JP6774020B2 - 三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、流動性材料としてのペーストをノズルから吐出(噴射)して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が開示されている。
なお、「所定の層毎」とは、1層毎だけでなく複数層毎も含む意味である。また、「色味の変化」とは、色調の変化のほか明度の変化も含む意味である。
図1から図4は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。このうち、図2は図1に示すC部の拡大図、図4は図3に示すC’部の拡大図である。
なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。
また、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、三次元造形物の構成材料を用いて該三次元造形物の構成層を形成する際に該構成層を支持するための支持層を形成可能な構成になっている。このため、積層方向(Z方向)と交差する方向に凸状となった部分(所謂オーバーハング部)を変形させることなく形成可能な構成である。しかしながら、このような構成に限定されず、支持層を形成しない構成(すなわち支持層形成用材料を使用しない構成)であってもよい。
そして、図1及び図2で表されるように、一方の端部が基台110に固定され、他方の端部に構成材料を吐出する構成材料吐出部1230を備えるヘッドユニット1400を複数保持するヘッドベース1100が保持固定される、ヘッドベース支持部130を備えている。
また、図3及び図4で表されるように、一方の端部が基台110に固定され、他方の端部に三次元造形物を支持する支持層形成用材料を吐出する支持層形成用材料吐出部1730を備えるヘッドユニット1900を複数保持するヘッドベース1600が保持固定される、ヘッドベース支持部730と、を備えている。
ここで、ヘッドベース1100と、ヘッドベース1600とは、XY平面において並列に設けられている。
なお、構成材料吐出部1230と支持層形成用材料吐出部1730とは同様の構成のものである。ただし、このような構成に限定されない。
ここで、層501、502、503、・・・50nは、各々、支持層形成用材料吐出部1730から吐出される支持層形成用材料で形成される支持層300と、構成材料吐出部1230から吐出される構成材料で形成される構成層310と、で構成される。
また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックも用いることが可能である。
このように、構成材料及び支持層形成用材料に特に限定はなく、上記金属以外の金属やセラミックスや樹脂等も使用可能である。また、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを好ましく使用可能である。
バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)或いはその他の熱可塑性樹脂である。また、紫外線の照射により重合する紫外線硬化樹脂をバインダーに用いてもよい。
同様に、ヘッドユニット1900に備える支持層形成用材料吐出部1730では、制御ユニット400からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー1500において支持層形成用材料吐出部1730に備える吐出駆動部1730bにおける吐出ノズル1730aからの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル1730aから所定量の支持層形成用材料が吐出される。
図5及び図6〜図8は、ヘッドベース1100に複数保持されるヘッドユニット1400及び構成材料吐出部1230の保持形態の一例を示し、このうち図5は、図2に示す矢印D方向からのヘッドベース1100の外観図である。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット1401〜1404に備える構成材料吐出部1230は、吐出駆動部1230bを介して構成材料供給ユニット1210に供給チューブ1220で繋がれる構成となっている。
なお、構成材料吐出部1230及び支持層形成用材料吐出部1730はこのような構成に限定されず、エクストルーダーなど更に異なる方式の材料供給部であってもよい。
図6〜図8は、本実施形態のヘッドユニット1400の配置と、構成層構成部50の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図9及び図10は、構成層構成部50の形成形態を概念的に表す側面図である。
より具体的には、まず、図9で表されるように、ステージ120を+X方向に移動させながら、複数の吐出ノズル1230aから造形ステージ121の形成面121aの所定の位置に一定の間隔で流動性材料Mを配置させる。
ただし、ステージ120を+X方向に移動させながら、複数の吐出ノズル1230aから造形ステージ121の所定の位置に流動性材料Mが重なるように(間隔を空けないように)配置させる構成(ステージ120のX方向における往復移動で構成層構成部50を形成する構成ではなく、ステージ120のX方向における片側の移動のみで構成層構成部50を形成する構成)としても良い。
図9及び図10で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図7で表されるような、Y方向における2ライン目の構成層構成部50’(構成層構成部50a’、50b’、50c’及び50d’)が形成される。
そして、図9及び図10で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図8で表されるような、Y方向における3ライン目の構成層構成部50’’
(構成層構成部50a’’、50b’’、50c’’及び50d’’)が形成され、積層方向における1層分の構成層310を得ることができる。
図13は、本実施形態に係る三次元造形物の製造装置(形成装置2000)を用いて、幅L1の複数の三次元造形物の積層体500を製造する際の製造例を表す概略図である。
一方、図15は、従来の三次元造形物の製造装置を用いて製造する三次元造形物の製造例を表す概略図であり、図13で表される幅L1の複数の三次元造形物の積層体500と同様の三次元造形物の積層体500を製造しようとした状態を表している。
なお、図13及び図15は、支持層形成用材料吐出部1730から支持層形成用材料を吐出させることなく構成材料吐出部1230から構成材料のみを吐出させて三次元造形物の積層体500を製造する際の製造例である。
詳細には、本実施形態の形成装置2000は、三次元造形物の構成材料となる粒子と溶剤とを含む流動性材料Mを噴射する噴射部としての構成材料吐出部1230と、構成材料吐出部1230から噴射されて形成される流動性材料Mの層(層501、502、503、・・・50n)が積層されるステージ120(造形ステージ121)と、ステージ120に形成された流動性材料Mの層の画像を取得するカメラ830と、ステージ120における流動性材料Mに含まれる溶剤を揮発させる赤外線ヒーター800と、を備えている。
ここで、制御ユニット400は、判断部として、カメラ830が取得した画像に基づいて溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断することができる。そして、詳細は図14を用いて後述するが、制御ユニット400が、流動性材料Mの層の積層方向(Z方向)における所定の層毎(例えば1層毎)に溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断し、溶剤が所定以上に揮発したと判断したことに伴って、流動性材料Mの次の層を積層する(積層方向における次の層を形成する)ことができる。なお、「所定の層毎」とは、1層毎だけでなく複数層毎も含む意味である。
一般的に三次元造形物を構成する流動性材料Mは乾燥に伴い色味が変化するので、例えば所定の層毎に画像の色味の変化を判断することで溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断できる。このため、本実施形態の形成装置2000は、図13において所望の幅である幅L1の複数の三次元造形物の積層体500が形成されていることで示されるように、流動性材料Mの層を積層する際に、下側の層が乾燥していることで下側の層が横に広がることを抑制することができる。したがって、本実施形態の形成装置2000は、三次元造形物を構成する流動性材料Mを積層することに伴い、該流動性材料Mの積層体500が変形することを抑制することができる構成になっている。なお、「色味の変化」とは、色調の変化のほか明度の変化も含む意味である。
別の表現をすると、本実施形態の形成装置2000は、制御ユニット400により画像の色味の変化に基づいて溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断することで、三次元造形物を構成する流動性材料Mを積層することに伴い、該流動性材料Mの積層体500が変形することを抑制することができる構成になっている。
また、このように、流動性材料Mの層の画像を取得し、該画像から流動性材料Mの色味の変化を確認することで、目視では判断しづらい微妙な色味の変化(すなわち微妙な揮発率の変化)を的確に判断することができる。
ここで、三次元造形物を製造する際に求められる精度(流動性材料Mの重さで下側の層が横に広がり流動性材料Mの積層体500が変形することなど)は、流動性材料Mの粘度との相関性が高い。このため、本実施形態の形成装置2000は、特に効果的に、三次元造形物を構成する流動性材料Mを積層することに伴い、該流動性材料Mの積層体500が変形することを抑制することができる構成になっている。
ただし、このような構成に限定されず、溶剤の揮発率と流動性材料の粘度との対応パラメーターを使用する代わりに、溶剤の揮発率と単位体積あたりの粒子密度や、溶剤の揮発率と積層の体積、溶剤の揮発率と画像の色調との相関関係などを使用してもよい。
ここで、乾燥度合の調整は、赤外線ヒーター800の出力値(パワー)を調整することのほか、乾燥時間(出力時間)を調整すること、赤外線ヒーター800と流動性材料Mの積層体500との距離を調整すること、複数の乾燥部(赤外線ヒーター800)のうちから出力する乾燥部の数を調整すること、などにより実行可能である。
ここで、図14は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートであり、複数の層を積層方向(Z方向)に積層して三次元造形物の積層体500を形成するうちの所定層分(例えば1層分)に対応するフローチャートである。このため、三次元造形物の積層体500を完成させるために、必要に応じて、図14で表されるフローを繰り返す。
なお、本ステップにより、構成材料吐出部1230から所定の吐出量で流動性材料Mが吐出されたか否かを判断可能である。具体的には、三次元造形物のデータから想定される画像と本ステップで取得した画像とを比較し、その差分から所定の吐出量で流動性材料Mが吐出されたか(差分が無い)否か(差分がある)を判断可能である。構成材料吐出部1230から所定の吐出量で流動性材料Mが吐出されていないと判断できる場合(差分が有る場合、すなわち、例えば積層体500に対応する層が取得した画像に無い場合など)には、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了させてもよい。
ここで、所定以上に揮発した(閾値を超えた)と判断した場合は、本実施例の三次元造形物の製造方法のフローを終了する(必要に応じて、所定層分の次の層に対応して図14のフローを繰り返す)。
一方、所定以上に揮発していないと判断した場合は、ステップS140の乾燥工程に戻り、さらに流動性材料Mに含まれる溶剤を揮発させる。
なお、所定以上に揮発したか否かの判断基準(閾値)は、例えば、流動性材料Mに含まれる溶剤の揮発率と流動性材料Mの粘度との対応パラメーター(所定の粘度に対応する所定の揮発率になったか否か)に基づいて設定できる。
そして、本実施例の三次元造形物の製造方法は、三次元造形物の構成材料となる粒子と溶剤とを含む流動性材料Mの層をステージ120に噴射する噴射工程(ステップS110)を、流動性材料Mの層の積層方向における所定の層分(例えば1層分)実行し、ステージ120における流動性材料Mに含まれる溶剤を揮発させる乾燥工程(ステップS130)と、ステージ120における流動性材料Mの層の画像を取得する取得工程(ステップS140)と、取得工程で取得した画像に基づいて溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断する判断工程(ステップS150及びS160)と、を実行することで、所定の層毎に、溶剤が所定以上に揮発したと判断されることに伴って、流動性材料Mの次の層を積層する(必要に応じて図14のフローを繰り返す)。
このため、本実施例の三次元造形物の製造方法は、流動性材料Mの層を積層する際に、下側の層が乾燥していることで下側の層が横に広がることを抑制することができる。したがって、本実施例の三次元造形物の製造方法は、三次元造形物を構成する流動性材料Mを積層することに伴い、該流動性材料の積層体が変形することを抑制することができる。
111…駆動装置、120…ステージ、121…造形ステージ、121a…形成面、
130…ヘッドベース支持部、300…支持層、310…構成層、
400…制御ユニット(判断部)、410…ステージコントローラー、
500…三次元造形物の積層体、501、502及び503…層、600…有機膜、
650…恒温槽、730…ヘッドベース支持部、800…赤外線ヒーター(乾燥部)、
820…格納部、830…カメラ(取得部)、1100…ヘッドベース、
1200…構成材料供給装置、1210…構成材料供給ユニット、
1210a…構成材料収容部、1220…供給チューブ、
1230…構成材料吐出部(噴射部)、1230a…吐出ノズル、
1230b…吐出駆動部、1400…ヘッドユニット、1400a…保持治具、
1401、1402、1403、1404…ヘッドユニット、
1500…材料供給コントローラー、1600…ヘッドベース、
1700…支持層形成用材料供給装置、1710…支持層形成用材料供給ユニット、
1710a…支持層形成用材料収容部、1720…供給チューブ、
1730…支持層形成用材料吐出部、1730a…吐出ノズル、
1730b…吐出駆動部、1900…ヘッドユニット、1900a…保持治具、
2000…形成装置(三次元造形物の製造装置)、M…流動性材料(構成材料)
Claims (7)
- 三次元造形物の構成材料となる粒子と溶剤とを含む流動性材料を噴射する噴射部と、
前記噴射部から噴射されて形成される前記流動性材料の層が積層されるステージと、
前記ステージに形成された前記流動性材料の層の画像を取得する取得部と、
前記ステージにおける前記流動性材料に含まれる前記溶剤を揮発させる乾燥部と、
前記取得部が取得した画像に基づいて前記溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断する判断部と、を備え、
前記流動性材料の層の積層方向における所定の層毎に、前記溶剤が所定以上に揮発したと前記判断部が判断したことに伴って、前記流動性材料の次の層を積層することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記溶剤の揮発率と前記流動性材料の粘度との対応パラメーターを格納する格納部を備え、
前記判断部は、前記対応パラメーターを用いて演算される前記流動性材料の所定の粘度に対応する揮発率に基づいて、前記溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1又は2に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記乾燥部は、加熱部及び送風部の少なくとも1つを有することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記乾燥部は、前記溶剤の揮発率に応じて出力変更可能であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項4に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記乾燥部は、前記取得部が取得した画像に基づいて前記流動性材料の層の部分的な前記溶剤の揮発率に応じて部分的に出力変更可能であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記判断部は、前記取得部が取得した画像の色味の変化に基づいて前記溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
三次元造形物の構成材料となる粒子と溶剤とを含む流動性材料の層をステージに噴射する噴射工程を、前記流動性材料の層の積層方向における所定の層分実行し、
前記ステージにおける前記流動性材料に含まれる前記溶剤を揮発させる乾燥工程と、前記ステージに形成された前記流動性材料の層の画像を取得する取得工程と、前記取得工程で取得した画像に基づいて前記溶剤が所定以上に揮発したか否かを判断する判断工程と、を実行することで、
前記所定の層毎に、前記溶剤が所定以上に揮発したと判断されることに伴って、前記流動性材料の次の層を積層することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
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