JP6781978B2

JP6781978B2 - 立体物造形装置

Info

Publication number: JP6781978B2
Application number: JP2016079318A
Authority: JP
Inventors: 昭治見舘
Original assignee: 株式会社ミタテ工房; 柚山精一
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: JP2017189885A

Description

本発明は、３Ｄプリンターと称される立体物造形装置に関するものであり、より詳しくは、複数のノズルを用いて同時並行的に造形物を造形できるようにした立体物造形装置に関するものである。

現在、３Ｄプリンターと称される立体物造形装置は、熱溶解積層法（ＦＤＭ法）や光造形法（ＳＴＬ法）、粉末焼結法（ＳＬＳ法）などを用いて造形物を造形するものが一般的に普及している。このうち、熱溶解積層法は、熱で溶かした樹脂をノズルから噴出させて１層ずつ積み上げていくものであり、光造形法は、紫外線の照射で硬化する光硬化性樹脂をノズルから噴出させて紫外線レーザーを照射させ、これによって成形された層を順次積み上げて行くようにしたものである。また、粉末焼結法は、粉末状の材料に高出力のレーザー光線を照射して焼結させ、その焼結させた層を順次積層していくようにしたものである。

ところで、このような立体物造形装置は、いずれも設計データを輪切りにした層（以下、二次元層と称する）の領域内でノズルを往復動させて造形された二次元層を順次積み上げることで三次元的な造形物を造形するようにしているが、現状では、各層を造形する際に非常に時間がかかるため、大きな造形物を造形する場合は数十時間もかかってしまう場合がある。

このため、ノズルを複数設けてそれらを同時並行的に駆動させることで、一つの造形物を迅速に造形できるようにした方法も提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、光造形法で造形物を造形する際に、ノズルを複数設け、それらを各駆動領域内で駆動させて二次元層を造形し、また、その際に各領域の境界部分のオーバーラップする部分に紫外線を照射させることで、境界部分を分かりにくくした立体物造形装置が提案されている。

特開２０１５−１９９１９５号公報

しかしながら、このような複数のノズルで造形物を造形していく際、各ノズルの駆動領域が予め特定されているため、造形物の形状によっては、輪切りにされた二次元層のうち特定の領域のノズルのみが多く稼働し、それ以外のノズルが待機しなければならないような場合を生じうる。このため、ノズルを複数設けたとしても、そのノズルの数に比例して造形時間を短縮することができないといった問題を生じうる。

また、このように予め特定された駆動領域でノズルを駆動させて二次元層を積層する場合、その領域の境界部分が上下に一致してしまうと、その境界部分が弱くなったり、あるいは、その造形物が水などを入れるような容器である場合は、その境界部分から水漏れしてしまうという問題も生ずる。

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、複数のノズルを用いて分割された領域を並行して造形していく際に、可能な限り迅速に造形物を造形できるようにした立体物造形装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、複数のノズルを用いて分割された領域ごとに層を造形して立体的な造形物を造形するようにした立体物造形装置において、前記造形物を造形するための設計データを抽出して二次元層を造形するための領域を分割する分割手段と、当該分割手段によって分割された領域ごとに各ノズルを駆動させる駆動手段とを備え、前記駆動手段を、一対の平行なリニアガイドと、当該一対のリニアガイドに跨るように設けられた複数の縦軸ガイドとを有するように構成するとともに、当該縦軸ガイドに、それぞれ独立して駆動可能な複数のノズルを設け、前記リニアガイドおよび縦軸ガイドに沿って、前記縦軸ガイドに設けられた複数のノズルを駆動させるようにしたことを特徴としたものである。

また、このような発明において、下層の分割領域における境界部分と境界部分を一致させないように二次元層の領域を分割させるようにする。

さらには、二次元層の水平面内で直交するＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの境界部分をずらすように上層の分割領域を設定する。

本発明によれば、複数のノズルを用いて分割された領域ごとに層を造形して立体的な造形物を造形するようにした立体物造形装置において、前記造形物を造形するための設計データを抽出して、二次元層を造形するための領域を分割する分割手段と、当該分割手段によって分割された領域ごとに各ノズルを駆動させる駆動手段とを備え、前記駆動手段を、一対の平行なリニアガイドと、当該一対のリニアガイドに跨るように設けられた複数の縦軸ガイドとを有するように構成するとともに、当該縦軸ガイドに、それぞれ独立して駆動可能な複数のノズルを設け、前記リニアガイドおよび縦軸ガイドに沿って、前記縦軸ガイドに設けられた複数のノズルを駆動させるようにしたので、それぞれのノズルの駆動領域をオーバーラップさせることができ、造形時間を短縮することができるようになる。

本発明の一実施の形態における立体物造形装置のノズルの配置状態を示す図同形態における縦軸ガイドに複数のノズルを設けた図同形態における機能ブロックを示す図同形態における二次元層と分割領域の境界部分を示す図同形態における分割領域をずらした状態を示す図同形態における動作のフローチャートを示す図

以下、本発明の一実施の形態を示す立体物造形装置１について図面を参照して説明する。

この実施の形態における立体物造形装置１は、図３の機能ブロック図に示すように、立体物を造形するための設計データを受け付けて記憶させる記憶手段２と、この記憶手段２に記憶された設計データを読み出して二次元層を造形するための二次元層データを生成する駆動データ生成手段３と、この二次元層データを各ノズル５１Ａ〜Ｄの駆動領域に対応する分割領域Ｓ１〜Ｓ５（図４参照）に分割する分割手段４と、この分割手段４で分割された二次元層データに従って複数のノズル５１Ａ〜Ｄを駆動させる駆動手段５とを備えるようにしたものである。そして、特徴的に、図１などに示すように、ノズル５１Ａ〜Ｄを駆動させる際に、Ｘ軸方向に沿った一対のリニアガイド５２を設けるとともに、そのリニアガイド５２に跨るように複数の縦軸ガイド５３をＹ軸方向に設け、これらのリニアガイド５２と縦軸ガイド５３に沿ってノズル５１Ａ〜ＤをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させるようにしたものである。そして、このようにノズル５１Ａ〜Ｄを移動させるようにすることで、ノズル５１Ａ〜Ｄの駆動領域をオーバーラップさせて、造形時間を短縮できるようにしたものである。以下、本実施の形態における立体物造形装置１の構成について詳細に説明する。

まず、記憶手段２は、立体物を造形する際に必要となる設計データを記憶する。この設計データは、パソコンなどにインストールされた３ＤＣＡＤソフトウェアや３ＤＣＧソフトウェアなどを用いて作成される。この作成されたデータは細かい三角形の集合体に変換したＳＴＬ形式のデータとして保存される。

駆動データ生成手段３は、この記憶手段２に保存されている設計データを読み出して、造形を指示する際に必要となるＳＴＬデータを水平面に輪切りにした二次元層データを作成して、駆動手段５に出力する。

この駆動手段５は、この駆動データ生成手段３から出力された二次元層データに従ってノズル５１Ａ〜Ｄを移動させ、先端から材料を噴出させて二次元層を造形していくように構成される。この造形方法としては、前述のような熱溶解積層法（ＦＤＭ法）や光造形法（ＳＴＬ法）、粉末焼結法（ＳＬＳ法）などを用いることができるが、ここでは熱溶解積層法を用いるものとする。この駆動手段５で二次元層を造形する場合、図１に示すように、複数のノズル５１Ａ〜ＤにＡＢＳ樹脂やＰＬＡ樹脂などの熱可塑性樹脂を溶解して供給し、その溶解された樹脂をノズル５１Ａ〜Ｄの先端から噴出させるようにする。これらのノズル５１Ａ〜ＤはＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させる駆動機構５０に取り付けられており、二次元層データに基づいてＸ軸方向やＹ軸方向にノズル５１Ａ〜Ｄを駆動させて熱可塑性樹脂を噴出させる。そして、この二次元層の造形が終了した後に、ノズル５１Ａ〜ＤをＺ軸方向に移動させ、上層の二次元層データに基づいて同様に二次元層を造形していくようにする。

この駆動機構５０は、ステージの対向する側辺に設けられた一対のリニアガイド５２そのリニアガイド５２に直交するように跨って設けられる複数の縦軸ガイド５３とを有し、そのリニアガイド５２に沿って縦軸ガイド５３をモーター（図示せず）でＸ軸方向に移動させるとともに、縦軸ガイド５３に沿ってノズルをＹ軸方向にモーター（図示せず）で移動させられるように構成されている。このノズルは、図１示すように、縦軸ガイド５３に一つ設けるようにしてもよいし、あるいは、図２示すように縦軸ガイド５３に複数設けてそれぞれを独立に移動させるようにしてもよい。そして、この縦軸ガイド５３をＸ軸方向に移動させることで、図１や図２に示すように、隣接する縦軸ガイド５３に設けられたノズル５１Ａ〜Ｄの駆動領域をオーバーラップさせるようにし、それぞれの領域内でＸ軸方向に分割して二次元層を造形できるようにする。なお、縦軸ガイド５３に複数のノズルを設ける場合は、さらに、Ｙ軸方向にも分割して二次元層を造形することができる。

このような立体物造形装置１において、本実施の形態では、各ノズル５１Ａ〜Ｄに対応して二次元層の領域を分割させる分割手段４を設けるようにしている。

この分割手段４は、各ノズル５１Ａ〜Ｄの移動範囲内で同時並行的に二次元層を造形できるように二次元層の領域を分割するとともに、下側に隣接する層の境界部分Ｂと一致させないように分割領域Ｓ１〜Ｓ５を設定するようにしている。

この分割領域Ｓ１〜Ｓ５を設定する場合、二次元層データを読み出し、例えば、その造形される二次元層の分割して所定値の範囲内で同じになるようにする。そして、このように分割された二次元層領域のデータをそれぞれのノズル５１Ａ〜Ｄの駆動手段５に出力し、ノズル５１Ａ〜Ｄを最適な位置に移動させて二次元層を造形する。このように図形面積をほぼ同じとなるように二次元層の領域を分割すれば、各ノズル５１Ａ〜Ｄの駆動領域を平均化にして作業時間を短縮化できるようにする。

次に、この層の上側の層を造形する場合、同様にして、その造形される二次元層をＸ軸方向に５分割して二次元層を造形していくが、この際、下層の分割領域Ｓ１〜Ｓ５の境界部分Ｂと一致させないように上層の分割領域Ｓ１〜Ｓ５を設定する。この上層の分割領域Ｓ１〜Ｓ５を設定する場合、下層の分割領域と同様に、図形面積が同じになるように分割領域を設定すると、境界部分Ｂが一致してしまう場合がある。このような場合は、その設定された境界をＸ軸方向に＋δｘだけずらし、また、縦軸ガイド５３に複数のノズルを設けている場合は、Ｙ軸方向にも境界を＋δｙだけずらすようにする。以下、同様にして上層の境界部分Ｂをずらすように設定していく。

次に、このように構成された立体物造形装置１の動作フローについて図６を用いて説明する。

まず、立体物を造形する際、パソコンを用いて設計された設計データを記憶手段２に記憶させておき、その記憶手段２に記憶された設計データを読み出す（ステップＳ１）。そして、駆動データ生成手段３を用いて最下層の二次元層データを生成し（ステップＳ２）、その生成された二次元層データから二次元層の図形面積が所定範囲内で同じになるように二次元層を分割する（ステップＳ３）。

そして、このように分割された二次元層のデータを駆動手段５に出力し（ステップＳ７）、ノズル５１Ａ〜Ｄを駆動して二次元層を造形していく（ステップＳ８）。この際、ノズル５１Ａ〜ＤをＸ軸方向に移動させる場合、リニアガイド５２の範囲内で縦軸ガイド５３を移動させ、また、Ｙ軸方向に移動させる場合は、縦軸ガイド５３の範囲内で移動させる。

次に、この二次元層の造形が完了した場合は、ステージを下降させるかノズル５１Ａ〜Ｄを上昇させ、同様に、設計データから二次元層データを生成して（ステップＳ１、Ｓ２）、二次元層データを分割する（ステップＳ３）。このとき、造形する層が２層目以降の場合は（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、下層の分割領域Ｓ１〜Ｓ５の境界部分Ｂと一致しているか否かを確認し（ステップＳ５）、一致している場合は、境界部分をＸ軸方向に＋δｘ、Ｙ軸方向に＋δｙだけずらし（ステップＳ６）、一致していない場合は、その設定された分割領域Ｓ１〜Ｓ５を設定する。そして、このように設定された分割領域Ｓ１〜Ｓ５の二次元層データを駆動手段５に出力し（ステップＳ７）、二次元層を造形していく（ステップＳ８）。

以下、同様にして境界部分Ｂを交互にずらしながら最終層まで積み上げていき（ステップＳ９）、最終的な立体的造形物を造形する。

このように上記実施の形態によれば、複数のノズル５１Ａ〜Ｄ、５１ａ〜ｄを用いて分割領域Ｓ１〜Ｓ５ごとに二次元層を造形して立体的造形物を造形するようにした立体物造形装置１において、立体的造形物を造形するための設計データを抽出して、二次元層を造形する領域を分割する分割手段４と、この分割手段４によって分割された分割領域Ｓ１〜Ｓ５ごとに各ノズル５１Ａ〜Ｄ、５１ａ〜ｄを駆動させる駆動手段５とを備え、この駆動手段５を、一対の平行なリニアガイド５２と、当該一対のリニアガイド５２に跨るように設けられた複数の縦軸ガイド５３とを有するように構成するとともに、当該縦軸ガイド５３に、それぞれ独立して駆動可能な複数のノズル５１Ａ〜Ｄ、５１ａ〜ｄを設け、前記リニアガイド３及び縦軸ガイド５３に沿って、前記縦軸ガイド５３に設けられた複数のノズル５１Ａ〜Ｄ、５１ａ〜ｄを駆動させるようにしたので、駆動領域をオーバーラップさせることができ、造形時間を短縮することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、熱溶解積層法で立体的造形物を造形するようにしたが、これ以外の法を用いて立体的造形物を造形する場合にも同様の構成を適用することができる。

また、上記実施の形態では、二次元層を分割する場合、５分割するようにしたが、分割領域の数については２つであってもよいし、あるいは６つ以上であってもよい。また、分割領域の形状についてはどのような形状であってもよい。

さらには、上記実施の形態では、各二次元層の図形面積がほぼ同じになるように領域を分割するようにしたが、各ノズル５１Ａ〜Ｄの駆動領域から外れた位置で二次元層を造形しなければならない場合は、そのノズル５１Ａ〜Ｄの駆動領域の範囲内で分割領域を設定するようにしてもよい。

１・・・立体物造形装置
２・・・記憶手段
３・・・駆動データ生成手段
４・・・分割手段
５・・・駆動手段
５０・・・駆動機構
５１Ａ〜Ｄ、ａ〜ｄ・・・ノズル
５２・・・リニアガイド
５３・・・縦軸ガイド
Ｓ１〜Ｓ５・・分割領域
Ｂ・・・境界部分

Claims

複数のノズルを用いて分割された領域ごとに層を造形して立体的な造形物を造形するようにした立体物造形装置において、
前記造形物を造形するための設計データを抽出して、二次元層を造形するための領域を分割する分割手段と、
当該分割手段によって分割された領域ごとに各ノズルを駆動させる駆動手段とを備え、
前記駆動手段を、一対の平行なリニアガイドと、当該一対のリニアガイドに跨るように設けられた複数の縦軸ガイドとを有するように構成するとともに、
当該縦軸ガイドに、それぞれ独立して駆動可能な複数のノズルを設け、
前記リニアガイドおよび縦軸ガイドに沿って、前記縦軸ガイドに設けられた複数のノズルを駆動させるようにしたことを特徴とする立体物造形装置。
前記分割手段が、下層の分割領域における境界部分と境界部分を一致させないように二次元層の領域を分割させるようにしたものである請求項１に記載の立体物造形装置。
前記分割手段が、二次元層の水平面内で直交するＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの境界部分をずらすように上層の分割領域を設定するようにしたものである請求項１に記載の立体物造形装置。