JP6897279B2

JP6897279B2 - ３次元造形用ステージ

Info

Publication number: JP6897279B2
Application number: JP2017087002A
Authority: JP
Inventors: 横田　正俊; 正俊横田
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: JP2018183930A

Description

本発明は、３次元造形用ステージに関する。

３次元造形物をＣＡＤによる設計データに基づき３次元造形装置（所謂、３Ｄプリンタ）で製造する３次元造形方法が種々の造形物の製造に使用されている。３次元造形方法には種々の方式があるが、このうち熱溶解積層法は、ステージ上で熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより薄層成形物を積層することで３次元造形物を製造する（特許文献１）。また、熱可塑性樹脂の吐出に代えて熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂のペースト状物を吐出する３次元造形方法もある（特許文献２）。

しかしながら、熱溶解積層法ではステージ上に吐出された熱可塑性樹脂が冷却により硬化する際に収縮してステージが変形するという問題がある。これに対し、ステージの表面に均一に穴を開けてステージと成形物との接着状態を向上させることや、成形物が直接接触する樹脂製のステージの下面に金属板を重ね合わせてステージを反り難くすることが提案されている（特許文献１）。

また、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を用いる方法では、それらの樹脂を溶剤に分散させたペースト状の樹脂組成物をステージ上に吐出し、それを熱又は光で硬化させる操作を繰り返すことにより薄層成形物を積層するが、樹脂組成物に含まれる溶剤が成形物に残存すると３次元造形物の寸法精度が低下する。そこで、ステージに薄層成形物の厚さ方向の貫通孔を形成し、貫通孔を介して吸引することにより溶剤を除去し、３次元造形物の変形を防止することが提案されている（特許文献２）。

特開２０１５−５７４号公報特開２０１６−１３２１０２号公報

しかしながら、ステージの表面に単に穴を開けてもステージ上に最初に形成される薄層成形物の第１層の下面はステージと接触し、その上面は薄層成形物の第２層と接触するために第１層の上面と下面では硬化条件に差異があるので第１層付近には大きな内部応力が発生する。そのため、第１層をベースとする３次元造形物がステージから離れたり、３次元造形物に反りや割れが生じる場合がある。

また、ステージに開けた貫通孔を介してステージ上の成形物を吸引するには吸引装置が必要となるので、３Ｄプリンタのコンパクト化に支障がきたされる。

さらに、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を用いる方法は、熱溶解積層法に対し、樹脂組成が複雑であったり吸引などの周辺装置が必要であるため、材料面からも装置面からも高価なものとなる。

これに対し、本発明は３次元造形方法で造形物を製造するにあたり、反り、割れ等の欠陥がない造形物を高い寸法精度で低コストに製造できるようにすることを課題とする。

本発明者は、３次元造形方法として熱溶解積層法を使用し、熱溶解積層法で使用するステージに、アンカー効果により造形物がステージから外れないようにする特定形状の細孔を形成すると、吸引装置を使用することなく、造形物の反りや割れ等の欠陥の発生を防止でき、造形物を高い寸法精度で製造できることを見出し、本発明を想到した。

即ち、本発明は、３次元造形用ステージ上で樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する熱溶解積層法による３次元造形方法で使用する３次元造形用ステージであって、
該ステージの少なくとも上面に複数の細孔を有し、該細孔にはステージの上面より下方に、該上面における細孔の孔径以上の孔径を有するアンカー部が形成されており、該アンカー部の輪郭とステージの上面における細孔の輪郭とがステージの上面視で位置ずれしている３次元造形用ステージを提供する。

また、本発明は、３次元造形用ステージ上で樹脂の吐出と硬化を繰り返すことによりステージ上に樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する熱溶解積層法による３次元造形方法であって、３次元造形用ステージとして上述のステージを使用する３次元造形方法と、３次元造形用ステージ上で樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する熱溶解積層法による３次元造形装置であって、３次元造形用ステージとして上述のステージを備えた３次元造形装置を提供する。

本発明によれば、３次元造形用ステージに設けられている細孔がアンカー部を有するので、そのステージ上に吐出された樹脂が細孔のアンカー部に入り込んで硬化すると、その樹脂の硬化物は細孔から上方に抜けなくなるというアンカー効果を得られる。したがって、ステージ上に形成された３次元造形物がステージから外れて反ったり割れたりすることが防止され、３次元造形物の寸法精度が向上する。

図１は、実施例の３次元造形装置の模式図である。図２Ａは、実施例のステージ１０Ａの上面図である。図２Ｂは、実施例のステージ１０Ａの断面図である。図３Ａは、実施例のステージ１０Ａ上に形成した薄層成形物の第１層の断面図である。図３Ｂは、従来のステージ１０Ｘに形成した薄層成形物の第１層の断面図である。図４は、ステージ１０Ｂの断面図である。図５は、ステージ１０Ｃの断面図である。図６は、ステージ１０Ｄの断面図である。図７Ａは、ステージ１０Ｅの上面図である。図７Ｂは、ステージ１０Ｅの断面図である。図８Ａは、ステージ１０Ｆの上面図である。図８Ｂは、ステージ１０Ｆの断面図である。図９は、細孔が４５°千鳥に配列したステージの上面図である。図１０は、細孔が並列に配列したステージの上面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

＜全体構成＞
図１は、熱溶解積層法で３次元造形物を製造する本発明の一実施例の３次元造形装置１の模式図である。この３次元造形装置１では、平板状のプラットフォーム２に本発明のステージ１０を載置し、ステージ１０の上面が水平になるようにステージ１０をクリップ３で固定する。一方、ヘッド４にフィラメント状の樹脂５を装着し、目的とする３次元造形物のＣＡＤによる設計データに基づき、フィラメント状の樹脂５をヘッド４で熱溶融させてヘッド４からステージ１０上に薄く吐出し、冷却により硬化させて樹脂の薄層成形物である第１層２０ａを形成する。この樹脂の吐出と硬化を繰り返すことによりステージ１０上で薄層成形物を鉛直方向に積層して３次元造形物２０を製造する。

なお、ステージ１０上に製造した３次元造形物２０は、スクレーバ等を使用してステージから外せばよい。また、３次元造形物を外した後のステージ１０は、細孔を清掃することにより、再度使用することができる。

本発明の３次元造形装置及び３次元造形方法では、ステージ上に形成された３次元造形物がアンカー効果によりステージ１０に固定されるように、ステージ１０が後述する特定の細孔を有することを特徴としており、ステージ１０以外の構成は、公知の熱溶解積層法の３次元造形装置や３次元造形方法と同様とすることができる。

＜ステージ＞
図２Ａは、本発明の一実施例のステージ１０Ａの上面図であり、図２ＢはそのＸ−Ｘ断面図である。

このステージ１０Ａは平板状で、３次元造形物と接触する上面ａと、その反対側の下面ｂを貫通する細孔１１が、ステージ１０Ａの上面視において６０°千鳥（６方格子配列）に形成されている。

本発明においてステージ１０Ａの形成素材は、３次元造形物の形成素材に応じて適宜選択することができ、例えば３次元造形物をＡＢＳ、ＰＬＡなどの樹脂から形成する場合、ステージ１０Ａの形成素材としては、融点又は軟化点が２１０〜２６０℃のナイロン、３００℃程度のポリアミドイミド等の樹脂、耐熱ガラス、アルミニウム等の金属などをあげることができる。

ステージ１０Ａの厚みは細孔１１を所定形状に形成しやすくする点から、例えば、好ましくは１．０〜３．０ｍｍ、特に好ましくは、１．３〜２．５ｍｍとすることができる。

本実施例のステージ１０Ａにおいて上面ａにおける個々の細孔１１の開口形状は円形であり、ステージ１０Ａの下面ｂにおける細孔１１の開口形状も円形であるが、細孔１１の水平方向の孔径は、上面ａから下面ｂに向かって徐々に拡大しており、細孔１１の内部空間は円錐台形状となっている。そのため、本実施例の細孔１１では上面ａより下の部分がアンカー部ｃとなり、アンカー部ｃの最大孔径Ｌｃが下面ｂにおける孔径Ｌｂと一致している。また、ステージ１０Ａの上面視において上面ａにおける細孔１１の開口形状の輪郭１１ａと下面ｂにおける細孔１１の開口形状の輪郭１１ｂが位置ずれしている。このように細孔１１の内部空間を円錐台形状とすると、ステージ１０Ａの上面ａに熱溶融した樹脂を吐出した場合、熱溶融した樹脂は、ステージ１０Ａの下側から吸引されなくても容易に細孔１１の内部に入り込むと共に上面ａ上に薄く広がる。そして、それが硬化することにより薄層成形物の第１層２０ａが形成される。

薄層成形物の第１層２０ａは、図３Ａに示したように、細孔内のアンカー部ｃで硬化した樹脂のアンカー効果によりステージ１０Ａに強固に固定される。したがって、第１層２０ａ上にさらに薄層成形物が積層され、３次元造形物が形成されても、その３次元造形物はステージ１０Ａから反り上がって外れたり割れたりすることがなく、寸法精度が向上する。

これに対し、図３Ｂに示す従来のステージ１０Ｘのように細孔１１の内部空間が円柱形状で、その軸がステージ１０Ｘの上面ａに垂直であると、薄層成形物の第１層２０ａを形成する樹脂の一部が細孔１１に入り込んで硬化しても、硬化時の内部応力により第１層２０ａがステージ１０Ｘから外れ、反り上がることがある。

（細孔の開口形状）
本発明においてステージの上面ａにおける細孔１１の開口形状は特に限定がなく、図２Ａに示した円形の他に楕円形、矩形などとすることができる。加工の容易性の点からは円形が好ましい。

（細孔の孔径）
本発明においてステージの上面ａにおける細孔１１の孔径Ｌａは、細孔内で硬化した樹脂のアンカー効果により３次元造形物の反りを十分に防止し、寸法精度を向上させる点、及び細孔１１の形成を容易にする点から、０．１〜１．５ｍｍとすることが好ましく、アンカー部ｃの最大孔径Ｌｃ（図２Ａ、図２Ｂに示した態様ではステージ１０Ａの下面ｂにおける孔径Ｌｂ）は、ステージの上面ａにおける孔径Ｌａの１．１〜３倍とすることが好ましく、１．１〜２倍がより好ましい。

（細孔のピッチ）
細孔１１のピッチＬｐは特に限定されないが、アンカー効果により３次元造形物の反りを十分に防止し、寸法精度を向上させる点、及び３次元造形物の製造後に細孔由来の凸部が３次元造形物の美観や手触りに与える影響や、３次元造形物の製造後に必要により細孔由来の凸部を除去する場合の手間を軽減する点から、１．５〜６ｍｍが好ましい。

（細孔の断面形状）
本発明において細孔１１は、その内部にアンカー部ｃがあれば必ずしもステージ１０Ａの上面ａから下面ｂまで貫通していなくてもよい。例えば、図４に示したステージ１０Ｂのように、細孔１１がステージ１０Ｂの下面ｂに達していない有底状の孔でもよい。このステージ１０Ｂは、貫通孔を有するプレート１２と、該プレート１２に着脱自在に装着できる底プレート１３を組み合わせて有底状の細孔１１を形成したものである。この場合、底プレート１３の下面ｂは孔のない平坦面とすることができる。有底状の細孔１１においても、細孔１１内の最大孔径Ｌｃは上面ａにおける孔径Ｌａの１．１〜３倍とすることが好ましく、１．１〜２倍とすることがより好ましい。

なお、ステージ上に吐出した樹脂を細孔１１内に入り込み易くする点からは、図２Ｂに示したように細孔１１はステージを貫通していることが好ましい。一方、図４に示すように、底プレート１３を用いて有底状の細孔１１を設けた場合、３次元造形終了後に底プレート１３を取り外すと細孔１１内の樹脂の一部が底プレート１３に付着することにより細孔１１の掃除時間を短縮することができるので好ましい。

本発明において、細孔１１の内部空間は上述の円錐台形状に限られない。例えば、図５に示したステージ１０Ｃのように、細孔１１の内部空間を径の異なる２つの円柱形状を組み合わせた形状とし、細孔１１の内部の孔径を段階的に変化させてもよい。この場合、３次元造形物と接することになるステージ１０Ｃの上面ａの孔径Ｌａより、その反対側の下面ｂの孔径Ｌｂを大きくする。

図６に示すように、ステージ１０Ｄの上面ａにおける孔径Ｌａと下面ｂにおける孔径Ｌｂを等しくし、上面ａと下面ｂからステージ内部に向かって円筒状の細孔を形成し、ステージ１０Ｄの内部にアンカー部ｃとして上面ａや下面ｂよりも孔径が大きい円筒状の内部空間を形成してもよい。このステージ１０Ｄによれば、ステージの表裏両面のいずれも３次元造形物の形成面とすることができる。したがって、一方の面で３次元造形物を形成した後、その面の清掃をすることなく、他方の面で３次元造形物を形成することができる。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、円筒状の細孔１１をステージ１０Ｅの上面ａに対して斜行させてもよい。この場合、ステージ１０Ｅの上面ａにおける孔径Ｌａと下面ｂにおける孔径Ｌｂは等しいが、ステージ１０Ｅの上面ａにおける細孔の輪郭１１ａと下面ｂにおける細孔１１の輪郭１１ｂはステージの上面視で位置ずれしているので、細孔１１の内部に拡径部がなくてもアンカー効果を発揮させることができる。

円筒状の細孔１１をステージの上面ａに対して斜行させるにあたり、図８Ａ及び図８Ｂに示すステージ１０Ｆのように隣り合う細孔同士で斜行する方向を異ならせてもよく、ランダムでもよい。

（細孔の平面配置）
本発明においてステージの上面ａにおける細孔１１の配置は特に限定されないが、ステージ上の３次元造形物の固定状態が部分的に低下しないように、上面ａにおける細孔１１の分布が均一であることが好ましい。そのため、細孔１１の平面配置は、図２Ａに示した６０°千鳥（６方格子配列）の他、図９に示したように４５°千鳥（正方向格子配列で配列軸を矩形のステージ１０の辺に対して４５°傾けたもの）としてもよく、図１０に示したように並列（正方格子配列の配列軸を矩形のステージ１０の辺に対して平行にしたもの）としてもよい。これらの場合においてもステージの細孔１１の上面の孔径Ｌａ、下面の孔径Ｌｂ、アンカー部の最大孔径Ｌｃは上述の６０°千鳥と同様とすることができる。また、４５°千鳥や並列のピッチでは、隣り合う細孔のうち最も近接した細孔同士の中心間距離となる細孔ピッチ（最短）Ｌｐ1や、その次に近接した細孔同士の中心間距離となる細孔ピッチ（最長）Ｌｐ2を１．５〜６ｍｍとすることが好ましい。

（ステージの製造方法）
本発明のステージの製造方法は、細孔の形状に応じて適宜選択することができる。例えば、樹脂板又は金属板の片面又は両面からドリルにより細孔を開けてもよく、３次元造形法により所定形状の細孔を有するステージを製造してもよい。図５、図６に示したステージ１０Ｃ、１０Ｄでは、２枚又は３枚の平板に異なる孔径の細孔を開け、それらを貼り合わせることにより製造してもよい。

本発明のステージは、熱溶解積層法でステージ上で樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する方法及び装置に広く使用することができる。そこで、本発明は、本発明のステージ上で樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する熱溶解積層法による３次元造形方法及び３次元造形装置を包含する。

実施例１
市販の３Ｄプリンタ（ＤｅｌｔａＭｉｃｒｏＦａｃｔｏｒｙ社、ＵＰ！Ｐｌｕｓ２）において、上面視で円錐台形状の細孔を４５°千鳥に配置したアルミニウム製のステージ１０Ａを使用し、直方体形状の３次元造形物（１６０×６０×５ｍｍ）を熱溶解積層法で製造した。

この場合、造形物材料としては、ナイロン製の直径１．７５ｍｍのフィラメントを使用した。

また、円錐台形状の細孔のステージの上面における細孔の孔径は０．８ｍｍ、面積は０．５０ｍｍ²、その反対面における細孔の孔径は１．２５ｍｍ、面積は１．２３ｍｍ²、細孔のピッチは最短で２．８３ｍｍ、最長で４．０ｍｍとした。この３Ｄプリンタでは、個々の薄層成形物の厚みは生産性の面から０．１ｍｍ以上が好ましく、精度低下を防止するため０．４ｍｍ以下が好ましい。本実施例では、０．２ｍｍとした。プリント速度は５０〜１５０ｍｍ／ｓが好ましく、特に好ましくは、生産性の面から８０ｍｍ／ｓ以上、精度低下を防止するため１１０ｍｍ／ｓ以下が好ましい。本実施例では、１００ｍｍ／ｓとした。

３次元造形終了後の３次元造形物には、反りによりステージ表面から離れている部分は存在しなかった。
３次元造形物の内部の密度は４０％であった。表面部の密度は１００％である。高密度な表面の厚みは、通常０．５〜２．０ｍｍ程度とされ、本実施では１．２ｍｍとした。

比較例１
実施例１において、ステージの細孔の形状を円錐台から直径１．０ｍｍの円筒状でその軸をステージの上面に垂直にした以外は実施例１と同様にして３次元造形物を製造した。
３次元造形終了後の３次元造形物には、反りによりステージの表面から離れている部分が存在し、その部分のステージの表面との距離は３〜４ｍｍであった。

１３次元造形装置
２プラットフォーム
３クリップ
４ヘッド
５フィラメント状の樹脂
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆステージ
１０Ｘ従来のステージ
１１細孔
１１ａステージの上面における細孔の輪郭
１１ｂステージの下面における細孔の輪郭
１２貫通孔を有するプレート
１３底プレート
２０ａ第１層（薄層成形物）
２０３次元造形物
ａステージの上面
ｂステージの下面
ｃアンカー部
Ｌａステージの上面の孔径
Ｌｂステージの下面の孔径
Ｌｃアンカー部の最大孔径
Ｌｐピッチ

Claims

３次元造形用ステージ上で熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を行い、以降熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより熱可塑性樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する、熱溶解積層法による３次元造形用ステージであって、
該ステージの少なくとも上面に複数の細孔を有し、該細孔にはステージの上面より下方に、該上面における細孔の孔径以上の孔径を有するアンカー部が形成されており、該アンカー部の輪郭とステージの上面における細孔の輪郭とがステージの上面視で位置ずれしている３次元造形用ステージ。
細孔がステージを貫通している請求項１記載の３次元造形用ステージ。
ステージの上面における孔径が０．１〜１．５ｍｍ、アンカー部の最大孔径がステージの上面における孔径の１．１〜２倍である請求項１又は２記載の３次元造形用ステージ。
ステージの上面及び下面における細孔の孔径よりもステージ内部における細孔の孔径が大きい請求項２又は３に記載の３次元造形用ステージ。
細孔が円錐台形状である請求項１〜３のいずれかに記載の３次元造形用ステージ。
ステージの厚さ方向の断面において、細孔がステージ上面に対して斜行している請求項１〜３のいずれかに記載の３次元造形用ステージ。
３次元造形用ステージ上で熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を行い、以降熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより熱可塑性樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する、熱溶解積層法による３次元造形方法であって、３次元造形用ステージとして請求項１〜６のいずれかに記載のステージを使用する３次元造形方法。
３次元造形用ステージ上で熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を行い、以降熱溶融した熱可塑性樹脂の吐出と硬化を繰り返すことにより熱可塑性樹脂の薄層成形物を積層して３次元造形物を製造する、熱溶解積層法による３次元造形装置であって、３次元造形用ステージとして請求項１〜６のいずれかに記載のステージを備えた３次元造形装置。