JP7023555B1 - 光造形装置および3次元造形物の製造方法 - Google Patents

光造形装置および3次元造形物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】造形物の搬送性が好適に確保される光造形装置を提供する。【解決手段】制御手段が、それぞれが露光済みのスラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物がフィルムの上に載置されている状態で、搬送手段にフィルムを造形テーブルから補助テーブルへと搬送させ、エア供給手段に、造形テーブルおよび補助テーブルの複数のエア供給口を介したエアの供給を、搬送手段による搬送状態に応じて選択的に行わせることにより、造形物を、フィルムの一部または全部とともに造形テーブルおよび補助テーブルから浮上させた状態で造形テーブルから補助テーブルへと搬送する、ようにした。【選択図】図1

Description

本発明は、光造形装置および3次元造形物の製造方法に関する。
3次元造形法は、複雑な3次元形状を直接造形加工できる点に大きな優位性を有する加工方法であり、従来の切削加工法による3次元立体加工物を得る方法に比べて自由度が非常に高く、その優位性は近年大きな注目を浴びている。
3次元造形法の一つである3次元光造形法の先行事例としては、自由液面法と呼ばれる方法が広く知られており、レーザビームとガルバノミラーの走査露光系で実現されている。また、光硬化性材料の入った容器の底面側からガラス越しに、DMDによる一括露光により1層分造形し、次に必要厚み分、造形物を吊り上げて造形物の下に材料を充填する、という態様にて露光と吊り上げとを繰り返すことにより造形を行う、規制液面法と呼ばれる裏面露光方式なども公知である(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、近時、3次元光造形法としては、光硬化性樹脂を平面に塗布し、その上からレーザ走査により露光する方法が主流となっている。例えば、光硬化性モノマー樹脂(液体)にセラミックス粉体などを混錬したスラリーと呼ばれるペースト状の材料を造形テーブル上に薄く塗布し、その上からレーザ走査により必要な領域を露光して樹脂を硬化させることを繰り返して、3次元造形物を得る方法が、すでに公知である(例えば、特許文献2参照)。
特開2017-124631号公報 特許第6438919号公報
3次元光造形法の優位性が広く認識されるにつれて、造形物の大型化、大面積化のニーズが高まっている。造形物のサイズが大きくなるほど、造形処理に要する時間が増大することになるため、生産性向上の観点からは当然に、造形処理の効率化のための方策が求められる。
もう一つ、係る大型化、大面積化に伴い造形物が重量化することにより顕在化する事項として、造形物の搬送性の問題がある。すなわち、完成した造形物を造形装置から取り出し、後段の処理のために他所へと搬送する際には、破損などが生じないよう、安全かつ確実・迅速に搬送を行う必要があるが、例えば数十kg程度にまで重量化した造形物においてこれを実現することは容易ではない。特許文献1および特許文献2のいずれにも、大型化、大面積化した造形物の搬送性の改善に関する特段の開示はみられない。
なお、特許文献2に開示されている光造形装置のように、造形に際してテーブルの保護のために保護フィルム(シート)を敷くことがある。造形物が軽ければ、この保護フィルムを引っ張ることによる搬送という手法も採用の余地はあるが、保護フィルムの耐荷重には限界があり、数十kg程度の造形物に対して係る手法を適用するのは妥当ではない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、造形物が大型化、大面積化した場合であっても造形物の搬送性が好適に確保される光造形装置を提供することを、目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、3次元造形物を得るための光造形装置であって、上面に複数のエア供給口を有する造形テーブルと、上面に複数のエア供給口を有する補助テーブルと、前記造形テーブルに載置された前記フィルムの上にスラリーを吐出可能な吐出手段と、前記フィルムの上に吐出された前記スラリーを掃引し、所定の厚みのスラリー膜を形成する掃引手段と、3次元形状データに基づいてあらかじめ作成された露光パターンに従って前記スラリー膜を露光する露光手段と、前記造形テーブルに載置された前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送可能な搬送手段と、前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの前記複数のエア供給口を介してエアを供給可能なエア供給手段と、少なくとも前記搬送手段および前記エア供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段が、前記搬送手段に、それぞれが露光済みの前記スラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物が前記フィルムの上に載置されている状態で、前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送させ、前記複数のエア供給口のうち前記エア供給手段からの前記エアの供給に使用されるエア供給口を、前記搬送手段による造形物の移動状態に応じて順次に切り替えさせることにより、前記造形物を、前記フィルムの一部または全部とともに前記造形テーブルおよび前記補助テーブルから浮上させた状態で前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送する、ことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の光造形装置であって、前記補助テーブルを着脱自在に支持する固定部を更に備え、前記補助テーブルは、前記造形物および前記フィルムが載置された状態で前記固定部から取り外して搬送可能とされてなる、ことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載の光造形装置であって、前記造形テーブルに前記フィルムを吸着固定可能な吸着手段を更に備え、前記制御手段は、前記吸着手段を制御して、前記吸着手段に、少なくとも前記スラリーの掃引の間、前記フィルムを前記造形テーブルに吸着固定させる、ことを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項3に記載の光造形装置であって、前記吸着手段は、前記造形テーブルの前記複数のエア供給口に接続され、当該複数のエア供給口に負圧を与えることによって前記フィルムを吸着固定可能なことを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の光造形装置であって、前記制御手段は、前記搬送手段が前記フィルム上に載置された前記造形物を搬送する際、前記エア供給手段に、前記造形物の位置に対応するゾーンのエア供給口から前記エアを供給させ、前記ゾーンから外れたエア供給口からの前記エアの供給を停止させる、ことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の光造形装置であって、前記搬送手段は、前記補助テーブルに載置されたフィルムを吸着して前記造形テーブルに搬送可能な吸着搬送手段を含み、前記吸着搬送手段が前記露光手段に対しピン嵌合にて合体可能とされてなり、前記吸着搬送手段が前記露光手段に合体した状態で前記露光手段を移動させることにより、前記吸着搬送手段が移動する、ことを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の光造形装置であって、前記搬送手段は、前記フィルムを把持して搬送する把持搬送手段を含み、前記把持搬送手段が前記掃引手段に対しピン嵌合にて合体可能とされてなり、前記把持搬送手段が前記掃引手段に合体した状態で前記掃引手段を移動させることにより、前記把持搬送手段が移動する、ことを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の光造形装置であって、前記露光手段が、DMD露光を行う、ことを特徴とする。
請求項9の発明は、3次元造形物の製造方法であって、上面に複数のエア供給口を有する造形テーブルに載置されたフィルムの上にスラリーを吐出する吐出工程と、前記フィルムの上に吐出された前記スラリーを掃引し、所定の厚みのスラリー膜を形成する掃引工程と、3次元形状データに基づいてあらかじめ作成された露光パターンに従って前記スラリー膜を露光する露光工程と、それぞれが露光済みの前記スラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物が載置されている前記フィルムを前記造形テーブルから上面に複数のエア供給口を有する補助テーブルへと搬送することにより、前記造形物を搬送する搬送工程と、を備え、前記搬送工程においては、前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの複数のエア供給口のうち前記フィルムの裏面に対前記エア供給するエア供給口を、前記造形物の移動状態に応じて順次に切り替えることにより、前記造形物を、前記フィルムの一部または全部とともに前記造形テーブルおよび前記補助テーブルから浮上させた状態で前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送する、ことを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項9に記載の3次元造形物の製造方法であって、少なくとも前記掃引工程の間、前記フィルムを前記造形テーブルに吸着固定させる、ことを特徴とする。
請求項11の発明は、3次元造形物を得るための光造形装置であって、上面に複数のエア供給口を有する造形テーブルと、上面に複数のエア供給口を有する補助テーブルと、前記造形テーブルに載置されたフィルムの上にスラリーを吐出可能な吐出手段と、前記フィルムの上に吐出された前記スラリーを掃引し、所定の厚みのスラリー膜を形成する掃引手段と、3次元形状データに基づいてあらかじめ作成された露光パターンに従って前記スラリー膜を露光する露光手段と、前記造形テーブルに載置された前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送可能な搬送手段と、前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの前記複数のエア供給口を介してエアを供給可能なエア供給手段と、少なくとも前記搬送手段および前記エア供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記搬送手段は、前記補助テーブルに載置されたフィルムを吸着して前記造形テーブルに搬送可能な吸着搬送手段を含み、前記制御手段が、前記搬送手段に、それぞれが露光済みの前記スラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物が前記フィルム上に載置されている状態で、前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送させ、前記エア供給手段に、前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの前記複数のエア供給口を介した前記エアの供給を、前記搬送手段による搬送状態に応じて選択的に行わせることにより、前記造形物を、前記フィルムの一部または全部とともに前記造形テーブルおよび前記補助テーブルから浮上させた状態で前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送する、ことを特徴とする。
請求項1ないし請求項11の発明によれば、大型の造形物を作成する場合であっても、その取り出しが容易かつ確実に行える。
光造形装置1の概略的な構成を示す斜視図である。 光造形装置1の要部についての機能ブロック図である。 光造形装置1における主たる構成要素の配置関係を示す側面図である。 光造形装置1の一連の動作を示すフローチャートである。 光造形装置1の一連の動作を示すフローチャートである。 光造形装置1の一連の動作を示すフローチャートである。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。 光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。
<装置の概要>
図1は、本実施の形態に係る光造形装置1の概略的な構成を示す斜視図である。図2は、光造形装置1の要部についての機能ブロック図である。図3は、光造形装置1における主たる構成要素の配置関係を示す側面図である。
本実施の形態に係る光造形装置1は、概略、光硬化性モノマー樹脂(液体)にセラミックス粉体(例えばアルミナ)などを混錬したスラリーと呼ばれるペースト状の材料を造形テーブル上に薄く塗布し、得られたスラリー膜(層)に対しその上からレーザ、LED等の光を照射して必要な領域を露光して樹脂を硬化させることを、順次に積層されるスラリー膜に対し繰り返して、3次元造形物(積層体)を得る装置である。なお、以降においては、光造形装置1において行われる、露光用のパターンデータに基づく露光のことを、描画とも称する。
光造形装置1は、造形テーブル11と、補助テーブル12と、露光ユニット20と、リコートユニット30と、スラリー吐出ポンプ40と、コントローラC(図2)とを、主として備える。なお、図1においては、補助テーブル12から造形テーブル11へと向かう向きをy軸正方向とし、鉛直方向上向きをz軸正方向とする右手系のxyz座標を付している(以降においても同様の座標系を用いる)。
造形テーブル11は、その上面において造形が行われる平面視矩形状のテーブルである。造形テーブル11は、矢印AR1にて示すようにz軸方向に昇降自在とされてなる。係る昇降動作は、z軸昇降機構11M(図2)により実現される。具体的には、図3に示すように、初期位置11a(高さh1)と、吐出・露光位置11b(高さh2)と、リコート位置11c(高さh3)との間で主に移動させられる。
概略的にいえば、造形テーブル11は、スラリーの塗布とこれに続く露光の際には初期位置11aから上昇させられ、造形物の形成が進行する都度(各層の形成が完了する都度)、必要量下降させられる。
造形テーブル11は、大型の造形物を造形可能とするべく、少なくとも600mm×600mm以上の造形エリアを有するのが好ましく、650mm×650mm以上の造形エリアを有するのがより好ましい。
また、造形テーブル11は、その上面に複数の吸着溝(溝部)11gを備える。複数の吸着溝11gは、造形に際して造形テーブル11の上面に敷設されるフィルム(例えば保護フィルム)を固定する際に使用される。複数の吸着溝11gは、造形エリア全般に渡って設けられる。より具体的には、複数の吸着溝11gはエア吸着吹出機構11AR(図2)と連通しており、コントローラC(本開示の制御手段の一例)の制御により、フィルムが敷設された状態でエア吸着吹出機構11ARが複数の吸着溝11gに対し負圧を与えることで、フィルムが真空吸着される。
なお、造形物が完成した後の搬送時には、コントローラCの制御により、係る真空吸着は解除され、代わって、エア吸着吹出機構11ARから吸着溝11gへとエアが供給される。これにより、造形物はフィルムともども造形テーブル11からわずかに浮き上がるので、後述するフィルムグリッパ52によりフィルムを把持してその上の造形物ごと搬送することが、容易となる。
補助テーブル12は、フィルムの準備や完成した造形物の搬送に用いられる平面視矩形状のテーブルである。補助テーブル12は、造形テーブル11と略同一の平面サイズを有する。補助テーブル12は、固定部(サポート)12Fに載置支持され、かつ、図3に示すように、造形テーブル11の初期位置11aと同じ高さh1に備わっている。補助テーブル12は、固定部12Fともども、矢印AR2にて示すようにy軸方向に進退自在とされてなる。具体的には、通常位置12aと、初期位置11aにある造形テーブル11とy軸方向正側において面一に隣接する隣接位置12bとの間で進退移動するようになっている。係る進退動作は、固定部12Fに備わるy軸移動機構12M(図2)により実現される。y軸移動機構12Mは、アクチュエータを備えている。
また、補助テーブル12も、その上面に複数の吸着溝(溝部)12gを備える。複数の吸着溝12gは、造形に際して造形テーブル11の上面に敷設されるフィルムを、係る敷設に先立っていったん固定する際に使用される。より具体的には、複数の吸着溝12gは固定部12Fを通じてエア吸着吹出機構11AR(図2)と連通しており、フィルムが敷設された状態でエア吸着吹出機構11ARが複数の吸着溝12gに対し負圧を与えることで、フィルムが真空吸着される。補助テーブル12にいったん敷設されたフィルムは、後述する吸着パッドユニット51によって造形テーブル11へと搬送される。
さらに、補助テーブル12は、通常位置12aにおいて固定部12Fから着脱自在とされてなる。すなわち、y軸移動機構12Mやエア吸着吹出機構11ARから分離して運搬することが可能な可搬性を有してなる。本実施の形態に係る光造形装置1においては、係る補助テーブル12の可搬性を利用して、完成後、補助テーブル12に移載された造形物を、補助テーブル12ごと搬送できるようになっている。
エア吸着吹出機構11ARは、例えば、図3に示すように、真空ポンプ(本開示の吸着手段の一例)PP1と圧縮空気ポンプ(本開示のエア供給手段の一例)PP2と切替弁VLV1およびVLV2とを備える。切替弁VLV1およびVLV2はそれぞれ、造形テーブル11および補助テーブル12において真空ポンプPP1による吸着と圧縮空気ポンプPP2によるエアの吹出しとを切り替える切替装置として動作する。コントローラCは、真空ポンプPP1、圧縮空気ポンプPP2、および切替弁VLV1、VLV2を制御し、フィルムの真空吸着/エア浮上を切り替える。
複数の吸着溝11gは互いに独立な複数のゾーンznに分散して設けられ、切替弁VLV1およびVLV2も、それぞれのゾーンznごとに真空ポンプPP1による吸着と圧縮空気ポンプPP2によるエアの吹出しとを切り替えるようになっている。搬送時には造形物のサイズおよび位置に応じて適宜のゾーンznの吸着溝11gが選択的に使用される。なお、図1においては、矩形状の吸着溝11gおよび12gが2次元的に配置されているが、これはあくまで例示であって、ストライプ状など他の配置態様にて複数の吸着溝11gおよび12gが備わる態様であってもよい。
露光ユニット(露光手段の一例)20は、光を照射する一つないし複数のプロジェクタ21を備えた光源である。プロジェクタ21は、レーザ、LEDなどの発光素子を備える。露光ユニット20は、矢印AR3にて示すようにy軸方向に進退自在とされてなる。係る進退動作は、図1においては図示を省略する、左右1対に設けられたリニアモータ20M(図2)により、実現される。
プロジェクタ21は、造形テーブル11上に形成されたスラリー塗布膜に対しパターン露光(投影)を行う要素である。プロジェクタ21による露光は、例えばDMD投影方式にて行われる。すなわち、プロジェクタ21をステップ状にあるいは連続的にy軸方向に移動させつつ投影(露光)パターン(データ)を流し込み、パターンの投影を行うようにする。そして一の方向への移動が完了したプロジェクタ21は、x軸方向に所定距離だけ移動させられ、再びy軸方向を反対向きへと移動しつつ露光を行う。すなわち、本実施の形態においては、所定幅の領域毎に、ストリップ状に露光が実行される。各層において、全ての造形対象エリアについて露光が完了するまで、これらの動作が繰り返される。
より詳細には、プロジェクタ21はy軸方向に対しわずかに傾斜させて配置されており、係る傾斜姿勢のまま移動させられる。それゆえ、本実施の形態に係る光造形装置1において行う方式を特に、傾斜露光方式とも称する。
プロジェクタ21は、造形テーブル11の吐出・露光位置11bから所定のプロジェクタ作動距離(Proj_WD)だけz軸上方に離隔した高さに下端が位置するように、配置されてなる。
なお、図1に示す光造形装置1には、4つのプロジェクタ21(21a~21d)がx軸方向に等間隔に備わっており、これらが同期して露光を行うようになっている。
プロジェクタ21のy軸方向の移動は、露光ユニット20全体が移動することによって実現される。一方、矢印AR4にて示すx軸方向の移動は、x軸移動機構21M(図2)により実現される。x軸移動機構21Mはアクチュエータを備えている。
リコートユニット30は、リコータ(本開示の掃引手段の一例)31と、スラリー吐出ポンプ(本開示の吐出手段の一例)40と、スクリュー42とが一体となったユニットである。リコートユニット30は、矢印AR6にて示すようにy軸方向に進退自在とされてなる。係る進退動作は、図1においては図示を省略する、左右1対に設けられたリニアモータ30M(図2)により、実現される。好ましくは、リニアモータ30Mのガイドレールは、露光ユニット20を移動させるためのリニアモータ20Mと共用される。
リコータ31は、造形テーブル11上に吐出されたスラリーを掃引塗布するブレード状の部材である。リコータ31は、その長手方向をx軸方向に延在させる態様にてリコートユニット30に付設されており、x軸方向のサイズは、造形テーブル11のx軸方向のサイズと略同一となっている。リコータ31は、造形テーブル11と所定の距離を保ちつつリコートユニット30の移動によりy軸方向に移動し、造形テーブル11上に吐出されたスラリーをy軸方向に拡げてスラリー膜を形成する。
使用後のリコータ31は、清掃ユニット(クリーナー)32により清掃される。清掃ユニット32は、リコータ31の一方端側の下方位置に、矢印AR7にて示すように、使用高さ32a、造形時待機高さ32b、待機高さ32cの間を昇降するように配置されている。加えて、清掃ユニット32は、使用高さ32aにおいて、矢印AR8にて示すようにx軸方向に移動自在とされてなる。清掃ユニット32は、ヘラ、ブラシ等を備えたものであってもよいし、他の構成を有するものであってもよい。
リコータ31の使用後、使用高さ32aに配置された清掃ユニット32がリコータ31と接触しつつx軸方向に移動することで、リコータ31に付着(残存)しているスラリーが除去される。これにより、リコータ31は清掃される。
その後、スラリーの塗布が繰り返される場合、清掃ユニット32は造形時待機高さ32bにて待機する。塗布が全て終了した後は、次回の使用時まで、待機高さ32cにて待機する。
矢印AR7にて示す清掃ユニット32のz軸方向の移動は、z軸昇降機構31M1(図2)により実現される。矢印AR8にて示す清掃ユニット32のx軸方向の移動は、x軸移動機構31M2(図2)により実現される。x軸移動機構31M2はアクチュエータを備えている。
スラリー吐出ポンプ40は、内部に造形用のスラリーを貯留し、造形に際して該スラリーを造形テーブル11上に吐出する機能を有するポンプである。スラリー吐出ポンプ40はリコートユニット30の移動によりy軸方句を移動するほか、x軸移動機構40M(図2)により矢印AR9にて示すようにx軸方向に移動可能とされてなる。x軸移動機構40Mはアクチュエータを備えている。
スラリー吐出ポンプ40には、スラリーの吐出動作を担うスクリュー42が付設されてなる。スクリュー42は、スクリュー駆動モータ42Mにて回転させられる。スラリー吐出ポンプ40の内部でスクリュー42が回転することにより、スラリー吐出ポンプ40の下端部からスラリーが吐出される。スクリュー42の回転数に応じてスラリー吐出ポンプ40からのスラリーの吐出量が変化する。なお、スラリー吐出ポンプ40の下端と、造形テーブル11の吐出・露光位置11bとの距離である吐出高さh4は、スラリーの材質等を勘案して適宜に設定される。
さらに、光造形装置1は、フィルムの移動を担う構成要素として、本開示の吸着搬送手段の一例である吸着パッドユニット(吸着キャリア)51と、本開示の把持搬送手段の一例であるフィルムグリッパ52とを備える。
吸着パッドユニット51は、補助テーブル12上にセットされたフィルムを吸着し、造形テーブル11上へ移設するためのフィルム吸着機構である。吸着パッドユニット51は、コントローラCの制御により、常時は露光ユニット20の待機位置の下方に設定された待機位置51a(図3)にて待機し、使用時には、図示しないピン嵌合にて露光ユニット20の下部に合体させられる。そして、露光ユニット20の移動に伴いy軸負方向に移動し、隣接位置12bに移動してきた補助テーブル12のy軸正方向端部の上方位置である吸着位置51bにて、補助テーブル12上のフィルムのy軸正方向端部を吸着させる。係る吸着状態を保ちつつ、露光ユニット20がy軸正方向に移動することにより、吸着パッドユニット51は終端位置51cまで移動し、これによりフィルムは造形テーブル11へと搬送される。
フィルムの吸着および解除は、矢印AR5にて示すように吸着パッドユニット51が上下動することにより行われる。係る上下動は、エアシリンダ51ASにより実現される。なお、駆動のエアは、露光ユニット20に儲けられた図示しないジョイント口から供給される。
フィルムグリッパ52は、完成した造形物を造形テーブル11から補助テーブル12へと搬送する際に使用される、一対のフィルム把持機構である。フィルムグリッパ52は、コントローラCの制御により、常時は、補助テーブル12のx軸方向両側端部であってリコートユニット30の待機位置の下方に設定された待機位置52a(図3)にて待機し、使用時には、図示しないピン嵌合にてリコートユニット30の下部に合体させられる。そして、リコートユニット30の移動に伴いy軸正方向に移動し、造形テーブル11のy軸方向負側の両側端部に設定された把持位置52bにおいて、造形物ともどもエア浮上された状態のフィルムの両端を把持する。係る把持状態を保ちつつ、リコートユニット30がy軸負方向に移動することにより、フィルムおよびその上面に載置されてなる造形物が、補助テーブル12へと搬送される。その際には、圧縮空気ポンプPP2からのエアの供給を受ける吸着溝11gおよび12gが属するゾーンznが、造形物の移動に応じて順次に切り替えられる。すなわち、移動する造形物をエア浮上させるのに必要な吸着溝11gおよび12gのみが、順次にかつ選択的に使用される。
造形物の搬送の際、フィルムの直下に位置しない吸着溝11gおよび12gまたは造形物の直下に位置しない吸着溝11gおよび12gからのエア供給は停止してもよい。これにより、上方にフィルムまたは造形物が存在しない負荷の少ない吸着溝11gおよび12gから多量のエアが吹き出されることを防ぎ、造形物を浮上させるために必要な造形物の直下に位置する吸着溝11gおよび12gから十分なエアの吹き出しを行うことができる。コントローラCは、フィルムの搬送距離に応じてエアを供給するゾーンを決定してもよいし、センサによりフィルムおよび/または造形物の位置を検出し、検出結果に応じてエアを供給するゾーンを決定してもよい。
その他、光造形装置1は、ファンフィルタユニット(FFU)15などをさらに備える。FFU15は、光造形装置1内の清浄度を維持ための機構である。
以上のような構成を有する光造形装置1の各部の動作は全て、コントローラC(図2)により制御される。コントローラCは、汎用のもしくは専用のコンピュータによって実現可能である。
好ましくは、コントローラCは、造形対象の3次元形状データ(CADデータ)をプロジェクタ21による1層ごとのストリップ状の露光に使用可能な投影(露光)パターンデータに変換する造形データ処理部C1を備える。係る造形データ処理部C1にて生成されるスライスデータが順次に、プロジェクタ21によるパターン露光に使用される。
なお、造形データ処理部C1がコントローラCとは別体のコンピュータとして備わる態様であってもよい。
<光造形装置の動作>
図4ないし図6は、光造形装置1において造形物が造形される際の、光造形装置1の一連の動作を示すフローチャートである。図7ないし図21は、光造形装置1における造形途中の様子を模式的に示す側面図である。
まず、各部・ユニットが初期位置(待機位置)へと移動させられる(ステップS1)。具体的には、造形テーブル11、補助テーブル12、露光ユニット20、リコートユニット30が初期位置に配置される。
続いて、図7に示すように、補助テーブル12の上に、作業者がフィルムF(保護シート、あるいは単にシートとも称する)を手作業で載置(積載)する(ステップS2)。フィルムFは、補助テーブル12の全面を覆うように載置される。載置されたフィルムFは、エア吸着吹出機構11ARが複数の吸着溝12gに対し負圧を与えることで、フィルムFは補助テーブル12に真空吸着される。また、フィルムFが載置された補助テーブル12は、図8に示すように、通常位置12aから隣接位置12bへと移動させられる。
フィルムFがセットされると、吸着パッドユニット51がピン嵌合にて露光ユニット20に合体される(ステップS3)。その際、ジョイント接続により露光ユニット20側からエアシリンダ51ASに対しエアが供給される。
続いて、露光ユニット20がy軸負方向へと移動することにより吸着パッドユニット51が吸着位置51bへと移動する(ステップS4)。吸着パッドユニット51はエアシリンダASにて駆動されて下降し、図9に示すように、フィルムFを吸着する(ステップS5)。係る吸着に伴い、補助テーブル12に対するフィルムFの真空吸着は解除される。
吸着パッドユニット51がフィルムFを吸着した状態のまま、露光ユニット20がy軸正方向へと移動する(ステップS6)。これにより、図10に示すように、フィルムFが造形テーブル11上に搬送される。吸着パッドユニット51が終端位置51cまで移動し、フィルムFが造形テーブル11の全体を覆った時点で露光ユニット20は停止する。
係る停止と同時に、エア吸着吹出機構11ARが複数の吸着溝11gに対し負圧を与えることで、フィルムFは造形テーブル11に真空吸着される(ステップS7)。一方、吸着パッドユニット51による吸着は解除される(ステップS8)。
続いて、露光ユニット20は待機位置へと移動させられ、ピン嵌合が解除されることにより吸着パッドユニット51が露光ユニット20から分離される(ステップS9)。併せて、図11に示すように、隣接位置12bにあった補助テーブル12は通常位置12aへと移動させられる(ステップS10)。なお、作業者がフィルムFを直接に造形テーブル11上に載置してもよい。
次に、造形データ処理部C1において造形対象の3次元形状データ(CADデータ)からストリップデータが生成され(ステップS11)、さらには該ストリップデータに基づいて投影(露光)パターンデータが生成される(ステップS12)。ここで、ストリップデータとは、プロジェクタ21がy軸方向への一度の移動で露光を行う領域に対応した、3次元形状データの部分データである。
生成された投影(露光)パターンデータはプロジェクタ21へと転送される(ステップS13)。転送が行われている間(ステップS14でNO)に、スラリーの塗布処理が平行して行われる。
具体的には、補助テーブル12の通常位置12aへの移動(ステップS10)に続いて、フィルムFが吸着固定された造形テーブル11が高さh2の吐出・露光位置11bへと上昇させられる(ステップS15)。
続いて、リコートユニット30がy軸正方向へと移動することで、スラリー吐出ポンプ40が所定のスラリー吐出位置へと移動させられる。スラリー吐出位置は、造形対象物のサイズや面積などに応じて適宜に設定されてよいが、通常は、図12に示すように、造形テーブル11のy軸方向奥側に設定される。係るスラリー吐出位置にて、下端の吐出口44が開状態とされたスラリー吐出ポンプ40がx軸方向に移動しつつ、スクリュー42を必要な回転数にて回転させられることで、所定量のスラリーが造形テーブル11上にライン状に吐出される(ステップS16)。
なお、吐出開始点と吐出終了点の組は一組だけではなく、y軸方向に適宜の間隔Δpを開けて複数組設定されてもよい。そのようなスラリーの吐出態様を、マルチライン吐出と称する。必要な量のスラリーが全て吐出されるまで、吐出動作は行われる(ステップS17)。なお、マルチライン吐出が行われる場合、リコータ31の先端が吐出されたスラリーに触れないように、スラリー吐出ポンプ40の下端とリコータ31の下端との距離が好適に設定されている。
スラリーの吐出が完了すると(ステップS17でYES)、吐出口44はシャッター等により閉状態とされ、次いで、リコートユニット30はリコート開始位置へと移動する(ステップS18)。リコートユニット30の移動に続き、造形テーブル11が、吐出・露光位置11bからリコート位置11cへと上昇させられる(ステップS19)。その際、リコート位置11cとリコータ31の下端との距離は、形成しようとするスラリー膜SLFの厚みに応じた塗布高さh5とされる。なお、リコート開始位置は、通常、リコータ31がスラリーの吐出範囲よりもさらにy軸方向正側に位置するように設定される。
造形テーブル11がリコート位置11cに到達すると、リコートユニット30はy軸負方向へと移動する。これにより、図13に示すように、造形テーブル11上に吐出されていたスラリーがリコータ31にて掃引されて、所定厚みのスラリー膜SLFが形成される(ステップS20)。
リコータ31がy軸方向において所定距離移動することにより、造形テーブル11の所定範囲にスラリー膜SLFが形成されると、リコートユニット30はy軸負方向にさらに移動して、待機位置(リコータ清掃位置)に戻る(ステップS21、ステップS22でNO)。
リコートユニット30が待機位置(リコータ清掃位置)に到達すると(ステップS22でYES)、それまで待機高さ32cにて待機していた清掃ユニット32が、図14に示すように清掃位置(使用高さ32a)まで上昇する(ステップS23)。清掃ユニット32はx軸方向を往復移動し、これによってリコータ31に付着(残存)しているスラリーは掻き落とされる(ステップS24)。すなわち、リコータ31が清掃される。
清掃完了後、清掃ユニット32はx軸方向初期位置へと待避し(ステップS25)、さらには造形時待機高さ32bに待避する(ステップS26)。
一方、リコータ31によるスラリー膜SLFの形成が完了し、リコートユニット30が清掃位置へと移動した後(ステップS22でYES)には、リコータ31の清掃と平行して、プロジェクタ21によるパターン露光が進行する。
具体的にはまず、スラリー膜SLFが形成されてなる造形テーブル11がリコート位置11cから吐出・露光位置11bまで移動させられる(ステップS28)。続いて、露光ユニット20が露光開始位置に配置される(ステップS29)。より詳細には、露光ユニット20はy軸負方向を移動させられ、プロジェクタ21のx軸方向における位置が調整される。
プロジェクタ21が所定の露光開始位置に配置されると、あらかじめ転送済みの露光パターンデータに基づき、露光ユニット20のy軸方向における連続往復移動と、プロジェクタ21のx軸方向におけるステップ移動との組み合わせによって、図15に示すように、スラリー膜SLFが、プロジェクタ21から照射される露光用光ELにて、ストリップ単位に露光される(ステップS30)。
より詳細には、露光ユニット20のy軸方向への一度の移動により1つのストリップについて露光が完了した地点で、露光(描画)対象たるストリップがまだ残っている場合(ステップS31でNO)、次のストリップを対象としたストリップデータの作成(ステップS11)、露光パターンデータの生成(ステップS12)、および露光パターンデータの転送(ステップS13、ステップS14)が行われる。その上で、プロジェクタ21がx軸方向にステップ移動し、露光ユニット20がy軸方向を直近の描画時とは反対向きに移動することによって、新たに生成された露光パターンデータに基づく露光が行われる。
全ストリップについて描画が完了すると(ステップS31でYES)、露光ユニット20は待機位置へと待避する(ステップS32)。その際には、プロジェクタ21も初期位置に移動する。なお、通常は、全ストリップについて描画が完了するまでの時点で、リコータ31の清掃(ステップS24)は完了しており、清掃ユニット32は造形時待機高さ32bへと移動している(ステップS27でYES)。
以降、さらに別の層(スラリー膜SLF)について描画の必要がある場合(ステップS33でNO)、ステップS11以降の処理が繰り返される。つまりは、スラリー膜SLFの形成とパターン露光とが繰り返される。なお、係る場合においてスラリー膜SLFが形成されるのは、直近に露光が行われたスラリー膜SLFの上である。図16は、全ての層の露光が完了することで、未露光部分に埋もれた形で造形物(スラリー膜SLFの積層体LB)が完成した状態を示している。
造形物が完成すると(ステップS33でYES)、未露光部分を除去して造形物を取り出すために、図17に示すように、造形テーブル11が初期位置11aまで下降させられる(ステップS34)。また、併せて、それまで造形時待機高さ32bに位置していた清掃ユニット32が待機高さ32cまで下降する(ステップS35)。
さらに、待機位置52aに位置しているフィルムグリッパ52がピン嵌合にてリコートユニット30に合体される(ステップS36)。続いて、リコートユニット30がy軸正方向へと移動し、フィルムグリッパ52を造形テーブル11のy軸方向負側の両側端部の把持位置52bに配置させる(ステップS37)。フィルムグリッパ52は、係る位置にて、造形テーブル11において造形物の下に敷かれているフィルムFの端部を把持する(ステップS38)。
一方、係る把持と並行して、通常位置12aにて待機していた補助テーブル12が隣接位置12bにまで移動させられる(ステップS39)。これにより、造形物およびフィルムFが載置されてなる造形テーブル11と補助テーブル12とが面一となる。この状態で、エア吸着吹出機構11ARが負圧を与えることによるフィルムFの造形テーブル11に対する真空吸着は解除され、代わって、エア吸着吹出機構11ARは、造形物を浮上させるために必要なゾーンの吸着溝11gさらには吸着溝12gに対し順次にかつ選択的にエアを供給する(ステップS40)。
図18は、係るエア供給が行われている様子を示している。エア吸着吹出機構11ARはまず、コントローラCの制御により、造形物の位置に対応するゾーンの吸着溝11gに対しエアを供給する。エア供給が開始されると、それまで造形テーブル11に接していたフィルムFの裏面がエアにより上向きの力を受け、フィルムFの全部または一部が造形物ともどもわずかに浮き上がる。これにより、フィルムFの全部または一部および造形物は、造形テーブル11と非接触の状態となるので、水平方向に力を加えての搬送が容易となる。なお、図18の例では、まだ造形物が到達していない補助テーブル12の吸着溝12gからのエアの吹き出しは停止されている。
係る非接触状態が実現されたタイミングで、リコートユニット30が移動することによってフィルムグリッパ52がy軸負方向を待機位置52aに向けて移動する。フィルムグリッパ52はエアによって浮き上がっているフィルムFを把持しているので、フィルムグリッパ52の移動に伴い、フィルムFおよびその上の造形物が、造形テーブル11の上から補助テーブル12の上へと移動する(ステップS41)。
図19および図20は、係る移動の様子を示している。図19に示すように、フィルムF上に載置された造形物を搬送する際、コントローラCは、エア吸着吹出機構11ARに、造形物の位置に対応するゾーンの吸着溝11gおよび12gからエアを供給させ、当該ゾーンから外れた吸着溝11gおよび12gからのエアの供給を停止させる。これにより、図20に示すように、造形物をフィルムFの一部または全部とともに造形テーブル11および補助テーブル12から浮上させた状態で搬送が行われる。
フィルムFおよび造形物の補助テーブル12への移動が完了すると、フィルムグリッパ52によるフィルムFの把持が解除される(ステップS42)。続いて、フィルムグリッパ52が合体してなるリコートユニット30はy軸方向を移動させられて待機位置へと戻され(ステップS43)、フィルムグリッパ52のリコートユニット30に対する合体が解除される(ステップS44)。
さらに、造形物がフィルムFともども載置された補助テーブル12は、隣接位置12bから通常位置12aへと戻される。補助テーブル12は、係る通常位置12aにおいて固定部12Fから着脱自在となっており、作業者は、図21に示すように、補助テーブル12を固定部から取り外し、造形物を前記補助テーブル12ごとあらかじめ用意した搬送台CVに移載し、光造形装置1の外部へと搬送する(ステップS45)。これにより、造形物に直接に触れることなく搬送が行えるので、破損等のおそれが低減され、安定的な搬送が可能となる。
以上が、本実施の形態に係る光造形装置1において実現される、造形物の作成とその後の取り出しとの手順である。本実施の形態に係る光造形装置1は特に、大型の造形物を作成する場合であっても、その取り出しが容易かつ確実に行えるようになっている点で特徴的である。
具体的には、造形を行うための造形テーブル11の表面に設けた、真空吸着用の複数の吸着溝に対し、エアを供給可能としてなる。また、造形テーブル11とは別に、造形物の取り出し口として補助テーブル12を設け、係る補助テーブル12においても、造形テーブル11と同様にエアを供給可能としてなる。これにより、大型化、大面積化した造形物であっても、エアにて浮上させ、造形テーブル11および補助テーブル12と非接触とすることができるので、その下に敷いたフィルムを把持しての造形物の水平搬送(移載)が容易となる。
加えて、補助テーブル12は、固定部12Fから着脱自在に設けられてなる。換言すれば、補助テーブル12は、それ自体に可搬性を有する。それゆえ、造形テーブル11から移載された造形物を、補助テーブル12ごと外部へと搬送することができる。これにより、造形物に接触することなく搬送が行えるので、破損等のおそれが低減された安定的な搬送が可能となる。
<他の実施の形態>
上述した実施の形態では、光硬化性樹脂にセラミック粉体を混錬したスラリーを用いた。これに代えて、セラミック粉体を含まない光硬化性樹脂のみのスラリーを用いてもよいし、セラミック粉体に代えて金属粉体などの他の材料を含むスラリーを用いてもよい。
上述した実施の形態では、造形テーブル11および補助テーブル12の複数のエア供給口として複数の吸着溝11g、12gを用いた。これに代えて、複数の吸着溝11g、12gとは別に造形テーブル11および/または補助テーブル12に設けられた溝部または複数の孔を複数のエア供給口として用いてもよい。この場合、複数のエア供給口にエア吸着吹出機構11ARの圧縮空気ポンプが接続される。また、造形テーブル11および/または補助テーブル12において、真空吸着(およびエア供給)のための複数の吸着溝11g、12gに代えて複数の吸着孔を用いてもよい。また、補助テーブル12に別途複数のエア供給口があれば、複数の吸着溝11gは無くてもよい。
上述した実施の形態では、フィルムを造形テーブル11に吸着固定した。これに代えて、フィルムの両端をグリッパで把持して下方に引っ張ることにより造形テーブル11に固定してもよい。
上述した実施の形態では、搬送手段として、吸着パッドユニット51およびフィルムグリッパ52を含む搬送装置(キャリア)を用いた。これに代えて、他の構成の保持装置(ホルダー)を備えた搬送装置を用いてもよい。また、搬送装置がフィルム搬送用のアクチュエータを備えていてもよい。また、上述した実施の形態において、補助テーブル12に載置されたフィルムをグリッパで把持した状態で造形テーブル11に搬送してもよい。また、造形テーブル11に載置されたフィルムを吸着パッドで吸着した状態で補助テーブル12に搬送してもよい。
上述した実施の形態では、露光手段として、プロジェクタ21を備えた光源である露光ユニット20を用いた。これに代えて、ガルバノミラーを用いたレーザスキャニング、液晶シャッター等の他の光源を用いてもよい。
1 光造形装置
11 造形テーブル
11g、12g 吸着溝
12 補助テーブル
12F (補助テーブルの)固定部
20 露光ユニット
21 プロジェクタ
30 リコートユニット
31 リコータ
32 清掃ユニット
40 スラリー吐出ポンプ
42 スクリュー
42M スクリュー駆動モータ
51 吸着パッドユニット
52 フィルムグリッパ
F フィルム
LB 積層体
SLF スラリー膜

Claims (11)

  1. 3次元造形物を得るための光造形装置であって、
    上面に複数のエア供給口を有する造形テーブルと、
    上面に複数のエア供給口を有する補助テーブルと、
    前記造形テーブルに載置されたフィルムの上にスラリーを吐出可能な吐出手段と、
    前記フィルムの上に吐出された前記スラリーを掃引し、所定の厚みのスラリー膜を形成する掃引手段と、
    3次元形状データに基づいてあらかじめ作成された露光パターンに従って前記スラリー膜を露光する露光手段と、
    前記造形テーブルに載置された前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送可能な搬送手段と、
    前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの前記複数のエア供給口を介してエアを供給可能なエア供給手段と、
    少なくとも前記搬送手段および前記エア供給手段を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段が、
    前記搬送手段に、それぞれが露光済みの前記スラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物が前記フィルム上に載置されている状態で、前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送させ、
    前記複数のエア供給口のうち前記エア供給手段からの前記エアの供給に使用されるエア供給口を、前記搬送手段による造形物の移動状態に応じて順次に切り替えさせることにより、
    前記造形物を、前記フィルムの一部または全部とともに前記造形テーブルおよび前記補助テーブルから浮上させた状態で前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送する、
    ことを特徴とする、光造形装置。
  2. 請求項1に記載の光造形装置であって、
    前記補助テーブルを着脱自在に支持する固定部を更に備え、
    前記補助テーブルは、前記造形物および前記フィルムが載置された状態で前記固定部から取り外して搬送可能とされてなる、
    ことを特徴とする光造形装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の光造形装置であって、
    前記造形テーブルに前記フィルムを吸着固定可能な吸着手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記吸着手段を制御して、前記吸着手段に、少なくとも前記スラリーの掃引の間、前記フィルムを前記造形テーブルに吸着固定させる、
    ことを特徴とする光造形装置。
  4. 請求項3に記載の光造形装置であって、
    前記吸着手段は、前記造形テーブルの前記複数のエア供給口に接続され、当該複数のエア供給口に負圧を与えることによって前記フィルムを吸着固定可能なことを特徴とする、光造形装置。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の光造形装置であって、
    前記制御手段は、前記搬送手段が前記フィルム上に載置された前記造形物を搬送する際、前記エア供給手段に、前記造形物の位置に対応するゾーンのエア供給口から前記エアを供給させ、前記ゾーンから外れたエア供給口からの前記エアの供給を停止させる、
    ことを特徴とする光造形装置。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の光造形装置であって、
    前記搬送手段は、前記補助テーブルに載置されたフィルムを吸着して前記造形テーブルに搬送可能な吸着搬送手段を含み、
    前記吸着搬送手段が前記露光手段に対しピン嵌合にて合体可能とされてなり、前記吸着搬送手段が前記露光手段に合体した状態で前記露光手段を移動させることにより、前記吸着搬送手段が移動する、
    ことを特徴とする、光造形装置。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の光造形装置であって、
    前記搬送手段は、前記フィルムを把持して搬送する把持搬送手段を含み、
    前記把持搬送手段が前記掃引手段に対しピン嵌合にて合体可能とされてなり、前記把持搬送手段が前記掃引手段に合体した状態で前記掃引手段を移動させることにより、前記把持搬送手段が移動する、
    ことを特徴とする、光造形装置。
  8. 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の光造形装置であって、
    前記露光手段が、DMD露光を行う、
    ことを特徴とする、光造形装置。
  9. 3次元造形物の製造方法であって、
    上面に複数のエア供給口を有する造形テーブルに載置されたフィルムの上にスラリーを吐出する吐出工程と、
    前記フィルムの上に吐出された前記スラリーを掃引し、所定の厚みのスラリー膜を形成する掃引工程と、
    3次元形状データに基づいてあらかじめ作成された露光パターンに従って前記スラリー膜を露光する露光工程と、
    それぞれが露光済みの前記スラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物が載置されている前記フィルムを前記造形テーブルから上面に複数のエア供給口を有する補助テーブルへと搬送することにより、前記造形物を搬送する搬送工程と、
    を備え、
    前記搬送工程においては、前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの複数のエア供給口のうち前記フィルムの裏面に対前記エア供給するエア供給口を、前記造形物の移動状態に応じて順次に切り替えることにより、前記造形物を、前記フィルムの一部または全部とともに前記造形テーブルおよび前記補助テーブルから浮上させた状態で前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送する、
    ことを特徴とする、3次元造形物の製造方法。
  10. 請求項9に記載の3次元造形物の製造方法であって、
    少なくとも前記掃引工程の間、前記フィルムを前記造形テーブルに吸着固定させる、
    ことを特徴とする3次元造形物の製造方法。
  11. 3次元造形物を得るための光造形装置であって、
    上面に複数のエア供給口を有する造形テーブルと、
    上面に複数のエア供給口を有する補助テーブルと、
    前記造形テーブルに載置されたフィルムの上にスラリーを吐出可能な吐出手段と、
    前記フィルムの上に吐出された前記スラリーを掃引し、所定の厚みのスラリー膜を形成する掃引手段と、
    3次元形状データに基づいてあらかじめ作成された露光パターンに従って前記スラリー膜を露光する露光手段と、
    前記造形テーブルに載置された前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送可能な搬送手段と、
    前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの前記複数のエア供給口を介してエアを供給可能なエア供給手段と、
    少なくとも前記搬送手段および前記エア供給手段を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記搬送手段は、前記補助テーブルに載置されたフィルムを吸着して前記造形テーブルに搬送可能な吸着搬送手段を含み、
    前記制御手段が、
    前記搬送手段に、それぞれが露光済みの前記スラリー膜である複数のスラリー膜の積層体である造形物が前記フィルム上に載置されている状態で、前記フィルムを前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送させ、
    前記エア供給手段に、前記造形テーブルおよび前記補助テーブルの前記複数のエア供給口を介した前記エアの供給を、前記搬送手段による搬送状態に応じて選択的に行わせることにより、
    前記造形物を、前記フィルムの一部または全部とともに前記造形テーブルおよび前記補助テーブルから浮上させた状態で前記造形テーブルから前記補助テーブルへと搬送する、
    ことを特徴とする、光造形装置。
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