JP7180078B2 - 三次元造形物の製造方法および造形装置 - 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物の製造方法の実行に適した三次元造形装置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。第1実施形態では、X方向およびY方向は、水平面に平行な方向であり、Z方向は、重力方向(鉛直方向)とは反対の方向である。X,Y,Z方向を示す矢印は、他の参照図においても、図示の方向が図1と対応するように適宜、図示してある。
<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
<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。
図8、図9を参照して、第2実施形態における造形物の製造方法を説明する。第2実施形態における造形物の製造方法は、基盤層10aを構成する構造物11aの形状と、その形成方法が異なっている点以外は、第1実施形態で説明したのとほぼ同じである。なお、第2実施形態の製造方法は、第1実施形態で説明した造形装置100において実行される。
図10Aおよび図10Bを参照して、第3実施形態における造形物の製造方法を説明する。第3実施形態における造形物の製造方法は、第1実施形態や第2実施形態で説明した基盤層10,10aを構成する複数の構造物11,11aを積み重ねて、内部に空隙を有する多層構造体15,15aを形成する工程を備えている点以外は、第1実施形態や第2実施形態で説明した製造方法と同じである。なお、第3実施形態の製造方法は、第1実施形態で説明した造形装置100において実行される。
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変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、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
基盤層を構成する構造物の構成は、上記の各実施形態において説明した基盤層10,10aを構成する構造物11,11aの構成に限定されることはない。構造物のサイズや配列間隔、形状は、上に造形される造形物OBの形状や重さに応じて、変更されてもよい。基盤層は、例えば、造形テーブル210の上面211に沿って延びる線状の長尺形状を有する構造物を含む構成を有していてもよい。基盤層は、例えば、造形テーブル210の上面211に不均一なパターンで配列された構造物によって構成されてもよい。基盤層は、造形物OBとは異なる種類の熱可塑性を有する材料によって構成されてもよい。ノズル61の開口形状を円形以外の形状にすることにより、上記の各実施形態で説明した構造物11,11aの形状とは異なる形状を有する点状の構造物が形成されてもよい。
造形部110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。あるいは、造形部110は、造形材料を造形テーブル210に向かって吐出する構成の代わりに、フィラメント状の熱可塑性を有する樹脂材料を熱で溶かしながらノズル61から押し出して、造形テーブル210に付着させる構成を有していてもよい。
造形装置100の開閉機構71は、流路65内において造形材料が流れる方向に交差するように移動するシャッターによって構成されてもよい。また、開閉機構71は、ピストンが流路65内に突出して流路65を閉塞するプランジャーによって構成されてもよい。開閉機構71は、バタフライバルブや、シャッターを用いたシャッター機構、プランジャーのうちの2つ以上を組み合わせて構成されてもよい。造形装置100において、吸引機構75は省略されてもよい。
材料供給部20には、粉体やペレット状の材料の代わりに、フィラメント状の材料が投入されてもよい。材料供給部20に投入される材料は、上記実施形態において説明したものに限らず、他の樹脂材料や金属材料、セラミック材料が用いられてもよい。造形装置100では、例えば、金属粉末射出成形(MIM)に用いられるような材料によって造形物が造形されてもよい。
複数の構造物11,11aを形成する第1の造形材料は、造形物OBを形成する第2の造形材料と異なる材料から生成されてもよい。例えば、第1の造形材料は、例えば、水溶性のサポート材を構成する材料から生成されてもよい。
上記実施形態において、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の溝部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。
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
本発明は、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(aspect)によって実現することができる。例えば、本発明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、本発明の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本発明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。
この形態の製造方法によれば、土台として機能する複数の構造物によって形成される凹凸構造によって三次元造形物を造形するための造形材料の流動や収縮変形に伴う移動を抑制することができるため、三次元造形物の造形精度を高めることができる。また、互いに離間している複数の構造物によって土台が構成されているため、土台の強度を低くすることができる。よって、造形テーブルからの三次元造形物の分離や、三次元造形物からの土台の除去を容易化することができる。
この形態の製造方法によれば、長尺状の構造物が配列されたような構成ではなく、点在する構造物によって土台が構成されるため、土台自体の強度を、より低くすることができる。また、ノズルからの造形材料の断続的な吐出によって、土台を構成する構造物を簡易に形成することができ、効率的である。
この形態の製造方法によれば、三次元造形物に近い位置ほど各構造物の強度を小さくすることができる。よって、三次元造形物からの土台の除去が容易化される。
この形態の製造方法によれば、土台を構成する各構造物が上端面を有することによって、造形中の三次元造形物の配置姿勢が安定する。そのため、三次元造形物の造形精度が高められる。
この形態の製造方法によれば、フラットスクリューの利用によって、造形材料を生成する機構を小型化できる。また、フラットスクリューの利用によって、ノズルからの第1の造形材料および第2の造形材料の吐出制御の精度が高められ、土台の形成および三次元造形物の造形を、容易かつ効率的におこなえる。
この形態の製造方法によれば、内部に空隙を有することにより強度が低くなっている多層構造体によって三次元造形物の土台を構成することができる。
この形態の製造方法によれば、土台を構成する複数の構造物を形成した後に、材料を変えることなく同じ材料で三次元造形物を造形することができるため効率的である。
この形態の造形装置によれば、複数の構造物によって構成される土台によって支持された状態で三次元造形物が造形されるため、三次元造形物の造形精度が高められる。また、複数の構造物によって強度が低い土台を構成できるため、造形テーブルからの三次元造形物の分離や、三次元造形物からの土台の除去が容易化される。
Claims (8)
- 三次元造形物の製造方法であって、
造形テーブル上に、第1の造形材料を配置して、互いに離間した複数の構造物を形成する第1工程と、
前記造形テーブルから離間した状態で複数の前記構造物に支持されるように、前記三次元造形物を造形するための第2の造形材料を配置する第2工程と、
を備え、
前記第1工程は、ノズルからの前記造形テーブルに対する前記第1の造形材料を断続的に吐出して、複数の点状の前記構造物を形成する工程を含み、
前記第1工程は、前記ノズルから前記造形テーブルに前記第1の造形材料を吐出させた後、前記ノズルからの前記第1の造形材料の吐出を停止させた状態で、前記ノズルを前記造形テーブルに対して上方に離間させることによって、上方に向かって細くなる形状を有する前記構造物を形成する工程を含む、製造方法。 - 三次元造形物の製造方法であって、
造形テーブル上に、第1の造形材料を配置して、互いに離間した複数の構造物を形成する第1工程と、
前記造形テーブルから離間した状態で複数の前記構造物に支持されるように、前記三次元造形物を造形するための第2の造形材料を配置する第2工程と、
を備え、
前記第1工程は、ノズルからの前記造形テーブルに対する前記第1の造形材料を断続的に吐出して、複数の点状の前記構造物を形成する工程を含み、
前記第1工程は、前記ノズルから前記造形テーブルの上面に前記第1の造形材料を吐出させた後、前記ノズルからの前記第1の造形材料の吐出を停止させた状態で、前記ノズルを前記上面に沿った方向に移動させることによって、前記上面に沿った前記構造物の上端面を形成する工程を含む、製造方法。 - 三次元造形物の製造方法であって、
造形テーブル上に、ノズルの吐出口から第1の造形材料を吐出して、互いに離間した複数の構造物を形成する第1工程と、
複数の前記構造物を積み重ねて、内部に空隙を有する多層構造体を形成する多層構造体形成工程と、
前記造形テーブルから離間した状態で前記多層構造体に支持されるように、前記三次元造形物を造形するための第2の造形材料を配置する第2工程と、
を備え、
前記多層構造体形成工程では、下層において隣り合っている複数の前記構造物の上に跨がるように、上層の前記構造物が形成されることによって前記多層構造体が形成され、
前記第1工程では、前記吐出口よりも上流の流路に配置され、前記吐出口からの前記第1の造形材料の流出を制御する開閉機構、及び、前記開閉機構と前記吐出口との間の前記流路に配置された吸引機構を制御して、前記構造物を形成し、
前記第1工程において、前記開閉機構によって前記吐出口からの前記第1の造形材料の流出を停止した後に、前記吸引機構によって前記流路内の前記第1の造形材料を吸引する、製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記第1の造形材料と前記第2の造形材料とは、造形材料生成部に供給された材料の少なくとも一部を溶融させることによって生成され、
前記造形材料生成部は、
溝が形成された溝形成面を有し、回転するフラットスクリューと、
前記溝形成面に対向するスクリュー対向面を有し、前記ノズルに連通する連通孔が形成されたスクリュー対面部と、を有し、
前記フラットスクリューの回転軸に沿った方向における前記フラットスクリューの長さは、前記回転軸に垂直な方向における前記フラットスクリューの長さよりも短い、製造方法。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記第1の造形材料は、前記第2の造形材料と同じ材料から生成される、製造方法。 - 三次元造形物を造形する造形装置であって、
造形テーブル上に、第1の造形材料を配置して、互いに離間した複数の構造物を形成し、前記造形テーブルから離間した状態で前記複数の構造物に支持されるように、前記三次元造形物を造形するための第2の造形材料を配置する造形部を備え、
前記造形部は、ノズルからの前記造形テーブルに対する前記第1の造形材料を断続的に吐出して、複数の点状の前記構造物を形成し、
前記造形部は、前記ノズルから前記造形テーブルに前記第1の造形材料を吐出させた後、前記ノズルからの前記第1の造形材料の吐出を停止させた状態で、前記ノズルを前記造形テーブルに対して上方に離間させることによって、上方に向かって細くなる形状を有する前記構造物を形成する、造形装置。 - 三次元造形物を造形する造形装置であって、
造形テーブル上に、第1の造形材料を配置して、互いに離間した複数の構造物を形成し、前記造形テーブルから離間した状態で前記複数の構造物に支持されるように、前記三次元造形物を造形するための第2の造形材料を配置する造形部を備え、
前記造形部は、ノズルからの前記造形テーブルに対する前記第1の造形材料を断続的に吐出して、複数の点状の前記構造物を形成し、
前記造形部は、前記ノズルから前記造形テーブルの上面に前記第1の造形材料を吐出させた後、前記ノズルからの前記第1の造形材料の吐出を停止させた状態で、前記ノズルを前記上面に沿った方向に移動させることによって、前記上面に沿った前記構造物の上端面を形成する、造形装置。 - 三次元造形物を造形する造形装置であって、
造形テーブル上に、ノズルの吐出口から第1の造形材料を吐出して、互いに離間した複数の構造物を形成し、複数の前記構造物を積み重ねて、内部に空隙を有する多層構造体を形成し、前記造形テーブルから離間した状態で前記多層構造体に支持されるように、前記三次元造形物を造形するための第2の造形材料を配置する造形部を備え、
前記造形部は、下層において隣り合っている複数の前記構造物の上に跨がるように、上層の前記構造物を形成することによって前記多層構造体を形成し、
前記造形部は、前記吐出口よりも上流の流路に配置され前記吐出口からの前記第1の造形材料の流出を制御する開閉機構、及び、前記開閉機構と前記吐出口との間の前記流路に配置された吸引機構を制御して、前記構造物を形成し、
前記造形部は、前記開閉機構によって前記吐出口からの前記第1の造形材料の流出を停止した後に、前記吸引機構によって前記流路内の前記第1の造形材料を吸引する、造形装置。
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