WO2023162890A1 - 造形物及びその製造方法、造形データの作成方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a modeled object that can be manufactured by layered manufacturing, a manufacturing method thereof, and a method of creating modeling data for manufacturing the modeled object.
- Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a three-dimensional network structure model by laminating single-layer structures.
- each single-layer structure has a plurality of parallel line portions, and vertically adjacent single-layer structures are deviated from each other by 60 degrees in the direction in which the parallel line portions extend.
- a modeled object with such a structure has the advantage of being excellent in flexibility, it is easily deformed when a load is applied from above and when a load is applied from the side. , “deformability”) are significantly different. For this reason, there is no difference in deformability against loads from any direction, like cushioning materials (especially cushioning materials used for applications that touch the body, such as insoles and parts that touch the legs of prosthetic legs). There is a problem that it is difficult to use for applications where isotropic deformation is desired.
- the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a modeled object that can be formed with high precision in a short modeling time even when the base structure has a complicated shape.
- each single layer structure has an outer peripheral line portion surrounding the outer periphery.
- the peripheral line portion contributes to improving the strength of the modeled object, but the provision of the peripheral line portion may unnaturally harden the surface of the modeled object. For this reason, applications that require the entire molded object to have a natural feel, such as cushioning materials (especially cushioning materials used for applications that come into contact with the body, such as insoles and parts that touch the legs of prosthetic legs). Therefore, it is not preferable to provide an outer peripheral line portion.
- the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a modeled object that can suppress delamination of the modeled object while suppressing unnatural hardening of the modeled object.
- a part of the tool path is selected from the original data including the tool path for forming each of the plurality of single-layer structures obtained by slicing the base structure at a predetermined modeling pitch.
- a shaped article is provided.
- the part where the shape change of the tool path between the upper and lower layers in the original data is large, the molding is performed using the modeling data obtained by selecting the tool path so that the space between the layers in the original data becomes smaller. . For this reason, Even when the base structure has a complicated shape, it is possible to form a modeled object with high accuracy in a relatively short time.
- the base structure is a structure in which a three-dimensional periodic minimal curved surface is provided with a thickness.
- the tool paths are obtained.
- the base structure is a structure in which a three-dimensional periodic minimal curved surface is provided with a thickness.
- a shaped article configured by laminating a plurality of single-layer structures, wherein each of the plurality of single-layer structures is configured by shaping a linear resin, and the plurality of single-layer structures In at least one of the single-layer structures, the linear resin is folded back at a folding point provided on the outer periphery of the single-layer structure and arranged inside the single-layer structure relative to the outer periphery.
- a modeled object is provided, comprising a folded portion, wherein the folded portion is a portion between the end of the linear resin and the folded point.
- the linear resin constituting the single-layer structure is folded back at a folding point provided on the outer periphery of the single-layer structure, and also includes a folded portion located inside the single layer structure. According to such a configuration, it is possible to suppress the occurrence of delamination of the molded object starting from the end of the linear resin. In addition, since the peripheral line portion is not required, it is possible to suppress unnatural hardening of the modeled object.
- the end portion is welded to the outer peripheral portion.
- the single-layer structures are formed by moving a nozzle that discharges a fluid resin along a tool path.
- the tool path is folded back at a folding point provided in the outer peripheral portion of the tool path, and the tool path is folded back from the outer peripheral portion.
- a turn-up portion located inside the toolpath, said turn-up portion being a portion between the end of said toolpath and said turn-up point.
- the method as described above wherein the edge overlaps the outer circumference.
- FIG. 1 is a perspective view showing a gyroid structure 1;
- FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a state in the middle of forming the gyroid structure 1;
- FIG. 3 is a perspective view showing a state in the middle of forming the gyroid structure 1;
- FIG. 3 is a perspective view showing a state in the middle of forming the gyroid structure 1;
- FIG. 3 is a perspective view showing a state in the middle of forming the gyroid structure 1;
- a tool path 4 used to form a single-layer structure 2 of each layer, which constitutes the gyroid structure 1, is shown.
- a tool path 4 used to form a single-layer structure 2 of each layer, which constitutes the gyroid structure 1, is shown.
- a tool path 4 used to form a single-layer structure 2 of each layer, which constitutes the gyroid structure 1, is shown.
- FIG. 11A shows a state in which the single-layer structure 2 is stacked using the original data tool path 4 created at a modeling pitch of 0.1 mm
- FIG. 11B shows the original data of the tool path 4 between the upper and lower layers.
- a single-layer structure 2 is stacked using a tool path 4 that is selected so that the distance between layers in the original data becomes smaller for a portion with a larger change in shape.
- Figure 12A shows a toolpath 4 with an edge 4a on the outer circumference 4e and
- Figure 12B shows a single layer structure 2 with an edge 2a on the outer circumference 2e.
- FIG. 13A shows the tool path 4 with the folded portion 4d provided, and
- FIG. 13B shows the single layer structure 2 with the folded portion 2d provided.
- modeled object 5 A shaped article 5 (illustrated in FIG. 11B) according to an embodiment of the present invention has a pseudo-gyroid structure, which will be described later. (There is no difference in the ease of deformation with respect to loads from arbitrary directions).
- Applications of the modeled object 5 include cushioning materials (especially, cushioning materials used for applications that come into contact with the body, such as insoles and leg portions of prosthetic legs).
- cushioning materials especially, cushioning materials used for applications that come into contact with the body, such as insoles and leg portions of prosthetic legs.
- the gyroid structure 1 is a structure having a thickness based on the gyroid.
- a gyroid is a three-dimensional minimal periodic surface infinitely connected in three directions.
- a gyroid approximation can be expressed as Equation 1 using a trigonometric function. Since the gyroid is composed of planes meandering in the respective XYZ directions, the gyroid structure is excellent in isotropic deformability.
- a plurality of single-layer structures 2 obtained by slicing the gyroid structure in the Z direction at a predetermined modeling pitch are formed.
- a plurality of single-layer structures 2 are stacked in the Z direction.
- a tool path is two-dimensional data indicating a path along which the nozzle is moved when forming the single layer structure 2, and extends on the XY plane.
- the modeling data is data including information necessary for modeling, such as the tool path of each layer to be modeled and the modeling pitch.
- the fluid resin is a resin in a state of being softened by heating when the lamination manufacturing is a hot-melt lamination method, and is an uncured resin when the lamination manufacturing is a UV curing method. In the former case the fluid resin is solidified by cooling, in the latter case the fluid resin is solidified by UV irradiation.
- the nozzle In order to form a modeled object with a laminated structure, first, as shown in the first layer of FIG. 2, the nozzle is moved while extruding the fluid resin along the tool path of the first layer on a modeling table (not shown). to form a single layer structure 201 of the first layer.
- the nozzle is moved along the tool path of the second layer on the single layer structure 201 of the first layer while extruding the molten resin, thereby forming the second layer. to form a single layer structure 202 of.
- Single-layer structures 201 and 202 are fused to obtain a laminated structure 302 .
- the nozzle may be raised relative to the modeling table, and instead of raising the nozzle, the modeling table may be lowered.
- the nozzle is moved along the tool path of the third layer on the laminated structure 302 up to the second layer while extruding the molten resin, thereby forming the third layer. to form a single layer structure 203.
- the single layer structure 203 is fused to the laminated structure 302 to obtain the laminated structure 303 up to the third layer. 2 to 4 show the state at the completion of modeling of each layer when the same process is performed up to 30 layers.
- the 1st to 4th layers and the 16th to 22nd layers have an X direction meandering portion 2x in which the single layer structure 2 meanders in the X direction.
- a layer having such a single-layer structure 2 is called an X-direction meandering layer.
- the seventh to thirteenth layers and the twenty-fifth to thirtieth layers have Y-direction meandering portions 2y in which the single-layer structure 2 meanders in the Y-direction.
- a layer having such a single-layer structure 2 is called a Y-direction meandering layer.
- the fifth and sixth layers, the fourteenth and fifteenth layers, and the twenty-third and twenty-fourth layers have joint portions 2c where the X-direction meandering portion and the Y-direction meandering portion are joined.
- a layer having such a single layer structure 2 is called a bonding layer.
- the gyroid structure is constructed by alternately forming X-direction meandering layers and Y-direction meandering layers with a coupling layer interposed therebetween.
- the single layer structure 2 along the seventh layer tool path is formed on the single layer structure 2 along the fourth layer tool path.
- the single-layer structures 2 of the fourth layer and the seventh layer have a large difference in shape, overlap little when viewed from the stacking direction (Z-axis direction), and are almost in point contact. Therefore, when the gyroid structure is formed with such a molding pitch, the single-layer structures 2 are weakly bonded at the portions where the X-direction meandering layer and the Y-direction meandering layer are switched, such as the fourth layer and the seventh layer. As a result, delamination between layers tends to occur at this portion. In other words, if the modeling pitch is simply increased, the modeling time is shortened, but a new problem arises in that delamination of the modeled object is likely to occur.
- a part of the tool path is extracted from the original data including the tool path for forming each of a plurality of single-layer structures obtained by slicing the gyroid structure at a predetermined modeling pitch.
- the distance between the layers in the original data is set to be smaller for a part with a larger change in the shape of the tool path between the upper and lower layers in the original data. I got the idea to select a toolpath in
- the portions where the X-direction meandering layers are continuous such as the 1st to 4th layers and the 16th to 22nd layers, and the 7th to 13th layers and the 25th to 30th layers
- the overlap of the single layer structure between the upper and lower layers is large (that is, the shape change of the tool path is small)
- the 4th to 7th layers and the 13th to 16th layers In the portion where the X-direction meandering layer and the Y-direction meandering layer are switched to each other, the overlap of the single layer structure between the upper and lower layers is small (that is, the shape change of the tool path is large).
- the first layer, the fourth layer to the seventh layer, the tenth layer, the thirteenth to sixteenth layers, and the nineteenth layer Select the toolpath corresponding to the monolayer structure of layers 22-25 and 28.
- this selection method all layers are selected for a portion where the X-direction meandering layer and the Y-direction meandering layer are switched (hereinafter referred to as a "switching portion"), whereas the X-direction meandering layer or the Y-direction meandering layer is continuously selected.
- Layers are selected by skipping two layers in the portion where the continuous portion is to be formed (hereinafter referred to as “continuous portion”).
- the shape of the single-layer structure gradually changes, for example, from the fourth layer, the fifth layer, the sixth layer, and the seventh layer at the switching portion. Since the overlap of the single-layer structure of 1 is increased, the occurrence of delamination of the modeled object 5 is suppressed. On the other hand, in the continuous portion, since the layers are selected by skipping two layers, the modeling speed is increased.
- the modeled object 5 modeled using such modeling data has a structure in which the height of the continuous portion is relatively reduced with respect to the height of the switching portion (hereinafter referred to as a "pseudo gyroid structure").
- a pseudo-gyroid structure is a structure obtained by reducing the height of continuous parts based on the gyroid structure, it retains the features of the gyroid structure to some extent. Therefore, according to the present invention, a modeled object 5 having excellent isotropic deformability as compared with the modeled object disclosed in Patent Document 1 can be obtained.
- the selection of layers in the switching portion and the continuous portion should be made so that the number of layers skipped when selecting (that is, the interval between layers in the original data) is such that the switching portion ⁇ the continuous portion. Therefore, for example, layer selection may be performed by skipping one layer in the switching portion, and layer selection may be performed by skipping two layers in the continuous portion.
- the molding data obtained by selecting the tool path selected so that the space between the upper and lower layers in the original data becomes smaller as the shape change of the tool path between the upper and lower layers in the original data is used.
- the modeled article 5 it is possible to obtain the modeled article 5 having a pseudo-gyroid structure that is less likely to cause delamination and that can increase the modeling speed.
- the modeled object 5 of this embodiment can be obtained by performing layered manufacturing using the modeling data created by the above method.
- Laminate manufacturing can be performed by stacking single-layer structures 2 formed according to the tool path of each layer, as described in detail in "3.
- Laminate modeling may be performed by any method such as a UV curing method or a hot melt lamination method, but a hot melt lamination method in which thermally melted resins are laminated is preferred.
- the diameter of the linear resin (hereinafter referred to as “linear resin”) that constitutes the single-layer structure 2 and the molding pitch during molding are, for example, 0.3 to 6.0 mm, and 1.0 to 1.0 mm. 4.0 mm is preferred. Specifically, this diameter is 0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0 mm, and may be in the range between any two of the values exemplified herein.
- the diameter of the linear resin is preferably larger than the modeling pitch, and the value of [diameter of the linear resin/modeling pitch] is, for example, 1.1 to 6. 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6. 0, and may be in the range between any two of the values exemplified here.
- the resin that forms the modeled object 5 is not particularly limited, and examples include ABS, polyolefin (eg polypropylene), polyester, and thermoplastic elastomer. If the modeled object 5 requires high flexibility, such as a cushioning material, the resin forming the modeled object 5 is preferably a thermoplastic elastomer.
- thermoplastic elastomers examples include styrene-based elastomers, olefin-based elastomers, acrylic-based elastomers, and the like.
- the thermoplastic elastomer preferably contains a styrenic elastomer. Since a styrene-based elastomer is highly flexible, the inclusion of a styrene-based elastomer in the thermoplastic elastomer increases the flexibility of the thermoplastic elastomer.
- the proportion of the styrene-based elastomer in the thermoplastic elastomer is preferably 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, specifically, for example, 50, 60, 70, 80, 90, 100% by mass. , within a range between any two of the numerical values exemplified herein.
- Styrene-based elastomers are thermoplastic elastomers having styrene units, and styrene-based copolymers (for example, styrene-ethylene-styrene block copolymer (SES), styrene-butadiene-styrene block copolymer (SBS), Styrene-isoprene-styrene block copolymer (SIS), styrene-butadiene rubber (SBR), etc.), hydrogenated styrenic copolymers (e.g., styrene-ethylene/propylene-styrene block copolymer (SEPS), styrene- Ethylene-butylene-styrene block copolymer (SEBS), styrene-butylene-butadiene-styrene block copolymer (SBBS), hydrogenated styrene-buta
- the Shore A hardness of the thermoplastic elastomer is preferably 0 to 10, specifically, for example, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, and the numerical values exemplified here may be in the range between any two of When the Shore A hardness is within this range, a molded article 5 with excellent flexibility is obtained. Shore A hardness is measured based on JIS K6253.
- the modeled object 5 has a three-dimensional mesh structure composed of a pseudo-gyroid structure.
- the rigidity of the modeled object 5 can be changed by changing the size of the pseudo-gyroid structure or changing the thickness of the linear resin that constitutes the single-layer structure. can be made
- the modeled object 5 is a cushion material, it is necessary to make the modeled object 5 have rigidity according to the user's request. is easy.
- 5-10 show a 60-layer toolpath 4 for forming each of a plurality of single-layer structures obtained by slicing the gyroid structure 1 at a build pitch of 0.1 mm.
- the horizontal direction in FIGS. 5 to 10 is the X direction
- the vertical direction is the Y direction.
- An X-direction meandering portion 4x and a Y-direction meandering portion 4y of the toolpath 4 in the following description correspond to the X-direction meandering portion 2x and the Y-direction meandering portion 2y of the single layer structure 2, respectively.
- the linear resin 2b formed along the tool path 4 has a certain thickness, the distance between the adjacent X-direction meandering portions 4x or the adjacent portions 4x, such as the sixth and seventh layers, is large.
- the adjacent X-direction meandering portions 2x or the adjacent Y-direction meandering portions 2y are connected and joined. Part 2c is formed.
- the toolpaths 4 of the first to sixth layers have a plurality of Y-direction meandering portions 4y meandering in the Y-direction.
- the plurality of Y-direction meandering portions 4y extend substantially parallel, and the shape change of the tool path between the upper and lower layers is small.
- the shape of the toolpath 4 changes so that the adjacent Y-direction meandering portions 4y approach each other, and in the sixth layer, the distance between the adjacent Y-direction meandering portions 4y is minimized. ing.
- the tool paths 4 of the 7th to 30th layers have a plurality of X-direction meandering portions 4x meandering in the X-direction.
- the direction in which the meandering portion extends changes from the Y direction to the X direction.
- the shape of the toolpath 4 changes so that the adjacent X-direction meandering portions 4x are separated from each other, and in the 10th to 27th layers, the plurality of X-direction meandering portions 4x are substantially parallel. It is extended, and there is little change in the shape of the tool path between the upper and lower layers.
- the shape of the tool path 4 changes so that the adjacent X-direction meandering portions 4x approach each other, and in the 30th layer, the distance between the adjacent X-direction meandering portions 4x is minimized. It's becoming
- the tool paths 4 of the 31st to 53rd layers have a plurality of Y-direction meandering parts 4y meandering in the Y direction.
- the direction in which the meandering portion extends changes from the X direction to the Y direction.
- the shape of the tool path 4 changes so that the adjacent Y-direction meandering portions 4y are separated from each other, and in the 34th to 50th layers, the plurality of Y-direction meandering portions 4y are substantially parallel. It is extended, and there is little change in the shape of the tool path between the upper and lower layers.
- the shape of the tool path 4 changes so that the adjacent Y-direction meandering portions 4y approach each other, and in the fifty-third layer, the distance between the adjacent Y-direction meandering portions 4y is minimized. ing.
- the tool paths 4 of the 54th to 60th layers have a plurality of X-direction meandering portions 4x meandering in the X-direction.
- the direction in which the meandering portion extends changes from the Y direction to the X direction.
- the shape of the tool path 4 changes so that the adjacent X-direction meandering portions 4x are separated from each other. It is extended, and there is little change in the shape of the tool path between the upper and lower layers.
- the tool path 4 includes layers in which the direction in which the meandering portion extends is switched between the X direction and the Y direction, and layers adjacent thereto (4th to 9th layers, 28th to 33rd layers, 51st to 56th layers). ), the shape change of the tool path 4 between the upper and lower layers is very large. A collection of these layers is called a "great change layer group”. Further, in the layers therebetween (1st to 3rd layers, 10th to 27th layers, 34th to 50th layers, 57th to 60th layers), the shape change of the tool path 4 between the upper and lower layers is small. A collection of these layers is called a "small change layer group".
- the toolpath 4 can be selected such that the spacing between .
- the direction in which the meandering portion extends changes from the Y direction to the X direction (6th to 7th layers, 30th to 31st layers, 53rd to 54th layers), and 1 layer from these layers
- a layer with an interval of 1 is selected, and in the small change layer group, three layers are selected at approximately equal intervals.
- the 7th to 30th layers the 7th, 9th, 28th, and 30th layers are selected from the large change layer group, and the 14th, 14th, and 30th layers are selected from the small change layer group.
- the 19th and 24th layers are selected.
- the interlayer spacing is 3 or 4 in the small change layer group.
- FIG. 11A shows a modeled object obtained by laminating the single-layer structures 2 of each layer at a modeling pitch of 0.1 mm using the tool paths 4 of the 7th to 30th layers.
- 11A and 11B show cross sections at one location of the linear resin 2a included in the single layer structure 2.
- FIG. The layer indicated by the bold circle in FIG. 11A is the selected layer.
- the first to seventh layers of the single-layer structure 2 included in the modeled object 5 are seven layers selected from the original data (seventh, ninth, fourteenth, nineteenth, twenty-fourth, twenty-eighth, 30th layer). Since the 1st to 7th layers are layers formed using the 7-layer tool path 4 selected from the original data, the positions and shapes in the XY plane are the same as those of the 7 layers selected from the original data. match. On the other hand, since the diameter of the linear resin constituting the single-layer structure 2 is changed, the positions of the first to seventh layers in the Z direction (the vertical direction in FIG. 11) in FIG. 11B were selected from the original data. Unlike the 7 layers, the 1st to 7th layers are arranged at approximately equal intervals in the Z direction. In other words, the 7 layers selected from the original data do not have uniform interlayer spacing, but the 1st to 7th layers in FIG. 11B are formed with the same modeling pitch.
- the modeled object 5 shown in FIG. 11B is similar to the modeled object 5 created using the original data, although the modeled object 5 is layered and manufactured using the modeling data whose number of layers is significantly smaller than that of the original data. have a shape.
- the single-layer structure 2 overlaps greatly between the upper and lower layers, and the structure is such that delamination is less likely to occur.
- interlayer spacing between the large change layer group and the small change layer group and the number of layers to be selected may be set differently from the above embodiment.
- FIG. 12A is an example of a toolpath 4 for manufacturing a model 5 .
- the toolpath 4 has a pair of ends 4a.
- FIG. 12B a single-layer structure formed by shaping a linear resin 2b by moving a nozzle that discharges a fluid resin along a tool path 4 between a pair of ends 4a. 2 can be formed.
- the end portion 4a is provided on the outer peripheral portion 4e of the tool path 4, and when the single layer structure 2 is formed using such a tool path 4, the end portion 2a of the linear resin 2b is formed on the single layer structure 2. is provided on the outer peripheral portion 2e of the When the end portion 2a is provided at the outer peripheral portion 2e of the single-layer structure 2, the modeled object 5 configured by stacking a plurality of single-layer structures 2 is extended from the end portion 2a as a starting point. Delamination is likely to occur.
- the ends 2a may or may not be connected to the ends of the upper layer or the lower layer. If the end portion 2a is not connected to any of the ends of the upper layer and the lower layer, the strength of the end portion 2a is particularly weak, so the technical significance of applying the present invention is significant.
- FIG. 13A shows toolpath 4 modified to solve such problems.
- the toolpath 4 in FIG. 13A is folded at a folding point 4f provided in the outer peripheral portion 4e of the toolpath 4, and includes a folded portion 4d arranged inside the toolpath 4 from the outer peripheral portion 4e.
- the folding portion 4d is a portion between the end portion 4a of the tool path 4 and the folding point 4f.
- the end portion 4a preferably overlaps the outer peripheral portion 4e.
- FIG. 13B shows a single layer structure 2 made up of linear resin 2b formed by moving a nozzle for discharging fluid resin along the tool path 4 shown in FIG. 13A.
- the linear resin 2b that constitutes the single layer structure 2 is folded at a folding point 2f provided in the outer peripheral portion 2e of the single layer structure 2 and arranged inside the single layer structure 2 relative to the outer peripheral portion 2e.
- a folded portion 2d is provided.
- the folded portion 2d is a portion between the end portion 2a of the linear resin 2b and the folded point 2f.
- the edge 2a of the single-layer structure 2 is not exposed to the outer surface of the model 5, so delamination from the edge 2a of the single-layer structure 2 is suppressed.
- the end portion 2a is preferably welded to the outer peripheral portion 2e. In this case, the strength of the end portion 2a is further increased, and delamination of the modeled article 5 is further suppressed.
- the structure in which the folded portions 2d and 4d are provided may be provided in at least one of the plurality of single-layer structures 2 constituting the modeled object 5, but the ends 2a and 4a are formed on the outer peripheral portions 2e and 4e. It is preferable to provide the folded portions 2d and 4d in all the layers provided.
- the base structure is a gyroid structure
- the application target of the present invention is not limited to the gyroid structure.
- the base structure there are gyroid structure, Schwartz P structure, Schwartz D structure, double gyroid structure, structure having a thickness on a three-dimensional minimal periodic curved surface such as fddd structure, cubic structure, octet structure, and cubic octet structure. etc.
- the base structure is a structure in which a thickness is provided on a three-dimensional periodic minimal curved surface
- the shape change of the tool path between the upper and lower layers is particularly large, so the technical significance of applying the present invention is remarkable.
- Modifying the tool path can also be applied to tool path 4 included in the modeling data for forming a modeled object with an arbitrary structure. Therefore, the structure of the modeled object is not particularly limited with respect to the contents described in "10. Modification of Tool Path".
- 1 gyroid structure
- 2 single layer structure
- 2a end portion
- 2b linear resin
- 2c coupling portion
- 2d folded portion
- 2e outer peripheral portion
- 2f folded point
- 2x X direction meandering portion
- 2y Y-direction meandering part
- 4a End part
- 4d Folding part
- 4e Peripheral part
- 4f Folding point
- 4x X-direction meandering part
- 4y Y-direction meandering part
- 5 Modeling Object
- 201 Single layer structure
- 202 Single layer structure
- 203 Single layer structure
- 302 Laminated structure
- 303 Laminated structure
Landscapes
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Abstract
ベース構造を複雑な形状を有している場合でも、短い造形時間で精度良く造形可能な造形物を提供する。 本発明によれば、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて作成された造形物であって、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、造形物が提供される。
Description
本発明は、積層造形によって製造可能な造形物及びその製造方法、並びにこの造形物を製造するための造形データの作成方法に関する。
特許文献1には、単層構造体を積層することによって、三次元網目構造の造形物を製造する方法が開示されている。
(第1観点)
特許文献1では、各単層構造体は、複数の平行線部を有しており、上下方向に隣接する単層構造体同士は、平行線部が延びる方向が60度ずれている。このような構造を有する造形物は、柔軟性に優れているという利点を有するものの、上方向から荷重が加わった場合と、横方向から荷重が加わった場合とでは、変形のしやすさ(以下、「変形性」)が大きく異なっている。このため、クッション材(特に、インソールや義足の脚にあたる部分など、体に触れる用途に用いられるクッション材)のように、任意の方向からの荷重に対して変形性に差がないこと(つまり、等方変形性であること)が望まれる用途には使いにくいという問題があった。
特許文献1では、各単層構造体は、複数の平行線部を有しており、上下方向に隣接する単層構造体同士は、平行線部が延びる方向が60度ずれている。このような構造を有する造形物は、柔軟性に優れているという利点を有するものの、上方向から荷重が加わった場合と、横方向から荷重が加わった場合とでは、変形のしやすさ(以下、「変形性」)が大きく異なっている。このため、クッション材(特に、インソールや義足の脚にあたる部分など、体に触れる用途に用いられるクッション材)のように、任意の方向からの荷重に対して変形性に差がないこと(つまり、等方変形性であること)が望まれる用途には使いにくいという問題があった。
このような問題を解決する構造として、ジャイロイド構造のような複雑な形状を有するものがあるが、複雑な形状を有する造形物を短い造形時間で精度良く製造することは容易ではない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ベース構造が複雑な形状を有している場合でも、短い造形時間で精度良く造形可能な造形物を提供するものである。
(第2観点)
特許文献1では、各単層構造体は、外周を取り囲む外周線部を備えている。この外周線部は、造形物の強度を向上させるのに寄与するものであるが、外周線部を設けることによって、造形物の表面が不自然に固くなってしまう場合がある。このため、クッション材(特に、インソールや義足の脚にあたる部分など、体に触れる用途に用いられるクッション材)のように、造形物の全体が自然な感触を有していることが要求される用途では外周線部を設けることが好まれない。
特許文献1では、各単層構造体は、外周を取り囲む外周線部を備えている。この外周線部は、造形物の強度を向上させるのに寄与するものであるが、外周線部を設けることによって、造形物の表面が不自然に固くなってしまう場合がある。このため、クッション材(特に、インソールや義足の脚にあたる部分など、体に触れる用途に用いられるクッション材)のように、造形物の全体が自然な感触を有していることが要求される用途では外周線部を設けることが好まれない。
一方、特許文献1のような造形物から外周線部を除くと、単層構造体を構成する線状樹脂の端部が単層構造体の外周部に配置されてしまう。線状樹脂の端部が単層構造体の外周部に設けられていると、複数の単層構造体が積層されて構成された造形物において、端部を起点として、造形物の層間剥離が起こりやすい。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形物が不自然に固くなることを抑制しつつ、造形物の層間剥離を抑制可能な、造形物を提供するものである。
(第1観点)
本発明によれば、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて作成された造形物であって、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、造形物が提供される。
本発明によれば、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて作成された造形物であって、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、造形物が提供される。
本発明では、元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、元データでの層間の間隔が小さくなるようにツールパスの選択を行って得られた造形データを用いて造形する。このため、
ベース構造が複雑な形状を有している場合でも、比較的短い時間で精度良く造形物を造形することができる。
ベース構造が複雑な形状を有している場合でも、比較的短い時間で精度良く造形物を造形することができる。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記記載の造形物であって、前記ベース構造は、3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造である、造形物である。
好ましくは、造形物の製造方法であって、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて積層造形を行う工程を備え、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、方法である。
好ましくは、造形データの作成方法であって、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択する工程を備え、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記ベース構造は、3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造である、方法である。
好ましくは、前記記載の造形物であって、前記ベース構造は、3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造である、造形物である。
好ましくは、造形物の製造方法であって、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて積層造形を行う工程を備え、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、方法である。
好ましくは、造形データの作成方法であって、ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択する工程を備え、前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記ベース構造は、3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造である、方法である。
(第2観点)
本発明によれば、複数の単層構造体が積層された構成された造形物であって、前記複数の単層構造体は、それぞれ、線状樹脂が賦形されて構成され、前記複数の単層構造体の少なくとも1つにおいて、前記線状樹脂は、前記単層構造体の外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、前記外周部よりも前記単層構造体の内側に配置された折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記線状樹脂の端部と前記折り返し点の間の部位である、造形物が提供される。
本発明によれば、複数の単層構造体が積層された構成された造形物であって、前記複数の単層構造体は、それぞれ、線状樹脂が賦形されて構成され、前記複数の単層構造体の少なくとも1つにおいて、前記線状樹脂は、前記単層構造体の外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、前記外周部よりも前記単層構造体の内側に配置された折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記線状樹脂の端部と前記折り返し点の間の部位である、造形物が提供される。
本発明の造形物に含まれる少なくとも1つの単層構造体では、単層構造体を構成する線状樹脂は、単層構造体の外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、外周部よりも単層構造体の内側に配置された折り返し部を備える。このような構成によれば、線状樹脂の端部を起点として造形物の層間剥離が起こることが抑制される。また、外周線部が不要であるので、造形物が不自然に固くなることが抑制される。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記記載の造形物であって、前記端部は、前記外周部に溶着されている、造形物である。
好ましくは、複数の単層構造体が積層された構成された造形物の製造方法であって、前記単層構造体は、流動樹脂を吐出するノズルをツールパスに沿って移動させることによって形成された線状樹脂によって構成され、前記複数の単層構造体の少なくとも1つにおいて、前記ツールパスは、前記ツールパスの外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、前記外周部より前記ツールパスの内側に配置された折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記ツールパスの端部と前記折り返し点の間の部位である、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記端部は、前記外周部に重なっている、方法である。
好ましくは、前記記載の造形物であって、前記端部は、前記外周部に溶着されている、造形物である。
好ましくは、複数の単層構造体が積層された構成された造形物の製造方法であって、前記単層構造体は、流動樹脂を吐出するノズルをツールパスに沿って移動させることによって形成された線状樹脂によって構成され、前記複数の単層構造体の少なくとも1つにおいて、前記ツールパスは、前記ツールパスの外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、前記外周部より前記ツールパスの内側に配置された折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記ツールパスの端部と前記折り返し点の間の部位である、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記端部は、前記外周部に重なっている、方法である。
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。
以下、ベース構造がジャイロイド構造である場合を例に挙げて説明する。
1.造形物5
本発明の一実施形態の造形物5(図11Bに図示)は、後述する疑似ジャイロイド構造を有しており、特許文献1に開示されているような造形物に比べて、等方変形性(任意の方向からの荷重に対して変形のしやすさに差がないこと)が優れている。造形物5の用途としては、クッション材(特に、インソールや義足の脚にあたる部分など、体に触れる用途に用いられるクッション材)が挙げられる。以下、本実施形態の造形物5の製造方法を、順を追って説明する。
本発明の一実施形態の造形物5(図11Bに図示)は、後述する疑似ジャイロイド構造を有しており、特許文献1に開示されているような造形物に比べて、等方変形性(任意の方向からの荷重に対して変形のしやすさに差がないこと)が優れている。造形物5の用途としては、クッション材(特に、インソールや義足の脚にあたる部分など、体に触れる用途に用いられるクッション材)が挙げられる。以下、本実施形態の造形物5の製造方法を、順を追って説明する。
2.ジャイロイド構造
まず、本発明と関連性を有するジャイロイド構造について説明する。図1に示すように、ジャイロイド構造1とは、ジャイロイドを基準に厚みを設けた構造である。ジャイロイドとは、3方向に無限に連結した3次元の周期極小曲面である。ジャイロイドの近似式は三角関数を用いて、式1のように表すことができる。ジャイロイドは、XYZのそれぞれの方向に蛇行する面によって構成されるために、ジャイロイド構造は等方変形性において優れている。
まず、本発明と関連性を有するジャイロイド構造について説明する。図1に示すように、ジャイロイド構造1とは、ジャイロイドを基準に厚みを設けた構造である。ジャイロイドとは、3方向に無限に連結した3次元の周期極小曲面である。ジャイロイドの近似式は三角関数を用いて、式1のように表すことができる。ジャイロイドは、XYZのそれぞれの方向に蛇行する面によって構成されるために、ジャイロイド構造は等方変形性において優れている。
3.ジャイロイド構造の積層造形
積層造形によってジャイロイド構造を形成する場合、まず、ジャイロイド構造をZ方向に所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体2のそれぞれを形成するためのツールパスを含む造形データを作成する。複数の単層構造体2は、Z方向に積層される。ツールパスとは、単層構造体2を形成する際にノズルを移動させる経路を示す二次元データであり、XY平面上に延在する。造形データは、造形対象の各層のツールパスや造形ピッチなどの、造形に必要な情報を含むデータである。流動状態の樹脂(以下、「流動樹脂」)をノズルから押し出しながら、ノズルをツールパスに沿って移動させて流動樹脂を賦形した後に流動樹脂を固化させることによって単層構造体2を形成することができる。流動樹脂は、積層造形が熱溶融積層法の場合は、加熱によって軟化された状態の樹脂であり、積層造形がUV硬化法である場合は、未硬化の樹脂である。前者の場合、流動樹脂は冷却によって固化され、後者の場合、流動樹脂はUV照射によって固化される。
積層造形によってジャイロイド構造を形成する場合、まず、ジャイロイド構造をZ方向に所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体2のそれぞれを形成するためのツールパスを含む造形データを作成する。複数の単層構造体2は、Z方向に積層される。ツールパスとは、単層構造体2を形成する際にノズルを移動させる経路を示す二次元データであり、XY平面上に延在する。造形データは、造形対象の各層のツールパスや造形ピッチなどの、造形に必要な情報を含むデータである。流動状態の樹脂(以下、「流動樹脂」)をノズルから押し出しながら、ノズルをツールパスに沿って移動させて流動樹脂を賦形した後に流動樹脂を固化させることによって単層構造体2を形成することができる。流動樹脂は、積層造形が熱溶融積層法の場合は、加熱によって軟化された状態の樹脂であり、積層造形がUV硬化法である場合は、未硬化の樹脂である。前者の場合、流動樹脂は冷却によって固化され、後者の場合、流動樹脂はUV照射によって固化される。
積層構造の造形物を形成するには、まず、図2の第1層に示すように、不図示の造形テーブル上で第1層のツールパスに沿って流動樹脂を押し出しながらノズルを移動させることによって、第1層の単層構造体201を形成する。
次に、ノズルを造形ピッチ分上昇させた後に、第1層の単層構造体201上で、第2層のツールパスに沿って、溶融樹脂を押し出しながらノズルを移動させることによって、第2層の単層構造体202を形成する。単層構造体201,202は、融着されて積層構造体302が得られる。なお、ノズルは、造形テーブルに対して相対的に上昇させればよく、ノズルを上昇させる代わりに、造形テーブルを下降させてもよい。
次に、ノズルを造形ピッチ分上昇させた後に、第2層までの積層構造体302上で、第3層のツールパスに沿って、溶融樹脂を押し出しながらノズルを移動させることによって、第3層の単層構造体203を形成する。単層構造体203は、積層構造体302に融着され、第3層までの積層構造体303が得られる。以後、同様の工程を30層まで行ったときの各層の造形完了時点での状態を図2~図4に示す。
上記工程を造形データ中の最上層まで繰り返すことによって、ジャイロイド構造1を有する所望の造形物を得ることができる。
4.ジャイロイド構造の分析
ここで、ジャイロイド構造の詳細な分析を行う。図2~図4を参照すると、第1~第4層及び第16~22層は、単層構造体2がX方向に蛇行するX方向蛇行部2xを有する。このような単層構造体2を有する層をX方向蛇行層と称する。第7~第13層及び第25~第30層は、単層構造体2がY方向に蛇行するY方向蛇行部2yを有する。このような単層構造体2を有する層をY方向蛇行層と称する。第5~第6層、第14~15層、第23~24層は、X方向蛇行部とY方向蛇行部が結合した結合部2cを有する。このような単層構造体2を有する層を結合層と称する。このように、ジャイロイド構造は、X方向蛇行層とY方向蛇行層が、間に結合層を挟んで、交互に形成されることによって構成される。
ここで、ジャイロイド構造の詳細な分析を行う。図2~図4を参照すると、第1~第4層及び第16~22層は、単層構造体2がX方向に蛇行するX方向蛇行部2xを有する。このような単層構造体2を有する層をX方向蛇行層と称する。第7~第13層及び第25~第30層は、単層構造体2がY方向に蛇行するY方向蛇行部2yを有する。このような単層構造体2を有する層をY方向蛇行層と称する。第5~第6層、第14~15層、第23~24層は、X方向蛇行部とY方向蛇行部が結合した結合部2cを有する。このような単層構造体2を有する層を結合層と称する。このように、ジャイロイド構造は、X方向蛇行層とY方向蛇行層が、間に結合層を挟んで、交互に形成されることによって構成される。
5.ジャイロイド構造の造形ピッチの変更による層間剥離問題の発生
ジャイロイド構造を有する造形物を量産するために造形速度を高める必要がある。造形速度を高める方法としては、ジャイロイド構造の造形ピッチを大きくする方法が挙げられる。ジャイロイド構造の造形ピッチを大きくする方法としては、例えば、図2~図4の例では、2層飛ばしで、第1層、第4層、第7層、第10層、第13層、第16層・・・の順で造形する方法が挙げられる。この場合、これらの層の単層構造体を形成するためのツールパスを用い、造形ピッチを3倍にし、流動樹脂の吐出量も造形ピッチの増大に合わせて増大させる。この場合、造形に必要な層数が1/3になるので、造形時間が短縮される。
ジャイロイド構造を有する造形物を量産するために造形速度を高める必要がある。造形速度を高める方法としては、ジャイロイド構造の造形ピッチを大きくする方法が挙げられる。ジャイロイド構造の造形ピッチを大きくする方法としては、例えば、図2~図4の例では、2層飛ばしで、第1層、第4層、第7層、第10層、第13層、第16層・・・の順で造形する方法が挙げられる。この場合、これらの層の単層構造体を形成するためのツールパスを用い、造形ピッチを3倍にし、流動樹脂の吐出量も造形ピッチの増大に合わせて増大させる。この場合、造形に必要な層数が1/3になるので、造形時間が短縮される。
このような方法で造形を行った場合、第4層のツールパスに沿った単層構造体2上に第7層のツールパスに沿った単層構造体2が形成されることになるが、第4層と第7層の単層構造体2は、形状の違いが大きく、積層方向(Z軸方向)から見たときの重なりが小さく、ほぼ点接触になってしまう。このため、このような造形ピッチでジャイロイド構造を形成すると、第4層と第7層のようにX方向蛇行層とY方向蛇行層が切り替わる部位での単層構造体2同士の結合が弱くなり、この部位で層間の剥離が生じやすくなってしまう。つまり、単純に、造形ピッチを大きくすると、造形時間は短縮されるものの、造形物の層間剥離が生じやすくなるという新たな問題が発生することになる。
6.ジャイロイド構造の層間剥離問題の解決方法
本発明者は上記問題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、2層飛ばしで造形を行った場合でも、第1層と第4層や、第7層と第10層のように、X方向蛇行層同士やY方向蛇行層同士は、単層構造体2の形状(すなわち、ツールパスの形状)が類似しており、積層方向(Z方向)から見たときの重なりが大きいので、第2~第3層を飛ばして第1層上に第4層を形成したり、第8~第9層を飛ばして第7層上に第10層を形成したりしても特段の問題は生じないということに気がついた。
本発明者は上記問題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、2層飛ばしで造形を行った場合でも、第1層と第4層や、第7層と第10層のように、X方向蛇行層同士やY方向蛇行層同士は、単層構造体2の形状(すなわち、ツールパスの形状)が類似しており、積層方向(Z方向)から見たときの重なりが大きいので、第2~第3層を飛ばして第1層上に第4層を形成したり、第8~第9層を飛ばして第7層上に第10層を形成したりしても特段の問題は生じないということに気がついた。
そして、このような知見に基づき、ジャイロイド構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから前記ツールパスの一部を選択して本実施形態の造形物5を造形する造形データを作成する際に、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、元データでの層間の間隔が小さくなるようにツールパスの選択を行うという着想を得た。
図2~図4の例では、第1~第4層及び第16~22層のようにX方向蛇行層が連続する部位や、第7~第13層及び第25~第30層のようにY方向蛇行層が連続する部位は、上下層間の単層構造体の重なりが大きい(すなわち、ツールパスの形状変化が小さい)のに対し、第4~第7層や第13~16層のようにX方向蛇行層とY方向蛇行層が切り替わる部位は上下層間の単層構造体の重なりが小さい(すなわち、ツールパスの形状変化が大きい)。このような例の場合は、例えば、造形物5を造形するための造形データを作成する際に、第1層、第4層~第7層、第10層、第13~16層、第19層、第22~第25層、第28層の単層構造体に対応したツールパスを選択する。この選択方法では、X方向蛇行層とY方向蛇行層が切り替わる部位(以下、「切替部位」)については全ての層が選択されているのに対し、X方向蛇行層又はY方向蛇行層が連続する部位(以下、「連続部位」)では、2層飛ばしで層が選択されている。
このような方法によれば、切替部位では、例えば、第4層、第5層、第6層、第7層のように単層構造体の形状が徐々に変化することになるので、上下層間の単層構造体の重なりが大きくなるので、造形物5の層間剥離の発生が抑制される。一方、連続部位では、2層飛ばしで層が選択されているので、造形速度が高められる。
このような造形データを用いて造形された造形物5には、連続部位の高さが、切替部位の高さに対して相対的に縮められた構造(以下、「疑似ジャイロイド構造」)が設けられる。疑似ジャイロイド構造は、ジャイロイド構造をベースにして連続部位の高さを縮めた構造であるので、ジャイロイド構造の特徴をある程度保持している。このため、本発明によれば、特許文献1に開示されているような造形物に比べて、等方変形性が優れた造形物5が得られる。
なお、切替部位と連続部位での層の選択は、選択する際に飛ばす層の数(つまり、元データでの層間の間隔)が、切替部位<連続部位、となるように行えばよい。従って、例えば、切替部位では1層飛ばしで層の選択を行い、連続部位では2層飛ばしで層の選択を行ってもよい。
以上の通り、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、元データでの層間の間隔が小さくなるように選択したツールパスを選択して得られた造形データを用いて造形物5を形成することによって、層間剥離が生じにくく且つ造形速度を高めることが可能な、疑似ジャイロイド構造を有する造形物5が得られる。
7.本実施形態の造形物の製造方法
本実施形態の造形物5は、上記方法で作成された造形データを用いて、積層造形を行うことによって得ることができる。積層造形は、「3.ジャイロイド構造の積層造形」で詳細に説明したように、各層のツールパスに従って形成された単層構造体2を積層することによって行うことができる。積層造形は、UV硬化法、熱溶融積層法等の何れの方法であってもよいが、熱で溶融した樹脂を積層させる熱溶融積層法が好ましい。
本実施形態の造形物5は、上記方法で作成された造形データを用いて、積層造形を行うことによって得ることができる。積層造形は、「3.ジャイロイド構造の積層造形」で詳細に説明したように、各層のツールパスに従って形成された単層構造体2を積層することによって行うことができる。積層造形は、UV硬化法、熱溶融積層法等の何れの方法であってもよいが、熱で溶融した樹脂を積層させる熱溶融積層法が好ましい。
単層構造体2を構成する線状の樹脂(以下、「線状樹脂」)の直径、及び造形の際の造形ピッチは、それぞれ、例えば0.3~6.0mmであり、1.0~4.0mmが好ましい。この直径は、具体的には例えば、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0mmであり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。線状樹脂の直径は、造形ピッチよりも大きいことが好ましく、[線状樹脂の直径/造形ピッチ]の値は、例えば、1.1~6であり、具体的には例えば、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。
造形物5を構成する樹脂は、特に限定されず、ABS、ポリオレフィン(例:ポリプロピレン)、ポリエステル、熱可塑性エラストマーが挙げられる。造形物5がクッション材のような高い柔軟性が要求されるものである場合、造形物5を構成する樹脂は、熱可塑性エラストマーが好ましい。
熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、アクリル系エラストマー等が挙げられる。この熱可塑性エラストマーは、スチレン系エラストマーを含むことが好ましい。スチレン系エラストマーは柔軟性が高いので、熱可塑性エラストマーがスチレン系エラストマーを含むことによって、熱可塑性エラストマーの柔軟性が高くなる。熱可塑性エラストマー中のスチレン系エラストマーの割合は、50~100質量%が好ましく、80~100質量%がさらに好ましく、具体的には例えば、50、60、70、80、90、100質量%であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。
スチレン系エラストマーとは、スチレン単位を有する熱可塑性エラストマーであり、スチレン系共重合体(例えば、スチレン-エチレン-スチレンブロック共重合体(SES)、スチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体(SBS)、スチレン-イソプレン-スチレンブロック共重合体(SIS)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)等)、水素添加スチレン系共重合体(例えば、スチレン-エチレン・プロピレン-スチレンブロック共重合体(SEPS)、スチレン-エチレン・ブチレン-スチレンブロック共重合体(SEBS)、スチレン-ブチレン・ブタジエン-スチレンブロック共重合体(SBBS)、水素添加スチレン-ブタジエンゴム(HSBR)等)等から選ばれた一種又は二種以上をブレンドしたものを挙げることができる。
熱可塑性エラストマーのショアA硬度は、0~10が好ましく、具体的には例えば、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。ショアA硬度がこの範囲内である場合に、柔軟性に優れた造形物5が得られる。ショアA硬度は、JIS K6253に基づいて測定する。
8.造形物5の構造
造形物5は、疑似ジャイロイド構造で構成された三次元網目構造を有する。このような構造を有する造形物5では、疑似ジャイロイド構造のサイズを変更したり、単層構造体を構成する線状樹脂の太さを変化させたりすることによって、造形物5の剛性を変化させることができる。造形物5がクッション材である場合、造形物5をユーザーの要望に応じた剛性を有するものにする必要があるところ、三次元網目構造を有する造形物5では、このような要望を実現することが容易である。
造形物5は、疑似ジャイロイド構造で構成された三次元網目構造を有する。このような構造を有する造形物5では、疑似ジャイロイド構造のサイズを変更したり、単層構造体を構成する線状樹脂の太さを変化させたりすることによって、造形物5の剛性を変化させることができる。造形物5がクッション材である場合、造形物5をユーザーの要望に応じた剛性を有するものにする必要があるところ、三次元網目構造を有する造形物5では、このような要望を実現することが容易である。
9.ツールパスの選択の具体例及び選択したツールパスを用いた造形物の製造
ここで、より具体的なデータを用いて、ツールパスの選択の具体例について説明する。図5~図10は、ジャイロイド構造1を0.1mmの造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するための、60層のツールパス4を示す。図5~図10の左右方向をX方向とし、上下方向をY方向とする。以下の説明中の、ツールパス4のX方向蛇行部4x及びY方向蛇行部4yは、それぞれ、単層構造体2のX方向蛇行部2x及びY方向蛇行部2yに対応する部位である。また、ツールパス4に沿って形成される線状樹脂2bには、ある程度の太さがあるので、第6~第7層のように、隣接するX方向蛇行部4x同士の間の距離又は隣接するY方向蛇行部4y同士の距離が小さい部位を有するツールパスに沿って単層構造体が形成されると、隣接するX方向蛇行部2x同士又は隣接するY方向蛇行部2y同士がつながって結合部2cが形成される。
ここで、より具体的なデータを用いて、ツールパスの選択の具体例について説明する。図5~図10は、ジャイロイド構造1を0.1mmの造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するための、60層のツールパス4を示す。図5~図10の左右方向をX方向とし、上下方向をY方向とする。以下の説明中の、ツールパス4のX方向蛇行部4x及びY方向蛇行部4yは、それぞれ、単層構造体2のX方向蛇行部2x及びY方向蛇行部2yに対応する部位である。また、ツールパス4に沿って形成される線状樹脂2bには、ある程度の太さがあるので、第6~第7層のように、隣接するX方向蛇行部4x同士の間の距離又は隣接するY方向蛇行部4y同士の距離が小さい部位を有するツールパスに沿って単層構造体が形成されると、隣接するX方向蛇行部2x同士又は隣接するY方向蛇行部2y同士がつながって結合部2cが形成される。
第1~第6層のツールパス4は、Y方向に蛇行する複数のY方向蛇行部4yを有する。第1~第3層では、複数のY方向蛇行部4yは、概ね平行に延びており、上下層間でのツールパスの形状変化が小さい。第4~第6層では、隣接するY方向蛇行部4yが互いに近づくようにツールパス4の形状が変化し、第6層において、隣接するY方向蛇行部4y同士の間の距離が最小となっている。
第7層~第30層のツールパス4は、X方向に蛇行する複数のX方向蛇行部4xを有する。第6層から第7層に進むときに、蛇行部が延びる方向がY方向からX方向に変化する。第7~第9層では、隣接するX方向蛇行部4xが互いに離れるようにツールパス4の形状が変化し、第10層~第27層では、複数のX方向蛇行部4xは、概ね平行に延びており、上下層間でのツールパスの形状変化が小さい。第28~第30層では、、隣接するX方向蛇行部4xが互いに近づくようにツールパス4の形状が変化し、第30層において、隣接するX方向蛇行部4x同士の間の距離が最小となっている。
第31~第53層のツールパス4は、Y方向に蛇行する複数のY方向蛇行部4yを有する。第30層から第31層に進むときに、蛇行部が延びる方向がX方向からY方向に変化する。第31~第33層では、隣接するY方向蛇行部4yが互いに離れるようにツールパス4の形状が変化し、第34層~第50層では、複数のY方向蛇行部4yは、概ね平行に延びており、上下層間でのツールパスの形状変化が小さい。第51~第53層では、隣接するY方向蛇行部4yが互いに近づくようにツールパス4の形状が変化し、第53層において、隣接するY方向蛇行部4y同士の間の距離が最小となっている。
第54層~第60層のツールパス4は、X方向に蛇行する複数のX方向蛇行部4xを有する。第53層から第54層に進むときに、蛇行部が延びる方向がY方向からX方向に変化する。第54~第56層では、隣接するX方向蛇行部4xが互いに離れるようにツールパス4の形状が変化し、第57層~第60層では、複数のX方向蛇行部4xは、概ね平行に延びており、上下層間でのツールパスの形状変化が小さい。
このように、ツールパス4は、蛇行部が延びる方向がX方向とY方向の間で切り替わる層とそれに隣接した層(第4~第9層、第28~第33層、第51~56層)において、上下層間でのツールパス4の形状変化が非常に大きい。これらの層の集まりを「大変化層群」と称する。また、その間の層(第1~第3層、第10~第27層、第34~第50層、57~60層)では、上下層間でのツールパス4の形状変化が小さい。これらの層の集まりを「小変化層群」と称する。
ツールパスの形状変化がこのような特徴を有していることを利用し、元データ(元となる造形データ)での上下層間のツールパス4の形状変化が大きい部位ほど、元データでの層間の間隔が小さくなるように、ツールパス4を選択することができる。
一例では、大変化層群では、蛇行部が延びる方向がY方向からX方向に変化する層(第6~7層、第30~31層、第53~54層)と、これらの層から1つ飛ばしの層(層間間隔1)を選択し、小変化層群では、略等間隔に3つの層を選択する。このような選択方法では、例えば、第7~第30層の間では、大変化層群から第7、第9、第28、第30層が選択され、小変化層群からは、第14、第19、第24層が選択される。小変化層群では、層間間隔が3又は4となっている。このような選択によって、造形する総数が24層から7層に減少するので、造形時間が大幅に短縮される。
図11Aは、第7~30層のツールパス4を用いて、0.1mmの造形ピッチで、各層の単層構造体2を積層させて得られた造形物を示す。図11A及び図11Bは、単層構造体2に含まれる線状樹脂2aの1箇所での断面を示す。図11Aで太字の円で示した層が選択された層である。これらの層のツールパス4を用いて、造形物の高さが元データでの高さと等しくなるように造形ピッチ及びノズル径を調整して、本実施形態の造形物5を得るための造形データを作成した。この造形データを用いて積層造形を行って図11Bに示す造形物5を得た。造形物5に含まれる単層構造体2の第1~第7層が、それぞれ、元データから選択された7層(第7、第9、第14、第19、第24層、第28、第30層)に対応する。第1~第7層は、元データから選択された7層のツールパス4を用いて形成された層であるので、XY平面内での位置及び形状は、元データから選択された7層と一致する。一方、単層構造体2を構成する線状樹脂の直径が変わっているので、図11Bの第1~第7層のZ方向(図11の上下方向)の位置は、元データから選択された7層とは異なっており、第1~第7層がZ方向に略均等間隔で配置される。つまり、元データから選択された7層は、層間間隔が一定でないが、図11Bの第1~第7層は、等しい造形ピッチで形成される。
図11Bに示す造形物5は、元データに比べて層数が大幅に少ない造形データを用いて積層造形を行っているにも関わらず、元データを用いて作成された造形物5に類似した形状を有する。また、造形物5では、上下層間での単層構造体2の重なりが大きく、層間剥離が発生しにくい構造であることが分かる。このように、本発明によれば、比較的短い時間で精度良く造形物を造形することができる。
なお、大変化層群と小変化層群での層間間隔や、選択する層数は、上記実施形態とは異なるように設定してもよい。
10.ツールパスの改変
図12Aは、造形物5を製造するためのツールパス4の一例である。このツールパス4には、一対の端部4aが存在している。図12Bに示すように、一対の端部4aの間のツールパス4に沿って、流動樹脂を吐出するノズルを移動させることによって、線状樹脂2bが賦形されて構成された単層構造体2を形成することができる。
図12Aは、造形物5を製造するためのツールパス4の一例である。このツールパス4には、一対の端部4aが存在している。図12Bに示すように、一対の端部4aの間のツールパス4に沿って、流動樹脂を吐出するノズルを移動させることによって、線状樹脂2bが賦形されて構成された単層構造体2を形成することができる。
端部4aは、ツールパス4の外周部4eに設けられており、このようなツールパス4を用いて単層構造体2を形成すると、線状樹脂2bの端部2aが単層構造体2の外周部2eに設けられる。端部2aが単層構造体2の外周部2eに設けられていると、複数の単層構造体2が積層されて構成された造形物5において、端部2aを起点として、造形物5の層間剥離が起こりやすい。端部2aは、上層又は下層の端部とはつながっていてもいなくてもよい。端部2aが上層と下層の何れの端部ともつながっていない場合は、端部2aの強度が特に弱くなるので、本発明を適用する技術的意義が顕著である。
図13Aは、このような問題を解決するために改変されたツールパス4を示す。図13Aのツールパス4は、ツールパス4の外周部4eに設けられた折り返し点4fにおいて折り返されて、外周部4eよりツールパス4の内側に配置された折り返し部4dを備える。折り返し部4dは、ツールパス4の端部4aと折り返し点4fの間の部位である。端部4aは、外周部4eと重なっていることが好ましい。
図13Bは、流動樹脂を吐出するノズルを、図13Aに示すツールパス4に沿って移動させることによって形成された線状樹脂2bによって構成された単層構造体2を示す。単層構造体2を構成する線状樹脂2bは、単層構造体2の外周部2eに設けられた折り返し点2fにおいて折り返されて、外周部2eよりも単層構造体2の内側に配置された折り返し部2dを備える。折り返し部2dは、線状樹脂2bの端部2aと折り返し点2fの間の部位である。
このような構成によれば、単層構造体2の端部2aが造形物5の外面に露出されないので、単層構造体2の端部2aからの層間剥離の発生が抑制される。端部2aは、外周部2eに溶着されていることが好ましい。この場合、端部2aの強度が一層高くなり、造形物5の層間剥離が一層抑制される。
なお、折り返し部2d,4dを設ける構造は、造形物5を構成する複数の単層構造体2のうちの少なくとも1つに設ければよいが、端部2a,4aが外周部2e,4eに設けられている全ての層において、折り返し部2d,4dを設けることが好ましい。
11.その他実施形態
上記実施形態では、ベース構造がジャイロイド構造である場合を例に挙げて説明を進めたが、ベース構造がジャイロイド構造以外の複雑な形状を有する構造であっても、比較的短い時間で精度良く造形部を造形することができるという効果が奏されるので、本発明の適用対象は、ジャイロイド構造に限定されない。ベース構造としては、ジャイロイド構造、シュワルツP構造、シュワルツD構造、ダブルジャイロイド構造、fddd構造のような3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造や、キュービック構造、オクテット構造、キュービックオクテット構造などが挙げられる。ベース構造が3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造の場合には、上下層間のツールパスの形状変化が特に大きい部位が存在するので、本発明を適用する技術的意義が顕著である。
上記実施形態では、ベース構造がジャイロイド構造である場合を例に挙げて説明を進めたが、ベース構造がジャイロイド構造以外の複雑な形状を有する構造であっても、比較的短い時間で精度良く造形部を造形することができるという効果が奏されるので、本発明の適用対象は、ジャイロイド構造に限定されない。ベース構造としては、ジャイロイド構造、シュワルツP構造、シュワルツD構造、ダブルジャイロイド構造、fddd構造のような3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造や、キュービック構造、オクテット構造、キュービックオクテット構造などが挙げられる。ベース構造が3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造の場合には、上下層間のツールパスの形状変化が特に大きい部位が存在するので、本発明を適用する技術的意義が顕著である。
なお、「10.ツールパスの改変」で述べた内容は、任意の構造の造形物を形成するための造形データに含まれるツールパス4にも適用可能である。従って、「10.ツールパスの改変」で述べた内容について、造形物の構造は特に限定されない。
1:ジャイロイド構造、2:単層構造体、2a:端部、2b:線状樹脂、2c:結合部、2d:折り返し部、2e:外周部、2f:折り返し点、2x:X方向蛇行部、2y:Y方向蛇行部、4:ツールパス、4a:端部、4d:折り返し部、4e:外周部、4f:折り返し点、4x:X方向蛇行部、4y:Y方向蛇行部、5:造形物、201:単層構造体、202:単層構造体、203:単層構造体、302:積層構造体、303:積層構造体
Claims (9)
- ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて作成された造形物であって、
前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、造形物。 - 請求項1に記載の造形物であって、
前記ベース構造は、3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造である、造形物。 - 造形物の製造方法であって、
ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択して作成された造形データを用いて積層造形を行う工程を備え、
前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、方法。 - 造形データの作成方法であって、
ベース構造を所定の造形ピッチでスライスして得られる複数の単層構造体のそれぞれを形成するためのツールパスを含む元データから、前記ツールパスの一部を選択する工程を備え、
前記選択は、前記元データでの上下層間のツールパスの形状変化が大きい部位ほど、前記元データでの層間の間隔が小さくなるように行われる、方法。 - 請求項3又は請求項4に記載の方法であって、
前記ベース構造は、3次元の周期極小曲面に厚みを設けた構造である、方法。 - 複数の単層構造体が積層された構成された造形物であって、
前記複数の単層構造体は、それぞれ、線状樹脂が賦形されて構成され、
前記複数の単層構造体の少なくとも1つにおいて、前記線状樹脂は、前記単層構造体の外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、前記外周部よりも前記単層構造体の内側に配置された折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記線状樹脂の端部と前記折り返し点の間の部位である、造形物。 - 請求項6に記載の造形物であって、
前記端部は、前記外周部に溶着されている、造形物。 - 複数の単層構造体が積層された構成された造形物の製造方法であって、
前記単層構造体は、流動樹脂を吐出するノズルをツールパスに沿って移動させることによって形成された線状樹脂によって構成され、
前記複数の単層構造体の少なくとも1つにおいて、前記ツールパスは、前記ツールパスの外周部に設けられた折り返し点において折り返されて、前記外周部より前記ツールパスの内側に配置された折り返し部を備え、前記折り返し部は、前記ツールパスの端部と前記折り返し点の間の部位である、方法。 - 請求項8に記載の方法であって、
前記端部は、前記外周部に重なっている、方法。
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- 2023-02-17 WO PCT/JP2023/005803 patent/WO2023162890A1/ja unknown
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