から構成される
ことを特徴とする造形物。 - 3Dプリンタによって、第1の層において、樹脂材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記樹脂材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物が構成され、
前記第1井桁構造物の前記隙間に金属材料が構成されたことを特徴とする造形物。 - 3Dプリンタによって、第1の層において、金属材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記金属材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物が構成され、
前記第1井桁構造物の前記隙間に樹脂材料又は前記金属材料とは異なる金属材料が構成されたことを特徴とする造形物。 - 3Dプリンタによって、第1の層において、セラミック材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列するとともに、前記第1の層の上部の第2の層において、前記セラミック材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列することにより、第1井桁構造物が構成され、
前記第1井桁構造物の前記隙間に樹脂材料又は金属材料が構成されたことを特徴とする造形物。 - 前記樹脂材料は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項12又は13記載の造形物。
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