JP2016155337A - Lamination molding apparatus and lamination molding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、３次元積層造形に関し、特に、部分的な温度制御を行なうことで造形品質を向上させる技術に関する。 The present invention relates to three-dimensional additive manufacturing, and more particularly, to a technique for improving modeling quality by performing partial temperature control.
３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層毎に層の上に層を積むように材料を付加しながら層間を付着させて、３次元形状の構造物を数値表現から製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと定義されている。１９８０年代に発明されたこの製造方法は、一般的には３Ｄプリンタと呼ばれる。３Ｄプリンタは、３次元ＣＡＤデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を容易に製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。 Three-dimensional CAD (Computer Aided Design) data is divided into layers, and the layers are adhered to each divided layer while adding materials so that the layers are stacked on top of each other, thereby producing a three-dimensional structure from a numerical representation. The method is defined in the international standard as Additive Manufacturing. This manufacturing method invented in the 1980s is generally called a 3D printer. In recent years, 3D printers are attracting attention as a new manufacturing method because they can easily manufacture complex shapes without using a mold if there is 3D CAD data.
３Ｄプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を同一の層内に自由に配置させた造形を容易とすることも期待されている。複数の材料を用いた造形により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した３次元形状モデルが実現できるからである。 In 3D printers, shapes that were once difficult to manufacture, such as mesh shapes and porous shapes, can be easily and accurately manufactured, unlike removal processing by cutting and molding processing in which a material is poured into a mold and hardened. Furthermore, it is also expected to facilitate modeling in which a plurality of types of materials are freely arranged in the same layer. This is because, by modeling using a plurality of materials, it is possible to realize a three-dimensional shape model having a new function utilizing the characteristics of each material.
例えば、導電材料と絶縁材料とを複合させることで、電子回路の機能を有する３次元形状モデルが実現する。また、硬質な材料と柔軟な材料とを複合させることで、強度と柔軟性の両立した機能を有する３次元形状モデルが実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも容易に実現することができる。 For example, by combining a conductive material and an insulating material, a three-dimensional shape model having an electronic circuit function is realized. Further, by combining a hard material and a flexible material, a three-dimensional shape model having a function having both strength and flexibility can be realized. These functions can be easily realized without developing new materials.
しかしながら、複数の材料を同一層内に造形する際には、それぞれの材料の融点の違いにより、融点の高い材料を溶融し固化して造形する際に、隣接する融点の低い材料が再溶解してしまい、目的とする形状が精度良く得られないという問題が生じている。すなわち、造形中に融点の低い材料の形状を保つためには冷却をする必要がある。 However, when modeling multiple materials in the same layer, due to the difference in melting point of each material, when melting and solidifying a material with a high melting point, the adjacent low melting point material is re-dissolved. Therefore, there is a problem that the target shape cannot be obtained with high accuracy. That is, cooling is necessary to maintain the shape of the material having a low melting point during modeling.
造形時に造形部分を冷却する方法が、特許文献１に開示されている。この方法によれば、光造形時に、硬化中の樹脂面に冷却気体を送風して冷却することで、光硬化反応に伴う硬化発熱による局所的な温度上昇を低減する。これにより、硬化樹脂面の表面温度を均一に保ち、反りや変形の小さい造形が可能となるとしている。しかしながら、この方法では、硬化樹脂面全体が冷却されるため、融点の高い材料を加熱する一方で、融点の低い材料は部分的に冷却し、造形面内の温度差を積極的に保ちながら造形することはできない。よって、融点の異なる複数の材料を同一の層内に造形することはできない。 Patent Document 1 discloses a method for cooling a modeled portion during modeling. According to this method, the local temperature rise by the heat_generation | fever of hardening accompanying a photocuring reaction is reduced by ventilating and cooling a cooling gas to the resin surface under hardening at the time of optical modeling. Thereby, the surface temperature of the cured resin surface is kept uniform, and modeling with small warpage and deformation becomes possible. However, in this method, since the entire cured resin surface is cooled, the material having a high melting point is heated, while the material having a low melting point is partially cooled to form a model while positively maintaining the temperature difference in the modeling surface. I can't do it. Therefore, a plurality of materials having different melting points cannot be formed in the same layer.
造形時に造形部分を冷却する別の方法が、特許文献２に開示されている。この方法によれば、一つの薄層ごとに選択的に加熱して焼結し、焼結した一層の薄層ごとに、或いは焼結した複数の薄層ごとに表面に冷媒を流す、あるいは冷却板に接触させる、あるいは冷却したローラを転がす等の方法により冷却する。これにより、薄層間の内部応力を低く維持しつつ、造形に要する時間及び完成した造形物を取り出すまでの時間を短縮することができるとしている。しかしながら、この方法では層全体の冷却は可能になるが、同じ層内である部分は加熱しながらある部分は冷却を行うという様に、積極的に造形面内に温度差をつけながら造形することはできない。よって、融点の異なる複数の材料を同一の層内に造形することはできない。 Another method of cooling a modeling part at the time of modeling is disclosed in Patent Document 2. According to this method, each thin layer is selectively heated and sintered, and the refrigerant is allowed to flow on the surface or cooled for each of the sintered thin layers, or for each of the sintered thin layers. Cooling is performed by contacting the plate or rolling a cooled roller. Thereby, while maintaining the internal stress between thin layers low, it is supposed that the time required for modeling and the time to take out a completed model can be shortened. However, with this method, the entire layer can be cooled, but the part in the same layer is heated while the part is cooled, so that the part is cooled while actively forming the temperature difference in the surface. I can't. Therefore, a plurality of materials having different melting points cannot be formed in the same layer.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、層を積層して３次元構造物を製造する積層造形装置において、融点の異なる複数の材料を同一の層内に精度良く造形することを可能とすることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to accurately place a plurality of materials having different melting points in the same layer in a layered manufacturing apparatus that manufactures a three-dimensional structure by stacking layers. It is to make it possible to form well.
本発明による積層造形装置は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部と、前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部と、少なくとも前記第２の材料を供給する際に前記第２の材料を加熱する加熱部と、前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する部分冷却部と、を備える。 The additive manufacturing apparatus according to the present invention is the additive manufacturing apparatus that forms the first material and the second material in the same layer, and supplies the first material to a predetermined position in the layer. A material supply unit; a second material supply unit that supplies the second material to a predetermined position in the layer; and a heating unit that heats the second material when supplying at least the second material. And a partial cooling unit that cools the first material existing around the second material.
本発明による積層造形方法は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、前記第１の材料を所定の位置に供給して造形し、前記第２の材料を所定の位置に供給して造形し、前記第２の材料を供給する際に、供給する前記第２の材料を加熱し、前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する。 The additive manufacturing method according to the present invention is the additive manufacturing method in which the first material and the second material are formed in the same layer, and the first material is supplied to a predetermined position to form the second material. When the second material is supplied, the second material to be supplied is heated to supply the first material to a predetermined position, and the first material is present around the second material. Cool down.
本発明によれば、層を積層して３次元構造物を製造する積層造形装置において、融点の異なる複数の材料を同一の層内に精度良く造形することが可能となる。 According to the present invention, in a layered manufacturing apparatus that manufactures a three-dimensional structure by stacking layers, a plurality of materials having different melting points can be accurately modeled in the same layer.
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the preferred embodiments described below are technically preferable for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following.
図１は、本発明の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態の積層造形装置１００は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部１０４と、前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部１０５と、少なくとも前記第２の材料を供給する際に前記第２の材料を加熱する加熱部１０３と、前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する部分冷却部１０２と、を備える。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an additive manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. The additive manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment is an additive manufacturing apparatus that forms the first material and the second material in the same layer, and supplies the first material to a predetermined position in the layer. A first material supply unit 104, a second material supply unit 105 that supplies the second material to a predetermined position in the layer, and at least the second material when supplying the second material. A heating unit 103 for heating, and a partial cooling unit 102 for cooling the first material existing around the second material.
すなわち、積層造形装置１００は、図１に示すように、３次元形状モデル１０７（３次元構造物）を造形するための造形ステージ１０１と、造形ステージ１０１上に第１の材料を所定の位置に供給して積層するための第１の材料供給部１０４と、造形ステージ１０１上に第２の材料を所定の位置に供給して積層するための第２の材料供給部１０５と、供給された第１の材料と第２の材料の各々を加熱溶融するための加熱部１０３と、を備えている。さらに、第２の材料が造形される周囲に存在する第１の材料を部分的に冷却する部分冷却部１０２を備えている。部分冷却部１０２は、第２の材料の加熱時に、第２の材料が造形される周囲に存在する第１の材料を部分的に冷却することができる。さらに、前記の各部に接続し、それぞれの材料の供給量、供給位置、供給タイミング、加熱温度、部分冷却等の、３次元形状モデル１０７の造形に関わる制御を行なう制御部１０６を備えている。 That is, as shown in FIG. 1, the additive manufacturing apparatus 100 has a modeling stage 101 for modeling a three-dimensional shape model 107 (three-dimensional structure), and a first material on the modeling stage 101 at a predetermined position. A first material supply unit 104 for supplying and laminating, a second material supply unit 105 for supplying and laminating a second material to a predetermined position on the modeling stage 101, and the supplied first A heating unit 103 for heating and melting each of the first material and the second material. Furthermore, the partial cooling part 102 which cools partially the 1st material which exists in the circumference | surroundings where the 2nd material is modeled is provided. The partial cooling unit 102 can partially cool the first material existing around the second material when the second material is heated. Further, a control unit 106 connected to each of the above-described units and performing control related to modeling of the three-dimensional shape model 107 such as the supply amount, supply position, supply timing, heating temperature, and partial cooling of each material is provided.
本実施形態では、第２の材料の融点の方が、第１の材料の融点よりも高いとする。よって、第２の材料を溶融する温度は第１の材料を溶融する温度よりも高くする必要があるため、加熱部１０３では、第２の材料を加熱する温度は第１の材料を加熱する温度よりも高く設定される。 In the present embodiment, it is assumed that the melting point of the second material is higher than the melting point of the first material. Therefore, since the temperature for melting the second material needs to be higher than the temperature for melting the first material, in the heating unit 103, the temperature for heating the second material is the temperature for heating the first material. Higher than.
なお、図１の積層造形装置１００では、加熱部１０３は第１の材料と第２の材料とで共通としているが、それぞれ材料ごとに個別に設けることもできる。個別に設けた場合は、第１の材料の加熱部と第２の材料の加熱部とは、異なる加熱方法を用いることができる。さらに、材料は、第１の材料と第２の材料との２種類には限定されず、複数の材料を使用することができる。さらに、これら複数の材料に対応した材料供給部や加熱部を設けることができる。 In the additive manufacturing apparatus 100 of FIG. 1, the heating unit 103 is common to the first material and the second material, but may be provided individually for each material. When provided individually, different heating methods can be used for the first material heating section and the second material heating section. Furthermore, the material is not limited to two types of the first material and the second material, and a plurality of materials can be used. Furthermore, a material supply unit and a heating unit corresponding to the plurality of materials can be provided.
以下に説明する積層造形装置１００の具体的な形態では、３次元形状モデル１０７として電子回路の機能を有する３次元形状モデルを製造することを想定し、これに対応した第１の材料と第２の材料とを例としているが、本実施形態はこれには限定されない。 In the specific form of the additive manufacturing apparatus 100 described below, it is assumed that a three-dimensional shape model 107 having a function of an electronic circuit is manufactured as the three-dimensional shape model 107, and the first material and the second corresponding to this are manufactured. However, the present embodiment is not limited to this.
図２は、本実施形態の積層造形装置１００により３次元形状モデルを造形する、具体的な形態を説明する図である。図２では、積層造形装置１００による部分冷却の具体的な方法を示している。 FIG. 2 is a diagram illustrating a specific form in which a three-dimensional shape model is modeled by the additive manufacturing apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 2 shows a specific method of partial cooling by the additive manufacturing apparatus 100.
図２では、３次元形状モデル１０７は第１の材料による部分１と第２の材料による部分２とを有する。そして、第１の材料による部分１と第２の材料による部分２との上に、造形層３を造形しているとする。造形層３は、第１の材料の積層領域と第２の材料の積層領域とを有する。 In FIG. 2, the three-dimensional shape model 107 has a portion 1 made of the first material and a portion 2 made of the second material. Then, it is assumed that the modeling layer 3 is formed on the portion 1 made of the first material and the portion 2 made of the second material. The modeling layer 3 has a laminated region of the first material and a laminated region of the second material.
第１の材料は、誘電体としての性質を有し、プラスチックが代表的な材料である。具体例としては、ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリカーボネート、ポリ乳酸、アクリル、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ナイロン、ポリエチレン、シリコーン、エポキシ等が挙げられるが、これらに限定されない。 The first material has a property as a dielectric, and plastic is a typical material. Specific examples include, but are not limited to, ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), polycarbonate, polylactic acid, acrylic, polyetherimide, polyphenylsulfone, nylon, polyethylene, silicone, epoxy, and the like.
第１の材料の積層方法としては、図２中に示していないが、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している方式を用いることができる。例えば、加熱部１０３と第１の材料供給部１０４を一体化し、第１の材料供給部１０４を加熱して溶融した第１の材料を、第１の材料供給部１０４に設けたノズルなどの開口部から選択的に押出し、造形ステージ１０１上に堆積する材料押出方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）が挙げられる。また、他の方法としては、第１の材料供給部１０４から第１の材料の液滴を噴射し、選択的に硬化させ堆積させる材料噴射方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｊｅｔｔｉｎｇ）などが挙げられる。 As a method for laminating the first material, although not shown in FIG. 2, a method classified as an additive manufacturing method by ASTM (American Society for Testing and Materials) can be used. For example, the heating unit 103 and the first material supply unit 104 are integrated, and the first material that is heated and melted by the first material supply unit 104 is opened in a nozzle or the like provided in the first material supply unit 104. There is a material extrusion method that extrudes selectively from a part and deposits on the modeling stage 101. Further, as another method, there is a material jetting method (Material jetting) in which droplets of the first material are ejected from the first material supply unit 104 and selectively cured and deposited.
第１の材料の溶融、硬化については、熱可塑性樹脂であれば、加熱溶融させた材料を所定の位置に所定量供給し、空冷によって硬化させることができる。また、熱硬化や光硬化性樹脂の場合、材料の液滴を噴射し、熱硬化性樹脂であれば加熱、光硬化性樹脂であれば紫外線等を照射することで、第１の材料を積層することができる。 Regarding the melting and curing of the first material, if it is a thermoplastic resin, a predetermined amount of the heat-melted material can be supplied to a predetermined position and cured by air cooling. In the case of a thermosetting or photocurable resin, the first material is laminated by spraying droplets of the material and heating it if it is a thermosetting resin or irradiating ultraviolet rays or the like if it is a photocurable resin. can do.
第２の材料は、電気伝導体としての性質を有する材料である。この材料は、例として、銅、銀、アルミが挙げられるが、これらに限定はされない。また、通常、第２の材料の融点は、第１の材料の融点よりも高い。 The second material is a material having properties as an electric conductor. Examples of this material include, but are not limited to, copper, silver, and aluminum. In general, the melting point of the second material is higher than the melting point of the first material.
第２の材料の積層方法としては、例えば、ヒータ５（加熱部１０３に相当）が組み込まれた材料供給管４（第２の材料供給部１０５に相当）により、あらかじめ所定量が計量された第２の材料を、ヒータ５により加熱し溶融させて、所定の位置に積層させる方法が可能である。材料供給管４は、加熱部１０３と第２の材料供給部１０５とが一体化した構造となっている。材料供給管４に所定量の第２の材料を供給する際には、第２の材料を粉末状、フィラー状、線状等の溶融しやすい形状に加工しておいてもよい。また、第２の材料の溶融時に気化する物質と混合することで、ペースト状にしておいても良い。 As a method for laminating the second material, for example, a predetermined amount is measured in advance by a material supply pipe 4 (corresponding to the second material supply unit 105) in which the heater 5 (corresponding to the heating unit 103) is incorporated. A method is possible in which the second material is heated and melted by the heater 5 and laminated at a predetermined position. The material supply pipe 4 has a structure in which the heating unit 103 and the second material supply unit 105 are integrated. When a predetermined amount of the second material is supplied to the material supply pipe 4, the second material may be processed into a shape that is easily melted, such as powder, filler, or line. Further, it may be pasted by mixing with a substance that vaporizes when the second material is melted.
第２の材料の積層方法の他の方法として、ＡＳＴＭがＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している方式から、材料を供給しつつ熱エネルギーを集中することによって材料を溶融結合する指向エネルギー堆積方式（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることもできる。 As another method of laminating the second material, a directed energy deposition method (Directed energy deposition method) in which materials are melt-bonded by concentrating thermal energy while supplying materials from a method classified by ASTM as an additive manufacturing method. energy deposition) can also be used.
溶融した第２の材料を供給する際に、第２の材料の周囲に存在する第１の材料を部分的に冷却する。図２に示した形態では、冷却媒体供給装置（図示せず）と接続された冷却媒体供給筒６（部分冷却部１０２に相当）によって、冷却媒体７を第２の材料の周囲の第１の材料の表面に供給することにより冷却を行なう。冷却媒体供給筒６の造形層３に対向する先端形状は、第２の材料の周囲の第１の材料の表面を均一に冷却できることを目的とし、例えば、円筒形状とすることができる。 When supplying the molten second material, the first material existing around the second material is partially cooled. In the form shown in FIG. 2, the cooling medium supply cylinder 6 (corresponding to the partial cooling unit 102) connected to the cooling medium supply device (not shown) causes the cooling medium 7 to be around the first material around the second material. Cooling is provided by feeding to the surface of the material. The shape of the tip of the cooling medium supply cylinder 6 facing the modeling layer 3 is intended to uniformly cool the surface of the first material around the second material, and can be, for example, a cylindrical shape.
冷却媒体７としては、気体を用いることができ、例えば室温以下の大気、窒素、アルゴンが挙げられる。また、液体を用いる場合は、アルコールなど、気化しやすい物質を選定することが望ましい。水等の気化しにくい物質の場合は、第１の材料を冷却した後に、冷却媒体を回収する方式を併用することが望ましい。 As the cooling medium 7, a gas can be used, and examples thereof include air at room temperature or lower, nitrogen, and argon. In addition, when a liquid is used, it is desirable to select a substance that easily vaporizes such as alcohol. In the case of a substance that is difficult to vaporize such as water, it is desirable to use a method of recovering the cooling medium after cooling the first material.
次に、図２の形態の動作を説明する。図２では、造形層３を造形しているとする。 Next, the operation of the embodiment of FIG. 2 will be described. In FIG. 2, it is assumed that the modeling layer 3 is modeled.
まず、冷却媒体供給装置（図示せず）と接続されている冷却媒体供給筒６の先端部を、造形層３内の、第２の材料が供給される位置に合わせた所定の位置に配置する。このとき、造形物の表面から冷却媒体供給筒６の先端部までの距離は、造形層３の厚さより長いことが望ましい。さらに、詳細は、第１の材料表面の冷却状態によって適宜決定することが望ましい。 First, the tip of the cooling medium supply cylinder 6 connected to a cooling medium supply device (not shown) is arranged at a predetermined position in the modeling layer 3 that matches the position where the second material is supplied. . At this time, the distance from the surface of the modeled object to the tip of the cooling medium supply cylinder 6 is preferably longer than the thickness of the modeled layer 3. Furthermore, it is desirable that details be determined appropriately according to the cooling state of the surface of the first material.
続いて、第２の材料を所定の位置に供給するために、材料供給管４を造形層３の所定の位置に配置する。このとき、造形物の表面から材料供給管４の先端部までの距離は、造形層３の厚さと同等でも良く、造形層３の厚さより長くても良い。さらに、造形物の表面から材料供給管４の先端部までの距離は、第２の材料の積層状態や冷却媒体７による第１の材料表面の冷却状態によって、適宜決定することが望ましい。 Subsequently, the material supply pipe 4 is disposed at a predetermined position of the modeling layer 3 in order to supply the second material to the predetermined position. At this time, the distance from the surface of the modeling object to the tip of the material supply pipe 4 may be equal to the thickness of the modeling layer 3 or may be longer than the thickness of the modeling layer 3. Furthermore, it is desirable that the distance from the surface of the modeled object to the tip of the material supply pipe 4 is appropriately determined depending on the state of lamination of the second material and the cooling state of the first material surface by the cooling medium 7.
続いて、材料供給管４から第２の材料を供給する。このとき、冷却媒体供給装置から冷却媒体７を供給し、冷却媒体供給筒６より、第２の材料が供給される周囲の第１の材料の表面を冷却する。冷却媒体７の供給量については、第１の材料表面の冷却状態によって適宜決定することが望ましい。第２の材料は、ヒータ５により加熱された材料供給管４の中を経由することで溶融状態となり、造形層３の所定の位置に積層し硬化する。 Subsequently, the second material is supplied from the material supply pipe 4. At this time, the cooling medium 7 is supplied from the cooling medium supply device, and the surface of the surrounding first material to which the second material is supplied is cooled from the cooling medium supply cylinder 6. The supply amount of the cooling medium 7 is desirably determined as appropriate depending on the cooling state of the surface of the first material. The second material is in a molten state by passing through the material supply pipe 4 heated by the heater 5, and is laminated and cured at a predetermined position of the modeling layer 3.
続いて、造形層３の第１の材料の積層領域に、第１の材料を積層し硬化することで、造形層３の複合構造が完成する。以上を造形層３毎に繰り返すことで、複合構造の３次元形状モデル１０７が完成する。 Subsequently, the composite structure of the modeling layer 3 is completed by laminating and curing the first material in the first material lamination region of the modeling layer 3. By repeating the above for each modeling layer 3, a three-dimensional shape model 107 having a composite structure is completed.
図３は、本実施形態の積層造形装置１００により３次元形状モデルを造形する、別の具体的な形態を説明する図である。図３では、積層造形装置１００による部分冷却の別の具体的な方法を示している。第１の材料と第２の材料の材質、および、第１の材料の積層方法は、図２の形態と同様である。 FIG. 3 is a diagram illustrating another specific form of modeling a three-dimensional shape model by the additive manufacturing apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 3 shows another specific method of partial cooling by the additive manufacturing apparatus 100. The material of the first material and the second material, and the method of laminating the first material are the same as in the embodiment of FIG.
図３では、３次元形状モデル１０７は第１の材料による部分１と第２の材料による部分２とを有する。そして、第１の材料による部分１と第２の材料による部分２との上に、造形層３を造形しているとする。造形層３は、第１の材料の積層領域と第２の材料の積層領域とを有する。 In FIG. 3, the three-dimensional shape model 107 has a portion 1 made of the first material and a portion 2 made of the second material. Then, it is assumed that the modeling layer 3 is formed on the portion 1 made of the first material and the portion 2 made of the second material. The modeling layer 3 has a laminated region of the first material and a laminated region of the second material.
図３では、まず、造形層３の第１の材料の積層領域に第１の材料を積層し硬化した状態で、第２の材料の積層領域に第２の材料を所定量供給する。この時、第２の材料を、粉末状やフィラー状等の供給しやすく溶融しやすい形状に加工して供給しても良く、第２の材料の溶融時に気化する物質と混合させたペースト状で供給しても良い。第２の材料を供給する領域は、あらかじめ積層された第１の材料で周囲を覆われているため、前記した粉末状、フィラー状、ペースト状であっても供給した位置に保持しておくことが可能である。なお、第２の材料を供給する第２の材料供給部１０５（図示せず）は、第２の材料の状態に合わせて、例えば、図２の材料供給管４（ヒータ５を除く）を使用することもできる。 In FIG. 3, first, a predetermined amount of the second material is supplied to the second material lamination region in a state where the first material is laminated and cured in the first material lamination region of the modeling layer 3. At this time, the second material may be processed and supplied in a form that is easy to supply and melt, such as powder or filler, or in a paste mixed with a substance that vaporizes when the second material is melted. You may supply. Since the region where the second material is supplied is covered with the first material laminated in advance, the region where the second material is supplied should be held at the supplied position even in the above-described powdery, filler-like, or paste-like shape. Is possible. In addition, the 2nd material supply part 105 (not shown) which supplies a 2nd material uses the material supply pipe | tube 4 (except for the heater 5) of FIG. 2 according to the state of a 2nd material, for example. You can also
造形層３内の、第２の材料の供給領域の周囲に配置する冷却ブロック１１（部分冷却部１０２に相当）は、第２の材料の周囲の第１の材料の表面を均一に冷却することを目的とするため、第１の材料の表面に対向する面は、例えば円筒形状とすることができる。さらに、冷却ブロック１１は、第２の材料の周囲の第１の材料の表面に接触することで、第１の材料の温度上昇を抑制する。冷却ブロック１１の中には、冷却回路１０が形成されており、この中に水等の冷却媒体を循環させることにより、冷却ブロック１１を低温に保つことができる。冷却ブロック１１の材質は、第２の材料を溶融する温度においても耐熱性を有している金属やセラミック等を使用することが望ましく、これらの材料を部分的に使用しても良い。 A cooling block 11 (corresponding to the partial cooling unit 102) disposed around the second material supply region in the modeling layer 3 uniformly cools the surface of the first material around the second material. Therefore, the surface facing the surface of the first material can be, for example, cylindrical. Furthermore, the cooling block 11 suppresses the temperature rise of the first material by contacting the surface of the first material around the second material. A cooling circuit 10 is formed in the cooling block 11, and the cooling block 11 can be kept at a low temperature by circulating a cooling medium such as water. As the material of the cooling block 11, it is desirable to use a metal, ceramic or the like that has heat resistance even at a temperature at which the second material is melted, and these materials may be partially used.
所定の位置に供給された第２の材料は、レーザ照射装置８（加熱部１０３に相当）によるレーザ光９の照射により加熱され溶融する。その後、レーザ光９の照射を終了することで、硬化する。レーザ照射装置８としては、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇで使用されているファイバーレーザ等を用いることができる。 The second material supplied to the predetermined position is heated and melted by the irradiation of the laser beam 9 by the laser irradiation device 8 (corresponding to the heating unit 103). Then, it hardens | cures by complete | finishing irradiation of the laser beam 9. FIG. As the laser irradiation device 8, a fiber laser or the like used in Additive Manufacturing can be used.
次に、図３の構成の動作を説明する。図３では、造形層３を造形しているとする。 Next, the operation of the configuration of FIG. 3 will be described. In FIG. 3, it is assumed that the modeling layer 3 is modeled.
まず、造形層３の第１の材料の積層領域に第１の材料を積層し硬化する。続いて、第２の材料を、周囲を第１の材料で覆われた所定の箇所に供給する。さらに、冷却回路１０に冷媒が循環した冷却ブロック１１を第１の材料の表面と接触するように配置する。ここで、第２の材料の供給と冷却ブロック１１の配置については、順序が入れ替わってもよい。 First, the first material is laminated on the layered region of the first material of the modeling layer 3 and cured. Subsequently, the second material is supplied to a predetermined portion whose periphery is covered with the first material. Further, the cooling block 11 in which the refrigerant circulates in the cooling circuit 10 is arranged so as to contact the surface of the first material. Here, the order of the supply of the second material and the arrangement of the cooling block 11 may be switched.
続いて、供給された第２の材料にレーザ光９を照射することにより第２の材料を溶融し、レーザ光９の照射を終了して硬化して造形層３の複合構造を完成する。以上を造形層３毎に繰り返すことで、複合構造の３次元形状モデル１０７が完成する。 Next, the second material is melted by irradiating the supplied second material with the laser beam 9, and the irradiation with the laser beam 9 is terminated and cured to complete the composite structure of the modeling layer 3. By repeating the above for each modeling layer 3, a three-dimensional shape model 107 having a composite structure is completed.
また、図３の形態では、第２の材料を供給した後に第２の材料を溶融させているが、溶融した第２の材料を供給しても良い。 In the embodiment of FIG. 3, the second material is melted after the second material is supplied, but the melted second material may be supplied.
図４は、本実施形態の積層造形装置１００により３次元形状モデルを造形する、さらに別の具体的な形態を説明する図である。図４では、積層造形装置１００による部分冷却のさらに別の具体的な方法を示している。第１の材料と第２の材料の材質、および、第１の材料の積層方法は、図３の形態と同様である。 FIG. 4 is a diagram illustrating still another specific form for modeling a three-dimensional shape model by the additive manufacturing apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 4 shows still another specific method of partial cooling by the additive manufacturing apparatus 100. The materials of the first material and the second material, and the method of laminating the first material are the same as in the embodiment of FIG.
図４では、３次元形状モデル１０７は第１の材料による部分１と第２の材料による部分２とを有する。そして、第１の材料による部分１と第２の材料による部分２の上に、造形層３を造形しているとする。造形層３は、第１の材料の積層領域と第２の材料の積層領域とを有する。 In FIG. 4, the three-dimensional shape model 107 has a portion 1 made of the first material and a portion 2 made of the second material. Then, it is assumed that the modeling layer 3 is formed on the part 1 made of the first material and the part 2 made of the second material. The modeling layer 3 has a laminated region of the first material and a laminated region of the second material.
冷却ブロック１２（部分冷却部１０２に相当）は、第２の材料の供給領域の周囲に存在する第１の材料の表面を均一に冷却することを目的とするため、第１の材料の表面に対向する面は、例えば円筒形状とすることができる。冷却ブロック１２は、第２の材料の周囲の第１の材料の表面に接触することで、第１の材料の温度上昇を抑制している。また、冷却ブロック１２の中には、冷却回路１０が形成されており、この中に水等の冷却媒体を循環させることにより、冷却ブロック１２を低温に保つことができる。冷却ブロック１２の材質は、第２の材料を溶融する温度においても耐熱性を有している金属やセラミック等を使用することが望ましく、これらの材料を部分的に使用しても良い。 The cooling block 12 (corresponding to the partial cooling unit 102) is intended to uniformly cool the surface of the first material existing around the supply region of the second material. The opposing surfaces can be cylindrical, for example. The cooling block 12 is suppressing the temperature rise of the 1st material by contacting the surface of the 1st material around the 2nd material. Further, a cooling circuit 10 is formed in the cooling block 12, and the cooling block 12 can be kept at a low temperature by circulating a cooling medium such as water therein. As the material of the cooling block 12, it is desirable to use a metal, ceramic or the like having heat resistance even at a temperature at which the second material is melted, and these materials may be partially used.
さらに、冷却ブロック１２は、先端部が第２の材料の供給時の位置決めの役割を兼ねており、第２の材料の積層形状に合わせた形状となっている。これにより第２の材料の供給領域は、あらかじめ冷却ブロック１２で覆われているため、供給される第２の材料が粉末状、フィラー状、ペースト状であっても供給した位置に保持しておくことが可能となる。 Furthermore, the cooling block 12 has a tip portion that also serves as a positioning when supplying the second material, and has a shape that matches the laminated shape of the second material. As a result, the supply region of the second material is covered with the cooling block 12 in advance, so that the second material to be supplied is held in the supplied position even if it is in the form of powder, filler, or paste. It becomes possible.
次に、図４の構成の動作を説明する。図４では、造形層３を造形しているとする。 Next, the operation of the configuration of FIG. 4 will be described. In FIG. 4, it is assumed that the modeling layer 3 is modeled.
まず、第２の材料の供給位置に、冷却回路１０に冷媒を循環させた冷却ブロック１２を、第１の材料の表面と接触するように配置する。続いて、第２の材料を、周囲を冷却ブロック１２で覆われた所定の箇所に供給する。続いて、供給された第２の材料にレーザ光９を照射することにより第２の材料を溶融し、レーザ光９の照射を終了して硬化することで第２の材料の積層が完了する。続いて、造形層３の第１の材料の積層領域に第１の材料を積層し硬化することで造形層３の複合構造が完成する。以上を造形層３毎に繰り返すことで、複合構造の３次元形状モデル１０７が完成する。 First, the cooling block 12 in which the refrigerant is circulated in the cooling circuit 10 is disposed at the second material supply position so as to be in contact with the surface of the first material. Subsequently, the second material is supplied to a predetermined portion whose periphery is covered with the cooling block 12. Subsequently, the second material is melted by irradiating the supplied second material with the laser beam 9, and the irradiation of the laser beam 9 is terminated and cured to complete the lamination of the second material. Subsequently, the composite structure of the modeling layer 3 is completed by laminating and curing the first material in the layered region of the first material of the modeling layer 3. By repeating the above for each modeling layer 3, a three-dimensional shape model 107 having a composite structure is completed.
なお、以上の図２、図３、図４に示した具体的な形態の構成要素を、任意に組み合わせることも可能である。さらに、材料は、第１の材料と第２の材料との２種類には限定されず、複数の材料を使用することができる。さらに、これら複数の材料に対応した材料供給部や加熱部を設けることができる。 In addition, it is also possible to combine arbitrarily the component of the concrete form shown in the above FIG.2, FIG.3, FIG.4. Furthermore, the material is not limited to two types of the first material and the second material, and a plurality of materials can be used. Furthermore, a material supply unit and a heating unit corresponding to the plurality of materials can be provided.
以上のように、本実施形態によれば、融点の高い材料を加熱する一方で、融点の低い材料は部分的に冷却し、造形面内の温度差を積極的に保ちながら造形することができる。そのため、融点などの熱的性質の異なる複数の材料を同一の層内に複合的に精度良く造形することが可能になるため、造形物にそれぞれの材料の特徴を活かした機能を付与することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, a material having a high melting point is heated, while a material having a low melting point is partially cooled, and modeling can be performed while positively maintaining the temperature difference in the modeling surface. . Therefore, since it becomes possible to form a plurality of materials with different thermal properties such as melting points in the same layer in a complex and accurate manner, it is possible to give the model a function that takes advantage of the characteristics of each material. It becomes possible.
すなわち、本実施形態によれば、層を積層して３次元構造物を製造する積層造形装置において、融点の異なる複数の材料を同一の層内に精度良く造形することが可能となる。 That is, according to the present embodiment, in a layered manufacturing apparatus that manufactures a three-dimensional structure by stacking layers, it is possible to accurately model a plurality of materials having different melting points in the same layer.
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention.
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。 Moreover, although a part or all of said embodiment may be described also as the following additional remarks, it is not restricted to the following.
付記
（付記１）
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、
前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部と、
前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部と、
少なくとも前記第２の材料を供給する際に前記第２の材料を加熱する加熱部と、
前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する部分冷却部と、を備える積層造形装置。
（付記２）
前記部分冷却部は、前記第２の材料の加熱時に冷却する、付記１記載の積層造形装置。
（付記３）
前記加熱部は、前記第２の材料を加熱する温度の方が前記第１の材料を加熱する温度よりも高い、付記１または２記載の積層造形装置。
（付記４）
前記第１の材料供給部と前記加熱部、前記第２の材料供給部と前記加熱部の、少なくとも一方は一体構造である、付記１から３の内の１項記載の積層造形装置。
（付記５）
前記部分冷却部は、冷却媒体を放射する、付記１から４の内の１項記載の積層造形装置。
（付記６）
前記部分冷却部は、冷却ブロックである、付記１から４の内の１項記載の積層造形装置。
（付記７）
前記冷却ブロックは、冷却媒体を流す回路を有する、付記６記載の積層造形装置。
（付記８）
前記冷却ブロックは、前記第２の材料を供給する所定の位置を指定する、付記６または７記載の積層造形装置。
（付記９）
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、
前記第１の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第２の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第２の材料を供給する際に、供給する前記第２の材料を加熱し、
前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する、積層造形方法。
（付記１０）
前記第２の材料を加熱する温度は前記第１の材料を加熱する温度よりも高い、付記９記載の積層造形方法。
（付記１１）
前記造形は、前記第１の材料もしくは前記第２の材料を供給しながら積層し硬化する、付記９または１０記載の積層造形方法。
（付記１２）
前記冷却は、冷却媒体による、付記９から１１の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１３）
前記冷却は、冷却ブロックによる、付記９から１１の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１４）
前記冷却ブロックにより前記第２の材料を供給する所定の位置を指定して、前記第２の材料を供給する、付記１３記載の積層造形方法。
Appendix (Appendix 1)
In the additive manufacturing apparatus that forms the first material and the second material in the same layer,
A first material supply section for supplying the first material to a predetermined position in the layer;
A second material supply section for supplying the second material to a predetermined position in the layer;
A heating unit that heats the second material when supplying at least the second material;
An additive manufacturing apparatus comprising: a partial cooling unit that cools the first material existing around the second material.
(Appendix 2)
The additive manufacturing apparatus according to appendix 1, wherein the partial cooling unit cools when the second material is heated.
(Appendix 3)
The additive manufacturing apparatus according to appendix 1 or 2, wherein the heating unit is configured such that a temperature at which the second material is heated is higher than a temperature at which the first material is heated.
(Appendix 4)
4. The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein at least one of the first material supply unit and the heating unit, and the second material supply unit and the heating unit has an integral structure.
(Appendix 5)
5. The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the partial cooling unit radiates a cooling medium.
(Appendix 6)
5. The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the partial cooling unit is a cooling block.
(Appendix 7)
The additive manufacturing apparatus according to appendix 6, wherein the cooling block has a circuit for flowing a cooling medium.
(Appendix 8)
The additive manufacturing apparatus according to appendix 6 or 7, wherein the cooling block designates a predetermined position for supplying the second material.
(Appendix 9)
In the additive manufacturing method for forming the first material and the second material in the same layer,
Supplying and shaping the first material to a predetermined position;
Supplying and shaping the second material to a predetermined position;
Heating the second material to be supplied when supplying the second material;
An additive manufacturing method for cooling the first material existing around the second material.
(Appendix 10)
The additive manufacturing method according to appendix 9, wherein the temperature at which the second material is heated is higher than the temperature at which the first material is heated.
(Appendix 11)
11. The additive manufacturing method according to appendix 9 or 10, wherein the modeling is performed by stacking and curing while supplying the first material or the second material.
(Appendix 12)
12. The additive manufacturing method according to one of appendices 9 to 11, wherein the cooling is performed by a cooling medium.
(Appendix 13)
12. The additive manufacturing method according to one of appendices 9 to 11, wherein the cooling is performed by a cooling block.
(Appendix 14)
14. The additive manufacturing method according to appendix 13, wherein the second material is supplied by designating a predetermined position where the second material is supplied by the cooling block.
１ 第１の材料による部分
２ 第２の材料による部分
３ 造形層
４ 材料供給管
５ ヒータ
６ 冷却媒体供給筒
７ 冷却媒体
８ レーザ照射装置
９ レーザ光
１０ 冷却回路
１１、１２ 冷却ブロック
１００ 積層造形装置
１０１ 造形ステージ
１０２ 部分冷却部
１０３ 加熱部
１０４ 第１の材料供給部
１０５ 第２の材料供給部
１０６ 制御部
１０７ ３次元形状モデル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Part by 1st material 2 Part by 2nd material 3 Modeling layer 4 Material supply pipe 5 Heater 6 Cooling medium supply cylinder 7 Cooling medium 8 Laser irradiation apparatus 9 Laser beam 10 Cooling circuit 11, 12 Cooling block 100 Laminate modeling apparatus 101 modeling stage 102 partial cooling unit 103 heating unit 104 first material supply unit 105 second material supply unit 106 control unit 107 three-dimensional shape model
Claims (10)
前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部と、
前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部と、
少なくとも前記第２の材料を供給する際に前記第２の材料を加熱する加熱部と、
前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する部分冷却部と、を備える積層造形装置。 In the additive manufacturing apparatus that forms the first material and the second material in the same layer,
A first material supply section for supplying the first material to a predetermined position in the layer;
A second material supply section for supplying the second material to a predetermined position in the layer;
A heating unit that heats the second material when supplying at least the second material;
An additive manufacturing apparatus comprising: a partial cooling unit that cools the first material existing around the second material.
前記第１の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第２の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第２の材料を供給する際に、供給する前記第２の材料を加熱し、
前記第２の材料の周囲に存在する前記第１の材料を冷却する、積層造形方法。 In the additive manufacturing method for forming the first material and the second material in the same layer,
Supplying and shaping the first material to a predetermined position;
Supplying and shaping the second material to a predetermined position;
Heating the second material to be supplied when supplying the second material;
An additive manufacturing method for cooling the first material existing around the second material.
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