JP2023149574A - Three-dimensional molding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3Dプリンティングなどの付加製造技術を用いて立体造形物を形成させる立体造形装置の性能を維持する方法に関する。 The present invention relates to a method for maintaining the performance of a three-dimensional modeling apparatus that forms three-dimensional objects using additive manufacturing techniques such as 3D printing.
3Dプリンティング技術を用いた製造装置の名称として、広く3Dプリンタという言葉が使われている。3Dプリンタは、3次元のCADデータをもとにコンピュータで造形物の断面形状を計算し、該造形物を薄い輪切り状の断面構成要素に分割して、その断面構成要素を種々の方法で形成し、それを積層させて目的とする造形物を形成する立体造形装置である。3Dプリンティング技術は、国際的にはAdditive Manufacturing Technologyと同義語として使われる場合が多く、日本語訳として、付加製造技術が用いられている。 The term 3D printer is widely used as a name for manufacturing equipment that uses 3D printing technology. A 3D printer uses a computer to calculate the cross-sectional shape of a model based on three-dimensional CAD data, divides the model into thin slice-shaped cross-sectional components, and forms the cross-sectional components using various methods. This is a three-dimensional modeling device that stacks the three-dimensional objects to form a desired object. 3D printing technology is often used internationally as a synonym for Additive Manufacturing Technology, and the Japanese translation is additive manufacturing technology.
近年は、3Dプリンタで形成した造形物に対しても、実製品の量産前の評価目的で外観だけでなく剛性や強度が要求されるようになり、金属3Dプリンタや複合材3Dプリンタが注目されている。特に、下記特許文献1に開示されている立体造形方法では、造形槽内で複数回のシェル層の造形とコア材の充填が繰り返された後、活性エネルギー線の照射または熱エネルギーの付与によりコア材を一括して硬化させることにより、コア材により形成される造形物には積層界面が存在しないため、剛性、強度に方向性が無い造形物を造形することができる。
In recent years, not only appearance but also rigidity and strength are required for objects formed with 3D printers for the purpose of evaluation before mass production of actual products, and metal 3D printers and composite 3D printers are attracting attention. ing. In particular, in the three-dimensional modeling method disclosed in
ここで、上記の立体造形装置で用いるコア材は、炭素繊維などの強化材が分散された樹脂である。このコア材がノズルから吐出可能な流動性を有するには強化材の長さは長くとも1000um程度であり、この強化材の長さに起因してコア材から得られる立体構造物の剛性、強度には限界があるという問題があった。 Here, the core material used in the above three-dimensional modeling apparatus is a resin in which a reinforcing material such as carbon fiber is dispersed. In order for this core material to have fluidity that allows it to be discharged from a nozzle, the length of the reinforcing material is approximately 1000 um at most, and the length of this reinforcing material is due to the rigidity and strength of the three-dimensional structure obtained from the core material. The problem was that there were limits.
本願発明は、上記問題点を鑑み、コア材から得られる立体構造物の少なくとも一部に所望の剛性、強度を持たせることができる立体造形方法を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention aims to provide a three-dimensional modeling method that can impart desired rigidity and strength to at least a portion of a three-dimensional structure obtained from a core material.
上記課題を解決するために本発明の立体造形方法は、立体造形物の外殻層であるシェルを、シェル材を用いて先に造形し、次に造形済の前記シェルに囲われた部分であるコア部に強化材が分散された液相材料であるコア材を充填することによって、前記コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、前記コア部への前記コア材の充填前、充填中、あるいは充填後に、あらかじめ賦形された繊維構造体を前記コア部へ配置することを特徴としている。 In order to solve the above problems, the three-dimensional modeling method of the present invention involves first modeling a shell, which is an outer layer of a three-dimensional model, using a shell material, and then using a portion surrounded by the already-modeled shell. A three-dimensional modeling method for forming a three-dimensional object containing a core material by filling a core material, which is a liquid phase material in which a reinforcing material is dispersed, into a certain core part, the method comprising: The method is characterized in that a pre-shaped fiber structure is placed in the core before, during, or after filling.
本発明の立体造形装方法によれば、あらかじめ賦形された繊維構造体が配置されているため、強化材を含むコア材のみで形成された立体造形物に比べて高剛性、高強度に形成することができる。 According to the three-dimensional modeling method of the present invention, since pre-shaped fiber structures are arranged, the three-dimensional object can be formed with higher rigidity and strength than a three-dimensional object formed only from a core material containing a reinforcing material. can do.
また、上記課題を解決するために本発明の立体造形物は、強化材が分散された樹脂であるコア材により形成された部分を含む立体造形物であり、前記コア材により形成された部分の内部には、賦形された繊維構造体が配置されている
本発明の立体造形物では、賦形された繊維構造体が配置されているため、強化材を含むコア材のみで形成された立体造形物に比べて高剛性、高強度に形成することができる。
Moreover, in order to solve the above-mentioned problems, the three-dimensional molded object of the present invention is a three-dimensional molded object that includes a portion formed of a core material, which is a resin in which a reinforcing material is dispersed. A shaped fiber structure is disposed inside the three-dimensional object of the present invention.Since the shaped fiber structure is disposed inside, the three-dimensional object is a three-dimensional object formed only of a core material containing a reinforcing material. It can be formed with higher rigidity and strength compared to molded objects.
本発明の立体造形方法により、コア材から得られる立体構造物の少なくとも一部に所望の剛性、強度を持たせることができる。 According to the three-dimensional modeling method of the present invention, at least a portion of a three-dimensional structure obtained from a core material can have desired rigidity and strength.
本発明の立体造形方法を実施する立体造形装置について、図1を参照して説明する。 A three-dimensional modeling apparatus that implements the three-dimensional modeling method of the present invention will be described with reference to FIG.
複合材3Dプリンタである立体造形装置100は、紫外線硬化樹脂であるシェル材121が貯留されている造形槽111、レーザ光学系112、コア材供給系113を主たる構成要素とする。
The three-
造形槽111中には液相材料であるシェル材121が貯留されており、図示しないシェル材調整系により、その液面位置を所定位置に維持、調整可能となっている。シェル材121としてはエポキシ系、アクリル系など公知のものが使用可能である。造形槽111中には造形台128が設けられている。造形台128は立体造形物を支持するためのもので、図示しない駆動機構により図中Z軸方向の任意の位置に移動かつ設置可能となっている。 A shell material 121, which is a liquid phase material, is stored in the modeling tank 111, and its liquid level can be maintained and adjusted at a predetermined position by a shell material adjustment system (not shown). As the shell material 121, known materials such as epoxy and acrylic materials can be used. A modeling table 128 is provided in the modeling tank 111. The molding table 128 is for supporting a three-dimensional molded object, and can be moved and installed at any position in the Z-axis direction in the figure by a drive mechanism (not shown).
レーザ光学系112は紫外線レーザ光源114、走査光学系115とからなり、紫外線レーザ光源114から出射される紫外線レーザ光130は走査光学系115によりシェル材121の液面上(すなわちXY平面)の所定範囲を走査することが可能となっている。
The laser optical system 112 includes an ultraviolet
シェル材121は紫外線レーザ光130の照射により、図1にて硬化済み紫外線硬化樹脂123で示すように液面から所定の深さだけ硬化する。この硬化深さは0.1mmから0.2mm程度が一般的である。もちろん紫外線レーザ光源114の出力を調整することによりこの硬化深さを調整することが可能である。
By irradiating the shell material 121 with the
造形台128上面をシェル材121の液面からこの硬化深さ程度まで沈めた深さに位置させ、シェル材121の液面の任意の位置へ紫外線レーザ光130を照射することにより、造形台128上に任意の面積の硬化済み紫外線硬化樹脂123が形成される。
By positioning the upper surface of the modeling table 128 at a depth below the liquid level of the shell material 121 to about this hardening depth, and irradiating the
造形台128上に硬化済み紫外線硬化樹脂123が形成された後、硬化深さ分だけ造形台128を下降させ、その後シェル材121の液面の任意の位置へ紫外線レーザ光130を照射することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂123上に硬化済み紫外線硬化樹脂123が積層される。
After the cured ultraviolet curing resin 123 is formed on the molding table 128, the molding table 128 is lowered by the hardening depth, and then an arbitrary position on the liquid surface of the shell material 121 is irradiated with
そして、造形台128の下降とシェル材121液面への紫外線レーザ光130の照射とを繰り返し実施することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂123の積層が進行し、三次元形状の硬化済み紫外線硬化樹脂123を得ることができる。本発明では、このようにして造形された造形物をシェル125と呼ぶ。このシェル125は中空形状を有するコア材116を充填するための外殻層であり、シェル125で囲われた部分のうち底面を有する部分をコア部126と呼ぶ。
Then, by repeatedly lowering the modeling table 128 and irradiating the liquid surface of the shell material 121 with the
コア材供給系113は液相材料であるコア材116をその内部に貯留するコア材タンク117中から、ポンプ119で配管系118b、118aを順に介してコア材116を送液、供給し、ノズル120から吐出する。ノズル120は図示しない移動機構により、図中XYZ軸各方向に移動かつ固定可能となっている。このため配管系118aはノズル120の移動に追随するようフレキシブルな構成及び材料となっている。コア材116は、図2(a)に示すように熱硬化性樹脂116b中に長さ10um~1000um程度の炭素繊維、ガラス繊維などの強化材116aが均一に分散されたもので、シェル材121同様エポキシ系、アクリル系など公知の熱硬化樹脂が使用可能である。また、コア材116の比重はシェル材121の比重よりも大きい。
The core
シェル125が有するコア部126へコア材116を充填し、コア部126に充填された状態のコア材116へ熱エネルギーを付与することにより、コア材116は熱硬化する。熱硬化したコア材116が本説明における立体造形物であり、所望の形状を有するコア部126に充填してから熱硬化させることにより、所望の形状の立体造形物を得ることができる。また、本方法によるとコア材116により形成される立体造形物には積層界面が存在しないため、剛性、強度に方向性が無い立体造形物を造形することができる。
By filling the
また、本発明で用いる繊維構造体について、図2(b)を用いて説明する。繊維構造体140は、図2(b)に示すように炭素繊維、ガラス繊維などの長繊維140aが編み込まれたシート、織り込まれた布帛、もしくは不織布などの形態を有し、プレス加工などによって賦形されている。この繊維構造体140は、たとえばRTM(Resin Transfer Molding)法向けのプリフォームである。
Further, the fiber structure used in the present invention will be explained using FIG. 2(b). As shown in FIG. 2(b), the
図2(b)の例では繊維構造体140は略門型の形状となるよう賦形されている。この繊維構造体140の形状は、作成する立体造形物において強化が必要な箇所の位置に応じ、この強化が必要な箇所に繊維構造体140の一部が位置するよう設定されている。なお、本説明における賦形とは、上記の通り繊維構造体140を三次元構造とする意味と、平面状の外形を任意に形成する意味の両方を含む。
In the example of FIG. 2(b), the
また、繊維構造体140自体に熱硬化樹脂が含浸されていても良い。この場合は、繊維構造体140に含浸される熱硬化性樹脂はコア材116の液相材料である熱硬化性樹脂と同じ材料であることが好ましく、これにより、コア材116を熱硬化させる工程において繊維構造体140に含浸される熱硬化性樹脂も熱硬化する。
Further, the
また、長繊維140aの長さは、コア材116内の強化材116aよりも充分に長いことが好ましい。たとえば、強化材116aの長さの10倍以上あることが好ましい。
Further, the length of the long fibers 140a is preferably sufficiently longer than the reinforcing material 116a within the
次に、上記の立体造形装置100を用いた本発明の立体造形方法の過程を図3および図4を用いて順に説明する。
Next, the process of the three-dimensional modeling method of the present invention using the above-mentioned three-
本実施形態の立体造形方法では、まず図3(a)に示すようにレーザ光学系112の駆動によりシェル材121を硬化させ、造形台128上にシェル125の一部を造形する。なお、シェル125の最終形状は、図4(b)に示す通りである。このとき、繊維構造体140が配置される面(底面)は少なくとも造形が完了しているものとする。
In the three-dimensional modeling method of this embodiment, first, as shown in FIG. 3A, the shell material 121 is hardened by driving the laser optical system 112, and a part of the
次に、図3(b)に示すように、この時点で造形されているシェル125が有するコア部126に繊維構造体140が投入、配置される。本実施形態では、コア部126にコア材116はまだ充填されておらず、コア部126に貯まっているシェル材121内に繊維構造体140がまず配置されることになる。
Next, as shown in FIG. 3(b), the
ここで、造形槽111に貯められたシェル材121の液面から繊維構造体140が飛び出てノズル120などと干渉することを防ぐため、シェル125の形状的に可能であれば、図3(b)の通り繊維構造体140の上端が造形槽111内のシェル材121の液面より下に位置するような高さまで繊維構造体140の投入前にシェル125が形成されていることが好ましい。
Here, in order to prevent the
次に、図4(a)に示すようにコア材供給系113のノズル120がコア部126に配置され、コア材116が吐出される。これにより、コア部126においてシェル材121からコア材116への置換が行われ、コア材116が充填される。
Next, as shown in FIG. 4(a), the
次に、図4(b)に示すようにさらなるシェル125の造形およびコア材116の充填が行われ、最終形状のシェル125におけるコア部126全体にコア材116が充填された形態が形成される。このコア材116の中には、図3(b)の過程において投入された繊維構造体140が配置されている。
Next, as shown in FIG. 4(b), the
最後に、シェル125が造形台128から取り外され、シェル125ごとコア材116が図示しない加熱装置内で加熱される。これにより、コア材116の熱硬化が進行する。そして、繊維構造体140を内包した、熱硬化したコア材116による立体造形物が完成する。
Finally, the
ここで、上記の通り長繊維140aの長さはコア材116内の強化材116aの長さよりも充分長いため、特に長繊維140aの長さ方向においては繊維構造体140の強度、剛性は、熱硬化したコア材116の強度、剛性よりも大きくなる。
Here, as mentioned above, since the length of the long fibers 140a is sufficiently longer than the length of the reinforcing material 116a in the
すなわち、以上の立体造形方法により、コア材116と繊維構造体140の各々の長所を活かした立体造形物の形成が行われる。具体的には、立体造形物の形成にあたりコア材116を用いることによって立体造形物全体にある程度の強度、剛性を持たせながら形状の自由度の高い造形が行われつつ、特に強度、剛性が必要な箇所にはコア材116の内部に繊維構造体140が配置されることにより所望の強度、剛性が付与される。すなわち、強化材116aを含むコア材116のみで形成された立体造形物に比べて高剛性、高強度に形成することが可能である。
That is, by the above-described three-dimensional modeling method, a three-dimensional object is formed by taking advantage of the respective advantages of the
なお、本実施形態では、繊維構造体140はコア材116の充填の前に形成途中のシェル125のコア部126に配置されているが、シェル125の形成とコア材116の充填が交互に実施される工程の途中で繊維構造体140が投入されても良く、また、シェル125の形状的に問題無ければ、最終形状までシェル125が形成され、このシェル125のコア部126へのコア材116の充填が完了した後、繊維構造体140を投入しても良い。
Note that in this embodiment, the
以上の立体造形方法により、コア材から得られる立体構造物の少なくとも一部に所望の剛性、強度を持たせることが可能である。 By the above three-dimensional modeling method, it is possible to provide desired rigidity and strength to at least a portion of the three-dimensional structure obtained from the core material.
ここで、本発明の立体造形装置の性能維持方法は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、コア材内の強化材と繊維構造体を構成する長繊維の材料は同じであっても良く、また、異なっていても良い。 Here, the method for maintaining the performance of a three-dimensional modeling apparatus according to the present invention is not limited to the form described above, but may be other forms within the scope of the present invention. For example, the reinforcing material in the core material and the material of the long fibers constituting the fiber structure may be the same or different.
また、立体造形物はコア材とその内部の繊維構造体のみで構成されても良く、また、それにシェルも含めて立体造形物としても良い。 Further, the three-dimensional molded object may be composed only of the core material and the fiber structure inside the core material, or may include the shell as well.
100 立体造形装置
111 造形槽
112 レーザ光学系
113 コア材供給系
114 紫外線レーザ光源
115 走査光学系
116 コア材
116a 強化材
116b 熱硬化性樹脂
117 コア材タンク
118a 配管系
118b 配管系
119 ポンプ
120 ノズル
121 シェル材
123 硬化済み紫外線硬化樹脂
125 シェル
126 コア部
128 造形台
130 紫外線レーザ光
140 繊維構造体
140a 長繊維
100 Three-dimensional modeling apparatus 111 Modeling tank 112 Laser
Claims (2)
前記コア部への前記コア材の充填前、充填中、あるいは充填後に、あらかじめ賦形された繊維構造体を前記コア部へ配置することを特徴とする、立体造形方法。 It is a liquid phase material in which the shell, which is the outer layer of the three-dimensional model, is first modeled using a shell material, and then a reinforcing material is dispersed in the core part, which is the part surrounded by the already modeled shell. A three-dimensional modeling method for forming a three-dimensional object containing a core material by filling the core material, the method comprising:
A three-dimensional modeling method, characterized in that a pre-shaped fiber structure is placed in the core part before, during, or after filling the core material with the core material.
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