JPH0957857A - 三次元造形方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 補助材層の層数がどんなに多くなっても、上
層部分が先細りすることなくその面積を一定に保つこと
ができ、かつ、むだになる造形材を最小限に押さえるこ
とのできる三次元造形物の造形方法およびそれに用いる
装置を提供することである。 【構成】 この発明にかかる装置は、台部７の周囲に枠
体４を配設するとともに、熱可塑性樹脂１９を供給する
造形材供給部１４の供給口１５近傍に、上記枠体４に摺
接状態で内嵌する水平ガイド板１６を取り付けて構成さ
れている。そして、熱可塑性樹脂１９は、すでに形成さ
れた補助材層１８ａの上面，枠体４の内側面および水平
ガイド板１６の下面で囲われた空間部に供給されるた
め、過剰な熱可塑性樹脂１９の供給が防止されるととも
に、形成される補助材層１８ａの下面と上面の面積が一
定に保たれるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、補助材層内に造形材
層を形成し、これを積層して形成される積層体から補助
材層を除去して複数の造形材層からなる三次元造形物を
得る三次元造形方法およびそれに用いる装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、材料を複数の層状に積層して
試作品の造形を行う方法および装置として種々の三次元
造形方法および三次元造形装置が開発されているが、本
願出願人は、このような方法および装置に関するものと
して、特願平７−１１２２９８に開示したものをすでに
出願している。これは、三次元造形方法および装置の中
でも特に、一層の厚みを適宜調節できるとともに各層を
それぞれ正確な平面状に形成でき、かつ、各層の接着を
確実にでき、さらに、不要な補助層部分の除去が簡単に
行えるようにしたもので、これに用いる装置を図８に示
している。

【０００３】すなわち、この三次元造形装置４０は、周
囲に溝２１，２２が形成され上下移動可能になった台部
２３の上方に切削用のスピンドル２４が配設され、台部
２３の一端側に補助材供給用のホッパー２５が、他端側
には造形材供給用のホッパー２６がそれぞれ台部２３上
をＸ（左右）方向に移動可能な状態で配設されている。
そして台部２３の上方および周囲を囲った壁部２７の天
井に紫外線照射ランプ２８が設けられている。２９は壁
部２７の一端側に設けられ粉体の補助材３０を収容する
補助材タンクであり、３１は壁部２７の他端側に設けら
れ液体の紫外線硬化樹脂からなる造形材３２を収容する
造形材タンクである。

【０００４】この補助材タンク２９，造形材タンク３１
は、それぞれ栓３３，３４を開けることにより補助材３
０をホッパー２５に，造形材３２をホッパー２６に供給
するようになっており、ホッパー２５には内部にヒータ
ー３５が設けられてその加熱により補助材３０を液化で
きるようになっている。３６はスピンドル２４に取り付
けられたエンドミルであり、その周囲には略円筒状のカ
バー部３７が設けられ、連結されたホース３８を介して
材料の削り粉を外部に排出できるようになっている。

【０００５】そして、造形物を造形する際には、まず、
ホッパー２５をＸ方向に往復移動させながら液状の補助
材３０を台部２３上に吐出させこれを自然冷却により固
化して補助材層を形成する。つぎに、スピンドル２４を
回転させエンドミル３６で補助材層の所定部分を切削除
去し、その除去した部分に、ホッパー２６を移動させて
造形材３２を吐出させる。ついで、紫外線照射ランプ２
８による紫外線照射で造形材３２を固化し造形材層を形
成する。

【０００６】そして、形成された層の厚み分だけ台部２
３を下降させたのち、上記の操作を繰り返すことにより
多層からなる積層体を形成し、その積層体から補助材層
を除去することが行われる。なお、上記の操作におい
て、造形材３２を補助材層の切削除去された部分に吐出
する際、過剰の造形材３２はホッパー２６の底部によっ
て押され、溝２１，２２に排出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
装置では、台部２３の上面周囲が開放状態になっている
ため、形成される補助材層の上側角部が垂れて丸くな
り、補助材層の面積が上方の層になるほど狭くなる。こ
のため、形成される層の数が多くなるほど、台部２３の
上面面積を形成する造形物の大きさに比べて余裕を持っ
て広く設定しておくか、または、造形物の形状を上方に
いくほど細くなるような形状のものに設定しておく必要
があるという問題がある。

【０００８】また、溝２１，２２に排出される過剰供給
された造形材３２は、溝２１，２２内で補助材３０や他
の不純物等と混合してしまい再使用することはできな
い。このため、過剰供給される造形材３２が多量に生じ
る場合や、その造形材３２に高価な材料を使用した場
合、不経済であるという問題が生じる。さらに、上記装
置で使用できる造形材は紫外線硬化樹脂に限定され、最
終的に使用する汎用熱可塑性樹脂で試作品を造形するこ
とはできなかった。

【０００９】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、汎用熱可塑性樹脂で造形する際に、補助材層
の層数がどんなに多くなっても、その面積を一定に保つ
ことができ、かつ、むだになる造形材を最小限に押さえ
ることのできる三次元造形方法およびそれに用いる装置
の提供をその目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明は、上下移動する台部の上面に、スラリー
状の補助材を供給しこれを固化させて補助材層を形成
し、この補助材層の所定部分を切削除去し、この切削除
去した部分に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給しこれを固
化させて造形材層を形成し、上記台部を所定高さ下降さ
せるとともに、上記切削除去部分の形状を適宜変えなが
ら上記操作を繰り返して積層体を形成したのち、この積
層体から補助材層を除去することにより造形材層からな
る三次元造形物を得る方法であって、上記台部の周囲を
静止状態の枠体で囲むとともに、上記熱可塑性樹脂を供
給する際に、上記枠体の内側面に摺接しかつ補助材層上
面を覆う水平ガイド板を設け、上記熱可塑性樹脂が一定
量以上供給されないようにした三次元造形方法を第１の
要旨とする。

【００１１】そして、上面が開放された枠体と、上面が
平面状になり上記枠体内で上下移動する台部と、スラリ
ー状の補助材を上記台部上面に供給する補助材供給部
と、上記台部上面に対して相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に移
動し台部上に形成される補助材層を切削する切削部と、
加熱により液化し常温で固化する熱可塑性樹脂を加熱し
液化させた状態で上記台部上面に供給する造形材供給部
と、この造形材供給部の供給口近傍に取り付けられ、熱
可塑性樹脂を供給する際、上記枠体に摺接状態で内嵌し
熱可塑性樹脂の過剰供給を防止する水平ガイド板とを備
えた三次元造形装置を第２の要旨とする。

【００１２】

【作用】すなわち、この発明は、従来例のように、台部
の周囲に溝を設けて、過剰に供給された造形材をこの溝
に排出してしまうというようなものではなく、台部の周
囲に枠体を配設するとともに、熱可塑性樹脂を供給する
造形材供給部の供給口近傍に上記枠体に摺接状態で内嵌
する水平ガイド板を取り付けて構成されている。したが
って、熱可塑性樹脂を供給する際、熱可塑性樹脂が供給
されるのは、台部またはすでに形成された補助材層の上
面，枠体の内側面および水平ガイド板の下面で囲われた
密閉状態に近い空間部となり、この空間部の体積以上の
過剰な熱可塑性樹脂が供給されることがなくなる。

【００１３】また、補助材層の形成は、スラリー状の補
助材を供給することにより行われるため、得られる補助
材層は、台部またはすでに形成された補助材層の上面と
枠体の内側面に接触するようになる。このため、補助材
層の面積は常に一定に保たれ、多層になっても上方の層
が狭くなるといったことは生じなくなる。その結果、台
部の大きさを必要以上に大きく設定する必要がなくなる
とともに、造形物の形状も特に制限を受けることがなく
なる。つぎに、実施例にもとづいて、この発明による三
次元造形方法およびそれに用いる装置を詳しく説明す
る。

【００１４】

【実施例】図１は、この発明の一実施例による三次元造
形装置１を示している。図において、２はレール３に沿
ってＸ（左右）方向に移動可能な型台であり、上面が開
放された箱状の枠体４の底面に伸縮ねじ５を回転させる
ためのモーター６が配設されそのモーター６の上方に伸
びる伸縮ねじ５の上端に台部７が取り付けられて構成さ
れている。上記台部７は枠体４の内側面に摺接した状態
で、モーター６の作動により枠体４内を上下に移動する
ようになっている。

【００１５】８は三次元造形装置１の一端側における型
台２よりもやや高い位置に配設されたホッパーであり、
スラリー状の石膏からなる補助材を収容する補助材タン
ク（図示せず）から送られてくる補助材を型台２の台部
７上に供給するようになっている。９はそのホッパー８
の他端側に配設されたヒーターであり、台部７上に供給
された補助材を加熱して固化させる。

【００１６】１０は、三次元造形装置１の略中央部にお
ける型台２の上方位置に配設され、台部７上をＸ（左
右），Ｙ（前後），Ｚ（上下）方向に移動できるスピン
ドル（上部の駆動機構等は省略している）であり、その
下端に切削用のエンドミル１１が取り付けられている。
このスピンドル１０の下部側には、側部にホース１２が
連結された略円筒状のカバー部１３がエンドミル１１を
覆うようにして設けられており、上記ホース１２の他端
は三次元造形装置１の外部に設けられた吸引機（図示せ
ず）に連結されている。このため、上記吸引機を作動さ
せることにより、エンドミル１１が材料を切削した際に
生じる材料の削り粉を三次元造形装置１の外部に排出す
ることができる。

【００１７】１４は三次元造形装置１の他端側に配設さ
れ、Ｚ方向に移動できる造形材射出ユニットであり、下
端部に造形材射出用の射出ノズル１５が突設され、その
周囲に台部７の横断面と略等しい形状の面を有する板状
の水平ガイド板１６が設けられている。上記造形材射出
ユニット１４の内部には加熱ヒーターが内蔵されて、造
形材射出ユニット１４の上方に配設された造形材収容部
（図示せず）から送られてくるひも状の熱可塑性樹脂を
加熱液化し、射出ノズル１５から型台２の台部７上に供
給するようになっている。また、上記水平ガイド板１６
の内部には水冷管が埋設されている。なお、上記造形材
射出ユニット１４としては、新興セルビック社製の射出
ユニットを使用することができる。

【００１８】また、１７はこの三次元造形装置１の周囲
および上部を覆う壁部であり、補助材タンク，ホッパー
８，ヒーター９，スピンドル１０を作動させる上部の駆
動機構，造形材射出ユニット１４および造形材収容部等
を支受している。

【００１９】この構成において、造形を行う際には、ま
ず、型台２を三次元造形装置１の一端側に移動させて台
部７がホッパー８の下側に位置するようにするととも
に、モーター６を作動させて、形成する補助材層一層の
高さよりもやや高い高さ分、台部７が枠体４の上端より
低くなるようにしておく。ついで、補助材タンク内の補
助材をホッパー８に送り、これを図２に示すように、台
部７上に一定の厚みに万遍なく供給する。この際、補助
材１８の上面高さは、型台２の枠状体４の上端よりやや
低くなるようにしておく。

【００２０】つぎに、図３に示すように、型台２をヒー
ター９の下側に移動させ、ヒーター９をオンにして台部
７上の補助材１８を加熱固化し補助材層１８ａを形成す
る。ついで、型台２を三次元造形装置１の略中央部に移
動させてスピンドル１０の下側に位置させ、吸引機を作
動させるとともに、スピンドル１０を作動させてＸ，
Ｙ，Ｚ方向に移動させることにより、図４に示すよう
に、エンドミル１１で補助材層１８ａの所定部分を切削
し凹部１８ｂを形成する。この場合、切削により生じた
補助材層１８ａの切削粉は、カバー部１３からホース１
２を介して外部の吸引機に吸い取られていく。

【００２１】つぎに、型台２をさらに三次元造形装置１
の他端側に移動させ、造形材射出ユニット１４の下側に
位置させる。そして、水平ガイド板１５を補助材層１８
ａ側に下降させて枠体４内に内嵌させるとともに、造形
材射出ユニット１４内の加熱ヒーターをオンにしてひも
状の熱可塑性樹脂を溶かし、この熱可塑性樹脂１９を、
図５に示すように、補助材層１８ａの凹部１８ｂ内に充
填する。この際、熱可塑性樹脂１９は、水平ガイド板１
５によって一定量以上充填することが防止され、適当な
量が供給されたのち、水平ガイド板１５内の水冷管によ
る冷却で固化する。

【００２２】そして、熱可塑性樹脂１９が固化し造形材
層１９ａが形成されたのち型台２を再度、スピンドル１
０の位置に移動させて、補助材層１８ａおよび造形材層
１９ａの上部の余分な部分を除去するとともに、表面を
図６に示すような平面状に仕上げる。この場合、エンド
ミル１１に代えて、平面切削に適した切削具をスピンド
ル１０に取り付けてもよい。

【００２３】つぎに、補助材層１８ａの切削除去する部
分の形状を適宜変えながら上記のような工程を何度も繰
り返して、図７に示すような積層体２０を形成し、複数
の造形材層１９ａで構成される形状が所定の三次元造形
物になるようにする。そして、台部７を上方に移動させ
て上記積層体２０を型台２から取り外し、水洗いした
り、衝撃を与えることにより、補助材層１８ａを除去
し、所定の形状の造形物が得られる。この実施例におい
て、積層体２０を得るまでの一連の工程は、予め準備さ
れたプログラムに沿ったコンピューター制御により行わ
れる。

【００２４】なお、上記実施例においては、補助材１８
として石膏を用いているが、これに限定するものではな
く、骨材となるケイ砂にバインダーとしての樹脂および
硬化剤を加えたもの等、スラリー状になり加熱や自然乾
燥により固化するもので、かつ固化したものが脆く除去
しやすい材料であればなんでも使用することができる。
また、補助材として使用する材料が自然乾燥により容易
に固化するものであれば、特にヒーター９を設ける必要
なない。

【００２５】さらに、上記実施例では、図示（図１，図
５）のように、造形材射出ユニット１４の射出ノズル１
５が水平ガイド板１６の下面からわずかに突出している
が、この射出ノズル１５の下端は水平ガイド板１６の下
面と面一になるように設定することが好ましい。

【００２６】また、形成される補助材層１８ａと造形材
層１９ａの上面が面一で、かつその上面が平面状になる
場合は、補助材層１８ａおよび造形材層１９ａの余分な
部分を除去したり、表面を平面状に仕上げる工程は省略
することができる。

【００２７】このように、上記実施例では、枠体４内に
台部７を設けるとともに、熱可塑性樹脂１９を凹部１８
ｂに供給する造形材射出ユニット１４の射出ノズル１５
の周囲に水平ガイド板１６を取り付けて、この水平ガイ
ド板１６および台部７が枠体４の内側面に沿って上下に
摺動するように構成されている。

【００２８】したがって、形成される補助材層１８ａ
は、台部７またはすでに形成された補助材層１８ａの上
面と枠体４の内側面に接触するようにして形成されるた
め、その表面の面積は常に一定に保たれ、多層になって
も上方の層が序々に狭くなるといったことは生じなくな
る。その結果、積層体２０の上方が小さくなることを見
込んで予め台部７の大きさを必要以上に大きく設定して
おくといった必要がなくなるとともに、造形物の形状も
特に制限を受けることがなく、下部であろうと上部であ
ろうと最大径の部分の面積が台部７の面積よりも小さい
形状のものであればどのようなものでも造形が可能にな
る。

【００２９】また、熱可塑性樹脂１９を凹部１８ｂに供
給する際の熱可塑性樹脂１９が供給される空間部は、台
部７またはすでに形成された補助材層１８ａの上面，枠
体４の内側面，水平ガイド板１６の下面で囲われた密閉
状態に近い空間部であるため、この空間部の体積以上の
過剰な熱可塑性樹脂１９が供給されることがなくなる。
その結果、熱可塑性樹脂１９のむだがなくなり、経済的
効果も大きくなる。

【００３０】

【発明の効果】この発明は、以上のように、補助材層を
一層形成する度に台部を枠体内で下降させ、形成される
積層体が常に枠体の内側面に当接するようにして造形が
行われるため、補助材層の層数がどんなに多くなっても
その面積を一定に保つことができる。その結果、台部を
大きく設定する必要がなくなり型台を小型化できるとと
もに、造形する造形物の形状に制限なくなり自由度が増
すようになる。また、熱可塑性樹脂を供給する造形材供
給部の供給口近傍に水平ガイド板が取り付けられている
ため過剰な熱可塑性樹脂の供給が防止でき熱可塑性樹脂
のむだを最小限に押さえることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による三次元造形装置を示
す構成図である。

【図２】補助材を供給する状態を示す部分断面図であ
る。

【図３】補助材を乾燥固化する状態を示す部分断面図で
ある。

【図４】補助材層を切削する状態を示す部分断面図であ
る。

【図５】熱可塑性樹脂を供給する状態を示す部分断面図
である。

【図６】補助材層と造形材層の表面仕上げをした状態を
示す断面図である。

【図７】積層体が完成した状態を示す断面図である。

【図８】従来例による三次元造形装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 三次元造形装置 ２ 型台 ４ 枠体 ５ 伸縮ねじ ６ モーター ７ 台部 ８ ホッパー １０ スピンドル １１ エンドミル １４ 造形材射出ユニット １５ 射出ノズル １６ 水平ガイド板 １８ 補助材 １８ａ 補助材層 １８ｂ 凹部 １９ 熱可塑性樹脂 １９ａ 造形材層 ２０ 積層体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下移動する台部の上面に、スラリー状
   の補助材を供給しこれを固化させて補助材層を形成し、
   この補助材層の所定部分を切削除去し、この切削除去し
   た部分に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給しこれを固化さ
   せて造形材層を形成し、上記台部を所定高さ下降させる
   とともに、上記切削除去部分の形状を適宜変えながら上
   記操作を繰り返して積層体を形成したのち、この積層体
   から補助材層を除去することにより造形材層からなる三
   次元造形物を得る方法であって、上記台部の周囲を静止
   状態の枠体で囲むとともに、上記熱可塑性樹脂を供給す
   る際に、上記枠体の内側面に摺接しかつ補助材層上面を
   覆う水平ガイド板を設け、上記熱可塑性樹脂が一定量以
   上供給されないようにしたことを特徴とする三次元造形
   方法。
2. 【請求項２】 上面が開放された枠体と、上面が平面状
   になり上記枠体内で上下移動する台部と、スラリー状の
   補助材を上記台部上面に供給する補助材供給部と、上記
   台部上面に対して相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動し台部
   上に形成される補助材層を切削する切削部と、加熱によ
   り液化し常温で固化する熱可塑性樹脂を加熱し液化させ
   た状態で上記台部上面に供給する造形材供給部と、この
   造形材供給部の供給口近傍に取り付けられ、熱可塑性樹
   脂を供給する際、上記枠体に摺接状態で内嵌し熱可塑性
   樹脂の過剰供給を防止する水平ガイド板とを備えたこと
   を特徴とする三次元造形装置。