JP3732403B2

JP3732403B2 - 三次元物体製作装置

Info

Publication number: JP3732403B2
Application number: JP2000527404A
Authority: JP
Inventors: ヨシバー−エレッツ
Original assignee: ソリッディメンションリミテッド
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-01-05
Also published as: IL122857A0; JP2003517385A; EP1066158A4; CN1101753C; WO1999034976A1; AU1576099A; CA2316295A1; EP1066158A1; US20070181259A1; KR20010033833A; CN1284914A; RU2201351C2; IL122857A; AU746117B2

Description

【０００１】
（発明の分野および背景）
本発明は、模型、型、鋳型等の三次元物体を製作するための装置に関する。
本発明は、多数の比較的薄い層を接着することによって三次元物体を製作する方法に対して特に適用させて有効である。多数の比較的薄い層というのは、各々が、その物体の薄い一片の外形を備えている。本発明に係るそのような方法は、今日、多大な関心をもたれている。というのは、これらの方法は、高度に発達したCAD技術（computer-aided design）同様に、CAM技術(computer-aided manufacture)を利用することが可能である。例えば、USパテント5,071,503は、次のように開示している。
各々の層は予め作られたシートである。各々の層は、部分的に形成された物体に接合される。この接合は各々のシートの外形について、決められた位置に、しかも決められた境界の範囲内で接着剤を使用して行われる。その外形の外側の部分は簡単に切り離すことができる。
【０００２】
（発明の目的と本発明の簡単な概要）
本発明の目的は、前述したパテントに述べられているような公知技術を凌ぐ利点を有する新規な装置を提供することにある。
本発明の一つのアスペクトによれば、三次元物体の輪郭に対応する輪郭線に沿って柔軟な材料からなる複数のシートを切断して相互に接着した多数の薄い層から形成される前記三次元物体を製作するための装置であって、
（ａ）前記複数のシートの層を収容するテーブルと、
（ｂ）前記テーブルへ前記複数のシートを連続的に供給する移送機構と、
（ｃ）前記輪郭線に沿って前記多数の層を切断する切断工具と、
（ｄ）前記シートがその隣接するシートと接着するように前記各シートの一方の面に接着剤を塗布するための接着剤アプリケータと、
（ｅ）前記多層されたシートの残りの部分から完成された前記三次元物体を分離するために前記各シートの一方の面に前記シートの接着を解除するための剥離剤を選択的に塗布するための剥離剤アプリケータと、
（ｆ）前記多層されたシートを横切って押圧するためのローラと、
（ｇ）（ｉ）前記テーブルを横切って第１の方向に伸びると共に、前記テーブルに沿って第２の方向に移動可能なブリッジと、
（ｉｉ）前記切断工具が装着され前記ブリッジに沿って移動可能なヘッドと、
を有する駆動機構と、
を具備し、
前記切断工具および前記剥離剤アプリケータおよび前記ローラのすべてが前記駆動機構によって移動可能となっていることを特徴とする。
【０００３】
本発明の別のアスペクトによれば、前記三次元物体製作装置が、さらに、前記多層のシートが連続して積み重なるように前記テーブルを垂直に下降させる垂直駆動部を具備することを特徴とする。
本発明のさらに別のアスペクトによれば、前記垂直駆動部が、前記テーブルを上下に移動させるために、前記テーブルに係合された複数のスクリューと回転モータとからなるスクリュー機構を有することを特徴とする。
本発明のさらに別のアスペクトによれば、前記接着剤アプリケータが、各シートの一方の面のほぼ全面に接着剤を塗布することを特徴とする。
本発明のさらに別のアスペクトによれば、前記接着剤アプリケータが、前記シートの一側の全域に渡って延びており、前記接着剤が、前記接着剤アプリケータと前記シートとの間の一方向の相互移動の間に塗布されることを特徴とする。
本発明のさらに別のアスペクトによれば、前記接着剤が、前記シートの溶剤であることを特徴とする。
【０００４】
（好ましい実施形態の説明）
この発明は、添付した図面により、一つの例として、ここに記述される。
図１及び図２に図示された装置は、三次元物体２を製作するために使用される。三次元物体２は、図３に図示されているように、予め所要形状にされた多数の薄いシート３から成る。多数の薄いシート３は、輪郭（輪郭線、外形線）４に沿って切断された各シートが互いに接合されている。輪郭４は、物体におけるそれぞれの層に対応する。多数の薄いシート３は、それらの輪郭４に沿って切断され、互いに接合される。多数の薄いシート３は、図１及び図２では、３’で示されている。三次元物体２が除去された後の残りの廃棄物は、図３の５に示す。
図１及び図２の装置は、上方部分１０ａと下方部分１０ｂとを含む機構枠１０を含む。三次元物体２を製作するために使用される、予め所要形状にされたシート３は、機構枠の下方部分１０ｂに固定された水平ベース１１上の垂直スタックの形で支持される。各シート３は、水平ベース１１上のスタックの上部から供給ロール１２、１３、１４によって機構枠１０の上方部分１０ａに供給され、テーブル１５の上に載置される。テーブル１５上では、三次元物体２が層毎に製作される。テーブル１５は、電動モータＭ₁と上方および下方機構枠部分１０ａ、１０ｂの間をテーブル１５の四隅を介して螺子部の嵌合により移動可能に支える四個のスクリュー１７と、四個のスクリュー１７を連結回転させる閉−ループベルト１６、によって垂直方向に駆動される。
機構枠１０の上方部分１０ａは接着剤アプリケータ２０を含む。接着剤アプリケータ２０は、貯蔵器２１から各シート３の下側に接着剤の塗布を行い、シート３は機構枠１０の上端１０ａへと供給される。
剥離剤アプリケータ２２は、機構枠１０の上端に配置される。剥離剤アプリケータ２２は、各シート３の上側に剥離剤を塗布する。各シート３は、テーブル１５を載置した機構枠の上端１０ａへそのまま供給される。剥離剤アプリケータ２２は、各シート３の上面に剥離剤を塗布する。剥離剤は、それぞれのシートによって構成された完成三次元物体２のそれぞれの層の輪郭４の範囲内を除いた部分に塗布される。
【０００５】
図１及び図２において図示された例では、剥離剤アプリケータ２２は、印字ヘッドである。この印字ヘッドは、一つの直交軸（横方向Ｙ軸）に沿って移動可能であり、シート３は、他の直交軸（縦方向Ｘ軸）に沿って供給されるので、その結果、そのアプリケータは、シートの上面を完全に走査する。剥離剤アプリケータ２２は、液体ジエット−インクプリンタ、インパクト−タイププリンタ、レーザプリンタ、等の印字ヘッドのいかなる好ましいタイプのものであってもよい。剥離剤アプリケータ２２は、液体かまたは固体の材料で、予め所要形状にされたシート３の上面の選択部を塗布する。この液体または固体の材料は、接着剤アプリケータ２０によってシートの下面の全面に塗布された接着剤に対し、剥離剤としての役割を果たす。上方のシートは、剥離剤を含む接触面に沿った下方シートとは接着されない。しかし、上方のシートは、剥離剤の存在しない部分で下方のシートと接着される。
剥離剤アプリケータ２２は、ハウジング２３内の素子によって制御される。剥離剤アプリケータ２２は、完成三次元物体２におけるそれぞれの層の輪郭４に対しそれとは反対のパターン（ネガティブパターン）の形状で剥離剤を塗布する。即ち、剥離剤は、完成物体のそれぞれの層の輪郭４の境界内の表面を除いた予め所要形状にされたシート３の全表面を覆って塗布される。このように、各々の上方のシート３は、上方のシートによって決められた層の輪郭４の範囲内においてのみ、次に近接する下方シート３に接着されるようになる。輪郭の外側では、下方シートとの接着を行わない。
【０００６】
図１及び図２に図示された装置は、切断工具３０を含む。切断工具３０は完成物体２におけるそれぞれの層３の輪郭４に沿って切断するように制御される。切断工具３０は、キャリッジ３２によって運搬されるヘッド３１上に装着される。キャリッジ３２は、モータＭ₂と閉−ループベルト３３（図２）とによって機構枠１０に対し縦方向(Ｘ軸)に駆動される。これに対し、ヘッド３１は、他のモータＭ₃と閉−ループベルト３４とによってキャリッジ３２の横方向に駆動される。カッタ−ヘッド３０は、ソレノイド３５によって垂直方向に移動可能である。ソレノイド３５は、ヘッド３１によって、下方シート３を切断するための伸ばした切断位置かまたは、引っ込んだ非切断位置に運搬される。圧力ローラ３６は、切断されている間、既に処理され、テーブル１５に支持されたシートに対して、被切断シートをしっかり押さえる。
接着剤アプリケータ２０は、ソレノイド３７を備えている。ソレノイド３７は、接着剤アプリケータ２０を動作位置かまたは非動作位置へ移動させる。例えば、第１のシート３が供給され、シートがテーブル１５に接着されるのを防止しようとするとき、接着剤アプリケータ２０は非動作位置に移動されるようになっている。
図示の装置は更に、一般に４０で示されるコントローラを含む。コントローラ４０は、モータＭ₁、Ｍ₂、Ｍ₃と、接着剤アプリケータ２０と、剥離剤アプリケータ２２と、切断工具３０と、二つのソレノイド３５及び３７とを制御する。制御によって以下のような動作となる。
【０００７】
例えば、図３ａにおいて図示されているように三次元物体２を作製するのに使用されるべき予め所要形状にされた複数の長方形のシート３は、機構枠の下端１０ｂの水平ベース１１の上で垂直に積み重ねられて支持されている。各々のシートは個々に、機構枠の上端１０ａに供給される。シートは、テーブル１５の上に載置される。テーブル１５上では、完成三次元物体２が層毎に構築される。装置の初期状態にあっては、テーブル１５は、その最上位置にある。物体の各層がテーブルの上で形成されるに連れ、テーブルは、連続的にモータＭ₁、ベルト１６、スクリュー１７とによって垂直下方に移動する。テーブルは、物体に添付されたままの新規に付加された層を収容する。
テーブル１５を接触させる最初のシートを除いた各シート３は、供給ローラ１２、１３、１４によって供給されて機構枠１０の上端１０ａに載置される。シートの下側は、接着剤アプリケータ２０によって完全に接着剤が塗布される。そしてそのシートの上側には接着剤に接合しない剥離剤が剥離剤アプリケータ２２によって選択的に塗布される。接着剤アプリケータ２０によって塗布された接着剤層は、各々のシートの完全な下表面を覆う。一方で、剥離剤アプリケータ２２によって塗布された剥離剤は、完成三次元物体のシートの各々の層の輪郭４の内部ではない外側部分に相当するシートの上側表面のみを覆う。例えば、もし、完成三次元物体２におけるシートによって形成されるべき各々の層が、四角い輪郭であるとき、長方形のシート３は、層に関し、完成物体における各々の層を定義する四角の外側である表面にのみ剥離剤が塗布されると定義する。即ち、四角の内側表面は、剥離剤によって覆われない。
【０００８】
予め所要形状にされたシート３によって製作される完成物体層の輪郭は、コントローラ４０の中のCADまたはCAMフォーマット、又はコントローラによってアクセスが可能である別のメモリに記憶され、各々のシート３が処理される時に剥離剤アプリケータ２２と、切断工具３０とを制御するためにコントローラによって使用される。
上述したように、接着剤でその下面が完全に塗られ、且つシートの輪郭に対応して剥離剤がシートの上面に選択的に塗られた各シート３がテーブル１５上のスタックの上に載置された後、各々の輪郭線４に沿ってシートを切断するために、切断工具３０はコントローラ４０によって制御される。このため、コントローラ４０は、直交二軸に沿って、切断工具３０を駆動する二つのモータＭ₂とＭ₃とを制御する。又同様に、コントローラ４０は、切断動作位置へ、又は、切断動作位置から離れるように、切断工具３０を移動するためソレノイド３５を制御する。
三次元モデル２は、層毎にテーブル１５から組み立てられ、各々の層は、物体全体のそれぞれの薄い一片を構成する。すべての層が、このように貼り付けられた時、各々の層は、剥離剤が塗布されていない部分に沿って、その両側で、隣接する層と付着する。このように、全体の三次元物体２の全てのシートが切断され、互いに貼り付けられた後、シートは、完成三次元物体の対応する断面を構成する輪郭４の範囲内のそれら接触表面においてのみ、互いに付着し、そのような輪郭の範囲外である残りの非接着部は、三次元物体２から分離される。これは、図３ａ〜３ｃに示される。はじめのシートの積み重ねが３で示され、それらによって、作製される三次元物体が２で示され、接着された輪郭表面の範囲外のシートの部分で、物体から分離される部分が、５で示されている。
【０００９】
図４は、図１及び図２に示したものとよく似た装置を図示する。理解しやすくするために、図１及び図２と共通する図４の装置の部分には、同一の符号を付して識別される。
図４に図示された装置における主だった相違点は、図４で２２'として示されている剥離剤アプリケータが、切断工具３０と同じヘッド３１'で運搬される。それゆえ、図４の装置においては、シート３は、切断工具３０によって、輪郭を切断する時のみならず、剥離剤アプリケータ２２'によって剥離剤を塗布する時においても又、動かない。このように、剥離剤アプリケータ２２'は、図１及び図２に関して上述したように、各シートの上面に剥離剤を選択的に塗布するためシート３に関して縦及び横方向の双方にも又駆動される。
事実上、他の全ての点で、図４に図示された装置は、図１及び図２の装置に関して上述したように構成され動作する。
シート３は、ポリビニルクロライド、エポキシレジン、ナイロン、等のどのような、好ましいプラスチック材料であってよい。それらのシートは、装置によって製作されるべき完成物体において、要求される必要性に対応する適切な厚みを持たなければならない。好ましくは、シート３は、厚さに関し０．１ｍｍオーダーであればよい。そうすれば、製作されるべき三次元物体の各１センチメータの高さに対して、処理されるそのようなシートの数は、約１００枚必要とする。
【００１０】
剥離剤は、使用される接着剤に接着しない材料であれば、どのようなものでもよい。ひとつの例として、剥離剤は、ワックス合成物でもよい。
図示された装置は、各々のシートが処理される時点で、各シートの下面に接着剤が塗布されることを示しているが、予め所要形状にされたシートは、装置に装着される前に、接着剤が予め塗られてあってもよい。予め所要形状にされたシートは、各々のシートの下面に溶剤を塗布することにより、お互いに接着されるということも考えられる。溶剤の塗布は、接着剤を軟化させ、各々のシートの上面が剥離剤によって選択的に覆われている場所を除いて上方シートへの接着を促進させる。接着剤を使用しないということも考えられる。剥離剤によって選択的に覆われた部分を除いて、熱及び、又は圧力によって、シート自身が接着されるということも考えられる。熱及び、又は圧力は、シートの全体の積み重ねに対して適用される。切断工具３０は、そのとき熱せられる。接着は、輪郭を切断するために切断工具が適用される前、間、後においておこなわれ得る。剥離剤は、製作される物体の要求される色によって、着色され得る。そして剥離剤は、公知の方法で、例えば、静電気的に、レーザ、サーマルプリンタ、等によって、塗布される。接着剤アプリケータは、予め所要形状にされたシートが他の軸に沿って移動するに連れ、一つの軸、（例えば、横）に沿って、移動ができるように装着され得る。
【００１１】
また、剥離剤は、接着剤の上に直接塗られてもよく、又は、シートの同じ側であって、接着剤の下に塗られてあってもよい。このケースの場合は、剥離剤アプリケータ２２は、接着剤アプリケータ２０と同じ側に装着される。更に、シートは、剥離剤で、その全面が、予め塗布されていてもよい。そして剥離剤は、接着のため、シートの接着部分から除去される。その場合、図１の剥離剤アプリケータ２２は、機械的に、又は化学的にレーザその他によって、剥離剤を要求されない部分から取り去るための"除去"ユニットとなる。更に、接着剤は、シートの上面にも塗布され得る。そして剥離剤は、底面にも塗布され得る。むしろ上述の逆もまたあり得る。
あるいは、剥離剤アプリケータ２２からの剥離剤が塗布される場所を除き隣接シートに接合する接着剤アプリケータ２０からの接着剤の使用というよりは、接着剤アプリケータ２０は、剥離剤アプリケータ２２によって活性化剤が塗布されるような場所でのみ隣接シートに接合させるような特性を有する接着剤を塗布することができる。この構成の場合、活性化剤は、活性化剤の塗布される輪郭の範囲内においてのみ隣接シートが接合される輪郭４の範囲内にのみ塗布される。
本発明の、多くの他の変化、変更、並びに適用は、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
この発明は、添付した図面により、一つの例として、ここに記述される。
【図１】本発明に従って構築された装置の第１の実施形態の形状を示す三次元図である。
【図２】図１の装置の反対側から見た三次元図である。
【図３】ａ〜ｃは、図１及び図２に示された装置によって、三次元物体が製作される様子を概略的に示す図である。
【図４】本発明に従って構築された第２実施形態の外形を示す図１と図２に対応する三次元図である。
【図５】本発明に従って構築された第２実施形態の外形を示す図１と図２に対応する三次元図である。
【符号の説明】
Ｍ₁ 電動モータ（モータ）、Ｍ₂、Ｍ₃ モータ、２三次元物体（三次元モデル、完成三次元物体、完成物体）、３シート（シートの積み重ね、層）、３’ シート、４輪郭（輪郭線、外形線）、５廃棄物（物体から分離される部分）、１０機構枠、１０ａ上方部分（上端、上方機構枠部分）、１０ｂ下方部分（下端、下方機構枠部分）、１１水平ベース（ベース、テーブル、機構ベースプレート）、１２、１３、１４供給ロール（供給ローラ）、１５テーブル、１６閉−ループベルト（ベルト）、１７スクリュー、２０接着材アプリケータ、２１貯蔵器、２２剥離材アプリケータ（アプリケータ、第２アプリケータ、ユニット）、２２’ 剥離剤アプリケータ（アプリケータ）、２３ハウジング、３０切断工具、３１、３１’ ヘッド、３２キャリッジ、３３、３４閉−ループベルト、３５、３７ソレノイド、３６圧力ローラ、４０コントローラ。

Claims

三次元物体の輪郭に対応する輪郭線に沿って柔軟な材料からなる複数のシートを切断して相互に接着した多数の薄い層から形成される前記三次元物体を製作するための装置であって、
（ａ）前記複数のシートの層を収容するテーブルと、
（ｂ）前記テーブルへ前記複数のシートを連続的に供給する移送機構と、
（ｃ）前記輪郭線に沿って前記多数の層を切断する切断工具と、
（ｄ）前記シートがその隣接するシートと接着するように前記各シートの一方の面に接着剤を塗布するための接着剤アプリケータと、
（ｅ）前記多層されたシートの残りの部分から完成された前記三次元物体を分離するために前記各シートの一方の面に前記シートの接着を解除するための剥離剤を選択的に塗布するための剥離剤アプリケータと、
（ｆ）前記多層されたシートを横切って押圧するためのローラと、
（ｇ）（ｉ）前記テーブルを横切って第１の方向に伸びると共に、前記テーブルに沿って第２の方向に移動可能なブリッジと、
（ｉｉ）前記切断工具が装着され前記ブリッジに沿って移動可能なヘッドと、
を有する駆動機構と、
を具備し、
前記切断工具および前記剥離剤アプリケータおよび前記ローラのすべてが前記駆動機構によって移動可能となっていることを特徴とする三次元物体製作装置。
前記三次元物体製作装置が、さらに、前記多層のシートが連続して積み重なるように前記テーブルを垂直に下降させる垂直駆動部を具備することを特徴とする請求項１記載の三次元物体製作装置。
前記垂直駆動部が、前記テーブルを上下に移動させるために、前記テーブルに係合された複数のスクリューと回転モータとからなるスクリュー機構を有することを特徴とする請求項２記載の三次元物体製作装置。
前記接着剤アプリケータが、各シートの一方の面のほぼ全面に接着剤を塗布することを特徴とする請求項１記載の三次元物体製作装置。
前記接着剤アプリケータが、前記シートの一側の全域に渡って延びており、前記接着剤が、前記接着剤アプリケータと前記シートとの間の一方向の相互移動の間に塗布されることを特徴とする請求項４記載の三次元物体製作装置。
前記接着剤が、前記シートの溶剤であることを特徴とする請求項１記載の三次元物体製作装置。