JP6653586B2

JP6653586B2 - ３次元造形装置

Info

Publication number: JP6653586B2
Application number: JP2016019701A
Authority: JP
Inventors: 克明牧原; 明宏川尻; 政利藤田; 謙磁塚田; 良崇橋本; 雅登鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: JP2017136760A

Description

本発明は、インクジェット方式で立体造形物を作製する３次元造形装置に関するものである。

従来のインクジェット方式の３次元造型装置では、各スライスに対応した各層の厚みを均一に保つことで、高さ方向の造形精度が維持される。しかし、各層の厚みを均一に保つため、複数のノズルが同時に吐出する樹脂の量を常に一定に制御することは困難であることから、各層の造形に必要な樹脂量よりも多くすることによりマージンを設けて、モデル材やサポート材等の造形材料を余剰に吐出する。そして、樹脂の吐出後には、ノズルから吐出された樹脂の余剰分を、回収機構で回収しながら造形を行う。なお、このような回収機構には、ローラが用いられる。（特許文献１を参照）。

しかしながら、当該特許文献に記載の装置においては、まだ、改良の余地がある。すなわち、当該装置においては、モデル材やサポート材等の造形材料が室温で硬化する場合、回収作業が好適にいかない虞がある。

特開２０１３−０６７１２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、ノズルから吐出されたワックス系インク（造形材料）の余剰分を回収機構で回収する際に、平坦化に使用するローラに付着した余剰のワックス系インクが硬化すると、回収作業が好適にできない点である。

本発明は、ノズルから吐出されたワックス系インクの余剰分を回収機構で回収する際に、ローラ及びブレードを所定の温度に加熱することにより、ローラに付着させたワックス系インクを液状化させ、ローラから剥がし易くすることを特徴とする。

本発明は、ローラに付着した余剰のワックス系インクをローラから剥がし易くすることで、余剰に吐出されたワックス系インクを効率よく回収できるという利点がある。

図１は３次元造形装置１０の概略構成図である。図２は第１のローラ３５（又は第２のローラ３６）とその周辺部材の断面図である。図３は３次元造形ルーチンのフローチャートである。

本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１は３次元造形装置１０の概略構成図、図２は第１のローラ３５（又は第２のローラ３６）とその周辺部材の断面図である。なお、以下の説明において、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を用いるが、それぞれの方向は図１に示した通りである。

本実施形態の３次元造形装置１０は、ステージ１２と、ヘッド部２０と、平坦化部３０と、コントローラ（制御手段）６０とを備えている。この３次元造形装置１０は、インクジェット方式のヘッド部２０からワックス系インクの硬化前流動物をステージ１２に向かって吐出して硬化前層状物を形成し、その硬化前層状物を平坦化部３０で平坦化したあと、室温で硬化させるという一連の操作を繰り返す。

ステージ１２は、造形中の３次元物体を支持するための長方形状の台である。このステージ１２は、３次元物体を造形するための造形エリア１２ａを有している。ステージ１２は、Ｙ方向のボールネジ１４の移動体に取り付けられ、ボールネジ１４をモータ１５で駆動することによりＹ方向（左右方向）へ移動可能である。ステージ１２は、Ｚ方向のボールネジ１６の移動体に取り付けられ、ボールネジ１６をモータ１７で駆動することによりＺ方向（上下方向）へ移動可能である。

ヘッド部２０は、ステージ１２をＸ方向に沿って跨ぐように配置されたフレーム２５に取り付けられている。このヘッド部２０は、ステージ１２の造形エリア１２ａのＸ方向の幅と略同じ長さの第１のラインヘッド２１と第２のラインヘッド２２とを備えている。第１のラインヘッド２１は、小型の第１の吐出ヘッド２３を図１のＸ方向にジグザグに並べたものである。第１の吐出ヘッド２３は、ステージ１２に対向する面にノズル列を有している。ノズル列は、多数のノズルがＸ方向と平行になるように設けられている。第１の吐出ヘッド２３をＸ方向にジグザグではなく直線的に並べたとすると、隣り合う第１の吐出ヘッド２３同士の間にはノズルの存在しない領域が生じてしまう。そのため、ノズルの存在しない領域が生じないように、第１の吐出ヘッド２３をＸ方向にジグザグで且つ一部がオーバーラップするように並べている。第１の吐出ヘッド２３は、第１の硬化前流動物の液滴をインクジェット方式によりノズルからステージ１２に向かって吐出可能となっている。第１の硬化前流動物は、本実施形態では、所定の熱が印加されるとモデル材となる材料、つまり、モデル材の元となる熱溶融性ワックス系インクである。第１の吐出ヘッド２３の各々には、図示しない供給ラインを介して第１の硬化前流動物が供給される。第２のラインヘッド２２は、小型の第２の吐出ヘッド２４を図１のＸ方向にジグザグに並べたものである。ジグザグに並べる理由は既に述べたとおりである。第２の吐出ヘッド２４は、第２の硬化前流動物の液滴をインクジェット方式によりノズルからステージに向かって吐出可能となっている。第２の硬化前流動物は、所定の熱が印加されるとサポート材となる材料、つまり、サポート材の元となる熱溶融性ワックス系インクである。第２の吐出ヘッド２４の各々には、図示しない供給ラインを介して第２の硬化前流動物が供給される。

ここで、モデル材とは、３次元物体のうち最終的に必要な部位（３次元目的物）を構成する材料であり、サポート材とは、３次元物体のうち最終的に除去される部位を構成する材料である。３次元目的物がピラミッド状であれば、サポート材を用いることなくモデル材をピラミッド状に積み上げていくことができる。しかし、３次元目的物が逆ピラミッド状であれば、モデル材だけを積層して造形することはできず、足場となる部分をサポート材で形成しながらモデル材を積み上げていき、最後にサポート材を除去する必要がある。サポート材を除去するには、サポート材を手ではぎ取ったり溶媒に溶かしたりする方法が知られている。

平坦化部３０は、ステージ１２をＸ方向に沿って跨（また）ぐように配置された第１及び第２のフレーム３１，３２を備えている。

第１のフレーム３１には、ヒータ（図示せず）を内蔵し、モータ３５ａによって回転駆動される第１のローラ（第１の平坦化部材）３５が取り付けられているほか、図２に示す第１のブレード３７や第１の回収タンク３９が取り付けられている。なお、第１のブレード３７はヒータを内蔵している。第１のフレーム３１は、第１のエアシリンダ（駆動機構）３３によって上下動可能となっている。第１のローラ３５は、図２に示すように、第１の硬化前層状物４１の凹凸表面を平坦化するものである。第１の硬化前層状物４１は、第１のラインヘッド２１から吐出された第１の硬化前流動物によって造形エリア１２ａに形成された層状物である。第１のフレーム３１が下方位置にあるとき（図１の実線参照）、第１のローラ３５はステージ１２に接近した位置である定位置に配置されて硬化前層状物を平坦化可能な状態となる。一方、第１のフレーム３１が上方位置にあるとき（図１の１点鎖線参照）、第１のローラ３５はステージ１２から上方に離間した位置である退避位置に配置されて硬化前層状物と接触しない状態となる。第１のブレード３７は、第１のローラ３５に付着した第１の硬化前流動物を削ぎ落とすものである。第１の回収タンク３９は、第１のブレード３７によって削ぎ落とされた第１の硬化前流動物を回収するものである。

第２のフレーム３２には、ヒータ（図示せず）を内蔵し、モータ３６ａによって回転駆動される第２のローラ（第２の平坦化部材）３６が取り付けられているほか、第１のローラ３５と同様、ヒータ（図示せず）を内蔵する第２のブレード３８や第２の回収タンク４０が取り付けられている。なお、第２のローラ３６や第２のブレード３８、第２の回収タンク４０は、第１のローラ３５や第１のブレード３７、第１の回収タンク３９と同じであるため、図２では括弧内にこれらの符号を示した。第２のフレーム３２は、第２のエアシリンダ（駆動機構）３４によって上下動可能となっている。第２のローラ３６は、第２の硬化前層状物４２の凹凸表面を平坦化するものである。第２の硬化前層状物４２は、第２のラインヘッド２１から吐出された第２の硬化前流動物によって造形エリア１２ａに形成された層状物である。第２のフレーム３２が下方位置にあるとき（図１の実線参照）、第２のローラ３６はステージ１２に接近した位置である定位置に配置されて硬化前層状物を平坦化可能な状態となる。一方、第２のフレーム３２が上方位置にあるとき（図１の１点鎖線参照）、第２のローラ３６はステージ１２から離間した位置である退避位置に配置されて硬化前層状物と接触しない状態となる。第２のブレード３８は、第２のローラ３６に付着した第２の硬化前流動物を削ぎ落とすものである。第２の回収タンク４０は、第２のブレード３８によって削ぎ落とされた第２の硬化前流動物を回収するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４、各種データを記憶するＨＤＤ６６、作業領域として用いられるＲＡＭ６８などを備えている。これらは、図示しないバスを介して電気的に接続されている。コントローラ６０は、入力デバイス７０からの指令信号やヘッド部２０の各種センサからの検出信号、モータ１５，１７からの検出信号などを入力可能である。また、コントローラ６０は、ステージ１２を移動させるモータ１５，１７やヘッド部２０の各種アクチュエータ、第１及び第２のローラ３５，３６を回転させるモータ３５ａ，３６ａ、ヒータ、第１及び第２のフレーム３１，３２を昇降させる第１及び第２のエアシリンダ３３，３４などへ制御信号を出力可能である。

次に、こうした３次元造形装置１０の動作について説明する。オペレータが入力デバイス７０から３次元造形スタートの指示を入力すると、コントローラ６０のＣＰＵ６２は、ＲＯＭ６４から３次元造形ルーチンのプログラムを読み出し、これを実行する。図３は、３次元造形ルーチンのフローチャートである。なお、ＨＤＤ６６には、造形しようとする３次元物体の下から上へ所定間隔ごとに水平方向に層状にスライスしたスライスデータが保存されているものとする。スライスデータは、ＣＡＤデータを加工することにより作成される。これらのスライスデータの中には、モデル材とサポート材とが混在した層のスライスデータもあれば、モデル材のみの層のスライスデータもある。

ＣＰＵ６２は、３次元ルーチンのプログラムを開始すると、まず、第１及び第２のローラ３５，３６を退避位置へ移動させる（ステップＳ１０２）。具体的には、ＣＰＵ６２は、第１及び第２のエアシリンダ３３，３４のスイッチをオフにすることにより、第１及び第２のフレーム３１，３２を上方位置に配置する。これにより、第１及び第２のローラ３５，３６は、図１の１点鎖線で示す退避位置に位置決めされる。

次に、ＣＰＵ６２は、造形エリア１２ａを初期位置へ配置する（ステップＳ１０４）。具体的には、ＣＰＵ６２は、造形エリア１２ａがヘッド部２０の下方に位置するようにモータ１５を制御してステージ１２をＹ方向へ移動させると共に、ヘッド部２０のノズル位置と造形エリア１２ａの表面との間隔が印刷に適した所定の間隔となるようにモータ１７を制御してステージ１２をＺ方向に移動させる。

次に、ＣＰＵ６２は、第１の硬化前層状物を印刷する（ステップＳ１０６）。具体的には、ＣＰＵ６２は、今回の印刷に用いるスライスデータのうちモデル材のデータに基づいて、第１のラインヘッド２１を構成する第１の吐出ヘッド２３から第１の硬化前流動物を吐出させることにより、第１の硬化前層状物を印刷する。

次に、ＣＰＵ６２は、第１のローラ３５及び第１のブレード３７のヒータの加熱を開始する。第１のローラ３５及び第１のブレード３７がＣＰＵ６２から入力された所定の温度に達すると、第１のローラ３５を定位置へ移動させる（ステップＳ１０８）。具体的には、ＣＰＵ６２は、第１のエアシリンダ３３のスイッチをオンにすることにより、第１のフレーム３１を図１の実線で示す下方位置へ移動させる。これに伴って、第１のローラ３５は定位置へ移動する。なお、第２のローラ３６は退避位置のまま維持する。

次に、ＣＰＵ６２は、印刷した第１の硬化前層状物の平坦化を行う（ステップＳ１１０）。具体的には、ＣＰＵ６２は、造形エリア１２ａが平坦化部３０の下方を通過するようにモータ１５を制御してステージ１２をＹ方向へ移動させると共に、第１のローラ３５の周速がステージ１２の移動速度と一致するようにモータ３５ａを制御する。第１のローラ３５は、定位置に配置された状態では、印刷された第１の硬化前層状物の表面とわずかに接触するように設計されている。そのため、第１の硬化前層状物の凹凸表面は第１のローラ３５によって平坦化される。このとき、第２のローラ３６は退避位置にあるため、第１の硬化前層状物と接触することはない。

ＣＰＵ６２の制御により、第１のローラ３５及び第１のブレード３７はヒータで所定の温度に加熱されている。このため、第１のローラ３５に付着した第１の硬化前流動物は液状化され、第１のブレード３７により容易に削ぎ落とされる。第１のブレード３７によって削ぎ落とされた第１の硬化前流動物は、第１の回収タンク３９に回収される。

第１の硬化前層状物の平坦化が終了した後、ＣＰＵ６２は、第１のローラ３５を退避位置へ退避させる（ステップＳ１１２）。具体的には、ＣＰＵ６２は、第１のエアシリンダ３３のスイッチをオフにすることにより、第１のフレーム３１を図１の１点鎖線で示す上方位置へ移動させる。これに伴って、第１のローラ３５は退避位置へ移動する。その結果、第１及び第２のローラ３５，３６は共に退避位置に配置された状態となる。

次に、ＣＰＵ６２は、第１の硬化前層状物の硬化を実施する（ステップＳ１１４）。その結果、モデル材の層が形成される。

次に、ＣＰＵ６２は、今回、第２の硬化前層状物の印刷が必要か否かを判定する（ステップＳ１１６）。ＣＰＵ６２は、３次元物体の下から中央まではサポート材Ｓが存在するため第２の硬化前層状物の印刷が必要と判定し、中央から上まではモデル材Ｍのみのため第２の硬化前層状物の印刷は不要と判定する。

ステップＳ１１６で第２の硬化前層状物の印刷が必要だったならば、ＣＰＵ６２は、造形エリア１２ａを初期位置へ戻す（ステップＳ１１８）。具体的には、ＣＰＵ６２は、造形エリア１２ａがヘッド部２０の下方に位置するようにモータ１５を制御してステージ１２をＹ方向へ移動させる。このとき、ヘッド部２０のノズル位置と造形エリア１２ａの表面との間隔は変更しない。

次に、ＣＰＵ６２は、第２の硬化前層状物を印刷する（ステップＳ１２０）。具体的には、ＣＰＵ６２は、今回の印刷に用いるスライスデータのうちサポート材のデータに基づいて、第２のラインヘッド２２を構成する第２の吐出ヘッド２４から第２の硬化前流動物を吐出させることにより、第２の硬化前層状物を印刷する。第２の硬化前層状物は直前に形成したモデル材と同じ層に印刷される。

次に、ＣＰＵ６２は、ヒータにより第２のローラ３６及び第２のブレード３８の加熱を開始する。第２のローラ３６及び第２のブレード３８がＣＰＵ６２から入力された所定の温度に達すると、第２のローラ３６を定位置へ移動させる（ステップＳ１０８）。具体的には、ＣＰＵ６２は、第２のエアシリンダ３４のスイッチをオンにすることにより、第２のフレーム３２を図１の実線で示す下方位置へ移動させる。これに伴って、第２のローラ３６は定位置へ移動する。なお、第１のローラ３５は退避位置のまま維持する。

次に、ＣＰＵ６２は、印刷した第２の硬化前層状物の平坦化を行う（ステップＳ１２４）。具体的には、ＣＰＵ６２は、造形エリア１２ａが平坦化部３０の下方を通過するようにモータ１５を制御してステージ１２をＹ方向へ移動させると共に、第２のローラ３６の周速がステージ１２の移動速度と一致するようにモータ３６ａを制御する。第２のローラ３６は、定位置に配置された状態では、印刷された第２の硬化前層状物の表面とわずかに接触するように設計されている。そのため、第２の硬化前層状物の凹凸表面は第２のローラ３６によって平坦化される。このとき、第１のローラ３５は退避位置にあるため、第２の硬化前層状物と接触することはない。

ＣＰＵ６２の制御により、第２のローラ３６及び第２のブレード３８はヒータで所定の温度に加熱されている。このため、第２のローラ３６に付着した第２の硬化前流動物は液状化され、第２のブレード３８により容易に削ぎ落とされる。第２のブレード３８によって削ぎ落とされた第２の硬化前流動物は、第２の回収タンク４０に回収される。

第２の硬化前層状物の平坦化が終了した後、ＣＰＵ６２は、第２のローラ３６を退避位置へ退避させる（ステップＳ１２６）。具体的には、ＣＰＵ６２は、第２のエアシリンダ３４のスイッチをオフにすることにより、第２のフレーム３２を図１の１点鎖線で示す上方位置へ移動させる。これに伴って、第２のローラ３６は退避位置へ移動する。その結果、第１及び第２のローラ３５，３６は共に退避位置に配置された状態となる。

次に、ＣＰＵ６２は、第２の硬化前層状物の硬化を実施する（ステップＳ１２８）。その結果、モデル材とサポート材とが混在した層が形成される。

次に、ＣＰＵ６２は、３次元物体が完成したか否かを判定する（ステップＳ１３０）。具体的には、今回の３次元物体を造形するためのすべてのスライスデータについて処理を実行したか否かを判定する。３次元物体が完成していなければ、つまりまだ未処理のスライスデータが残っていれば、ＣＰＵ６２は、ステージ１２を一段下げ（ステップＳ１３２）、再びステップＳ１０４以降の処理を実行する。その際、スライスデータは、前回のスライスデータよりも３次元物体の一つ上の層のものを使用する。なお、ステージ１２を一段下げることにより、ヘッド部２０のノズル位置と造形途中の３次元物体の表面との間隔が印刷に適した所定の間隔となる。一方、ステップＳ１３０で３次元物体が完成したならば、つまり未処理のスライスデータが残っていなければ、ＣＰＵ６２は、このルーチンを終了する。

このようにして得られた３次元物体は、不要なサポート材を包含しているため、サポート材を手で剥がすか所定の溶媒で溶解させて除去することにより、モデル材のみからなる３次元目的物を得る。

以上詳述した本実施形態の３次元造形装置１０によれば、第１のローラ３５、第２のローラ３６にヒータを内蔵させ、ＣＰＵ６２の制御でヒータを加熱することにより、ローラ３５，３６に付着した硬化前層状物が第１のブレード３７、第２のブレード３８により剥がし易くされ、効率的に第１の回収タンク３９、第２の回収タンク４０に回収される。

本発明は、ヘッド部から硬化前流動物をステージに向かって吐出して硬化前層状物を形成し、該硬化前層状物を平坦化部で平坦化したあと硬化するという一連の操作を繰り返すことにより、３次元物体を造形する３次元造形装置に利用可能である。

１０…３次元造形装置、１２…ステージ、１２ａ…造形エリア、１４…ボールネジ、１５…モータ、１６…ボールネジ、１７…モータ、１８…筐体、２０…ヘッド部、２１…第１のラインヘッド、２２…第２のラインヘッド、２３…第１の吐出ヘッド、２４…第２の吐出ヘッド、２５…フレーム、３０…平坦化部、３１…第１のフレーム、３２…第２のフレーム、３３…第１のエアシリンダ、３４…第２のエアシリンダ、３５…第１のローラ、３５ａ…モータ、３６…第２のローラ、３６ａ…モータ、３７…第１のブレード、３８…第２のブレード、３９…第１の回収タンク、４０…第２の回収タンク、４１…第１の硬化前層状物、４２…第２の硬化前層状物、５５…フレーム、６０…コントローラ、６２…ＣＰＵ、６４…ＲＯＭ、６６…ＨＤＤ、６８…ＲＡＭ、７０…入力デバイス、１３５…第１のスキージ、１３６…第２のスキージ。

Claims

ヘッド部から硬化前流動物をステージに向かって吐出して硬化前層状物を形成し、該硬化前層状物を平坦化部で平坦化したあと硬化するという一連の操作を繰り返すことにより、３次元物体を造形する３次元造形装置であって、
前記平坦化部は、前記硬化前流動物により形成された硬化前層状物を平坦化するローラと、
前記ローラに設けられるヒータと、
前記ローラに当接し、前記ローラに付着した前記硬化前層状物を前記ローラから剥離するブレードと、
前記ブレードに設けられるヒータと、
前記ローラに設けられるヒータ及び前記ブレードに設けられるヒータの温度調整を行う制御部と、
前記ローラから剥離した前記硬化前層状物を回収する回収容器と、を備え、
前記制御部は、前記硬化前流動物が液状化する温度に前記ローラに設けられるヒータ及び前記ブレードに設けられるヒータを制御することを特徴とする３次元造形装置。