(57)【要約】  液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタおよびその動作方法を開示する。密閉成型チャンバ（８）と、粉末シリンダ（１４）と、成型シリンダ（１６）と、粉末積層機構と、密閉成型チャンバ８内に設けられ、３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に従って、ノズルを保持して密閉成型チャンバ８内で移動する３軸連動機構とを含む。ゲル状反応物質３を収容した液体供給装置１は、密閉成型チャンバ８の外部に設けられている。前記ノズルは、追従導管４を介して液体供給装置１に連通する液体ノズル１３である。ゲル状物質３と粉末１５物質が化学反応して固体沈殿を生じる現象を利用し、所望部品のデジタルモデルに従い、処理後の移動経路に従って、液体ノズル１３の選択的な移動を制御し、ゲル状反応物質３をマトリックス粉末５物質に中断させることなく噴射して化学堆積反応させ、従来の３Ｄプリンティング付加製造装置の積層方式を経て凝固させた後、最終的に部品全体の成型を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉成型チャンバ（８）と、粉末シリンダ（１４）と、成型シリンダ（１６）と、粉末積層機構と、密閉成型チャンバ（８）内に設けられ、３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に従って、ノズルを保持して密閉成型チャンバ（８）内でＸ軸、Ｙ軸、またはＺ軸方向に移動する３軸連動機構とを含む液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタであって、
ゲル状反応物質（３）を収容した液体供給装置（１）は、前記密閉成型チャンバ（８）の外部に設けられ、前記ノズルは、追従導管（４）を介して液体供給装置（１）に連通する液体ノズル（１３）であり、液体供給装置（１）は、作業中に、その中のゲル状反応物質（３）を追従導管（４）を介して液体ノズル（１３）に送液することを特徴とする液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【請求項２】
前記追従導管（４）と液体供給装置（１）との接続部に電磁弁（５）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【請求項３】
前記成型シリンダ（１６）の内部に成型ステージが設けられ、成型ステージがその底部のスクリュー機構により昇降駆動されることを特徴とする請求項１に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【請求項４】
前記成型シリンダ（１６）の右側に粉末回収シリンダ（１８）が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【請求項５】
加工対象部品の形状に基づき、その３次元デジタルモデルを作成し、ＳＴＬ形式のファイルとして保存し、スライス化ソフトを用いて３次元デジタルモデルを、各層のスライス厚が同一で、スライス中に部品の断面輪郭情報が含まれるようにスライス処理し、スライス後のファイルを移動経路計画ソフトに導入して、液体ノズル（１３）の移動経路データを取得するステップ１と、
加工対象部品の材料属性に応じて、粉末マトリックス物質と、粉末マトリックス物質と化学的沈殿反応を起こして所望の加工対象部品を生成する材料要件を満たすゲル状反応物質（３）とを配置し、電磁弁（５）によりゲル状反応物質（３）の流量を設定し、最後に液体供給装置（１）の液体供給槽内と粉末シリンダ（１４）内にゲル状反応物質（３）と粉末マトリックス物質とをそれぞれ配置するステップ２と、
３軸連動機構により液体ノズル（１３）の座標位置を調整し、予め液体ノズル（１３）のノズルを成型シリンダ（１６）の成型ステージ上に移動させ、成型ステージから１スライス分の厚みだけ離しておくステップ３と、
加工作業を開始し、３軸連動機構が３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に基づいて液体ノズル（１３）を保持してステップ１の移動経路データに従いゲル状反応物質（３）を成型ステージ上に選択的に噴射し、ゲル状反応物質（３）が粉末マトリックス物質と接触して化学反応堆積を起こし、部品の１成型層の加工を完了するステップ４と、
ステップ４が完了した後、成型ステージを１スライス分下降させ、粉末シリンダ（１４）の粉末を１スライス分上昇させ、粉末積層機構の粉末積層ブラシ（１２）による駆動で、粉末マトリックス物質を成型層の表面に新たに被着させて新たな粉末マトリックス物質層を形成し、次の層の移動経路に従って、液体ノズル（１３）からゲル状反応物質（３）を成型層表面の新たな粉末マトリックス物質層に噴射し、ゲル状反応物質（３）と新たな粉末マトリックス物質層との化学反応により生じた物質を成型層表面に堆積させて部品のさらに別の成型層の加工を完了するステップ５と、
全部品の加工が終了するまで、ステップ４〜ステップ５を繰り返すステップ６とを含み、
請求項４に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタを用いて実現されることを特徴とする液体固体化学反応堆積に基づく運転方法。
【請求項６】
ステップ２におけるゲル状反応物質（３）は、液相ゲル状反応物質であり、粉末マトリックス物質は、粉末であることを特徴とする請求項５に記載の液体固体化学反応堆積に基づく運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付加製造の分野に関し、特に、液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３Ｄプリンティングは、付加製造技術の通称であり、デジタルモデルファイルをベースに、粉末状の金属やプラスチック等の粘着性材料を用いてコンピュータに接続し、コンピュータ制御により印刷材料を一層ずつ積み重ねて積むことにより物体を構築する技術（いわゆる「積層造形法」）である。金型製造、工業設計などの分野で、モデルの製造に多く使用され、その後、一部の製品の直接製造に使用されるようになり、このような技術を用いて印刷された部品が既にある。この技術は、宝飾品、履物、工業設計、建築、工学および工事（ＡＥＣ）、自動車、航空宇宙、歯科および医療産業、教育、地理情報システム、土木工学、銃火器、ならびに他の分野において利用されている。
【０００３】
３Ｄプリンティング技術は、選択的レーザ溶融技術、選択的レーザ焼結技術、電子ビーム溶融成型技術、溶融堆積技術、デジタル光処理技術、ステレオリソグラフィ技術などを含み、継続的な発展により大きな成果を収めている。以上の３Ｄプリンティング技術は、いずれも粉末材や線材、硬化樹脂、ダイシングシート等を加熱することにより実現される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点および不備を克服し、液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタおよびその動作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の技術的解決手段によって達成される。
【０００６】
液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタは、密閉成型チャンバ８と、粉末シリンダ１４と、成型シリンダ１６と、粉末積層機構と、密閉成型チャンバ８内に設けられ、３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に従って、ノズルを保持して密閉成型チャンバ８内でＸ軸、Ｙ軸、またはＺ軸方向に移動する３軸連動機構とを含む。ゲル状反応物質３を収容した液体供給装置１は、前記密閉成型チャンバ８の外部に設けられている。前記ノズルは、追従導管４を介して液体供給装置１に連通する液体ノズル１３である。液体供給装置１は、作業中に、その中のゲル状反応物質３を追従導管４を介して液体ノズル１３に送液する。
【０００７】
前記追従導管４と液体供給装置１との接続部に電磁弁５が設けられている。
【０００８】
前記成型シリンダ１６の内部に成型ステージが設けられ、成型ステージがその底部のスクリュー機構により昇降駆動される。
【０００９】
前記成型シリンダ１６の右側に粉末回収シリンダ１８が設けられている。
【００１０】
液体固体化学反応堆積に基づく運転方法において、
加工対象部品の形状に基づき、その３次元デジタルモデルを作成し、ＳＴＬ形式のファイルとして保存し、スライス化ソフトを用いて３次元デジタルモデルを、各層のスライス厚が同一で、スライス中に部品の断面輪郭情報が含まれるようにスライス処理し、スライス後のファイルを移動経路計画ソフトに導入して、液体ノズル１３の移動経路データを取得するステップ１と、
加工対象部品の材料属性に応じて、粉末マトリックス物質と、粉末マトリックス物質と化学的沈殿反応を起こして所望の加工対象部品を生成する材料要件を満たすゲル状反応物質３とを配置し、電磁弁５によりゲル状反応物質３の流量を設定し、最後に液体供給装置１の液体供給槽内と粉末シリンダ１４内にゲル状反応物質３と粉末マトリックス物質とをそれぞれ配置するステップ２と、
３軸連動機構により液体ノズル１３の座標位置を調整し、予め液体ノズル１３のノズルを成型シリンダ１６の成型ステージ上に移動させ、成型ステージから１スライス分の厚みだけ離しておくステップ３と、
加工作業を開始し、３軸連動機構が３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に基づいて液体ノズル１３を保持してステップ１の移動経路データに従いゲル状反応物質３を成型ステージ上に選択的に噴射し、ゲル状反応物質３が粉末マトリックス物質と接触して化学反応堆積を起こし、部品の１成型層の加工を完了するステップ４と、
ステップ４が完了した後、成型ステージを１スライス分下降させ、粉末シリンダ１４の粉末を１スライス分上昇させ、粉末積層機構の粉末積層ブラシ１２による駆動で、粉末マトリックス物質を成型層の表面に新たに被着させて新たな粉末マトリックス物質層を形成し、次の層の移動経路に従って、液体ノズル１３からゲル状反応物質３を成型層表面の新たな粉末マトリックス物質層に噴射し、ゲル状反応物質３と新たな粉末マトリックス物質層との化学反応により生じた物質を成型層表面に堆積させて部品のさらに別の成型層の加工を完了するステップ５と、
全部品の加工が終了するまで、ステップ４〜ステップ５を繰り返すステップ６とを含む。
【００１１】
ステップ２におけるゲル状反応物質３は、液相ゲル状反応物質であり、粉末マトリックス物質は、粉末である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、従来技術に対して、以下の利点及び効果を有する。
【００１３】
本発明は、化学反応による沈殿作用を加工方法にうまく転換し、従来の３Ｄプリンティング付加製造装置（選択的レーザ溶融装置）のレーザシステムを、液体供給装置及びその配管に接続された液体ノズル等の関連部品に置き換えるだけで、簡単な構成で成型目的を達成することができる新規な３Ｄプリント方式を実現する。液体供給装置から噴出されたゲル状反応物質と粉末マトリックス物質との化学エネルギーによる駆動によって、全体の成型プロセスが自発的に進行し、ゲル状反応物質は、一方では化学反応による固溶沈殿物質を生成し、他方では生成した固体沈殿物質を結合する。
【００１４】
熱源や光源等を別途設ける必要がなく、従来の３Ｄプリンティング技術の特徴に加え、構成が簡単で、コストが安く、実現が容易であるという特徴を有する。
【００１５】
本発明は、ゲル状物質と粉末物質が化学反応して固体の沈殿を生じる現象を利用し、所望の部品のデジタル化モデルに従い、処理後の移動経路に従って、液体ノズルの選択的な移動を制御してゲル状反応物質とマトリックス粉末物質の化学堆積反応を中断させることなく、従来の３Ｄプリンティング付加製造装置との積層方式を経て凝固させた後、最終的に部品全体の成型を実現する。
【００１６】
本発明は、所望の部品の材質に応じて、異なる組み合わせを配置して、金属、無機非金属、及び固体有機体等の異なる材質の部品を得ることができる。
【００１７】
本発明の全成型プロセスは、２つの物質の化学エネルギーによって自発的に促進されるため、熱源、光源等の導入を必要とせず、極めて高い応用可能性及び価値を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタの構造を示す概略図である。
【図２】本発明の液体固体化学反応堆積に基づく運転方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明は、液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタを開示する。この液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタは、密閉成型チャンバ８と、粉末シリンダ１４と、成型シリンダ１６と、粉末積層機構と、密閉成型チャンバ８内に設けられ、３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に従って、ノズルを保持して密閉成型チャンバ８内でＸ軸、Ｙ軸、またはＺ軸方向に移動する３軸連動機構とを含む。本発明は、従来の選択的レーザ溶融装置との相違点が以下である。ゲル状反応物質３を収容した液体供給装置１は、前記密閉成型チャンバ８の外部に設けられている。前記ノズルは、追従導管４を介して液体供給装置１に連通する液体ノズル１３である。液体供給装置１は、作業中に、その中のゲル状反応物質３を追従導管４を介して液体ノズル１３に送液する。
【００２１】
前記追従導管４と液体供給装置１との接続部に電磁弁５が設けられている。
【００２２】
前記成型シリンダ１６の内部に成型ステージが設けられ、成型ステージがその底部のスクリュー機構により昇降駆動される。
【００２３】
前記成型シリンダ１６の右側に粉末回収シリンダ１８が設けられている。
【００２４】
本発明の液体固体化学反応堆積に基づく運転方法は、以下のステップにより実現される。
【００２５】
ステップ１において、加工対象部品の形状に基づき、その３次元（ＣＡＤ）デジタルモデルを作成し、ＳＴＬ形式のファイルとして保存し、スライス化ソフトを用いて３次元デジタルモデルを、各層のスライス厚が同一で、スライス中に部品の断面輪郭情報が含まれるようにスライス処理し、スライス後のファイルを移動経路計画ソフトに導入して、液体ノズル１３の移動経路データを取得する。
【００２６】
ステップ２において、加工対象部品の材料属性に応じて、粉末マトリックス物質と、粉末マトリックス物質と化学的沈殿反応を起こして所望の加工対象部品を生成する材料要件を満たすゲル状反応物質３（触媒）とを配置し、電磁弁５によりゲル状反応物質３の流量を設定し、最後に液体供給装置１の液体供給槽内と粉末シリンダ１４内にゲル状反応物質３と粉末マトリックス物質とをそれぞれ配置する。
【００２７】
ステップ３において、３軸連動機構により液体ノズル１３の座標位置を調整し、予め液体ノズル１３のノズルを成型シリンダ１６の成型ステージ上に移動させ、成型ステージから１スライス分の厚みだけ離しておく。
【００２８】
ステップ４において、加工作業を開始し、３軸連動機構が３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に基づいて液体ノズル１３を保持してステップ１の移動経路データに従いゲル状反応物質３を成型ステージ上に選択的に噴射し、ゲル状反応物質３が粉末マトリックス物質と接触して化学反応堆積を起こし、部品の１成型層の加工を完了する。
【００２９】
ステップ５において、ステップ４が完了した後、成型ステージを１スライス分下降させ、粉末シリンダ１４の粉末を１スライス分上昇させ、粉末積層機構の粉末積層ブラシ１２による駆動で、粉末マトリックス物質を成型層の表面に新たに被着させて新たな粉末マトリックス物質層を形成し、次の層の移動経路に従って、液体ノズル１３からゲル状反応物質３を成型層表面の新たな粉末マトリックス物質層に噴射し、ゲル状反応物質３と新たな粉末マトリックス物質層との化学反応により生じた物質を成型層表面に堆積させて部品のさらに別の成型層の加工を完了する。
【００３０】
ステップ６において、全部品の加工が終了するまで、ステップ４〜ステップ５を繰り返す。
【００３１】
ステップ２におけるゲル状反応物質３は、塩化カルシウムゲル、塩化バリウムゲル等の液相ゲル状反応物質である。粉末マトリックス物質は、炭酸ナトリウム粉末、硫酸ナトリウム粉末等の粉末である。
【００３２】
上記ステップ１における前記スライスの厚さは、部品の成型精度から０．０５〜０．３ｍｍとした。
【００３３】
上記ステップ２におけるゲル状反応物３は、粉末マトリックス物質と化学的に沈殿反応し、所望の固体材料を生成することができればよい。
【００３４】
液体ノズル１３のヘッド口径は、成型部品の精度要求から０．１〜１．０ｍｍの寸法が選択される。実用上、液体ノズル１３は、要求に応じて、異なるノズル口径を有するものとし、ノズルにガス流量を調節するバルブを設けることもできる。
【００３５】
成型ステージは、成型チャンバ内に位置し、成型部品の第１層の実体を固定するために用いられる。成型ステージは、成型シリンダ内に位置する。成型中に成型ステージが垂直運動し、液体ノズル１３が平面運動する。
【００３６】
液体ノズル１３は、１スライス厚分だけ上昇させるが、その具体的な数値は、成型に必要な０．０５〜０．３ｍｍの範囲で選定される。
【００３７】
本発明で加工される部品は、反応生成物であるゲル状反応物質３と粉末マトリックス物質の違いにより、無機非金属部品、金属部品及び有機物部品に分けられる。
【００３８】
以上のようにして、本発明を好適に実現することができる。
【００３９】
本発明の実施形態は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨や原理を逸脱しない範囲において行った変更、改良、置換、組合せ、単純化は、均等の置換であり、本発明の保護範囲に含まれる。
【００４０】
（付記）
（付記１）
密閉成型チャンバ（８）と、粉末シリンダ（１４）と、成型シリンダ（１６）と、粉末積層機構と、密閉成型チャンバ（８）内に設けられ、３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に従って、ノズルを保持して密閉成型チャンバ（８）内でＸ軸、Ｙ軸、またはＺ軸方向に移動する３軸連動機構とを含む液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタであって、
ゲル状反応物質（３）を収容した液体供給装置（１）は、前記密閉成型チャンバ（８）の外部に設けられ、前記ノズルは、追従導管（４）を介して液体供給装置（１）に連通する液体ノズル（１３）であり、液体供給装置（１）は、作業中に、その中のゲル状反応物質（３）を追従導管（４）を介して液体ノズル（１３）に送液することを特徴とする液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【００４１】
（付記２）
前記追従導管（４）と液体供給装置（１）との接続部に電磁弁（５）が設けられていることを特徴とする付記１に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【００４２】
（付記３）
前記成型シリンダ（１６）の内部に成型ステージが設けられ、成型ステージがその底部のスクリュー機構により昇降駆動されることを特徴とする付記１に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【００４３】
（付記４）
前記成型シリンダ（１６）の右側に粉末回収シリンダ（１８）が設けられていることを特徴とする付記３に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタ。
【００４４】
（付記５）
加工対象部品の形状に基づき、その３次元デジタルモデルを作成し、ＳＴＬ形式のファイルとして保存し、スライス化ソフトを用いて３次元デジタルモデルを、各層のスライス厚が同一で、スライス中に部品の断面輪郭情報が含まれるようにスライス処理し、スライス後のファイルを移動経路計画ソフトに導入して、液体ノズル（１３）の移動経路データを取得するステップ１と、
加工対象部品の材料属性に応じて、粉末マトリックス物質と、粉末マトリックス物質と化学的沈殿反応を起こして所望の加工対象部品を生成する材料要件を満たすゲル状反応物質（３）とを配置し、電磁弁（５）によりゲル状反応物質（３）の流量を設定し、最後に液体供給装置（１）の液体供給槽内と粉末シリンダ（１４）内にゲル状反応物質（３）と粉末マトリックス物質とをそれぞれ配置するステップ２と、
３軸連動機構により液体ノズル（１３）の座標位置を調整し、予め液体ノズル（１３）のノズルを成型シリンダ（１６）の成型ステージ上に移動させ、成型ステージから１スライス分の厚みだけ離しておくステップ３と、
加工作業を開始し、３軸連動機構が３Ｄプリンタ制御システムの移動経路計画に基づいて液体ノズル（１３）を保持してステップ１の移動経路データに従いゲル状反応物質（３）を成型ステージ上に選択的に噴射し、ゲル状反応物質（３）が粉末マトリックス物質と接触して化学反応堆積を起こし、部品の１成型層の加工を完了するステップ４と、
ステップ４が完了した後、成型ステージを１スライス分下降させ、粉末シリンダ（１４）の粉末を１スライス分上昇させ、粉末積層機構の粉末積層ブラシ（１２）による駆動で、粉末マトリックス物質を成型層の表面に新たに被着させて新たな粉末マトリックス物質層を形成し、次の層の移動経路に従って、液体ノズル（１３）からゲル状反応物質（３）を成型層表面の新たな粉末マトリックス物質層に噴射し、ゲル状反応物質（３）と新たな粉末マトリックス物質層との化学反応により生じた物質を成型層表面に堆積させて部品のさらに別の成型層の加工を完了するステップ５と、
全部品の加工が終了するまで、ステップ４〜ステップ５を繰り返すステップ６とを含み、
付記４に記載の液体固体化学反応堆積に基づく３Ｄプリンタを用いて実現されることを特徴とする液体固体化学反応堆積に基づく運転方法。
【００４５】
（付記６）
ステップ２におけるゲル状反応物質（３）は、液相ゲル状反応物質であり、粉末マトリックス物質は、粉末であることを特徴とする付記５に記載の液体固体化学反応堆積に基づく運転方法。
【符号の説明】
【００４６】
１  液体供給装置、２  Ｘガイド、３  ゲル状反応物質、４  追従導管、５  電磁弁、６  Ｙガイド、７  スライダ、８  密閉成型チャンバ、９  クランプロッド、１０  粉末積層ガイド、１１  Ｚガイド、１２  粉末積層ブラシ、１３  液体ノズル、１４  粉末シリンダ、１５  粉末、１６  成型シリンダ、１７  成型部品、１８  粉末回収シリンダ。
【図１】
2021511230.tif 000003
【図２】
2021511230.tif 000004
【国際調査報告】
2021511230.tif 000005
2021511230.tif 000006
2021511230.tif 000007
2021511230.tif 000008
2021511230.tif 000009
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