JP7301565B2 - 造形装置、方法及び造形システム - Google Patents
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Description
例えば、結晶性樹脂においては、造形中において冷却ムラが原因となり、収縮ムラが生じ、造形物に内部応力が発生することから、反りが生じやすい。特許文献1では1つ又は複数の半晶質ポリマーと、前記1つ又は複数の半晶質ポリマーの結晶化を遅延させるように構成されている1つ又は複数の第2の材料とを用いて造形すする技術が開示されている。
<全体構成>
造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形装置の一実施形態と、造形材料として熱可塑性樹脂のフィラメントを用いた熱溶解積層法により立体造形物を造形する造形装置について説明を行う。
アニーリングエリア101Bは、複数の載置台102をスタック(収納)可能な空間を有し、載置台102を垂直方向に駆動可能なエレベータユニット106を備えている。
図2は、造形エリアの内部構造を示す概略正面図である。図1と同様の符号を付している構成については適宜説明を省略する。図2においては、上下方向をZ軸方向、装置の左右方向をX軸方向、装置の奥行き方向をY軸方向として説明する。
このように載置台102を規定の温度に加熱することで、造形中に載置台102上に載置されている三次元造形物MOの造形材層が冷えてしまうのを抑制する。これにより、造形材層の冷えによる伸縮を抑制して、三次元造形物MOの反りなどの発生を抑制することができる。
造形ヘッド20は、回転テーブル82に保持されており、回転テーブル82は、回転自在に支持部材28に取り付けられている。
サポート材は、通常、三次元造形物を構成するモデル材のフィラメントFとは異なる材料で形成され、最終的には三次元造形物から除去される造形補助材料である。そして、他方のノズル21から吐出されたサポート材からなる溶融したフィラメントFも、モデル材の溶融したフィラメントFと同様に、層状に順次積層される。
スライダ105を介して、載置台102を載置した載置台支持台110は、造形エリア101Aからアニーリングエリア101B内に搬送される。
アニーリングエリア101B内には、複数の載置台102を格納する為に、載置台102に係合し、載置台102を上部へとスライドするエレベータユニット106を備えている。
熱源送風源のホットエアーユニット122が配置されている。 アニーリングエリア101Bは、熱源と送風源のホットエアーユニット122が配置されている。ホットエアーユニット122は、カートリッジ化されており、所定数(図3では、2個のみ図示)を装置下部に配置する。この場合において、接的に造形物にホットエアーが当たらないようにホットエアーユニット122の配置位置を考慮することが好ましい。
造形ヘッド20は、フィラメントFをノズル21に向けて送り出すエクストルーダ25、フィラメントFを冷却する冷却ブロック24、フィラメントFを加熱して溶融させる加熱ブロック22、溶融したフィラメントFを吐出するノズル21等を有している。冷却ブロック24と加熱ブロック22との間には、冷却ブロック24を通過したフィラメントFを、加熱ブロック22に向けて案内するガイドブロック23が配設されている。加熱ブロック22、ガイドブロック23、冷却ブロック24のそれぞれには、エクストルーダ25から送り出されたフィラメントFをノズル21まで移送するための移送路26が形成されている。
加熱ブロック22からの熱は、移送路26内のフィラメントFだけでなく、そのフィラメントFよりも移送方向上流側に存在するフィラメントFにも伝搬し、溶融することは好ましくない。
このため、加熱ブロック22によるフィラメントFへの熱伝搬範囲を移送路26よりも移送方向上流側にできる限り拡げないようにして、フィラメントFの詰まりを抑制することが望まれる。
冷却ブロック24は、アルミニウムなどの伝熱性の高い材料から構成されており、冷媒が流れる流路24aが、冷却ブロック24の移送路26の周囲に設けられている。冷却ブロック24は、内部に位置する移送路26内のフィラメントFの熱を流路24aに流れる冷媒へ移動させて冷却する。
加熱ブロック22と冷却ブロック24との間に配設されたガイドブロック23は、断熱性の材料からなり、加熱ブロック22の熱がフィラメント移送方向上流側に伝搬するのを抑制している。これにより、加熱ブロック22の移送路26よりも移送方向上流側の箇所のフィラメントFが加熱ブロック22からの熱伝搬によって溶融させるのをより一層抑制している。加えて、加熱ブロック22からの熱を移送路26の箇所とは異なる箇所のフィラメントFに伝搬することを抑制することで、移送路26内のフィラメントFを効率良く加熱することができる。
制御手段として機能する制御装置200は、いわゆるマイクロコンピュータとして構成されており、演算手段として機能するMPU(Micro Processing Unit)402、データ記憶手段として機能するRAM(Random Access Memory)404、ROM(Read Only Memory)406、不揮発メモリー408等から構成される。そして、制御装置200は、各種の演算処理や、制御プログラムの実行を行う。
本体の準備動作、終了動作を除くと、「.gcode」の拡張子を持つテキストデータは、基本的には、以下の三つのデータが記述されている。
(1)造形物の頂点座標のデータ
(2)造形物の各々の頂点まで造形ヘッド20のノズル21を動かす際の速度データ
(3)フィラメントFを送り出す速度データ
加熱温度データは、データ生成部201により加熱温度制御部202へ送信される。
この結果、加熱温度制御部202は、データ生成部201から送られた設定加熱温度となるように、熱電対22bによる温度の検知結果に基づいて加熱ブロック22の熱源22aをフィードバック制御する。
また、押し出し量制御部203は、ノズル21からのフィラメントFの吐出を停止する前(エクストルーダ25の駆動停止前)には、エクストルーダ25を逆回転させ、フィラメントFを引き込む吸い込み動作を行う。このような吸い込み動作を行うことで、ノズル21からのフィラメントFの垂れを抑制することができ、三次元造形物MOの形状精度を向上させることが出来る。
局所加熱装置27の具体的構成としては、例えば、レーザダイオード(LD)により加熱位置にレーザ光を照射する装置等が考えられる。
局所冷却装置29の具体的構成としては、例えば、エアーノズルにより圧縮空気を冷却位置に吹き付ける装置等が考えられる。
ユーザの指示操作等により造形をスタートすると、まず、制御部200は、加熱ブロック22の熱源22aへの通電をオンにし、造形物データに基づいてデータ生成部201が生成した加熱温度に加熱する。
載置台102について造形位置に到達したことを検知したZ軸座標検知機構43は、Z軸駆動モータ41を停止し造形処理に移行する。
造形処理では、まず、最下層(第一層)のスライスデータに基づいて、載置台102の表面に最下層の造形材層を作成する。具体的には、最下層(第一層)のスライスデータ、X軸座標検知機構53の検知結果、及びY軸座標検知機構63の検知結果に基づいて、駆動制御部204によりX軸駆動モータ51及びY軸駆動モータ61を制御する。これにより、造形ヘッド20のノズル21の先端を目標位置(X-Y平面上の目標位置)に順次移動させる。
この後、載置台支持台110は、スライダ105を介して、造形エリア101Aに戻り、シャッタ103が閉じられる。
以上の説明においては、熱溶解積層法を例として説明したが、他の三次元造形物の製造方法であっても、同様に内部応力を低減して、より高性能な三次元増毛物を得ることが可能である。
造形エリア101Aにおける造形条件と造形した三次元造形物MOの試料の評価について説明する。
[造形装置]
実施例及び比較例の製造を行った造形装置の構成は、図2、4、5および6の構成に以下の構成を加えたものとなっている。
エクストルーダ25として、直径=12[mm]のSUS304製のローラを二本並べて用いた。
造形ヘッド20内のフィラメント通路については、直径2.5[mm]のものを採用した。加熱ブロック22内の移送路26の直径も2.5[mm]とした。
実施例及び比較例では、造形材料としてPLA(ポリ乳酸、会社名:polymaker、製品名:PolyLite PLA、型番:PolyLite PLA11-natural)、PEEK(ポリエーテルケトン、会社名:Victrex,型番:381G、ISO11357準拠ガラス転移点:143℃)を用いた。また、造形材料は、直径φ1.75のフィラメントを用いた。
[温度条件]
冷却ブロック24として、SUS304製で、内部に導水管を這わせたものを用い、導水管を冷水循環装置に接続した。冷水循環装置の温度設定を10[℃]とした。また、加熱ブロック22として、冷却ブロック24と同様の構成のものを用い、その導水管を流体循環装置に接続した。加熱ブロック22の導水管の中にカードリッジヒータを配設し、このカートリッジヒータに対する電源供給を熱電対22bの検知結果に基づいてオン/オフ制御をした。
いずれの試験も造形速度は20mm/secとした。
[冷却条件]
実施例及び比較例において、局所冷却装置29で冷却した場合と、冷却しない場合とを実験、比較した。冷却した場合の冷却条件は、12kPaである。局所冷却装置29として配管経路に設置した精密レギュレータ(冷却ノズル)を用いた。
[加熱条件]
実施例及び比較例において、局所加熱装置27で加熱した場合と、加熱しない場合とを実験、比較した。加熱した場合の条件は、4~12Wであり、実験例及び比較例ごとに条件を変更した。局所加熱装置27として半導体レーザ(LD)を用いた。LDの波長は780nmとした。
直方体反りの状態の定性評価に用いた三次元造形物MOとしては、W30×D30×H7.5(mm)の立方体状の造形物を用いた。反り量に関しては数mmレベルの大きいものであれば、ハイトゲージ等を用いて測定することも可能であるが、非接触の3Dスキャナ等を用いて、造形物の断面プロファイルを取得しても良い。3Dスキャナを用いる場合はユーザが入力する造形物データからの差分を計測することで、簡便に反り量を計測することが出来る。
図8は、積層方向強度の評価に用いた三次元造形物の説明図である。
三次元造形的には、図8(a)に示すような直方体造形物は簡便に造形しやすいのであるが、引張試験における標準においては、図8(b)に示すようなダンベル形状であることが好ましい。
第1比較例及び第2比較例では、PLAを用いた。
第1比較例においては、局所加熱装置27及び局所冷却装置29のうち、局所冷却装置29のみを用いた。
また、第2比較例においては、局所加熱装置27及び局所冷却装置29のうち、局所加熱装置27のみを用いた。加熱条件は8Wとした。
第3比較例乃至第6比較例においては、PEEKを用いた。
また、第5比較例及び第6比較例においては、局所加熱装置27及び局所冷却装置29の双方用いた。 さらに第5比較例と第6比較例とは、局所加熱装置27の加熱条件を異ならせた。第5比較例の加熱条件は4Wとし、第6比較例の加熱条件は12Wとした。
また第1実施例乃至第3実施例においては、第3比較例乃至第6比較例と同様に、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)を用いた。また、局所加熱装置27及び局所冷却装置29の双方用いた。さらに第1実施例乃至第3実施例は、それぞれ局所加熱装置27の加熱条件を異ならせた。第1実施例の加熱条件は6Wとし、第2実施例の加熱条件は8Wとし、第3実施例の加熱条件は10Wした。
次に各比較例及び実施例の評価結果について説明する。
(第1比較例・第2比較例)
第1比較例及び第2比較例においては、いずれも反りの状態は良好であった。
しかしながら、局所冷却装置29のみを用いた第1比較例の場合には、積層方向強度において、界面強度が得られず、手で簡単に破壊できるレベルに留まった。したがって、積層強度は良好ではなかった。
第3比較例は、反りが大きい結果となった。
また、反りだけではなく、造形物の端部に多数のひび割れが生じた。加えて、そのひび割れから積層界面間で界面剥離する現象が確認された。局所加熱装置27での加熱が必要であったといえる。
第4の比較例は、積層強度は良好であったが、反りが大きい結果となり、ブリム表面が大きく反り返った。局所冷却装置29での冷却が必要であったといえる。
比較例5は、反りが大きい結果となった。反りだけではなく、造形物の端部に2か所のひび割れが生じた。加えて、そのひび割れから積層界面間で界面剥離する現象が確認された。局所加熱装置27での加熱の強度が弱かったといえる。
第1乃至第3実施例では、反りの状態及び積層方向の強度は良好であった。
(第6比較例)
第6比較例では、焦げが生じてしまい、反りの状態及び積層方向の強度は良好ではなかった。局所加熱装置27での加熱の強度が強かったといえる。
図9においては、局所加熱装置27の加熱条件としてLDの出力を6Wに固定した場合について評価を行っている。
図10の例においては、局所冷却装置29の冷却条件としてレギュレータ設定圧を10kPaに固定した場合を示している。
局所加熱装置27による加熱がない(加熱条件が0W)場合、破断応力は0Wであった。
図11の第1実施例、第1実施例A、及び第1実施例Cは、図7の第1実施例の三次元造形物MOを用いて、以下のアニーリング処理条件でアニーリングしている。
図11の第3実施例、第3実施例A、及び第3実施例Cは、図7の第3実施例の三次元造形物MOを用いて、以下のアニーリング処理条件でアニーリングしている。
第1実施例1~第3実施例3は、アニーリング処理をしなかった。一方、第1実施例A~第3実施例A、第1実施例B~第3実施例B、第1実施例C~第3実施例Cの三つのグループに分け、それぞれ同一条件でアニーリングを行った。図3のアニーリングエリア101Bにおけるホットエアーユニット122、吸気口123、及び、排気口124を制御することで、アニーリング処理を施し、結晶化を行わせた。全ての試料において、昇温開始温度は30℃、最高到達温度は180℃とし、冷却後温度は30℃として、評価を行った。
また、第1実施例B~第3実施例Bについては、昇温速度=1℃/minとし、温度維持時間=1minとし、冷却速度=1℃/minとした。
また、アニーリングの最高到達温度を180℃に設定した。造形材料のガラス転移点を十分に上回り、かつ、三次元造形物MOの形状を維持することが可能な温度を考慮して設定した。
引張弾性率の評価において、引張弾性率の算出は、荷重範囲10-20Nにおいて最小2乗法により算出した。
第1実施例における三次元造形物MOの試料の引張試験によって得られた引張弾性率は0.49GPa、第2実施例における三次元造形物MOの試料の引張試験によって得られた引張弾性率0.35GPa、第3実施例における三次元造形物MOの試料の引張試験によって得られた引張弾性率は0.4GPaであった。第1実施例乃至第3実施例は、アニーリング処理をしていないので、十分な引張弾性率を得ることができなかった。
特に造形材料として、結晶性材料(樹脂)あるいは半結晶性材料(樹脂)を用いる場合に、品質の高い立体造形物を造形できる。
101 筐体
101A 造形エリア(造形部)
101B アニーリングエリア(アニーリング部)
102 載置台
103 搬送ユニット
104 シャッタ(断熱部材)
105 スライダ
106 エレベータユニット
110 載置台支持台
27 局所加熱装置(局所加熱部)
29 局所冷却装置(局所冷却部)
Claims (6)
- 造形材料を積層して三次元造形物を造形する造形装置であって、
前記積層を行って前記三次元造形物の造形を行う造形エリアと、
前記造形材料の積層時に前記造形材料を局所的に加熱する局所加熱部と、
前記積層時に前記造形材料を局所的に冷却する局所冷却部と、
得られた前記三次元造形物を所定温度以上でアニーリングするアニーリングエリアと、
前記造形エリアと前記アニーリングエリアとの間で熱を遮断する断熱部材と、
を備えた造形装置。 - 前記所定温度は、前記造形材料のガラス転移点の温度以上の温度とされる、
請求項1記載の造形装置。 - 前記造形エリアと前記アニーリングエリアとは、開閉可能に構成された前記断熱部材を介して隣接して配置され、
前記三次元造形物を載置した載置台を前記造形エリアから前記アニーリングエリアへと搬送する搬送部を備えた、
請求項1記載の造形装置。 - 前記アニーリングエリアは、前記三次元造形物を載置した載置台を複数収納可能とされている、
請求項3記載の造形装置。 - 造形材料を積層して三次元造形物を造形する造形装置で実行される方法であって、
造形エリアにおいて前記造形材料の積層時に前記造形材料を局所的に加熱する過程と、
前記造形エリアにおいて前記積層時に前記造形材料を局所的に冷却する過程と、
得られた前記三次元造形物をアニーリングエリアに搬送する過程と、
断熱部材によって前記造形エリアと前記アニーリングエリアとの間の熱を遮断する過程と、
前記アニーリングエリアにおいて、搬送された前記三次元造形物を所定温度以上でアニーリングする過程と、
を備えた方法。 - 造形材料を積層して三次元造形物を造形する造形システムであって、
前記造形材料の積層時に前記造形材料を局所的に加熱する局所加熱部と、前記積層時に前記造形材料を局所的に冷却する局所冷却部と、を有し、前記三次元造形物を造形する造形装置と、
前記造形装置で造形された前記三次元造形物を所定温度以上でアニーリングするアニーリング装置と、
前記造形装置から前記アニーリング装置に前記三次元造形物を断熱状態で搬送する、断熱機構を有する搬送装置と、
を備えた造形システム。
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