(57)【要約】【課題】樹脂表面形状修正方法及び３次元プリンタ装置に関し、熱溶解積層方式による造形物の表面の凹凸を、造形後に研磨滓等を発生することなく低コストで緩和する。【解決手段】熱溶解積層方式により基板上に堆積させた紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に、前記基板の法線方向に対して傾斜した方向から赤外線を照射することにより、前記造形物の表面の縞状の凹凸形状の段差を緩和する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱溶解積層方式により基板上に堆積させた紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に、前記基板の法線方向に対して傾斜した方向から赤外線を照射することにより、前記造形物の表面の縞状の凹凸形状の段差を緩和する樹脂表面形状修正方法。
【請求項２】
前記赤外線の前記基板の法線方向に対する角度が３０°〜７０°である請求項１に記載の樹脂表面形状修正方法。
【請求項３】
前記赤外線を照射する工程において、熱溶解積層方式の３次元プリンタ装置の堆積室内において、前記造形物の堆積後１分以内に前記赤外線の照射を行う請求項１または請求項２に記載の樹脂表面形状修正方法。
【請求項４】
前記赤外線を照射する工程において、前記造形物を堆積する際のプログラムの位置情報を用いて前記赤外線を前記造形物に対して相対的に走査しながら照射する請求項３に記載の樹脂表面形状修正方法。
【請求項５】
熱溶解積層方式による造形ヘッドを備えた造形物堆積部と、
赤外線光源と、
前記赤外線光源からの赤外線を前記造形物堆積部に堆積した紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に照射する光ファイバと、
前記造形物堆積部内の雰囲気を制御する環境制御部と、
前記赤外線の照射条件を制御する赤外線照射制御部と
を有する３次元プリンタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂表面形状修正方法及び３次元プリンタ装置に関し、例えば、熱溶解積層（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）方式の３Ｄプリンタで作製した造形体の表面形状を簡易に修正する表面形状修正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱溶解積層（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）方式の３Ｄプリンタで作製した造形体は、縞状の突起を生じる。ＦＤＭ方式おいては、熱可塑性樹脂スプールを造形ヘッド内のプーリーで押出し、その先のヒータで熱可塑性樹脂を溶解しながら細く絞り込んだ紐状にする。押出された細長い紐状の熱可塑性樹脂を造形テーブルに押しつけながら冷却させることにより積層する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、ＦＤＭ法による積層工程の説明図である。造形テーブル６１に対して造形ヘッド６２から溶融した紐状の熱可塑性樹脂６３を押出して、紐状の熱可塑性樹脂紐６４を堆積し、この工程を造形テーブル６１或いは造形ヘッド６２を移動させながら所定の回数繰り返すことによって、所望の形状の造形物を形成している。
【０００４】
そのため、熱可塑性樹脂紐６４の間が融着する際に縞模様の凹凸となる。これが成型物表面に塗料などを塗布する際に問題となる。特に、成型物により配線ボード母体を形成し、その表面に電気配線を形成した際に断線などの不良の原因となる。
【０００５】
また、凹凸や寸法精度の問題以外に、造形物に触れた場合に「ざらざら感」があり、品質感が劣るという問題もある。この「ざらざら感」は、造形材料や面によっても異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−０３７００７号公報
【特許文献６】特開２０１３−１４３１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この様な問題を解決するためには、製造プロセス条件による改善が考えられるが、改善には限界があるという問題がある。即ち、ＦＤＭ方式の場合には、熱可塑性樹脂の材質により収縮率・線膨張率・溶解温度などの諸条件が異なり、且つ、型枠を使用しないために造形する形状により各条件の変更を必要としている。したがって、所望の造形を得るためには、多くのノウハウと諸条件に関するデータが必要になるが、これらの多くのノウハウや諸条件をどのように修正するかは非常に困難である。
【０００８】
或いは、造形後に研磨や塗装によって、表面の凹凸を修正することは樹脂の材質や造形物の形状によってはある程度可能である。しかし、修正作業には手間がかかるためコストアップの原因となる。また、研磨により表面を滑らかにした場合には、研磨滓が発生するという問題もある。
【０００９】
本発明は、造形後に研磨滓等を発生することなく低コストで、熱溶解積層方式による造形物の表面の凹凸を緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一つの態様では、樹脂表面形状修正方法は、熱溶解積層方式により基板上に堆積させた紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に、前記基板の法線方向に対して傾斜した方向から赤外線を照射することにより、前記造形物の表面の縞状の凹凸形状の段差を緩和する。
【００１１】
他の態様では、３次元プリンタ装置は、熱溶解積層方式による造形ヘッドを備えた造形物堆積部と、赤外線光源と、前記赤外線光源からの赤外線を前記造形物堆積部に堆積した紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に照射する光ファイバと、前記造形物堆積部内の雰囲気を制御する環境制御部と、前記赤外線の照射条件を制御する赤外線照射制御部とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
一つの側面として、熱溶解積層方式による造形物の表面の凹凸を、造形後に研磨滓等を発生することなく低コストで、緩和することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態の樹脂表面形状修正方法における赤外線照射状態を示す説明図である。
【図２】斜め照射効果の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の樹脂表面形状修正方法における赤外線照射工程の概念的説明図である。
【図４】照射角φ＝３０°の場合の樹脂表面形状改善効果の説明図である。
【図５】照射角φ＝３０°とした場合の段差緩和効果の照射時間依存性の説明図である。
【図６】本発明の実施例２の樹脂表面形状修正方法に用いる樹脂表面形状修正機構付き３次元プリンタ装置の概念的構成図である。
【図７】ＦＤＭ法による積層工程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の樹脂表面形状修正方法を説明する。図１は、本発明の実施の形態の樹脂表面形状修正方法における赤外線照射状態を示す説明図である。熱溶解積層方式により基板１上に堆積させた紐状の熱可塑性樹脂２の集合体である造形物３の表面に、基板１の法線方向に対して角度θ傾斜した方向から赤外線４を照射することにより、造形物３の表面の縞状の凹凸形状の段差を緩和する。
【００１５】
縞状の凹凸形状の突起部頂点付近（凹凸の凸部に当るところ）が他の部位よりも局所的に昇温して一時的に融解して尖った形状が丸まって高さが減じられ、また鋭角的な表面形状がなだらかになる。従って、造形後に形成する表面上の塗布膜等の膜厚の均一性が向上し、塗布パタンの欠損等の不良を減少させる効果がある。
【００１６】
図２は、斜め照射効果の説明図であり、赤外線４を斜めから照射すると、造形物３の凹凸の尖った先端に熱が偏り、他の表面部に比べ先に加熱され融点を越えて昇温して溶融し、表面張力により先端の断面形状が丸くなり、その結果高低差が小さくなる。
【００１７】
この場合の赤外線４の基板の法線方向に対する角度θは、赤外線４の照射による基板全体の昇温を遅らせるために、３０°〜７０°の範囲であることが望ましく、この範囲を超えると凹凸形状の段差の緩和の効果が低減する。即ち、角度θが３０°未満であると照射効率は高くなるが全体が昇温して段差緩和の効果が低減し、角度θが７０℃を超えると照射効率が大幅に低減する。
【００１８】
赤外線光源として管状の赤外線ランプを用いて線状赤外線を放射しても良いし、赤外線半導体レーザを用いたスポット状赤外線でも良い。
【００１９】
熱可塑性樹脂は堆積後数秒で室温になるので、赤外線４を照射する工程において、熱溶解積層方式の３次元プリンタ装置の堆積室内において、造形物３の堆積後１分以内に行うことが望ましく、スループットを向上することができる。
【００２０】
また、３次元プリンタ装置の堆積室内において赤外線４の照射を行う場合には、造形物３を堆積する際のプログラムの位置情報を用いて赤外線４を造形物３に対して相対的に走査しながら照射することが望ましく、精度良く凹凸形状の緩和が可能になる。
【００２１】
赤外線４の照射は、大気中でも良いが、樹脂の反応変質を回避するためには酸化の起こらない減圧雰囲気或いは窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気のいずれかにおいて行うことが望ましい。また、赤外線４の照射後に空気や不活性ガスを吹き付けて造形物３を急冷しても良い。
【００２２】
熱可塑性樹脂としては、アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ樹脂）、ポリアミド樹脂（ＰＡ樹脂）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ樹脂）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ樹脂）、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂（ＰＳ樹脂）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などのポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、フッ素樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、液晶ポリマー、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの芳香族ポリエーテルケトン樹脂などを用いることができる。
【００２３】
３次元プリンタ装置としては、通常の熱溶解積層方式の３次元プリンタ装置に樹脂表面形状修正機構を設ければ良い。即ち、熱溶解積層方式による造形ヘッドを備えた造形物堆積部に、赤外線光源と、赤外線光源からの赤外線を造形物堆積部に堆積した紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に照射する光ファイバと、造形物堆積室内の雰囲気を制御する環境制御部と、赤外線の照射条件を制御する赤外線照射制御部とを加えれば良い。  
【００２４】
この場合、赤外線照射制御部に、造形物を堆積する際のプログラムの位置情報を用いて赤外線の照射位置を制御する機能を持たせることが望ましく、短時間で精度良く凹凸形状を緩和することが可能になる。
【００２５】
また、光ファイバは、造形ヘッドに固定しても良く、造形物を堆積する際の走査動作と同じ動作を造形ヘッドにさせることによって、所望の位置に赤外線を照射することが可能になる。赤外線光源としては、赤外線半導体レーザ、特に、１０Ｗ以上の大出力の赤外線半導体レーザが望ましく、短時間で溶融することが可能になる。
【００２６】
本発明の実施の形態においては、紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に、基板の法線方向に対して傾斜した方向から赤外線を照射するだけであるので、研磨滓を発生することなく、短時間で縞状の凹凸形状の段差を効率的に緩和することが可能になる。
【実施例１】
【００２７】
次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の樹脂表面形状修正方法を説明する。図３は、本発明の実施例１の樹脂表面形状修正方法における赤外線照射工程の概念的説明図であり、ここでは、ＦＤＭ方式により既に作成した平板状の造形物に赤外線を照射する。図３に示すように、基板２１上に形成したＡＢＳ樹脂による厚さが２ｍｍの平板状造形物２２を傾斜させた状態で、赤外線２６を照射する。赤外線光源としては長さが２０ｃｍ程度で１ｋＷの出力のハロゲンランプ２３を用い、背面に反射板２４を設けるとともに、赤外線２６の出射方向に反射型レギュレータ２５を設けて赤外線２６を擬似平行化する。この場合の赤外線２６のピーク波長は約１μｍである。
【００２８】
ここでは、照射角φを１５°、３０°及び９０°とし、窒素雰囲気下において照射時間を１秒〜４秒とし、照射後空冷した。φ＝１５°の場合の照射効率は２６％であり、凹凸は８５％〜９５％に低減しており、５％〜１５％の段差緩和効果が見られた。φ＝３０°の場合の照射効率は５０％であり、凹凸は７５％に低減しており、２５％の段差緩和効果が見られた。一方、φ＝９０°の場合の照射効率は１００％であるが、凹凸は９５％〜１００％に低減しており、５％以下の段差緩和効果しか見られなかった。
【００２９】
図４は、照射角φ＝３０°の場合の樹脂表面形状改善効果の説明図である。図４（ａ）は赤外線照射前の樹脂表面の凹凸形状の測定結果であり、この場合には６０μｍ程度の高低差が見られた。図４（ｂ）は赤外線照射後の樹脂表面の凹凸形状の測定結果であり、この場合には４５μｍ程度の高低差が見られた。したがって、凹凸は４５μｍ／６０μｍ＝７５％に低減していることが判る。
【００３０】
図５は、照射角φ＝３０°とした場合の段差緩和効果の照射時間依存性の説明図であり、この場合の各条件は図４の場合と同様であるが、照射後３秒以内に窒素ガスを吹き付けて造形物を冷却した。
【００３１】
ここで、照射時間を０．５秒、１秒、２秒及び４秒とした。照射時間が０．５秒の場合には、照射後の凹凸の平均高低差は２２．５μｍとなり、８７％に低減していた。照射時間が１秒の場合には、照射後の凹凸の平均高低差は１９．０μｍとなり、７３％に低減していた。照射時間が２秒の場合には、照射後の凹凸の平均高低差は１６．５μｍとなり、６４％に低減していた。照射時間が４秒の場合には、照射後の凹凸の平均高低差は１４．６μｍとなり、５６％に低減していた。
【００３２】
図５（ａ）は赤外線照射前の樹脂表面の凹凸形状の測定結果であり、この場合には２５．９μｍ程度の高低差が見られた。図５（ｂ）は赤外線を１秒照射した後の樹脂表面の凹凸形状の測定結果であり、１９．０μｍの高低差が見られた。この結果を評価すると、照射角φは２０°〜６０°（基板の法線に対する傾斜角θとしては、３０°〜７０°）の範囲が好適であり、照射時間としては１秒以上が好適である。
【実施例２】
【００３３】
次に、図６を参照して本発明の実施例２の樹脂表面形状修正方法を説明する。図６は、本発明の実施例２の樹脂表面形状修正方法に用いる樹脂表面形状修正機構付き３次元プリンタ装置の概念的構成図である。図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は赤外線照射時の側面図である。
【００３４】
樹脂表面形状修正機構付き３次元プリンタ装置は、堆積室４１内に設けたｚステージ４２に回転自在の造形台座４３を載置するとともに、ノズル４５を備えた造形ヘッド４４を天井側に設ける。造形ヘッド４４は、摺動自在にｘ方向レール４６に係合した支持シャフト４７及び摺動自在にｙ方向レール４８に係合した支持シャフト４９に結合している。造形ヘッド４４には光ファイバ固定部材５０が固着されており、この光ファイバ固定部材５０に光ファイバ５１を固定する。この光ファイバ固定部材５０は円弧状になっており、光ファイバ５１を固定する位置により赤外線５６の照射角φを調整する。
【００３５】
光ファイバ５１は赤外線光源５２に光学的に結合しており、ここでは、赤外線光源５２として、中心波長が９１５ｎｍで、６０Ｗの出力の赤外線半導体レーザを用いる。造形ヘッド４４、ｚステージ４２及び造形台座４３は、コントローラ５３を介して造形制御部５４により動作が制御されて造形物５５を作製する。この時、造形制御部５４に赤外線照射制御機能を持たせておく。また、コントローラ５３は、赤外線光源５２による赤外線照射タイミングを制御する。
【００３６】
また、堆積室５１には照射環境制御部５７が設けられて、減圧や、不活性ガスの供給をバルブ操作等により行い、造形時或いは赤外線照射時の堆積室５１内の雰囲気を制御する。
【００３７】
赤外線５６を照射する場合には、赤外線５６を熱可塑性樹脂紐の堆積後数秒以内に造形物５５に対して相対的に走査しながら照射する。この場合、造形物５５を堆積する際の造形制御部５４に格納したプログラムの位置情報を用いて造形ヘッド４４、ｚステージ４２及び造形台座４３の位置を制御して赤外線５６を所望の位置に照射する。
【００３８】
本発明の実施例２においては、堆積室内において、造形物を形成した直後に造形時の位置情報を利用して赤外線を照射して樹脂表面の凹凸の段差を緩和しているので、短時間で精度良く凹凸の段差を緩和することが可能になる。
【００３９】
ここで、実施例１及び実施例２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）熱溶解積層方式により基板上に堆積させた紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に、前記基板の法線方向に対して傾斜した方向から赤外線を照射することにより、前記造形物の表面の縞状の凹凸形状の段差を緩和する樹脂表面形状修正方法。
（付記２）前記赤外線の前記基板の法線方向に対する角度が３０°〜７０°である付記１に記載の樹脂表面形状修正方法。
（付記３）前記赤外線が、管状の赤外線ランプからの線状赤外線である付記１または付記２に記載の樹脂表面形状修正方法。
（付記４）
前記赤外線を照射する工程において、熱溶解積層方式の３次元プリンタ装置の堆積室内において、前記造形物の堆積後１分以内に前記赤外線の照射を行う付記１乃至付記３のいずれか１に記載の樹脂表面形状修正方法。
（付記５）前記赤外線を照射する工程において、前記造形物を堆積する際のプログラムの位置情報を用いて前記赤外線を前記造形物に対して相対的に走査しながら照射する付記４に記載の樹脂表面形状修正方法。
（付記６）前記赤外線の照射を、減圧雰囲気或いは不活性ガス雰囲気のいずれかにおいて行う付記１乃至付記３のいずれか１に記載の樹脂表面形状修正方法。
（付記７）熱溶解積層方式による造形ヘッドを備えた造形物堆積部と、赤外線光源と、前記赤外線光源からの赤外線を前記造形物堆積部に堆積した紐状の熱可塑性樹脂の集合体である造形物の表面に照射する光ファイバと、前記造形物堆積部内の雰囲気を制御する環境制御部と、前記赤外線の照射条件を制御する赤外線照射制御部とを有する３次元プリンタ装置。
（付記８）前記赤外線照射制御部が、前記造形物を堆積する際のプログラムの位置情報を用いて前記赤外線の照射位置を制御する機能を有する付記７に記載の３次元プリンタ装置。
（付記９）前記光ファイバが、前記造形ヘッドに固定されている付記７または付記８に記載の３次元プリンタ装置。
（付記１０）前記赤外線光源が、赤外線半導体レーザである付記７乃至付記９のいずれか１に記載の３次元プリンタ装置。
【符号の説明】
【００４０】
１  基板
２  熱可塑性樹脂
３  造形物
４  赤外線
２１  基板
２２  平板状造形物
２３  ハロゲンランプ
２４  反射板
２５  反射型レギュレータ
２６  赤外線
４１  堆積室
４２  ｚステージ
４３  造形台座
４４  造形ヘッド
４５  ノズル
４６  ｘ方向レール
４７  支持シャフト
４８  ｙ方向レール
４９  支持シャフト
５０  光ファイバ固定部材
５１  光ファイバ
５２  赤外線光源
５３  コントローラ
５４  造形制御部
５５  造形物
５６  赤外線
５７  照射環境制御部
６１  造形テーブル
６２  造形ヘッド
６３  熱可塑性樹脂
６４  熱可塑性樹脂紐
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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