(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラスの継続的な供給を容易かつ確実に行うことのできる立体造形物製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】固体状のガラスＭを所定温度に加熱する予備加熱部と、ガラスＭに所定量の電流を印加し、ガラスＭを発熱・溶融させる電流印加部と、内部空間が電流印加部の吐出口につながるように設けられた減圧チャンバ３０と、減圧チャンバ３０内に設けられたテーブル２８と、テーブル２８と電流印加部の少なくとも一方を移動させることによって互いの相対位置を変更する移動機構とを備え、移動機構によってテーブル２８と吐出口との相対位置を変更させるとともに、減圧チャンバ３０の内部と外部との圧力差によって、電流印加部によって溶融されたガラスＭを吐出口から引き出し、吐出口から引き出されたガラスＭをテーブル２８上に滴下させることによって、テーブル２８上に立体造形物を形成する立体造形物製造装置。【選択図】図１
2017128481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体状のガラスを所定温度に加熱する予備加熱部と、
前記予備加熱部によって前記所定温度に加熱された前記ガラスに所定量の電流を印加し、これによって前記ガラスを発熱・溶融させる電流印加部と、
内部が大気圧よりも低い所定の圧力以下に調整され、内部空間が前記電流印加部の吐出口につながるように設けられた減圧チャンバと、
前記減圧チャンバ内に設けられたテーブルと、
前記テーブルと前記電流印加部の少なくとも一方を移動させることによって互いの相対位置を変更する移動機構とを備え、
前記移動機構によって前記テーブルと前記吐出口との相対位置を変更させるとともに、前記減圧チャンバの内部と外部との圧力差によって、前記電流印加部によって溶融された前記ガラスを前記吐出口から引き出し、前記吐出口から引き出された前記ガラスを前記テーブル上に滴下させることによって、前記テーブル上に立体造形物を形成することを特徴とするガラス立体造形物製造装置。
【請求項２】
前記吐出口における前記ガラスを冷却させる冷却機構を備えることを特徴とする請求項１に記載のガラス立体造形物製造装置。
【請求項３】
前記冷却機構は冷媒を内部に循環させた管部材を有し、この管部材を前記電流印加部に配置することによって前記吐出口における前記ガラスを冷却することを特徴とする請求項２に記載のガラス立体造形物製造装置。
【請求項４】
前記所定温度は前記ガラスのガラス転移温度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガラス立体造形物製造装置。
【請求項５】
前記移動機構は、前記テーブルを互いに直交する３方向に移動させるＸＹＺステージであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガラス立体造形物製造装置。
【請求項６】
予備加熱部と、電流印加部と、前記電流印加部の吐出口近傍に配置され、内部が大気圧よりも低い所定の圧力以下に調整された減圧チャンバと、前記減圧チャンバ内に設けられたテーブルと、前記テーブルと前記電流印加部の相対位置を変更する移動機構とを備えたガラス立体造形物製造装置を用いたガラス立体造形物の製造方法であって、
前記予備加熱部が固体状のガラスを所定温度に加熱する予備加熱工程と、
前記予備加熱工程において前記所定温度に加熱された前記ガラスを前記電流印加部に供給し、供給されたガラスに所定量の電流を印加することによって前記ガラスを発熱・溶融させる溶融工程と、
前記移動機構によって前記テーブルと前記吐出口との相対位置を変更させるとともに、前記減圧チャンバの内部と外部との圧力差によって、前記電流印加部によって溶融された前記ガラスを前記吐出口から引き出し、前記吐出口から引き出された前記ガラスを前記テーブル上に滴下させることによって、前記テーブル上に立体造形物を形成することを特徴とするガラス立体造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス立体造形物製造装置およびガラス立体造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
数値制御に基づいてガラスを立体的に造形する３Ｄプリンタその他の製造装置が種々提案されているが、３次元の自由曲面を正確に造形することは困難であった。
これに対して、例えば特許文献１に記載の造形装置においては、数値制御によって、被形成体等及び溶加材トーチを移動させながら溶着ビードを形成している。この造形装置では、被形成体において溶融した溶加材が滴下する溶着面が所望の角度に設定でき、かつ、溶加材トーチと溶着される面との距離も所望の距離に設定できることから、三次元自由形状を有する造形物を良好にかつ効率的に製作することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７５９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の造形装置では、ガラスなどの溶加材は溶加材トーチに一体化されており、溶融・滴下後に、溶融していない溶加材を継続的に供給するための構成が示唆されていない。したがって、この造形装置では溶加材を連続的かつ安定的に供給し、所望量の溶加材を継続して滴下させ続けることは困難である。この造形装置において、滴下される溶加材は、溶加材トーチに一体化した溶加材の全量の滴下が終わるごとに途切れるため、例えば、溶加材が途切れる前後で形成される溶着ビードに温度差が生じるなど、立体造形を行う上で制約が生じていた。
【０００５】
また、このような造形装置に対して継続的に溶加材を供給するには、複雑な構成や制御を要する供給装置が必要であり、造形装置の構成・制御の複雑化や高コスト化につながるという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、装置の構成や制御の複雑化や高コスト化を伴うことなく、ガラスの継続的な供給を容易かつ確実に行うことができ、溶融・滴下されたガラスによって、三次元自由形状を有する立体造形物を製造することのできるガラス立体造形物製造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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のガラス立体造形物製造装置は、固体状のガラスを所定温度に加熱する予備加熱部と、予備加熱部によって所定温度に加熱されたガラスに所定量の電流を印加し、これによってガラスを発熱・溶融させる電流印加部と、内部が大気圧よりも低い所定の圧力以下に調整され、内部空間が電流印加部の吐出口につながるように設けられた減圧チャンバと、減圧チャンバ内に設けられたテーブルと、テーブルと電流印加部の少なくとも一方を移動させることによって互いの相対位置を変更する移動機構とを備え、移動機構によってテーブルと吐出口との相対位置を変更させるとともに、減圧チャンバの内部と外部との圧力差によって、電流印加部によって溶融されたガラスを吐出口から引き出し、吐出口から引き出されたガラスをテーブル上に滴下させることによって、テーブル上に立体造形物を形成することを特徴としている。
【０００８】
本発明のガラス立体造形物製造装置においては、吐出口におけるガラスを冷却させる冷却機構を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明のガラス立体造形物製造装置において、冷却機構は冷媒を内部に循環させた管部材を有し、この管部材を電流印加部に配置することによって吐出口におけるガラスを冷却することが好ましい。
【００１０】
本発明のガラス立体造形物製造装置において、所定温度はガラスのガラス転移温度であることが好ましい。
【００１１】
本発明のガラス立体造形物製造装置において、移動機構は、テーブルを互いに直交する３方向に移動させるＸＹＺステージであることが好ましい。
【００１２】
本発明のガラス立体造形物の製造方法は、予備加熱部と、電流印加部と、電流印加部の吐出口近傍に配置され、内部が大気圧よりも低い所定の圧力以下に調整された減圧チャンバと、減圧チャンバ内に設けられたテーブルと、テーブルと電流印加部の相対位置を変更する移動機構とを備えたガラス立体造形物製造装置を用いたガラス立体造形物の製造方法であって、予備加熱部が固体状のガラスを所定温度に加熱する予備加熱工程と、予備加熱工程において所定温度に加熱されたガラスを電流印加部に供給し、供給されたガラスに所定量の電流を印加することによってガラスを発熱・溶融させる溶融工程と、移動機構によってテーブルと吐出口との相対位置を変更させるとともに、減圧チャンバの内部と外部との圧力差によって、電流印加部によって溶融されたガラスを吐出口から引き出し、吐出口から引き出されたガラスをテーブル上に滴下させることによって、テーブル上に立体造形物を形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、装置の構成や制御の複雑化や高コスト化を伴うことなく、ガラスの継続的な供給を容易かつ確実に行うことができ、溶融・滴下されたガラスによって、三次元自由形状を有する立体造形物を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るガラス立体造形物製造装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガラス立体造形物製造装置の構成を示すブロック図である。
【図３】電極部とその近傍を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係るガラス立体造形物製造装置およびガラス立体造形物の製造方法について図面を参照しつつ詳しく説明する。図１と図２は、ガラス立体造形物製造装置１０の構成を示す図であって、図１は概略構成を示すとともに、減圧チャンバ３０の内部構成を示しており、図２は機能ブロック図である。図３は、電極部２３とその近傍を拡大して示す図である。
【００１６】
図１に示すように、ガラス立体造形物製造装置１０は、固体状のガラスＭを加熱する予備加熱部としてのヒータ２２と、ヒータ２２によって所定温度に加熱されたガラスＭに電流を印加する電流印加部としての電極部２３とを備える。
【００１７】
ヒータ２２は、コイル状に巻かれた導線にヒータ制御回路１２（図２）から電流を流すことによって発熱する電熱ヒータである。ヒータ制御回路１２に流す電流の量や印加周期などの駆動条件は制御部１１によって制御される。ヒータ２２の内部には、そのコイル形状の中心軸ＡＸの方向に沿って挿通路２２ｂが形成されており、この挿通路２２ｂの上端の導入口２２ａからガラスＭが挿入される。ガラスＭは、一定の直径を有して延びるバー形状やコイル状をなしており、その先端部が導入口２２ａからヒータ２２の挿通路２２ｂ内に挿入される。挿通路２２ｂ内に挿入されたガラスＭは、ヒータ２２によって加熱されて軟化し、電気抵抗が低下して電流が流れうる状態となる（予備加熱工程）。ここで、ヒータ２２によって加熱されるガラスＭの温度は、ガラスの種類などによって異なり、例えば、５００〜９００°Ｃ程度であり、例えばガラス転移温度に設定する。また、ヒータ２２には、挿通路２２ｂの温度を測定可能な温度センサ（不図示）が設けられており、この温度センサによる検出結果にしたがって、制御部１１はヒータ制御回路１２に対してヒータ２２へ流す電流量を指示する制御信号を出力する。
【００１８】
電極部２３は、ヒータ２２の下方に配置され、ヒータ２２の中心軸ＡＸの方向に直交する方向で陽極と負極が互いに対向する構成を備える。電極部２３の電極としては、例えばタンタルや耐熱性金属電極を用いる。電極部２３の陽極と負極との間には、ヒータ２２の中心軸ＡＸの方向に沿うように挿通路２３ｂが形成されており、この挿通路２３ｂの下端が吐出口２３ａとなっている。ヒータ２２と電極部２３は、それぞれの挿通路２２ｂ、２３ｂが、中心軸ＡＸの方向において互いに連なるように配置されている。したがって、ヒータ２２の挿通路２２ｂ内で加熱されて軟化したガラスＭは、重力および減圧チャンバ３０内の負圧によって、ヒータ２２の下方の電極部２３の挿通路２３ｂ内に移動する。
【００１９】
電極部２３の電極には、定電流源である電流制御回路１３（図２）から電流が流され、ヒータ２２の中心軸ＡＸの方向に直交する方向に電流が流れる。この電流の量や印加周期などの駆動条件は制御部１１によって制御される。ヒータ２２において加熱されて軟化し、電気抵抗が低下したガラスＭには、電極部２３の陽極から負極へと電流が流れ、これによってガラス自身が発熱し、溶融する（溶融工程）。ガラスＭに流す電流量はガラスの種類等に応じて設定され、ガラスが溶融する温度に達するように設定される。この温度としては、例えば、パイレックス（登録商標）その他の硬質ガラスでは１０００〜１３００°Ｃ、軟質ガラス線材では７００〜８００°Ｃである。
【００２０】
電極部２３の外囲には、各電極の外面に接触しつつ囲むように、冷却用配管２４が配置されている。冷却用配管２４は、冷却機構としての電極冷却部１４に接続されている。冷却用配管２４は、電極冷却部１４から電極部２３側へ送り出された冷媒が流れる往路管２４ａと、電極部２３の熱を奪った冷媒が電極冷却部１４へもどる復路管２４ｂとからなり、電極冷却部１４から往路管２４ａを経て復路管２４ｂを通じて電極冷却部１４へ冷媒がもどる循環経路が構成される。冷却用配管２４を循環する冷媒としては、例えば水やオイルを用いる。電極冷却部１４は、往路管２４ａ内へ冷媒を送り出すポンプを内蔵し、ポンプの動作は制御部１１によって制御される。制御部１１は、電極部２３や減圧チャンバ３０内部の温度に応じて、ポンプからの冷媒の送出速度を調節する。電極部２３や減圧チャンバ３０の温度は、不図示の温度センサによって測定する。冷媒は、復路管２４ｂおよび電極冷却部１４を通る間に自然冷却されるが、これでは冷却効果が不十分である場合には、復路管２４ｂを長くしたり、復路管２４ｂを冷却させるための冷却機構を設けるとよい。この冷却機構としては、例えばペルチェ素子を用いる。
【００２１】
ヒータ２２、電極部２３、および冷却用配管２４は減圧チャンバ３０内に配置されている。冷却用配管２４は、減圧チャンバ３０の気密性を維持するように外部へ引き出され、減圧チャンバ３０の外部に配置された電極冷却部１４に接続される。
【００２２】
ヒータ２２は、図３に示すように、導入口２２ａが外気に通じるように設けられており、ヒータ２２の導入口２２ａから電極部２３の吐出口２３ａまでは、挿通路２２ｂ、２３ｂを介して連通しているため、それらの内部はほぼ大気圧とされている。
なお、導入口２２ａから吐出口２３ａまでの内部の圧力を制御するために減圧チャンバ３０の外部に通じる管経路を別個に設け、この管経路の途中に設けた調整弁を動作させることによって圧力を調整するとよい。
【００２３】
図１に示すように、減圧チャンバ３０は、調整弁３２とバッファタンク３１を介して真空ポンプ３３に接続されており、真空ポンプ３３を動作させることによって減圧チャンバ３０内は大気圧よりも低い所定の圧力に維持される。電極部２３の吐出口２３ａが減圧チャンバ３０の内部空間につながっているため、電極部２３の挿通路２３ｂの内部と減圧チャンバ３０の内部とに圧力差が生じ、減圧チャンバ３０側が負圧状態となることから、電極部２３内で溶融されたガラスは減圧チャンバ３０内へ引き出され、重力方向下側へ滴下する。このとき、減圧チャンバ３０内の負圧によって、電極部２３の挿通路２３ｂやヒータ２２の挿通路２２ｂ内で溶融されずに残っているガラスＭは、全体として重力方向下側へ移動する。よって、移動機構を設けることなく、減圧チャンバ３０の外部まで延出する部分も含めて、ガラスＭは、減圧チャンバ３０の負圧にしたがって重力方向下側へ移動する。
【００２４】
また、減圧チャンバ３０と真空ポンプ３３との間にバッファタンク３１を設けているため、減圧チャンバ３０内の圧力が急激に変化するのを防ぐことができ、これにより電極部２３で溶融したガラスの滴下方向が圧力の変動に影響されることが少なくなり、Ｘステージ２５上の所望の位置にガラスを滴下させることができる。
ここで、減圧チャンバ３０には、リーク弁３０ａが設けられており、調整弁３２と併用して減圧チャンバ３０内の圧力をさらに精密に調整することができる。
【００２５】
減圧チャンバ３０内の圧力値は、ガラスの種類、溶融したガラスの物性、電極部２３の温度などに応じて任意に設定することができ、例えば、大気圧に対する相対値として−９０ｋＰａに設定する。
【００２６】
ここで、図１に示す例では、減圧チャンバ３０内にヒータ２２と電極部２３と冷却用配管２４を配置していたが、これらを減圧チャンバ３０の外部、すなわち大気中に配置し、電極部２３の吐出口２３ａを減圧チャンバ３０の上部の開口に気密状態で接続させた構成としてもよい。
【００２７】
図１に示すように、減圧チャンバ３０内には、移動機構として、重力方向に昇降するＺステージ２７と、Ｚステージ２７上に配置され、水平方向のうちのＹ方向に移動するＹステージ２６と、Ｙステージ２６上に配置され、水平方向のうちＹ方向に直交するＸ方向に移動するＸステージ２５とが設けられている。Ｘステージ２５上には平板状のテーブル２８が設けられている。Ｘステージ２５は、Ｘステージ駆動回路１５（図２）によって駆動され、Ｙステージ２６はＹステージ駆動回路１６（図２）によって駆動され、Ｚステージ２７はＺステージ駆動回路１７（図２）によって駆動される。Ｘステージ駆動回路１５、Ｙステージ駆動回路１６、およびＺステージ駆動回路１７は、制御部１１によって動作が制御される。
【００２８】
制御部１１の内蔵メモリ（不図示）には、製造する立体造形物に対応するデータが保存されている。制御部１１は、立体造形物に対応するデータに基づいてＸステージ２５、Ｙステージ２６、およびＺステージ２７を動作させ、電極部２３で溶融されて吐出口２３ａから重力方向に滴下されるガラスを、Ｘステージ２５上に設けたテーブル２８上の所定位置に、又は、テーブル２８上にすでに付着したガラス上の所定位置に順次付着させ、これによって、所望の立体造形物を形成させる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、電極部２３を固定させて、Ｘステージ２５、Ｙステージ２６、及びＺステージ２７を動作させることによって、電極部２３とテーブル２８の相対位置を変更し、電極部２３から滴下するガラスによって立体的な造形物を製造していたが、電極部２３を水平方向や重力方向に移動させることによってテーブル２８との相対位置を変えることとしても良い。
【００３０】
以上の実施形態に係るガラス立体造形物製造装置およびその製造方法によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）ヒータ２２で予熱してガラスを軟化させ、軟化したガラスに対して電極部２３で電流印加して発熱させて溶融させた後に、減圧チャンバ３０内部の負圧によって溶融したガラスを引き出している。このような工程を経て立体造形物を製造するため、複雑で高価な供給装置を用いることなく、ヒータ２２と電極部２３へのガラスの継続的な供給を容易かつ確実に行うことが可能となる。さらに、継続的な供給が可能となったことにより、使用するガラスの量の制約がなくなることから、さまざまなサイズの立体造形物を製造することができる。また、このように軟化（予備加熱）と溶融という２つの工程を経て製造するため、電極部２３で溶融して滴下するガラス量や、ガラスがヒータ２２及び電極部２３の内部を移動する量も制御しやすくなる。
（２）閉じた空間である減圧チャンバ３０内に、ヒータ２２、電極部２３、冷却用配管２４、Ｘステージ２５、Ｙステージ２６、およびＺステージ２７を収容させており、減圧チャンバ３０内部の圧力や温度が調整可能となっていることから、電極部２３からのガラスの引き出しの制御が容易となり、また、引き出されたガラスの歪み防止に有用である。
（３）電極部２３の各電極に印加する電流量を変化させることによって、ガラスの溶融温度を調整して滴下時のガラスの粘度を制御することができる。
【００３１】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明に係るガラス立体造形物製造装置およびその製造方法は、装置の構成や制御の複雑化や高コスト化を伴うことなく、ガラスの継続的な供給を容易かつ確実に行うことができ、溶融・滴下されたガラスによって、三次元自由形状を有する立体造形物を製造することができる点で有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１０    ガラス立体造形物製造装置
１１    制御部
１２    ヒータ制御回路
１３    電流制御回路
１４    電極冷却部
１５    Ｘステージ駆動回路
１６    Ｙステージ駆動回路
１７    Ｚステージ駆動回路
２２    ヒータ
２２ａ  導入口
２２ｂ  挿通路
２３    電極部
２３ａ  吐出口
２３ｂ  挿通路
２４    冷却用配管
２４ａ  往路管
２４ｂ  復路管
２５    Ｘステージ
２６    Ｙステージ
２７    Ｚステージ
２８    テーブル
３０    減圧チャンバ
３０ａ  リーク弁
３１    バッファタンク
３２    調整弁
３３    真空ポンプ
ＡＸ    中心軸
Ｍ      ガラス
【図１】
2017128481.tif 000003
【図２】
2017128481.tif 000004
【図３】
2017128481.tif 000005