WO2015151611A1 - 積層造形物の製造装置、製造方法及び液状原料 - Google Patents

積層造形物の製造装置、製造方法及び液状原料 Download PDF

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英明 平林
晋聡 山本
治彦 石原
健一 大城
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    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to an apparatus, a method for manufacturing a laminate shaped article, and a liquid material.
  • An embodiment of the present invention provides a manufacturing apparatus, a manufacturing method, and a liquid material of a laminate shaped article having high raw material utilization efficiency.
  • a manufacturing apparatus of a laminate-molded article includes a stage, a head, and a movement mechanism.
  • the head irradiates an energy beam to the supplied liquid material while supplying the liquid material onto the stage to form a part of the layered object.
  • the movement mechanism moves the relative position between the head and the stage.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the manufacturing apparatus of the laminate-molded product according to the first embodiment. It is a flowchart figure which shows the manufacturing method of the laminate-molded article which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the apparatus for manufacturing a laminate-molded product according to the first embodiment.
  • the manufacturing apparatus 110 according to the present embodiment is provided with a head 10, a stage 40, and a moving mechanism unit 60.
  • the head 10 includes a raw material supply unit 11 and an energy beam irradiation unit 12.
  • the raw material supply unit 11 supplies the liquid raw material 20 onto the stage 40.
  • the energy beam irradiation unit 12 applies the energy beam 30 to the liquid raw material 20 to form a part of the layered object from the liquid raw material 20.
  • the moving mechanism unit 60 moves the relative position of the head 10 and the stage 40.
  • the movement mechanism unit 60 moves the head 10 or the stage 40 using, for example, an actuator, a motor or the like as a drive source.
  • the head 10 may move, the stage 40 may move, or both may move relative to each other. That is, the relative arrangement of the head 10 and the stage 40 can be changed.
  • the head 10 moves in the direction of the arrow 50.
  • the head 10 supplies the liquid raw material 20 from the raw material supply unit 11 onto the stage 40, and the energy ray irradiating unit 12 irradiates the supplied liquid raw material 20 with energy rays.
  • Each of a plurality of layers to be a laminate-molded article is sequentially formed.
  • the raw material supply unit 11 supplies (discharges) the liquid raw material 20 onto the stage 40.
  • a supply method various methods are applicable. For example, it can be selected from a dispenser method, an inkjet method, a slit coat method, a spin coat method and the like. That is, for example, a head of an inkjet method or a slit coat method is used for the raw material supply unit 11. Alternatively, a spinner spinner may be used. In the embodiment, any method can be used for the supply method.
  • the liquid raw material 20 contains a powder which is a material of the layered product.
  • powder metals, such as iron and stainless steel, are used, for example. Ceramics may be used as the powder. A mixture of metal and ceramic may be used as the powder.
  • resin powder (particles) may be used as the powder. The average particle diameter of the powder is, for example, 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • a slurry can be used as the liquid raw material 20.
  • the slurry is a mud-like fluid in which the powder is suspended in a liquid.
  • the viscosity of the slurry is preferably 1 or more and 200 cp or less.
  • the viscosity is preferably 1 or more and 50000 cp or less.
  • the viscosity is preferably 1 or more and 300 cp or less.
  • the liquid raw material 20 may further contain a solvent in addition to the above powder.
  • a solvent for example, alcohols such as ethanol and methanol, various ethers or ketones and the like are used.
  • the liquid material 20 may contain a liquid resin.
  • the liquid raw material 20 may contain a solvent and a resin.
  • a resin for example, a photocurable resin (for example, an ultraviolet curable resin) is used.
  • a thermosetting resin or the like may be used as the resin. That is, the liquid raw material 20 includes a powder serving as a material of the laminate-molded product, a resin containing at least one selected from the group consisting of a photocurable resin and a thermosetting resin, alcohols, ethers and ketones And D. a solvent containing at least one selected from the group consisting of
  • the energy beam irradiation unit 12 applies the energy beam 30 to the liquid material 20 in accordance with the shape of the layered object.
  • the energy beam irradiation unit 12 forms a part of the layered object from the liquid material 20 to which the energy beam 30 has been irradiated.
  • UV (ultraviolet) light can be used as the energy ray 30.
  • a laser beam for example, a carbon dioxide gas laser, a YAG laser, or the like
  • Each of the plurality of layers included in the layered object is formed by heating the liquid material 20 with the energy beam 30 while supplying the liquid material 20. And a desired laminate-molded article is formed by repeating these processes a plurality of times.
  • a laser beam is used as the energy beam.
  • the energy beam may be anything that can melt the material, such as a laser beam.
  • the energy beam may be an electron beam, a microwave, an electromagnetic wave in an ultraviolet region, or the like.
  • the head 10 is moved in the direction of the arrow 50 with respect to the stage 40, and the energy ray irradiation unit 12 supplies the liquid material 20 while supplying the liquid material 20 from the material supply unit 11 onto the stage 40.
  • 20 is irradiated with the energy beam 30 to form a part 20a of the layered object (step S1: corresponding to the first step).
  • step S2 corresponding to the second step.
  • a desired layered object can be obtained by repeating this step S2 multiple times.
  • the powder when the liquid raw material 20 contains a powder and a solvent, the powder is sintered by removing the solvent contained in the liquid raw material 20 by heating with the energy beam 30. Or, melt and solidify the powder. Thereby, a part of a laminate-molded article is formed.
  • the porous structure can be shaped by increasing the proportion of the resin.
  • a foaming agent such as sodium hydrogen carbonate
  • a gas such as carbon dioxide (carbon dioxide gas) is generated to form bubbles in the resin.
  • a laminate-molded article can be made into a porous structure.
  • Weight reduction is realized by the fact that the layered object is porous.
  • the treatment effect for example, a colored layer
  • the surface of the structural object becomes difficult to peel off due to the anchor effect.
  • the liquid raw material 20 contains metal powder and resin
  • a layer containing a plurality of materials metal, resin, etc.
  • tool called a squeegee may be implemented, and the time which modeling processing requires becomes long.
  • the flattening process can be omitted by using the liquid material. Since the energy ray is irradiated while supplying the liquid material, the shaping operation can be speeded up.
  • the energy ray is irradiated while supplying the liquid raw material containing the powder, the raw material is not removed by the flattening process or the like. For this reason, compared with the case where a powdery raw material is used, it is possible to increase the raw material utilization efficiency without wasting the raw material.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the method of manufacturing the laminate-molded product according to the second embodiment.
  • the head 10 is moved in the direction of the arrow 50 with respect to the stage 40 (step S11).
  • the energy ray irradiation unit 12 irradiates the energy ray 30 to the supplied liquid raw material 20 to form a part of the layered object (step S12: first step Equivalent).
  • the supply of the liquid raw material 20 is performed by the raw material supply unit 11.
  • it is selected from the dispenser method, the inkjet method, the slit coat method and the spin coat method.
  • the irradiation of the energy beam 30 is performed by the energy beam irradiation unit 12.
  • step S2 After the portion corresponding to one layer of the layered product is formed in step S2, the head 10 is set at the reference position (that is, the forming operation start position) on the stage 40 (step S13). It is determined whether all layers of the layered object have been formed (step S14). If it is determined in step S14 that all layers have not been formed (in the case of NO), the process returns to step S11 and the process is repeated. That is, while the liquid raw material 20 is supplied from the raw material supply unit 11 onto a part (layer) of the laminate-molded product, the energy ray irradiation unit 12 irradiates the energy ray 30 to the supplied liquid raw material 20 to laminate. Another part (another layer) of the shaped article is formed (step S12: corresponding to the second step). Thereafter, this process is repeated according to the shape of the layered object.
  • step S14 If it is determined in step S14 that all the layers have been formed (in the case of YES), the process ends. In this way, a desired layered product can be obtained.
  • the present invention has been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
  • the present invention can be appropriately selected from the known range by those skilled in the art. As long as it carries out similarly and can acquire the same effect, it is included in the scope of the present invention.
  • the manufacturing apparatus of the laminate-molded article described above as the embodiment of the present invention, the manufacturing method thereof, and the apparatus for manufacturing all the laminate-molded articles which can be suitably modified and implemented based on the liquid material The production method and the liquid raw material also fall within the scope of the present invention as long as the scope of the present invention is included.

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Abstract

【解決手段】実施形態によれば、積層造形物の製造装置は、ステージと、ヘッドと、移動機構部と、を含む。前記ヘッドは、液状原料を前記ステージ上に供給しつつ供給された前記液状原料にエネルギー線を照射して積層造形物の一部を形成する。前記移動機構部は、前記ヘッドと前記ステージとの相対的な位置を移動させる。

Description

積層造形物の製造装置、製造方法及び液状原料
　本発明の実施形態は、積層造形物の製造装置、製造方法及び液状原料に関する。
　例えば、原料を供給しつつレーザなどでその原料を加熱して、その原料を溶融させて、所望の形状の造形物を形成する積層造形物の製造装置がある。このような製造装置において原料利用効率の向上が望まれる。
特開２００６－２０００３０号公報
　本発明の実施形態は、原料利用効率の高い積層造形物の製造装置、製造方法及び液状原料を提供する。
　本発明の実施形態によれば、積層造形物の製造装置は、ステージと、ヘッドと、移動機構部と、を含む。前記ヘッドは、液状原料を前記ステージ上に供給しつつ供給された前記液状原料にエネルギー線を照射して積層造形物の一部を形成する。前記移動機構部は、前記ヘッドと前記ステージとの相対的な位置を移動させる。
第１の実施形態に係る積層造形物の製造装置を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る積層造形物の製造方法を示すフローチャート図である。
　以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。　
　なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。　
　なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
　（第１の実施形態）　
　図１は、第１の実施形態に係る積層造形物の製造装置を例示する模式的断面図である。
  本実施形態に係る製造装置１１０には、ヘッド１０と、ステージ４０と、移動機構部６０と、が設けられる。ヘッド１０は、原料供給部１１と、エネルギー線照射部１２と、を含む。原料供給部１１は、液状原料２０をステージ４０上に供給する。エネルギー線照射部１２は、液状原料２０にエネルギー線３０を照射して、液状原料２０から積層造形物の一部を形成する。移動機構部６０は、ヘッド１０とステージ４０の相対的な位置を移動させる。移動機構部６０は、例えば、アクチュエータ、モーターなどを駆動源として、ヘッド１０またはステージ４０を移動させる。ヘッド１０が移動しても良く、ステージ４０が移動しても良く、両方が相対的に移動しても良い。すなわち、ヘッド１０とステージ４０との相対的な配置を変更可能としている。
　例えば、ヘッド１０は、矢印５０の方向に移動する。ヘッド１０は、原料供給部１１から液状原料２０をステージ４０上に供給しつつ、エネルギー線照射部１２が、供給された液状原料２０にエネルギー線を照射する。積層造形物となる複数の層のそれぞれが、順次形成される。
　この例では、原料供給部１１は、液状原料２０をステージ４０上に供給する（吐出する）。供給方法としては、種々の方法が適用可能である。例えば、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法などから選択することができる。すなわち、原料供給部１１には、例えば、インクジェット法、またはスリットコート法のヘッドなどが用いられる。または、スピンコート法のスピンナを用いてもよい。実施形態において、供給方法には任意の方法を用いることができる。
　実施形態において、液状原料２０は、積層造形物の材料となる粉体を含む。粉体としては、例えば、鉄やステンレスなどの金属が用いられる。粉体として、セラミックスを用いても良い。粉体として、金属及びセラミックを混合したものを用いても良い。粉体として、樹脂の粉体（粒子）を用いても良い。粉体の平均粒径は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは、１０μｍ以上５０μｍ以下である。
　液状原料２０として、スラリーを用いることができる。スラリーは、粉体が液体の中に懸濁した泥状の流動体である。スラリーの粘度は、例えば、インクジェットの場合、１以上２００ｃｐ以下が好適である。スリットコートの場合、粘度は、１以上５００００ｃｐ以下が好適である。スピンコートの場合、粘度は、１以上３００ｃｐ以下が好適である。
　液状原料２０は、上記粉体に加え、さらに溶剤を含んでもよい。溶剤としては、例えば、エタノール、メタノール、等のアルコール類、各種エーテル類またはケトン類などが用いられる。
　液状原料２０は、液体状の樹脂を含んでもよい。液状原料２０は、溶剤と樹脂とを含んでいてもよい。樹脂としては、例えば、光硬化性樹脂（例えば、紫外線硬化樹脂）が用いられる。樹脂として、熱硬化樹脂などを用いても良い。すなわち、液状原料２０は、積層造形物の材料となる粉体と、光硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む樹脂と、アルコール類、エーテル類及びケトン類よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む溶剤と、を含んでいても良い。
　エネルギー線照射部１２は、積層造形物の形状に応じて、液状原料２０にエネルギー線３０を照射する。エネルギー線照射部１２は、エネルギー線３０が照射された液状原料２０から積層造形物の一部を形成する。エネルギー線３０としては、例えば、ＵＶ（紫外線）光を用いることができる。エネルギー線３０として、レーザ光（例えば、炭酸ガスレーザや、ＹＡＧレーザなど）などを用いることができる。積層造形物に含まれる複数の層のそれぞれは、液状原料２０を供給しつつ液状原料２０をエネルギー線３０で加熱して形成される。そして、これらの処理を複数回繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。
　本実施の形態においては、エネルギー線としてレーザ光を利用している。エネルギー線は、レーザ光のように材料を溶融できるものであればよい。エネルギー線としては、電子ビームや、マイクロ波、紫外線領域の電磁波などであってもよい。
　図１において、ステージ４０に対して、ヘッド１０を矢印５０の向きに移動させ、原料供給部１１からステージ４０上に液状原料２０を供給しつつ、エネルギー線照射部１２が、供給された液状原料２０にエネルギー線３０を照射して積層造形物の一部２０ａを形成する（ステップＳ１：第１工程に相当）。
　原料供給部１１から積層造形物の一部２０ａの上に液状原料２０を供給しつつ、エネルギー線照射部１２が、供給された液状原料２０にエネルギー線３０を照射して積層造形物の別の一部２０ｂを形成する（ステップＳ２：第２工程に相当）。このステップＳ２を複数回繰り返すことで、所望の積層造形物を得ることができる。
　上記において、液体原料２０が、粉体及び溶剤を含む場合、エネルギー線３０で加熱することで、液体原料２０に含まれる溶剤を除去しつつ、粉体を焼結させる。または、粉体を溶融して固化する。これにより、積層造形物の一部が形成される。
　一方、液体原料２０が、粉体及び樹脂を含む場合、エネルギー線３０で加熱することで、液体原料２０に含まれる樹脂を硬化させつつ、粉体を焼結または溶融して固化させる。これにより、積層造形物の一部が形成される。この場合、樹脂の比率を高めることで、ポーラス構造体（多孔質構造体）を造形することができる。ポーラス化には種々の方法がある。例えば、予め樹脂に発泡剤（炭酸水素ナトリウムなど）を混ぜておく。この発泡剤を加熱することで、二酸化炭素（炭酸ガス）等のガスを発生させ、樹脂内に気泡を形成させる。これにより、積層造形物をポーラス構造にできる。積層造形物がポーラスであることにより、軽量化が実現される。ポーラスであることによって、アンカー効果により、構造造形物の表面に設けられる処理層（例えば着色層）が剥がれにくくなる。
　液体原料２０が金属の粉体及び樹脂を含む場合、例えば、インクジェットにより液体原料２０を供給する際に、複数の材料（金属と樹脂など）を含む層を形成することができる。
　液状原料を用いない参考例がある。この参考例においては、金属やセラミックスなどの粉体をステージ上に直接供給する。粉体をステージの所定位置に精度良く供給することは困難である。そのため、粉体は、エネルギー線が照射されない位置にも供給される。このため、原料である粉体の利用効率が低い。
　これに対して、本実施形態によれば、例えば、積層造形物の材料となる粉体を含む液状原料を用いる。これにより、粉体原料と比べて、原料が供給される方向や速度などを制御し易い。所望の位置（エネルギー線が照射される位置）に原料を効率良く供給できる。これにより、原料利用効率を高めることができる。
　さらに、粉体原料を用いる参考例において、スキージと呼ばれる治具を用いた平坦化処理が実施される場合があり、造形処理に要する時間が長くなる。
　これに対して、本実施形態によれば、液状原料を用いることにより、平坦化処理を省略可能になる。液状原料を供給しつつエネルギー線を照射するため、造形動作が高速化できる。
　本実施形態によれば、粉体を含む液状原料を供給しつつエネルギー線を照射するため、平坦化処理等で原料が除去されてしまうことがない。このため、粉体原料を用いる場合と比べて、原料を無駄にすることがなく、原料利用効率を高めることができる。
　（第２の実施形態）　
　図２は、第２の実施形態に係る積層造形物の製造方法を示すフローチャート図である。
　製造装置１１０においては、ステージ４０に対して、ヘッド１０を矢印５０の向きに移動させる（ステップＳ１１）。液状原料２０をステージ４０上に供給しつつ、エネルギー線照射部１２が、供給された液状原料２０にエネルギー線３０を照射し、積層造形物の一部を形成する（ステップＳ１２：第１工程に相当）。液状原料２０の供給は、原料供給部１１により実施される。例えば、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法の中から選択される。エネルギー線３０の照射は、エネルギー線照射部１２により実施される。
　例えば、ステップＳ２で積層造形物の１つの層に対応する部分が形成された後に、ヘッド１０をステージ４０上の基準位置（すなわち、造形動作開始位置）にセットする（ステップＳ１３）。積層造形物の全ての層について形成できたか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、全ての層について形成されていないと判定した場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１１に戻り、処理を繰り返す。つまり、積層造形物の一部（層）の上に、原料供給部１１から液状原料２０を供給しつつ、エネルギー線照射部１２が、供給された液状原料２０にエネルギー線３０を照射し、積層造形物の別の一部（別の層）を形成する（ステップＳ１２：第２工程に相当）。以後、積層造形物の形状に応じて、この処理を繰り返す。
　ステップＳ１４において、全ての層について形成されたと判定した場合（ＹＥＳの場合）、終了する。このようにして、所望の積層造形物を得ることができる。
　実施形態によれば、原料利用効率の高い積層造形物の製造装置、製造方法及び液状原料が提供できる。
　以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、製造方法において用いられる粉体及び液状原料、並びに、製造装置に含まれるステージ及びヘッドなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
　また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
　その他、本発明の実施の形態として上述した積層造形物の製造装置、その製造方法及び液状原料を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての積層造形物の製造装置、その製造方法及び液状原料も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
　その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (7)

  1. 　ステージと、
    　液状原料を前記ステージ上に供給しつつ供給された前記液状原料にエネルギー線を照射して積層造形物の一部を形成するヘッドと、
    　前記ヘッドと前記ステージとの相対的な位置を移動させる移動機構部と、
    　を備えた積層造形物の製造装置。
  2. 　前記液状原料は、粉体を含む請求項１記載の積層造形物の製造装置。
  3. 　前記液状原料は、溶剤及び樹脂の少なくともいずれかをさらに含む請求項２記載の積層造形物の製造装置。
  4. 　前記ヘッドは、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法のいずれかの方法により、前記液状原料を供給する請求項１記載の積層造形物の製造装置。
  5. 　積層造形物の製造方法であって、
    　粉体を含む液状原料をステージ上に供給しつつ供給された前記液状原料にエネルギー線を照射して前記積層造形物の一部を形成する第１工程と、
    　前記積層造形物の一部の上に前記液状原料を供給しつつ供給された前記液状原料にエネルギー線を照射して前記積層造形物の別の一部を形成する第２工程と、
    　を含み、
    　前記第２工程を複数回繰り返す積層造形物の製造方法。
  6. 　前記液状原料は、溶剤及び樹脂の少なくともいずれかをさらに含む請求項５記載の積層造形物の製造方法。
  7. 　積層造形物の材料となる粉体と、
    　光硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む樹脂と、
    　アルコール類、エーテル類及びケトン類よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む溶剤と、
    　を含む液状原料。
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