KR101769692B1

KR101769692B1 - 구조체의 제조 방법 및 제조 장치

Info

Publication number: KR101769692B1
Application number: KR1020157017846A
Authority: KR
Inventors: 히로시 다니우치; 가즈히로 나카지마
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2017-08-18
Also published as: JP2014133414A; EP2931499A1; JP6292857B2; RU2602895C1; EP2931499A4; WO2014092205A1; US9604437B2; BR112015012419A2; US20150314578A1; CN104837609A; EP2931499B1; BR112015012419B1; KR20150091509A; CN104837609B

Abstract

구조체의 제조 방법은, 형성 중의 구조체가 지지 부재에 의해 지지된 상태에서, 상기 형성 중의 구조체 또는 상기 형성 중의 구조체와 상기 지지 부재로 형성되는 표면의 적어도 일부에, 전사 부재의 표면에 설치되고 상기 구조체로 형성될 층을 복수 회 적층하는 적층 공정을 포함하고, 상기 적층 공정에서, 상기 지지 부재의 상태를 변화시킴으로써 상기 지지 부재가 이동된다.

Description

구조체의 제조 방법 및 제조 장치{METHOD FOR MANUFACTURING STRUCTURAL BODY AND MANUFACTURING APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 구조체의 제조 방법 및 구조체의 제조 장치에 관한 것이다.

각각 컴퓨터에 의해 설계된 복잡한 형상을 가지는 입체물의 조형이 최근에 보급되어 오고 있다. 기계의 미소 부품 및 주택, 식품의 전시 샘플 등의 많은 유형의 제품이 비교적 소량 생산되는 분야에서, 이러한 입체물의 조형의 수요가 증가하고 있다.

이러한 입체물의 조형 방법의 일례로서, 입체물로 형성될 재료를 반복적으로 적층해서 구조물을 제조하는 방법이 알려져 있다.

특허문헌 1에서는, 입체물의 일부의 형상을 가지는 층을 형성한 후에, 이 층을 둘러싸도록 지지체로서 사용되는 재료를 설치해서 패터닝을 행한다. 이와 같이 지지 부재를 형성한 후, 이러한 지지 부재와 형성 중의 입체물로 형성되는 면을 평탄화하고, 이와 같이 평탄화된 면에 입체물로 형성될 재료를 더 적층한다.

일본 특허 공개 평10-305488호 공보

그러나, 특허문헌 1에서 제안되는 방법에서는, 입체물을 이루는 층을 적층할 때마다 지지체를 형성하여, 지지체를 형성하기 위한 재료를 대량으로 필요로 하기 때문에, 또한, 각각의 층과 지지 부재가 각각의 미리 정해진 위치에서 정밀하게 배치될 것이 요구되는 경우가 고려되며, 및/또는 적층 단계에서 경화되는 지지 부재가 제거하기 어렵고 재활용될 수 없기 때문에, 제조에 있어서 부하가 높은 것으로 생각된다.

따라서, 본 발명은, 지지 부재를 형성하는 재료의 양을 적게 하면서, 높은 생산 효율을 가지고서 구조체를 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 구조체의 제조 방법은, 형성 중의 구조체가 지지 부재에 의해 지지된 상태에서, 상기 형성 중의 구조체 또는 상기 형성 중의 구조체와 상기 지지 부재로 형성되는 표면의 적어도 일부에, 전사 부재의 표면에 설치되고 상기 구조체로 형성될 층을 복수 회 적층하는 적층 공정을 포함하고, 상기 적층 공정에서, 상기 지지 부재의 상태를 변화시킴으로써 상기 지지 부재를 이동시킨다.

본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 예시적인 실시 형태로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 지지 부재를 연화시켜서 이동시킴으로써, 새 지지 부재를 형성하는 재료의 양을 적게 하면서, 높은 생산 효율을 가지고서 구조체를 제조하는 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시 형태에 따른 구조체의 제조 방법을 실현하는 제조 장치의 일례로서의 적층 조형 장치를 도시하는 개략도.
도 2a는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2b는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2c는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2d는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2e는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2f는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2g는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2h는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2i는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 2j는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 3은 실시 형태에 따른 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 구조체의 일례를 모식적으로 도시하는 모식적 사시도.
도 4는 제조 장치의 제어계를 도시하는 블록도.
도 5a는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 5b는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 5c는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 5d는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 5e는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 5f는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6a는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6b는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6c는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6d는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6e는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6f는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6g는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 6h는 실시 형태에 따른 적층 유닛에서의 적층 과정의 공정의 상태를 나타내는 모식적 단면도.
도 7은 실시 형태에 따른 적층 과정의 공정의 상태를 도시하는 모식도.
도 8은 일 실시 형태에 따른 구조체 제조 방법을 구현하기 위한 제조 장치의 일례로서의 적층 조형 장치를 도시하는 모식도.

도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 구조체의 일례를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 이러한 3차원 구조를 이루는 구조체(500)는, 플라스틱, 금속 등의 구조 재료를 사용하여, 후술하는 방법에 의해 제조된다. 본 발명의 실시 형태의 구조체의 제조 방법은, 구조체로서 전기 기기의 부품, 인형 및 플라스틱 모델 등의 완구용 모형, 식품 샘플, 가옥 및 가구의 판촉을 위한 전시용 모형 등을 제조할 때에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 구조체의 제조 방법을 실현하는 제조 장치의 일례로서의 적층 조형 장치의 개략을 도시하는 도면이며, 구조체가 절단되는 도 3의 I-I 선을 따른 제조 공정의 상태를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 1에 그 단면이 나타나는 장치(100)에서는, 전사 부재인 벨트 형상의 중간 전사체(1)의 표면 상에서 새롭게 적층하는 구조체의 층의 패터닝을 행하고, 그 후에 반송 기구(2)에 의해 각 프로세스 유닛을 통과시켜서 구조체의 단면 형상을 갖는 단면층(14)을 형성한다. 그리고, X 방향으로 왕복 이동하는 적층 유닛(1000)의 적층 위치에 구조체의 단면층(14)을 보내고, 그 후에 적층된 형성 중의 구조체(17)에 적층한다.

장치(100)에서의 조형 프로세스는 장치(100)의 중앙에 배치된 잉크젯 유닛(3)으로부터 개시된다. 잉크젯 유닛(3) 밑에 위치하는 중간 전사체(1)에 잉크 도트에 의한 패턴(4)을 형성한다. 계속해서, 잉크에 의해 형성된 패턴(4)에 조형 재료 공급 기구(5)로부터 조형 재료(6)를 부여하여 혼합물(7)을 형성함으로써, 조형 재료(6)를 중간 전사체(1)의 표면에 고정한다. 재료는 필요한 해상도보다 미세한 분말의 형태로 부여가능하고, 어떠한 수단으로 막 형성이 가능한 재료라면 사용할 수 있다. 예를 들어, 가열 수단에 의해 막 형성이 가능한 열가소성 수지를 분말의 형태로 사용하거나, 전술한 패턴(4)에 막 형성에 사용되는 접착제를 배합해 글래스 비즈나 분말 금속도 사용할 수 있다. 전술한 것 중에서, 열가소성 수지는 경량이고 또한 튼튼한 성형체를 형성할 수 있기 때문에 특히 적합하다.

중간 전사체(1)는 표면에 형성된 구조체의 층을 지지하는 지지체로서 기능하고, 또한, 층을 서로 적층함으로써 이미 형성된 형성 중의 구조체에 형성된 층을 전사시키는 전사체로서 기능한다. 그로 인해, 전사체(1)는 구조체를 형성하기 위한 재료에 대하여 어느 정도의 친화성을 가지면서 이형성이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 전사를 안정적으로 행하기 위해서, 중간 전사체(1)는 적어도 어느 정도의 탄성을 갖는 것이 바람직하다.

중간 전사체로서 적합한 재료로서는, 예를 들어 실리콘 고무 및 불소 고무를 들 수 있다. 패터닝에 사용하는 재료는 전술한 상기 고무 재료에 대하여 탄력이 발생하는 경우도 있기 때문에, 사용되는 재료에 따라서 표면 처리를 행하는 것이 더 바람직하다. 고무 경도는 탄성체의 두께에 따라 결정되지만, 두께가 두꺼울 경우에는 단단한 고무를 사용하는 것이 바람직하고, 두께가 얇은 경우는 부드러운 고무를 사용하는 것이 바람직하다. 두께가 두꺼운 경우에는 80° 정도의 경도를 가지는 고무가 바람직하지만, 중간 전사체(1)를 얇은 벨트 형상으로 할 경우, 고무 경도가 50 내지 20 정도이고, 0.1 내지 0.5mm 정도의 두께를 가지는 고무로 이루어지는 박막을 사용하는 것이 바람직하다. 높은 정밀도가 요구되는 경우에는, 각각 탄성이 없는, 테플론(등록 상표) 시트 및 서브마이크로미터의 두께를 가지는 이형제로 코팅된 평활막을 사용하는 것이 적합하지만, 장치 정밀도 및/또는 긴 가공 시간이 요구되는 경우에는 이용 목적에 따라 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 금속분 등을 조형 재료로 사용하는 경우에는, 내열성이 높은 질화붕소 등을 사용하는 이형 처리에 의해 표면을 가공하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시하는 장치에서는, 중간 전사체(1) 위로 구조체의 층을 형성하기 위해서 사용하는 장치의 예로서 잉크젯 유닛(3)을 예시하고 있다. 잉크젯 방식을 사용해서 구조체의 층을 형성하는 방법은, 후술하는 바와 같이, 잉크에 의해 중간 전사체의 표면에 묘화된 반액체 상태의 패턴에 구조체를 형성하는 조형 재료를 부여함으로써 체적을 증가시키고, 착색된 고체의 층을 형성하는 방법이다. 그러나, 상기 방법은 이것에 한정되지 않고, 예를 들어, 전자 사진 방식, 디스펜서 방식 등의 디지털 기록 장치, 또는 오프셋 인쇄나 스크린 인쇄 등의 유판 방식을 사용하여 패터닝하여 화상을 형성해도 된다. 드라이 토너를 사용한 전자 사진 방식의 경우에는 가열에 의해 토너에 부착력을 발생시킨다. 상기한 것 중에서, 이형성이 높은 중간 전사체를 사용하는 경우, 중간 전사체(1)에 접촉하지 않고 다양한 색이 동시에 패터닝될 수 있기 때문에, 잉크젯 방식은 매우 적합한 방법이다. 또한, 화상을 중간 전사체(1)의 표면에 형성하고 나서 구조체의 재료를 화상에 부여하는 방법 대신에, 잉크젯 방식 등에 의해 수지 재료 등의 고체화할 성분을 중간 전사체(1)의 표면에 직접 부여해서 구조체의 층을 형성해도 된다. 이와 같은 방법에 의하면, 조형 재료(6)를 공급하기 위해서만 기능하는 공급 기구(5)는 불필요하게 되어, 조형 장치를 소형화할 수 있다. 중간 전사체(1)의 표면에 패턴을 묘화하고, 그 후에 고체 성분을 형성하기 위한 조형 재료를 패턴에 부여하는 방법에서는, 패턴의 묘화에 잉크젯 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 잉크젯용의 잉크의 고체 성분이 거의 색재로 이루어지며, 용매 성분을 조형 재료(6)가 고정된 후에 증발에 의해서 제거될 수 있기 때문이다.

도 1에 도시하는 장치에서는, 잉크 패턴을 형성하고 나서 조형 재료를 공급하지만, 공정의 순서는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 먼저 조형 재료(6)로서의 분말을 중간 전사체(1) 위에 부여하고, 그 후에 잉크를 분말에 부여할 수 있다. 중간 전사체(1)의 표면에 원하는 패턴에 따라서 조형 재료(6)를 고정할 수 있으면, 공정의 순서는 특별히 한정되지 않는다.

이어서, 중간 전사체(1)에 제공된 잉크 패턴의 외부에 부착되었기 때문에, 고정되지 않은 조형 재료(6)의 일부를 제거한다. 반송 장치에 의해서 기체를 분출하는 에어 나이프(8) 근방에 반송되면, 잉크 패턴과 접촉하지 않는 조형 재료(6)의 일부는 중간 전사체(1)에 대한 부착력이 약하기 때문에, 에어 나이프(8)로부터 보내어진 풍압에 의해 조형 재료(6)의 일부가 박리되어, 고정된 혼합물(7)과 분리되어, 제거 구조재 수용부(9)로 반송된다. 조형 재료(6)가 수지 분말인 경우, 수지 재료는 정전기를 띠어 쉬우므로, 제전 장치를 사용하는 것이 바람직하다.

혼합물(7)의 형성과 조형 재료(6)의 제거를 순차 행하지 않고, 일괄하여 행해도 된다. 예를 들어, 잉크로 형성된 패턴(4)을 향해서 바람을 송풍하고, 송풍된 바람에 의해 조형 재료(6)를 분사하면, 패턴(4)에 접촉하지 않은 조형 재료(6)의 일부가 중간 전사체(1)의 표면에 고정되지 않으므로, 불필요한 조형 재료(6)를 제거할 수 있다.

중간 전사체(1)에 잔류한 잉크의 패턴(4)과 조형 재료(6)의 혼합물(7)은 중간 전사체의 이면 측에 배치된 히터(11)에 의해 가열되고, 도면에서 참조 부호 10으로 도시한 액체 성분이 증발함으로써 혼합물(7)의 체적을 감소시키는 동시에 용융되어, 막이 형성된다. 필요에 따라, 히트 롤러(13)에 의해 혼합물(7)의 표면이 평탄화되어, 구조체의 일부를 이루고, 그 표면 형상이 구조체의 단면 형상과 같은 단면층(14)이 형성된다. 이 경우, 단면층(14)의 표면 형상은, 완성된 구조체를 적층 방향과 수직한 방향을 따라 절단한 경우의 단면 형상이다. 단면층(14)은 적층 유닛(1000)의 조형대(20) 아래로 운반되고, 얼라인먼트 장치(도시하지 않음)에 의해 조형 중의 구조체와 위치 정렬된다. 계속해서, 조형 용기(21), 조형대(20), 승강 기구(19), 지지 부재 충전 기구(15)를 포함하는 적층 유닛(1000)이 하강함으로써, 형성 중의 구조체(17)와 형성 중의 구조체(17)를 지지하는 지지 부재인 지지 부재(18)로 형성되는 면에 단면층(14)이 적층된다. 적층 유닛 내에 제공되는 지지 부재 충전 기구(15)는 지지 부재(18)를 충전하는 기능을 한다. 또한, 도 1에서, 조형 재료를 패터닝하는 장치가 장치에 제공되지만, 장치는 이것에 한정되지 않는다. 도 8에 예로서 도시된 장치에서, 다른 패터닝 장치에 의해서 미리 조형 재료가 패터닝되는 중간 전사 시트(25)를 적층 장치에 맞춤으로써 조형이 행해진다. 다른 패터닝 장치에 의한 패터닝 공정과, 적층 장치에 의한 적층 공정은 병렬적으로 행해질 수 있기 때문에, 또한, 각 공정의 택트 타임이 서로 상이한 경우에도 로스 타임이 감소될 수 있으므로, 생산성이 상당히 개선될 수 있다. 도 8에서, 참조 부호 23은 접착제를 단면층(14)에 부여하도록 기능하는 접착제 부여 기구를 나타낸다. 또한, 참조 부호 24는 사용된 중간 전사 시트를 나타낸다. 적층 장치의 나머지 구조는 도 1에 도시된 적층 유닛에서 설명된 것과 유사하다. 본 발명은 종래의 많은 입체 조형 방법과는 달리, 형성 중의 구조체에 대하여 패터닝이 반드시 행해지지는 않는, 즉 패터닝 기구가 동일한 장치에 반드시 제공되지는 않는 적층 과정에 관한 것이다. 본 발명에서, 각각의 방법 및 재료에 대하여 최적의 조건 하에서 제조된 단면 패턴이 사용될 수 있다. 즉, 구조체에 사용될 재료 및 조형 정밀도에 따라, 패터닝 장치는 많은 제한 없이 선택될 수 있을 것이다.

도 4는 도 1의 제조 장치(100)의 제어계를 도시하는 블록도이다. 전체를 참조 부호 100으로 나타내는 입체물 조형 장치에서, 참조 부호 101은 계 전체의 주제어부로서 기능하는 CPU이며, 각 유닛을 제어한다. 참조 부호 102는 메모리이며, 예를 들어 CPU(101)의 기본 프로그램을 저장한 ROM이나, 인터페이스(103)로부터 입력되는 구조체 데이터(104)의 보존이나 데이터 처리를 행하기 위해 사용되는 RAM에 의해 구성된다. CPU(101)가 조형 개시의 신호를 수신하면, 구조체 데이터를 설정 조건에 따라 출력하는 슬라이스 데이터로 변환하는 처리가 개시되고, 동시에, 반송 기구(2), 잉크젯 유닛(3), 조형 재료 공급 기구(5), 지지 부재 충전 기구(15), 승강 장치(19)의 상태를 확인하는 통신을 행한다. 조형이 개시가능한 상태라면, 위치 검출(105)의 정보에 따라 반송 기구(2), 승강 기구(19)가 각각의 미리 정해진 위치로 이동하고, 잉크젯 유닛(3)에 토출 신호가 보내져 조형이 개시한다.

계속해서, 도 1, 3 및 4 외에, 도 2a 내지 2j, 5a 및 5b, 6a 내지 6h를 참조하여, 적층 공정의 흐름을 설명한다. 도 2a 내지 2j, 5a 및 5b, 6a 내지 6h는 도 1과 마찬가지의 단면의 위치에서 본 경우의 적층 유닛(1000)에서의 적층 과정의 공정을 각각 나타내는 모식적 단면도이다.

또한, 도 2a 내지 2j에서는 승강 기구(19)를 생략해서 적층 유닛(1000)을 나타내고 있다. 또한, 도 2a 내지 2j, 5a 및 5b, 6a 내지 6h에서, 적층 유닛(1000)의 기구의 일부, 히터, 냉각 기구의 기재를 생략할 경우가 있다.

다음으로, 도 2a에 도시한 바와 같이, 중간 전사체(1)의 표면 상의 단면층(14)은 조형대(20)와 대향하는 위치에 준비된다.

계속해서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 전사면(제1 층 형성 시의 조형대의 표면)과 중간 전사체의 간격이 미리 정해진 값에 근접하도록 조형대(20)를 하강시켜, 용융 상태로 되어 있는 단면층(14)이 조형대(20)의 전사면에 접촉하고, 그 결과, 단면층(14)의 두께가 규제된다. 조형대(20)의 표면이 단면층(14)에 접촉하기 전, 혹은 조형대(20)의 표면이 단면층에 접촉하고 있는 상태에서, 히터(11)에 의해 단면층을 연화시켜서 용융을 촉진해도 된다.

계속해서, 도 2c에 도시한 바와 같이, 조형대(20)의 전사면(하면)의 중간 전사체(1) 사이의 공간에, 지지 부재 충전 기구(15)에 의해 지지 부재(18)를 형성하기 위한 지지 재료(16)를 용융 상태에서 주입한다. 지지 재료(16)는, 단면층(14)과 마찬가지로, 중간 전사체(1)의 표면에 접촉한다.

본 실시 형태에서 사용할 수 있는 지지 재료(16)에는, 외부 자극에 의해 고체와 액체의 상변화가 가역적으로 이루어질 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 융점을 넘어서 열 자극(가열, 냉각)을 부여함으로써 용융 상태와 고화 상태가 가역적으로 변화되는 화합물 중에서, 형성 중의 구조체를 용해시키지 않거나, 혼합되지 않는 재료를 사용하면 된다. 구체적으로는, 조형 재료(6)에 열가소성 플라스틱을 사용한 경우에는, 지지 재료(16)에는, 예를 들어 파라핀 왁스, 폴리(에틸렌 글리콜) 또는 저융점 융해 금속을 사용할 수 있다. 또한, 열적 자극에 의해 상 변화가 발생하는 재료뿐만 아니라, 전기 신호에 의해 유동성이 변화하는 ER 유체, 자장의 인가에 의해 유동성을 상실하는 자성 유체, 광 조사에 의해 얻어지는 액체 상태와, 가열에 의해 얻어지는 고체 상태가 가역적으로 변화하는 아조벤젠계 화합물을 지지 재료(16)로서 사용할 수 있다.

조형 재료(6)로서 열가소성 수지를 사용하고, 지지 부재(18)에 고체-액체 상 변화 자극으로서 열을 사용하는 경우, 조형 재료(6)보다 낮은 융점의 지지 부재(18)를 사용할 필요가 있다. 이러한 경우에는 지지 재료로서 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG)을 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 이러한 수지는 분자량의 조정에 의해 원하는 융점을 설정할 수 있는 동시에, 이러한 수지는 물에 녹는 성질이 있기 때문에, 구조체가 완성된 후의 처리 세정도 용이하기 때문이다.

도 2d에 도시한 바와 같이, 지지 재료(16)의 충전이 완료하면, 냉각 기구(12)에 의해 단면층(14), 지지 재료(16)를 냉각함으로써, 제1 층이 형성된다.

도 2e에 도시한 바와 같이, 적층 유닛을 상승시키면, 구조체(17)의 층과 지지 부재(18)로 형성되는 면(이후, "제1 면"이라고도 칭한다.)과, 중간 전사체(1)가 이격된다. 이러한 제1 면은 후속 공정에서 새롭게 적층되는 단면층(14)의 전사면으로서 기능하는 면이다. 용융한 지지 재료를 중간 전사체(1)의 표면과 조형대(20)로 규제해서 성형함으로써, 구조체(17)와 지지 부재(18)로 형성되고, 중간 전사체(1) 측에 배치되는 면(제1 면)이 정렬된다.

도 2f는 2층의 적층이 끝난 후의 상태를 나타내고 있다. 제3의 새로운 단면층(14)의 중간 전사체(1)와 반대 측의 제2 면(32)이, 조형대(20)로 지지된 형성 중의 구조체(17)와 지지 부재(18)로 형성되는 중간 전사체(1) 측에 배치된 제1 면(31)과 대향하도록 반송된다.

도 2g에 도시한 바와 같이, 제1 면(31)과 제2 면(32)이 서로 접촉된다. 이 공정에서는, 제1 면 중, 형성 중의 구조체(17)로 형성되는 면에 단면층(14)이 접촉하고 있다. 조형 용기(21) 내의 조형대(20)의 X 방향의 위치를 제어함으로써, 단면층(14)의 높이를 규제할 수 있다.

도 2h에 도시한 바와 같이, 제1 면(31)과 상기 제2 면(32)이 서로 접촉하고 있는 상태에서, 지지 부재(18)의 상태가 변화를 일으키게 한다. 이 공정에서는, 지지 부재(18)를 연화시키고, 연화함으로써 유동성이 증가한 연화 후의 지지 부재(18a)가 중간 전사체(1)의 표면과 단면층의 측면에 도달하게 이동시킨다. 중간 전사체(1)가 중력 방향의 하측에 배치되고, 조형대(20)가 중력 방향의 상측에 배치되면, 중력의 작용을 이용해서 지지 부재(18a)를 이동시킬 수 있다. 또한, 조형대(20)의 내부에 기체가 공급되고, 그 압력에 의해 중력의 작용을 사용하는 것과는 다른 방법으로 지지 부재(18a)를 이동시키는 것도 가능하다. 지지 부재의 연화는, 지지 부재(18)의 상 변화를 유도시켜 유동성을 변화시킴으로써 행하고, 예를 들어 사용되는 재료에 따라, 가열, 전압의 인가, 광 조사 등의 에너지의 부여에 의해 연화를 행할 수 있다. 예를 들어, 히터(11)로부터 발생된 열에 의해 가열을 행함으로써 지지 부재(18)를 연화시킬 수 있다.

도 2i에 도시한 바와 같이, 연화 후의 지지 부재(18a)를 고화함으로써 지지 부재(18)을 중간 전사체(1)의 표면 상에 재성형한다. 가열에 의해 지지 부재를 연화시킨 경우, 냉각함으로써 고화를 행한다. 이 공정도 사용되는 재료에 따라서 에너지의 부여, 혹은 부여한 에너지를 저감시키거나 흡수함으로써 행할 수 있다. 예를 들어, 냉각 기구(12)를 사용하여 가열에 의해 연화된 지지 부재(18a)를 고화시킬 수 있다. 이렇게 해서, 형성 중의 구조체(17)와 고화한 지지 부재(18)에 의해 중간 전사체(1)에 접촉하는 평탄한 제1 면(31)이 새롭게 형성된다. 이렇게 해서, 새롭게 지지 재료(16)를 주입하지 않고, 구조체(17)의 다른 부분을 지지하고 있었던 지지 부재(18)를 이동시킴으로써, 단면층(14)을 지지하고, 순차적으로 적층되는 새로운 단면층(14)의 전사면으로서 기능하는 제1 면(31)의 일부를 형성할 수 있다.

도 2j에 도시한 바와 같이, 적층 유닛을 상승시키면, 중간 전사체(1)가 새롭게 형성된 제1 면(31)으로부터 제거된다.

계속되는 공정에 대해서는, 필요에 따라, 단면층(14)과 구조체(17)를 접촉시키기 전, 혹은 단면층(14)과 구조체(17)를 접촉시킨 상태에서, 지지 부재(18)를 중간 전사체 측으로 이동시키고, 상술한 바와 같이 단면층(14)과 구조체(17)의 적층을 반복해서 실시한다.

도 2j에서 나타낸 공정에 계속되어, 도 5a에 도시한 바와 같이, 제1 면(31)의 구조체(17)의 부분보다도 넓은 제2 면을 갖는 단면층(14)을 적층할 수도 있다. 단면층은 제1 면의 적어도 일부에 적층되어도 좋고, 제1 면이 구조체만에 의해 형성되어도 된다. 이 경우, 적층 전에 지지 부재(18)로부터 제1 면(31) 또한 형성해 두었으므로, 도 5b에 도시한 바와 같이, 단면층(14)의 제2 면(32)을 지지 부재로 형성된 제1 면(31)과 접촉시켜도 된다. 이와 같은 공정에 따르면, 전사가 효율적으로 행해질 수 있다. 또한, 예를 들어, 도 5b에 나타내는 공정 이후에, 연화에 의해 도 5c에 도시된 바와 같이 지지 부재(18)가 이동된 후에, 도 5d에 도시된 바와 같이 더 고화되고, 도 5e에 도시된 바와 같이 적층이 더 행해지고, 이어서, 지지 부재(18) 또한 도 5f에 도시된 바와 같이 연화에 의해 다시 이동된다.

또한, 처음부터 지지 부재(18)를 사용하는 대신, 지지 부재(18)는 전술한 공정의 원하는 단계로부터 이용될 수 있다.

도 6a에 도시한 바와 같이, 중간 전사체(1)의 표면에서 연속적으로 형성되지 않은 단면층(14)이 구조체(17)와 대면하도록 준비된다. 단면층(14)의 상태를 적층 유닛 측에서 본 모습을 도 7에 나타낸다. 중간 전사체(1) 상의 단면층(14)은 일 부분(14a)와 다른 부분(14b)을 포함한다. 전사면으로 기능하는 제1 면은 형성 중의 구조체로부터 형성된다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 단면층(14)을 이미 형성된 구조체(17)의 부분에 적층한다. 단면층(14)의 일 부분(14a)은 구조체(17)와 접촉하지만, 다른 부분(14b)은 구조체(17)와 이격되고 있어 접촉하지 않으므로, 중간 전사체(1)만이 다른 부분(14b)을 지지한다.

개시로부터 상기까지의 적층 공정에서, 적층은 지지 부재를 사용하는 지지체 없이 행해질 수 있으며, 전술한 경우에는, 의도적으로 지지체를 사용하지 않고서 적층이 행해질 경우, 상기 공정이 단순화될 수 있다. 이 경우, 도 6c에 도시한 바와 같이, 지지체를 필요로 하는 층이 적층되는 단계에서, 연화된 지지 물질(16)이 먼저 주입된다.

또한, 도 6d에 도시한 바와 같이, 지지 부재(18)를 고화시킴으로써 다른 부분(14b)을 고정한다.

계속해서, 도 6e에 도시한 바와 같이, 중간 전사체(1)와 적층 유닛을 이격시킨다. 다른 부분(14b)은, 지지 부재(18)에 의해 형성 중의 구조체(17)에 고정되고 있으므로, 구조체(17)와 일체적으로 이동될 수 있다. 이 실시 형태에서는, 다른 부분(14b)의 중간 전사체(1)와 반대 측의 표면 F에도 지지 부재(18)가 설치되므로, 다른 부분(14b)이 측면 S만에 의해 지지되는 경우와 비교해서, 구조체(17)와 다른 부분(14b) 간의 접합 강도가 높다. 그리고, 중간 전사체(1)가 이격되므로, 다른 부분(14b) 및 구조체(17)에 의해 제1 면(31)이 노출된다.

계속해서, 도 6f에 도시한 바와 같이, 노출된 제1 면(31)과 새로운 단면층(14)의 제2 면(32)을 서로 대향시킨다.

그리고, 도 6g에 도시한 바와 같이, 제1 면(31)과 제2 면(32)을 서로 접촉시켜서, 형성 중의 구조체(17)와, 그것과 일체화된 다른 부분(14b)과, 적층된 새로운 단면층(14)이 구조체(17)로서 함께 일체화되어, 연속적인 형상이 형성된다.

계속해서, 도 6h에 도시한 바와 같이, 지지 부재(18)를 제거한다. 예를 들어, 지지 부재(18)를 가열에 의해 자동으로 제거해도 된다. 또한, 이와 같이 제거된 지지 부재(18)는 재활용되어도 된다. 중간 전사체(1)를 이격시키고 나서 지지 부재를 제거해도 되고, 완성된 구조체(17)와 함께 적층 유닛 외부로 이동시키고 나서 다른 용기 내에서 지지 부재(18)를 제거해도 된다.

이상과 같이 해서 도 3에 도시한 바와 같은 구조체를 얻을 수 있다.

이하에 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

실시예 1로서, 도 1에 도시된 장치를 사용해서 적층 조형에 의해 구조체의 제조를 행하였다.

먼저, 구조체의 데이터는 미리 정해진 두께의 층마다 슬라이스 데이터로서 준비할 수 있고, 본 실시예에서는 100μm 두께의 층마다의 슬라이스 데이터를 사용했다.

중간 전사체(1)로서, 0.4mm의 두께를 가지고, 고무 경도 40도의 0.2mm의 두께의 실리콘 고무(상품명: KE-1310, 신에츠 케미컬 제조)로 코팅된 PET 막을 사용했다. 중간 전사체(1)의 표면에서의 잉크의 탄력을 억제하기 위해서, 리모트 타입의 대기압 플라즈마 처리 장치(상품명: APT-203 rev., 세끼스이 케미컬 제조)에 의해 하기 조건 하에서 중간 전사체(1)의 표면 개질을 행했다.

[표면 개질 조건]

가스 타입의 유량: 에어 1,000cc/m, N₂ 6,000cc/min

입력 전압: 230V

주파수: 10kHz

처리 속도: 100mm/min

계속해서, 잉크가 중간 전사체(1) 상에서 확산되는 것을 억제하기 위해, 이하의 처방의 반응액을 단면층(14)을 형성하는 단면 패턴에 대응하는 위치에 잉크젯 헤드의 노즐을 사용하여 부여했다.

[반응액 처방]

[화학식 1]

Ca(NO₃)₂·4H₂O: 50질량부

계면 활성제(상품명: 아세틸라놀 EH, 가와켄 화인 케미컬 제조): 1질량부

디에틸렌글리콜: 9질량부

순수: 40질량부

계속해서, 잉크젯 헤드의 다른 노즐을 사용하여 하기 처방의 컬러 잉크를 부여해서 중간 전사체 위에 구조체의 단면의 잉크 패턴(4)을 형성했다.

[잉크 조성]

하기 안료: 3질량부

블랙: 카본 블랙(상품명: MCF 88, 미쯔비시 케미컬 제조), 시안: 피그먼트 블루 15, 마젠타: 피그먼트 레드 7, 옐로우: 피그먼트 옐로우 74

스티렌-아크릴산-아크릴산에틸 공중합체(산가: 240, 중량 평균 분자량: 5000): 1 질량부

글리세린: 10질량부

에틸렌 글리콜: 5질량부

순수: 80질량부

계속해서, 중간 전사체(1) 상의 잉크 상(14)에 조형 재료(6)로서 기능하는 폴리프로필렌 입자(평균 입경: 200μm)을 조형 재료 공급 기구(5)로서 동작하는 블레이드 코터에 의해 부여했다.

계속해서, 에어 나이프(8)로부터 풍속 30m/s의 제전된 공기를 중간 전사체(1)에 분사하여, 잉크 상 외부의 조형 재료(6)를 제거했다.

계속해서, 중간 전사체(1)의 이면으로부터 히터(11)에 의해 가열을 행하고, 약 170℃에서 잉크, 반응액 및 조형 재료(6)의 혼합물(7)을 용융해서 막을 형성하여, 평탄한 단면층(14)을 형성했다.

계속해서, 단면층(14)을 조형대(20)의 위치에 반송하고(도 2a), 미리 정해진 위치에 배치하고, 조형대(20)를 중간 전사체(1)의 표면에 대한 갭이 100μm인 위치까지 강하시켜서, 조형대(20)의 표면에 단면층(14)을 접촉시켰다(도 2b).

계속해서, 지지 재료(PEG 2000(폴리(에틸렌 글리콜), 중량 평균 분자량: 2000))을 약 70℃에서 용융시켜서 조형대(20)와 중간 전사체(1)의 사이에 충전했다(도 2c).

계속해서, 중간 전사체(1)의 이면에 설치된 냉각 기구(12)에 냉수를 순환시켜서 단면층(14)과 지지 재료(16)를 20℃로 냉각해서 고화시켜, 구조체(17)와 지지 부재(18)를 얻었다(도 2d).

계속해서, 조형대(20)를 구조체(17), 지지 부재(18)와 함께 상승시켜서(도 2e), 제1 층이 완성되었다.

이후, 50층의 단면층의 적층을 반복하여 형성 중의 구조체(17)의 높이(두께)가 5mm가 되었다. 전술한 공정 중에, 필요할 때마다, 지지 부재(18)를 70℃에서 용융시켜서 중간 전사체(1)의 표면에 낙하시키고(도 6c), 그 후에 20℃로 냉각시켜서 고화하여(도 6d), 전사 후에 얻어진 중간 전사체(1)의 표면층이, 구조체(17)와 지지 부재(18)로 형성되는 평활면으로 되었다.

전술한 조작을 반복해서 행하고, 합계 1,000회의 적층이 행해지면, 높이 10cm의 적층이 형성되었다(도 6g).

최종 층이 적층된 후, 조형대(20)를 상승시키기 전에, 용융된 지지 부재(18)를 지지 부재 충전 기구(15)를 사용하여 흡인 및 배출시켜서 자동 제거했다(도 6h). 그리고, 조형대로부터 구조체를 꺼냈다.

이상과 같이 얻어진 구조체에는, 적층 공정 중의 열 이력, 경시적 변화, 및 적층 시의 단면층과 전사면 간의 기울기에 의해 발생하는 층간 분리 및 지지 부재 잔류물은 관찰되지 않았다.

본 발명이 예시적인 실시 형태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 예시적인 실시 형태에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 아래의 청구범위의 범위는 모든 변경과, 등가 구조 및 기능을 포함하도록 최광의의 해석에 따라야 한다.

본 출원은 2012년 12월 13일 출원된 일본 특허 출원 제2012-272625호의 이익을 주장하며, 상기 일본 특허 출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로 인용된다.

Claims

구조체의 제조 방법으로서,
형성 중의 구조체가 상기 형성 중의 구조체를 형성하는 물질과 상이한 물질에 의해 형성된 지지 부재에 의해 지지된 상태에서, 상기 형성 중의 구조체에, 전사 부재의 표면에 설치되고, 상기 구조체로 형성될 층을 복수 회 적층하는 적층 공정을 포함하고,
상기 적층 공정에서, 상기 지지 부재의 상태를 변화시킴으로써 상기 지지 부재가 이동되어, 다음 적층에서 적층될 층을 수용하기 위한 표면을 형성하는 구조체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 적층 공정에서, 소정의 회(回, number-th)의 적층과 상기 소정의 회 다음 회의 적층의 사이에, 상기 지지 부재가 이동되는 구조체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 상태의 변화는 연화(softening)인 구조체의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 적층 공정은,
상기 형성 중의 구조체가 상기 지지 부재에 의해 지지된 상태에서, 상기 형성 중의 구조체 또는 상기 형성 중의 구조체와 상기 지지 부재로 형성되는 제1 표면의 적어도 일부와, 상기 전사 부재의 표면에 설치되고 상기 구조체로 형성될 층의, 상기 전사 부재의 반대 측에 위치하는 제2 표면을 접촉시키는 부공정과,
상기 제1 표면과 상기 제2 표면이 서로 접촉된 상태에서 상기 지지 부재를 연화시킴으로써 상기 지지 부재가 상기 전사 부재의 상기 표면에 도달하도록 이동시키는 부공정과,
이동된 상기 지지 부재를 고화시키는 부공정과,
상기 지지 부재가 고화된 후에, 상기 전사 부재를 상기 지지 부재로부터 제거함으로써, 상기 구조체로 형성될 층을 상기 형성 중의 구조체 및 고화된 상기 지지 부재에 의해 형성되는 표면의 적어도 일부에 전사하는 부공정을 포함하는 구조체의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 적층 공정은,
상기 전사 부재를 상기 지지 부재로부터 제거함으로써 노출되는 상기 지지 부재의 표면과, 상기 전사 부재의 표면에 설치되고 상기 구조체로 형성되기 위한 추가의 층의, 상기 전사 부재의 반대 측에 배치되는 표면을 접촉시키는 부공정을 더 포함하는 구조체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 구조체로 형성될 층이 상기 전사 부재의 상기 표면에 설치되는 일부분 및 다른 부분을 서로 격리된 상태로 포함하는 경우,
상기 제1 표면의 적어도 일부와 상기 제2 표면을 접촉시키는 상기 부공정에서, 상기 지지 부재가 상기 제1 표면보다 상기 전사 부재로부터 이격된 위치에 배치되고, 상기 구조체로 형성될 층의 상기 일부분과 상기 제1 표면의 상기 형성 중의 구조체의 일부분이 접촉하도록 설정되고, 상기 다른 부분과 상기 형성 중의 구조체가 이격되고,
상기 지지 부재를 이동시키는 상기 부공정에서, 상기 다른 부분의 측면에 도달하도록 상기 지지 부재가 이동되는 구조체의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 지지 부재를 이동시키는 상기 부공정에서, 상기 다른 부분의, 상기 전사 부재의 반대 측의 표면과 접촉하도록 상기 지지 부재가 이동되는 구조체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 지지 부재는 가열에 의해 연화되는 재료이며, 상기 지지 부재를 이동시키는 상기 부공정에서, 상기 지지 부재를 가열함으로써 상기 지지 부재가 연화되는 구조체의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 지지 부재가 금속을 포함하는 구조체의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 지지 부재가 폴리(에틸렌 글리콜) 또는 파라핀 왁스를 포함하는 구조체의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 지지 부재는 광 조사에 의해 연화되고, 가열에 의해 고화되는 재료로 형성되는 구조체의 제조 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층 공정에서, 상기 적층은 상기 지지 부재 없이 수행되고, 상기 지지 부재를 필요로 하는 층이 적층되는 단계에서는, 상기 지지 부재를 형성하기 위한 지지 재료가 먼저 주입되는, 구조체의 제조 방법.
구조체의 제조 장치로서,
형성 중의 구조체가 상기 형성 중의 구조체를 형성하는 물질과 상이한 물질에 의해 형성된 지지 부재에 의해 지지된 상태에서, 상기 형성 중의 구조체에, 전사 부재의 표면에 설치되고 상기 구조체로 형성될 층을 복수 회 적층하는 적층 장치와,
상기 적층 장치 내의 상기 지지 부재를 이동시키도록 상기 지지 부재의 상태를 변화시켜, 다음 적층에서 적층될 층을 수용하기 위한 표면을 형성하는 변화 장치를 포함하는 구조체의 제조 장치.
제13항에 있어서,
상기 적층 장치는, 소정의 회의 적층과 상기 소정의 회 다음 회의 적층의 사이에, 상기 지지 부재를 이동시키는 구조체의 제조 장치.
제13항에 있어서, 상기 상태의 변화는 연화인 구조체의 제조 장치.
제15항에 있어서,
상기 적층 장치는, 상기 형성 중의 구조체가 상기 지지 부재에 의해 지지된 상태에서, 상기 형성 중의 구조체 또는 상기 형성 중의 구조체와 상기 지지 부재로 형성되는 제1 표면의 적어도 일부와, 상기 전사 부재의 표면에 설치되고 상기 구조체로 형성될 층의, 상기 전사 부재의 반대 측의 위치하는 제2 표면을 접촉시키고,
상기 변화 장치는, 상기 지지 부재가 상기 전사 부재의 상기 표면에 도달하도록 이동시키기 위해 상기 제1 표면과 상기 제2 표면이 서로 접촉된 상태에서 상기 지지 부재를 연화시키고, 이동된 상기 지지 부재를 고화시키고,
상기 적층 장치는, 상기 변화 장치에 의해 상기 지지 부재가 고화된 후에, 상기 전사 부재를 상기 지지 부재로부터 제거함으로써, 상기 구조체로 형성될 상기 층을 상기 형성 중의 구조체 또는 상기 고화된 지지 부재로 형성되는 표면의 적어도 일부에 전사하는 구조체의 제조 장치.
제13항에 있어서,
상기 지지 부재는 가열에 의해 연화하는 재료이며, 상기 변화 장치는 상기 지지 부재의 가열에 의해 상기 지지 부재를 연화시키는 구조체의 제조 장치.
제17항에 있어서,
상기 지지 부재는 금속을 포함하는 구조체의 제조 장치.
제17항에 있어서,
상기 지지 부재가 폴리(에틸렌 글리콜) 또는 파라핀 왁스를 포함하는 구조체의 제조 장치.
제13항에 있어서,
상기 지지 부재는 광 조사에 의해 연화하고, 가열에 의해 고화되는 재료로 형성되는 구조체의 제조 장치.
제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층 장치는 상기 지지 부재 없이 상기 층의 적층을 개시하고, 상기 지지 부재를 필요로 하는 층이 적층되는 단계에서는, 상기 지지 부재를 형성하기 위한 지지 재료가 상기 적층 장치에 먼저 주입되는, 구조체의 제조 장치.