TWI675739B - 三維造形物的製造裝置與三維造形物的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明的三維造形物的製造裝置包括：平板，可載置三維造形物；球體形成元件，在自瓷嘴的前端陸續抽出的導電性引線的前端部與點火棒之間施加高電壓，藉由放電的能量使引線的前端部熔融而形成球體；定位元件，使平板與球體形成元件相對移動而進行定位；以及結合元件，將形成於瓷嘴的前端的球體與已積層於平板上的另一球體接合；且藉由如下步驟，即，藉由球體形成元件形成球體、藉由定位元件使平板與球體形成元件相對移動、藉由結合元件將瓷嘴的前端的所形成的球體接合於另一球體而在平板上反覆進行積層，從而製造所需形狀的三維造形物。

Description

三維造形物的製造裝置與三維造形物的製造方法

本發明是有關於一種三維造形物的製造裝置及三維造形物的製造方法，特別是有關於一種可藉由使用導電性引線（wire），在引線的前端形成球體（ball），並使所形成的球體排列及積層而製造規定的三維造形物的三維造形物的製造裝置及三維造形物的製造方法。

先前，立體形狀等三維形狀的物體製作是對金屬等材料進行加工來進行。作為加工方法，已知有切削加工、壓製加工等，根據所加工的材質、形狀等，分別使用加工方法。

切削加工是使用切削工具類工具對金屬材料進行切削，而加工成規定的形狀及尺寸的加工方法。

並且，壓製加工是將板金等原材料強壓至模型，且剪切或成型為所需形狀的加工方法。壓製加工可藉由準備模型，而大量加工相同形狀的零件。

但是，在切削加工、壓製加工中，需要大規模的裝置，並且，加工機械是由專職的操作員來操作，故需要對機械操作熟練。

因此，在專利文獻1中，揭示有一種藉由在基材上依次堆積凝固的材料的多個層來製作規定形狀的三維物理物體的裝置。根據專利文獻1，製作三維物理物體的裝置是藉由如下方式來實現：自少量流出頭向基體或基構件上以規定的圖案以經控制的速度少量流出材料，且將材料以凝固且相互附著的多個層加以少量流出以形成物品。並且，在藉由少量流出頭形成新的層之前，進行控制，以使前一層的材料、至少使位於少量流出頭的下方的材料凝固。

如上所述，專利文獻1中所揭示的製作三維物理物體的裝置是藉由利用少量流出頭在基材上由凝固的材料依次堆積多個層來製造規定的形狀。

又，在專利文獻2中，揭示有一種使用指向雷射束，選擇性地燒結粉末而製造零件的方法。根據專利文獻2，使雷射束指向經分配的第一層粉末而使必要部分產生選擇性燒結，繼而在其上分配第二層粉末。使雷射束指向經分配的第二層粉末而使必要部分同樣地產生選擇性燒結，同時使所述經燒結的粉末部分與第一層粉末的經燒結的部分接合。可反覆進行此操作而一層一層地積層性地製造三維零件。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特公平8-2598號公報 [專利文獻2]日本專利第2620353號公報 [專利文獻3]日本專利第4427298號公報

[發明所欲解決之課題] 先前，使用導電性的材料的三維造形物是藉由利用切削加工等自原材料的塊體（block）中去除材料來製作。三維造形物是切取自原材料的塊體，故會產生原材料的浪費，並且在製造三維造形物之前耗費時間。

另一方面，在如專利文獻1所揭示的製作三維物理物體的裝置，在對在基板上凝固的材料加熱而使其軟化及熔解，並加以接合而積層的方法中，需要可在比較低的溫度下軟化及熔解的原材料。因此，具有如下問題：在形成造形物的過程中，造形物的形狀容易因溫度變化而變化。

藉由使用在高溫下軟化及熔解的物質，可減少造形過程中的因溫度變化而產生的造形物的形狀的變形。但是，在高溫下軟化及熔解的物質不易處理，因此在製作三維物理物體的裝置中，利用在高溫下軟化及熔解的物質來減少造形物的形狀變形的方法並不實用。

並且，在對專利文獻2所揭示的粉末材料照射雷射束，使材料熔解及軟化而製造造形物的方法中，用以製造造形物的粉末材料非常昂貴，此外，需要超出用於造形物的材料更多的粉末材料。因此，造形物的材料費升高。此外，由於藉由雷射裝置，將雷射以數微米單位照射至造形物，故而必須長時間地照射雷射，從而製造三維造形物需要時間。

因此，在本發明中，旨在提供一種三維造形物的製造裝置及三維造形物的製造方法，可藉由利用三維電腦輔助設計（computer-aided design，CAD）等設計三維物體，或利用三維掃描器等進行掃描，並基於所設計的資料或所掃描的資料，使用導電性引線，在引線的前端形成球體，使所形成的球體排列及積層，來製造規定的三維造形物。 [解決課題之手段]

為了達成所述目的，本發明的三維造形物的製造裝置是製造三維造形物的三維造形物的製造裝置，其特徵在於包括：平板，可載置所述三維造形物；球體形成元件，藉由插通於瓷嘴（capillary），在自該瓷嘴的前端陸續抽出的導電性引線的前端部與點火棒（spark rod）之間施加高電壓，而在所述引線的前端部形成球體；定位元件，使所述平板與所述球體形成元件相對移動而進行定位；以及結合元件，所述平板的至少表面由導電性原材料構成，藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間施加電流，而將形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板或已積層於該平板上的另一球體中的至少任一者接合；並且藉由反覆進行如下步驟，而將所述球體積層於所述平板上，從而製造所需形狀的三維造形物，所述步驟包括：藉由所述球體形成元件形成所述球體；藉由所述定位元件進行定位；以及藉由所述結合元件進行形成於所述瓷嘴的前端的所述球體的接合。

又，本發明的三維造形物的製造裝置的特徵在於：藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與已積層於所述平板上的另一球體的表面之間以具有空隙（gap）的方式而靠近的狀態下，在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間施加高電壓，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。

又，本發明的三維造形物的製造裝置的特徵在於：藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與已積層於所述平板上的另一球體的表面相接觸的狀態下，使電流流入至形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。

又，所述三維造形物的製造裝置的特徵在於：設置有對所述瓷嘴施加超音波振動的超音波施加元件，藉由亦併用所述超音波施加元件所施加的超音波振動，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。

又，本發明的三維造形物的製造裝置的特徵在於：形成於所述瓷嘴的前端的所述球體是在沿與如下的線交叉的面的方向上受到超音波振動，所述線是將形成於所述瓷嘴的前端的所述球體的中心與已積層於所述平板上的另一球體的中心加以連結的線。

又，本發明的三維造形物的製造裝置的所述球體形成元件的特徵在於：藉由變更自所述瓷嘴的前端陸續抽出的所述引線的長度、及所述引線的前端部與所述點火棒之間的絕緣崩潰後的放電電流或放電電壓的大小中的至少任一者，來調節所述球體的大小。

又，所述三維造形物的製造裝置的特徵在於：設置有對所述瓷嘴施加壓力而對所述瓷嘴前端的所述球體施加壓力的加壓元件，藉由併用所述加壓元件所施加的壓力，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。

又，所述三維造形物的製造裝置的特徵在於：設置有對所述瓷嘴的前端的所述球體進行加熱的加熱元件，藉由併用來自所述加熱元件的加熱，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。

又，所述三維造形物的製造裝置的特徵在於：設置有對所述瓷嘴施加超音波振動的超音波施加元件、對所述瓷嘴施加壓力而對所述瓷嘴前端的所述球體施加壓力的加壓元件、及對所述瓷嘴前端的所述球體進行加熱的加熱元件之中的任兩者以上，藉由進而併用所述超音波施加元件、所述加壓元件及所述加熱元件之中的任兩者以上，接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。

本發明的三維造形物的製造方法是製造三維造形物的三維造形物的製造方法，其特徵在於包括：球體形成製程，藉由插通於瓷嘴，在自該瓷嘴的前端陸續抽出的導電性引線的前端部與點火棒之間施加高電壓，而在所述引線的前端部形成球體；定位製程，使平板與在所述球體形成製程中所形成的所述球體相對移動而進行定位，所述平板可載置所述三維造形物，並且至少表面由導電性原材料構成；以及結合製程，藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間施加電流，而將形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板或已積層於該平板上的另一球體中的至少任一者接合；並且藉由反覆進行如下步驟，而將所述球體積層於所述平板上，從而製造所需形狀的三維造形物，所述步驟包括：藉由所述球體形成製程來形成所述球體；藉由所述定位製程來進行定位；以及藉由所述結合製程來進行形成於所述瓷嘴的前端的所述球體的接合。

[發明的效果]

根據本發明，利用導電性引線製造三維造形物，從而無需使用昂貴的導電性的粉末材料，故可降低材料費，從而可低價地製造三維造形物。

又，根據本發明，三維造形物的製造是利用使用高電壓的電火花在引線的前端製作球體，對所述球體進行熔敷並使球體排列及積層，故需要高溫熔解的引線原材料亦可靈活應對，從而可使用多種引線。

又，根據本發明，形成於瓷嘴的前端的球體與平板或已積層於平板上的另一球體中的至少任一者的接合是藉由在形成於瓷嘴的前端的球體與已積層的另一球體的表面之間以具有空隙的方式而靠近，且在球體與平板之間施加高電壓，來使球體熔融而接合，因此可確實地製造三維造形物。

又，根據本發明，可藉由使用導電性引線，在引線的前端形成球體，並使所形成的球體排列及積層來製造規定的三維造形物，因此無需如另一製造方法，利用雷射裝置選擇性地燒結粉末而製造零件。因此，藉由使用導電性引線，可使用較導電性的粉末材料低價的材料，因此可降低材料費，此外，由於不使用雷射裝置等昂貴的裝置，因此可低價地製造三維造形物。

又，當使用雷射裝置時，法律上規定必須進行雷射裝置的管理者的選任或設置場所的設定及管理等，但在本發明中無需雷射裝置，因此不受該些法律上的制約。

又，根據本發明，使用導電性引線，在引線的前端形成球體，並將所形成的球體加以積層而製造三維造形物。藉由球體而形成的三維造形物的面除了球體間的接合面以外均具有間隙，因此可使三維造形物輕量化。

又，本發明與使金屬構件等熔融而連續地形成三維造形的裝置不同，形成球體，並將所形成的球體加以積層而形成三維造形物，因此受到三維造形物的形狀限制的情況少，因此通用性優異。

又，根據本發明，利用藉由使電流流入至球體與平板之間而在球體的接觸面上所產生的熱來使球體熔融而接合，進而，藉由使用對瓷嘴施加超音波振動的超音波施加元件、對瓷嘴施加壓力而對瓷嘴前端的球體施加壓力的加壓元件、對瓷嘴的前端的球體進行加熱的加熱元件中的任一者，從而可更確實地進行球體間的接合。

以下，參照圖式，對本發明的三維造形物的製造裝置及用以實施三維造形物的製造方法的形態進行說明。再者，本發明是藉由使用具有導電性的金屬等的引線，在引線的前端形成球體，並使所形成的球體依次排列及積層來製作規定的三維造形物。藉由使用導電性引線，可使用較導電性的粉末材料低價的材料，因此可降低材料費，此外，由於未使用雷射裝置等昂貴的裝置，因此可低價地製造三維造形物。

[三維造形物的製造裝置的構成] 首先，利用圖1對三維造形物的製造裝置的構成進行說明。圖1是表示三維造形物的製造裝置的構成的概略圖。如圖1所示，三維造形物的製造裝置1包括：頭部3，使引線4的前端熔融而形成球體13（圖2所示），且使所形成的球體13排列及積層；作為定位元件的X軸移動裝置20，搭載頭部3且相對於水平面沿X軸方向移動；作為定位元件的Y軸移動裝置25，搭載X軸移動裝置20且相對於水平面沿Y軸方向移動；以及作為定位元件的Z軸升降移動裝置30，使將表面水平配置的平板40相對於水平面沿Z軸方向垂直移動。

X軸移動裝置20包括可控制旋轉角或位置的X軸用馬達21。X軸移動裝置20的X軸用馬達21是藉由控制裝置50來控制，藉由被X軸用馬達21驅動的滾珠螺桿（ball screw）機構、滑動機構，使得頭部3移動至X軸方向上的規定位置。

並且，Y軸移動裝置25包括可控制旋轉角或位置的Y軸用馬達26。Y軸移動裝置25的Y軸用馬達26是藉由控制裝置50來控制，藉由被Y軸用馬達26驅動的滾珠螺桿機構、滑動機構，使得頭部3移動至Y軸方向上的規定位置。

藉此，頭部3可藉由X軸移動裝置20及Y軸移動裝置25，而移動至X軸及Y軸上的規定位置。

又，如圖1所示，Z軸升降移動裝置30包括可控制旋轉角的Z軸用馬達31。Z軸升降移動裝置30的Z軸用馬達31是藉由控制裝置50來控制，藉由被Z軸用馬達31驅動的滾珠螺桿機構，使得載置有三維造形物80的平板40移動至Z軸方向上的規定位置。

[頭部的構成] 其次，利用圖2對三維造形物的製造裝置的頭部的構成進行說明。圖2是表示圖1所示的三維造形物的製造裝置的由虛線包圍的頭部的構成的構成圖。

如圖1及圖2所示，頭部3包括：引線4，纏繞在捲軸（reel）8上，具有導電性；引線供給裝置7，將纏繞在捲軸8上的引線4供給至瓷嘴12；引線夾（wire clamp）9，握持並釋放引線4；瓷嘴12，在軸芯上具有用以使引線4通過的細孔，前端呈圓錐形；以及點火棒19，在自瓷嘴12的前端陸續抽出的引線4的前端形成球體13。

引線4包含具有導電性的金屬的引線4，例如，由鐵、金、銅等材質形成。並且，引線4的直徑取決於形成三維造形物80的球體14的大小。

引線供給裝置7藉由馬達而使纏繞有引線4的捲軸8旋轉，且自捲軸8陸續抽出引線4而供給至瓷嘴12。在對瓷嘴12供給引線4的時序自控制裝置50發出信號，引線供給裝置7的馬達旋轉規定角度而對瓷嘴12供給引線4。

自捲軸8陸續抽出的引線4經由導引引線4的引線導引件10而導入至引線夾9。

引線夾9設置在纏繞有引線4的捲軸8與瓷嘴12之間的引線4的路徑上。

並且，引線夾9具有由螺線管（solenoid）等握持、釋放引線4的機構，藉由對所內置的螺線管等進行控制而進行引線4的握持、釋放。藉由利用引線夾9握持引線4，而將引線4固定在引線夾9上。

因此，可將由引線夾9固定的引線4的部位視為引線4的一端。例如，藉由在被引線夾9固定著引線4的狀態下，利用Z軸升降移動裝置30經由平板40向下拉扯位於瓷嘴12的前端的焊接於另一球體14上的球體13，來扯碎瓷嘴12的前端的球體13與引線4的邊界的部位，從而切斷球體13與引線4。藉此，引線4前端的球體13在引線4的頸（neck）部與引線4分離，使經分離的球體14積層於正在製造的三維造形物80的表面上。

並且，藉由利用引線夾9而釋放引線4，可使引線4在瓷嘴12內自由通過。例如，藉由在利用引線夾9釋放引線4的狀態下，利用Z軸升降移動裝置30經由平板40向下拉扯與球體14接合的瓷嘴12前端的球體13，可自瓷嘴12的前端陸續抽出引線4。

並且，引線夾9是作為放電焊接裝置60（圖3所示的）的作為球體形成元件的放電部65及作為結合元件的焊接部67的用以對瓷嘴12前端的球體13通電的一個電極而發揮作用。引線夾9的握持引線4的面與來自放電焊接裝置60的連接端子之間具有導電性。

即，將自與引線夾9連接的放電焊接裝置60的連接線送來的電壓（電力）供給至握持引線4的面，在關閉引線夾9的狀態下使來自放電焊接裝置60的電壓通入至引線4。

瓷嘴12由絕緣性的原材料形成，藉由瓷嘴安裝金屬零件18，將瓷嘴12的長度方向上的中心附近的外周表面固定在頭部3上。

瓷嘴12在長度方向上的軸芯上具有用以使引線4通過的細孔，其孔徑稍大於引線4的直徑。自瓷嘴12的前端陸續抽出引線4，藉由放電而形成於引線4的前端的球體位於瓷嘴12的前端。

並且，瓷嘴12的前端呈朝向前端逐漸變細的圓錐形。其目的在於：在製造三維造形物80時，防止瓷嘴12前端的側面與鄰接的球體14發生干擾。

點火棒19是前端部呈半球狀的形狀，且以點火棒19的前端部與自瓷嘴12前端陸續抽出的引線4的前端具有空隙的方式而安裝。藉由放電焊接裝置60，在引線4與點火棒19之間施加高電壓而進行放電，在引線4的前端形成用以製造三維造形物80的球體13。

如上所述，在引線4與點火棒19間施加高電壓而藉由放電能量球體13形成於瓷嘴12的前端。

Z軸升降移動裝置30的平板40載置三維造形物80，其表面或整體由導電性的原材料構成。因此，可使載置在平板40的表面上的使用導電性引線4的三維造形物80與平板40的表面處於導通狀態。

並且，平板40與放電焊接裝置60的焊接部67的另一個輸出端子連接，作為放電焊接裝置60的焊接部67的另一個電極而發揮作用。

[控制裝置的構成] 其次，利用圖3，說明進行三維造形物的製造裝置的控制的控制裝置。圖3是表示進行三維造形物的製造裝置的控制的控制裝置的構成的方塊圖。

如圖3所示，控制裝置50內置有進行三維造形物的製造裝置1的控制的控制部51。控制部51具有電腦，電腦在記憶體內儲存有進行三維造形物的製造裝置1的控制的程式。並且，控制裝置50包括對X軸移動裝置20的X軸用馬達21、Y軸移動裝置25的Y軸用馬達26及Z軸升降移動裝置30的Z軸用馬達31進行驅動的驅動部52。

並且，驅動部52進行頭部3的引線夾9的螺線管、引線供給裝置7的馬達的驅動。再者，驅動部52經由輸入輸出部54與控制部51連接。

控制裝置50的控制部51的電腦執行程式，進行製造三維造形物80的三維造形物的製造裝置1的控制。

並且，控制裝置50包括外部的裝置，例如，包括用以與圖7所示的包含電腦的運算裝置92進行通信而接收資料的通信部56。

[放電焊接裝置的構成] 放電焊接裝置60包括在引線4與點火棒19之間施加高電壓的作為球體形成元件的放電部65、以及進行瓷嘴12前端的球體13與放置在平板40上的位於所積層的最上方的球體14的接合（焊接）的作為結合元件的焊接部67。

放電焊接裝置60的作為球體形成元件的放電部65連接於點火棒19，在所述點火棒19與引線4之間施加高電壓。放電部65在引線4與點火棒19之間施加高電壓，藉由放電能量，而在自瓷嘴12的前端陸續抽出的引線4的前端形成球體13。

作為球體形成元件的放電部65可在自瓷嘴12的前端陸續抽出的導電性引線4的前端部與點火棒19之間施加高電壓，而使引線4的前端部與點火棒19之間的絕緣崩潰後的放電電流或放電電壓的大小可變化。藉由使放電電流或放電電壓的大小可變化，可調節經陸續抽出的引線4的球體13的大小。

並且，放電焊接裝置60的作為結合元件的焊接部67將形成於瓷嘴12的前端的球體13接合於平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者。藉由焊接部67的球體間的接合可採用空隙方式及接觸方式，所述空隙方式是在球體間設置空隙而利用電弧焊接的方式，所述接觸方式是使兩球體接觸，在接觸後使電流流入而利用藉由電阻發熱的電阻焊接的方式。

並且，控制裝置50包括可探測瓷嘴12前端的球體13與已積層於平板40上的另一球體14的導通狀態的導通探測電路58。導通探測電路58在經由引線夾9而連接的引線4與具有導電性的平板40之間施加低電壓，探測引線4前端的球體13與經層疊的球體14的表面的導通狀態。

藉由導通探測電路58，可探測瓷嘴12前端的球體13與平板40上的另一球體14是否已接觸。因此，可藉由來自導通探測電路58的探測信號，來判斷焊接部67的接合前的兩個球體13、球體14是否已接觸，從而進行球體13、球體14間的空隙的設定、球體間的接觸探測。

如上所述，藉由導通探測電路58，使得兩個球體的位置關係確定，因此可確實地藉由放電焊接裝置60的焊接部67來進行球體間的接合。

[三維造形物的製造] 其次，詳細說明三維造形物的製造裝置及三維造形物的製造方法的如下方法，即，利用藉由形成於瓷嘴的前端的球體與另一球體的接合而在平板上反覆進行積層來製造所需形狀的三維造形物的方法。

在半導體裝置中，已知有堆積凸塊，而確保所需的凸塊的高度的形成多層凸塊的結合方法。例如，在專利文獻3中的專利第4427298號公報中，揭示有如下的方法：利用瓷嘴支撐金屬引線，藉由放電使金屬引線熔融而在金屬引線的前端形成球體，對球體施加載荷及超音波振動，而進行結合以使球體層疊兩層以上，從而形成多層凸塊。

根據專利文獻3，先前，當使小徑的凸塊層疊而多層地形成凸塊時，僅藉由調節結合條件，無法穩定且確實地形成多層凸塊。

因此，專利文獻3所揭示的多層凸塊的形成方法是設為：在結合球體時，將自瓷嘴作用至球體的載荷相對於在更上層接合的球體設定得更小，來結合球體；在結合球體時，將自瓷嘴作用至球體的超音波輸出相對於在更上層接合的球體設定得更弱，來結合球體；以及在結合球體時，將自瓷嘴作用至球體的超音波振動的作用時間相對於在更上層接合的球體設定得更短，來結合球體。

藉此，在專利文獻3中，在堆積凸塊而形成多層凸塊時，可確實地堆積凸塊，藉此可確保所需的凸塊的高度，可獲得以穩定的狀態多層地堆積有凸塊的多層凸塊。

本發明是自瓷嘴12的前端陸續抽出引線4，藉由放電使引線4熔融而在引線4的前端形成球體13，且藉由在平板40上所層疊的球體14的表面上焊接瓷嘴12前端的球體13，而形成三維的造形物。

三維造形物的製造裝置的球體13與平板40或另一球體14的焊接是使用利用電弧焊接的空隙方式或利用電阻焊接的接觸方式。球體13由導電性的金屬形成，平板40具有導電性。藉此，層疊於平板40上的整個球體14均具有導電性。

如上所述，專利文獻3的多層凸塊結合是在球體上層疊球體而形成在垂直方向上高度高的凸塊。

另一方面，本發明的三維造形物的製造裝置1不僅可在垂直方向上，而且可在球體14的側面上焊接新的球體14。圖4是表示製造三維的造形物時，在積層球體的面上設有空間的一例的三維造形物的一部壁面的剖面圖。例如，如圖4所示，可在積層球體時設置空間15。圖4所示的空間15a位於球體14a的正上方，位於空間15a的上部的球體14b與左右的球體14c、球體14d的側面接合。並且，空間15b形成於平板40與球體14e之間。

如上所述，本發明的三維造形物的製造裝置1可在球體14的側面上焊接新的球體，因此對包含十字形狀等的沿水平方向延伸的三維造形物80的製造亦有效，從而具有在多層凸塊的結合中沒有的特徵。

並且，如圖4所示，本發明的三維造形物的製造裝置1中，由球體形成的三維造形物80的面除了球體間的接合面以外均具有間隙16，因此可使三維造形物80輕量化。

再者，本發明的三維造形物的製造裝置1可不設置球體間的間隙16，而製造三維的造形物。例如，在將瓷嘴12前端的球體13與球體14加以接合時，形成小球體而對瓷嘴12前端的球體13施加壓力，以填埋球體間的間隙16。並且，亦可利用藉由使電流流入至形成於瓷嘴的前端的球體13與平板40之間而在球體13、球體14的接觸面上所產生的熱，來使球體熔融而填埋球體間的間隙16。

並且，本發明與先前的形成多層凸塊的多層凸塊結合不同，在層疊球體時不施加壓力、超音波等，而使球體層疊，因此可製造無扁形球體而穩定的三維的造形物。

[空隙方式（電弧焊接）] 作為放電焊接裝置60的利用作為結合元件的焊接部67的接合方法，可採用空隙方式及接觸方式，所述空隙方式是自瓷嘴12陸續抽出的球體13與位於三維造形物80的最上方的球體14相靠近而進行接合的方式，所述接觸方式是自瓷嘴12陸續抽出的球體13與位於三維造形物80的最上方的球體14相接觸而進行接合的方式。

首先，說明自瓷嘴12陸續抽出的球體13與位於三維造形物80的最上方的球體14相靠近而進行接合的空隙方式。空隙方式是在形成於瓷嘴12的前端的球體13、與平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者的接合中，藉由在形成於瓷嘴12的前端的球體13與已積層於平板40上的另一球體14的表面之間以具有空隙的方式而靠近，且在形成於瓷嘴12的前端的球體13與平板40之間施加高電壓，來使球體13熔融而接合。當在球體13與平板40之間施加高電壓後，產生高溫的電弧，而使球體13熔融。

以下，利用圖5所示的流程圖，對藉由空隙方式的球體的接合進行說明。圖5是表示利用三維造形物的製造裝置製造三維造形物的製程的流程圖，表示藉由在形成於瓷嘴的前端的球體與平板之間施加高電壓，來使球體熔融而接合的情況。

首先，控制裝置50基於三維造形物的位置資料的資訊，使頭部3的瓷嘴12藉由X軸移動裝置20、Y軸移動裝置25而移動至X軸、Y軸的規定位置。並且，藉由Z軸升降移動裝置30而使平板40沿Z軸方向移動至規定位置附近（圖5所示的步驟S1）。

其次，打開引線夾9，自瓷嘴12陸續抽出引線4（步驟S2）。然後，關閉引線夾9（步驟S3）。

在關閉引線夾9後，在引線夾9與點火棒19之間藉由放電焊接裝置60的放電部65施加高電壓而形成球體13（步驟S4）。

其次，藉由Z軸升降移動裝置30，使平板40沿Z軸以低速上升而藉由導通探測電路58來檢查平板40上的另一球體14與瓷嘴12前端的球體13的導通狀態（步驟S5）。

控制裝置50在確認導通狀態之後，對Z軸升降移動裝置30進行控制，以使平板40的上升停止（步驟S6）。

其次，藉由Z軸升降移動裝置30而使平板40沿Z軸方向下降規定的距離，使得在球體13、球體14之間設置空隙（步驟S7）。

當平板40停止後，在平板40與引線夾9之間施加高電壓而對球體13進行熔敷（步驟S8）。藉此，使平板40上的另一球體14與瓷嘴12前端的球體13藉由電弧放電而接合。藉由電弧放電，放電空間變為高溫而使球體13與另一球體14熔融，且球體13及另一球體14產生變形而彼此相接觸、接合，以使得球體13及另一球體14向放電空間熔出。

其次，使Z軸升降移動裝置30下降，自瓷嘴12前端的球體13的引線頸部（引線前端的球體與球體表面上的引線的根部）扯碎引線4，使球體14與引線4分離（步驟S9）。

以後，反覆進行步驟S1至步驟S9的動作，積層三維造形物的位置資料份的球體而製作三維造形物（步驟S10）。

[接觸方式（電阻焊接）] 另一方面，接觸方式是在形成於瓷嘴12的前端的球體13、與平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者的接合中，使形成於瓷嘴12的前端的球體13與已積層於平板40上的另一球體14的表面相接觸，且利用藉由使電流流入至形成於瓷嘴12的前端的球體13與平板40之間而在球體13與另一球體14的接觸面上所產生的熱，來使球體13熔融而接合。在電流路徑上，球體13與另一球體14的接觸面具有電阻，藉由電流而產生由電阻引起的發熱，藉由所產生的熱而使球體13接合。

以下，利用圖6所示的流程圖，對藉由接觸方式的球體的接合進行說明。圖6是表示藉由三維造形物的製造裝置製造三維造形物的製程的流程圖，表示使形成於瓷嘴的前端的球體與已積層於平板上的另一球體的表面相接觸，且藉由使電流流入至球體與平板之間，來使球體熔融而接合的情況。

首先，控制裝置50基於三維造形物的位置資料的資訊，使頭部3的瓷嘴12藉由X軸移動裝置20、Y軸移動裝置25而移動至X軸、Y軸的規定位置。並且，藉由Z軸升降移動裝置30而使平板40沿Z軸方向移動至規定位置附近（圖6所示的步驟S20）。

其次，打開引線夾9，自瓷嘴12陸續抽出引線4（步驟S21）。然後，關閉引線夾9（步驟S22）。

在關閉引線夾9之後，在引線夾9與點火棒19之間利用放電焊接裝置60的放電部65施加高電壓而形成球體13（步驟S23）。

其次，藉由Z軸升降移動裝置30，使平板40沿Z軸以低速上升而藉由導通探測電路58來檢查平板40上的另一球體14與瓷嘴12前端的球體13的導通狀態（步驟S24）。

控制裝置50在確認導通狀態後對Z軸升降移動裝置30進行控制，以使平板40的上升停止（步驟S25）。

其次，在形成於瓷嘴12的前端的球體13與已積層於平板40上的另一球體14的表面相接觸的狀態下，使電流流入至球體13與平板40之間。藉由使電流流入，而在球體的接觸面上產生熱而使球體熔融（步驟S26）。藉此，使平板40上的另一球體14與瓷嘴12前端的球體13接合。

其次，使Z軸升降移動裝置30下降，自瓷嘴12前端的球體13的引線頸部扯碎球體13及引線，而使球體14與引線4分離（步驟S27）。

反覆進行步驟S20至步驟S27的動作，積層三維造形物的位置資料份的球體而製作三維造形物（步驟S28）。

如上所述，藉由放電焊接裝置60的焊接部67的接合方法可採用空隙方式及接觸方式，所述空隙方式是自瓷嘴12陸續抽出的球體13與位於三維造形物80的最上方的經積層的球體14相靠近而進行接合的方式，所述接觸方式是自瓷嘴12陸續抽出的球體與三維造形物80的經積層的位於最上方的球體14相接觸而進行接合的方式。

[藉由超音波振動等的三維造形物的製造] 又，本發明的三維造形物製造裝置亦可在藉由球體與另一球體的接合而層疊球體時，進行超音波振動、壓力、熱等的施加作為接合條件。並且，亦可使該些超音波振動、壓力、熱等的施加組合於接觸方式（電阻焊接）。

例如，三維造形物的製造裝置1包括對瓷嘴12施加超音波振動的超音波施加元件，形成於瓷嘴12的前端的球體13、與平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者的接合是設為利用來自超音波施加元件的超音波振動而進行。作為超音波施加元件，是設為在瓷嘴安裝金屬零件18上具備超音波喇叭（ultrasonic horn）、超音波振子（未圖示），且在超音波喇叭的前端附近安裝瓷嘴12。

[超音波的振動方向] 並且，在沿與如下的線交叉的面的方向上受到超音波振動，所述線是將形成於瓷嘴12的前端的球體13的中心與已積層於平板40上的另一球體14的中心加以連結的線。藉此，使超音波振動有效率地施加至球體，而促進接合。再者，超音波振動亦可為沿與如下的線正交的面的方向，所述線是將該球體13的中心與另一球體14的中心加以連結的線。此時，施加超音波振動的效率更進一步提高。

並且，三維造形物的製造裝置1進而包含對瓷嘴12施加壓力而對瓷嘴12前端的球體13施加壓力的加壓元件。形成於瓷嘴12的前端的球體13、與平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者的接合是設為利用來自加壓元件的壓力而進行。

加壓元件例如構成為在安裝有頭部3的瓷嘴12的臂部的長度方向上的中心附近設置支點，在與瓷嘴12相對向的臂部的端附近設置加壓機構，使瓷嘴在下方產生壓力。如上所述，藉由加壓機構，在球體與球體的接合過程中施加壓力。再者，使用有加壓元件的接合由於難以僅藉由加壓來進行接合，故同時使用接觸方式（電阻焊接）、施加超音波或加熱瓷嘴12的前端的球體13中的至少任一方式。

並且，三維造形物的製造裝置1進而包含對瓷嘴12的前端的球體13進行加熱的加熱元件。形成於瓷嘴12的前端的球體13、與平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者的接合是利用加熱元件所產生的熱來進行。

例如，設為在瓷嘴12的前端附近配置加熱器，利用加熱器對球體進行加熱。藉由對球體進行加熱，使得球體變得柔軟而容易變形，因此促進接合。

並且，三維造形物的製造裝置1包括對瓷嘴12施加超音波振動的超音波施加元件、對瓷嘴12施加壓力而對瓷嘴12前端的球體13施加壓力的加壓元件、對瓷嘴12的前端的球體13進行加熱的加熱元件中的任兩者以上，形成於瓷嘴12的前端的球體13與平板40或已積層於平板40上的另一球體14中的至少任一者的接合是使用超音波施加元件、加壓元件、加熱元件之中的任兩者以上來進行。

並且，在利用藉由在球體13與平板40之間施加電流而在球體13的接觸面上所產生的熱，來使球體13熔融而接合的電阻焊接中，亦可並用對接合面施加壓力或施加超音波振動中的至少任一者。

[三維造形物製造系統的構成]

其次，利用圖7，對使用三維造形物的製造裝置的三維造形物製造系統的構成進行說明。圖7是表示三維造形物製造系統的構成的構成圖。

如圖7所示，三維造形物製造系統90包括三維讀取裝置(三維掃描器)91、包含電腦的運算裝置92、顯示裝置93、三維造形物的製造裝置1、及對三維造形物的製造裝置1進行控制的控制裝置50。

三維讀取裝置91利用使用光等的掃描器等對所製造的整個立體物85進行掃描，輸出所測量的三維資料。

包含電腦的運算裝置92是接收來自三維讀取裝置91的三維資料，並轉換為可機械控制的資料的裝置。運算裝置92包括顯示資料或顯示裝置的狀態的顯示裝置93。並且，顯示裝置93亦作為輸入文字資料等的輸入裝置而發揮作用。

來自運算裝置92的經轉換的可機械控制的資料被輸出至控制裝置50，作為對三維造形物的製造裝置1進行控制的資料而使用。

[三維造形物的製造]

其次，利用圖8，說明利用三維造形物製造系統的至製造三維造形物為止的概要。圖8是表示三維造形物製造系統的至製造三維造形物為止的製程的概要的流程圖。

首先，藉由掃描器等三維讀取裝置91，對欲製造的整個物體進行掃描而讀取物體的三維資訊(圖8所示的步驟S40)。

其次，將經三維讀取裝置91讀取的資料輸出至運算裝置92，運算裝置92轉換為能夠以三維CAD資料等讀入的資料格式（步驟S41）。

再者，當然亦可使用已利用三維CAD等設計出欲製造的物體的資料，代替來自三維讀取裝置91的資料。

如上所述，藉由包含電腦的運算裝置92，將三維CAD資料轉換成可機械控制的資料。例如，作為可機械控制的資料，已知有作為機械控制用程式的G代碼（code）等。

經轉換的可機械控制的資料是記憶於記憶媒體中，或藉由通信元件而發送至控制裝置50。控制裝置50將所接收到的資料記憶於記憶裝置中（步驟S42）。

控制裝置50讀出所記憶的資料，進行X軸移動裝置20、Y軸移動裝置25、Z軸升降移動裝置30、頭部3等的控制，而進行三維造形物80的製造（步驟S43）。

如上所述，藉由利用掃描器等三維讀取裝置對藉由三維造形物製造系統而製造的整個物體讀取位置的資訊即座標資料，可在短時間內實施藉由三維造形物的製造裝置的至製造三維造形物為止的製程。

如以上所述，根據本發明，利用導電性引線製造三維造形物，從而無需使用昂貴的導電性的粉末材料，因此可降低材料費，從而可低價地製造三維造形物。

並且，根據本發明，製造三維造形物是利用使用高電壓的電火花在引線的前端製作球體，對該球體進行熔敷而使球體排列、積層，因此需要高溫熔解的引線原材料亦可靈活地對應，從而可使用多種引線。

並且，根據本發明，形成於瓷嘴的前端的球體、與平板或已積層於平板上的另一球體中的至少任一者的接合是藉由在形成於瓷嘴的前端的球體與已積層的另一球體的表面之間以具有空隙的方式而靠近，且在球體與平板之間施加高電壓，來使球體熔融而接合，因此可確實地製造三維造形物。

並且，根據本發明，可藉由使用導電性引線，在引線的前端形成球體，使所形成的球體排列及積層來製造規定的三維造形物，因此無需如其他製造方法，使用雷射裝置選擇性地燒結粉末來製造零件。因此，藉由使用導電性引線，可使用較導電性的粉末材料低價的材料，故可降低材料費，此外，由於不使用雷射裝置等昂貴的裝置，故可低價地製造三維造形物。

並且，當利用雷射裝置時，法律上規定必須進行雷射裝置的管理者的選任或設置場所的設定及管理等，但在本發明中無需雷射裝置，故而不會受到該些法律上的制約。

並且，根據本發明，使用導電性引線，在引線的前端形成球體，並將所形成的球體加以積層而製造三維造形物。藉由球體而形成的三維造形物的面除了球體間的接合面以外均具有間隙，因此可使三維造形物輕量化。

並且，本發明與使金屬構件等熔融而連續地形成三維造形的裝置不同，形成球體，並將所形成的球體加以積層而形成三維造形物，故而受到三維造形物的形狀限制的情況少，因此通用性優異。

並且，根據本發明，利用藉由使電流流入至球體與平板之間而在球體的接觸面上所產生的熱使球體熔融而接合，進而，藉由使用對瓷嘴施加超音波振動的超音波施加元件、對瓷嘴施加壓力而對瓷嘴前端的球體施加壓力的加壓元件、對瓷嘴的前端的球體進行加熱的加熱元件中的任一者，從而可確實地進行球體間的接合。

並且，藉由利用掃描器等三維讀取裝置對藉由三維造形物製造系統而製造的整個物體讀取位置的資訊即座標資料，可在短時間內實施利用本發明的三維造形物的製造裝置至製造三維造形物為止的製程。

本發明可不脫離其本質特性而具體化為多種形式。因此，所述實施形態主要是對本發明進行說明，當然並不對本發明進行限制。

1‧‧‧三維造形物的製造裝置

3‧‧‧頭部

4‧‧‧引線

7‧‧‧引線供給裝置

8‧‧‧捲軸

9‧‧‧引線夾

10‧‧‧引線導引件

12‧‧‧瓷嘴

13‧‧‧球體（瓷嘴的前端）

14、14a、14b、14c、14d、14e‧‧‧球體（積層於平板上）

15、15a、15b‧‧‧空間

16‧‧‧間隙

18‧‧‧瓷嘴安裝金屬零件

19‧‧‧點火棒

20‧‧‧X軸移動裝置（定位元件）

21‧‧‧X軸用馬達

25‧‧‧Y軸移動裝置（定位元件）

26‧‧‧Y軸用馬達

30‧‧‧Z軸升降移動裝置（定位元件）

31‧‧‧Z軸用馬達

40‧‧‧平板（導電性平板）

50‧‧‧控制裝置

51‧‧‧控制部

52‧‧‧驅動部

54‧‧‧輸入輸出部

56‧‧‧通信部

58‧‧‧導通探測電路

60‧‧‧放電焊接裝置

65‧‧‧放電部（球體形成元件）

67‧‧‧焊接部（結合元件）

80‧‧‧三維造形物

85‧‧‧立體物

90‧‧‧三維造形物製造系統

91‧‧‧三維讀取裝置（三維掃描器）

92‧‧‧運算裝置（電腦）

93‧‧‧顯示裝置

S1～S10、S20～S28、S40～S43‧‧‧步驟

圖1是表示三維造形物的製造裝置的構成的概略圖。 圖2是表示三維造形物的製造裝置的頭部的構成的構成圖。 圖3是表示進行三維造形物的製造裝置的控制的控制裝置的構成的方塊圖。 圖4是表示製造三維的造形物時，在積層球體的面上設有空間的一例的三維造形物的一部分壁面的剖面圖。 圖5是表示利用三維造形物的製造裝置製造三維造形物的製程的流程圖，表示藉由在形成於瓷嘴的前端的球體與平板之間施加高電壓，而使球體熔融而接合的情況。 圖6是表示利用三維造形物的製造裝置製造三維造形物的製程的流程圖，表示藉由使形成於瓷嘴的前端的球體與已積層於平板上的另一球體的表面相接觸，使電流流入至球體與平板之間，而使球體熔融而接合的情況。 圖7是表示三維造形物製造系統的構成的構成圖。 圖8是表示三維造形物製造系統的至製造三維造形物為止的製程的概要的流程圖。

Claims (10)

1. 一種三維造形物的製造裝置，製造三維造形物，所述三維造形物的製造裝置的特徵在於包括： 平板，可載置所述三維造形物； 球體形成元件，藉由插通於瓷嘴，在自所述瓷嘴的前端陸續抽出的導電性引線的前端部與點火棒之間施加高電壓，而在所述引線的前端部形成球體； 定位元件，使所述平板與所述球體形成元件相對移動而進行定位；以及 結合元件，所述平板的至少表面由導電性原材料構成，藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間施加電流，而將形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板或已積層於所述平板上的另一球體中的至少任一者接合；且藉由反覆進行如下步驟，而將所述球體積層於所述平板上，從而製造所需形狀的三維造形物，所述步驟包括： 藉由所述球體形成元件形成所述球體； 藉由所述定位元件進行定位；以及 藉由所述結合元件進行形成於所述瓷嘴的前端的所述球體的接合。
2. 如申請專利範圍第1項所述的三維造形物的製造裝置，其中 藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與已積層於所述平板上的另一球體的表面之間以具有空隙的方式而靠近的狀態下，在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間施加高電壓，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。
3. 如申請專利範圍第1項所述的三維造形物的製造裝置，其中 藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與已積層於所述平板上的另一球體的表面相接觸的狀態下，使電流流入至形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。
4. 如申請專利範圍第3項所述的三維造形物的製造裝置，其中 設置有對所述瓷嘴施加超音波振動的超音波施加元件， 藉由亦併用所述超音波施加元件所施加的超音波振動，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。
5. 如申請專利範圍第4項所述的三維造形物的製造裝置，其中 形成於所述瓷嘴的前端的所述球體是在沿與如下的線交叉的面的方向上受到超音波振動，所述線是將形成於所述瓷嘴的前端的所述球體的中心與已積層於所述平板上的另一球體的中心加以連結的線。
6. 如申請專利範圍第1項所述的三維造形物的製造裝置，其中 所述球體形成元件藉由變更自所述瓷嘴的前端陸續抽出的所述引線的長度、以及所述引線的前端部與所述點火棒之間的絕緣崩潰後的放電電流或放電電壓的大小中的至少任一者，來調節所述球體的大小。
7. 如申請專利範圍第3項所述的三維造形物的製造裝置，其中 設置有對所述瓷嘴施加壓力而對所述瓷嘴前端的所述球體施加壓力的加壓元件， 藉由併用所述加壓元件所施加的壓力，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。
8. 如申請專利範圍第3項所述的三維造形物的製造裝置，其中 設置有對所述瓷嘴的前端的所述球體進行加熱的加熱元件， 藉由併用來自所述加熱元件的加熱，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。
9. 如申請專利範圍第3項所述的三維造形物的製造裝置，其中 設置有對所述瓷嘴施加超音波振動的超音波施加元件、對所述瓷嘴施加壓力而對所述瓷嘴前端的所述球體施加壓力的加壓元件、對所述瓷嘴前端的所述球體進行加熱的加熱元件之中的任兩者以上， 藉由進而併用所述超音波施加元件、所述加壓元件、所述加熱元件之中任兩者以上，而接合形成於所述瓷嘴的前端的所述球體。
10. 一種三維造形物的製造方法，製造三維造形物，所述三維造形物的製造方法的特徵在於包括： 球體形成製程，藉由插通於瓷嘴，在自所述瓷嘴的前端陸續抽出的導電性引線的前端部與點火棒之間施加高電壓，而在所述引線的前端部形成球體； 定位製程，使平板與在所述球體形成製程中所形成的所述球體相對移動而進行定位，所述平板可載置所述三維造形物，並且至少表面由導電性原材料構成；以及 結合製程，藉由在形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板之間施加電流，而將形成於所述瓷嘴的前端的所述球體與所述平板或已積層於所述平板上的另一球體中的至少任一者接合；並且 藉由反覆進行如下步驟，而將所述球體積層於所述平板上，從而製造所需形狀的三維造形物，所述步驟包括： 藉由所述球體形成製程來形成所述球體； 藉由所述定位製程來進行定位；以及 藉由所述結合製程來進行形成於所述瓷嘴的前端的所述球體的接合。