(57)【要約】【課題】三次元物体の内部に含まれる空気を除去することができる、三次元造形方法及び三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元物体を造形する材料を造形空間に吐出する吐出手段２と、造形空間を密閉するチャンバ３と、チャンバ３内を減圧する減圧手段４と、吐出された材料を支持するテーブル５１とテーブル５１をチャンバ３内で水平方向に移動させる駆動装置５２とを備えた台座５と、を有している。【選択図】図１
2015205455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形方法において、
前記三次元物体を造形する材料を吐出する造形空間を減圧することにより、層間に残存する気体又は吐出された前記材料に含まれる気体を除去するようにした、ことを特徴とする三次元造形方法。
【請求項２】
三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置において、
前記三次元物体を造形する材料を造形空間に吐出する吐出手段と、
前記造形空間を密閉するチャンバと、
前記チャンバ内を減圧する減圧手段と、
を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項３】
吐出された前記材料を支持するテーブルと、該テーブルを前記チャンバ内で水平方向に移動させる駆動装置と、を備えた台座を有している、ことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記減圧手段は、前記チャンバ又は前記台座に接続されている、ことを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記チャンバは、前記材料を硬化させる光を透過可能な照射窓を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記吐出手段は、前記材料を収容する複数の材料タンクと、該材料タンクからそれぞれ排出される前記材料を混合するミキサと、混合された前記材料を加熱するヒータと、溶融した前記材料を前記造形空間に吐出するノズルと、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形方法及び三次元造形装置に関し、特に、透明又は半透明の三次元物体の造形に適した三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、製品開発において用いられる試作方法であるラピッドプロトタイピングの一つとして、小型化・低価格化された３Ｄプリンタが普及しつつある。ラピッドプロトタイピングには、一般に、造形対象の三次元データを薄板状にスライスして材料を積層することによって三次元物体を造形する積層造形法が使用されており、例えば、熱溶解方式、レーザ焼結方式、光造形方式、粉末積層方式等の方式が一般に知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された三次元造形装置は、光造形方式に該当するものであり、溶融した紫外線硬化樹脂をノズルから連続的又は間欠的に吐出し、紫外線を照射することにより紫外線硬化樹脂を硬化させて三次元物体を造形するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１９６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載されたような従来の三次元造形装置は、一般に、試作品を象った三次元物体を迅速に造形するための装置であることから、三次元物体の形状（フォルム）が再現されていれば十分であった。一方、近年、３Ｄプリンタが普及するにつれて、透明又は半透明な三次元物体を造形したいというニーズも出始めている。
【０００６】
しかしながら、従来の積層造形法では、材料として比較的粘性の高い樹脂を使用していることから、樹脂内に気泡が混入した場合に抜け難い。また、従来の積層造形法では、硬化した樹脂の表面に次の層を形成する樹脂が吐出されることから、層間に気泡が残りやすい。したがって、透明又は半透明の三次元物体を造形した場合に、内部に気泡が残ってしまい、美観を損なってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものであり、三次元物体の内部に含まれる気体を除去することができる、三次元造形方法及び三次元造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形方法において、前記三次元物体を造形する材料を吐出する造形空間を減圧することにより、層間に残存する気体又は吐出された前記材料に含まれる気体を除去するようにした、ことを特徴とする三次元造形方法が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置において、前記三次元物体を造形する材料を造形空間に吐出する吐出手段と、前記造形空間を密閉するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する減圧手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装置が提供される。
【００１０】
前記三次元造形装置は、吐出された前記材料を支持するテーブルと、該テーブルを前記チャンバ内で水平方向に移動させる駆動装置と、を備えた台座を有していてもよい。また、前記減圧手段は、前記チャンバ又は前記台座に接続されていてもよい。また、前記チャンバは、前記材料を硬化させる光を透過可能な照射窓を有していてもよい。
【００１１】
また、前記吐出手段は、前記材料を収容する複数の材料タンクと、該材料タンクからそれぞれ排出される前記材料を混合するミキサと、混合された前記材料を加熱するヒータと、溶融した前記材料を前記造形空間に吐出するノズルと、を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る三次元造形方法及び三次元造形装置によれば、三次元物体を形成する材料を吐出する造形空間内を減圧するようにしたことから、層間に残存する気泡や吐出された材料に含まれる気泡を除去することができ、三次元物体の内部に含まれる気体を除去することができる。したがって、透明や半透明の三次元物体を造形した場合であっても、内部に残存する気泡を低減することができ、三次元物体の美観を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は吐出された材料の概念図、を示している。
【図２】材料の吐出方法を示す説明図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は吐出手段の概略構成図、を示している。
【図３】本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。
【図４】本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は第四実施形態、（ｂ）は第五実施形態、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は吐出された材料の概念図、を示している。図２は、材料の吐出方法を示す説明図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は吐出手段の概略構成図、を示している。
【００１５】
本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置１は、図１（ａ）に示したように、三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置であって、三次元物体を造形する材料を造形空間に吐出する吐出手段２と、造形空間を密閉するチャンバ３と、チャンバ３内を減圧する減圧手段４と、吐出された材料を支持するテーブル５１とテーブル５１をチャンバ３内で水平方向に移動させる駆動装置５２とを備えた台座５と、を有している。
【００１６】
三次元造形装置１には、例えば、熱溶解方式、レーザ焼結方式、光造形方式、粉末積層方式等の方式が一般に知られている。本実施形態に係る三次元造形装置１は、いずれの方式にも適用することができるが、本実施形態では、一例として熱溶解方式の場合について説明する。
【００１７】
例えば、熱溶解方式の吐出手段２は、図２（ａ）に示したように、材料を収容する複数の材料タンク２１ａ〜２１ｄと、材料タンク２１ａ〜２１ｄからそれぞれ排出される材料を混合するミキサ２２と、混合された材料を加熱するヒータ２３と、溶融した材料を造形空間に吐出するノズル２４と、を備えている。なお、材料タンク２１ａ〜２１ｄのそれぞれにヒータを配置して溶融した材料をミキサ２２内で混合するようにしてもよい。
【００１８】
材料タンク２１ａ〜２１ｄは、三次元物体を形成するための樹脂や塗料等の材料が収容される。樹脂としては、例えば、ＡＢＳやポリスチレン等の汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック等の熱可塑性樹脂が使用される。例えば、材料タンク２１ａにはシアン（Ｃｙａｎ）の塗料、材料タンク２１ｂにはマゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）の塗料、材料タンク２１ｃはイエロー（Ｙｅｌｌｏｗ）の塗料、材料タンク２１ｄには透明（Ｃｌｅａｒ）の樹脂、が収容される。また、材料タンク２１ａ〜２１ｄに収容される材料は、固体状（粉末状又は粒状）とすることが好ましい。なお、図示しないが、その他の添加剤や接着剤等を収容する材料タンクを有していてもよい。
【００１９】
材料タンク２１ａ〜２１ｄに収容された材料は、図示しない制御装置により、配分が決定され、必要な分量だけミキサ２２に排出される。ミキサ２２は、例えば、図２（ｂ）に示したように、排出された材料を受けるホッパ２２ａと、供給された材料を混合しながら送り出すスクリューフィーダ２２ｂと、混合された材料を一時的に貯留して加熱溶融する溶融タンク２２ｃと、を有している。
【００２０】
ホッパ２２ａの上部は開放されており、材料タンク２１ａ〜２１ｄから排出された材料の受け部を構成している。スクリューフィーダ２２ｂは、回転翼を有するスクリュー２２ｄと、スクリュー２２ｄを回転させるモータ２２ｅと、を有している。ヒータ２３は、例えば、溶融タンク２２ｃに配置される。そして、溶融タンク２２ｃ内で溶融された材料は、最終的にノズル２４から造形空間に放出される。なお、かかるミキサ２２の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。
【００２１】
上述した吐出手段２では、ノズル２４から材料を吐出する前に、塗料と樹脂とを予混合していることから、色付きで透過率の高い樹脂を吐出することができ、色付きの半透明の三次元物体を容易に形成することができる。また、熱可塑性樹脂等の材料を固体状にして材料タンク２１ａ〜２１ｄに収容し、三次元物体の造形時に必要な分だけ排出して溶融していることから、液体状の材料を収容する場合と比較して、材料タンク２１ａ〜２１ｄ内における材料の劣化を低減することができる。
【００２２】
ノズル２４は、図１（ａ）に示したように、テーブル５１上に材料を排出する吐出口を有している。本実施形態では、積層造形法を採用しており、材料は下から上に向かって積層されることから、ノズル２４は上下方向に移動可能に構成されていることが好ましい。なお、ノズル２４に替えて台座５を上下方向に移動可能に構成してもよい。
【００２３】
チャンバ３は、台座５上の造形空間を密閉状態に囲う容器である。チャンバ３は、例えば、図示したように、台座５が設置された床面から台座５上の造形空間を覆うように配置される。チャンバ３の横幅は、台座５上のテーブル５１が水平方向に移動した際に干渉しない大きさに設定される。チャンバ３の高さは、吐出手段２のノズル２４が上下方向に移動した際に干渉しない高さに設定される。
【００２４】
また、チャンバ３の天井部には、ノズル２４に材料を供給する配管２４ａが挿通されており、チャンバ３の配管２４ａ周りは気密にシールされている。なお、チャンバ３は、台座５及び造形空間を覆うことができれば、直方体形状であってもよいし、円筒形状であってもよい。また、チャンバ３は、造形後の三次元物体を取り出すための扉部を有していてもよい。
【００２５】
減圧手段４は、例えば、チャンバ３の側面部に接続される。減圧手段４は、例えば、チャンバ３に接続される配管４１と、チャンバ３内を脱気するポンプ４２と、ポンプ４２とチャンバ３との間に配置された調整弁４３と、を有している。チャンバ３の内圧は、吐出される材料の粘度に応じて適宜設定される。例えば、チャンバ３の内圧は、１０ｋＰａ（０．１気圧）以下に設定することが好ましい。なお、減圧手段４は、チャンバ３の上部に接続されていてもよい。
【００２６】
チャンバ３内を減圧する場合には、調整弁４３を開放しポンプ４２を作動させ、所定の圧力に達した後、ポンプ４２を停止し調整弁４３を閉鎖する。なお、チャンバ３内を減圧する必要がない場合には、調整弁４３を開放することによりチャンバ３内を常圧に戻すことができる。
【００２７】
ところで、従来の三次元造形装置では一般に造形空間は大気開放されていることから、粘度の高い材料を吐出して積層した場合には、図１（ｂ）の上段に示したように、例えば、下層の材料Ｍ１と上層の材料Ｍ２との間（層間）に気泡Ａ１が残りやすい。また、吐出された材料Ｍ１，Ｍ２の内部にも気泡Ａ２が残る場合もある。したがって、透明や半透明の三次元物体を造形しようとした場合には、三次元物体の内部に気泡Ａ１，Ａ２が残存し、美観を損ねてしまうこととなる。
【００２８】
それに対して、上述した本実施形態によれば、チャンバ３内を減圧するようにしたことから、下層の材料Ｍ１と上層の材料Ｍ２との間（層間）に残存する気泡や吐出された材料Ｍ１，Ｍ２に含まれる気泡を除去することができ、図１（ｂ）の下段に示したように、三次元物体を形成する材料Ｍ１，Ｍ２内に含まれる気体（例えば、空気）を除去することができる。
【００２９】
すなわち、上述した三次元造形装置１は、三次元物体を造形する材料を吐出する造形空間を減圧することにより、層間に残存する気体又は吐出された材料に含まれる気体を除去することを特徴とする三次元造形方法を実施可能に構成されている。したがって、透明や半透明の三次元物体を造形した場合であっても、内部に残存する気体を低減することができ、三次元物体の美観を向上させることができる。
【００３０】
台座５は、吐出手段２のノズル２４から吐出される材料を支持する。台座５は、例えば、上述したテーブル５１及び駆動装置５２と、これらを支持する脚部５３と、を有している。駆動装置５２は、例えば、テーブル５１を支持するとともにＸ方向に配置されたボールネジと、テーブル５１及びＸ方向のボールネジを含むユニットを支持するとともにＹ方向に配置されたボールネジと、により構成される。すなわち、テーブル５１及び駆動装置５２は、いわゆるＸＹテーブル又はＸＹステージであり、図示した構成に限定されるものではない。
【００３１】
三次元物体を形成するためには、所定の形状を描画するように吐出手段２のノズル２４から材料を吐出する必要があるところ、台座５のテーブル５１を水平方向に移動させるようにしたことから、吐出手段２（ノズル２４）を水平方向に移動させる必要がなく、チャンバ３と吐出手段２との干渉を抑制することができる。なお、テーブル５１を固定式に変更し、チャンバ３内でノズル２４を水平方向に移動させるようにしてもよい。
【００３２】
また、三次元物体を形成するためには、材料を積層していく必要があることから、材料の吐出位置を少しずつ上方にずらしていく必要がある。この上下方向の移動については、上述したように、ノズル２４を上下方向に移動させることにより、チャンバ３との干渉を抑制することができる。また、テーブル５１及び駆動装置５２は、ノズル２４と比較して重量物であることから、ノズル２４を上下方向に移動させることにより装置の簡素化及び小型化を図ることもできる。
【００３３】
次に、本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置１について、図３（ａ）〜図４（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図３は、本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。図４は、本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は第四実施形態、（ｂ）は第五実施形態、を示している。なお、上述した第一実施形態と同じ構成を有する部品については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３４】
図３（ａ）に示した第二実施形態に係る三次元造形装置１は、光造形方式を採用したものであり、溶融した紫外線硬化樹脂（材料）を吐出手段２のノズル２４から台座５のテーブル５１上に吐出し、紫外線照射装置６により紫外線を照射することによって、紫外線硬化樹脂を硬化させて三次元物体を造形するものである。
【００３５】
紫外線照射装置６の先端部は、例えば、図示したように、チャンバ３を貫通して内部に挿通され、貫通部は気密にシールされている。紫外線照射装置６の先端部に配置されたヘッド部６１は、紫外線硬化樹脂の吐出位置に応じて首振り可能に構成されていてもよい。なお、図示しないが、三次元造形装置１がレーザ焼結方式である場合も、本実施形態と実質的に同一の構成を採用することができる。
【００３６】
図３（ｂ）に示した第三実施形態に係る三次元造形装置１は、光造形方式を採用したものであり、チャンバ３が紫外線硬化樹脂（材料）を硬化させる紫外線（光）を透過可能な照射窓３１を有するものである。照射窓３１の周縁部は気密にシールされている。
【００３７】
かかる構成によれば、紫外線照射装置６のヘッド部６１をチャンバ３の外部に配置することができ、チャンバ３との干渉を考慮する必要がなく、装置の簡素化を図ることができる。なお、図示しないが、三次元造形装置１がレーザ焼結方式である場合も、本実施形態と実質的に同一の構成を採用することができる。
【００３８】
図４（ａ）に示した第四実施形態に係る三次元造形装置１は、チャンバ３を台座５に接続したものである。具体的には、テーブル５１を支持する脚部５３に接続することが好ましい。このとき、チャンバ３は、脚部５３上で移動するテーブル５１と干渉しないように配置される。
【００３９】
かかる構成により、チャンバ３を床面まで配置する必要がなく、チャンバ３の小型化を図ることができる。したがって、チャンバ３内を減圧する際に脱気する空気量を低減することができ、減圧手段４の小型化及び軽量化を図ることができるとともに、造形時間の短縮を図ることができる。
【００４０】
図４（ｂ）に示した第五実施形態に係る三次元造形装置１は、上述した第四実施形態に係る三次元造形装置１において、減圧手段４を台座５に接続したものである。具体的には、減圧手段４の配管４１の一端が、チャンバ３内に配置された台座５の脚部５３に接続されている。
【００４１】
かかる構成によれば、チャンバ３に減圧手段４を接続する必要がないことから、チャンバ３に配管４１用の開口部を形成する必要がなく、気密性を向上させることができる。また、チャンバ３と比較して剛性の高い脚部５３に配管４１を接続することにより、減圧手段４を容易に設置することができ、構造的な負荷も低減することができる。
【００４２】
本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、透明や半透明以外の三次元物体の造形にも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１   三次元造形装置
２   吐出手段
３   チャンバ
４   減圧手段
５   台座
６   紫外線照射装置
２１ａ〜２１ｄ   材料タンク
２２   ミキサ
２２ａ   ホッパ
２２ｂ   スクリューフィーダ
２２ｃ   溶融タンク
２２ｄ   スクリュー
２２ｅ   モータ
２３   ヒータ
２４   ノズル
２４ａ   配管
３１   照射窓
４１   配管
４２   ポンプ
４３   調整弁
５１   テーブル
５２   駆動装置
５３   脚部
６１   ヘッド部
【図１】
2015205455.tif 000003
【図２】
2015205455.tif 000004
【図３】
2015205455.tif 000005
【図４】
2015205455.tif 000006