(57)【要約】【課題】回収機構を必要とせず、装置の小型化を図ることができる立体造形方法及び立体造形装置を提供する。【解決手段】所望の形状の立体を形成する立体造形方法において、樹脂シート材からなるシート素材１の所定の場所１ａ、１ｂ、１ｃにシート素材１を軟化させる溶剤２を付与して所定の場所１ａ、１ｂ、１ｃを軟化させ、シート素材１の軟化部分を加圧部材３、４により変形させることにより、段差部を形成しながら所望の形状の立体を造形する。【選択図】図１
2014113758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の形状の立体を形成する立体造形方法において、
樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤を付与して所定の場所を軟化させ、該被加工物の軟化部分を変形させることにより立体を造形することを特徴とする立体造形方法。
【請求項２】
所望の形状の立体を形成する立体造形方法において、
圧延樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤を付与して所定の場所を軟化させ、該被加工物の軟化部分を変形させるとともに、該被加工物の軟化部分の少なくとも一部の収縮を規制しながら立体を造形することを特徴とする立体造形方法。
【請求項３】
請求項１又は２の立体造形方法において、
上記被加工物の軟化部分を変形させる変形量に応じて溶剤の付与量を変更することを特徴とする立体造形方法。
【請求項４】
所望の形状の立体を形成する立体造形装置において、
樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤を付与する溶剤付与手段と、
該被加工物から所望の形状の立体を形成すべく、該溶剤付与手段によって溶剤が付与された該被加工物の軟化部分を変形させる変形手段とを備えることを特徴とする立体造形装置。
【請求項５】
所望の形状の立体を形成する立体造形装置において、
圧延樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤を付与する溶剤付与手段と、
該被加工物から所望の形状の立体を形成すべく、該溶剤付与手段によって溶剤が付与された該被加工物の軟化部分を変形させる変形手段と、
該被加工物の軟化部分の収縮を部分的に規制する規制手段とを備えることを特徴とする立体造形装置。
【請求項６】
請求項４又は５の立体像形成装置において、
上記溶剤付与手段は、ノズルから溶剤を吐出する液滴吐出手段であることを特徴とする立体造形装置。
【請求項７】
請求項６の立体像形成装置において、
上記液滴吐出手段は、上記被加工物の軟化部分を変形させる変形量に応じて、ノズルから吐出する吐出滴の吐出量、もしくは前記吐出滴が被加工物へ着弾して形成される隣接する着弾位置間の間隔を変更することを特徴とする立体造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物から所望の形状の立体を造形する立体造形方法及び立体造形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、３次元形状の立体モデルを作成する立体造形方法としては、光造形法、粉末造形法、切削ＲＰ（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）法、熱溶解積層法などが知られている。光造形法は、所望する立体の断面形状に応じて光硬化性樹脂に光を照射し、該樹脂をその断面ごとに段階的に硬化させ所望の立体を形成する。粉末造形法は、粉末材料を層状に敷き詰め、高出力のレーザービームなどで直接焼結したり、インクジェット方式でバインダを添加して硬化させたりしながら層形成を繰り返し、粉末材料の結合体として所望の立体を形成する。切削ＲＰ法では、発砲スチロールなどの加工が容易な被加工材を切断したり削り出したりして所望の立体を形成する（例えば、特許文献１）。熱溶解積層法は、熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることで所望の立体を形成する（例えば、特許文献２）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、光造形法においては、材料となる光硬化性樹脂を貯める槽が必要となり装置が大型化してしまう。また、粉末造形法においては、粉末材料の中に埋没している結合体（立体）を取り出すために、余分な粉末を除去する回収機構を設ける必要があり、回収機構を設けることで装置が大型化してしまう。切削ＲＰ法においても、切削加工のための稼働音が大きく、さらに発生する切粉を除去する回収機構を設ける必要があり、回収機構を設けることで装置が大型化してしまう。熱溶解積層法においては、精度を確保するために造形領域域全体を覆う高温チャンバーが必要となり装置が大型化してしまう。
【０００４】
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、回収機構を必要とせず、装置の小型化を図ることができる立体造形方法及び立体造形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、所望の形状の立体を形成する立体造形方法において、樹脂シート材からなる被加工物に該被加工物を軟化させる溶剤を付与して該被加工物を軟化させ、被加工物の軟化部分を変形させることにより立体を造形することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、回収機構を必要とせず、装置の小型化を図ることができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）〜（ｈ）は第一の実施形態に係る立体造形工程を示す説明図。
【図２】立体の一例を示す斜視図。
【図３】（ａ）（ｂ）は液滴吐出ヘッドを用いた溶剤の付与の様子を示す説明図。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は第二の実施形態に係る立体造形工程を示す説明図。
【図５】立体の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を用いた立体造形方法及び立体造形装置に適用した第一の実施形態について図面を参照して説明する。
図１（ａ）〜（ｈ）は、第一の実施形態に係る立体造形工程を示す説明図である。図１（ａ）に示すように、まず、樹脂シート材からなる被加工物たるシート素材１に対し、図示しない溶剤付与手段（液滴吐出手段）によって溶剤２を所定の場所となる付着部１ａに付着させる。溶剤２は、付着部１ａの内部に浸透し、付着部１ａを軟化させる。そして、図１（ｂ）に示すように、付着部１ａの軟化が開始してから軟化が停止する前まで、変形手段たる加圧部材３が付着部１ａの周囲を押し上げ、変形手段たる加圧部材４が付着部１ａの周囲を押し下げる。これにより、付着部１ａがシート素材１の表面と交差する方向に引き延ばされて段差部が形成される。付着部１ａ中の溶剤２は気化により減少してゆき、溶剤２が全て気化することで軟化が停止する。ここで、加圧部材３、４が当接する箇所は、付着部１ａの周囲としたが、付着部１ａを含む部分であってもよいことは言うまでもない。
【０００９】
続いて同様に、図１（ｃ）に示すように、シート素材１に対し、溶剤２を所定の場所となる付着部１ｂに付着させる。溶剤２は、付着部１ｂの内部に浸透し、付着部１ｂを軟化させる。そして、図１（ｄ）に示すように、付着部１ｂの軟化が開始してから軟化が停止する前まで、加圧部材３が付着部１ｂの周囲を押し上げ、加圧部材４が付着部１ｂの周囲を押し下げる。これにより、付着部１ｂがシート素材１の表面と交差する方向に引き延ばされて段差部が形成される。
【００１０】
続いて同様に、図１（ｅ）に示すように、シート素材１に対し、溶剤２を所定の場所となる付着部１ｃに付着させる。溶剤２は、付着部１ｃの内部に浸透し、付着部１ｃを軟化させる。そして、図１（ｆ）に示すように、付着部１ｃの軟化が開始してから軟化が停止する前まで、加圧部材３が付着部１ｃの周囲を押し上げ、加圧部材４が付着部１ｃの周囲を押し下げる。これにより、付着部１ｃがシート素材１の表面と交差する方向に引き延ばされて段差部が形成される。
【００１１】
続いて同様に、図１（ｇ）に示すように、シート素材１に対し、溶剤２を所定の場所となる付着部１ｄに付着させる。溶剤２は、付着部１ｄの内部に浸透し、付着部１ｄを軟化させる。そして、図１（ｈ）に示すように、付着部１ｄの軟化が開始してから軟化が停止する前まで、加圧部材３が付着部１ｄの周囲を押し上げ、加圧部材４が付着部１ｄの周囲を押し下げる。これにより、付着部１ｄがシート素材１の表面と交差する方向に引き延ばされて段差部が形成される。このようにして、シート素材１に複数の段差部を形成することにより、例えば、図２に示すような地図模型１’、１’’を造形することができるのである。
【００１２】
なお、図１においては、１つの段差面を形成する際に溶剤２の付着と加圧とをそれぞれ２回（図１（ｂ）と（ｄ）など）に分けて実施しているが、これに限られるものではない。例えば図２の地図模型１’を形成する際に、円弧上に溶剤２を付着させてシート素材１を軟化させた後に、円弧内を押圧して円盤状の突出面を形成してもよい。このように形成することで加工工数の低減を図ることができる。
【００１３】
また、上記溶剤２は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、液滴吐出手段たる液滴吐出ヘッド２１のノズルから吐出させるとよい。液滴吐出ヘッド２１は、所望の形状の立体に対応する三次元情報に基づき、走査手段２２によって載置台２０上の設置されているシート素材１に対して三次元方向（図中Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に走査可能に構成されている。また、液滴吐出ヘッド２１は、図３（ａ）（ｂ）の溶剤２ａ、２ｂ、２ｃに示すように、液滴の吐出量を変えたり、解像度を変えたりすることで、複雑な形状の立体を精密に造形することができる。ここで、解像度とは、吐出滴がシート素材１へ着弾して形成される隣接する着弾位置間の間隔をいう。
【００１４】
具体的にはノズルからの吐出量を変えることで、特に段差の高さを変えることができる。つまり、吐出量が多いと溶剤２によるシート素材１の軟化がより進行するために、同じ加圧力であっても変形が容易（軟化度大）となり、変形量が大きくなる。このことを利用して、例えば図３（ｂ）のように変形部における溶剤２の吐出量を外周側（図中の溶剤２ａの塗布位置）にいくほど徐々に多くなるようにして付着させ、図面中央部を上方へ加圧する。このとき、外周側の方が変形しやすくなるため、形成される立体は断面が台形上ではなく、外周側の傾斜が急なお椀状の形状に形成することができる。
【００１５】
また、吐出量を変えると、軟化度だけではなく、滴サイズにより軟化領域の幅も変更されてしまう。そのため、軟化領域の幅を変更したくない場合には、吐出の解像度を変更することで、幅をかえることなく同じ領域に異なる溶剤量を吐出して軟化度だけを変更することもできる。
【００１６】
なお、本実施形態では、狙いの立体物の三次元形状に応じて、液滴吐出ヘッド２１と加圧部材３、４が三次元方向（図中Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に走査可能な構成としている。この構成に限らず、液滴吐出ヘッド２１と加圧部材３、４が二次元方向（図中Ｘ、Ｙ方向）に走査可能であるとともに、シート素材１を載置する載置台２０が図中Ｚ方向に移動可能に構成されていてもよい。シート素材１に対して、液滴吐出ヘッド２１や加圧部材３、４が相対位置を変化させることができる構成であればよい。
【００１７】
上記シート素材１には、例えば、ポリスチレン、ポリカーボネイトなどを用いることができる。シート素材１にポリスチレンを用いる場合には、溶剤にリモネン、アセトンなどを用いることができる。シート素材１にポリカーボネイトを用いる場合には、溶剤に酢酸エチル、酢酸ブチルなどを用いることができる。
【００１８】
次に、本発明を用いた立体造形方法及び立体造形装置に適用した第二の実施形態について図面を参照して説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）は、第二の実施形態に係る立体造形工程を示す説明図である。まず、図４（ａ）に示すように、圧延樹脂シート材からなる被加工物たるシート素材１１を載置台２０に設置する。そして、シート素材１１の所定の場所となる付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃに、図示しない溶剤付与手段（液滴吐出手段）によって、溶剤１２を付着させる。溶剤１２は、付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内部に浸透し、付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃを軟化させる。付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃでは、軟化が開始されると同時に、シート製造時の圧延によりシート素材内部に残ったストレスの一部が開放されて収縮を始める。このとき、方向による収縮量の差を少なくし、造形精度を高めるにはシート素材１１は２軸圧延（延伸）材が望ましい。
【００１９】
次いで、図４（ｂ）に示すように、シート素材１１の上面に対向して、上面全体を覆うように規制部材たる保持部材１３を設置し、溶剤１２が付着していない非付着部１１ｄの下面に対向して保持部材１４、１５を設置する。付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの軟化が開始したところで、保持部材１３と保持部材１４、１５との間に非付着部１１ｄを挟持した状態のまま、保持部材１３、１４、１５を所定の距離だけ上昇させる。これにより、図４（ｃ）に示すように、非付着部１１ｄの周囲の付着部１１ａ、１１ｂの一部がシート素材１１の表面と交差する方向に引き延ばされ、付着部１１ａ、１１ｂと非付着部１１ｄとの間に段差部が形成される。同時に、付着部１１ａ、１１ｂでは、保持部材１３の表面に沿って、若しくは載置台２０の表面に沿って収縮し始める。また、付着部１１ｃも同様に軟化収縮する。そして、付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ中の溶剤１２は気化により減少してゆき、溶剤１２が全て気化することで軟化収縮が停止する。
【００２０】
図４（ｄ）に示すように、付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの軟化収縮が停止した後、保持部材１３、１４、１５をシート素材１１から離間させる。シート素材１１は、付着部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが凹部となり、非付着部１１ｂが凸部となるような形状の立体に造形される。例えば、図５に示すような立体文字１１’を造形することができる。
【００２１】
第二の実施形態においても、上記第一の実施形態と同様に、上記溶剤１２は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、液滴吐出手段たる液滴吐出ヘッド２１のノズルから吐出させるとよい。液滴吐出ヘッド２１は、所望の形状の立体に対応する三次元情報に基づき、走査手段２２によって載置台２０上の設置されているシート素材１１に対して三次元方向（図中Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に走査可能に構成されている。また、液滴吐出ヘッド２１は、図３（ａ）（ｂ）の溶剤１２ａ、１２ｂ、１２ｃに示すように、液滴の吐出量を変えたり、解像度を変えたりすることで、複雑な形状の立体を精密に造形することができる。
【００２２】
なお、本実施形態では、狙いの立体物の三次元形状に応じて液滴吐出ヘッド２１と保持部材１３、１４、１５が載置台２０とともに三次元方向（図中Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に走査可能な構成とした。この構成に限られず、液滴吐出ヘッド２１と保持部材１３、１４、１５が二次元方向（図中Ｘ、Ｙ方向）に走査可能であるとともに、シート素材１を載置する載置台２０が図中Ｚ方向に移動可能に構成されていてもよい。シート素材１１に対して、液滴吐出ヘッド２１や保持部材１３、１４、１５が相対位置を変化させることができる構成であればよい。また、本実施形態では、シート素材１１を載置する載置台２０の移動は行わなかったが、載置台２０が独立して移動可能に構成されていてもよい。その場合には、例えば、付着部１１ａの軟化が開始されたら、非付着部１１ｃを保持部材１３、１４、１５により挟持した状態のまま、載置台２０を下降させる。これにより、非付着部１１ｄの周囲の軟化状態にある付着部１１ａ、１１ｂの一部が自重により下方に引き延ばされ段差部が形成される。
【００２３】
上記シート素材（圧延樹脂シート）１１には、例えば、ポリスチレン、ポリカーボネイトなどを用いることができる。シート素材１１にポリスチレンを用いる場合には、溶剤にはリモネン、アセトンなどを用いることができる。シート素材１１にポリカーボネイトを用いる場合には、溶剤には酢酸エチル、酢酸ブチルなどを用いることができる。
【００２４】
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
所望の形状の立体を形成する立体造形方法において、シート素材１などの樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤２などの溶剤を付与して所定の場所を軟化させ、該被加工物の軟化部分を変形させることにより立体を造形する。
これによれば、上記第一の実施形態について説明したように、樹脂シート材からなる被加工物の軟化部分を変形させるだけで立体を造形する。よって、切粉や支持部材などの不要部材を除去する工程を設ける必要がなく、これら不要部材の回収機構が不要となり、装置の小型化を図ることができる。また、切削ＲＰ法のような大きな稼働音も発生しない。
（態様Ｂ）
所望の形状の立体を形成する立体造形方法において、シート素材１１などの圧延樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤１２などの溶剤を付与して所定の場所を軟化させ、該被加工物の軟化部分を変形させるとともに、該被加工物の軟化部分の少なくとも一部の収縮を部分的に規制しながら立体を造形する。
これによれば、上記第二の実施形態について説明したように、圧延樹脂シート材からなる被加工物の軟化部分を変形又は収縮を部分的に規制するだけで立体を造形する。よって、切粉や支持部材などの不要部材を除去する工程を設ける必要がなく、これら不要部材の回収機構が不要となり、装置の小型化を図ることができる。また、切削ＲＰ法のような大きな稼働音も発生しない。
（態様Ｃ）
（態様Ａ）又は（態様Ｂ）の立体造形方法において、上記被加工物の軟化部分を変形させる変形量に応じて溶剤の付与量を変更する。
これによれば、上記第１又は第２の実施形態について説明したように、溶剤の付与量を変えることで、被加工物の軟化部分の変形量を変えることができ、複雑な形状の立体を精密に造形することができる。
（態様Ｄ）
所望の形状の立体を形成する立体造形装置において、素材シート１などの樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤２などの溶剤を付与する溶剤付与手段と、該被加工物から所望の形状の立体を形成すべく、該溶剤付与手段によって溶剤が付与された該被加工物の軟化部分を変形させる加圧部材３、４などの変形手段とを備える。
これによれば、上記第一の実施形態について説明したように、樹脂シート材からなる被加工物の軟化部分を変形させるだけで立体を造形させる。よって、切粉や支持部材などの不要部材を除去する工程を設ける必要がなく、これら不要部材の回収機構が不要となり、装置の小型化を図ることができる。また、切削ＲＰ法のような大きな稼働音も発生しない。
（態様Ｅ）
所望の形状の立体を形成する立体造形装置において、素材シート１１などの圧延樹脂シート材からなる被加工物の所定の場所に該被加工物を軟化させる溶剤を付与する溶剤付与手段と、該被加工物から所望の形状の立体を形成すべく、該溶剤付与手段によって溶剤が付与された該被加工物の軟化部分を変形させる保持部材１４，１５などの変形手段と、該被加工物の軟化部分の収縮を部分的に規制する保持部材１３などの規制手段とを備える。
これによれば、上記第二の実施形態について説明したように、圧延樹脂シート材からなる被加工物の軟化部分を変形又は軟化部分の収縮を部分的に規制するだけで立体を造形する。よって、切粉や支持部材などの不要部材を除去する工程を設ける必要がなく、これら不要部材の回収機構が不要となり、装置の小型化を図ることができる。また、切削ＲＰ法のような大きな稼働音も発生しない。
（態様Ｆ）
（態様Ｄ）又は（態様Ｅ）の立体像形成装置において、上記溶剤付与手段は、ノズルから溶剤２、１２などの溶剤を吐出する液滴吐出ヘッド２１などの液滴吐出手段である。
これよれば、上記第一の実施形態及び第二の実施形態について説明したように、液滴吐出手段は、溶剤の付与量を変えることで、被加工物の軟化部分の変形量を変えることができ、複雑な形状の立体を精密に造形することができる。
（態様Ｇ）
（態様Ｆ）の立体像形成装置において、上記液滴吐出手段は、上記被加工物の軟化部分を変形させる変形量に応じて、ノズルから吐出する吐出滴の吐出量、もしくは前記吐出滴が被加工物へ着弾して形成される隣接する着弾位置間の間隔を変更する。
これによれば、上記第一の実施形態及び第二の実施形態で説明したように、液滴吐出手段は溶剤の付与量を変えることで、被加工物の軟化部分の変形量を変えることができ、複雑な形状の立体を精密に造形することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１、１１  シート素材
１’、１’’  地図模型
１１’  立体文字
２、１２  溶剤
３、４  加圧部材
１３、１４、１５  保持部材
２０  載置台
２１  液滴吐出ヘッド
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開平９−２１６２００号公報
【特許文献２】特開９−２４５５２号公報
【図１】
2014113758.tif 000003
【図２】
2014113758.tif 000004
【図３】
2014113758.tif 000005
【図４】
2014113758.tif 000006
【図５】
2014113758.tif 000007