JP2016016540A - Three-dimensional molding device and wire penetration mechanism unit - Google Patents
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Description
本発明は、成形材料を積層して立体造形物を造形する三次元造形装置及び三次元造形装置に取り付けるワイヤ貫入機構ユニットに関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus that forms a three-dimensional model by stacking molding materials and a wire penetration mechanism unit that is attached to the three-dimensional modeling apparatus.
三次元造形装置は、三次元ＣＡＤデータから直接樹脂成形品や金属成形品を造形する装置である。この装置は、三次元ＣＡＤデータに基づいて樹脂や金属を順次積層することによって立体造形を行うものであり、複雑な形状や可動部を有する成形品を一度に造形できる。そのため、金型による射出成形等の従来の造形方法よりも設計から製作までの時間を大幅に短くすることができるので、近年、製品開発時の試作品等の少量生産に利用されることが増えてきている。 The three-dimensional modeling apparatus is an apparatus that models a resin molded product or a metal molded product directly from three-dimensional CAD data. This apparatus performs three-dimensional modeling by sequentially laminating a resin and a metal based on three-dimensional CAD data, and can mold a molded product having a complicated shape and a movable part at a time. Therefore, the time from design to production can be significantly shortened compared to conventional modeling methods such as injection molding using a mold, and in recent years, it has been increasingly used for small-scale production of prototypes during product development. It is coming.
このように容易に立体造形物を造形可能な積層造形法の代表的な方法としては、光造形方式、熱溶解積層方式、粉末焼結方式、粉末積層方式等が知られている。例えば、光造形方式の一つであるインクジェット方式は、液化した樹脂材料を噴射した後、紫外線を照射して樹脂層を硬化させるものであり、高い形状寸法精度が得られることが特徴である。 As a representative method of the additive manufacturing method capable of easily forming a three-dimensional object as described above, an optical modeling method, a hot melt lamination method, a powder sintering method, a powder lamination method, and the like are known. For example, an inkjet method, which is one of optical modeling methods, is characterized in that after liquefied resin material is jetted, the resin layer is cured by irradiating with ultraviolet rays, and high shape dimensional accuracy is obtained.
インクジェット光造形方式の三次元造形装置は、一般に、紫外線硬化樹脂用インクジェットヘッド、サポート材用インクジェットヘッド、紫外線を照射する紫外線（ＵＶ）ランプ及び樹脂層表面を平坦にするローラを備えた、ｘ方向（平面視横方向）に駆動可能なプリンタヘッドと、ｚ方向（樹脂層の積層方向）に駆動可能な成形ステージとから構成されている。通常は紫外線硬化樹脂用インクジェットヘッドとサポート材用インクジェットヘッドとがｙ方向（ｘ方向と直交する平面視縦方向）にアレー状に配置されており、プリンタヘッドをｙ方向に駆動する必要がないようになっている。 An inkjet stereolithography type three-dimensional modeling apparatus generally includes an inkjet head for ultraviolet curable resin, an inkjet head for support material, an ultraviolet (UV) lamp for irradiating ultraviolet rays, and a roller for flattening the resin layer surface. It comprises a printer head that can be driven in the (horizontal direction in plan view) and a molding stage that can be driven in the z direction (the direction in which the resin layers are laminated). Usually, the UV curable resin ink jet head and the support material ink jet head are arranged in an array in the y direction (vertical direction perpendicular to the x direction) so that it is not necessary to drive the printer head in the y direction. It has become.
実際に三次元造形装置によって立体造形物を造形するときは、まず三次元ＣＡＤデータに従ってプリンタヘッドが＋ｘ方向に駆動され、成形ステージに紫外線硬化樹脂又はサポート材を吐出して一層ずつ樹脂層を塗布する。プリンタヘッドが−ｘ方向に駆動されるときにＵＶランプが樹脂層に対して紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂及びサポート材を硬化させる。平坦度が必要な成形においては、このときにローラが樹脂層の表面に押し当てられて表面を均していく。その後、成形ステージが成形された樹脂層の厚さの分だけｚ方向に降下する。この一連の動作が必要な回数繰り返されることによって樹脂層が積層されていき、最後にサポート材を取り除いて三次元ＣＡＤデータに基づいて立体造形された樹脂成形品を得ることができる。このようなインクジェット方式の三次元造形装置は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。
When actually modeling a 3D model using a 3D modeling machine, first the printer head is driven in the + x direction according to the 3D CAD data, and an ultraviolet curable resin or a support material is discharged onto the molding stage to apply a resin layer one layer at a time. To do. When the printer head is driven in the −x direction, the UV lamp irradiates the resin layer with ultraviolet rays to cure the ultraviolet curable resin and the support material. In molding that requires flatness, the roller is pressed against the surface of the resin layer at this time to level the surface. Thereafter, the molding stage descends in the z direction by the thickness of the molded resin layer. By repeating this series of operations as many times as necessary, the resin layer is laminated, and finally, the support material is removed, and a resin molded product that is three-dimensionally shaped based on the three-dimensional CAD data can be obtained. Such an inkjet three-dimensional modeling apparatus is disclosed in, for example, Patent Document 1 and
インクジェット方式を用いた三次元造形装置は、インクジェットプリンタの原理を応用できることから高精細化が容易であるという利点があるが、その一方で、紫外線硬化樹脂を硬化させた樹脂層を積層していくものであるため、層間の密着性がどうしても低くなってしまい、最終的な樹脂成形品の機械強度が低くなってしまうという問題がある。 The three-dimensional modeling apparatus using the ink jet method has an advantage that high definition is easy because the principle of the ink jet printer can be applied. On the other hand, a resin layer obtained by curing an ultraviolet curable resin is laminated. Therefore, there is a problem that the adhesion between the layers is inevitably lowered, and the mechanical strength of the final resin molded product is lowered.
また、現在のところ使用できる樹脂材料が紫外線硬化性樹脂に限定されているため、材料を改良して樹脂成形品の機械強度を高めようとしても限界がある。さらに、樹脂成形品の形状寸法が温度や湿度等の環境条件によって経時的に変化してしまうという問題もある。 Moreover, since the resin material which can be used at present is limited to the ultraviolet curable resin, there is a limit even if it is attempted to improve the mechanical strength of the resin molded product by improving the material. Furthermore, there is also a problem that the shape dimension of the resin molded product changes with time depending on environmental conditions such as temperature and humidity.
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、層間密着性を高めることによって機械強度の低下を抑えた立体造形物を造形することができる三次元造形装置を提供することを目的とする。また、本発明は、三次元造形装置において、層間密着性を高めることによって機械強度の低下を抑えた立体造形物を造形することができるように、三次元造形装置に取り付け可能なワイヤ貫入機構ユニットを提供することを目的とする。 This invention is made in view of such a point, and it aims at providing the three-dimensional modeling apparatus which can model the three-dimensional molded item which suppressed the fall of mechanical strength by improving interlayer adhesiveness. And In addition, the present invention provides a wire penetration mechanism unit that can be attached to a three-dimensional modeling apparatus so that a three-dimensional modeled object in which a decrease in mechanical strength is suppressed by increasing interlayer adhesion can be modeled in the three-dimensional modeling apparatus. The purpose is to provide.
上記目的のため、第一に本発明は、材料吐出手段から吐出された成形材料を硬化手段で硬化させて成形材料層を形成することを繰り返すことによって、複数の成形材料層を積層して立体造形物を成形ステージ上に造形する三次元造形装置であって、前記成形ステージ上でワイヤを前記立体造形物の前記複数の成形材料層の積層方向に貫入させるワイヤ貫入機構を備えることを特徴とする、三次元造形装置を提供する（発明１）。 For the above purpose, the present invention firstly stacks a plurality of molding material layers by repeating the formation of the molding material layer by curing the molding material discharged from the material discharging means by the curing means. A three-dimensional modeling apparatus that models a modeled object on a molding stage, comprising a wire penetration mechanism that allows a wire to penetrate in the stacking direction of the plurality of molding material layers of the three-dimensional modeled object on the molding stage. A three-dimensional modeling apparatus is provided (Invention 1).
上記発明（発明１）によれば、積層された成形材料層を貫くように立体造形物内にワイヤを埋入することにより、立体造形物を構成する成形材料層の層間密着性を高めることができるため、機械強度の低下を抑えた立体造形物を造形することができる。また、立体造形物中にワイヤを埋入することができるということは、ワイヤを基材として成形材料層を積層していくことができるということになり、従来成形が困難であった断面積の小さい細かい形状や、箱の側壁のような厚みの薄い形状も容易に造形することができる。 According to the said invention (invention 1), the interlaminar adhesion of the molding material layer which comprises a three-dimensional molded item can be improved by embedding a wire in a three-dimensional molded item so that the laminated molding material layer may be penetrated. Therefore, it is possible to model a three-dimensionally shaped object that suppresses a decrease in mechanical strength. In addition, the fact that a wire can be embedded in a three-dimensional structure means that a molding material layer can be laminated using the wire as a base material, and the cross-sectional area that has been difficult to mold conventionally Small fine shapes and thin shapes such as the side walls of boxes can be easily modeled.
上記発明（発明１）においては、前記ワイヤ貫入機構が、前記ワイヤを相対する方向から挟持するように配置された第１ローラ部材及び第２ローラ部材と、少なくとも第１ローラ部材を回転駆動するモータとを備え、前記モータが前記第１ローラ部材を回転駆動することにより、前記ワイヤが前記成形ステージに設けられた貫入孔から送り出されるように構成されていることが好ましい（発明２）。 In the said invention (invention 1), the said wire penetration mechanism arrange | positions the said wire from the opposing direction, the 1st roller member and 2nd roller member, and the motor which rotationally drives at least a 1st roller member It is preferable that the wire is fed out from a penetration hole provided in the molding stage when the motor rotationally drives the first roller member (Invention 2).
上記発明（発明２）においては、前記ワイヤ貫入機構が、前記モータによる前記第１ローラ部材の回転駆動量を制御する制御手段を更に備え、前記制御手段が、前記三次元造形装置によって成形材料層が一層積層される毎に当該一層の厚みに相当する長さだけ前記ワイヤが送り出されるように前記回転駆動量を制御することが好ましい（発明３）。 In the said invention (invention 2), the said wire penetration mechanism is further equipped with the control means which controls the rotational drive amount of the said 1st roller member by the said motor, The said control means is a molding material layer by the said three-dimensional modeling apparatus. It is preferable to control the rotational drive amount so that the wire is fed out by a length corresponding to the thickness of each layer each time one layer is stacked (Invention 3).
成形材料層の積層数が増していくにつれて、立体造形物の下側寄りの成形材料層にかかる荷重が増していく。成形材料層への荷重が増せば、ワイヤを貫入させるために成形材料層に形成された小孔が潰れ、ワイヤと小孔との間に生じる摩擦も大きくなる。上記発明（発明３）によれば、成形材料層の積層過程において、一層積層される毎にその層厚相当分だけワイヤを送り出していくことにより、成形材料層に形成された小孔が荷重により潰れる前に立体造形物に対してワイヤを貫入させていくことができ、途中でワイヤを立体造形物に貫入させることができなくなるおそれがなくなる。 As the number of molding material layers increases, the load applied to the molding material layer closer to the lower side of the three-dimensional structure increases. When the load on the molding material layer is increased, the small holes formed in the molding material layer to penetrate the wire are crushed, and the friction generated between the wire and the small holes is also increased. According to the above invention (Invention 3), in the process of laminating the molding material layer, each time one layer is laminated, the wire is fed by an amount corresponding to the layer thickness, so that the small holes formed in the molding material layer are caused by the load. The wire can be penetrated into the three-dimensional object before being crushed, and there is no possibility that the wire cannot be penetrated into the three-dimensional object on the way.
第二に本発明は、材料吐出手段から吐出された成形材料を硬化手段で硬化させて成形材料層を形成することを繰り返すことによって、複数の成形材料層を積層して立体造形物を造形する三次元造形装置に取り付けられるワイヤ貫入機構ユニットであって、前記立体造形物を載置する成形ステージと、該成形ステージ上でワイヤを前記立体造形物の前記複数の成形材料層の積層方向に貫入させるワイヤ貫入機構とを備えることを特徴とする、ワイヤ貫入機構ユニットを提供する（発明４）。 Secondly, the present invention repeats forming the molding material layer by curing the molding material ejected from the material ejection means by the curing means, thereby forming a three-dimensional object by laminating a plurality of molding material layers. A wire penetration mechanism unit attached to a three-dimensional modeling apparatus, wherein a molding stage for placing the three-dimensional modeled object and a wire penetrating in the stacking direction of the plurality of molding material layers of the three-dimensional modeled object on the molding stage A wire penetration mechanism unit is provided (Invention 4).
上記発明（発明４）によれば、積層された成形材料層を貫くように立体造形物内にワイヤを埋入することにより、立体造形物を構成する成形材料層の層間密着性を高めることができるため、機械強度の低下を抑えた立体造形物を造形することができる。また、立体造形物中にワイヤを埋入することができるということは、ワイヤを基材として成形材料層を積層していくことができるということになり、従来成形が困難であった断面積の小さい細かい形状や、箱の側壁のような厚みの薄い形状も容易に造形することができる。 According to the said invention (invention 4), the interlaminar adhesiveness of the molding material layer which comprises a three-dimensional molded item can be improved by embedding a wire in a three-dimensional molded item so that the laminated molding material layer may be penetrated. Therefore, it is possible to model a three-dimensionally shaped object that suppresses a decrease in mechanical strength. In addition, the fact that a wire can be embedded in a three-dimensional structure means that a molding material layer can be laminated using the wire as a base material, and the cross-sectional area that has been difficult to mold conventionally Small fine shapes and thin shapes such as the side walls of boxes can be easily modeled.
上記発明（発明４）においては、前記ワイヤ貫入機構が、前記ワイヤを相対する方向から挟持するように配置された第１ローラ部材及び第２ローラ部材と、少なくとも第１ローラ部材を回転駆動するモータとを備え、前記モータが前記第１ローラ部材を回転駆動することにより、前記ワイヤが前記成形ステージに設けられた貫入孔から送り出されるように構成されていることが好ましい（発明５）。 In the said invention (invention 4), the said wire penetration mechanism arrange | positions so that the said wire may be clamped from the opposing direction, and the motor which rotationally drives at least a 1st roller member It is preferable that the wire is sent out from a penetration hole provided in the molding stage when the motor rotationally drives the first roller member (Invention 5).
上記発明（発明５）においては、前記ワイヤ貫入機構が、前記モータによる前記第１ローラ部材の回転駆動量を制御する制御手段を更に備え、前記制御手段が、前記三次元造形装置によって成形材料層が一層積層される毎に当該一層の厚みに相当する長さだけ前記ワイヤが送り出されるように前記回転駆動量を制御することが好ましい（発明６）。 In the said invention (invention 5), the said wire penetration mechanism is further equipped with the control means which controls the rotational drive amount of the said 1st roller member by the said motor, The said control means is a molding material layer by the said three-dimensional modeling apparatus. It is preferable to control the rotational drive amount so that the wire is fed out by a length corresponding to the thickness of each layer each time one layer is stacked (Invention 6).
成形材料層の積層数が増していくにつれて、立体造形物の下側寄りの成形材料層にかかる荷重が増していく。成形材料層への荷重が増せば、ワイヤを貫入させるために成形材料層に形成された小孔が潰れ、ワイヤと小孔との間に生じる摩擦も大きくなる。上記発明（発明６）によれば、成形材料層の積層過程において、一層積層される毎にその層厚相当分だけワイヤを送り出していくことにより、成形材料層に形成された小孔が荷重により潰れる前に立体造形物に対してワイヤを貫入させていくことができ、途中でワイヤを立体造形物に貫入させることができなくなるおそれがなくなる。 As the number of molding material layers increases, the load applied to the molding material layer closer to the lower side of the three-dimensional structure increases. When the load on the molding material layer is increased, the small holes formed in the molding material layer to penetrate the wire are crushed, and the friction generated between the wire and the small holes is also increased. According to the above invention (Invention 6), in the process of laminating the molding material layer, the wire is fed by an amount corresponding to the layer thickness each time one layer is laminated, so that the small holes formed in the molding material layer are caused by the load. The wire can be penetrated into the three-dimensional object before being crushed, and there is no possibility that the wire cannot be penetrated into the three-dimensional object on the way.
本発明に係る三次元造形装置によれば、層間密着性を高めることによって機械強度の低下を抑えた立体造形物を成形することができる。また、本発明に係るワイヤ貫入機構ユニットによれば、当該ワイヤ貫入機構ユニットを三次元造形装置に取り付けることによって、当該三次元造形装置において層間密着性を高めることによって機械強度の低下を抑えた立体造形物を成形することができる。 According to the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention, it is possible to mold a three-dimensional modeled object in which a decrease in mechanical strength is suppressed by increasing interlayer adhesion. In addition, according to the wire penetration mechanism unit according to the present invention, a three-dimensional structure in which a decrease in mechanical strength is suppressed by increasing the interlayer adhesion in the three-dimensional modeling apparatus by attaching the wire penetration mechanism unit to the three-dimensional modeling apparatus. A model can be formed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る三次元造形システム９は、ヘッド部２と、ステージ部３と、制御部４と、データ作成端末５とからなる。ヘッド部２、ステージ部３及び制御部４は一つの三次元造形装置１を構成しており（図１において点線で囲まれた部分）、三次元造形装置１はデータ作成端末５にて作成された三次元ＣＡＤデータに基づいて立体造形物Ｓを造形する。本実施形態における三次元造形装置１は、いわゆるインクジェット光造形方式を採用した装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the three-dimensional modeling system 9 according to this embodiment includes a
ヘッド部２は、プリンタヘッド２０とヘッド駆動機構２４とからなり、プリンタヘッド２０は、紫外線硬化性樹脂（成形材料）を液体又は流体状態でインクジェット方式によって吐出する樹脂吐出ノズル２１と、吐出された紫外線硬化性樹脂を硬化させるために紫外線を照射する紫外線ランプ２２と、吐出された成形材料層の表面を平滑化するためのならしローラ２３とを備えている。プリンタヘッド２０は、樹脂吐出ノズル２１から成形材料を適切な位置に吐出させるために、ヘッド駆動機構２４によって図１における左右方向であるＸ方向、Ｘ方向に直交する水平方向であるＹ方向、ステージ部３に対するプリンタヘッド２０の相対位置を変化させる鉛直方向であるＺ方向に移動させることができる。
The
ステージ部３は、立体造形物Ｓを造形するために成形材料層が積層される成形ステージ３０と、立体造形物ＳにワイヤＷを貫入させていくためのワイヤ貫入機構３１と、成形ステージ３０及びワイヤ貫入機構３１が上面に設けられる基台３３と、基台３３を鉛直方向（Ｚ方向）に昇降させるステージ駆動機構３４とを備えている。
The stage unit 3 includes a
成形ステージ３０には、下側から立体造形物Ｓへ貫入させていくワイヤＷを送り出すための貫入孔３０１が穿設されている。なお、本実施形態においては、図１に示すように、成形ステージ３０に貫入孔３０１が一つのみ設けられているが、これに限られるものではなく、ワイヤＷを立体造形物Ｓに貫入させていく位置を柔軟に変更できるよう、複数の貫入孔を成形ステージ３０に穿設しておいてもよい。
The
ワイヤ貫入機構３１は成形ステージ３０の下側に設けられており、モータ３１１、第１ローラ部材３１２、第２ローラ部材３１３及びモータ制御回路３１４を備えている。第１ローラ部材３１２と第２ローラ部材３１３とは鉛直方向に並べて配置され、間にワイヤＷを挟み込めるように構成されており、第１ローラ部材３１２がモータ３１１によって回転駆動されることにより、成形ステージ３０に穿設された貫入孔３０１を通して立体造形物Ｓへと貫入させるために、ワイヤＷが送り出される。また、モータ制御回路３１４は、モータ３１１による第１ローラ部材３１２の回転駆動量を制御する。
The
なお、本実施形態においては、ワイヤＷとしてナイロンやポリエチレン、フロロカーボンといった合成繊維ワイヤを採用しているが、これに限られるものではなく、硬質樹脂、軟質樹脂、鉄、非鉄金属、カーボン素材、あるいはこれらの複合材料など、立体造形物に貫入させることができるワイヤであればその素材は限定されない。また、強度が必要な立体造形物Ｓであれば金属ワイヤを用いる、軽さが求められる立体造形物Ｓであれば樹脂ワイヤを用いるなど、立体造形物Ｓの用途や形状などによって適切な素材のワイヤを選択することが可能である。さらに、ワイヤＷを複数本同時に貫入することや、複数本を撚線として貫入することも許容される。 In this embodiment, a synthetic fiber wire such as nylon, polyethylene, or fluorocarbon is used as the wire W, but is not limited to this, and is not limited to a hard resin, a soft resin, iron, a non-ferrous metal, a carbon material, or The material of the composite material is not limited as long as the wire can be penetrated into the three-dimensional structure. In addition, a metal wire is used for the three-dimensional model S that requires strength, and a resin wire is used for the three-dimensional model S for which lightness is required. It is possible to select a wire. Furthermore, it is allowed to penetrate a plurality of wires W at the same time or to penetrate a plurality of wires W as stranded wires.
制御部４は、プリンタヘッド２０、ヘッド駆動機構２４及びステージ駆動機構３４に接続され、三次元ＣＡＤデータに基づいて、プリンタヘッド２０による立体造形物Ｓを造形するための動作や、ヘッド駆動機構２４及びステージ駆動機構３４による駆動動作を制御する。また、制御部４は、三次元造形装置１の外部に設けられたデータ作成端末５と通信可能に接続されており、データ作成端末５にて作成された三次元ＣＡＤデータを受け取ることができる。さらに、制御部４は、モータ制御回路３１４に接続されており、モータ制御回路３１４がモータ３１１の回転動作を制御するために必要な制御信号を取得することができるようになっている。
The
本実施形態の三次元造形装置１では、三次元ＣＡＤデータに基づいて、プリントヘッド２０がヘッド駆動機構２４によって移動されながら、樹脂吐出ノズル２１から吐出された液状の紫外線硬化性樹脂が成形ステージ３０上に塗布される。続いて、塗布された紫外線硬化性樹脂の樹脂層の表面をならしローラ２３で平坦に均しつつ、紫外線ランプ２２から紫外線を照射することによって樹脂層を硬化し、成形材料層が成形ステージ３０上に形成される。成形材料層が一層形成されると、その一層の厚みに相当する距離だけ成形ステージ３０がステージ駆動機構３４によって降下させられる。この一連の動作を繰り返すことによって複数の成形材料層が成形ステージ上に順に積層されていき、立体造形物Ｓが造形される。
In the three-dimensional modeling apparatus 1 of the present embodiment, the liquid ultraviolet curable resin discharged from the
本実施形態におけるワイヤ貫入機構３１による、立体造形物中にワイヤを埋入していく動作は次のように行われる。まず、図２（ａ）に示すように、第１ローラ部材３１２及び第２ローラ部材３１３の間に挟み込まれたワイヤＷの端部を貫入孔３０１に挿し込み、成形ステージ３０上に形成されていく立体造形物Ｓへの貫入していく準備を行う。
The operation | movement which embeds a wire in the three-dimensional molded item by the
続いて、図２（ｂ）に示すように、制御部４によってプリンタヘッド２０が駆動され、上記の積層動作を行って第１層目の成形材料層を形成する。成形材料層が形成されると、形成された層の厚みに相当する距離だけ成形ステージ３０がステージ駆動機構３４によって降下させられるが、このとき、図２（ｃ）に示すように、モータ３１１が第１ローラ部材３１２を回転駆動することにより、ワイヤＷを１層分の厚みに相当する距離だけ立体造形物Ｓの内部へと送り込む。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the
ワイヤＷを１層分送り込む動作は、成形ステージ３０の１層分下降する動作に同期して行われる。すなわち、制御部４は、成形ステージ３０を形成された層の厚みに相当する距離だけ降下させるために、ステージ駆動機構３４に対して駆動信号ＤＳを送っている。この駆動信号ＤＳをモータ制御回路３１４が取得し、モータ制御回路３１４がモータ３１１に対して同期信号ＳＳを送る。駆動信号ＤＳの取得は、例えばクランプ電流型センサなどを用いて非接触で読み取ることができる。モータ３１１は同期信号ＳＳを受け取ると、ワイヤＷを１層分の厚みに相当する距離だけ立体造形物Ｓの内部へと送り込む。ここで、同期とは、全く同時であるということを意味しているのではなく、プリンタヘッド２０によって次の成形材料層が形成される前に、成形ステージ３０の降下動作及びワイヤＷの貫入動作が同じようなタイミングで行われるということに過ぎない。
The operation of feeding the wire W by one layer is performed in synchronization with the operation of lowering the
なお、成形材料層には、ワイヤＷが挿入されるだけの穴が形成されているが、この穴の径はワイヤＷの径よりも少し大きくなっている。これにより、ワイヤＷが摩擦によって成形材料層へと送り込むことができなくなることを防止している。成形材料層が積層されていく過程においては、ならしローラ２３で上から荷重がかけられるとともに、積層された上側の層の重みによる下側の層に対する荷重もあるため、穴とワイヤＷとの間の隙間は徐々に潰されていき、成形材料層とワイヤＷとが一体化された立体造形物Ｓが形成されていくことにつながる。なお、成形材料層に形成する穴の径を０．５ｍｍから１．０ｍｍまで０．１ｍｍ刻みで変化させた６種類のサンプル（積層方向の厚み：５ｍｍ）を作成し、レーザー顕微鏡で穴径の変化を測定したところ、樹脂成形品の上面側では穴径は設計値から平均２７μｍの成形誤差を有するのみであったが、樹脂成形品の下面側では穴径は設計値から３００μｍほど小さくなることが確認された。また、厚みを１ｍｍから１０ｍｍまで１ｍｍ刻みで変化させたサンプル（穴径：１．０ｍｍ）を作成し、同様に穴径の変化を測定したが、厚みの変化による穴径への影響は見られなかった。したがって、積層方向の厚みにかかわらず、穴の径をワイヤＷの径よりも３００μｍほど大きく形成することが好ましい。
The molding material layer has a hole for inserting the wire W. The diameter of the hole is slightly larger than the diameter of the wire W. This prevents the wire W from being fed into the molding material layer due to friction. In the process of laminating the molding material layer, a load is applied from above by the leveling
成形ステージ３０が１層分の厚みに相当する距離だけ降下し、ワイヤＷが１層分の厚みに相当する距離だけ立体造形物Ｓの内部へと送り込まれると、図２（ｄ）に示すように、制御部４によってプリンタヘッド２０が駆動され、再び上記の積層動作を行って第２層目の成形材料層を形成する。その後は、図２（ｅ）に示すように、下降動作、貫入動作、積層動作を繰り返すことにより、ワイヤＷを埋入した立体造形物Ｓを完成させる。
When the forming
立体造形物Ｓが完成したら、成形ステージ３０の上面と立体造形物Ｓの下面との間でワイヤＷをカットする。ワイヤＷのカットは三次元造形装置１の操作者がハサミやカッターを用いて行ってもよいし、三次元造形装置１にワイヤ切断機構を設けておいてもよい。
When the three-dimensional structure S is completed, the wire W is cut between the upper surface of the
＜変形例＞
なお、本実施形態では、三次元造形装置１にあらかじめワイヤ貫入機構３１が組み込まれたものとして説明しているが、ワイヤ貫入機構を別ユニットとして製造・販売することも可能である。例えば、ワイヤ貫入機能を有さない既存の三次元造形装置に後付けすることを前提にして、ステージ部３のうち基台３３よりも上の部分をワイヤ貫入機構ユニットとすることができる。この場合、既存の三次元造形装置の成形ステージ上に当該ワイヤ張設機構ユニットを取り付けることにより、本実施形態に係る三次元造形装置１と同様の機能を有する三次元造形装置を得ることができる。
<Modification>
In the present embodiment, the
以上、本実施形態に係る三次元造形システム９について説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変更実施が可能である。例えば、本実施形態では、インクジェット光造形方式を採用した三次元造形装置についてワイヤ貫入機構を導入しているが、成形材料層を積層して立体造形物を造形するのであれば、他の三次元造形方式を採用した三次元造形装置についても実施可能である。 Although the three-dimensional modeling system 9 according to the present embodiment has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in this embodiment, a wire penetration mechanism is introduced for a three-dimensional modeling apparatus that employs an ink jet optical modeling method. However, if a three-dimensional model is formed by stacking molding material layers, other three-dimensional models are used. It is also possible to implement a three-dimensional modeling apparatus that employs a modeling method.
また、本実施形態では、三次元造形装置１はワイヤ貫入機構３１を１セットのみ備えていたが、これに限られるものではなく、例えば、複数セットのワイヤ貫入機構を備えることによって、複数本のワイヤを同時に、かつ異なる場所において、成形材料層の積層方向に貫入させることもできる。
In the present embodiment, the three-dimensional modeling apparatus 1 includes only one set of
本実施形態に係る三次元造形装置１を用いて製造したワイヤ入りプラスチック試験片について、ＪＩＳ Ｋ７１７１に則って曲げ強さ試験を行った。 About the plastic test piece with a wire manufactured using the three-dimensional modeling apparatus 1 which concerns on this embodiment, the bending strength test was done according to JISK7171.
＜試験片の作成＞
市販の３Ｄプリンタ（Ｏｂｊｅｔ２４、ストラタシス社製）にワイヤ貫入機構ユニットを取り付けた装置を用いて、ワイヤ入り試験片を５個試作した。試験片の成形材料は紫外線硬化性樹脂であり、ワイヤはポリエステル製（直径：０．４７０ｍｍ、サンライン社製エステルパワータイプ）である。図３に示すように、試験片の形状寸法は長さ２５ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍであり、厚み方向に成形材料層を積層されたものである。また、そのほぼ中央にワイヤＷが埋入されている。
<Creation of specimen>
Five test specimens with wires were made using a device in which a wire penetration mechanism unit was attached to a commercially available 3D printer (
一方、比較対象として、ワイヤの入っていない標準試験片も５個試作した。ワイヤＷが埋入されていないこと以外は、ワイヤ入り試験片と同じスペックである。得られたワイヤ入り試験片及び標準試験片の形状寸法（５個の平均）を表１に示す。 On the other hand, five standard test pieces without wires were also produced as comparative objects. Except that the wire W is not embedded, the specification is the same as that of the test piece with wire. Table 1 shows the shape dimensions (average of 5 pieces) of the obtained test pieces with wires and standard test pieces.
＜試験方法＞
精密万能試験機（オートグラフＡＧ−Ｘｐｌｕｓ、島津製作所製）を用い、試験片の両端を支えて中央に荷重を加え、ＪＩＳ Ｋ７１７１に則った曲げ強さ試験（三点曲げ試験、圧子先端半径：５ｍｍ、支持台コーナーの半径：２ｍｍ、下部支点間距離：４０ｍｍ、試験速度：２ｍｍ／分）を行った。
<Test method>
Using a precision universal testing machine (Autograph AG-Xplus, manufactured by Shimadzu Corporation), supporting both ends of the test piece, applying a load to the center, bending strength test according to JIS K7171 (three-point bending test, indenter tip radius: 5 mm, radius of support base corner: 2 mm, distance between lower fulcrums: 40 mm, test speed: 2 mm / min).
上記試験に基づき、曲げ応力σｆを式１に基づいて算出した。
（式１）σｆ＝３ＦＬ／２ｂｈ２
ここで、Ｆは試験力［Ｎ］、Ｌは支点間距離［ｍｍ］、ｂは試験片の幅［ｍｍ］、ｈは試験片の厚さ［ｍｍ］である。
Based on the above test, the bending stress σ f was calculated based on Equation 1.
(Formula 1) σ f = 3FL / 2bh 2
Here, F is a test force [N], L is a distance between supporting points [mm], b is a width of the test piece [mm], and h is a thickness of the test piece [mm].
このとき、たわみｓ［ｍｍ］における曲げひずみεｆは式２で求められる。
（式２）εｆ＝６ｓｈ／Ｌ２
At this time, the bending strain ε f in the deflection s [mm] is obtained by
(Expression 2) ε f = 6 sh / L 2
曲げ弾性率を求めるために、曲げひずみεｆ１＝０．０５％及びεｆ２＝０．２５％に相当するたわみｓ１［ｍｍ］及びｓ２［ｍｍ］を式３に基づいて算出した。
（式３）ｓｉ＝εｆｉＬ２／６ｈ （ｉ＝１，２）
In order to obtain the flexural modulus, deflections s 1 [mm] and s 2 [mm] corresponding to bending strains ε f1 = 0.05% and ε f2 = 0.25% were calculated based on Equation 3.
(Formula 3) s i = ε fi L 2 / 6h (i = 1, 2)
得られた曲げひずみεｆ１及びεｆ２に基づいて、曲げ弾性率Ｅｆ［ＭＰａ］を式４によって算出した。
（式４）Ｅｆ＝σｆ２−σｆ１／εｆ２−εｆ１
ここで、σｆ１はたわみｓ１で測定した曲げ応力、σｆ２はたわみｓ２で測定した曲げ応力である。
Based on the obtained bending strains ε f1 and ε f2 , the flexural modulus E f [MPa] was calculated by
(Expression 4) E f = σ f2 −σ f1 / ε f2 −ε f1
Here, σ f1 is the bending stress measured with the deflection s 1 , and σ f2 is the bending stress measured with the deflection s 2 .
ワイヤ入り試験片５個及び標準試験片５個から得られた試験結果（５個の平均）を表２に示す。また、ワイヤ入り試験片と標準試験片との応力−ひずみ特性（５個の平均）を比較したものを図４に示す。 Table 2 shows the test results (average of 5) obtained from 5 wire-containing test pieces and 5 standard test pieces. FIG. 4 shows a comparison of stress-strain characteristics (average of 5) between the test specimen with wire and the standard test specimen.
以上の結果から、ワイヤ入り試験片では標準試験片に比べて最大応力と曲げ弾性率が約２０％、破断時ひずみが約７％増加していることがわかる。これにより、ワイヤを樹脂成形品の内部に埋入した際に、ワイヤと樹脂との間で十分な密着力を生じ、ワイヤが引張応力に耐える構造になっていると考えられ、本発明に係る三次元造形装置が立体造形物の機械強度を向上させることができることがわかる。 From the above results, it can be seen that the maximum stress and flexural modulus of the test piece with wire increased by about 20% and the strain at break increased by about 7% compared to the standard test piece. Accordingly, when the wire is embedded in the resin molded product, it is considered that a sufficient adhesion force is generated between the wire and the resin, and the wire has a structure that can withstand the tensile stress. It can be seen that the three-dimensional modeling apparatus can improve the mechanical strength of the three-dimensional model.
Ｗ ワイヤ
Ｓ 立体造形物
１ 三次元造形装置
２ ヘッド部
２０ プリンタヘッド
２１ 樹脂吐出ノズル
２２ 紫外線ランプ
２３ ならしローラ
２４ ヘッド駆動機構
３ ステージ部
３０ 成形ステージ
３０１ 貫入孔
３１ ワイヤ貫入機構
３１１ モータ
３１２ 第１ローラ部材
３１３ 第２ローラ部材
３１４ モータ制御回路
３３ 基台
３４ ステージ駆動機構
４ 制御部
５ データ作成端末
W wire S three-dimensional modeling object 1 three-
Claims (6)
前記成形ステージ上でワイヤを前記立体造形物の前記複数の成形材料層の積層方向に貫入させるワイヤ貫入機構を備えることを特徴とする、三次元造形装置。 Three-dimensional modeling that forms a three-dimensional object on a molding stage by stacking a plurality of molding material layers by repeatedly forming a molding material layer by curing the molding material discharged from the material ejection unit with a curing unit. A device,
A three-dimensional modeling apparatus comprising: a wire penetration mechanism that allows a wire to penetrate in a stacking direction of the plurality of molding material layers of the three-dimensional modeled object on the molding stage.
前記モータが前記第１ローラ部材を回転駆動することにより、前記ワイヤが前記成形ステージに設けられた貫入孔から送り出されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の三次元造形装置。 The wire penetrating mechanism includes a first roller member and a second roller member arranged so as to sandwich the wire from opposite directions, and a motor that rotationally drives at least the first roller member;
The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the motor is configured to rotate the first roller member so that the wire is fed out from a through hole provided in the forming stage. Modeling equipment.
前記制御手段が、前記三次元造形装置によって成形材料層が一層積層される毎に当該一層の厚みに相当する長さだけ前記ワイヤが送り出されるように前記回転駆動量を制御することを特徴とする、請求項２に記載の三次元造形装置。 The wire penetration mechanism further includes a control means for controlling a rotational driving amount of the first roller member by the motor,
The control means controls the rotational drive amount so that the wire is fed out by a length corresponding to the thickness of one layer each time a molding material layer is laminated by the three-dimensional modeling apparatus. The three-dimensional modeling apparatus according to claim 2.
前記立体造形物を載置する成形ステージと、該成形ステージ上でワイヤを前記立体造形物の前記複数の成形材料層の積層方向に貫入させるワイヤ貫入機構とを備えることを特徴とする、ワイヤ貫入機構ユニット。 By repeatedly forming the molding material layer by curing the molding material ejected from the material ejection means by the curing means, it is attached to a three-dimensional modeling apparatus that laminates a plurality of molding material layers to model a three-dimensional modeled object. A wire penetration mechanism unit,
Wire penetration, comprising: a molding stage on which the three-dimensional model is placed; and a wire penetration mechanism that penetrates the wire in the stacking direction of the plurality of molding material layers of the three-dimensional model on the molding stage. Mechanism unit.
前記モータが前記第１ローラ部材を回転駆動することにより、前記ワイヤが前記成形ステージに設けられた貫入孔から送り出されるように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載のワイヤ貫入機構ユニット。 The wire penetrating mechanism includes a first roller member and a second roller member arranged so as to sandwich the wire from opposite directions, and a motor that rotationally drives at least the first roller member;
5. The wire penetration according to claim 4, wherein the wire is fed out from a penetration hole provided in the molding stage when the motor rotates the first roller member. 6. Mechanism unit.
前記制御手段が、前記三次元造形装置によって成形材料層が一層積層される毎に当該一層の厚みに相当する長さだけ前記ワイヤが送り出されるように前記回転駆動量を制御することを特徴とする、請求項５に記載のワイヤ貫入機構ユニット。 The wire penetration mechanism further includes a control means for controlling a rotational driving amount of the first roller member by the motor,
The control means controls the rotational drive amount so that the wire is fed out by a length corresponding to the thickness of one layer each time a molding material layer is laminated by the three-dimensional modeling apparatus. The wire penetration mechanism unit according to claim 5.
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| JP2014139042A JP2016016540A (en) | 2014-07-04 | 2014-07-04 | Three-dimensional molding device and wire penetration mechanism unit |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017159474A (en) * | 2016-03-07 | 2017-09-14 | セイコーエプソン株式会社 | Method of producing three-dimensional modeled product, apparatus for producing three-dimensional modeled product, and three-dimensional modeled product |
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2014
- 2014-07-04 JP JP2014139042A patent/JP2016016540A/en active Pending
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