JP6682782B2

JP6682782B2 - 造形装置および造形方法

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Publication number: JP6682782B2
Application number: JP2015175448A
Authority: JP
Inventors: 三奈日紫喜; 明大内; 優輝柳田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: JP2017052097A

Description

本発明は、層を積層して３次元造形物を造形する造形技術に関する。

３次元ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層ごとに層の上に層を積むようにして材料を付加して３次元の造形物を製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ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（スリーディープリンタ）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可能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造形物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造形物が実現する。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造形物が実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも実現することができる。

ところで、層を積層して３次元造形物を造形する際には、複数の材質の異なる層を積層させたり、層の一部を切除したりといった、異なる工法による造形工程を同一の層内で行う必要がある場合がある。特許文献１と特許文献２には、異なる複数の工法を用いることによって３次元造形物を造形する方法が開示されている。

特許文献１には、粉末材料をレーザ照射して積層する積層形成部の積層側端部に、エンドミル工具を駆動させるエンドミル操作部を備えることによって、順次連続してレーザ光の照射による積層を行いながら切削除去を行う装置が開示されている。

特許文献２には、粉末材料にレーザ照射して焼結層を形成し、焼結層に付着する未焼結の粉末材料を除去する作業をまとめて行う作業領域と、焼結層の表面に電子ビームを照射して表面改質を行う作業領域と、焼結層の表面に切削加工や研削加工を行う作業領域と、に分けて配置し、ガイドレールを各作業領域にわたって敷設することで、移動装置に載置した焼結体が作業領域の間を移動できる装置が開示されている。

特開２００７−２０４８２８号公報特開２０１５−３０８７２号公報

ところで、特許文献１や特許文献２に開示された方法によれば、積層工程や表面改質工程や切削研削工程などの異なる工法による工程を行う場合、材料のコンタミや反りや変形や変質を防ぐために、各工程はシリアルに行われている。そのため、各工程を処理するタイミングや速度や処理条件に制約がかかり、結果として、造形における生産性の低下の原因となっている。

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次元造形物を造形する造形装置において、複数の異なる工法を要する造形物の生産性を高めることにある。

本発明による造形装置は、第１の造形を行う第１の造形手段を有する第１の造形領域と、第２の造形を行う第２の造形手段を有する第２の造形領域と、前記第１の造形と前記第２の造形とに基づく造形物を各々形成する第１のステージと第２のステージと、前記第１のステージと前記第２のステージとを前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とに交互に入れ替える入替手段と、を有し、前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは、前記第１の造形と前記第２の造形とを同時並行的に実施する。

本発明による造形方法は、第１のステージに第１の造形領域で第１の造形をし、同時並行的に、第２のステージに第２の造形領域で第２の造形をし、前記第１のステージと前記第２のステージとを前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とで入れ替えをし、前記第１のステージに前記第２の造形領域で前記第２の造形をし、同時並行的に、前記第２のステージに前記第１の造形領域で前記第１の造形をする。

本発明によれば、層を積層して３次元造形物を造形する造形装置において、複数の異なる工法を要する造形物の生産性を高めることができる。

本発明の第１の実施形態の造形装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の造形装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の造形装置の入替手段の構成を示す図である。本発明の第２の実施形態の造形装置の入替手段の構成を示す図である。本発明の第２の実施形態の造形装置の動作を説明するための図である。本発明の第３の実施形態の造形装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態の造形装置の動作を説明するための図である。

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。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の造形装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の造形装置１０は、第１の造形を行う第１の造形手段１１１を有する第１の造形領域１１と、第２の造形を行う第２の造形手段１２１を有する第２の造形領域１２と、第１の造形と第２の造形とに基づく造形物を各々形成する第１のステージ１４と第２のステージ１５と、第１のステージ１４と第２のステージ１５とを第１の造形領域１１と第２の造形領域１２とに交互に入れ替える入替手段１３と、を有し、第１の造形手段１１１と第２の造形手段１２１とは、第１の造形と第２の造形とを同時並行的に実施する。

本実施形態によれば、層を積層して３次元造形物を造形する造形装置において、複数の異なる工法を要する造形物の生産性を高めることができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の造形装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の造形装置２０は、第１の造形を行う第１の造形手段２１１と、第１の造形のための第１の材料を供給する第１の材料供給手段２１２と、を有する第１の造形領域２１を有する。さらに、第２の造形を行う第２の造形手段２２１と、第２の造形のための第２の材料を供給する第２の材料供給手段２２２と、を有する第２の造形領域２２を有する。各々の造形領域は、造形手段と材料供給手段との組を、組ごとにチャンバなどで取り囲む、などにより設けることができる。

さらに、造形装置２０は、第１の造形と第２の造形とに基づく３次元造形物を各々形成する第１のステージ２４と第２のステージ２５とを有する、さらに、第１のステージ２４と第２のステージ２５とを第１の造形領域２１と第２の造形領域２２とに、交互に入れ替えるレール２３を有する。

さらに、造形装置２０は、第１の造形手段２１１、第１の材料供給手段２１２、第２の造形手段２２１、第２の材料供給手段２２２、第１のステージ２４、第２のステージ２５、レール２３に接続する制御手段２６を有する。制御手段２６は、それぞれの材料の供給量、供給位置、供給タイミング、積層造形するスピード、積層造形するタイミング、ステージの移動する速度、ステージの位置など、造形物の積層造形に関わる制御を行なう。さらに、制御手段２６は、第１の造形手段２１１と第２の造形手段２２１とが、第１の造形と第２の造形とを同時並行的に実施するよう制御する。

制御手段２６は、サーバなどの情報処理装置をプログラムにより動作させることによって実現することができる。プログラムの動作は、３次元造形物の３次元ＣＡＤデータに基づいて設定される。

第１の造形手段２１１と第２の造形手段２２１とは、異なる造形工程を行うことができる。第１の造形手段２１１と第２の造形手段２２１とは、異なる工法を有することができる。

第１の造形手段２１１と第２の造形手段２２１の工法は、ＡＳＴＭ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している工法を用いることができる。具体的には、溶融した材料をノズルなどの開口部から選択的に押出して堆積する材料押出方式（Ｍａｔｅｒｉａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）が挙げられる。また、材料の液滴を噴射し紫外線で選択的に硬化させて堆積させる材料噴射方式（Ｍａｔｅｒｉａｌｊｅｔｔｉｎｇ）や、粉末状の材料を一層ずつ重ね、一層毎にレーザ照射して焼結する粉末床溶融結合方式（Ｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ）などが挙げられる。さらに他の工法として、加圧手段や振動手段を有し、加圧や振動によって層間を結合する工程を繰り返すことで積層造形してもよい。第１の造形手段２１１と第２の造形手段２２１の工法は、上記の工法には限定されない。

積層する材料は、工法に合わせて選択することができる。例えば、材料押出方式の場合、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリ乳酸など熱可塑性樹脂が挙げられる。また、粉末床溶融結合方式の場合、金、銅、銀、アルミ等が挙げられる。また、加圧や振動によって層間を結合して積層造形する場合、伝導体としての性能を有する金、銅、銀、アルミ等が挙げられる。工法に合わせた各材料は、上記の材料には限定されない。

本実施形態の造形装置２０では、工法ごとに造形領域が異なるため、材料のコンタミを防ぐことができ、各造形領域において積層造形に関わる材料の種類や供給量などの条件を最適に調整できるため、生産性や品質が向上する。さらに、第１の造形領域２１と第２の造形領域２２とで同時並行的に造形が行えるため、生産性はさらに向上する。

図３Ａおよび図３Ｂは、造形装置２０のステージの入替手段であるレールの構成を示す図である。図３Ａでは、第１のステージ２４と第２のステージ２５とは、周状のレール２３に沿って第１の造形領域２１と第２の造形領域２２に交互に入れ替わる。このとき、第１のステージ２４と第２のステージ２５とがレール２３上を、例えば矢印のように移動してもよく、第１のステージ２４と第２のステージ２５とがレール２３に固定され、レール２３が例えば矢印のように回転してもよい。レール２３の形状は、円形の他にも、楕円形や、四角形などの多角形でもよい。

図３Ｂでは、第１のステージ２４と第２のステージ２５とは、放射状のレール２７に沿って第１の造形領域２１と第２の造形領域２２に交互に入れ替わる。このとき、第１のステージ２４と第２のステージ２５とがレール２７上を例えば矢印のように移動してもよく、第１のステージ２４と第２のステージ２５とがレール２７に固定されレール２７が回転してもよい。レール２７の形状は、十字形状には限定されない。

以上の造形装置２０では、造形領域やステージを各々２組とした場合で説明したが、２組には限定されず、２以上の複数の組とすることができる。

図４は、本実施形態の造形装置２０の動作を説明するための図である。図４では、動作を簡潔に説明するために、第１と第２の造形手段２１１、２２１と、第１と第２の材料供給手段２１２、２２２とを、ステージに材料を直接供給する部分である第１のヘッド２１３と第２のヘッド２２３とに簡略化して表している。

まず（ａ）では、第１のステージ２４は第１の造形領域２１に、第２のステージ２５は第２の造形領域２２にセットされる。第１のステージ２４では、第１のヘッド２１３により第１の造形部が所定の位置に造形される。第２のステージ２５では、第２のヘッド２２３により第２の造形部が所定の位置に造形される。第１の造形部の造形と第２の造形部の造形は、同時並行的に行うことができる。同時並行的とは、例えば造形を開始するタイミングを合わせる、などである。また、例えば、第１の造形部の造形が第２の造形部の造形よりも早く終了した場合は、第２の造形部の造形の終了まで待機する。

次に（ｂ）では、第１の造形部の造形と第２の造形部の造形とが終了すると、第１のステージ２４は第２の造形領域２２に、第２のステージ２５は第１の造形領域２１に移動する。

さらに（ｃ）では、第１のステージ２４は第２の造形領域２２に、第２のステージ２５は第１の造形領域２１にセットされる。第１のステージ２４では、第２のヘッド２２３により第２の造形部が所定の位置に造形される。第２のステージ２５では、第１のヘッド２１３により第１の造形部が所定の位置に造形される。第１の造形部の造形と第２の造形部の造形は、同時並行的に行うことができる。

以上の動作を層ごとに繰り返すことにより、第１のステージ２４と第２のステージ２５には、各々、３次元造形物が積層造形される。第１のステージ２４と第２のステージ２５は、１層ごとに造形領域を入れ替えることも、複数層をまとめて処理してから造形領域を入れ替えることも、可能である。第１の造形領域２１と第２の造形領域２２との各々で、異なる工程を同時並行的に実施することによって、造形物の生産性を高めることができる。

以上のように、本実施形態によれば、層を積層して３次元造形物を造形する造形装置において、複数の異なる工法を要する造形物の生産性を高めることができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の造形装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の造形装置３０は、第１の造形領域３１、第２の造形領域３２、レール３３、第１のステージ３４、第２のステージ３５、制御手段３６を有する。第１の造形領域３１は、第１の造形を行う第１の造形手段３１１と、第１の造形のための第１の材料を供給する第１の材料供給手段３１２と、を有する。第２の造形領域３２は、第２の造形を行う第２の造形手段３２１を有する。

造形装置３０の第１の造形領域３１、レール３３、第１のステージ３４、第２のステージ３５、制御手段３６の機能や動作は、第２の実施形態の造形装置２０のこれらに対応する要素と同様である。さらに、第１の造形手段３１１の工法や、第１の材料供給手段３１２の扱う材料も、第２の実施形態の造形装置２０の工法や材料と同様である。

第２の造形領域３２の第２の造形手段３２１は、造形部を切削加工する機能を有し、例えば刃物を備えている。第２の造形手段３２１は、制御手段３６によって制御される。

図６は、本実施形態の造形装置３０の動作を説明するための図である。図６では、動作を簡潔に説明するために、第１の造形手段３１１と第１の材料供給手段３１２とを、ステージに材料を直接供給する部分である第１のヘッド３１３に、第２の造形手段３２１を、ステージの造形部を切削加工する刃物３２３に、各々簡略化して表している。

まず（ａ）では、第１のステージ３４は第１の造形領域３１に、第２のステージ３５は第２の造形領域３２にセットされる。第１のステージ３４では、ヘッド３１３により造形部が所定の位置に造形される。第２のステージ３５では、特に何もなされない。

次に（ｂ）では、第１の造形部の造形が終了すると、第１のステージ３４は第２の造形領域３２に、第２のステージ３５は第１の造形領域３１に移動する。

さらに（ｃ）では、第１のステージ３４は第２の造形領域３２に、第２のステージ３５は第１の造形領域３１にセットされる。第１のステージ３４では、刃物３２３により造形部の切削が行われる。第２のステージ３５では、ヘッド３１３により造形部が所定の位置に造形される。造形部の造形と造形部の切削とは、同時並行的に行うことができる。同時並行的とは、例えば造形を開始するタイミングを合わせる、などである。また、例えば、造形部の造形が造形部の切削よりも早く終了した場合は、造形部の切削の終了まで待機する。

以上の動作を層ごとに繰り返すことにより、第１のステージ３４と第２のステージ３５には、各々、３次元造形物が積層造形される。第１のステージ３４と第２のステージ３５は、１層ごとに造形領域を入れ替えることも、複数層をまとめて処理してから造形領域を入れ替えることも、可能である。第１の造形領域３１と第２の造形領域３２との各々で、異なる工程を同時並行的に実施することによって、造形物の生産性を高めることができる。

以上のように、本実施形態によれば、層を積層して３次元造形物を造形する造形装置において、複数の異なる工法を要する造形物の生産性を高めることができる。

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の造形を行う第１の造形手段を有する第１の造形領域と、
第２の造形を行う第２の造形手段を有する第２の造形領域と、
前記第１の造形と前記第２の造形とに基づく造形物を各々形成する第１のステージと第２のステージと、
前記第１のステージと前記第２のステージとを前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とに交互に入れ替える入替手段と、を有し、
前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは、前記第１の造形と前記第２の造形とを同時並行的に実施する、造形装置。
（付記２）
前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは異なる工法を有する、付記１記載の造形装置。
（付記３）
前記入替手段は、前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とを周状にもしくは放射状に結ぶレールを有する、付記１または２記載の造形装置。
（付記４）
前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは、層を積層する積層手段もしくは層を切削する切削手段を有する、付記１から３の内の１項記載の造形装置。
（付記５）
前記積層手段は、材料押出方式、もしくは材料噴射方式、もしくは粉末床溶融結合方式を有する、付記４記載の造形装置。
（付記６）
前記積層手段は、層間を接合する加圧手段や振動手段を有する、付記４記載の造形装置。
（付記７）
前記切削手段は、刃物を有する、付記４記載の造形装置。
（付記８）
第１のステージに第１の造形領域で第１の造形をし、同時並行的に、第２のステージに第２の造形領域で第２の造形をし、
前記第１のステージと前記第２のステージとを前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とで入れ替えをし、
前記第１のステージに前記第２の造形領域で前記第２の造形をし、同時並行的に、前記第２のステージに前記第１の造形領域で前記第１の造形をする、造形方法。
（付記９）
前記第１の造形と前記第２の造形とは異なる工法による、付記８記載の造形方法。
（付記１０）
前記入れ替えは、前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とを周状にもしくは放射状に結ぶレールによる、付記８または９記載の造形方法。
（付記１１）
前記第１の造形と前記第２の造形とは、層の積層もしくは層の切削を有する、付記８から１０の内の１項記載の造形方法。
（付記１２）
前記層の積層は、材料押出方式、もしくは材料噴射方式、もしくは粉末床溶融結合方式を有する、付記１１記載の造形方法。
（付記１３）
前記層の積層は、加熱や振動による層間の接合を有する、付記１１記載の造形方法。
（付記１４）
前記層の切削は、刃物による切削を有する、付記１１記載の造形方法。

１０、２０、３０造形装置
１１、２１、３１第１の造形領域
１２、２２、３２第２の造形領域
１１１、２１１、３１１第１の造形手段
１２１、２２１、３２１第２の造形手段
２１２、３１２第１の材料供給手段
２２２第２の材料供給手段
１３入替手段
１４、２４、３４第１のステージ
１５、２５、３５第２のステージ
２３、２７、３３レール
２６、３６制御手段
２１３第１のヘッド
２２３第２のヘッド
３１３ヘッド
３２３刃物

Claims

第１の造形を行う第１の造形手段を有する第１の造形領域と、
第２の造形を行う第２の造形手段を有する第２の造形領域と、
前記第１の造形と前記第２の造形とに基づく造形物を各々形成する第１のステージと第２のステージと、
前記第１のステージと前記第２のステージとを前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とに交互に入れ替える入替手段と、を有し、
前記入替手段は、前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とを放射状に結ぶレールを有し、
前記第１のステージと前記第２のステージとは前記レール上を移動し、
前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは、前記第１の造形と前記第２の造形とを同時並行的に実施する、造形装置。
前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは異なる工法を有する、
請求項１記載の造形装置。
前記第１の造形手段と前記第２の造形手段とは、層を積層する積層手段もしくは層を切削する切削手段を有する、
請求項１または２項記載の造形装置。
前記積層手段は、材料押出方式、もしくは材料噴射方式、もしくは粉末床溶融結合方式を有する、
請求項３記載の造形装置。
前記積層手段は、層間を接合する加圧手段や振動手段を有する、
請求項３記載の造形装置。
前記切削手段は、刃物を有する、請求項３記載の造形装置。
第１のステージに第１の造形領域で第１の造形をし、同時並行的に、第２のステージに第２の造形領域で第２の造形をし、
前記第１のステージと前記第２のステージとを前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とで入れ替えをし、
前記第１のステージに前記第２の造形領域で前記第２の造形をし、同時並行的に、前記第２のステージに前記第１の造形領域で前記第１の造形をし、
前記第１のステージと前記第２のステージのそれぞれに対し、前記第１の造形と、前記第２の造形とを交互に行い、
前記入れ替えは、前記第１の造形領域と前記第２の造形領域とを放射状に結ぶレールによる、
造形方法。
前記第１の造形と前記第２の造形とは異なる工法による、請求項７記載の造形方法。