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JP6453797B2 - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents
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JP6453797B2 - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

積層造形装置および積層造形方法 Download PDF

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本発明の実施形態は、積層造形装置および積層造形方法に関する。
従来、材料をステージ上またはステージ上に塗布された材料上に塗布する塗布部と、塗布された材料を硬化させる硬化処理部と、を備えた積層造形装置、が知られている。
特開2015−196268号公報
この種の積層造形装置では、例えば、多孔質状の造形物を造形可能な新規な構成が得られれば、好ましい。
実施形態の積層造形装置は、例えば、第一の塗布部と、気泡注入部と、硬化処理部と、を備える。第一の塗布部は、流動性を有した材料をステージ上またはステージ上に塗布された材料上に塗布する。気泡注入部は、布された後の材料に気泡を注入する。硬化処理部は、塗布された後の材料を硬化させる。
図1は、第1実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図である。 図2は、第1実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図1の状態よりも後の状態を示した図である。 図3は、第1実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図2の状態よりも後の状態を示した図である。 図4は、第1実施形態の積層造形装置の第一の塗布部の例示的かつ模式的な斜視図である。 図5は、第1実施形態の積層造形装置の第一の塗布部の例示的かつ模式的な断面図である。 図6は、第1実施形態の積層造形装置の気泡注入部の例示的な気泡の注入方法を説明する模式的な断面図である。 図7は、第1実施形態の積層造形装置の気泡注入部の例示的な気泡の注入方法を説明する模式的な断面図であって、図6の状態よりも後の状態を示した図である。 図8は、第1実施形態の積層造形装置の気泡注入部の例示的な気泡の注入方法を説明する模式的な断面図であって、図7の状態よりも後の状態を示した図である。 図9は、第2実施形態の積層造形装置の第一の塗布部の例示的かつ模式的な断面図である。 図10は、第2実施形態の積層造形装置の第1変形例の第一の塗布部の例示的かつ模式的な断面図である。 図11は、第3実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図である。 図12は、第3実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図11の工程の後の工程を示した図である。 図13は、第3実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図12の工程の後の工程を示した図である。 図14は、第4実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図である。 図15は、第4実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図14の工程の後の工程を示した図である。 図16は、第5実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図である。 図17は、第5実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図16の工程の後の工程を示した図である。 図18は、第5実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図17の工程の後の工程を示した図である。 図19は、第5実施形態の積層造形装置の例示的な造形方法を説明する模式的な側面図であって、図18の工程の後の工程を示した図である。
以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。
また、以下に開示される複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれる。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。なお、以下の各図では、便宜上、互いに直交するX方向、Y方向、およびZ方向の3方向が規定されている。X方向およびY方向は、水平方向であり、塗布部3(ヘッド部31)の径方向に沿っている。Z方向は、鉛直方向であり、塗布部3(ヘッド部31)の軸方向に沿っている。
<第1実施形態>
図1〜3に示されるように、積層造形装置1は、例えば、インクジェット方式の塗布機構を有した造形装置として構成され、ステージ2や、塗布部3、硬化処理部4、移動機構5,6等を備えている。塗布部3は、光硬化性の材料M(例えば、光硬化性樹脂)を、ステージ2上またはステージ2上に塗布された材料M上に塗布するヘッド部31を有する。硬化処理部4は、塗布された材料Mを硬化させることのできる光L(例えば、紫外線)を照射可能な光照射部41を有する。光照射部41とヘッド部31とは、例えば、ユニット化された状態、すなわち一体に設けられた状態で、X方向に並んでいる。光照射部41は、ヘッド部31の移動に追従して移動可能である。移動機構5,6は、ヘッド部31および光照射部41のステージ2に対するX方向、Y方向、およびZ方向の位置を移動させる。ヘッド部31および光照射部41のステージ2に対するX方向およびY方向への移動によって、X方向に沿って延びる造形物10の断面形状がY方向に沿って拡張され、造形物10の層10aが造形される。また、ヘッド部31および光照射部41のステージ2に対するZ方向への移動によって、層10aに積み重ねられるように別の層10aが拡張され、ひいては造形物10が造形される。なお、本実施形態では、積層造形装置1がインクジェット方式で構成された場合が例示されるが、これには限定されず、それ以外の積層造形の方式で構成されてもよい。塗布部3は、第一の塗布部の一例である。また、光L1は、エネルギ線の一例である。
ヘッド部31は、例えば、Z方向に沿って延びるとともにステージ2に近づくにつれて徐々に先細りとなる筒状に構成されている。図5,6に示されるように、ヘッド部31には、導入口31aと、吐出口31bと、流路31cと、が設けられている。導入口31aは、ヘッド部31のステージ2とは反対側の端部に位置されている。導入口31aには、不図示の材料供給部から液体状の流動性を有した材料Mが供給される。
吐出口31bは、ヘッド部31のステージ2側の端部、すなわち導入口31aとは反対側の端部に位置されている。吐出口31bは、流路31cを介して、導入口31aと接続されている。本実施形態では、例えば、吐出口31bよりも上流側に設けられ圧電材料等によって構成されたチャネル壁を有したアクチュエータ(不図示)に電圧を印加し、当該チャネル壁を内圧が高まる方向に弾性変形させる等により、材料Mが吐出口31bから液滴状に噴射される(図1参照)。
図5,6に示されるように、流路31cは、導入口31aと吐出口31bとに渡っている。ここで、本実施形態では、ヘッド部31の内側に気泡注入部7が設けられている。図4にも示されるように、気泡注入部7は、Z方向に沿って延びる管状のノズル32を有する。ノズル32とヘッド部31とは、互いに同心状に配置されている。これにより、ノズル32とヘッド部31との間には、XY平面でZ方向に沿う中心軸回りに略一定の間隔を有した円環状の流路31cが形成されている。また、流路31cのXY平面に沿った断面積は、先細りのヘッド部31によって、導入口31aから吐出口31b側に向かうにつれて徐々に小さくなっている。流路31cは、第一の流路の一例である。
また、ノズル32には、導入口32aと、吐出口32bと、流路32cと、が設けられている。導入口32aは、ノズル32のステージ2(吐出口31b)とは反対側の端部に位置されている。また、導入口32aと導入口31aとは、互いに同一平面(XY平面)に沿って並んでいる。導入口32aには、例えば、不図示の気体供給部から気体が供給される。
吐出口32bは、ノズル32のステージ2(吐出口31b)側の端部、すなわち導入口32aとは反対側の端部に位置されている。吐出口32bは、流路32cを介して、導入口32aと接続されている。また、吐出口32bは、吐出口31bのステージ2とは反対側に位置され、吐出口31bとZ方向にオフセットして位置されている。図7,8に示されるように、本実施形態では、例えば、上述したアクチュエータ(不図示)に電圧を印加し、チャネル壁を内圧が高まる方向に弾性変形させる等によって、流路32cを流れる気体が吐出口32bから材料M内に押し出され、ひいては液滴状の材料Mが、気泡Bが注入された状態で吐出口31bから吐出される。このように、本実施形態によれば、気泡注入部7によって、流路31cを流れる材料Mに気泡Bを注入することができる。なお、本実施形態では、アクチュエータによって材料M内に気泡Bを注入する場合が例示されたが、これには限定されず、例えば、導入口32aと気体供給部との間に、ノズル32の内圧や気体の流量等を調整する弁部等が設けられてもよい。吐出口32bは、気泡注入口の一例である。なお、気泡Bとなるガスは、例えば、窒素ガス等の不活性ガスであるが、これには限定されない。
次に、積層造形装置1の製造方法について説明する。
図1に示されるように、まず、塗布部3により、塗布前に注入された気泡Bを内包した材料Mを、ステージ2上に塗布する。
次に、図2に示されるように、硬化処理部4によって、気泡Bを内包した材料Mを硬化させる。
そして、材料Mをステージ2上に塗布(硬化)された材料M上に再び塗布し、図3に示されるように、上記した工程を繰り返すことで、造形物10の層10aを順次積層して造形物10を造形する。
以上のように、本実施形態では、例えば、積層造形装置1は、流動性を有した材料Mをステージ2上またはステージ2上に塗布された材料M上に塗布する塗布部3(第一の塗布部)と、材料Mに気泡Bを注入する気泡注入部7と、材料Mを硬化させる硬化処理部4と、を備える。よって、本実施形態によれば、例えば、気泡注入部7によって材料Mに気泡Bを注入することができるため、多孔質状の造形物10を造形可能な積層造形装置1が比較的簡素な構成で得られやすい。また、例えば、発泡剤が含まれた材料Mを加熱することで造形物10の内部に気泡Bを形成する場合と比べて、気泡注入部7によって材料M内に直接気泡Bを注入することができるため、造形物10の空隙率や、気泡Bに関するスペック(分布、配置、形状、大きさ)等を、より容易にあるいはより精度よく調整しやすくなる場合もある。
また、本実施形態では、例えば、塗布部3は、材料Mを導入する導入口31aと、材料Mを吐出する吐出口31bと、導入口31aと吐出口31bとに渡った流路31c(第一の流路)と、が設けられたヘッド部31を有し、気泡注入部7は、流路31cを流れる材料Mに気泡Bを注入する。よって、本実施形態によれば、例えば、ヘッド部31および気泡注入部7によって、塗布される前の材料Mに気泡Bを注入することができる。よって、例えば、塗布された後の材料Mに気泡Bを注入する場合と比べて、造形の工程が減りやすくなり、ひいては造形物10の造形に要する時間がより短くなりやすい。
また、本実施形態では、例えば、気泡注入部7は、吐出口32b(気泡注入口)が設けられた管状のノズル32を有し、流路31cは、ノズル32を囲う環状の流路として構成されている。よって、本実施形態によれば、例えば、流路31cを流れる材料Mが気泡Bの周囲を覆いやすくなり、ひいては気泡Bが材料Mの中心により近い位置に含まれた状態、すなわち気泡Bが材料M中により確実に含まれた状態で、吐出されやすい。
<第2実施形態>
図9に示される実施形態の積層造形装置1Aは、上記第1実施形態の積層造形装置1と同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
ただし、本実施形態では、例えば、図9に示されるように、ノズル32に多孔質材料で構成された壁部32dが設けられている点が、上記実施形態と相違している。壁部32dは、ノズル32のステージ2(吐出口31b)側の端部に位置され、X方向およびY方向に沿って広がっている。壁部32dには、複数の孔32eが設けられている。複数の孔32eは、気泡注入部7Aの吐出口32bとして機能する。このように、本実施形態では、ノズル32に複数の孔32eが設けられているため、当該複数の孔32e、すなわち吐出口32bによって、液滴状に噴射される材料M内に複数の気泡Bを形成することができる。
<第1変形例>
上記第2実施形態および第1実施形態では、気泡注入部7,7Aがヘッド部31の内側に設けられた場合が例示されたが、これには限定されず、例えば、図10に示される第1変形例のように、気泡注入部7Bは、ノズル32の一部がヘッド部31を貫通し、少なくとも吐出口32bが通路31dに位置された状態、あるいは吐出口32bが通路31d内に臨む状態で、設けられてもよい。
<第3実施形態>
図11〜13に示される実施形態の積層造形装置1Bは、上記第1実施形態の積層造形装置1と同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
ただし、本実施形態では、例えば、図11,12に示されるように、気泡注入部7Cが塗布された後の材料Mに気泡Bを注入する点が、上記実施形態と相違している。気泡注入部7Cは、ノズル32Bを有する。ノズル32Bは、細孔としての吐出口(不図示)が設けられた尖端32gを有した針状に構成されている。ノズル32Bは、塗布部3を支持する移動機構5(図1等参照)あるいは別の移動機構により、ステージ2に対してX方向、Y方向、およびZ方向に移動可能に支持されている。少なくとも、ノズル32Bは、尖端32g(吐出口)が材料Mの内部に位置された第一の位置(図12参照)と、尖端32g(吐出口)が材料Mの外側に位置された第二の位置と、の間でZ方向に沿って移動可能に設けられている。ノズル32Bは、第一の位置(図12参照)において、材料M内に気泡Bを注入可能である。ノズル32B(図12参照)とヘッド部31(図11参照)および光照射部41(図13参照)とは、例えば、ユニット化された状態で、すなわち一体に設けられた状態で、X方向に並んでいる。ノズル32Bは、ヘッド部31および光照射部41の移動に追従して移動可能である。
次に、積層造形装置1Bの製造方法について説明する。
図11に示されるように、まず、塗布部3によって、材料Mをステージ2上に塗布する。
次に、図12に示されるように、ノズル32Bを材料M中に突き刺し、気泡注入部7Cによって、材料Mに気泡Bを注入する。この場合、気泡注入部7Cは、例えば、硬化処理部4によって材料Mが硬化される前の状態で、気泡Bを注入する。
次に、図13に示されるように、硬化処理部4によって、気泡Bが注入された状態の材料Mを硬化させる。
そして、材料Mをステージ2上に塗布(硬化)された材料M上に再び塗布し、上記した工程を繰り返すことで、造形物10の層10aを順次積層して造形物10を造形する。
以上のように、本実施形態によれば、例えば、気泡注入部7Cによって、塗布された後の材料Mに気泡Bを注入することができる。よって、例えば、塗布される前の材料Mに気泡Bを注入する場合と比べて、塗布部3と気泡注入部7Cとを別々に構成できる分、全体的な装置構成がより簡素化されやすい場合がある。また、造形物10の空隙率や、気泡Bに関するスペック(分布、配置、形状、大きさ)等を、より容易にあるいはより精度よく調整しやすい場合もある。
<第4実施形態>
図14,15に示される実施形態の積層造形装置1Cは、上記第1実施形態の積層造形装置1と同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
ただし、本実施形態では、例えば、図14に示されるように、気泡注入部7Dが塗布部9を有する点が、上記実施形態と相違している。塗布部9は、塗布された材料Mに気泡Bが含まれた中空体12を塗布する。中空体12は、例えば、気泡Bが入ったビーズ等によって構成されうる。塗布部9には、不図示の材料供給部から中空体12が供給される。塗布部9(図14参照)とヘッド部31および光照射部41(図15参照)とは、例えば、ユニット化された状態、すなわち一体に設けられた状態で、X方向に並んでいる。塗布部9は、ヘッド部31および光照射部41の移動に追従して移動可能である。なお、塗布部9は、移動機構5(図1等参照)とは別の移動機構によってステージ2に対して移動可能に設けられてもよい。塗布部9は、第二の塗布部の一例である。
次に、積層造形装置1Cの製造方法について説明する。
まず、塗布部3によって、材料Mをステージ2上に塗布する。
次に、図14に示されるように、塗布部9によって、塗布された材料M上に中空体12を塗布する。この場合、塗布部9は、X方向に沿って任意の間隔で中空体12を材料M上に塗布する。図14の例では、この工程において、材料Mは柔軟性を有しており、中空体12は、その一部が材料M中に埋まるような状態で、塗布される。
次に、図15に示されるように、塗布部3によって、中空体12を覆うようにして材料Mをステージ2上に塗布された材料M上に塗布する。
次に、硬化処理部4によって、中空体12が収容された材料Mを硬化させる。
そして、材料Mをステージ2上に塗布(硬化)された材料M上に再び塗布し、上記した工程を繰り返すことで、造形物10の層10aを順次積層して造形物10を造形する。
以上のように、本実施形態によれば、例えば、気泡注入部7Dが材料Mに気泡Bが含まれた中空体12を塗布する塗布部9(第二の塗布部)を有するため、当該塗布部9によって、多孔質状の造形物10を造形することができる。また、気泡Bがより確実に形成された状態が得られやすいとともに、気泡Bの個々の体積等のスペックを予め調整することも可能となるため、塗布部9(中空体12)によって、造形物10の空隙率や、気泡Bに関するスペック(分布、配置、形状、大きさ)等を、より一層容易にあるいはより一層精度よく調整しやすい場合がある。
<第5実施形態>
図16〜19に示される実施形態の積層造形装置1Dは、上記第1実施形態の積層造形装置1と同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
ただし、本実施形態では、例えば、図17に示されるように、積層造形装置1Dが凹部形成部8を備える点が、上記実施形態と相違している。凹部形成部8は、例えば、送風装置等によって構成されうる。凹部形成部8は、塗布された材料Mのステージ2とは反対側から風を吹きつけることにより、材料Mに凹部11を形成する。凹部11は、塗布された材料Mの表面上、すなわち造形物10の層10aの表面10b上に開放されている。凹部形成部8(図17参照)とヘッド部31(図16,19参照)および光照射部41(図18参照)とは、例えば、ユニット化された状態、すなわち一体に設けられた状態で、X方向に並んでいる。凹部形成部8は、ヘッド部31および光照射部41の移動に追従して移動可能である。
次に、積層造形装置1Dの製造方法について説明する。
図16に示されるように、まず、塗布部3によって、材料Mをステージ2上に塗布する(S1)。
次に、図17に示されるように、凹部形成部8によって、塗布された材料Mに凹部11を形成する(S2)。この場合、凹部形成部8は、X方向に沿って任意の間隔、および任意の大きさで凹部11を形成する。
次に、図18に示されるように、硬化処理部4によって、凹部11が形成された材料Mを硬化させる(S3)。
次に、材料Mをステージ2上に塗布(硬化)された材料M上に再び塗布する(S1)。この場合、塗布部3は、凹部11の底部11aと離間した状態、すなわち凹部11内に空隙B1を維持しながら凹部11を覆うように、塗布された後の材料M上に材料Mを塗布する(S4)。そして、上記した工程を繰り返すことで、造形物10の層10aを順次積層して造形物10を造形する。
以上のように、本実施形態の積層造形装置1Dの積層造形方法は、流動性を有した材料Mをステージ2上または当該ステージ2上に塗布された材料M上に塗布する第一の工程(S1)と、塗布された後の材料Mに当該材料Mの表面10b上に開放された凹部11を形成する第二の工程(S2)と、塗布された後の材料Mを硬化させる第三の工程(S3)と、を有し、第一の工程(S1)は、凹部11内に空隙B1を維持しながら凹部11を覆うように、塗布された後の材料M上に材料Mを塗布する第四の工程(S4)を含む。よって、本実施形態によれば、例えば、第四の工程(S4)によって、多孔質状の造形物10を造形することができる。また、凹部形成部8によって、造形物10の空隙率や、空隙B1に関するスペック(分布、配置、形状、大きさ)等を、より容易にあるいはより精度よく調整しやすい場合がある。
以上、本発明の実施形態を例示したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。上記実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。本発明は、上記実施形態に開示される構成以外によっても実現可能であるとともに、基本的な構成(技術的特徴)によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)を得ることが可能である。また、各構成要素のスペック(構造や、種類、方向、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等)は、適宜に変更して実施することができる。
1,1A〜1D…積層造形装置、2…ステージ、3…塗布部(第一の塗布部)、4…硬化処理部、7,7A〜7D…気泡注入部、9…塗布部(第二の塗布部)、10b…表面、11…凹部、11a…底部、12…中空体、31…ヘッド部、31a…導入口、31b…吐出口、31c…流路(第一の流路)、32…ノズル、32b…吐出口(気泡注入口)、32d…壁部、32e…孔、B…気泡、B1…空隙、M…材料。

Claims (6)

  1. 流動性を有した材料をステージ上または当該ステージ上に塗布された前記材料上に塗布する第一の塗布部と、
    布された後の前記材料に気泡を注入する気泡注入部と、
    塗布された後の前記材料を硬化させる硬化処理部と、
    を備えた、積層造形装置。
  2. 前記気泡注入部は、塗布された後の前記材料に前記気泡が含まれた中空体を塗布する第二の塗布部を有した、請求項1に記載の積層造形装置。
  3. 流動性を有した材料をステージ上または当該ステージ上に塗布された前記材料上に塗布する第一の塗布部と、
    塗布される前の前記材料に気泡を注入する気泡注入部と、
    塗布された後の前記材料を硬化させる硬化処理部と、
    を備え、
    前記第一の塗布部は、前記材料を導入する導入口と、前記材料を吐出する吐出口と、前記導入口と前記吐出口とに渡った第一の流路と、が設けられたヘッド部を有し、
    前記気泡注入部は、気泡注入口が設けられた管状のノズルを有し、
    前記第一の流路は、前記ノズルを囲う環状の流路であり、
    前記気泡注入部は、前記第一の流路を流れる前記材料に前記気泡を注入する、積層造形装置。
  4. 前記気泡注入部は、複数の孔が設けられ多孔質材料で構成された壁部を有し、
    前記気泡注入口は、前記複数の孔である、請求項3に記載の積層造形装置。
  5. 流動性を有した材料をステージ上または当該ステージ上に塗布された前記材料上に塗布する工程と、
    布された後の前記材料に気泡を注入する工程と、
    塗布された後の前記材料を硬化させる工程と、
    を有した、積層造形方法。
  6. 流動性を有した材料をステージ上に塗布する第一の工程と、
    塗布された後の前記材料に当該材料の表面上に開放された凹部を形成する第二の工程と、
    塗布された後の前記材料を硬化させる第三の工程と、
    前記凹部内に空隙を維持しながら前記凹部を覆うように、塗布された後の前記材料上に前記材料を塗布する第四の工程と、
    を有した、積層造形方法。
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