JP7172368B2 - 三次元造形装置、および、三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態における三次元造形装置100の構成を示す概略図である。図1には、互いに直交するX,Y,Z方向を示す矢印が示されている。矢印Xが示すX方向および矢印Yが示すY方向は、水平面に平行な方向である。矢印Zが示すZ方向は、鉛直方向とは反対の方向である。鉛直方向は、重力方向と言い換えてもよい。X,Y,Z方向を示す矢印は、他の参照図においても、図1と対応するように適宜、図示してある。
図6は、第2実施形態における造形工程のフローを示す説明図である。第2実施形態の造形工程で用いられる造形装置の構成は、温度調整部115が、造形面111を加熱および冷却するように構成されている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。第2実施形態では、温度調整部115は、例えば、加熱のための熱流体や、冷却のための液体窒素などの冷媒が流れる熱交換チューブによって構成される。他の実施形態では、温度調整部115は、ペルチェ素子によって構成されてもよい。なお、第2実施形態では、材料MRは、熱可塑性樹脂を含むものには限定されない。ただし、造形物を構成したときに、冷却により熱収縮しやすい材料であることが望ましい。
図7は、第3実施形態の造形装置が備える造形ステージ110aの造形面111側を示す概略図である。第3実施形態の造形装置の構成は、造形ステージ110の代わりに第3実施形態の造形ステージ110aを備えている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。
図9は、第4実施形態の造形装置が備える造形ステージ110bの造形面111側を示す概略図である。第4実施形態の造形装置の構成は、造形ステージ110の代わりに第4実施形態の造形ステージ110bを備えている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。第4実施形態の造形ステージ110bの構成は、造形材料が堆積される領域に、複数の穴部112の代わりに、複数の溝部113が設けられている点以外は、第3実施形態の造形ステージ110aの構成とほぼ同じである。
図11は、第5実施形態の造形装置が備える造形ステージ110cを示す概略断面図である。第5実施形態の造形装置の構成は、造形ステージ110の代わりに第5実施形態の造形ステージ110cを備えている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。第5実施形態の造形ステージ110cの構成は、造形面111に、被覆層117が設けられている点以外は、第3実施形態の造形ステージ110aの構成とほぼ同じである。
図12は、第6実施形態の造形装置が備える造形ステージ110dを示す概略断面図である。第6実施形態の造形装置の構成は、造形ステージ110の代わりに第6実施形態の造形ステージ110dを備えている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。第6実施形態の造形ステージ110dの構成は、造形面111に、第5実施形態で説明したのと同様な被覆層117が設けられている点以外は、第4実施形態の造形ステージ110bの構成とほぼ同じである。
図13は、第7実施形態の造形装置が備える造形ステージ110eを示す概略断面図である。第7実施形態の造形装置の構成は、造形ステージ110の代わりに第7実施形態の造形ステージ110eを備えている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。第7実施形態の造形ステージ110eの構成は、被覆層117が設けられている領域が異なっている点以外は、図11に示した第5実施形態の造形ステージ110cの構成とほぼ同じである。第7実施形態では、第1実施形態と同様に、図5に示す造形工程のフローによって造形物が造形される。
図14は、第8実施形態の造形装置が備える造形ステージ110fを示す概略断面図である。第8実施形態の造形装置の構成は、造形ステージ110の代わりに第8実施形態の造形ステージ110fを備えている点以外は、図1に示した第1実施形態の造形装置100の構成とほぼ同じである。第8実施形態の造形ステージ110fの構成は、被覆層117が設けられている領域が異なっている点以外は、図12に示した溝部113を有する第6実施形態の造形ステージ110dの構成とほぼ同じである。第8実施形態では、第1実施形態と同様に、図5に示す造形工程のフローによって造形物が造形される。
図15は、第9実施形態の造形装置100gが備える冷却部70を示す概略図である。第9実施形態の造形装置100gの構成は、冷却部70が追加されている点以外は、第1実施形態の造形装置100とほぼ同じである。冷却部70は、造形ステージ110より上方に設けられており、制御部101の制御下において、造形ステージ110上に造形された造形物OBを冷却する。冷却部70は、例えば、送風ファンによって構成される。
図16は、第10実施形態の造形装置100hを示す概略図である。第10実施形態の造形装置100hの構成は、造形ステージ110aの代わりに、造形ステージ110hを備えている点と、溶解部75が追加されている点以外は、図1に示す第1実施形態の造形装置100とほぼ同じである。ただし、図16では、第10実施形態の造形装置100hが備える溶解部75と造形ステージ110h以外の構成部の図示は、便宜上、省略されている。第10実施形態の造形ステージ110hは、温度調整部115が省略されている点と、穴部112が貫通穴として構成されている点以外は、第3実施形態の造形ステージ110cの構成とほぼ同じである。
図18は、第11実施形態の造形装置100iを示す概略図である。第10実施形態の造形装置100iの構成は、造形ステージ110hの代わりに、第11実施形態の造形ステージ110iを備えている点以外は、第10実施形態の造形装置100hとほぼ同じである。第11実施形態の造形ステージ110iの構成は、穴部112の代わりに第4実施形態で説明したのと同様な溝部113が設けられている点以外は、第10実施形態の造形ステージ110hとほぼ同じである。
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように変更することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態や上記の各実施形態中で他の実施形態として説明した構成と同様、本開示の技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。
上記第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、および、第8実施形態の造形装置において、温度調整部115は、第2実施形態で説明したように造形物を冷却してもよい。このようにしても、造形物の造形ステージ110a,110b,110c,110d,110e,110fに接している部位の熱収縮によって、造形面111に対する造形物の密着性を低下させることができる。よって、造形ステージ110a,110b,110c,110d,110e,110fからの造形物の分離を容易におこなうことができる。特に、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、および、第8実施形態の造形ステージ110c,110d,110e,110fであれば、温度調整部115によって、造形物の被覆層117に接している部位を効率よく短時間で冷却することができる。
図19および図20はそれぞれ、他の実施形態としての温度調整部115jを有する造形ステージ110a,110bを示す概略断面図である。上記第3実施形態、第4実施形態において、造形ステージ110a,110bには、温度調整部115の代わりに、穴部112や溝部113の外周に沿って配置され、加熱部と冷却部の少なくとも一方の機能を発揮する温度調整部115jによって構成されてもよい。温度調整部115jは、例えば、電熱線や、熱流体や冷媒が流れる熱交換チューブ、ペルチェ素子などによって構成される。温度調整部115jを用いることによって、穴部112や溝部113の内壁面を、造形ステージ110a,110bの他の部位よりも温度が高くなるように加熱、または、造形ステージ110a,110bの他の部位よりも温度が低くなるように冷却することができる。上記の第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、および、第8実施形態の造形装置に、本実施形態での温度調整部115jの構成が適用されてもよい。
第5実施形態で説明した被覆層117を、第1実施形態の造形ステージ110に適用してもよい。この場合には、被覆層117は、造形ステージ110の造形面111の一部または全部の領域を覆うものとしてもよい。上記の第5実施形態および第6実施形態の造形ステージ110c,110dにおいて、被覆層117は、穴部112の周縁部、または、溝部113の周縁部に加えて、穴部112の内壁面、または、溝部113の内壁面を覆ってもよい。
上記の第9実施形態で説明した冷却部70は、上記第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、および、第8実施形態の造形装置に適用されてもよい。これにより、温度調整部115の加熱によって造形物OBの下端部以外の部位が変形してしまうことを抑制できる。冷却部70は、工程P1において、造形物を硬化させるために用いられてもよい。
上記第10実施形態および第11実施形態において、造形ステージ110h,110iの穴部112や溝部113は省略されてもよい。この場合でも、造形ステージ110h,110iと造形物OBとの境界に、溶剤SVが、造形物の下端部の外周端から進入していくことにより、造形ステージ110h,110iに対する造形物OBの密着性を低下させることができる。上記第10実施形態および第11実施形態において、溶解部75は、造形面111上に溶剤SVを供給し、溶剤SVを造形面111上に伝わせることによって、造形物OBの造形ステージ110h,110iと接触している部位に溶剤SVを接触させる構成を有していてもよい。上記第10実施形態および第11実施形態において、造形ステージ110h,110iの表面は、溶剤SVによる造形ステージ110h,110iの溶解を抑制するための保護層によって被覆されてもよい。
上記の各実施形態において、生成部30は、フラットスクリュー40を利用している構成の代わりに、例えば、Z方向の長さが直径よりも長いインラインスクリューを回転させてノズル61から造形材料を押し出す構成を有していてもよい。また、造形装置100は、フラットスクリュー40や上述したインラインスクリューを用いる構成ではなく、通常のFDM方式(熱融解積層方式)を採用していてもよい。造形装置100では、熱可塑性樹脂からなるフィラメントが巻き回されたボビンから、ノズルへと、フィラメントを繰り出し、ノズル内に設けられたヒーターによって、そのフィラメントを溶解させ、造形材料としてノズルから吐出させる構成が採用されてもよい。
上記の各実施形態において、材料供給部20は、複数のホッパーを備える構成を有していてもよい。この場合には、各ホッパーからフラットスクリュー40へと異なる材料が供給され、フラットスクリュー40のスクロール溝42内において混合されて、造形材料が生成されてもよい。例えば、上記実施形態で説明した主材料となる粉末材料と、それに添加される溶媒やバインダーなどが別々のホッパーから並行してフラットスクリュー40に供給されてもよい。
上記各実施形態の造形装置においては、以下に説明する材料から適宜選択したものを、材料MRとして用いてもよい。ただし、温度調整部115によって造形物OBの下端部が加熱または冷却される構成においては、温度調整部115による加熱または冷却によって熱変形するものが選択されることが望ましい。また、溶解部75の溶剤SVによって、造形物OBの下端部を溶解させる構成においては、溶剤SVによる溶解が可能な材料が選択されることが望ましい。
<熱可塑性樹脂材料の例>
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)、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック。
<混入される金属材料の例>
マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、コバルト(Co)やクロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)の単一の金属、もしくはこれらの金属を1つ以上含む合金。
<前記合金の例>
マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金。
<溶剤の例>
水、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル類、酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸iso-プロピル、酢酸n-ブチル、酢酸iso-ブチル等の酢酸エステル類、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル-n-ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類、テトラアルキルアンモニウムアセテート類、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤、ピリジン、γ-ピコリン、2,6-ルチジン等のピリジン系溶剤、テトラアルキルアンモニウムアセテート(例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等)、ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等。
<バインダーの例>
アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)或いはその他の熱可塑性樹脂。
本開示の技術は、上述の各実施形態や実施例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形態によって実現することができる。例えば、本開示の技術は以下の形態として実現可能である。以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する上記の各実施形態中の技術的特徴は、本開示の技術が有する課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の技術が奏する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おいて必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
この形態の三次元造形装置によれば、三次元造形物の造形ステージに接している部位を加熱して軟化させ、あるいは、冷却して熱収縮させることによって、造形ステージに対する三次元造形物の密着性を低下させることができる。よって、造形ステージからの三次元造形物の分離を容易に行うことができ、三次元造形物の変形や破損の発生を抑制することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、温度調整部による加熱によって、三次元造形物の造形ステージに接している部位をより一層、軟化させることができる。よって、造形ステージからの三次元造形物の分離を、より容易に行うことができる。
この形態の三次元造形装置によれば、造形物の造形中に、造形ステージの穴部または溝部に造形材料の一部が入り込むことによって、造形ステージに対する造形材料の固定性を高めることができるため、造形物の造形精度を高めることができる。
この形態の三次元造形装置によれば、造形物の被覆部に接している部位を、温度調整部によって効率よく加熱、または、冷却することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、穴部または溝部に入り込んでいる造形物の部位を、温度調整部によって効率よく、加熱、または、冷却することができる。そのため、加熱によって軟化、または、冷却によって収縮した当該部位を、溝部または穴部から離間させやすくできる。
この形態の三次元造形装置によれば、造形ステージの穴部または溝部に入り込んでいる造形物の部位を、温度調整部によって、加熱、または、冷却しやすいため、造形ステージからの造形物の分離を容易におこなえるようにできる。
この形態の三次元造形装置によれば、温度調整部の加熱によって、造形物の造形ステージに接している部位以外の部位が軟化して変形してしまうことを抑制できる。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、三次元造形物の造形ステージに接している部位を加熱して軟化させ、あるいは、冷却して熱収縮させることによって、造形ステージに対する三次元造形物の密着性を低下させることができる。よって、造形ステージからの三次元造形物の分離を容易に行うことができ、三次元造形物の変形や破損の発生を抑制することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、三次元造形物の造形ステージに接している部位を溶解させることによって、造形ステージに対する三次元造形物の密着性を低下させることができる。よって、造形ステージからの三次元造形物の分離を容易に行うことができ、三次元造形物の変形や破損の発生を抑制することができる。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、三次元造形物の造形ステージに接している部位を溶解させることによって、造形ステージに対する三次元造形物の密着性を低下させることができる。よって、造形ステージからの三次元造形物の分離を容易に行うことができ、三次元造形物の変形や破損の発生を抑制することができる。
この形態の製造方法によれば、三次元造形物の造形精度を高めることができる。
Claims (7)
- 三次元造形装置であって、
造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出部から吐出された前記造形材料が堆積される造形ステージと、
前記吐出部と前記造形ステージとの相対的な位置を変更する移動部と、
前記造形ステージに設けられ、前記造形ステージの温度を調整する温度調整部と、
前記吐出部、前記移動部、および、前記温度調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記吐出部と前記造形ステージとの相対的な位置を変えながら前記造形ステージの上に前記造形材料を堆積させて三次元造形物を造形し、硬化させた後、前記温度調整部を制御して前記造形ステージの温度を調整することによって、硬化した前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を、加熱、または、冷却し、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域内に、複数の穴部または複数の溝部を有し、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域の少なくとも一部を被覆し、前記造形ステージの他の部位よりも熱伝導率が高い被覆層を有し、
前記被覆層は、前記穴部の内壁面または前記溝部の内壁面を被覆している、三次元造形装置。 - 三次元造形装置であって、
造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出部から吐出された前記造形材料が堆積される造形ステージと、
前記吐出部と前記造形ステージとの相対的な位置を変更する移動部と、
前記造形ステージに設けられ、前記造形ステージの温度を調整する温度調整部と、
前記吐出部、前記移動部、および、前記温度調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記吐出部と前記造形ステージとの相対的な位置を変えながら前記造形ステージの上に前記造形材料を堆積させて三次元造形物を造形し、硬化させた後、前記温度調整部を制御して前記造形ステージの温度を調整することによって、硬化した前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を、加熱、または、冷却し、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域内に、複数の穴部または複数の溝部を有し、
前記温度調整部は、前記穴部または前記溝部の外周に沿って配置されている、三次元造形装置。 - 請求項2記載の三次元造形装置であって、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域の少なくとも一部を被覆し、前記造形ステージの他の部位よりも熱伝導率が高い被覆層を有する、三次元造形装置。 - 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装置であって、
前記造形材料は、熱可塑性樹脂を含み、
前記制御部は、前記温度調整部を制御して、前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を、前記熱可塑性樹脂のガラス転移点より高く、前記熱可塑性樹脂の融点より低い温度に加熱する、三次元造形装置。 - 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装置であって、さらに、
前記造形ステージ上に造形された前記三次元造形物を冷却する冷却部を備え、
前記制御部は、硬化した前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を、前記温度調整部によって加熱しながら、硬化した前記三次元造形物の他の部位を前記冷却部によって冷却する、三次元造形装置。 - 三次元造形物の製造方法であって、
吐出部と造形ステージとの相対的な位置を変えながら、前記吐出部から前記造形ステージに向かって造形材料を吐出させて堆積させることによって、前記造形ステージの上に三次元造形物を造形し、硬化させる工程と、
硬化した前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を加熱または冷却して、前記三次元造形物を前記造形ステージから分離する工程と、
を備え、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域内に、複数の穴部または複数の溝部を有し、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域の少なくとも一部を被覆し、前記造形ステージの他の部位よりも熱伝導率が高い被覆層を有し、
前記被覆層は、前記穴部の内壁面または前記溝部の内壁面を被覆している、製造方法。 - 三次元造形物の製造方法であって、
吐出部と造形ステージとの相対的な位置を変えながら、前記吐出部から前記造形ステージに向かって造形材料を吐出させて堆積させることによって、前記造形ステージの上に三次元造形物を造形し、硬化させる工程と、
硬化した前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を加熱または冷却して、前記三次元造形物を前記造形ステージから分離する分離工程と、
を備え、
前記造形ステージは、前記造形材料が堆積される領域内に、複数の穴部または複数の溝部を有し、
前記分離工程では、前記穴部または前記溝部の外周に沿って配置された温度調整部によって、前記三次元造形物の前記造形ステージに接している部位を加熱または冷却する、製造方法。
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