JP2018158470A - Laminating modeling apparatus and laminating modeling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、層を積層して３次元造形物を造形する積層造形技術に関する。 The present invention relates to an additive manufacturing technique for forming a three-dimensional structure by stacking layers.
３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層ごとに層の上に層を積むようにして材料を付加して３次元の造形物を製造する方法は、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（スリー ディー 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。 A method of manufacturing a three-dimensional structure by dividing a layer of three-dimensional CAD (Computer Aided Design) data and adding a material so that the divided layers are stacked on each layer is defined as an additive manufacturing in the international standard. Has been. This manufacturing method invented in the 1980's is generally called a 3D printer (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単一部品内に自由に配置させた造形を可能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造形物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 enable modeling in which a plurality of types of materials are freely arranged in a single part. This is because modeling using a plurality of materials can realize a model with 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造形物が実現する。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造形物が実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも実現することができる。 For example, a composite having a function of an electronic circuit is realized by combining a conductive material and an insulating material. In addition, by combining a hard material and a flexible material, a shaped article having a function having both strength and flexibility can be realized. These functions can be realized without developing new materials.
ところで、粉末材料の硬化層を積層して３次元造形物を造形する場合、各層の内部には粉末材料であることに起因する隙間が生じ、この隙間によって造形物の強度や精度が低下するという問題が生じていた。この問題を解決するために、特許文献１では、積層された粉末材料をレーザ光が透過する押付板で加圧することによって粉末間の隙間を低減し、その後、押付板を通してレーザ光を照射して硬化層を形成する方法が開示されている。 By the way, when a three-dimensional structure is modeled by laminating a hardened layer of powder material, a gap due to being a powder material is generated inside each layer, and the strength and accuracy of the model decrease due to this gap. There was a problem. In order to solve this problem, in Patent Document 1, a gap between powders is reduced by pressing a laminated powder material with a pressing plate that transmits laser light, and then laser light is irradiated through the pressing plate. A method of forming a cured layer is disclosed.
また、特許文献２では、光硬化性樹脂液を硬化し積層して３次元造形物を造る際に、液面に光透過性フィルムを接触させ、その上から光透過性の押付板を当てながらフィルムと押付板を通して光を照射することで平坦な硬化層を形成する。さらに、硬化層を形成した後にフィルムを巻き取って回収する方法が開示されている。 Moreover, in patent document 2, when hardening a photocurable resin liquid and laminating | stacking and making a three-dimensional structure, a light-transmitting film is made to contact a liquid level and a light-transmitting pressing board is applied from it. A flat hardened layer is formed by irradiating light through the film and the pressing plate. Furthermore, a method for winding and recovering the film after forming the cured layer is disclosed.
しかしながら、特許文献１や特許文献２の技術は、以下の課題を有している。すなわち、特許文献１では、材料の硬化層と押付板とが接着してしまうことにより、製造工程を中断させたり造形物が破損したりする問題が生じている。また、特許文献２では、光硬化性樹脂液のように光で硬化させる場合は有効であるが、粉末材料のようにレーザ光を照射した高温状態で硬化する場合、フィルムが硬化層に接着して回収できなくなる問題が生じている。 However, the techniques of Patent Document 1 and Patent Document 2 have the following problems. That is, in patent document 1, the hardened layer of material and a pressing board adhere | attach, and the problem that a manufacturing process is interrupted or a molded article is damaged has arisen. Moreover, in patent document 2, although it is effective when making it harden | cure with light like a photocurable resin liquid, when hardening in the high temperature state irradiated with the laser beam like a powder material, a film adheres to a hardening layer. Has become a problem that can not be recovered.
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、材料を押付板で加圧しながら硬化し積層して３次元造形物を造形する際に、硬化層と押付板との剥離性を高めた積層造形装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to form a three-dimensional structure by curing and laminating a material while pressing it with a pressing plate, and to form a three-dimensional structure. An object of the present invention is to provide an additive manufacturing apparatus with improved peelability.
本発明の積層造形装置は、所定の材料を供給する供給部と、前記材料を硬化層にして積層することで３次元造形物を造形する造形部と、前記材料が硬化する時に前記材料に押し付けられている押付部と、前記材料が硬化した後に前記押付部と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換する熱交換部と、を有し、前記押付部は前記熱交換による前記押付部と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記硬化層を分離する。 The additive manufacturing apparatus of the present invention includes a supply unit that supplies a predetermined material, a modeling unit that forms a three-dimensional structure by stacking the material as a cured layer, and presses the material when the material is cured. And a heat exchanging part that exchanges heat with at least one of the pressing part and the hardened layer after the material is cured, and the pressing part includes the pressing part and the curing by the heat exchange. The cured layer is separated by the difference in dimensional change accompanying the temperature change of the layer.
本発明の積層造形方法は、所定の材料を硬化層にして積層することで３次元造形物を造形する積層造形方法において、前記材料に押付板を押し付けた状態で前記材料を前記硬化層とし、前記材料が硬化した後に前記押付板と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換して、前記熱交換による前記押付板と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記押付板と前記硬化層を分離する。 The additive manufacturing method of the present invention is the additive manufacturing method for forming a three-dimensional structure by forming a predetermined material as a hardened layer, and in the state of pressing a pressing plate against the material, the material is the hardened layer, After the material is cured, heat exchange is performed with at least one of the pressing plate and the cured layer, and the pressing plate and the curing are caused by a difference in dimensional change associated with a temperature change of the pressing plate and the cured layer due to the heat exchange. Separate the layers.
本発明によれば、材料を押付板で加圧しながら硬化し積層して３次元造形物を造形する際に、硬化層と押付板との剥離性を高めた積層造形装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when hardening and laminating material while pressing with a pressing board and modeling a three-dimensional modeling thing, the lamination modeling apparatus which improved the peelability of a hardening layer and a pressing board can be provided. .
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。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の積層造形装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の積層造形装置１は、所定の材料を供給する供給部１１と、前記材料を硬化層にして積層することで３次元造形物を造形する造形部１２と、を有する。さらに、前記材料が硬化する時に前記材料に押し付けられている押付部１３と、前記材料が硬化した後に前記押付部１３と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換する熱交換部１４と、を有する。さらに、前記押付部１３は前記熱交換による前記押付部１３と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記硬化層を分離する。
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.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the additive manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention. The additive manufacturing apparatus 1 according to the present embodiment includes a
積層造形装置１によれば、積層された材料に押付部１３である押付板を押し付けた状態で材料を硬化させて硬化層とした後に、押付板や硬化層が熱交換部１４で熱交換される。このときの押付板と硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差により、押付板と硬化層との界面にずれが生じることによって、押付板と硬化層との剥離が促進される。
According to the additive manufacturing apparatus 1, after the material is cured with the pressing plate that is the pressing
以上のように本実施形態によれば、材料を押付板で加圧しながら硬化し積層して３次元造形物を造形する際に、硬化層と押付板との剥離性を高めた積層造形装置を提供することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２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２は、所定の材料を供給する供給部２１と、供給された材料を材料層として積層し各材料層を硬化して３次元造形物を造形する造形部２２と、造形前と造形中の材料層に押し付ける押付部２３と、造形後の押付部２３を冷却する冷却部２４とを有する。さらに、材料層に押し付ける押付部２３を予め加熱する加熱部２５を有する。さらに、所定の造形物を造形するために、供給部２１と造形部２２と押付部２３と冷却部２４と加熱部２５を制御し連携させる制御部２６を有する。
As described above, according to the present embodiment, when a material is cured while being pressed with a pressing plate and laminated to form a three-dimensional structure, the additive manufacturing apparatus with improved peelability between the cured layer and the pressing plate is provided. Can be provided.
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the additive manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The additive manufacturing apparatus 2 of the present embodiment includes a supply unit 21 that supplies a predetermined material, a modeling unit 22 that laminates the supplied material as a material layer, cures each material layer, and models a three-dimensional structure, It has the pressing part 23 pressed against the material layer before modeling and during modeling, and the
供給部２１は、チャンバ２１１と供給筒２１２とを有する。チャンバ２１１は、材料を保管する。供給筒２１２は、チャンバ２１１に保管された材料を、造形部２２の後述するステージ２２１の所定の位置に所定の量を供給する。ここで所定の量とは、ステージ２２１上に材料を所定の厚さの材料層として敷き詰めるために必要な量である。
The supply unit 21 includes a
材料は粉体とすることができ、粉体の形状は球形とすることができる。球形状の生成方法としてはアトマイズ法を用いることができるが、これには限定されない。粉体の粒径は５μｍ〜５０μｍなどとすることができるが、これには限定されない。粉体の形状は、また、鱗片状の平板形状（円板形状）とすることができる。平板形状は、アトマイズ法等で製造した球形の粉体を、さらにスタンピング等の方法で鱗片状に平板化することで得られるが、これには限定されない。さらに、材料の形状は球形や平板には限定されず、任意の多面体や楕円体などでもよい。 The material can be powder and the shape of the powder can be spherical. An atomizing method can be used as a method for generating a spherical shape, but is not limited thereto. The particle size of the powder may be 5 μm to 50 μm, but is not limited thereto. The shape of the powder can also be a scale-like flat plate shape (disc shape). The flat plate shape can be obtained by further flattening a spherical powder produced by an atomizing method or the like into a scaly shape by a method such as stamping, but is not limited thereto. Furthermore, the shape of the material is not limited to a spherical shape or a flat plate, and may be any polyhedron or ellipsoid.
材料の材質は、プラスチック材料とすることができ、例えば、ナイロン、ポリ乳酸、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトンとすることができる。また、これらの材料にガラスやカーボン等を所定量添加していても良い。また、金属材料とすることもでき、例えば、銅、ステンレス、アルミ、チタンとすることができる。また、セラミックやカーボンとすることもできる。 The material of the material can be a plastic material, for example, nylon, polylactic acid, polyethylene, polystyrene, or polyetheretherketone. Further, a predetermined amount of glass, carbon or the like may be added to these materials. Moreover, it can also be set as a metal material, for example, can be set as copper, stainless steel, aluminum, and titanium. It can also be ceramic or carbon.
造形部２２は、ステージ２２１とスキージ２２２と硬化部２２３と位置センサ２２４とを有する。
The modeling unit 22 includes a
ステージ２２１は、供給部２１から供給された材料を積層して３次元造形物を造形する造形面を備えている。さらに、ステージ２２１は昇降機構を有し、材料の積層に合わせて造形面を昇降することができる。
The
スキージ２２２は、ステージ２２１上に供給された材料を、造形面上に平坦に引き延ばして均一の厚さに敷き詰めた材料層とする。スキージ２２２の形状は、平スキージ、角スキージ、剣スキージ等、目的に合わせた形状とすることができる。また、スキージ２２２をローラとし、ローラを転がすことによって材料を平坦化し均一な厚さに敷き詰めても良い。スキージ２２２の材質は、ゴム、プラスチック、金属等から、目的に合わせて選択することができる。
The
硬化部２２３は、スキージ２２２により平坦化され均一な厚さに敷き詰められた材料層の所定の領域、すなわち造形物を形成する領域を加熱して硬化層を形成する。硬化層の形成方法としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している粉末床溶融結合方式（Ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）を用いることができる。
The
この方式の場合、硬化部２２３は、後述の押付板２３１を透過して材料層を加熱するレーザ光を照射するレーザ照射機構とすることができる。硬化部２２３は、ステージ２２１上の材料層の所定の領域を所定の時間、レーザ光を照射することにより加熱して硬化層を形成する。レーザとしては、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇで使用されるファイバーレーザ等を用いることができる。なお、硬化層を除いた材料層の残りの部分は、未硬化な材料であり、回収されたり廃棄されたりすることができる。
In the case of this method, the
位置センサ２２４は、ステージ２２１上に積層された材料層の表面の高さ方向（積層方向）の位置を測定する。位置センサ２２４は、表面にレーザ光を照射し、その反射光を検出する方法で表面の高さ方向の位置を測定することができる。測定された材料層の表面の位置は、後述の押付板２３１を材料層に押し付ける際の圧力を調整するためや、ステージ２２１の高さを調整するためなどに用いられる。
The
押付部２３は、押付板２３１と加圧部２３２と搬送部２３３とを有する。
The pressing unit 23 includes a
押付板２３１は、平板形状を有し、ステージ２２１上に積層された材料層に押し付けられて、材料層を圧縮する。押付板２３１は、材料層が硬化される前（造形前）と硬化中（造形中）に、材料層に押し付けられる。押付板２３１は、材料層の硬化の際にレーザ光を透過することのできる、ガラスなどの透明な材料とすることができる。
The
ガラスの材質としては、造形物の材料であるプラスチックの熱膨張係数との差の大きい材質が好ましく、例えば、熱膨張係数４０×１０−７／℃以下の耐熱ガラスが好ましい。また、造形物の材料がアルミニウムなどの金属を含む場合は、金属の熱膨張係数はプラスチックの熱膨張係数よりも小さいことから、熱膨張係数がさらに小さい７×１０−７／℃以下の耐熱ガラスが好ましい。 The material of the glass is preferably a material having a large difference from the thermal expansion coefficient of the plastic that is the material of the modeled object. For example, heat resistant glass having a thermal expansion coefficient of 40 × 10 −7 / ° C. or less is preferable. In addition, when the material of the model includes a metal such as aluminum, the thermal expansion coefficient of the metal is smaller than the thermal expansion coefficient of the plastic, so that the heat expansion glass having a smaller thermal expansion coefficient of 7 × 10 −7 / ° C. or less. Is preferred.
加圧部２３２は、押付板２３１をステージ２２１の造形面の方向に押し付けるように加圧する。加圧部２３２は、重りや油圧や空気圧などによる荷重によって加圧することができる。押付板２３１における加圧の位置は、硬化部２２３から照射されるレーザ光を遮らない周辺部などとすることができる。加圧部２３２による加圧により、押付板２３１はステージ２２１上に積層された材料層に押し付けられて材料層を圧縮する。
The pressurizing
搬送部２３３は、押付板２３１を持ち上げてステージ２２１の所定の位置に搬送する。図３は、押付板２３１の搬送方法を説明するための図である。図３のように、搬送部２３３は押付板２３１が平板の場合、真空排気による吸着で押付板２３１を持ち上げて搬送することができる。例えば、押付板２３１の重さが１．２ｋｇで、搬送部２３３に直径３ｃｍの円形の吸着部分が４箇所設けられている場合、排気により大気圧に対して６ｋＰａ程度減圧することによって、押付板２３１を持ち上げて搬送することができる。
The
冷却部２４は、冷却板２４１と冷却槽２４２とを有する。
The cooling
冷却板２４１は、平板形状を有し、材料層の硬化後の押付板２３１に重ねられて、押付板２３１を冷却する。冷却板２４１は、押付板２３１を効率よく冷却するために、熱伝導率の高いアルミニウムや銅や鉄鋼などの金属とすることが好ましい。また、冷却板２４１は、造形物よりも融点の高い材料で構成される。
The
冷却板２４１は、押付板２３１を押し付けた状態での材料層の硬化の後、押付板２３１に重ねられることによって、レーザ光による硬化の際に押付板２３１に加わった熱を放熱する。さらにこのとき、硬化層の熱も押付板２３１を介して冷却板２４１に放熱される。これらにより、硬化の際に高温となった押付板２３１と硬化層とが冷却され、各々の熱膨張係数に基づいて収縮する。押付板２３１と硬化層の圧縮量の差により押付板２３１と硬化層との界面にずれが生じることによって、押付板２３１と硬化層との剥離性が向上する。
The
硬化の際に高温となった押付板２３１と硬化層とは、そのまま放置しておいたとしても、いずれ室温程度にまで降温する。しかしながら、実際の製造工程で自然冷却による降温を待っていたのでは製造工程を著しく遅延させることになるため、製造コストの面から好ましくない。冷却板２４１で押付板２３１を冷却することによって、押付板２３１と硬化層の降温を促進させて、製造コストを低減することができる。
Even if the
冷却板２４１の搬送には、冷却板２４１が押付板２３１と同様に平板形状であることから、押付板２３１の搬送部２３３を兼用することができる。冷却板２４１の搬送に搬送部２３３を兼用することによって、積層造形装置２を低コスト化することができる。また、冷却板２４１の搬送用に、専用の搬送機構を設けてもよい。専用の搬送機構は、搬送部２３３と同じ構造としてもよい。
Since the
冷却槽２４２は、冷却板２４１を予め冷却する。冷却槽２４２は、冷媒を流した冷却用のプレートを有し、この冷却用のプレートを冷却板２４１に重ねる、もしくは冷却用のプレートで冷却板２４１を挟み込むなどの構成とすることができるが、これには限定されない。冷却槽２４２は、冷蔵庫のような低温室を有し、低温室で冷却板２４１を冷却する構成としてもよい。冷却板２４１は、冷却槽２４２で冷却されてから押付板２３１に重ねられる。
The cooling tank 242 cools the
加熱部２５は、押付板２３１をステージ２２１上の材料層に押し付ける前に、予め押付板２３１を材料の融点以下に加熱する。これにより押付板２３１を押し付けた際に、材料層が暖められて効率よく硬化することができる。加熱部２５は、ヒータを有する加熱プレートを押付板２３１に重ねる、もしくは加熱プレートで押付板２３１を挟み込むなどの構成とすることができるが、これには限定されない。加熱部２５は、高温槽のような高温室を有し、高温室で押付板２３１を加熱する構成としてもよい。押付板２３１は、加熱部２５で材料の融点以下に加熱されてからステージ２２１上の材料層に押し付けられる。
The heating unit 25 heats the
押付板２３１を予め加熱しておかなくても、レーザ光の照射時間を長くすれば材料層の硬化は可能である。しかしながら、レーザ光の照射時間を長くすることによって、製造工程には遅延や消費電力の増大が生じることとなり、製造コストの面から好ましくない。予め押付板２３１を加熱することによって、材料層の硬化を促進させて、製造コストを低減することができる。
Even if the
制御部２６は、供給部２１や造形部２２や押付部２３や冷却部２４や加熱部２５に接続し、これらを制御し連携させる機能を有する。すなわち、材料の供給量や供給位置や供給タイミング、ステージ２２１の昇降の量、スキージの動作、レーザ光の照射の位置や時間、押付板２３１の加圧、冷却板２４１の冷却や押付板２３１の加熱などの、造形物の積層造形に関わる制御を行なう。
The control unit 26 is connected to the supply unit 21, the modeling unit 22, the pressing unit 23, the cooling
制御部２６は、サーバなどの情報処理装置をプログラムにより動作させて実現することができる。このプログラムによる動作の内で、積層造形に関わる動作は、造形物の３次元ＣＡＤデータに基づいて設定される。すなわち、制御部２６は、３次元ＣＡＤデータに基づいて３次元造形物の造形を制御することができる。 The control unit 26 can be realized by operating an information processing apparatus such as a server by a program. Among the operations by this program, the operations related to additive manufacturing are set based on the three-dimensional CAD data of the modeled object. That is, the control unit 26 can control the modeling of the three-dimensional structure based on the three-dimensional CAD data.
図４は、積層造形装置２の動作を説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the additive manufacturing apparatus 2.
（ａ）では、ステージ２２１上に供給された材料が、スキージ２２２により引き延ばされて最上層の材料層として積層される。最上層の下には硬化層を含む材料層が存在していてもよい。また、位置センサ２２４は、最上層の材料層が形成される下面の位置と、最上層の材料層の表面の位置とを測定する。これにより材料層が所望の厚さを有していることを確認できる。所望の厚さからずれている場合は、スキージ２２２で最上層を除去し、材料層を形成し直すなどの対策が可能である。
In (a), the material supplied onto the
（ｂ）では、押付板２３１が搬送部２３３により材料層上に搬送される。押付板２３１はステージ２２１上の材料層の全体を覆うものであることが好ましい。またこの時、押付板２３１は、予め加熱部２５によって材料の融点以下の温度に加熱されている。なお、押付板２３１の加熱は、加熱温度や加熱時間を管理することによって行うことができる。
In (b), the
（ｃ）では、押付板２３１が加圧部２３２によりステージ２２１の方向に加圧される。押付板２３１における加圧の位置は、材料層の硬化の際に、硬化部２２３から照射されるレーザ光を遮らない周辺部などとすることができる。加圧により押付板２３１は、材料層に押し付けられて材料層を圧縮する。加圧の際の圧力は、圧縮された材料層の厚さが所定の厚さになるように、予め設定しておくことができる。また、加圧する時間によっても材料の厚さは変わるため、加圧からその後の硬化の工程までの時間の管理を行う。
In (c), the
またこの時、位置センサ２２４は、圧縮された最上層の材料層の表面の位置を、押付板２３１を介して測定する。これにより、加圧後の材料層が所望の厚さを有していることを確認できる。また、例えば、加圧前の材料層に対して加圧後の材料層の密度を２倍にしたい場合、加圧後の材料層の厚さが加圧前の１／２であれば、密度が２倍となったことを確認することができる。
At this time, the
図５Ａは、積層造形装置２の押付板２３１の効果を説明するための図である。ステージ２２１上の材料がスキージ２２２によって引き延ばされた状態での材料層には（図５Ａの左図）、材料の粒子の密度が低いことから粒子間に多くの隙間が存在する。一方、押付板２３１で圧縮された材料層は（図５Ａの右図）、粒子の密度が増大していることによって粒子間の隙間が減少している。
FIG. 5A is a diagram for explaining the effect of the
（ｄ）では、硬化部２２３が押付板２３１を介して、最上層の材料層の所定の位置に所定の時間、レーザ光を照射して材料層を硬化する。
In (d), the
図５Ｂは、積層造形装置２の押付板２３１の効果を説明するための図である。押付板２３１での押し付けのない状態で硬化した硬化層には（図５Ｂの左図）、硬化前の材料層に多く存在した隙間によって、隙間が多く存在する。一方、押付板２３１で圧縮された状態で硬化した硬化層は（図５Ｂの右図）、硬化前の材料層の隙間が減少していることによって、隙間が減少している。
FIG. 5B is a diagram for explaining the effect of the
（ｅ）では、レーザ光の照射による硬化層の形成が終了した後、冷却板２４１が搬送部２３３により搬送され押付板２３１に重ねられる。冷却板２４１は押付板２３１の全体を覆うものであることが好ましい。またこの時、冷却板２４１は、予め冷却槽２４２によって所定の温度以下に冷却されている。所定の温度とは、この後に押付板２３１を硬化層を含む材料層から分離する際に、押付板２３１と硬化層が剥離する温度とすることができる。また、冷却板２４１が押付板２３１を冷却する時間は、押付板２３１と硬化層が剥離する温度まで冷却される時間とすることができる。
In (e), after the formation of the hardened layer by the irradiation of the laser beam is completed, the
押付板２３１は、冷却板２４１が重ねられることによって、硬化の際に加わった熱を冷却板２４１に放熱する。さらにこのとき、硬化層の熱も押付板２３１を介して冷却板２４１に放熱される。これらにより、硬化の際に高温となった押付板２３１と硬化層とが冷却され、各々の熱膨張係数に基づいて収縮する。押付板２３１と硬化層の圧縮量の差により押付板２３１と硬化層との界面にずれが生じることによって、押付板２３１と硬化層との剥離が促進される。
The
（ｆ）では、押付板２３１と冷却板２４１が、搬送部２３３によりステージ２２１上から搬送されて取り除かれる。このとき、押付板２３１の温度をモニタリングし、押付板２３１が所定の温度以下となったことを確認してから搬送してもよい。所定の温度とは、予め確認された、押付板２３１と硬化層が剥離する温度とすることができる。
In (f), the
図６は、本実施形態の積層造形装置２の動作を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the additive manufacturing apparatus 2 of the present embodiment.
ステップＳ１では、供給部２１がステージ２２１の造形面上に、所定の積層厚さとなる体積の材料を供給する。
In step S <b> 1, the supply unit 21 supplies a volume of material having a predetermined stacking thickness on the modeling surface of the
ステップＳ２では、スキージ２２２が、供給された材料を、ステージ２２１の造形面上に均一の厚さで平坦に敷き詰めた材料層として積層する。この工程をスキージングと呼ぶ。
In step S <b> 2, the
ステップＳ３では、押付板２３１を材料層に押し付け、加圧部２３２で押付板２３１を加圧して、材料層を圧縮する。なお、押付板２３１は予め加熱部２５で所定の温度に加熱されている。
In step S <b> 3, the
ステップＳ４では、硬化部２２３が押付板２３１を介して材料層の所定の位置に所定の時間だけレーザ光を照射し、材料層を硬化する。
In step S4, the
ステップＳ５では、材料層の硬化の後、冷却板２４１を押付板２３１に重ねることによって、押付板２３１とこれに接する硬化層を冷却する。なお、冷却板２４１は予め冷却槽２４２で所定の温度に冷却されている。
In step S5, after the material layer is cured, the
ステップＳ６では、冷却板２４１と押付板２３１をステージ２２１から離す。なお、この後、冷却板２４１は冷却槽２４２で冷却され、押付板２３１は加熱部２５で加熱される。
In step S <b> 6, the
ステップＳ７では、ステージ２２１上に所定の層数が積層されたか否かを確認する。すなわち、造形を完了したか否かを確認する。ステップＳ７がＮＯの場合、次の層を積層させるためにステージ２２１を所定量、例えば層厚分だけ下降させて位置を設定する（ステップＳ８）。ステージ２２１の位置が設定された後、ステップＳ１が繰り返される。
In step S <b> 7, it is confirmed whether or not a predetermined number of layers are stacked on the
所定の層数が積層されて造形物が完成すると（ステップＳ７のＹＥＳ）、終了する。 When a predetermined number of layers are stacked and a shaped object is completed (YES in step S7), the process ends.
図７Ａは、加圧部２３２による押付板２３１の加圧の様子を説明するための図である。押付板２３１における加圧の位置は、硬化部２２３から照射されるレーザ光を遮らない周辺部などとすることができる。この時、押付板２３１の面積が大きい、もしくは押付板２３１の厚みを十分に厚くできない場合、押付板２３１の周辺を加圧することにより押付板２３１に反りが生じる場合がある。この場合、造形物の形状の精度の劣化や、冷却板２４１と押付板２３１との熱接触の劣化をもたらすこととなる。冷却板２４１と押付板２３１との熱接触が劣化すると、押付板２３１の冷却が十分に行われなくなり、押付板２３１と硬化部の剥離性が劣化する。
FIG. 7A is a diagram for explaining the manner in which the
図７Ｂおよび図７Ｃは、以上の加圧による押付板２３１の反りの問題を解決するために、押付板２３１の加圧のための圧力調整部２７を設けることを説明するための図である。圧力調整部２７は、押付板２３１の周辺部で押付板２３１に密着したチャンバ構造であり、コンプレッサ２８により圧縮された高圧空気が注入される。これにより、押付板２３１は、高圧空気により均等に加圧され、反りの発生が抑制される。なお、コンプレッサ２８により圧縮された高圧空気には限定されず、圧力を調整されたアルゴンや空気や窒素などの高圧ガスであればよい。
FIG. 7B and FIG. 7C are diagrams for explaining the provision of the pressure adjusting unit 27 for pressurizing the
圧力調整部２７は、その外部に硬化部２２３を設けている場合は、レーザ光の経路にあたる部分を、レーザ光を透過するガラスなどとする。また、図７Ｃに示すように、圧力調整部２７の内部で押付板２３１に冷却板２４１を重ねられるよう、冷却部２４を圧力調整部２７の内部に設ける。この時、冷却部２４の冷却槽２４２はなるべく小さいことが好ましいことから、冷却板２４１に重ねることで冷却板２４１を冷却できる冷却プレートとすることができる。また、冷却板２４１を押付板２３１と冷却プレートとの間で搬送するための搬送部を設けることができる。
In the case where the
本実施形態の積層造形装置２では、積層造形の効率を高めるために押付板２３１と冷却板２４１とを各々、複数備えることができる。すなわち、一方の押付板２３１をステージ２２１上の材料層に押し付けているときに、他方の押付板２３１を加熱部２５で加熱しておく。一方の押付板２３１での材料層の硬化が終了しステージ２２１から搬送されると、予め加熱しておいた他方の押付板２３１を次の材料層の硬化に使うことができる。また、一方の冷却板２４１で押付板２３１を冷却しているときに、他方の冷却板２４１を冷却槽２４２で冷却しておく。一方の冷却板２４１での押付板２３１の冷却が終了しステージ２２１から搬送されると、予め冷却しておいた他方の冷却板２４１を次の冷却に使うことができる。以上のようにすることで、積層造形の効率を高めることができ、製造コストを低減することができる。
In the additive manufacturing apparatus 2 of the present embodiment, a plurality of
本実施形態の積層造形装置２では、一例として、材料にナイロンを用い、押付板２３１に石英ガラスを用いた場合、押付板２３１の加熱の温度をナイロンの融点よりも低い１８０℃程度とすることができる。また、冷却板２４１の冷却温度を８０℃程度とすることができる。このとき、石英ガラスの熱膨張係数が９×１０−６／℃に対し、ナイロンが１００×１０−６／℃であるため、１８０℃から８０℃まで降温させると、１０ｃｍ当たりで石英ガラスが０．０９ｍｍ、ナイロンが１ｍｍ収縮する。この収縮差より造形物と押付板２３１との剥離を生じさせることができる。なお、本実施形態の積層造形装置２では、以上の例には限定されず、材料と押付板２３１の材質な様々な組み合わせが可能である。
In the additive manufacturing apparatus 2 of the present embodiment, as an example, when nylon is used as the material and quartz glass is used as the
なお、積層造形装置２では、押付板２３１が未硬化の材料層に接する部分に、未硬化の紛体材料が付着する場合がある。これに対しては、ハケやブラシなどを用いた除去機構を備え、付着した紛体材料を除去することが可能である。
In the additive manufacturing apparatus 2, an uncured powder material may adhere to a portion where the
以上のように、本実施形態の積層造形装置２では、押付板２３１を冷却板２４１で冷却することで、冷却に伴う押付板２３１と硬化層の収縮量の差で押付板２３１と硬化層の分離を促進する場合について説明したが、これには限定されない。例えば、ステージ２２１に冷媒を流してステージ２２１を冷却することによって硬化層や押付板２３１を冷却して分離を促進してもよい。
As described above, in the additive manufacturing apparatus 2 according to the present embodiment, the
また、３次元造形物の材料を紛体とし、紛体をレーザ光照射による加熱により溶融して硬化層を形成する熱硬化の場合について説明したが、これには限定されない。例えば、材料を紫外線硬化樹脂とし、紫外線照射による紫外線硬化により硬化層を形成してもよい。 Moreover, although the case where the material of the three-dimensional structure was made into a powder and the powder was melted by heating by laser light irradiation to form a hardened layer was described, the present invention is not limited to this. For example, the material may be an ultraviolet curable resin, and the cured layer may be formed by ultraviolet curing by ultraviolet irradiation.
また、紫外線硬化のように熱硬化のような材料の温度上昇を伴わない場合、押付板２３１や硬化層を加熱することで、加熱に伴う押付板２３１と硬化層の膨張量の差で押付板２３１と硬化層の分離を促進するようにしてもよい。
Further, when there is no increase in the temperature of the material such as thermosetting as in ultraviolet curing, the
以上のように、本実施形態の積層造形装置２によれば、ステージ２２１上に積層された材料に押付板２３１を押し付けた状態で材料を硬化させた後に、冷却板２４１などで押付板２３１や硬化層と積極的に熱交換する。これによる押付板２３１と硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で、押付板２３１と硬化層との界面にずれが生じることによって、押付板２３１と硬化層との剥離を促進することができる。
As described above, according to the additive manufacturing apparatus 2 of the present embodiment, after the material is cured in a state where the
また、冷却板２４１などで押付板２３１を冷却するなどの熱交換を積極的に行うことにより、製造時間が短縮されて製造コストが低減する。また、押付板２３１を加熱部２５で加熱してから材料層に押し付けることにより、レーザ光による硬化の場合、硬化の時間が短縮されて製造コストが低減する。
Further, by actively performing heat exchange such as cooling the
以上のように本実施形態によれば、材料を押付板で加圧しながら硬化し積層して３次元造形物を造形する際に、硬化層と押付板との剥離性を高めた積層造形装置を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, when a material is cured while being pressed with a pressing plate and laminated to form a three-dimensional structure, the additive manufacturing apparatus with improved peelability between the cured layer and the pressing plate is provided. Can be provided.
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。
（付記１）
所定の材料を供給する供給部と、
前記材料を硬化層にして積層することで３次元造形物を造形する造形部と、
前記材料が硬化する時に前記材料に押し付けられている押付部と、
前記材料が硬化した後に前記押付部と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換する熱交換部と、を有し、
前記押付部は前記熱交換による前記押付部と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記硬化層を分離する、積層造形装置。
（付記２）
前記熱交換部は前記押付部と前記硬化層の少なくとも一方を冷却し、
前記押付部は前記冷却による前記押付部と前記硬化層の収縮量の差で前記硬化層を分離する、付記１記載の積層造形装置。
（付記３）
前記熱交換部は少なくとも１つの冷却板を有し、前記冷却板を前記押付部に接触させることによって前記冷却をする、付記２記載の積層造形装置。
（付記４）
前記押付部の熱膨張係数は前記硬化層の熱膨張係数よりも小さい、付記１から３の内の１項記載の積層造形装置。
（付記５）
前記造形部は前記材料にレーザ光を照射して前記硬化層とする、付記１から４の内の１項記載の積層造形装置。
（付記６）
前記押付部は、積層された前記材料に押し付ける少なくとも１つの押付板と、前記押付板を加圧する加圧部と、を有する、付記１から５の内の１項記載の積層造形装置。
（付記７）
前記加圧部は、高圧ガスにより前記押付板を均一に加圧する圧力調整部を有する、付記６記載の積層造形装置。
（付記８）
前記押付板を前記材料に押し付ける際に前記押付板を加熱する加熱部を有する、付記６または７記載の積層造形装置。
（付記９）
前記押付板はガラスを含む、付記６から８の内の１項記載の積層造形装置。
（付記１０）
前記材料は粉末である、付記１から９の内の１項記載の積層造形装置。
（付記１１）
前記造形部は、前記材料の供給を受けるステージと、前記ステージに供給された前記材料を前記ステージに積層するスキージと、積層された前記材料の所定の領域を加熱して硬化する硬化部と、を有する、付記１から１０の内の１項記載の積層造形装置。
（付記１２）
所定の材料を硬化層にして積層することで３次元造形物を造形する積層造形方法において、
前記材料に押付板を押し付けた状態で前記材料を前記硬化層とし、
前記材料が硬化した後に前記押付板と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換して、前記熱交換による前記押付板と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記押付板と前記硬化層を分離する、積層造形方法。
（付記１３）
前記熱交換で前記押付板と前記硬化層の少なくとも一方を冷却し、
前記冷却による前記押付板と前記硬化層の収縮量の差で前記押付板と前記硬化層を分離する、付記１２記載の積層造形方法。
（付記１４）
前記押付板に冷却板を接触させることによって前記冷却をする、付記１２または１３記載の積層造形方法。
（付記１５）
前記押付板の熱膨張係数は前記硬化層の熱膨張係数よりも小さい、付記１２から１４の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１６）
前記材料を熱硬化して前記硬化層とする、付記１２から１５の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１７）
前記材料にレーザ光を照射して前記硬化層とする、付記１２から１６の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１８）
高圧ガスにより前記押付板を均一に加圧する、付記１２から１７の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１９）
前記押付板を前記材料に押し付ける際に前記押付板を加熱する、付記１２から１８の内の１項記載の積層造形方法。
（付記２０）
前記押付板はガラスを含む、付記１２から１９の内の１項記載の積層造形方法。
（付記２１）
前記材料は粉末である、付記１２から２０の内の１項記載の積層造形方法。
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.
(Appendix 1)
A supply unit for supplying a predetermined material;
A modeling part that models a three-dimensional structure by laminating the material as a hardened layer;
A pressing portion pressed against the material when the material is cured;
A heat exchanging part that exchanges heat with the pressing part and at least one of the hardened layers after the material is cured;
The laminate molding apparatus, wherein the pressing portion separates the hardened layer by a difference in dimensional change accompanying a temperature change of the pressing portion and the hardened layer due to the heat exchange.
(Appendix 2)
The heat exchange part cools at least one of the pressing part and the hardened layer,
The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the pressing portion separates the hardened layer by a difference in shrinkage between the pressing portion and the hardened layer due to the cooling.
(Appendix 3)
The additive manufacturing apparatus according to appendix 2, wherein the heat exchange unit includes at least one cooling plate, and the cooling is performed by bringing the cooling plate into contact with the pressing unit.
(Appendix 4)
4. The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein a thermal expansion coefficient of the pressing portion is smaller than a thermal expansion coefficient of the hardened layer.
(Appendix 5)
5. The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the modeling unit irradiates the material with a laser beam to form the cured layer. 6.
(Appendix 6)
6. The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the pressing unit includes at least one pressing plate that presses the stacked material and a pressing unit that pressurizes the pressing plate. 7.
(Appendix 7)
The additive manufacturing apparatus according to appendix 6, wherein the pressurizing unit includes a pressure adjusting unit that uniformly pressurizes the pressing plate with a high-pressure gas.
(Appendix 8)
The additive manufacturing apparatus according to
(Appendix 9)
9. The additive manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the pressing plate includes glass.
(Appendix 10)
The additive manufacturing apparatus according to any one of appendices 1 to 9, wherein the material is powder.
(Appendix 11)
The modeling unit includes a stage that receives supply of the material, a squeegee that stacks the material supplied to the stage on the stage, and a curing unit that heats and cures a predetermined region of the stacked material, The additive manufacturing apparatus according to any one of appendices 1 to 10, wherein:
(Appendix 12)
In the additive manufacturing method for forming a three-dimensional structure by laminating a predetermined material as a cured layer,
In a state where a pressing plate is pressed against the material, the material is the hardened layer,
After the material is cured, heat exchange is performed with at least one of the pressing plate and the cured layer, and the pressing plate and the curing are caused by a difference in dimensional change associated with a temperature change of the pressing plate and the cured layer due to the heat exchange. Layered modeling method that separates layers.
(Appendix 13)
Cooling at least one of the pressing plate and the hardened layer by the heat exchange,
13. The additive manufacturing method according to
(Appendix 14)
14. The additive manufacturing method according to
(Appendix 15)
15. The additive manufacturing method according to any one of
(Appendix 16)
16. The additive manufacturing method according to one of
(Appendix 17)
17. The additive manufacturing method according to one of
(Appendix 18)
18. The additive manufacturing method according to one of
(Appendix 19)
19. The additive manufacturing method according to any one of
(Appendix 20)
20. The additive manufacturing method according to one of
(Appendix 21)
21. The additive manufacturing method according to one of
１、２ 積層造形装置
１１、２１ 供給部
１２、２２ 造形部
１３、２３ 押付部
１４ 熱交換部
２４ 冷却部
２５ 加熱部
２６ 制御部
２７ 圧力調整部
２８ コンプレッサ
２１１ チャンバ
２１２ 供給筒
２２１ ステージ
２２２ スキージ
２２３ 硬化部
２２４ 位置センサ
２３１ 押付板
２３２ 加圧部
２３３ 搬送部
２４１ 冷却板
２４２ 冷却槽
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2
Claims (10)
前記材料を硬化層にして積層することで３次元造形物を造形する造形部と、
前記材料が硬化する時に前記材料に押し付けられている押付部と、
前記材料が硬化した後に前記押付部と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換する熱交換部と、を有し、
前記押付部は前記熱交換による前記押付部と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記硬化層を分離する、積層造形装置。 A supply unit for supplying a predetermined material;
A modeling part that models a three-dimensional structure by laminating the material as a hardened layer;
A pressing portion pressed against the material when the material is cured;
A heat exchanging part that exchanges heat with the pressing part and at least one of the hardened layers after the material is cured;
The laminate molding apparatus, wherein the pressing portion separates the hardened layer by a difference in dimensional change accompanying a temperature change of the pressing portion and the hardened layer due to the heat exchange.
前記押付部は前記冷却による前記押付部と前記硬化層の収縮量の差で前記硬化層を分離する、請求項１記載の積層造形装置。 The heat exchange part cools at least one of the pressing part and the hardened layer,
The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the pressing unit separates the hardened layer by a difference in shrinkage between the pressing unit and the hardened layer due to the cooling.
前記材料に押付板を押し付けた状態で前記材料を前記硬化層とし、
前記材料が硬化した後に前記押付板と前記硬化層の少なくとも一方と熱交換して、前記熱交換による前記押付板と前記硬化層の温度変化に伴う寸法変化量の差で前記押付板と前記硬化層を分離する、積層造形方法。 In the additive manufacturing method for forming a three-dimensional structure by laminating a predetermined material as a cured layer,
In a state where a pressing plate is pressed against the material, the material is the hardened layer,
After the material is cured, heat exchange is performed with at least one of the pressing plate and the cured layer, and the pressing plate and the curing are caused by a difference in dimensional change associated with a temperature change of the pressing plate and the cured layer due to the heat exchange. Layered modeling method that separates layers.
前記冷却による前記押付板と前記硬化層の収縮量の差で前記押付板と前記硬化層を分離する、請求項９記載の積層造形方法。 Cooling at least one of the pressing plate and the hardened layer by the heat exchange,
The additive manufacturing method according to claim 9, wherein the pressing plate and the hardened layer are separated by a difference in shrinkage between the pressing plate and the hardened layer due to the cooling.
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