JP2015098165A - 3d印刷法 - Google Patents

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Abstract

【課題】支持構造を再利用することのできる3D印刷法を提供する。
【解決手段】ベース上に3D物体を形成するための3D印刷法を提供する。この方法は、少なくとも1つの支持部材を含むモデルライブラリを提供することと、少なくとも1つの支持部材をモデルライブラリから選択して、少なくとも1つの支持部材をベース上に配置することとを含む。ベースおよび支持部材の上に3D物体を印刷し、3D物体は、ベースに相対する少なくとも1つの張り出し部を有し、少なくとも1つの張り出し部とベースの間に少なくとも1つの支持部材が充填される。
【選択図】図1

Description

本発明は、3D印刷法に関するものである。
技術の進歩に伴い、レイヤーバイレイヤーモデル構築等の積層造形技術(additive manufacturing technology)を利用して物理的3Dモデルを形成する方法が数多く提案されてきた。一般的に、積層造形技術は、モデリングソフトウェアやCAD(computer−aided design)によって構築された3Dモデルの設計情報を連続積層された複数の薄い(擬二次元)断面層に変換する技術である。
現在、複数の薄い断面層を形成する方法は、数多く開発されている。例えば、プリンタヘッドは、通常、3Dモデルの設計情報から作成されるX‐Y‐Z座標に基づいて、ベース上でX‐Y座標に沿って移動し、造形材料を正確な断面層の形状に噴射する。そして、堆積物を自然硬化または強い光源により固体化させて希望の断面層にし、層毎に固体化して3D物体を形成する。3Dモデルの形成には、造形材料の特性によって異なる方法が使用される。例えば、レーザー粉末焼結法(selective laser sintering, SLS)や熱溶解積層法(fused deposition modeling, FDM)等の方法では、プラスチック材料を溶解または軟化させて印刷用「インク」として使用し、層を生成する。また、ステレオリソグラフィー(stereolithography, SLA)や薄膜積層法(laminated object manufacturing, LOM)等の方法では、液体材料を印刷用「インク」として使用する。プリンタは、ファイルから断面情報を読み出して、液体、粉末またはシート状の材料でこれらの断面を層毎に印刷し、一連の断面層を一つに接着してモデルを構築する。このような技術は、どの形状の物体も形成できることで知られている。
既存の3D印刷プロセスにおいては、どの形成法を使用して3D印刷を行うにしても、3D物体が張り出した部分を有する場合、つまり、張り出した部分とベースの間に空間が存在する場合は、張り出した部分とベースの間に支持構造を同時に印刷する必要がある。支持構造は、3D物体の張り出した部分に応力が集中するのを防ぐことを目的とするため、変形する。3D印刷プロセスが完了した後、上述した支持構造は、3D物体から取り外される。
上述した支持構造は、3D物体を支持するためだけに使用されるため、後で取り外さなければならないが、支持構造は再利用(recycle)できないため、無駄になる。3D物体の張り出し部が多ければ多いほど、より多くの支持構造が必要になる。その結果、より多くの材料が無駄になり、モデルの構築により多くの時間が必要となるため、3D印刷の効果が低下する。そのため、上述した問題を迅速に解決する必要がある。
本発明は、ベース上に3D物体を形成するための3D印刷法を提供する。少なくとも1つの支持部材を含むモデルライブラリを提供する。少なくとも1つの支持部材をモデルライブラリから選択して、ベース上に配置する。ベースおよび支持部材の上に3D物体を印刷する。3D物体は、ベースに相対する少なくとも1つの張り出し部を有し、少なくとも1つの張り出し部とベースの間に少なくとも1つの支持部材が充填される。
本発明の1つの実施形態において、3D印刷法は、さらに、3D物体の画像モデル(iconic model)を作成して、ベースに相対する画像モデルの張り出し部の高さを計算することを含む。そして、ベースに相対する張り出し部の高さよりも低いか、またはそれに等しい高さを有する支持部材をモデルライブラリから検索する。
本発明の1つの実施形態において、3D印刷法は、さらに、ベース上の張り出し部の正投影輪郭を計算することを含む。ベース上の張り出し部の正投影輪郭と近似または一致するベース上の正投影輪郭を有する支持部材をモデルライブラリから選択する。また、ベース上の支持部材の正投影領域面積は、ベース上の張り出し部の正投影領域面積よりも小さいか、またはそれに等しい。
本発明の1つの実施形態において、3D印刷法は、さらに、モデルライブラリから複数の支持部材を選択することを含み、ベース上の複数の支持部材の正投影輪郭は、ベース上の張り出し部の正投影輪郭と近似または一致する。また、ベース上の複数の支持部材の正投影領域面積の合計は、ベース上の張り出し部の正投影領域面積よりも小さいか、またはそれに等しい。
本発明の1つの実施形態において、少なくとも1つの支持部材は、柱(pillar)である。
本発明の1つの実施形態において、少なくとも1つの支持部材の材料は、3D物体の材料と同じである。
本発明の1つの実施形態において、ベースに相対する少なくとも1つの張り出し部の高さは、少なくとも1つの支持部材の高さよりも高い。3D印刷法は、さらに、少なくとも1つの支持部材の上に、少なくとも1つの張り出し部および廃棄部を印刷することを含み、廃棄部は、少なくとも1つの張り出し部および少なくとも1つの支持部材に取り外し可能に接続される。
本発明の1つの実施形態において、3D印刷法は、さらに、少なくとも1つの支持部材と廃棄部の間に分解構造を印刷することを含む。また、分解構造を介して、廃棄部および少なくとも1つの支持部材を分離する。
本発明の1つの実施形態において、分解構造は、整列穿孔(line−up perforation pore)の3D構造である。
本発明の1つの実施形態において、3D印刷法は、さらに、少なくとも1つの支持部材をモデルライブラリに再利用する(recycle)ことを含む。
3D印刷プロセスに必要な支持構造は全て、規格と型式の異なる支持部材を含むモデルライブラリから検索される。そのため、材料の無駄を減らして、製造プロセスの時間を節約し、製造プロセスの効果を向上させる。同時に、3D印刷の3D物体は、後の製造プロセスの複雑性を減らし、環境汚染も減らす。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
本発明の1つの実施形態に係る3D印刷法のフローチャートである。 図1の3D印刷法によって形成された3D物体の概略図である。 図2の構造の一部を示す概略的拡大図である。 本発明の別の実施形態に係る3D印刷法によって形成された3D物体の一部を示す概略的拡大図である。 図2の3D物体および支持構造のベース上の正投影である。 本発明の別の実施形態に係る3D物体および支持構造のベース上の正投影である。
図1は、本発明の1つの実施形態に係る3D印刷法のフローチャートである。図2は、図1の3D印刷法によって形成された3D物体の概略図である。図1および図2を同時に参照すると、本実施形態において、3D物体200は、3D印刷法に基づいて、ベース100の上に形成される。また、熱溶解積層法(FDM)やステレオリソグラフィー(SLA)等の既存の3D印刷法で行ってもよい。しかしながら、図2に示すように、3D物体200が張り出し部210を有する場合、どの3D印刷法を使用しても、十分な支持構造を張り出し部210に提供しなければならない。支持構造は、3D物体200を形成した後に、支持構造不足や張り出し部210に集中する応力によって変形が生じるのを防ぐことを目的とする。特に、本発明で説明する張り出し部210は、ベース100に直接接触していない3D物体200の一部を意味する。
言い換えると、3D印刷法で3D物体200を形成するプロセスにおいて、3D物体200の張り出し部210を支持する構造を同時に印刷する必要がある。そして、これらの支持構造を3D物体200から取り外して、予定の3D物体200が得られる。そのため、3D物体200の張り出し部210の領域が比較的大きい、または幅が広い場合、同時に印刷される支持構造も増えるため、材料の無駄やプロセス時間の増大を導くとともに、製造コストも増える。
そのため、本実施形態において提案する方法は、上述した問題の改善が可能である。再度図1を参照すると、本実施形態のステップS105において、まず、モデルライブラリを提供し、異なる大きさの柱状の支持部材を収集して、モデルライブラリに保存する。モデルライブラリ内の支持部材は、新しく作成された支持部材または前の3D物体を形成した後に再利用(recycle)された支持部材を含む。モデルライブラリの形成方法に制限はなく、モデルライブラリ内の支持部材の型式と数量は、時間と回数に伴い拡大される。
ステップS110において、操作者は、CAD(computer−aid design)またはコンピュータアニメーションモデリングソフトウェアを使用して、3D物体の画像モデルを作成しなければならない。その後、作成された3D画像モデルを層毎の断面に「分割」して、後のステップでベース100の上に層毎に印刷を行うよう3D印刷装置(図示せず)に指示する。また、上述したモデルライブラリは、CADまたはコンピュータアニメーションモデリングソフトウェアと同期する。
図2を例として、3D物体200およびその画像モデルについて同時に説明する。画像モデルが作成された後、ステップS120を行い、ベース100に相対する画像モデルの張り出し部210に必要な支持空間S1、つまり、ベース100上の3D物体200の局部的な張り出しによって定義された空間を計算する。ステップS130において、モデルライブラリを検索して、支持空間に適した少なくとも1つの支持部材P1をモデルライブラリから選択する。少なくとも1つの支持部材P1は、支持空間に適合し、3D物体200の取り外し可能な支持構造として使用される。選択された支持部材P1の数は限定されず、必要に応じて、1つまたはそれ以上の支持部材P1に対して最良の適合条件に基づいて選択される。以下、複数の支持部材P1を例に挙げて、説明を行う。
さらに、ステップS130は、条件の異なる複数の検索クエリ(searching query)を含み、3D物体200の材料特性および支持空間S1の大きさに基づいて、支持部材P1を選択する。ステップS131において、3D物体200およびベース100の材料特性に適合する支持部材P1を選択する。本実施形態において、支持部材P1および3D物体200の材料は同じであるため、3D物体200を形成する時に、張り出し部210と支持部材P1を結合するのに便利である。あるいは、支持部材は、結合力が良く、3D物体から容易に取り外すことのできる材料で形成してもよい。
支持部材P1の材料を確認した後、支持空間S1に適合する支持部材P1を検索する。ステップS133において、1つまたはそれ以上の支持部材P1を選択し、各支持部材P1の長さは、ベース100に相対する画像モデルの張り出し部210の高さよりも低いか、またはそれに等しい(図2に示したベース100に相対する支持空間S1の高さに等しい)。その後、ステップS135において、支持部材P1の断面輪郭を検索する。モデルライブラリから検索された1つまたはそれ以上の支持部材P1のうち、ベース100上の支持部材P1の正投影輪郭または正投影輪郭の集合は、ベース100上の画像モデルの張り出し部210の正投影輪郭よりも小さいか、またはそれに等しい。また、ステップS137において、支持部材P1の界面輪郭を検索する。そのため、モデルライブラリから検索された1つまたはそれ以上の支持部材P1のうち、支持部材P1の界面輪郭または界面輪郭の集合は、画像モデルの張り出し部210の輪郭と近似または一致する。ここで、界面は、支持部材P1と張り出し部210の接触面を意味する。なお、ステップS131〜S137の順番は、限定されない。
上述したステップS105〜S137は、全てCADまたはコンピュータアニメーションモデリングソフトウェアの関連クエリであるため、ユーザーは、3D物体200の画像モデルが作成された時に、既存のモデルライブラリから適切な支持部材P1またはその集合を選択することができる。その後、次のステップS140において、必要な支持部材を含む前記画像モデルの関連情報を3D印刷装置に入力する。そして、ステップS150およびS160において、3D印刷装置が入力した関連情報に基づいて検索した支持部材P1をモデルライブラリから取り出して、ベース100の所定位置に配置し、ベース100および支持部材P1の上に3D物体を3D印刷する。したがって、3D印刷の製造プロセスにおいて、全体の支持部材P1を形成する必要はない。そのため、本実施形態は、3D印刷時間を節約し、コストを効果的に下げることができる。また、取り外し可能な支持部材を使用することにより、印刷材料を節約することもできる。
一方、本実施形態において、3D印刷プロセスにおける3D物体200の形状または輪郭は様々である。つまり、張り出し部210の位置、輪郭および大きさは、固定されない。したがって、上述したステップS133〜S137に基づいて、全てまたは大部分の条件に適合する支持部材P1をモデルライブラリから検索できない可能性もある。ここで、条件とは、上述したように、ベース100に相対する画像モデルの張り出し部210の高さに等しい支持部材P1の長さ、ベース100上の画像モデルの張り出し部210の正投影輪郭に等しいベース100上の支持部材P1の正投影輪郭、および画像モデルの張り出し部210の輪郭と一致する支持部材P1の界面輪郭を指す。以下の実施形態を提供して、上述した条件の一部が満たされなかった時のモデルライブラリの検索方法について説明する。
図3は、図2の構造の一部を示す概略的拡大図である。図1〜図3を同時に参照すると、支持部材P1の長さに関しては、張り出し部210の輪郭が規則的ではないため、ベース100に相対する高さL2は、X‐Y面の位置とともに変化する。そのため、ステップS133において、張り出し部210の界面輪郭および高さと完全に一致する支持部材がモデルライブラリにない時は、より近い適合条件になるよう、長さが短いがL2条件に近い支持部材P1が検索される。図3に示すように、本実施形態では、高さL1の支持部材P1が、モデルライブラリにおいて、高さL2の張り出し部210に最も近い対象として選択される。その後、ステップS160において、3D印刷装置は、支持部材P1のベース上に廃棄部P2および3D物体200を形成することができ、廃棄部P2は、支持部材P1と張り出し部210の間に充填され、廃棄部P2の体積は、支持部材P1の体積よりも小さい。言い換えると、3D印刷プロセスにおいて、支持部材P1のベースの上にそれよりも体積の小さい廃棄部P2を形成するだけでよく、その後、3D物体200が形成される。つまり、ベース100の上に再度完全な支持構造(支持部材P1と廃棄部P2)を形成する必要はないため、形成する3D物体200の材料の量と製造プロセスの時間を減らすことができる。
言及すべきこととして、本実施形態において、分解構造300は、例えば、図3に示した整列穿孔(line−up perforation pore)の3D構造のように、3D印刷プロセスにおいて、支持部材P1と廃棄部P2の間に形成される。3D印刷が完了した後、ステップS170において、形成された3D物体200、支持部材P1および廃棄部P2をベース100から取り外す。その後、ステップS180において、分解構造300により、3D物体200および廃棄部P2から支持部材P1を取り外すことができる。そして、ステップS190において、加工により廃棄部P2を3D物体200から取り外すことができる。廃棄部P2の取り外し方については制限がなく、物理的方法(例えば、ミリング)または化学的方法(例えば、溶解)を使用して廃棄部P2を取り外すことができる。最後に、ステップS200において、次の製造プロセスのため、取り外した支持部材P1をモデルライブラリに再利用(recycle)する。
図4は、本発明の別の実施形態に係る3D印刷法によって形成された3D物体の一部を示す概略的拡大図である。図4を参照すると、本実施形態では、ステップS137において、張り出し部210の輪郭f2に完全に適合する支持部材がモデルライブラリにない。そのため、現検索条件は、支持部材P1aを対象として使用しなければならず、界面の輪郭f1は、界面の輪郭f2に近いが、高さは、輪郭f2よりも低い。したがって、図4に示すように、検索したP1aに関しては、界面f1が上述した要件に確実に適合する。その結果、ステップS160およびS165において、3D印刷装置がベース100および支持部材P1aの上に3D物体200を形成する。同時に、廃棄部P2a(斜線で示す)が支持部材P1aと張り出し部210の間に形成される。これも、材料使用量を減らし、製造プロセス能力を上げる効果を達成する。また、同様にして、本実施形態(図3の実施形態を指す)において、支持部材P1aと廃棄部P2aの間にも分解構造が形成されるが、ここでは詳細説明を省略する。
図5は、図2の3D物体および支持構造のベース上の正投影である。図1、図2および図5を同時に参照しながら、ステップS135について説明する。上述したように、3D物体200の張り出し部210は、固定された輪郭ではない。したがって、ベース100上の張り出し部210の正投影輪郭D1に完全に適合する支持構造がモデルライブラリに1つしかない、または全くない時、複数の支持部材P1は、上述した正投影輪郭D1と近似する集合を形成して検索条件とするよう要求される。そのため、本実施形態では、ステップS135において、複数の支持部材P1を検索し、ベース100上の正投影輪郭P1bによって形成されたアセンブリが張り出し部210の正投影輪郭D1と近似する。また、ベース100上の複数の支持部材P1の正投影領域は、ベース100上の張り出し部210の正投影領域(正投影輪郭D1によって構成された領域)よりも小さいか、またはそれに等しい。そのため、複数の支持部材P1を使用して、張り出し部210を支持する。
しかしながら、本発明は、上述した輪郭近似法を限定しない。図6は、本発明の別の実施形態に係る3D物体および支持部材のベース上の正投影である。図6を参照すると、本実施形態では、異なる支持部材を選択してもよく、ベース100上のこれらの支持部材の正投影輪郭P1bおよびP1cもまた、正投影輪郭D2と近似する目的および支持部材の使用時間と量を減らす効果を達成する。言い換えると、実際の要求に応じて、本実施形態は、支持部材の検索条件として複数の異なる順列および組み合わせを使用して、要求に適合する支持部材を選択することができる。
以上のように、上述した実施形態は、規格と型式の異なる複数の支持部材を含むモデルライブラリにより、3D印刷プロセスに必要な支持構造を全てこのモデルライブラリから検索し、取得することができる。そのため、材料の無駄を減らして、製造プロセスの時間を短縮し、製造プロセスの効果を向上させることができる。同時に、3D印刷が完了した後の3D物体は、後の製造プロセスの複雑性を減らし、環境汚染を減らすこともできる。
さらに、モデルライブラリから支持部材を検索するプロセスにおいて、検索条件は、張り出し部の輪郭、下部支持空間の大きさ、モデルライブラリ内の既存の支持部材の型式と量によって変化する。支持部材および張り出し部の輪郭に完全に適合する支持部材がモデルライブラリにない場合、必要な大きさと一致させるため、複数の支持部材によって形成された集合が必要である。そのため、3D印刷の間、検索した支持部材の上にわずかな廃棄部を形成するだけで、3D物体の印刷を行うことができ、上述した効果も達成できる。
また、分解構造は、支持部材と廃棄部の間に同時に3D印刷されるため、3D印刷の後、支持部材を3D物体(および廃棄部)から取り外すプロセスや支持部材のモデルライブラリへの再利用に役立つ。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
3D印刷法においてモデルライブラリを提供し、規格や型式の異なる支持部材を含むモデルライブラリから3D印刷プロセスに必要な支持構造を検索することができる。3D印刷プロセスは、レイヤーバイレイヤーモデル構築等の積層造形技術の利用に適している。
100 ベース
200 3D物体
210 張り出し部
300 分解構造
D1、P1b、P1c 正投影輪郭
f1 界面
f2 輪郭
L1、L2 高さ
P1、P1a 支持部材
P2、P2a 廃棄部
S1 支持空間
S105〜S200 ステップ

Claims (11)

  1. ベース上に3D物体を形成するための3D印刷法であって、
    少なくとも1つの支持部材を含むモデルライブラリを提供することと、
    前記少なくとも1つの支持部材を選択して、前記少なくとも1つの支持部材を前記ベース上に配置することと、
    前記3D物体を前記ベースおよび前記少なくとも1つの支持部材の上に印刷することと
    を含み、前記3D物体が、前記ベースに相対する少なくとも1つの張り出し部を有し、前記少なくとも1つの張り出し部と前記ベースの間に前記少なくとも1つの支持部材が充填された3D印刷法。
  2. 前記3D物体の画像モデルを作成して、前記ベースに相対する前記画像モデルの張り出し部の高さを計算することと、
    前記モデルライブラリ内の前記少なくとも1つの支持部材から支持部材を検索し、前記支持部材の高さが、前記ベースに相対する前記画像モデルの前記張り出し部の高さよりも低いか、またはそれに等しいことと
    をさらに含む請求項1に記載の3D印刷法。
  3. 前記ベース上の前記画像モデルの前記張り出し部の正投影輪郭を計算することと、
    前記モデルライブラリ内の前記少なくとも1つの支持部材から前記支持部材を検索することと
    をさらに含み、前記ベース上の前記支持部材の正投影輪郭が、前記ベース上の前記張り出し部の正投影輪郭と近似または一致し、前記ベース上の前記支持部材の正投影領域面積が、前記ベース上の前記張り出し部の正投影領域面積よりも小さいか、またはそれに等しい請求項2に記載の3D印刷法。
  4. 前記モデルライブラリが、複数の支持部材を含み、前記3D印刷法が、さらに、
    前記モデルライブラリから複数の支持部材を選択することを含み、前記ベース上の前記複数の支持部材の正投影輪郭が、前記ベース上の前記張り出し部の前記正投影輪郭と近似または一致し、前記ベース上の前記複数の支持部材の正投影領域面積の合計が、前記ベース上の前記張り出し部の前記正投影領域面積よりも小さいか、またはそれに等しい請求項3に記載の3D印刷法。
  5. 前記少なくとも1つの支持部材が、柱である請求項1に記載の3D印刷法。
  6. 前記少なくとも1つの支持部材の材料が、前記3D物体の材料と同じである請求項1に記載の3D印刷法。
  7. 前記ベースに相対する前記少なくとも1つの張り出し部の高さが、前記少なくとも1つの支持部材の高さよりも高く、前記3D印刷法が、さらに、
    前記少なくとも1つの支持部材の上に、前記少なくとも1つの張り出し部および廃棄部を印刷することを含み、前記廃棄部が、前記少なくとも1つの張り出し部および前記少なくとも1つの支持部材に取り外し可能に接続された請求項1に記載の3D印刷法。
  8. 前記少なくとも1つの支持部材と前記廃棄部の間に分解構造を印刷することと、
    前記分解構造を介して前記廃棄部および前記少なくとも1つの支持部材を分離することと
    をさらに含む請求項7に記載の3D印刷法。
  9. 前記分解構造が、整列穿孔の3D構造である請求項8に記載の3D印刷法。
  10. 前記廃棄部の体積が、前記少なくとも1つの支持部材の体積よりも小さい請求項7に記載の3D印刷法。
  11. 前記少なくとも1つの支持部材を前記モデルライブラリに再利用することをさらに含む請求項1に記載の3D印刷法。
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