(57)【要約】【課題】従来、立体形状を有した製品を製作する場合は、図面等により木型、金型等の型設計を行ない、加工データにより切削加工等により製作して立体形状の型を作り出す方法が広く用いられているが、仕上がりまでにかなりの日数と種々の機材を要しており、これが製作コストを押し上げる要因となっている。【解決手段】映像装置や３次元ＣＡＤから供給された３次元形状をデータ処理により２次元断面形状情報に変換して原板を断面形状に切断し、断面形状部分を除去した後に中空原板部分を一定サイズに刳り抜いて積層して３次元型形状を作製する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状に従い切断加工された原板を積層する場合に、積層時にズレない様にする為に、原板を固定して型抜きブロック等にて原板から一定サイズのシートを刳り抜き、そのサイズに合わせたカセットに挿入・積層することを特徴とする３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項２】
原板を固定して型抜きブロック等にて原板から一定サイズに刳り抜く場合において、原板の上面に設置したバキュウム等で保持しながら刳り抜くことにより、型抜きブロック等で原板から切り離されたシートが落下して位置ズレ等を起こすのを防止することを特徴とする請求項１に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項３】
抜き取ったシートをカセット等に積層する場合において、カセット等は一部が外から接着剤等を塗布出来る様に開放されており、積層シートが接着剤等により固着出来ることを特徴とする請求項１に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項４】
原板から一定サイズに刳り抜き、抜き取ったシートが積層時にズレない様にカセット等に押し込む場合において、カセット等は積層シートの積層量に応じて上下や伸縮することにより、抜き取ったシートをカセット等に押し込む量を一定にすることを特徴とする請求項１記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項５】
２次元情報に基づいた断面形状に従いレーザ切断機等により切断する場合において、ロール形状の原板を送出装置へ装着し、原板の先端を巻き取り装置へ巻着する。切断機側の切断範囲を限定しながら、送出装置にて原板を定ピッチに送り出して、各定ピッチ毎に当該断面形状の一部を切断する。この様にして各定ピッチ毎に一部の切断の繰り返しにより、求める断面形状の切断を完成させる。この様な切断方法により切断スペースを大幅に縮小することを特徴とする請求項１記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法
【請求項６】
映像装置や３次元ＣＡＤから供給された３次元形状をデータ処理により２次元形状情報に変換した断面形状を立体的に造形するためにロール形状の原板を送出装置へ装着し、原板の先端を巻き取り装置へ巻着する。データ処理手段から供給された２次元情報に基づいた断面形状に従いレーザ切断機等により切断する手段と切断された断面形状部分を原板よりエアー等を利用して剥ぎ取る手段と断面形状が剥ぎ取られた中空の原板を型抜きブロック等にて一定サイズに刳り抜き、抜き取ったシートをシートが積層時にズレない様にカセット等に積層する手段と、抜き取り後の原板を巻き取り装置に巻き取る手段で構成され、カセット等に挿入されたシートを積層させて立体形状を作製することを特徴とする３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法
【請求項７】
送出装置から原板を送り出し、２次元情報に基づいた断面形状に従いレーザ切断機等により切断する手段と切断された断面形状部分を原板よりエアー等を利用して剥ぎ取る手段と断面形状が剥ぎ取られた中空の原板を型抜きブロック等にて一定サイズに刳り抜き、抜き取られたシートを積層時にズレない様にカセット等に積層させて立体形状を作製することを特徴とする３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項８】
断面形状部分を原板よりエアー等利用して剥ぎ取った後で、圧接ローラ等により原板に押し当て、原板の変形、板厚のバラツキ等を修正して所定の板厚、平面形状にすることを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項９】
原板を型抜きブロック等にて一定サイズに抜き取る前に、抜き取られたシートが積層時に強度を保持する様に原版に対して接着剤等を塗布する装置が設置されており、原板に接着剤等が塗布されることを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項１０】
原板を型抜きブロック等にて一定サイズに抜き取り、抜き取られたシートをカセット等に積層させる時に抜き取られたシートに接着剤等を塗布する装置が設置されており、シートに接着剤等が塗布されることを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項１１】
切り取られた断面形状部分を原板よりエアー等で剥ぎ取ることなく、原板を型抜きブロック等にて一定サイズに抜き取り、抜き取られたシートを積層時にズレない様にカセット等に積層させて立体形状を作製することによりオス、メスの３次元型を作製することを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項１２】
原板に切断線を設けたり、原板の一部に接着剤を塗布するのを阻止する手段等により、積層後の出来上がった型形状物を分離し易くすることを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項１３】
レーザ切断機等により切断し、エアー等利用して剥ぎ取る工程と原板を型抜きブロック等で一定サイズに刳り抜き、カセット等に積層する工程等のキーになる工程を機構分割して、同時並行処理出来る機構にすることで切断加工を容易にして製作時間を速くすることを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【請求項１４】
シートを積層し出来上がった型形状物の表面粗さを向上させるため、塗料噴霧等を３次元型形状物の表面に流れを作り、積層シートの段差によるエアポケット等にて塗料を沈殿さしめることにより、型形状物の段差を少なくし、表面仕上げを行うことを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法
【請求項１５】
シートを積層して出来上がった型形状物の表面粗さを向上させるため、原板に金属シートを使用することにより、型形状物をプラスやマイナスに電荷さして、その逆の電荷の塗料噴霧等を型表面に流れを作り、型形状物の表面仕上げを行うことを特徴とする請求項６及び７に記載の３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像または形状データから立体実物を作製するための３次元型形状作製装置および３次元型形状作製方法に関している。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体形状を有した製品を製作する場合は、物体の図面等により、木型、金型の設計を行ない、加工データにより切削加工等により製作して立体形状の型を作り出す方法が広く用いられていが、仕上がりまでにかなりの日数と種々の機材を要しており、これが製作コストを押し上げる要因となっている。
【０００３】
最近の造形システムを利用し立体実形状モデルを作成し金型等に転用することが考えられる。立体実形状モデルを形成する造形技術としては、光りを当てると硬化する物質を使用する光硬化造形方式、繊維樹脂を溶融させノズルから押し出しながら積層させる溶融物質の積層方式、紙を供給し、モデル断面形状にカットした後に紙を積層する紙の積層方式等が知られている。
【０００４】
【発明の解決しようとする課題】
立体実形状製品を製作するための金型、木型等の型の製作には、多くの時間と型製作費が掛かり、複雑な立体曲面を持つ製品については、精度を出すためのフェアリング加工が多くなり、莫大な費用と期間が掛かっている。また、金型や木型の設計や加工データ作成には特殊技術が必要であり、人手による入力部分も多く、インプットミスによる誤作も発生している。更に、金型作成のために中間に用いる多種・多様な機材（ＭＣ、ＮＣフライス、放電加工機等）が必要でありエネルギーや環境保安等へも悪影響を及ぼしている。
【０００５】
最近の造形技術では、例えばシートを積層して立体物を造形する技術では、積層されたシートを立体の断面形状に合わせて切断する操作を繰り返し、塗布された接着剤を熱硬化させて直方体形状を作成し、切断された輪郭の外部の不要シート部分を人手で除去することで立体実形状モデルを造形している。
【０００６】
このような造形技術では基本的には３次元ＣＡＤ等により供給され、入力された３次元形状を１個作製する装置である。また不要領域を除去するための余分なクロスハッチ切断に時間を要しているだけでなく、シートを切断し積層テーブルに積層する場合において昇降装置に移載し、積層シートがずれない様にシート同士を接着する処理に非常な時間が掛かっている。
【０００７】
接着水溶液ノズル噴射方式は、でんぷん粉末体に水を噴射し、堆積した表面から凸部分を除去し、最終的に不必要な付着粉末を手作業で吹き飛ばして立体実形状モデルを造形している。従来の造形システムでは、３次元のデータ作成装置と造形装置が一体化したものがなく、各装置のコストも高く、特に造形装置は非常に高価である。更に、大半の方式においては高価な材料費や消耗品を必要とし、造形のために長時間が必要である。
【０００８】
このように最近の造形法（光造形、粉末造形、紙積層等）を金型に転用する試みがあるが、上記の様な多く問題のみならず基本的な問題として金型として具備すべき物性値（機械的強度１２０ＭＰａ以上，１５０℃以上の耐熱性等）を満足できない等の課題がある。
【０００９】
そこで本発明においては、立体実形状製品を簡単に量産出来る様にするために、安く短時間で精度よく作製できるシートを用いた３次元型形状作製装置および３次元型形状作製方法を提供しようとするものである。またシートは強度のある金属等を使用することにより、積層して出来た３次元型形状は通常の金型としての物性値を有する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明になる３次元型形状作製装置および３次元型形状作製方法は、立体の中空の断面形状を持つシートを積層して立体の型形状を作成する方法であり、請求項１に記載のように断面形状に切断加工された中空の原板を積層する場合に於いて、原板を押さえ込んで固定して型抜きブロック等にて原板から一定サイズに刳り抜いたシートを積層する事により、従来のレーザ切断等による切断、切り抜き等に比べて極めて短時間に３次元型形状の作製を行うことが出来る。
【００１１】
また、シートを積層する場合においてシートがズレない様にする為に、原板を押さえ込んで固定して型抜きブロック等にて原板から一定サイズのシートを刳り抜き、そのサイズに合わせたカセットにシートを挿入・積層する。従来は積層テーブル等に積層する場合において昇降装置等に設置されたテーブルに移載して積層シートがずれない様にする為に加圧、加熱等によりシート同士を接着する処理方法等をとっており、これらの方法に比べ極めて短時間に３次元型形状の作製を行うことが出来る。
【００１２】
請求項２では、原板から一定サイズに刳り抜きカセットに挿入する場合において、型抜きブロック等で原板から切り離されたシートが落下して位置ズレを生じる。従来のやり方では、落下による位置ズレを防ぐために原板を前回までの積層シートに押し重ねて接着した後に断面形状の切断を行い、原板から一定サイズのシートに切り取り積層する方法を取っており、切断時の前回までの積層シートへの影響及び接着時間等を考慮する必要がある。本方式では、原板の上面に設置したバキュウム等で原板を保持して刳り抜きを行うので落下することが無く、落下時の位置ズレ等を防止でき短時間で精度良くシートが積層出来き、前回まで積層された積層シートへの悪影響がない。
【００１３】
請求項３では、積層したシートの強度をアップ等を行う為にシート同士を固着する場合は、カセット等の開放された部分から接着剤等を塗布することが出来る構造となっている。積層の途中及び積層後に接着剤等が塗布でき、これにより精度ある強度を有する積層シートの３次元型が作製出来る。
【００１４】
請求項４では、原板から一定サイズに刳り抜き、カセット等に押し込む場合において、シートの積層回数に従い積層高さが変化する。カセット等は積層シートの積層量に応じて上下や伸縮することにより、抜き取ったシートをカセットに押し込む量を一定にすることが出来るので押し付け圧力を同一にできる。積層シートを積層毎に一定の圧力で押し付けることで積層シートの平面度を保持出来る。
【００１５】
請求項５では、原板に対してデータ処理手段から供給された２次元情報に基づいた断面形状に従いレーザ切断機等により切断する場合において、従来のようなＸ、Ｙテーブルを持つ切断方式だと切断機の稼動範囲が広く必要となり、装置が大きくなり付属設備も大規模となる。したがって狭い切断範囲の切断機を固定しておき、切断範囲を広げるために送り装置にて原板を定ピッチに送り出して、各定ピッチ毎に切断機により当該断面形状の一部を切断する。この様にして各定ピッチ毎に一部の切断の繰り返しにより求める断面形状の切断を完成させる。
この様な切断方法により、切断スペースが少なくて済み、コンパクトな装置にする事が出来る。
【００１６】
請求項６に記載の３次元型形状作製装置は、映像装置や３次元ＣＡＤから供給された３次元形状を、２次元形状情報に変換して供給するデータ処理手段から３次元型形状を作製するまでの全体の装置構成に関している。積層シートを作製するためにロールの送りを利用する方法である。ロール送出装置から送り出された原板に対して、データ処理手段から供給された２次元情報に基づいて断面形状を切断する。切断手段としてはレーザ光線、熱線、エアー、水流、金属またはセラミックカッター等を使用することが考えられる。断面形状を原板から切断する手段で切断した部分は、本発明では不要部分になり原板から除去する必要がある。除去方法にはバキューム、吹き飛ばし、押し出し、プレートによる掬い取り、粘着等各種方法が考えられる。断面形状を除去した原板は型抜きブロック等にて原板を一定サイズのシートに刳り抜き、刳り抜いたシートが積層時にズレない様にカセット等に挿入し積層する。抜き取ったシートを積層時にズレない様にカセット等押し込む場合において、カセット等は積層シートの積層量に応じて上下移動や伸縮する構造である。カセット等は切り取られたシートが水平方向にズレない様にシートを固定する手段であり、カセット等に積層されたシートにより３次元の型形状を作製出来る。原板として利用する材質としては金属シート、樹脂シート、布シート、紙シート等が考えられる。
【００１７】
請求項７に記載の３次元型形状作製装置は、請求項６に記載の３次元型形状作成装置に汎用性を持たせたものである。原板の搬送手段としては、ローラ、バキューム、ベルト等の各種手段が考えられる。原板積層テーブル、送出装置から送り出された原板に対して、データ処理手段から供給された２次元情報に基づいて断面形状が切断され、切断された部分は不要部分となり原板から除去される。断面形状を除去した原板は型抜きブロック等にて一定サイズのシートに刳り抜かれ、抜き取れたシートは積層時にズレない様にカセット等に挿入され積層される。抜き取ったシートを積層時にズレない様にカセット等に押し込む場合において、カセット等は積層シートの積層量に応じて上下や伸縮する構造である。カセット等に積層されたシートにより３次元の型形状を作製出来る。原板として利用する材料としては紙、プラスチックシート、金属シート、セラミックシート等が考えられる。
【００１８】
請求項８では、断面形状部分を原板よりエアー等で剥ぎ取った後で、圧接ローラ等により原板に押し当て、原板の熱変形、板厚のバラツキ等を修正して所定の板厚、平面形状にする機構である。加工後の原板は変化しており、一枚の誤差はわずかでも積層されると大きな誤差となる。これらの問題を解決するために圧接ローラ等により所定の板厚になるように原板に押し当て、所定の板厚・形状に修正する。所定の板厚はローラのギャプにより調整できるので、積層後の誤差が問題とならない。
【００１９】
請求項９では、シートを積層する場合にシートがズレないこと及び積層シートが型として強度を保持するために原板に接着剤等が塗布される。原板を型抜きブロック等にて一定サイズに抜き取る前に、原版に対して接着剤等を塗布される装置が設置されており、原板に接着剤等が塗布される。
【００２０】
請求項１０では、シートを積層する場合にシートがズレないこと及び積層シートが型として強度を保持するために原板に接着剤等が塗布される。原板を型抜きブロック等にて一定サイズに抜き取り、抜き取られたシートをカセット等に積層させる時に、抜き取られたシートに接着剤等を塗布する装置が設置されており、原板に接着剤等が塗布される。
【００２１】
請求項１１に記載の型形状作製装置は、オス、メスのモールド型を作製する３次元型形状作製装置及び作製方法である。切り取られた断面形状部分を原板よりバキュウム等で剥ぎ取ることなく、原板を型抜き板等にて原板を一定サイズに抜き取り、抜き取られたシートをシートが積層時にズレない様にカセット等に積層させて固着硬化させる。請求項１２に記載のように、原板に複数の切断線を設けたり、原板の一部に接着剤を塗布するのを阻止する手段により、積層シートを外側から内側に向かって分離することが容易になる。積層後の出来上がったモールド型を分離してメス型、オス型の３次元型形状が作製出来る。
【００２２】
請求項１３に記載の型形状作製装置は、キーとなる工程（接着剤塗布、断面形状切断、シート刳り抜き・積層等）を機構分割することにより、同時並行処理し加工時間を低減する。特にレーザ切断機等により切り取り、エアー等で剥ぎ取る工程と原板を型抜きブロック等にて一定サイズに刳り抜く工程を別工程にすることによりレーザ加工を容易にし、全体加工時間を速くすることが出来る。従来の積層方式では一枚づつ積層接合（熱圧着）した後、最上層の一枚のみ切断する方式を取っている。最上のみの切断には、レーザやナイフが使われているが、一般的には金属板を積層したまま最上部のみを切断することは困難であり、この切断方法が有効である。また接着剤等を塗布する装置が設置される場合はこの工程も同時並行処理する機構とすることにより更に加工時間が速くなる。
【００２３】
請求項１４及び請求項１５に於いては、シートを積層することにより出来上がった型形状物の表面粗さを向上させるための３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法である。原板は５０〜１００μの薄板を使用するが、積層シートでは若干の段差が生じる。薄シートの積層に接着剤が段差の隙間を補間するようになじんで表面を滑らかになるように仕上げる。塗料噴霧等を型形状物の表面に平行等の流れを作り、積層シートの段差によるエアポケット等にて塗料を沈殿さしめることにより、３次元型形状物の表面仕上げを行う。そのほかに金属製の型形状物をプラスやマイナスに電荷さして、その逆の電荷の塗料噴霧等を型表面に流れを作り、３次元型形状物の表面仕上げを行う。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の積層シートによる３次元型形状作製装置及び３次元型形状作製方法はデータ処理手段、接着剤塗布手段、切断手段、剥ぎ取り手段、刳りぬき手段、積層手段により構成され、同一形状の成形品を多数作成することを可能とした、積層シートを使用して３次元型形状の作製を行う装置及び方式である。
【００２５】
本発明の原板に使用する材質としては、金属、樹脂、紙、布、セラミック等が利用できる。
【００２６】
断面形状に切り取る手段としては、レーザ光線、エアー、水流、熱線、金属又はセラミックカッター等が考えられる。
【００２７】
原板に塗布する接着剤等は、熱硬化性、熱可塑性、加圧接着性、光硬化性、化学反応性等各種の接着剤、樹脂の利用が考えられる。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例につき図面を参照して詳細に説明する。
図１は請求項６に記載の３次元型形状作製装置の側面図である。ロール送り装置１から原板２を巻き取り装置３へ送りローラ４にて搬送する。送り出された原板２に対して接着剤充填装置５にて接着剤が塗布される。データ処理手段から供給された２次元情報に基づいた断面形状に従い切断機ユニット６で切り、切られた断面形状部分をバキュウムローラ７で剥ぎ取る。このとき圧接ローラ８にて原板を押し付け、原板の熱変形、板厚のバラツキ等を修正して所定の板厚、平面形状にする。断面形状部分が剥ぎ取られた中空の原板２を型抜きブロック９にて一定サイズに抜き取り、抜き取ったシートをシートが積層時にズレない様にカセット１２に押し込む。このとき型抜きブロック９とバキュウムヘッド１０は型抜きブロックガイド１１に沿って降下し、バキュウムヘッド１０で原板を保持しながら型抜きブロック９で原板２を刳り抜く。抜き取り後の原板２は巻き取り装置３に巻き取れる。カセット１２に積層された積層シート１３は固着硬化されて３次元の型形状が作製される。
【００２９】
図２は請求項６に記載の３次元型形状作製装置の切断機ユニット６と送りローラ４の関係をしめす説明図である。送りローラ４から巻き取り装置３に搬送される原板２の上部に切断機ユニット６のレーザヘッドが設置されている。送りローラ４を搬送装置１４の両側に設置したことで原板２の搬送を確実にしている。
【００３０】
図３は請求項７に記載の３次元型形状作製装置の側面図である。原板供給テーブル１５に積層された原板２を原板送出ユニット１６で搬送装置１４に送り、搬送される原板２に接着剤充填装置５にて接着剤が塗布される。接着剤を塗布した後にデータ処理手段から供給された２次元情報に基づいた断面形状に従い切断機ユニット６で切り、切られた断面形状部分をバキュウムローラ７で原板２より剥ぎ取る。このとき圧接ローラ８にて原板を押し付け、原板の熱変形、板厚のバラツキ等を修正して所定の板厚、平面形状にする。断面形状部分が剥ぎ取られた中空の原板２を型抜きブロック９にて一定サイズに抜き取り、抜き取ったシートをシートの積層時にズレない様にカセット１２に押し込む。このとき型抜きブロック９とバキュウムヘッド１０は型抜きブロックガイド１１に沿って降下し、バキュウムヘッド１０で原板を保持しながら型抜きブロック９で原板２を刳り抜く。カセット１２に積層された積層シート１３を固着硬化させることで型形状を作製する。
【００３１】
図４は本発明の請求項７に記載してある３次元型形状作製装置の原板搬送の説明図である。原板２は原板供給テーブル１５から矢印方向のカセット１２まで搬送される仕組みであり、原版２から断面形状部分が剥ぎ取られた中空の原板２を型抜きブロック９にて一定サイズに刳り抜く位置には押さえガイド１７を装着している。押さえガイド１７が原板２を押さえ込んで固定し、型抜きブロック９による一定サイズの刳り抜きを容易にする。
【００３２】
図５は請求項７に記載の３次元型形状作製装置の切断ユニット６と送りローラ４の関係をしめす説明図である。シート搬送装置１４の上部に切断機ユニット６のレーザヘッドが設置されている。送りローラ４を搬送装置１４の両側に設置したことで原板２の搬送を確実にしている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば極めて短時間に金型形状を作製することができ、低価格で装置や資材を提供することができる。
【００３４】
従来金型作成のために中間で用いていた多種・多様な機材（ＭＣ、ＮＣフライス、放電加工機等）が不要となり  省エネルギーや環境問題等への波及効果も期待できる。
【００３５】
機器構成上に於いて事務機のような機器パネル、操作が出来る様になり従来の機械加工に比べ作業者に対する安全性の確保が可能となる。
【００３６】
金型設計、ＮＣデータ作成等の人為ミスがなくなり不良の減少化が図れる。
【００３７】
高精度の金型を提供することができる。
【００３８】
金属シートを使用することにより、金型として具備すべき物性値と耐久性を有する３次元の金型が製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項６に記載の３次元型形状作製装置の側面図である。
【図２】請求項６に記載の３次元型形状作製装置の説明図である。
【図３】請求項７に記載の３次元型形状作製装置の側面図である。
【図４】請求項７に記載の３次元型形状作製装置の原板搬送の説明図である。
【図５】請求項７に記載の３次元型形状作製装置の説明図である。
【符号の説明】
１  ロール送り装置
２  原板
３  巻き取り装置
４  送りローラ
５  接着剤充填装置
６  切断機ユニット
７  バキュウムローラ
８  圧接ローラ
９  型抜きブロック
１０  バキュウムヘッド
１１  型抜きブロックガイド
１２  カセット
１３  積層シート
１４  搬送装置
１５  原板供給テーブル
１６  原板送出ユニット
１７  押さえガイド
【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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