JP2017047572A - 造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層欠陥の発生なく、安定した造形を実現する造形装置の提供。
【解決手段】複数の層が積層された積層物０１１を載置するためのステージ０１３と、ステージ０１３上の積層物０１１をステージ０１３と挟んで加圧するための加圧面を有する加圧部材０１０と、前記加圧面と積層物０１１の対向面とが平行になるように前記加圧面が傾く加圧部材０１０のイコライズ機構０１８と、加圧部材０１０に積層物０１１を加圧する力を付勢する付勢手段０１７とを有する、複数の層を積層して形成する３次元物体の造形装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、造形装置に関するものであり、詳しくは、造形材とサポート材で構成されるシート層を積層して三次元物体を造形する積層型の造形装置に関するものである。

アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）等で呼称される造形技術が知られている。

ＡＭ技術は立体物を造形する技術であり、立体物形状データをスライスしていくつかの層に分割し、その各スライス形状データに応じて積層層を造形材により形成する。その形成した造形材の各積層層を順次に積層固着していくことで立体物を造形する。

これらのＡＭ技術は、金型が不要であり、複雑な形状を造形可能であることから、部品試作や、単品または小ロット品の製造に使用される。

しかしながら、これらのＡＭ技術は、部分的に材料を積層していく方法であるが故に、
従来の加工法と比べ、生産性、精度、使用できる材料の限定といった部品製造上の課題を有している。

これら課題を解決する手段として、シート積層（Ｓｈｅｅｔ ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ：ＳＬ）と呼ばれる、シート状の材料を積み重ねて接着積層していく方式の一つで、電子写真方式を利用した積層造形装置が提案されている。

詳しくは、分割したスライス形状データを元に、電子写真方式を用い熱可塑性樹脂粉末の２Ｄスライス画像を現像し、搬送ベルト上に転写する。その後、搬送ベルト上でスライス画像を加熱溶融し、シート状にしたものをシート層として一層ずつ積層物に積層し、加圧接着により固着する方式である。

シート層は、熱可塑性樹脂粉末の造形材と熱可塑性樹脂粉末のサポート材で構成される。

現像したシート層を面で重ねて造形する方式のため、部分的に積層していく従来のＡＭ技術の方式と比べて生産性の課題に対して有利である。

また、電子写真方式で小粒径粒子を材料とできるため、約１０μｍ程度の厚さのシートを積層できる。このため、熱溶融積層法と比べて精度の課題に対して有利である。また、材料選択性の課題に対しては、装置加熱条件を調整すれば、様々な熱可塑性樹脂粉末に対応可能である。

以上の利点により、電子写真方式の造形装置の開発が進められているが、シート層を精度よく積層固着する課題に対する技術開発が必要とされている。

特許文献１には、電子写真方式を用いた造形装置が開示されており、定着手段の記述がある。これによれば中間転写体が停止した状態で、ヒーターが中間転写体を伴い下降して、設定した時間停止して粉体を溶融定着する。

またステージ及びヒーターは、ボールスプライン等に支持された上下手段を採用しており、ステージ・ヒータが水平移動できる構造をとることが、記述されている。

また、特許文献１では、粉体材料を加熱溶融したシート材料を、Ｚステージに搭載した積層ベースもしくは中間造形物に対して積層するため、プレート・ベルト・Ｚステージの平行をメカ構成で保証する技術が開示されている。

特許文献２には、電子写真方式を用いた造形装置において、加熱器の使用で熱可塑性ベース粉末を溶融温度にしたものを装置上流よりビルドプラットフォームに供給し、これを押し当て板を用いてビルドプラットフォームに溶融転写する。ビルドプラットフォームと押圧板は、Ｚ軸に沿って移動できる機構を有することが記述されている。

しかし、Ｚステージ上に直接積層する装置では、初期調整だけで継続的に安定した積層はできない。なぜなら、（１）積層を進めると造形物の重量によりステージは撓む点、（２）融着のために加熱や冷却が行われる場合、各部材の熱変形の影響により、加圧部材・ベルト・Ｚステージの位置は変化する点、（３）加圧を行うことで、ステージやガイド等が経時変化する点、（４）上流側でのプロセスの不安的性に起因する、同一シート内で厚みがばらつく場合がある点、により加圧部材・ベルト・Ｚステージの平行関係に狂いが生じるからである。

つまり上記の文献では、加圧部材・ベルト・Ｚステージは常時に平行関係を保つことができておらず、平行関係に狂いが生じることで、加圧部材による均等な圧力での加圧ができなくなる。

均等な加圧ができなくなれば、積層物に対して積層した次のシート層の接着が充分にできなくなる。接着が充分でなければ、積層欠陥が一部あるいは全面に生じ、積層できない材料はベルトに残り、造形は失敗してしまう。順次に積層固着して積層物を形成する装置においては、そのうち一層でも接着が不十分であれば、造形された積層物が全て失敗となる可能性はより高くなる。

特開２００３−５３８４９号公報（［００３７］〜［００４２］） 特表２０１４−５３３２１０号公報（［００３０］〜［００３７］）

上述のように、積層物に対して不均一な加圧が行われると、積層物の接合がうまくいかなくなり、最終的な造形が失敗することになる。

本発明は、上記に鑑み、積層欠陥の発生なく、安定した造形を実現する造形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明に係る造形装置は、複数の層を積層して形成する３次元物体の造形装置であって、前記複数の層が積層された積層物を載置するためのステージと、
前記ステージ上の前記積層物を前記ステージと挟んで加圧するための加圧面を有する加圧部材と、前記加圧面と前記積層物の対向面とが平行になるように前記加圧面が傾く前記加圧部材のイコライズ機構と、前記加圧部材に前記積層物を加圧する力を付勢する付勢手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、加圧部材の加圧面を平行にイコライズした状態で積層物を加圧できるので、積層物を均等に加圧することができる。

本発明の第１実施形態の三次元物体造形装置の概略を示す図である。 本発明の第１実施形態の積層加圧手段を示す図である。 本発明の第２実施形態の積層加圧手段を示す図である。 本発明の第３実施形態の積層加圧手段を示す図である。

本発明は、複数の層を積層して形成する３次元物体の造形装置であって、前記複数の層が積層された積層物を載置するためのステージと、前記ステージ上の前記積層物を前記ステージと挟んで加圧するための加圧面を有する加圧部材と、前記加圧面と前記積層物の対向面とが平行になるように前記加圧面が傾く前記加圧部材のイコライズ機構と、前記加圧部材に前記積層物を加圧する力を付勢する付勢手段と、を有することを特徴とする。

熱可塑性の造形材と熱可塑性のサポート材とを有するシート層を積層して積層物を形成する、いわゆるシート積層型の造形装置において本発明は好適に用いることができ、以下の実施形態ではシート積層型の造形装置について詳細に説明する。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１実施形態の三次元物体造形装置の概略図である。

本実施形態の三次元物体造形装置は、図１に示すように、層形成手段（００１）を有する。

層形成手段（００１）は、電子写真方式を用いて熱可塑性樹脂粉末で構成されたシート層の画像を中間転写ドラム（００２）に形成する手段である。

シート層は、造形部分となる熱可塑性の造形材樹脂粉末と、積層時に造形材を保持し、造形後に除去される熱可塑性樹脂粉末のサポート材と、により構成されたシート形状の造形画像である。

不図示のコンピューターなどの計算手段により、造形される立体物形状データをスライス分割した、各スライス形状データをまず作成する。

三次元物体造形装置は、作成されたスライス形状データを読み込み、層形成手段（００１）にデータを送信する。

層形成手段（００１）は、そのデータに応じて、２Ｄスライス画像として中間転写ドラム（００２）にシート層を形成する。これにより、造形画像として現像される。

中間転写ドラム（００２）に現像された２Ｄスライス画像（００３）は、その後ドラムが回転することで、搬送部材である搬送ベルト（００９）に転写される。

また中間転写ドラム（００２）には、転写されない材料を清掃するドラムクリーナ（００４）が設けられている。

搬送ベルト上に転写された２Ｄスライス画像（００３）は、図示の矢印の方向に搬送され、ヒータ（００７）を有する加熱・搬送ローラ（００８）に接触する位置に至る。

次に、材料シート化する工程および積層する工程について詳細に説明する。

搬送ベルト上に転写された２Ｄスライス画像（００３）は、加熱・搬送ローラ（００８）を通過する際に加熱されることで、溶融され粉体から薄い膜状のシート層となり、積層部に搬送される。

加熱・搬送ローラ（００８）の周囲には、断熱材（００６）が配置されている。

積層部では、ステージ（０１３）上にシート層を中間積層物上に一層ずつ接着積層する。ステージ（０１３）が上昇して、積層物と搬送ベルトを加圧部材（０１０）で挟みこむことで加圧され、積層される。

ステージ（０１３）上に直接シート層を積層する構成であっても良いが、樹脂などで構成された積層ベース（０１２）をステージ上に配置し、積層ベース（０１２）上で積層物を造形するとその後の取り扱いが容易となり好ましい。

加圧部材（０１０）との接触によって、ベルトに保持されているシート層の温度が下がり、下層の積層物と接着されることで積層される。

積層後、ステージ（０１３）が下降して、搬送ベルト（００９）と積層物が離間する。

積層されず搬送ベルト（００９）に残留した材料は、転写バックアップローラー（００５）に設けられたクリーナ（０１４）でベルトより取り除かれるように構成するとよい。

積層加圧手段（０１５）は、加圧部材（０１０）の加圧面（面Ａ）、搬送ベルト（００９）、積層物の表面（面Ｂ）、さらには積層ベース（０１２）の面、の平行関係に狂いが生じた場合も、搬送ベルト（００９）を介して加圧部材（０１０）の加圧面（面Ａ）と積層物の表面（面Ｂ）を平行に倣わせる調整機構（イコライズ機構）が作用することで、積層物（０１１）全面に対して均等に加圧することができる。

よって、積層ベース（０１２）もしくは中間造形物である積層物（０１１）に対してシート層（０２１）が浮き上がりや、材料が積層できず搬送ベルト（００９）に残ることを低減し、シート（０２１）全面を均一に積層固着することが出来る。

図２は、本発明の第１実施形態の積層部の積層加圧手段（０１５）を示す図である。

積層加圧手段（０１５）は、積層物の位置を昇降させる手段であるステージ（０１３）、搬送ベルト（００９）に付着するシート層を積層物に押し当てる際に、加圧部材（０１０）と、積層物に対し加圧部材を平行に倣わせるイコライズ機構である自動調芯軸受（０１８）と、積層物に対する加圧部材の押し当て力を調整する付勢手段（０１７）で構成されている。

加圧部材（０１０）は、ステージ（０１３）上の積層物（０１１）をステージと挟んで加圧するための加圧面（面Ａ）を有しており、金属製のプレート材などで構成することができる。

本実施形態では搬送ベルト（００９）によって積層物の上方に次のシート層（０２１）が順次搬送される構成であるため、搬送ベルトを介して加圧部材が積層物を加圧する構成になっている。

イコライズ機構は、加圧部材の加圧面（面Ａ）が傾くように構成された機構であり、付勢手段（０１７）により積層物を加圧したときに、加圧面（面Ａ）が前記積層物の加圧される面（面Ｂ）と平行になるように傾くことを許容する機構である。

このようなイコライズ機構は、ユニバーサルジョイントや、自動調芯軸受などが挙げられ、特に自動調芯軸受であることが好ましい。

イコライズ機構（０１８）は、積層物と対向する加圧部材に直接に、かつ加圧部材の加圧面と対向する位置に設けられていることで、ステージ側に調整手段を設ける必要がなくなる。これにより、積層物側の位置関係が崩れないため、積層精度の悪化を防止することができる。

付勢手段（０１７）は、加圧部材によって積層物を加圧したときに、加圧面が積層物の加圧される面と平行になるように力を付与する手段である。

付勢手段（０１７）は、一または複数の機械バネ、あるいは空気バネ等で構成すると良く、バネ力がイコライズ機構の回動点と釣り合うように構成することが好ましい。

具体的には、自動調芯軸受を用いる場合、その軸受の中心とバネ力の重心位置が一致するように配置すること、さらにはバネ力またはバネ合力が、自動調芯軸受のスラスト方向に作用しているように構成することが好ましい。

加圧部材（０１０）は、接着温度を調整可能にするように、冷却手段を有することが好ましい。この場合、加圧部材に設けられる冷却手段は、水冷手段、空冷手段、ペルチェ素子などが挙げられるが、図２に示すように加圧部材に配置された複数の冷却配管（０１９）であると良い。

具体例を挙げると、シート層に用いる熱可塑性樹脂粉末としてＡＢＳ樹脂を用いる場合は、ベルト上で溶融する加熱温度は２００度以上であり、２３０℃程度となる。これに対して、積層物は、次の層を積層するまでに、８０℃から４０℃になるまで冷却されるようにすることが好ましい。

上記の構成によって、積層欠陥の発生なく継続的に安定した造形を実現し、加圧部材・ベルト・積層ベース面の平行関係に狂いが生じた場合においても、積層物の加圧面、あるいは積層ベースの面に対して加圧部材・ベルトを倣わせることができる。

ステージ（０１３）は、断面シート層の厚さ方向（Ｚ方向）に積層物を昇降させる手段であり、シート層を積層ベースを介して加圧部材に押し当て、加圧部材により積層物が冷却され接着温度に調整される。

その際に、積層ベースに対し加圧部材を平行に倣わせるイコライズ機構と、積層ベースに対する加圧部材の押し当て力を調整する付勢手段を有することで、積層ベース面に対して加圧部材・ベルトを倣わせて均等な圧力で加圧される。

加圧部材・ベルト・加圧部材の平行関係に狂いが生じた場合、積層ベース面に対して加圧部材・ベルトを平行に倣わせる調整機構が作用するため、冷却加圧時の前記３部品の平行関係は保証される。そのため、シート全面に対して均等に加圧することができ、結果として、積層ベースもしくは中間造形物に対してシート層が浮き上がることや、材料が積層できずベルトに残ることなく、シート全面を均一に積層することが出来る。つまり、積層プロセスのロバスト性を上げることになる。シート全面に対して均等に加圧する調整機構が、毎積層で作用することは、全積層に対し継続的かつ安定的に一定の加圧条件で積層することになるため、造形物が高精度化するということになる。

また、実装置のメンテナンス性を考慮すると、Ｚステージ上に直接積層するのではなく、樹脂性プレート等の積層ベース上に積層物を積層することが好ましい。

この場合、積層物の加圧される面は、積層ベースの面と平行になっているため、積層ベースの面を加圧される面の基準としても良く、加圧部材（０１０）と、ベルト（００９）、および積層ベース面（０１２）が平行で無い場合に、積層加圧手段（０１５）のイコライズ機構が動作するようにするとよい。

詳細動作は以下のようになる。ステージ（０１３）が上昇すると、搬送ベルト（００９）と加圧部材（０１０）を上方に押し上げる。そのとき付勢手段であるコイルばね（０１７）は圧縮され、その弾性力によりシート層が保持された搬送ベルト（００９）と、積層ベース面（０１２）もしくは中間造形物（０１１）の積層表面に加圧力が作用して密着状態を形成し、接着積層される。

コイルばねの弾性力を伝達する直動軸（０２０）は、コイルばね（０１７）の変位の応じた上下に動作となるように、直動ガイド（０１６）が配置されている。

加圧部材（０１０）・ベルト（００９）・積層ベース面（０１２）もしくは中間造形物（０１１）の積層表面が平行で無い場合、イコライズ機構（０１８）が作動して加圧部材（０１０）の加圧面（面Ａ）は傾斜して、ベルト（００９）の厚みで離間された加圧面（Ａ面）が、積層ベース面（０１２）もしくは中間造形物（０１１）の積層表面（面Ｂ）に平行になる。

加圧部材（０１０）には、冷却手段として、冷却配管（０１９）が、小径かつ複数本に分岐して構成されている。冷却配管（０１９）は、加圧部材（０１０）側面にて不図示のホースを介して冷媒循環装置に接続されている。

ホースは、イコライズ機構（０１８）の動作に影響を与えないように、イコライズ機構（０１８）の回転中心でモーメント釣り合いが取れるようにホースの配置・曲げ張力がバネ等で調整されていると良い。特に、ホースは、加圧部材（０１０）の回転規制手段としても機能するように長さ等を調整して配置する構成も好ましい。

また、イコライズ機構の軸受で面内回転することを規制する手段として、拘束力の強い回転防止ピン等を設けても良い。

また、加圧部材の加圧面の表面には、弾性体である薄い熱伝導ゴム（０２２）を配置できる。これにより、積層表面の面内の微小な凸凹に対してシート層を倣わせることができる。

しかし、数ミリの厚さの厚いゴムを配置すると、熱伝導ゴム（０２２）といえども冷却効率が大幅に落ち、また加圧する際に面内を均等な圧力で加圧することが出来なくなったり、ゴム弾性変形面が発生して積層面の精度悪化が生じたりする場合もある。

熱伝導ゴムの厚みは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが良く、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。

すなわち、図２に示すように、調整量の大きい傾き調整が可能な積層加圧手段（０１５）を用いつつ、さらに微小な凹凸に対する調整のために加圧面に薄い熱伝導ゴム（０２２）を配置する構成であるとよい。

（実施形態２）
図３は、本発明の第２実施形態の積層部および積層加圧手段（０１５）を示す図である。

装置構成は、図１に記載の三次元物体造形装置と同じであり、積層加圧手段（０１５）の構成のみが異なっている。

第２実施形態の積層加圧手段（０１５）との一点目の違いは、付勢手段（０１７）として複数の弾性体が加圧部材に接続するように配置されている点である。この複数の弾性体の合力がイコライズ機構（０１８）の回転中心と一致しかつスラスト方向に作用している。

この構成では、加圧面が傾いた場合、複数配置した付勢手段の変位は異なるため、面内でわずかな圧力分布を持つ。その一方で、イコライズ機構（０１８）が持つモーメント剛性によって、積層途中のわずかな平行バラツキによる急激な加圧部材（０１０）傾斜が発生しなくなる。

二点目の違いは、積層加圧手段（０１５）が、加圧部材昇降手段（０２３）を有しており、積層時に加圧部材（０１０）がベルト面と一致するように下降する点である。

この加圧部材（０１０）の下降により、積層時のベルトの変形をより抑えた状態で積層することができる。

（実施形態３）
図４は、本発明の第３実施形態の積層部および積層加圧手段（０１５）を示す図である。

装置構成は、図１記載の三次元物体造形装置と同じであり、積層加圧手段（０１５）のみ異なる。

第１、第２実施形態の積層加圧手段（０１５）との一点目の違いは、付勢手段として空気バネ（０２５）を使用することにある。

空気バネ（０２５）を使用するメリットは、積層ベース面（０１２）もしくは積層物である中間造形物（０１１）の加圧される面（面Ｂ）に対して、加圧部材（０１０）の加圧面（面Ａ）およびベルト（００９）が平行に倣うとき、空気バネが傾斜しても均等に加圧することが可能な点にある。

機械バネであれば、複数のバネの変位が異なれば作用力が異なり、作用力が異なれば力差が生じ、力差が加圧面にかかる圧力分布差を生じる。

一方、空気バネは内圧が作用する全ての面に均等な圧力が作用するため、空気バネの傾斜が均等加圧を阻害することはない。

二点目の違いは、積層物に印加する圧力を可変可能な点にある。

空気バネ（０２５）には圧力調整手段（０２４）が接続されており、不図示のタンクより送られてくる圧縮空気の圧力を調整することで、シート層の材料やシート面積に最適な圧力に調整可能である。

また、図４に示すように、加圧部材（０１０）の加圧面の傾斜または変位を規制する規制部材（０２６）を配置すると良い。これにより、平行調整が可能な範囲以上に加圧部材（０１０）が傾斜することを規制すること、あるいは空気バネが使用範囲以上に変位することを規制することができる。

このような規制部材（０２６）は、空気バネ以外の構成にも適用可能である。

以上によって、積層加圧手段（０１５）が動作すると、前記積層ベース面（０１２）もしくは中間造形物（０１１）に対して、加圧部材（０１０）・ベルト（００９）が平行に倣う。

そのため、シート（０２１）全面に対して均等に加圧することができ、結果として、積層ベース（０１２）もしくは中間造形物（０１１）に対してシート層（０２１）が浮き上がることや、材料が積層できずベルト（００９）に残ることなく、シート（０２１）全面を均一積層することが出来る。

よって、積層プロセスのロバスト性を上げることになる。シート全面に対して均等に加圧する調整機構が、毎積層で作用することは、全積層に対して継続して安定的に対して一定の加圧条件で積層することになるため、造形物が高精度化する。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

００１ 断面層形成手段
００２ 中間転写ドラム
００３ ２Ｄスライス画像
００４ ドラムクリーナ
００５ 転写バックアップローラー
００６ 断熱材
００７ ヒーター
００８ 加熱・搬送ローラ
００９ ベルト
０１０ 加圧部材
０１１ 造形物
０１２ 積層ベース
０１３ ステージ
０１４ ベルトクリーナ
０１５ 積層加圧手段
０１６ 直動ガイド
０１７ 付勢手段
０１８ イコライズ機構
０１９ 冷却配管
０２０ 直動軸
０２１ シート
０２２ 熱伝導ゴム
０２３ 加圧部材昇降手段
０２４ 圧力調整手段
０２５ 空気バネ
０２６ 傾斜・変位規制部材

Claims (14)

1. 複数の層を積層して形成する３次元物体の造形装置であって、
   前記複数の層が積層された積層物を載置するためのステージと、
   前記ステージ上の前記積層物を前記ステージと挟んで加圧するための加圧面を有する加圧部材と、
   前記加圧面と前記積層物の対向面とが平行になるように前記加圧面が傾く前記加圧部材のイコライズ機構と、
   前記加圧部材に前記積層物を加圧する力を付勢する付勢手段と、
   を有することを特徴とする造形装置。
2. 前記加圧部材が、冷却手段を有する請求項１に記載の造形装置。
3. 前記ステージ上に前記層を搬送する搬送部材を有し、該搬送部材によって前記積層物上に次の層が順次搬送される請求項１または２に記載の造形装置。
4. 前記搬送部材が搬送ベルトであり、該搬送ベルトを介して前記加圧部材が前記積層物を加圧する請求項３に記載の造形装置。
5. 前記層が、熱可塑性の造形材と熱可塑性のサポート材とを有するシート層である請求項１から４のいずれか一項に記載の造形装置。
6. 前記イコライズ機構が、前記付勢手段により前記積層物を加圧したときに、前記加圧面が前記積層物の加圧される面と平行になるように傾くことを許容する機構である請求項１から５のいずれか一項に記載の造形装置。
7. 前記イコライズ機構が自動調芯軸受である請求項１から６のいずれか一項に記載の造形装置。
8. 前記付勢手段が、一または複数の機械バネであり、バネ力またはバネ合力が前記自動調芯軸受の中心と一致している請求項７に記載の造形装置。
9. 前記付勢手段が空気バネであり、バネ力が前記自動調芯軸受の中心と一致している請求項７に記載の造形装置。
10. 前記バネ力またはバネ合力が前記自動調芯軸受のスラスト方向に作用していることを特徴とする、請求項８または９に記載の造形装置。
11. 前記空気バネの圧力調整手段を有する請求項９または１０に記載の造形装置。
12. 前記冷却手段が、前記加圧部材に配置された複数の冷却配管である請求項２に記載の造形装置。
13. 前記加圧面に、弾性体を有することを特徴とする、請求項１の三次元物体造形装置。
14. 前記イコライズ機構が、前記加圧部材の前記加圧面と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の造形装置。

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