JP6922653B2 - 造形物製造方法及び造形システム - Google Patents
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Description
<造形物製造方法>
図1は、第1の実施形態に係る造形物製造方法の例を示すフローチャートである。本実施形態に係る造形物製造方法は、積層造形法を用いて立体的な造形物を製造するための方法である。本実施形態に係る造形物製造方法は、積層体形成工程S1、加熱冷却工程S2、及び剥離工程S3を含む。
図2は、第1の実施形態に係る造形システム1の構成例を示すブロック図である。本実施形態に係る造形システム1は、図1に示す造形物製造方法を実現するシステムの一例である。本実施形態に係る造形システム1は、情報処理装置11、造形装置12、及び後処理装置13を含む。
図3は、第1の実施形態の第1の例に係る積層体形成ユニット21Aの構成例を示す図である。本例に係る積層体形成ユニット21Aは、電子写真プロセス法を利用して積層体110を形成するユニットである。積層体形成ユニット21Aは、層形成ユニット25A及び積層ユニット26Aを含む。
図4は、第1の実施形態の第2の例に係る積層体形成ユニット21Bの構成例を示す側面図である。図5は、第1の実施形態の第2の例に係る積層体形成ユニット21Bの構成例を示す上面図である。本例に係る積層体形成ユニット21Bは、FDM法を利用して積層体110を形成するユニットである。
図6は、第1の実施形態の第3の例に係る積層体形成ユニット21Cの構成例を示す図である。本例に係る積層体形成ユニット21Cは、電子写真プロセス法とFDM法とを併用して積層体110を形成するユニットである。
更なる簡易な構成例としては、FDM法により形成された離型像72の上に造形材111の粉体を供給し、過剰な粉体をブレード、ローラ等により除去した後、フラッシュ等の非接触加熱により所定層毎に溶融させ、仮の積層体110を形成してもよい。このとき、離型層102が加熱により変形しないように、造形材111の融点と離型材112の融点との間には差があることが求められる。その後、加熱冷却工程が実行される。
積層造形法を用いない構成例として、熱可塑性の樹脂積層物(造形物101)をFDM法等により形成し、樹脂積層物に粉体を吹き付けたり、樹脂積層物をフィルムで覆ったりすることにより、PMP、フッ素樹脂等の離型性樹脂(離型層102)を樹脂積層物の表面に付与する構成が挙げられる。この場合、その後に後述する加熱冷却工程が実行される。PMPのフィルムは、例えば耐熱性の食品用ラップ等として利用されており、安価且つ容易に入手可能なものである。
図7は、第1の実施形態の第1の例に係る層80Aの構造例を示す図である。本例に係る層80Aは、造形像71、離型像72、及びサポート像73を含んでいる。各層80Aの造形像71により造形物101が形成される。各層80Aの離型像72により離型層102が形成される。各層80Aのサポート像73によりサポート体103が形成される。本例に係る離型像72は、造形像71を囲うように閉じた線形の形状を有している。各層80Aにおいてこのような離型像72を形成することにより、離型層102に覆われた造形物101を含む積層体110を形成することができる。本例に係るサポート体103は、造形物101内に空隙を形成するためのものである。
図9は、第1の実施形態のサポート体103の構成例を示す図である。本例に係るサポート体103は、サポート材113と離型材112とが立体格子状に配置されて構成されている。このようなサポート体103は、例えば、線形の離型像72と線形のサポート像73とを網目状に配置した複数の層80Aを積層すること等により形成することができる。このようなサポート体103を形成することにより、サポート材113の除去性を向上させることができる。
図10は、第1の実施形態に係る加熱冷却ユニット22による加熱工程の実行例を示す図である。図11は、第1の実施形態に係る加熱冷却ユニット22による冷却工程の実行例を示す図である。本例に係る加熱冷却ユニット22は、筐体171、電熱ヒータ172、及び冷却ファン173を備える。
(1)加熱温度Tで分解が生じない。
(2)離型層102を介して造形物101の精度に影響を与えない大きさ(積層間隔と同等以下)である。
(3)冷却後、凝集や固着することなく取り出し容易である。
(4)大きな変形や熱特性の変化がなく再利用可能である。
(5)高熱伝導である。
(6)搬送、回収等が容易である。
図12は、第1の実施形態に係る剥離ユニット23による剥離工程の実行例を示す図である。本例に係る剥離ユニット23は、水槽181を備える。水槽181は水182で満たされている。
図13は、各種材料における比重と表面自由エネルギーとの関係例を示すグラフである。図13に示すグラフには、造形材111の候補としてのPA66、PC、PSU、PBT、PET、LCP、及びPEEK、離型材112の候補としてのPMP、PVDF、PFA、FEP、及びPTFE、及び参考材料としてのPP(ポリプロピレン)、HDPE(高密度ポリエチレン)、及びPVC(ポリ塩化ビニル)に関する比重と表面自由エネルギーとの関係が示されている。ここでの比重は水を基準とする値である。剥離性は表面自由エネルギーで規定されることが多い。フッ素樹脂やPMPは剥離用途において工業的に実績のある物質である。
また、表面自由エネルギーだけでなく、比重も剥離性(不要部分の除去性)に影響を与える。本例では、造形材111の候補となる材料(PA66、PC、PSU、PBT、PET、LCP、及びPEEK)の比重は全て1より大きい。これに対し、離型材112の1つであるPMPの比重は1より小さい。すなわち、積層体110を水に沈めたとき、本例に係る造形材料111により構成される造形物101には沈む力が働き、PMPを主成分とする離型層102には浮く力が働く。従って、図12に示すように水182の中で剥離処理を行う場合には、比重が1より大きい造形材111(例えばPA66、PC、PSU、PBT、PET、LCP、PEEK等)と、比重が1より小さい離型材112(例えばPMP)とを組み合わせることにより、剥離性を向上させることができる。同様に、比重が1より小さい造形材111と、比重が1より大きい離型材112とを組み合わせてもよい。例えば、PP、HDPE等(比重が1より小さい材料)を造形材111として用いる場合、PVDF、PFA、FEP、PTFE等(比重が1より大きい材料)を主成分とする離型材112を用いることにより、良好な剥離性を得ることができる。
図15は、各種材料における比重とSP(Solubility Parameter)値との関係例を示すグラフである。図14に示すグラフには、造形材111の候補としてのPA66、PC、PSU、PBT、及びPET、離型材112の候補としてのPMP、PVDF、PFA、FEP、及びPTFE、及び参考材料としてのPP、HDPE、及びPVCに関する比重とSP値との関係が示されている。
図16は、各種材料における比重と線膨張率との関係例を示すグラフである。図15に示すグラフには、造形材111の候補としてのPA66、PC、PSU、PBT、及びPET、PEEK、及びLCP離型材112の候補としてのPMP、PVDF、PFA、FEP、及びPTFE、及び参考材料としてのPP、HDPE、及びPVCに関する比重と線膨張率との関係が示されている。
図17は、造形材111の候補となる材料の比重及び融点Tm1と、離型材112の候補となる材料の比重及び融点Tm2との関係例を示す表図である。本例では、造形材111の候補としてPC、PA12、POM、PSF、PEI、PA6、PBT、PA66、及びPPSが挙げられ、離型材112の候補として変性PTFE、PFA、FEP、PCTFE、及びPMPが挙げられている。PTFEの融点315°と大きく変わらない融点を有する変性PTFEが存在するが、本例では変性PTFEとして融点が225℃以下の3M社製ダイニオン熱可塑性フッ素樹脂THVを用いた。
図10に示すような加熱冷却ユニット22において筐体171内に充填される充填材177の粒径について考察する。
図19は、第2の実施形態に係る加熱冷却ユニット22による加熱冷却工程の実行例を示す図である。本実施形態に係る加熱冷却工程は、積層体形成工程(積層体形成ユニット21)により形成された積層体110の周囲に耐熱フィルム211を被せ、積層体110(離型層102)と耐熱フィルム211との間の空間を減圧する工程を含む。これにより、耐熱フィルム211を積層体110(離型層102)に圧着させ、造形物101を加圧しながら加熱及び冷却することができる。
図21は、第3の実施形態に係る加熱冷却ユニット22による加熱冷却工程の実行例を示す図である。本実施形態に係る加熱冷却工程は、積層体形成工程(積層体形成ユニット21)により形成された積層体110の造形物101と離型層102との間の空間を減圧する工程を含む。これにより、離型層102を造形物101に圧着させ、造形物101を加圧しながら加熱及び冷却することができる。このような加熱冷却工程が施された積層体110の離型層12は、図20に示す第2の実施形態に係る剥離工程により剥離することができる。
11 情報処理装置
12 造形装置
13 後処理装置
21 積層体形成ユニット
22 加熱冷却ユニット
23 剥離ユニット
25A,25C 層形成ユニット
26A,26C 積層ユニット
31 第1の作像ユニット
32 第2の作像ユニット
33 中間担持ユニット
41,51,151 感光体
42,52,152 帯電装置
43,53,153 露光装置
44,54,154 現像装置
45,55,155 転写装置
46,56,156 感光体クリーナ
61 第1の担持ベルト
62,63 テンションローラ
64 第1の検知センサ
65 ベルトクリーナ
71 造形像
72 離型像
72A 外部離型像
73 サポート像
73A 外部サポート像
80,80A,80B 層
81 第2の担持ベルト
82 2次転写ローラ
83,84 テンションローラ
85 ステージ
86 積層ヒータ
87 第2の検知センサ
91 第1の造形ヘッド
92 第2の造形ヘッド
101 造形物
102 離型層
103 サポート体
110 積層体
111 造形材
112 離型材
113 サポート材
171 筐体
172 電熱ヒータ
173 冷却ファン
177 充填材
181 水槽
182 水
191 ブロック体
201 パイプ
211 耐熱フィルム
Claims (21)
- 造形材を積層することにより造形物を形成する工程と、
前記造形物の表面に離型材からなる離型層を付与する工程と、
前記離型層が付与された前記造形物を前記造形材が溶融する温度で加熱して前記造形材を溶融させた後、前記離型層が付与された前記造形物を冷却して前記造形材を固化させる工程と、
前記離型層を前記造形物から剥離する工程と、
を含み、
前記離型材の表面自由エネルギーは、25mN/mより小さい、
造形物製造方法。 - 前記離型材のSP値は、前記造形材のSP値より小さい、
請求項1に記載の造形物製造方法。 - 前記離型材の線膨張率は、前記造形材の線膨張率より大きい、
請求項1又は2に記載の造形物製造方法。 - 前記造形材の比重は、1より大きく、
前記離型材の比重は、1より小さい、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記造形材の比重は、1より小さく、
前記離型材の比重は、1より大きい、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記造形材の比重と前記離型材の比重との差が、0.3以上である、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記離型材は、PMPを主成分として含む、
請求項1〜4,6のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記離型材は、FEP、PFA、変性PTFE、及びPVDFからなる群から選択される1つ以上の物質を主成分として含む、
請求項1〜3,5,6のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記離型材の融点は、前記造形材の融点より高い、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記離型層が付与された前記造形物の周囲に充填材を充填した状態で、前記離型層が付与された前記造形物を加熱する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記充填材は、銅鉄合金を含む、
請求項10に記載の造形物製造方法。 - 前記離型層が付与された前記造形物をフィルムで覆い、前記フィルム内の空間を減圧しながら前記離型層が付与された前記造形物を加熱する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記造形物と前記離型層との間の空間を減圧しながら前記離型層が付与された前記造形物を加熱する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記造形物は、空隙部を形成するためのサポート体を含み、
前記サポート体は、前記サポート体を構成するサポート材と前記離型材とを含む、
請求項1〜13のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記サポート体は、前記サポート材と前記離型材とが立体格子状に配置されて構成される、
請求項14に記載の造形物製造方法。 - 前記離型層は、溶融堆積法により付与される、
請求項1〜15のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記離型層の剥離は、水中で行われる、
請求項1〜16のいずれか1項に記載の造形物製造方法。 - 前記離型層が付与された前記造形物に加速度を与えることにより前記離型層を前記造形物から剥離する、
請求項17に記載の造形物製造方法。 - 造形材を積層することにより造形物を形成する手段と、
前記造形物の表面に離型材からなる離型層を付与する手段と、
前記離型層が付与された前記造形物を前記造形材が溶融する温度で加熱して前記造形材を溶融させた後、前記離型層が付与された前記造形物を冷却して前記造形材を固化させる手段と、
前記離型層を前記造形物から剥離する手段と、
を備え、
前記離型材の表面自由エネルギーは、25mN/mより小さい、
造形システム。 - 前記造形材を担持して搬送する担持体の表層部は、電子線照射架橋フッ素樹脂により構成される、
請求項19に記載の造形システム。 - 前記担持体の基体部は、インバー合金により構成される、
請求項20に記載の造形システム。
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