JP7087430B2 - 三次元造形物の製造方法および三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法および三次元造形装置に関する。

特許文献１には、熱可塑性樹脂を吐出する造形ヘッドと、造形ヘッドから吐出された熱可塑性樹脂を保持する造形テーブルと、硬化した熱可塑性樹脂から形成された三次元造形物の表面を加工する加工ヘッドとを備えた、熱溶解積層法（ＦＤＭ）の三次元造形装置が開示されている。

特開２０１７－１００２８３号公報

特許文献１の三次元造形物の製造方法では、造形ヘッドから吐出された溶融した熱可塑性樹脂が冷えて硬化する際に、収縮によって反りが生じる場合がある。反りが生じると、所望の寸法精度の三次元造形物が得られない場合がある。反りを抑制するために、造形テーブルを調温した場合には、三次元造形装置が大型化する。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、三次元造形物の製造方法が提供される。この三次元造形物の製造方法は、材料塊を切削して、上方に突き出した被積層部を有する底面部を作成する第１工程と；前記被積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層して、前記被積層部に接する第１積層部を作成する第２工程と；を有する。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、被積層部の上方に積層した溶融材料は底面部に熱を奪われにくくなるため、積層した溶融材料と底面部との溶着強度が大きくなる。このため、積層した溶融材料が冷えて硬化する際に収縮しても、底面部から剥がれにくくなり、三次元造形物に反りが生じることを抑制できる。

（２）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記第２工程では、前記被積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層した後に、硬化した前記溶融材料を切削して、前記第１積層部を作成してもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、溶融材料を積層した後に、硬化した溶融材料を切削して整えるため、寸法精度よく三次元造形物を作成できる。

（３）上記形態の三次元造形物の製造方法は、前記第２工程の後に、前記第１積層部の上方に一層または複数層、溶融材料を積層する工程と、硬化した前記溶融材料を切削する工程とを繰返し行い、前記第１積層部に接する第２積層部を作成する第３工程を有してもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、溶融材料の積層と硬化した溶融材料の切削とを繰り返すことによって、大きな三次元造形物を作成することができる。

（４）上記形態の三次元造形物の製造方法は、前記第１工程に先立ち、前記材料塊を吸引によって造形台に固定する工程を有してもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、底面部が造形台に固定されて、底面部の変形が抑制されるため、三次元造形物に反りが生じることを抑制できる。

（５）上記形態の三次元造形物の製造方法は、溶融材料を積層して、前記材料塊を作成する工程を有してもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、底面部と第１積層部と第２積層部とを同じ材料によって作成することができるため、材料の組成のばらつきを抑制できる。このため、材料の組成を揃えることができ、三次元造形物に反りが生じることをより抑制できる。

（６）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記第２工程は、フラットスクリューによって材料を前記溶融材料に転化させる工程を含んでもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、小さなフラットスクリューを用いて材料を溶融材料に転化させることができる。このため、小型な三次元造形装置を用いて三次元造形物の製造を行うことができる。

（７）本発明の第２の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、溶融材料を積層する造形ヘッドと；硬化した前記溶融材料を切削する切削ヘッドと；前記造形ヘッドと前記切削ヘッドとを制御して、三次元造形物を作成する制御部と；を備える。前記制御部は、材料塊を切削して、上方に突き出した被積層部を有する底面部を作成する第１制御と；前記被積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層して、前記被積層部に接する第１積層部を作成する第２制御と；を実行して、前記三次元造形物を作成する。
この形態の三次元造形装置によれば、ヒーター等を用いて造形台を調温しなくても、三次元造形物の反りを抑制できる。このため、三次元造形装置の小型化を図ることができる。

（８）上記形態の三次元造形装置において、前記造形ヘッドは、前記溶融材料を吐出するための開口を有するノズルと、前記開口に連通する連通孔と、ヒーターとを有するスクリュー対面部と、前記スクリュー対面部と対向する位置に溝部を有し、前記ヒーターによる加熱とともに回転によって材料を前記溶融材料に転化させ、前記連通孔を介して前記ノズルに前記溶融材料を供給するフラットスクリューとを備えてもよい。
この形態の三次元造形装置によれば、フラットスクリューを用いることによって造形ヘッドを小さくすることができる。そのため、三次元造形装置の小型化を図ることができる。

本発明は、上述した三次元造形物の製造方法や三次元造形装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、三次元造形方法等の形態で実現することができる。

三次元造形装置の概略構成を示す説明図。 造形ヘッドの概念図。 フラットスクリューの斜視図。 スクリュー対面部の平面図。 三次元造形物の製造方法を示す工程図。 積層された溶融材料の収縮を示す説明図。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態における三次元造形装置５の概略構成を示す説明図である。本実施形態での三次元造形装置５は、造形台１００と、移動機構２００と、造形ヘッド３００と、切削ヘッド４００と、制御部５００とを備えている。図１には、互いに垂直な３つの方向Ｘ，Ｙ，Ｚが示されている。Ｘ方向とＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。他の図においても必要に応じてこれらの方向を図示している。

溶融材料の積層や切削によって三次元造形物ＯＢの作成が行われる造形台１００の周囲には、移動機構２００が設けられている。移動機構２００には、造形ヘッド３００と切削ヘッド４００とが設けられている。移動機構２００は、造形ヘッド３００および切削ヘッド４００を、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向の３軸方向に移動させることが可能な３軸ポジショナーである。移動機構２００は、造形ヘッド３００および切削ヘッド４００と造形台１００との相対的な位置関係を変更する機能を有する。移動機構２００を用いて造形ヘッド３００および切削ヘッド４００と造形台１００との相対的な位置関係を変更することにより、任意の形状の三次元造形物ＯＢを製造できる。本実施形態では、移動機構２００は、造形ヘッド３００および切削ヘッド４００を三次元的に移動させているが、移動機構２００としては、造形台１００を三次元的に移動させる機構を採用してもよい。或いは、造形ヘッド３００および切削ヘッド４００と造形台１００の一方を１軸又は２軸方向に移動させ、他方を残りの軸方向に移動させる移動機構を採用してもよい。

造形ヘッド３００は、ノズル６０から溶融材料を吐出して三次元造形物ＯＢの積層を行う。造形ヘッド３００の詳細な構成については、後述する（図２参照）。

切削ヘッド４００は、回転軸に取り付けられた切削工具４１０を回転させて三次元造形物ＯＢの切削を行う。切削ヘッド４００は、切削工具４１０の先端位置が測定可能に構成されており、制御部５００が切削ヘッド４００と移動機構２００とを制御することによって、切削工具４１０と三次元造形物ＯＢとの相対的な位置関係は制御される。本実施形態では、三次元造形装置５は、種々の切削工具４１０が格納された工具マガジン４５０を備えている。切削工具４１０としては、例えば、フラットエンドミル、ボールエンドミル等である。三次元造形装置５は、自動工具交換機能を有しており、切削ヘッド４００の回転軸に取付けられた切削工具４１０は、制御部５００によって、工具マガジン４５０に格納された工具と用途に応じて交換される。尚、三次元造形装置５は、複数の切削ヘッドを備えてもよい。この場合、それぞれの切削ヘッドが独立して駆動できるように設けられることによって、三次元造形物ＯＢの形状に起因して切削工具が届きにくい範囲を減らすことができる。切削ヘッド４００は、イオナイザー等の除電器を備えてもよい。

制御部５００は、移動機構２００と造形ヘッド３００と切削ヘッド４００との制御を実行する。制御部５００は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサーと、メインメモリーと、不揮発性メモリーとを含むコンピューターで実現可能である。制御部５００内の不揮発性メモリーには、三次元造形装置５を制御するためのコンピュータープログラムが格納されている。制御部５００は、このコンピュータープログラムを実行することにより、後述する第１工程と、第２工程と、第３工程とを含む、三次元造形物の製造方法を実現する（図５参照）。

図２は、造形ヘッド３００の概念図である。造形ヘッド３００は、駆動モーター３０と、可塑化部９０と、ノズル６０とを有する。可塑化部９０は、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０とを有する。フラットスクリュー４０は、スクリューケース１０内に収納されており、駆動モーター３０により回転する。スクリュー対面部５０は、スクロール溝形成面４８（図３参照）に対面しており、中心に連通孔５６が形成されている。スクリュー対面部５０は、内部にヒーター５８を有する。可塑化部９０は、フラットスクリュー４０の回転とヒーター５８による加熱によりフラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間に供給された材料を可塑化して溶融材料に転化させる。溶融材料は、連通孔５６からノズル６０に供給される。ノズル６０は、連通孔５６から供給された溶融材料を射出する。ノズル６０の先端部の開口は、ノズル孔径Ｄｎを有する。「可塑化」とは、材料に熱が加わり溶融することを意味する。

可塑化部９０には、連通路２２を介して、ホッパー２０から材料が供給される。ホッパー２０には、熱可塑性の材料が投入される。材料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等を使用可能である。また、材料の形状としては、ペレットや粉末等の固体材料を使用可能である。また、熱可塑性の材料とは、熱可塑性の材料とその他の成分を含む組成物であってもよい。

図３は、フラットスクリュー４０の斜視図である。フラットスクリュー４０は、軸線方向の高さが直径よりも小さい略円柱状のスクリューである。フラットスクリュー４０は、スクリュー対面部５０（図２参照）に対向する面に、複数のスクロール溝４２を有する。スクロール溝４２が形成されている面を、「スクロール溝形成面４８」（溝部）と呼ぶ。スクロール溝４２は、スクロール溝形成面４８の中央部４６に向かって、フラットスクリュー４０の外周から渦巻状又は螺旋状に形成されている。スクロール溝４２の深さは、フラットスクリュー４０の外周側に向かうほど深くなっている。ただし、スクロール溝４２の一部（例えば、中央部４６付近の部分）の深さは一定であってもよい。フラットスクリュー４０の側面４３には、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間に材料を受け入れるための材料流入口４４が複数形成されている。材料流入口４４は、スクロール溝４２に連続している。材料流入口４４には、ホッパー２０から連通路２２を介して材料が供給される。

スクロール溝４２は、径方向内側に位置する内側壁４２１と、径方向外側に位置する外側壁４２２と、底壁４２３とにより画定されている。内側壁４２１および外側壁４２２は、例えば、フラットスクリュー４０の回転中心と同心の円を基準とするインボリュート曲線に基づいてそれぞれの形状が設定されている。スクロール溝４２内に供給された材料は、フラットスクリュー４０が回転することにより、外側壁４２２側から内側壁４２１側に向かって誘導される。また、フラットスクリュー４０が回転すると、材料は、スクロール溝４２とスクリュー対面部５０との間において混練されるとともにヒーター５８によって加熱されることにより可塑化され、溶融材料に転化される。

図４は、スクリュー対面部５０の平面図である。スクリュー対面部５０は、フラットスクリュー４０のスクロール溝形成面４８に対向するスクリュー対向面５２を有する。スクリュー対向面５２には、渦巻状又は螺旋状に形成された複数の案内溝５４が形成されている。スクリュー対向面５２の中心には、溶融材料をノズル６０に供給するための連通孔５６が形成されている。複数の案内溝５４は、溶融材料を連通孔５６に導く機能を有する。図２に示したように、スクリュー対面部５０には、材料を加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。

溶融材料は、そのガラス転移点以上に加熱されて完全に溶融した状態でノズル６０から射出される。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１１０℃であり、ノズル６０からの射出時には約２００℃となる。このように高温の状態で溶融材料を射出するために、ノズル６０の周囲にヒーターを設けるようにしてもよい。

図５は、本実施形態における三次元造形物の製造方法を示す工程図である。本実施形態における三次元造形物の製造方法は、準備工程と、第１工程と、第２工程と、第３工程と、仕上げ工程とを有し、この順で三次元造形物の作成が行われる。

まず、第１工程に先立つ準備工程において、造形台１００に、材料塊９００を固定する。本実施形態では、造形台１００の上に接着テープやワックス等の接着層９０５を設け、接着層９０５の上に材料塊９００を固定する。造形台１００に吸引穴と真空ポンプを設けて、材料塊９００を造形台１００側から吸引することによって造形台１００の上に材料塊９００を固定してもよい。材料塊９００は、準備工程に先立ち、造形ヘッド３００を用いて、溶融材料を積層することによって作成してもよい。材料塊９００は、造形ヘッド３００を用いて、溶融材料を積層した後に、硬化した溶融材料を切削して整えることによって作成してもよい。また、材料塊９００は、別の三次元造形装置によって作成された後に造形台１００に固定されてもよいし、造形ヘッド３００を用いて造形台１００の上に直接積層されることによって作成されてもよい。尚、本明細書において、「整える」とは、所望の三次元造形物ＯＢが得られるように、積層されて硬化した溶融材料を加工することを意味し、例えば、意図せずにノズル６０から垂れて、作成中の三次元造形物ＯＢに付着して硬化した溶融材料を除去することや、作成中の三次元造形物ＯＢを所望の寸法に加工することや、作成中の三次元造形物ＯＢの表面粗さが所望の表面粗さとなるように加工することを意味する。

次に、第１工程において、制御部５００は、切削ヘッド４００を用いて、造形台１００に固定された材料塊９００を切削して、底面部９０１を作成する第１制御を行う。底面部９０１は、基部９１０と、基部９１０の上方に突き出した被積層部９２０とを有する。

第１工程の後に行われる第２工程において、制御部５００は、造形ヘッド３００を用いて、被積層部９２０の上方に、一層または複数層、溶融材料を三次元造形物ＯＢの形状に従って積層して、被積層部９２０に接する第１積層部９３０を作成する第２制御を行う。尚、第２工程において、制御部５００は、被積層部９２０の上方に、一層または複数層、溶融材料を三次元造形物ＯＢの形状に従って積層した後に、硬化した溶融材料を切削して整えて、第１積層部９３０を作成してもよい。

第２工程の後に行われる第３工程において、制御部５００は、造形ヘッド３００を用いて、第１積層部９３０の上方に、一層または複数層、溶融材料を三次元造形物ＯＢの形状に従って積層する工程と、硬化した溶融材料を切削して整える工程とを繰返し行い、第１積層部９３０に接する第２積層部９４０を作成する第３制御を行う。

その後、仕上げ工程において、制御部５００は、切削ヘッド４００によって、積層された三次元造形物ＯＢの完成形を含む形状の表面仕上げを行い、基部９１０の余肉を切除する。仕上げ工程の後、三次元造形物ＯＢの完成形状を含む形状を造形台１００から剥離し、溶融材料の積層を行うにあたって支持材を用いた場合には、支持材の切除等を行うことによって、三次元造形物ＯＢの完成形が得られる。

本実施形態では、造形ヘッド３００がフラットスクリュー４０を有しているため、第２工程や第３工程には、溶融材料を三次元造形物ＯＢの形状に従って積層するにあたって、フラットスクリュー４０によって材料を溶融材料に転化させる工程が含まれる。尚、三次元造形物ＯＢの形状によっては、第３工程を省略してもよい。例えば、高さが低い三次元造形物ＯＢを作成する場合は、第３工程を行わなくとも、所望の三次元造形物ＯＢを得ることは可能である。

図６は、溶融材料が積層後に冷えて収縮する様子を示す説明図である。被積層部９２０を設けずに、溶融材料を基部９１０の上に直接積層した場合には、積層した溶融材料は、基部９１０に熱を奪われやすいため、積層した溶融材料と底面部９０１との溶着部における溶着強度は小さい。溶融材料は、冷えて硬化する際に収縮するため、溶着部には収縮による応力が生じる。この溶着部に生じる応力は、積層を続けるごとに増加していき、溶着強度を上回ると、溶着部が剥がれて反りが生じる。これに対して、本実施形態のように、基部９１０の上に被積層部９２０を設けて、溶融材料を被積層部９２０の上に積層した場合には、積層した溶融材料は、基部９１０に熱を奪われにくくなり、積層した溶融材料と底面部９０１との溶着部における溶着強度は大きくなる。そのため、積層を続けても溶着部が剥がれにくくなり、反りが抑制される。

以上で説明した本実施形態の三次元造形物の製造方法によれば、第１工程において、切削によって基部９１０の上に被積層部９２０を有する底面部９０１を作成し、その後の第２工程において、被積層部９２０の上方に溶融材料を積層することによって、積層した溶融材料は基部９１０に熱を奪われにくい。このため、積層した溶融材料と被積層部９２０との溶着強度が大きくなり、積層した溶融材料が被積層部９２０から剥がれにくくなって、三次元造形物ＯＢに反りが生じることを抑制できる。

また、本実施形態では、第１工程に先立ち、基部９１０が造形台１００に固定されて密着される。このため、基部９１０の変形が抑制され、三次元造形物ＯＢに反りが生じることを抑制できる。

また、本実施形態では、材料塊９００を三次元造形装置５によって作成することによって、基部９１０と被積層部９２０と第１積層部９３０と第２積層部９４０とを同じ材料によって作成することができるため、材料の組成のばらつきを抑制できる。このため、材料の組成を揃えることができ、三次元造形物ＯＢに反りが生じることをより抑制できる。

また、本実施形態では、小さいフラットスクリュー４０を有する造形ヘッド３００によって溶融材料の積層を行う。このため、小型な三次元造形装置５を用いて三次元造形物ＯＢの製造を行うことができる。

また、本実施形態では、ヒーター等を用いて造形台１００を調温しなくても、三次元造形物ＯＢの反りを抑制できる。このため、三次元造形装置５の小型化を図ることができる。

Ｂ．他の実施形態
第１実施形態の三次元造形装置５では、造形ヘッド３００は、フラットスクリュー４０を有している。これに対して、造形ヘッド３００は、フラットスクリュー４０を有しておらず、通常のＦＤＭ方式（熱融解積層方式）による造形ヘッド３００であってもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

５…三次元造形装置、１０…スクリューケース、２０…ホッパー、２２…連通路、３０…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…スクロール溝、４３…側面、４４…材料流入口、４６…中央部、４８…スクロール溝形成面、５０…スクリュー対面部、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…ノズル、９０…可塑化部、１００…造形台、２００…移動機構、３００…造形ヘッド、４００…切削ヘッド、４１０…切削工具、４２１…内側壁、４２２…外側壁、４２３…底壁、４５０…工具マガジン、５００…制御部、９００…材料塊、９０１…底面部、９０５…接着層、９１０…基部、９２０…被積層部、９３０…第１積層部、９４０…第２積層部、Ｄｎ…ノズル孔径、ＯＢ…三次元造形物。

Claims (8)

1. 三次元造形物の製造方法であって、
   材料塊を切削して、基部と、前記基部から上方に突き出した被積層部とを有する底面部を作成する第１工程と、
   前記被積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層して、前記被積層部に接する第１積層部を作成する第２工程と、
   を有する三次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第２工程では、前記被積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層した後に、硬化した前記溶融材料を切削して、前記第１積層部を作成する、
   三次元造形物の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第２工程の後に、前記第１積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層する工程と、硬化した前記溶融材料を切削する工程とを繰返し行い、前記第１積層部に接する第２積層部を作成する第３工程と、
   を有する三次元造形物の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第１工程に先立ち、前記材料塊を吸引によって造形台に固定する工程を有する、
   三次元造形物の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   溶融材料を積層して、前記材料塊を作成する工程を有する、
   三次元造形物の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第２工程では、造形ヘッドを用いて前記溶融材料を積層し、
   前記造形ヘッドは、
   前記溶融材料を吐出するための開口を有するノズルと、
   前記開口に連通する連通孔と、ヒーターとを有するスクリュー対面部と、
   前記スクリュー対面部と対向する位置に溝部を有し、前記ヒーターによる加熱とともに回転によって材料を前記溶融材料に転化させ、前記連通孔を介して前記ノズルに前記溶融材料を供給するフラットスクリューと、を備える、
   三次元造形物の製造方法。
7. 三次元造形装置であって、
   溶融材料を積層する造形ヘッドと、
   硬化した前記溶融材料を切削する切削ヘッドと、
   前記造形ヘッドと前記切削ヘッドとを制御して、三次元造形物を作成する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   材料塊を切削して、基部と、前記基部から上方に突き出した被積層部とを有する底面部を作成する第１制御と、
   前記被積層部の上方に、一層または複数層、溶融材料を積層して、前記被積層部に接する第１積層部を作成する第２制御と、
   を実行して、前記三次元造形物を作成する、
   三次元造形装置。
8. 請求項７に記載の三次元造形装置であって、
   前記造形ヘッドは、
   前記溶融材料を吐出するための開口を有するノズルと、
   前記開口に連通する連通孔と、ヒーターとを有するスクリュー対面部と、
   前記スクリュー対面部と対向する位置に溝部を有し、前記ヒーターによる加熱とともに回転によって材料を前記溶融材料に転化させ、前記連通孔を介して前記ノズルに前記溶融材料を供給するフラットスクリューと、
   を備える三次元造形装置。

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