JP6926485B2 - 造形装置 - Google Patents

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Description

本発明は、造形装置に関する。
特許文献1には、少なくとも1層に対して、その層の露出した部分を覆うための犠牲的な放射保護層の積層体を形成する積層造形システムが記載されている。
特開2016−47651号公報
液滴よって形成された層を硬化させて、この層を複数重なることで造形される造形物において、鉛直方向に急峻な端面を形成する場合に、この端面の上端部分では、液滴が設計の狙い通りに付着せず、端面の上端部分の形状が設計形状と異なる形状になる場合がある。
本発明の課題は、造形物を造形する際に、造形物の端面が被覆部材で覆われていない場合と比して、造形物の端面を設計形状に近い形状にすることである。
第1態様に係る造形装置は、台と、前記台に対して一方向に相対移動し、液滴を吐出するノズルから造形液を前記台に向けて吐出し、液滴が硬化されてなる層を複数重ねることで造形物を造形する第一吐出部と、前記台に対して一方向に相対移動し、液滴を吐出するノズルから前記造形物の端面を覆う被覆液を吐出し、液滴が硬化されてなる層を複数重ねることで前記端面を覆う被覆部材を形成する第二吐出部と、前記第二吐出部を制御し、前記被覆部材の厚さを、上方に向かうに従って薄くする制御部と、を備えることを特徴とする。
第2態様に係る造形装置は、第1態様に記載の造形装置において、互いに異なる色の造形液で一個の前記造形物を造形する複数の前記第一吐出部を備え、前記制御部は、前記第一吐出部を制御し、前記造形物の端面の色を、前記造形物の内部の色と異ならせることを特徴とする。
第3態様に係る造形装置は、第1態様又は第2態様に記載の造形装置において、紫外線を、前記台に吐出された液滴に照射し、液滴を硬化させる照射部を備え、前記第二吐出部は、紫外線透過材である被覆液を吐出することを特徴とする。
第4態様に係る造形装置は、第1態様又は第2態様に記載の造形装置において、前記造形物の外周に、造形物の最上部からの高さの関数として与えられる幅の被覆部材を設けることを特徴とする。
第1態様の造形装置によれば、造形物を造形する際に、造形物の端面が被覆部材で覆われていない場合と比して、造形物の端面を設計形状に近い形状にすることができる。
第2態様の造形装置によれば、造形物を造形する際に、造形物の端面が被覆部材で覆われていない場合と比して、端面の上端部分で、造形物の色が変わってしまうのを抑制することができる。
第3態様の造形装置によれば、被覆部材が紫外線吸収部材で形成されている場合と比して、造形物に照射される紫外線の量が減少するのを抑制することができる。
第4態様の造形装置によれば、少ない演算量で効率的に被覆部材の形状を算出できる。
(A)(B)本発明の第1実施形態に係る造形装置によって造形される造形物、及び被覆部材を示した断面である。 本発明の第1実施形態に係る造形装置によって造形される造形物を示した斜視図である。 (A)(B)本発明の第1実施形態に係る造形装置によって造形される造形物を示した正面図、及び側面図である。 (A)(B)(C)(D)本発明の第1実施形態に係る造形装置によって造形される造形物の工程を示した工程図である。 本発明の第1実施形態に係る造形装置によって造形される造形物の工程を示したフロー図である。 本発明の第1実施形態に係る造形装置に備えられた制御部の制御形態を示したブロック図である。 本発明の第1実施形態に係る造形装置を示した概略構成図である。 本発明の第1実施形態に係る造形装置を示した概略構成図である。 本発明の第1実施形態に係る造形装置を示した概略構成図である。 本発明の第1比較形態に係る形装置を示した概略構成図である。 (A)(B)本発明の第1比較形態に係る造形装置によって造形される造形物を示した正面図、及び側面図である。 (A)(B)本発明の第2比較形態に係る造形装置によって造形される造形物を示した正面図、及び側面図である。 本発明の第2比較形態に係る造形装置に備えられた制御部の制御形態を示したブロック図である。 (A)(B)本発明の第2実施形態に係る造形装置によって造形される造形物を示した断面図である。 (A)(B)本発明の第1比較形態に係る造形装置によって造形される造形物を示した断面図である。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る造形装置の一例について図1〜図12に従って説明する。なお、図中に示す矢印Hは装置上下方向(鉛直方向)を示し、矢印Wは装置幅方向(水平方向)を示し、矢印Dは装置奥行方向(水平方向)を示す。
(全体構成)
本実施形態に係る造形装置10は、所謂三次元プリンタであって、複数の層の層データに従って、造形液の吐出と紫外線の照射による硬化とを繰り返して層を複数重ねることで、造形物Vを造形する装置である。
造形装置10は、図7に示されるように、造形部12と、造形部12の下方に配置されている台部14と、台部14を移動させる移動機構18と、各部を制御する制御部16(図6参照)とを備えている。
〔造形部〕
造形部12は、図示せぬ保持部材によって保持されている吐出部20C、20M、20Y、20K、20W、22と、照射部30A、30Bとを備えている。
−吐出部−
造形部12は、図7に示されるように、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、黒(K)、及び白(W)の造形液の液滴を吐出するノズルを有する吐出部20C、20M、20Y、20K、20Wを備えている。さらに、造形部12は、造形物V(図1(A)参照)の端面Jを被覆する被覆部材Pの被覆液の液滴を吐出するノズルを有する吐出部22を備えている。ここで、端面Jとは、造形物Vにおいて側方(液滴の吐出方向に対して交差する方向)を向く面であって、図3(A)に示されるように、水平面S(本実施形態では、後述する基本面14A)に対する角度θが80度以上90度以下の面である。吐出部20C、20M、20Y、20K、20Wは、第一吐出部の一例であり、吐出部22は、第二吐出部の一例である。
具体的には、夫々の吐出部20C、20M、20Y、20K、20W、及び吐出部22は、装置奥行方向(主査走査方向)に並んでおり、液滴を吐出するノズル(図示省略)を有している。このノズルから、前述した液滴が吐出されるようになっている。
そして、図7に示されるように、装置幅方向(副査走査方向)において、吐出部20C、20M、20Y、20K、20W、及び吐出部22が、この順番で、装置幅方向の一方(図中左方)から他方(図中右方)に間隔をあけて配置されている。
また、本実施形態で用いられる被覆部材P(被覆液)は、硬化後に紫外線を透過する紫外線透過材である。ここで、紫外線透過材とは、紫外可視分光光度計(商品名:U−570、日本分光社製)を用いて、波長365nm以上410nm以下の紫外線透過率を測定し、硬化後において厚さ20〔μm〕の試料の紫外線透過率が70%以上100%未満の材料である。例えば、紫外線透過材として、以下の混合組成物を用いることができる。
・ポリエーテルポリオール、アデカポリエーテルP−400(ADEKA社製) 40重量部
・ウレタンアクリレートオリゴマー、U−200PA(新中村化学工業社製) 7.62重量部
・ウレタンアクリレートオリゴマー、UA−4200(新中村化学工業社製) 9.48重量部
・アクリレートモノマー、2−(2−ビニロキシエトキシ)エチルアクリレート(日本触媒社製) 30.24重量部
・アクリレートモノマー、イソボルニルアクリレート(大阪有機化学工業社製) 8.76重量部
・重合禁止剤、ヒドロキノンモノメチルエーテル(東京化成工業社製) 0.3重量部
・光重合開始剤、LUCIRIN TPO(2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド)(BASF社製) 1.8重量部
・光重合開始剤、Irgacure 379(2−ジメチルアミノ−2−(4−メチルベンジル)−1−(4−モルフォリン−4−イル−フェニル)−ブタン−1−オン)(BASF社製) 0.6重量部
・増感剤、2−イソプロピルチオキサントン(東京化成工業社製) 0.6重量部
・界面活性剤、TEGO Wet 270(ポリエーテル変性シロキサンコポリマ−)(Evonik社製) 0.12重量部
なお、以後の説明で、Y、M、C、K、Wを区別する必要がない場合には、Y、M、C、K、Wを省略することがある。
−照射部−
造形部12は、図7に示されるように、吐出部20Cに対して装置幅方向の一方に配置され、紫外線である照射光Lを照射する照射部30Aと、吐出部22に対して装置幅方向の他方に配置され、紫外線である照射光Lを照射する照射部30Bとを備えている。なお、以後の説明で、A、Bを区別する必要がない場合には、A、Bを省略することがある。
〔台部・移動機構〕
台部14は、造形部12の下方に配置され、造形部12側を向くと共に、水平面である基本面14Aを有している。台部14は、台の一例である。
移動機構18は、造形部12に対して、台部14を装置幅方向に移動させるようになっている。
以上の構成において、吐出部20、22は、移動機構18によって移動する台部14の基本面14Aに液滴を吐出し、さらに、照射部30は、吐出部20、22によって基本面14Aに吐出された液滴に紫外線を照射して、液滴を硬化させるようになっている。そして、これを繰り返すことで、基本面14Aに層を複数重ねることで造形物Vが造形されるようになっている。
〔制御部〕
制御部16(図6参照)は、造形装置10を構成する各部を制御するようになっている。なお、制御部16による各部の制御については、後述する作用と共に説明する。
(作用)
次に、造形装置10を用いて造形物Vを造形する(製造する)方法について説明する。先ず、造形方法の概要を説明し、次に、造形物Vの形状を説明したのち、造形方法の詳細を説明する。
−造形方法の概要−
造形物Vの三次元データから作成された複数の層データに従って、制御部16は、移動機構18、吐出部20、22、及び照射部30を制御する。そして、制御部16は、図7、図8、図9に示されるように、台部14を造形部12に対して装置幅方向(一方向の一例)に往復移動させながら吐出部20、22から液滴を基本面14Aに吐出させ、さらに、吐出された液体に照射部30から照射光Lを照射させる。吐出部20、22から台部14に吐出された液滴は、台部14の基本面14Aに着弾後、照射部30の照射光Lによって照射されることで硬化する。
具体的には、造形装置10は、各色の造形液、及び被覆部材Pの被覆液が、照射光Lの照射によって硬化されて形成される層を積み重ねて、台部14の基本面14Aに造形物V、及び被覆部材Pを造形する。なお、硬化した被覆部材Pについては、最終的には作業者によって除去される。
−造形物の形状−
造形物Vは、図2、図3(A)(B)に示されるように、一部が階段状に欠けた直方体状である。なお、造形物Vについては、造形装置10が造形物Vを造形する際の方向を用いて説明する。
造形物Vは、装置幅方向の他方を向いた面110Aと、装置奥行方向の手前を向いた面110Bと、装置奥行方向の奥を向いた面110Cと、上方を向いた面110Dと、下方を向いた面110Eを有している。さらに、造形物Vは、装置幅方向の一方を向いた面110F、面110Gと、面110Fと面110Gとの間に配置され、上方を向いた面110Hとを有している。
上方を向いた面110Dは、装置幅方向に延びている矩形状とされている。
装置幅方向の他方を向いた面110Aは、矩形状とされており、面110Dとで角部(稜線)を形成している。さらに、面110Aは、基本面14Aに対する角度θが90度であって、端面Jに該当する。
装置奥行方向を向いた面110B、及び面110Cは、装置幅方向に延びている矩形状に対して、装置幅方向の一方で、かつ上方の部分が欠けた形状とされている。そして、面110B、及び面110Cは、面110D、及び面110Aとで角部(稜線)を形成している。さらに、面110B、及び面110Cは、基本面14Aに対する角度θが90度であって、端面Jに該当する。
装置幅方向の一方を向いた面110Fは、装置奥行方向に延びている矩形状とされており、面110B、及び面110Cとで角部(稜線)を形成している。さらに、面110Fは、基本面14Aに対する角度θが90度であって、端面Jに該当する。
装置幅方向の一方を向いた面110Gは、面110Fに対して上方に配置され、装置奥行方向に延びている矩形状とされている。そして、面110Gは、面110D、面110B、及び面110Cとで角部(稜線)を形成している。さらに、面110Gは、基本面14Aに対する角度θが90度であって、端面Jに該当する。
上方を向いた面110Hは、面110Fの上端縁と、面110Gの下端縁との間に配置され、装置奥行方向に延びている矩形状とされている。
−造形方法の詳細−
次に、造形物Vを造形する造形方法について図5に示すフロー図を用いて説明する。
ステップS100で、制御部16が、外部装置等から造形物Vの三次元データを受け取る。制御部16が三次元データを受け取るとステップS200に移行する。
ステップS200で、制御部16は、三次元データによって造形される造形物Vが端面Jを有するか否かを判断する。端面Jを有する場合には、ステップS300に移行し、端面Jを有しない場合には、ステップS310に移行する。本実施形態の造形物Vは、端面Jを有するため、ステップS300に移行する。なお、造形物が端面Jを有しない場合のステップS310以降の工程についは、後述する。
ステップS300で、制御部16は、造形物Vの端面Jを被覆する被覆部材Pの三次元データを作成する。具体的には、制御部16は、被覆部材Pの厚さが上方に向かうに従って薄くなるように、被覆部材Pの三次元データを作成する。
以下、被覆部材Pの形状の一例を、端面Jである面110Aを覆う被覆部材Pによって説明する。
図1(A)に示す面110Aを覆う被覆部材Pの三次元データを作成する場合には、制御部16は、造形物Vの最も上方の位置(図中L1)での被覆部材Pの厚さを決める。具体的には、制御部16は、図中L1での被覆部材Pの厚さをd(0)とする。d0は、平面内の解像度の1〜20ドット以上、より好ましくは3〜10ドットが好適である。これより小さいと傾斜や色落ちが生ずることがある。これより大きいと、被覆部材を無駄に多く消費し、除去に手間がかかる。そして、L1から下方にh1だけ離れた位置の被覆部材Pの厚さd(h1)は、下記式(1)により算出される。換言すれば、下記関数によって、被覆部材Pの厚さd(h1)はが算出される。
d(h1)=d(0)+a・h1・・・・・・・式(1)
係数aは、正の数で、例えば、0.05である。aは0.01〜0.4、より好ましくは0.05〜0.2が好適であり、これより小さいと設計形状に近い形状にする効果が低く、これより大きいと無駄に材料を消費する。ある高さhにおける被覆部材Pの厚さをd(h)を、式(1)ではhの1次関数として与えたが、上層に行くほど薄ければ、d(h)を高次関数やテーブルの形で与えてもよい。また、計算を簡略化するため、被覆部材Pの厚さをhの関数として与えたが、例えば、面110Aと面110Fとで計算式を変えてもよい。そうすることで、被覆部材を効率よく使用することが可能となる。
このようにして、面110Aを覆う被覆部材Pの形状が決められる。
なお、面110Fのように、面110Fの最も上方の位置(図中L2)が、造形物Vの最も上方の位置(図中L1)から離れている場合にも、造形物Vの最も上方の位置(図中L1)を基準にして、被覆部材Pの三次元データが作成される。
具体的には、図中L1と図中L2との距離がh2の場合には、面110Fの最も上方の位置での被覆部材Pの厚さd(h2)は、下記式(2)により算出される。換言すれば、下記関数によって、被覆部材Pの厚さd(h2)はが算出される。
d(h2)=d(0)+a・h2・・・・・・・式(2)
また、本実施形態では、端面Jである面110Fと、端面Jである面110Gとの間に配置されており、上方を向く面110Hについても、1〜10層分の被覆部材Pが形成される。こうすることで、上部から落下してきた造形物による汚れが被覆部材Pの除去とともに除去されるもで、きれいな造形物を得ることができる。被覆部材Pの三次元データが作成されると、ステップS400に移行する。
ステップS400では、制御部16は、造形物V、及び被覆部材Pの三次元データから、複数の層の層データ(二次元データ)を作成する。全ての層データが作成されると、ステップS500に移行する。
ステップS500では、制御部16は、複数の層データに従って、移動機構18、吐出部20、22、及び照射部30を制御する。そして、制御部16は、台部14を造形部12に対して装置幅方向に往復移動させながら吐出部20、22から液滴を台部14に吐出させると共に照射部30から照射光Lを照射させる。
これにより、台部14が吐出部20、22の下方を一回通過することで、基本面14Aに造形物Vを構成する一の層が形成される。そして、台部14の基本面14A上に、図4(A)(B)(C)(D)に示されるように、層を積み重ねることで、造形物Vと被覆部材Pとが造形される。造形物Vと被覆部材Pとが造形されるとステップS600に移行する。
ステップS600では、被覆部材Pが、作業者によって溶剤等を用いて取り除かれる。被覆部材Pが、取り除かれることで、全ての工程が終了する。
一方、ステップS200で、制御部16が、造形物Vは端面Jを有しないと判断してステップS310に移行すると、ステップS310では、制御部16は、造形物Vの三次元データから、複数の層の層データを作成する。全ての層データが作成されると、ステップS410に移行する。
ステップS410では、制御部16は、複数の層データに従って、移動機構18、吐出部20、及び照射部30を制御する。そして、制御部16は、台部14を造形部12に対して装置幅方向に往復移動させながら吐出部20から液滴を基本面14Aに吐出させると共に照射部30から照射光Lを照射させる。これにより、造形物Vが形成される。造形物Vが形成されると、全ての工程が終了する。
ここで、第1比較形態に係る造形装置210、及び第2比較形態に係る造形装置310について説明する。なお、造形装置210、及び造形装置310については、造形装置10と異なる部分を主に説明する。
−第1比較形態−
第1比較形態に係る造形装置210は、図10に示されるように、造形物Vの端面Jを被覆する被覆部材Pの被覆液の液滴を吐出する吐出部を備えていない。このため、造形物Vを造形する際に、造形物Vの端面Jが被覆部材Pで覆われていない。
また、造形装置210によって造形された造形物Vの端面Jは、図11(A)(B)に示されるように、垂直面に対して傾斜する。
この原因としては、吐出部20によって吐出される液滴の着弾位置のばらつきによって端面Jの下に落下すること、また、着弾した液滴が、表面張力によって球状になってしまうこと等が考えられる。
−第2比較形態−
第2比較形態に係る造形装置310の制御部316(図13参照)は、吐出部22を制御し、被覆部材Pの厚さを、下方から上方に亘って一定にするようになっている。
造形装置310によって造形された被覆部材Pの外表面は、垂直面に対して傾斜し、一定の高さ以上では厚みがなくなり、それ以上の高さでは造形物Vの端面Jが、垂直面に対して傾斜する(図12(A)(B)参照)。したがって、被覆部材Pを除去後は、造形物Vの端面Jの上部が傾斜を持った形状となる。
この原因としては、吐出部20、22によって吐出される液滴の着弾位置のばらつきによって端面Jの下に落下すること、表面張力によって球状になってしまうこと等が考えられる。
しかし、本実施形態に係る造形装置10の制御部16は、前述したように、被覆部材Pの厚さを、上方に向かうに従って薄くする。換言すると、制御部16は、被覆部材Pの厚さを、下方に向かうに従って厚くする。
このため、吐出部20によって吐出される液滴の着弾位置のばらつきが生じた場合、また、着弾した液滴が表面張力によった球状になって場合でも、端面Jの傾斜の形成と、角部が丸みを帯びてしまうのが、抑制される。
そして、図3(A)(B)に示されるように、造形物Vの端面Jが被覆部材Pで覆われていない場合と比して、端面Jの形状が、設計形状に近い形状になる。
(まとめ)
以上説明したように、造形装置10は、造形物Vを造形する際に、造形物Vの端面Jに被覆部材Pを形成する。このため、比較形態に係る造形装置210、310を用いる場合と比して、端面Jの形状が維持される。換言すれば、造形物Vを造形する際に、造形物Vの端面Jが被覆部材Pで覆われていない場合と比して、造形物Vの端面Jが設計形状に近い形状となる。
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係る造形装置の一例について図14、図15に従って説明する。なお、第2実施形態については、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。
第2実施形態に係る造形装置の制御部は、造形物Vの三次元データから端面を抽出し、吐出部20を制御し、図14に示されるように、造形物Vの端面Jの色を、造形物Vの内部の色と異ならせる。
ここで、第2実施形態に係る造形装置では、造形物Vを造形する際に、造形物Vの端面Jが被覆部材Pで覆われており、かつ、被覆部材Pの厚さが、上方に向かうに従って薄くなる。このため、造形物Vの端面Jは、設計形状に近い形状となる。
一方、述した第1比較形態に係る造形装置210を用いた場合には、造形物Vを造形する際に、端面Jを覆う被覆部材Pが形成されない。このため、図15に示されるように、造形物Vの端面Jが傾斜を持ち、上端部分の角部が、丸みを帯びてしまう。これにより、端面Jの上端部分では、色が変わってしまう(造形物Vの内部の色が端面Jに露出してしまう)。
このように、造形物Vの端面Jの色が、造形物Vの内部の色と異なっている場合には、造形物Vの端面Jが被覆部材Pで覆われていない場合と比して、端面Jの上端部分で、造形物Vの色が変わってしまうのが抑制される。
他の作用については、第1実施形態と同様である。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、特に説明しなかったが、造形物の一部が、オーバーハングしている場合には、この部分の支える支持部材を形成してもよい。この場合には、例えば、吐出部22を用いて、この支持部材を形成してもよい。
また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、造形物Vを造形する際に、造形物Vの上面を平坦化させる平坦化ローラを用いてもよい。
また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、造形物Vを造形する際に、台部14を下方向に移動させてもよい。これにより、吐出部20、22と、液滴の着弾位置との距離が、予め定められた範囲に入れられる。
また、造形液と被覆液は、紫外線で硬化するものに限らず、例えば、加熱溶融した状態で吐出し冷却して硬化するものや、可視光や赤外線などの電磁波や電子線などの照射で硬化するものや、空気や水分と反応して硬化するものでもよい。
また、上記実施形態では、被覆部材Pの3次元形状をあらかじめ求めて造形したが、そうしなくてもよい。例えば、頂点L1から高さhの水平面で造形物を切断し、その断面外周に沿って、式(1)の厚さで被覆部材Pを付加したパターンを算出し、それに基づき造形物と被覆部材を形成する、という工程を、造形物の底部から順次行ってもよい。こうすることで、あらかじめ端面Jの有無を判定することなく被覆部材Pの形状を決定でき、演算量を減らすことができる。
被覆部材Pの除去方法としては、溶剤による溶解を挙げたが、被覆部材Pを水溶性部材として水で溶かす方法や、被覆部材Pをワックスとして加熱溶融除去する方法や、機械的にむしり取る方法などでもよい。
10 造形装置
14 台部(台の一例)
16 制御部
20 吐出部(第一吐出部の一例)
22 吐出部(第二吐出部の一例)
30 照射部
P 被覆部材
J 端面
V 造形物

Claims (4)

  1. 基本面を有する台と、
    前記基本面に対して一方向に相対移動し、液滴を吐出するノズルから造形液を前記基本面に向けて吐出し、液滴が硬化されてなる層を複数重ねることで造形物を造形する第一吐出部と、
    前記基本面に対して一方向に相対移動し、液滴を吐出するノズルから前記造形物の内部での前記基本面に対する角度が80度以上90度以下の面である端面を覆う被覆液を吐出し、液滴が硬化されてなる層を複数重ねることで前記端面を覆う被覆部材を形成する第二吐出部と、
    前記第二吐出部を制御し、前記被覆部材の厚さを、上方に向かうに従って薄くする制御部と、
    を備える造形装置。
  2. 互いに異なる色の造形液で一個の前記造形物を造形する複数の前記第一吐出部を備え、
    前記制御部は、前記第一吐出部を制御し、前記造形物の端面の色を、前記造形物の内部の色と異ならせる請求項1に記載の造形装置。
  3. 紫外線を、前記基本面に吐出された液滴に照射し、液滴を硬化させる照射部を備え、
    前記第二吐出部は、紫外線透過材である被覆液を吐出し、前記端面の下部に連続し、上方を向いた造形物の面を前記被覆液で被覆する請求項1又は2に記載の造形装置。
  4. 前記造形物の外周に、造形物の最上部からの高さの関数として与えられる厚さの被覆部材を設ける請求項1又は2に記載の造形装置。
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