(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作製すべき物体の、ある高さ位置の部分の平面形状及び断面形状に沿ったスリットを板状素材に形成し、前記物体の一部を構成する素片と不用部分とが連結部を介して連結された状態に加工する素片加工装置と、
前記スリットが形成された前記素片を順次接合する接合装置と、
前記接合された素片から不用部分を切り離す分離装置とを有することを特徴とする３次元形状物の製造装置。
【請求項２】
前記素片加工装置と前記接合装置の間で前記板状素材を位置決め可能に搬送することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状物の製造装置。
【請求項３】
作製すべき物体の、ある高さ位置の部分の平面形状及び断面形状に沿ったスリットを板状素材に形成し、前記物体の一部を構成する素片と不用部分とが連結部を介して連結された状態に加工する素片加工工程と、
前記スリットが形成された前記素片を順次接合する接合工程と、
前記接合された素片から不用部分を切り離す分離工程とを有することを特徴とする３次元形状物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ポンプの羽根等の比較的複雑な形状の３次元形状物の製造装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転機械の羽根車のような複雑な形状を有する物品を鋳造する場合、その鋳型の原型は、例えば、迅速模型製造法（ＲＰ法）の１種である選択レーザ焼結装置を用いた光造形法によって作製されている。
【０００３】
これは、図４を参照して説明すると、選択レーザ焼結装置６０のチャンバ６２内に粒子状のエラストマ材を供給して、例えば０．１ｍｍの厚さｈのエラストマ材層６４を形成する。そして、炭酸ガスレーザ発生装置等のレーザ光源６６からのレーザ光をミラー６８を介してエラストマ材層６４に照射し、このレーザ光が照射された部分に位置するエラストマ材を選択的に溶融硬化（焼結）させ、エラストマ薄片７０を形成する。以下、この工程を繰り返してエラストマ薄片７０を順次積層し、所定の形状の原型を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような鋳型の製造方法においては、レーザ光により材料を選択的に溶融硬化させる必要があるため、使用できる材料に制限がある。また、レーザ光の照射方向（上下方向）において直線的にレーザ光が材料に照射するので、この方向で直線的な面が形成されるため、このエラストマ薄片７０を積み重ねた積層間に段差が生じ、滑らかな連続面とならないという問題がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、使用できる材料を多様化できるとともに、滑らかな３次元曲面を有する形状物を製造できる３次元形状物の製造装置および方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、作製すべき物体の、ある高さ位置の部分の平面形状及び断面形状に沿ったスリットを板状素材に形成し、前記物体の一部を構成する素片と不用部分とが連結部を介して連結された状態に加工する素片加工装置と、前記スリットが形成された前記素片を順次接合する接合装置と、前記接合された素片から不用部分を切り離す分離装置とを有することを特徴とする３次元形状物の製造装置である。
【０００７】
このような製造装置によって３次元形状物を製造するには、先ず、素片加工装置により、板状素材にスリット加工を施し、３次元形状物の一部を構成する素片が不用部分と連結部で連結された状態で形成される。素片加工装置としては、例えば、エンドミルのような機械的な切削装置が一般的であるが、板状素材を所定のパターンで加工できるようなものであれば、超音波、熱や電気的なエネルギーを用いるもの等適宜のものが採用できる。素片の板厚方向の面を、作製すべき物体の形状に応じて曲面に形成することができることが望ましい。
【０００８】
次に、接合装置により、スリットを形成した板状素材を隣接する部分の素片の上に接合して順次積層する。接合方法としては、素材に応じて、融着、圧着、あるいは接着剤を用いた接着等種々の方法を採用することができる。その後、分離装置により、板状素材の連結部を切り離して板状素材から素片を分離する。連結部を脆弱に形成しておくことにより、これに所定の剪断力を負荷することによって選択的に切り離すことができるが、分離の方法や装置は適宜のものが採用可能である。以下、この工程を繰り返して素片を順次積層接合し、所定の３次元形状物を形成する。
【０００９】
板状素材としては、加工と接合が可能なものであれば、任意のものを採用することができる。例えば、それ自体で接合可能な素材として、熱可塑性樹脂、金属等が有る。それ自体が接合可能でないセラミック等の加熱接着型接着剤を塗布したもの、および加熱溶融しない金属の表面にブレージング材をクラッドした材料なども用いることができる。
【００１０】
なお、上記において、分離装置により板状素材から素片を分離した後、分離された素片を積層接合しても良い。板状素材の板厚は、製造する３次元形状物の板厚方向の曲面に要求される精度と、素片加工装置の加工精度、製造効率等を考慮して選定すれば良い。すなわち、板厚を薄くしていけば曲面の精度は向上するが製造効率は板状素材の枚数が増加する分低下するので、状況により適宜選択すれば良い。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記素片加工装置と前記接合装置の間で前記板状素材を位置決め可能に搬送することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状物の製造装置である。これにより、素片加工工程における位置決め状態を維持して接合工程を行なうことができ、位置決めの手間を省くことができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、作製すべき物体の、ある高さ位置の部分の平面形状及び断面形状に沿ったスリットを板状素材に形成し、前記物体の一部を構成する素片と不用部分とが連結部を介して連結された状態に加工する素片加工工程と、前記スリットが形成された前記素片を順次接合する接合工程と、前記接合された素片から不用部分を切り離す分離工程とを有することを特徴とする３次元形状物の製造方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る３次元形状物の製造装置を示す概略側面図である。加工装置１０は、上側工具１２と下側工具１４を備えており、これらは共に、回転可能かつＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に移動可能なマシンヘッドにエンドミル等の加工工具が取り付けられて構成されている。加工装置１０は、さらに、予め入力されたプログラムに沿って、これら上側工具１２および下側工具１４の移動と回転を制御して数値制御加工を行なう制御装置と、加工すべき又は加工済みのプレートＰを移送するローラ１６を備えている。
【００１４】
積層装置２０は、箱型の積層室２２を備えており、その上壁２２ａの下面および側壁２２ｂの内面には、それぞれヒータ（加熱装置）２４，２６が設置されている。これらのヒータ２４，２６は、例えば、セラミックヒータ、赤外線ヒータあるいはニクロム線ヒータ等適宜なものを用いることができる。積層装置２０の内部には、モータ３０と、これによって回転駆動される送りネジ３２と、この送りネジ３２によって上下移動する昇降台３４とを有する昇降装置２８が設けられている。これにより、モータ３０を正回転あるいは逆回転させることにより、送りネジ３２を正回転あるいは逆回転させて昇降台３４を上昇あるいは下降させるようになっている。
【００１５】
積層装置２０に隣接してプレートＰの不用部を収納する収納容器４０が設けられている。積層装置２０と収納容器４０の上部には、ローラ３８によってこれらを往復移動可能な吸着板３６が設けられている。吸着板３６の下面には、真空装置（図示せず）に接続された空気流路４４の吸入口４６が開口しており、これにより、真空装置を作動させて吸入口４６から吸引することによって、吸着板３６の下面に物品を吸着して保持する吸着装置４２が構成されている。
【００１６】
ヒータ（加熱装置）２４，２６、吸着板３６および昇降装置２８により接合装置５０が構成され、吸着板３６および昇降装置２８により分離装置５２が構成され、吸着板３６および収納容器４０により収納装置５４が構成されている。
【００１７】
次に、このように構成された３次元形状物の製造装置を用いた製造方法を説明する。先ず、加工装置１０を用いて、所定材質のプレートＰを、上側および下側からそれぞれ上側工具１２および下側工具１４によって同時に加工することにより、プレートＰに板厚方向に貫通するスリットＳを形成する。このスリットＳは、図２に示すように、積層して作製する物体の特定の高さ位置の部分の形状に沿って形成される。スリットＳを物体の全周にわたって形成すると、その内側の部分が落ちてしまうので、所定のピッチで連結部Ｒを形成するように加工するように予めプログラムしておく。
【００１８】
スリットＳの切断面は、作製されるべき物体の形状に応じて加工される。すなわち、その部分の縦断面が曲面であれば、切断面は板厚方向において曲面になるように、工具を制御して加工がなされる。通常は、板厚の上側半分を上側工具で加工し、下側半分を下側工具で加工する。工具の特性により、板厚の中央に変曲点があるような曲面の加工はできないので、その場合は近似的な加工をして後に調整する。
【００１９】
次に、積層装置２０の積層室２２内において、昇降台３４上に既に積層してあるプレートＰ１のうち最上位のプレート片Ｐ１の端面をヒータ２４に近接させて保持し、所定温度に加熱して少なくとも部分的に溶融させる。ヒータ２６によって物体の全体を溶融温度以下の所定温度に維持して、ヒータ２４による最上段部の溶融を補助する。そして、ローラ１６によって、スリット加工を施したプレートＰを積層室２２内に送り込み、プレート片Ｐ１を昇降台３４上の最上位のプレート片Ｐ１の上に位置決めする。
【００２０】
次に、ローラ３８によって、吸着板３６を積層室２２内のプレートＰの上側に移動し、昇降装置３４を作動させて昇降台３４を上昇させ、図３に示すように、吸着板３６と昇降台３４で最上段のプレート片Ｐ１とプレートＰを加圧して接合する。そして、吸着装置４２を作動してプレートＰを吸着板３６の下面に吸着させつつ昇降装置３４を作動させて昇降台３４を下降させ、プレートＰの連結部Ｒを破断する。これにより、プレートＰのうちプレート片Ｐ１に融着した部分は下降し、吸着板３６には不用部分が残る。
【００２１】
次に、ローラ３８によって、吸着板３６を積層室２２内から収納容器４０上に移動した後、吸着力を解除して収納容器４０内にプレートＰの不用部分を落下させる。以下、上記工程を繰り返してプレート片Ｐ１を順次積層接合し、所定の３次元形状物を形成する。
【００２２】
なお、上記実施の形態では、吸着装置として真空装置による吸引力を用いたが、これに限らず、例えば、静電力あるいは磁気力を用いた装置でも良く、要はプレートを保持できれば良い。
【００２３】
【実施例】
以下、図１乃至図３に示した３次元形状物の製造装置を用いて鋳造用木型を製造した実施例を説明する。先ず、多孔質ポリスチレンからなる長さが１０００ｍｍ、巾が１０００ｍｍ、板厚が１０ｍｍのプレートＰを複数用意し、一方、加工装置１０には作製すべき物体の形状寸法を所定の方法により入力して記憶させた。そして、加工装置１０において、エンドミルからなる上側工具１２および下側工具１４によって、各プレートＰを上側および下側から同時に加工し、作製する物体のそれぞれの高さ位置に相当する平面形状及び断面形状に沿ったスリットＳを板厚方向に貫通するように、かつ複数の連結部Ｒを残すようにして形成した。
【００２４】
順次加工される各プレートＰを、積層装置２０において順次積層した。すなわち、積層装置２０内のプレート片Ｐ１を、ニクロム線ヒータからなるヒータ２４およびヒータ２６によって加熱し、最上段のプレート変Ｐ１を温度１００℃に加熱して溶融した。そして、スリット加工を施したプレートＰをローラ１６によって積層室２２内のプレート片Ｐ１の上に位置するように移送し、ローラ３８をその上側に移動し、昇降装置３４を作動させて昇降台３４を上昇させる。これにより、図３に示すように、昇降台３４上の最上段のプレート片Ｐ１と吸着板３６に保持されたプレートＰを荷重１ｋｇ／ｃｍ２で１分間加圧し、両者を接合した。
【００２５】
次に、吸着装置４２によってプレートＰを吸着板３６の下面に吸着した状態で昇降装置３４を作動させて昇降台３４を下降させて連結部Ｒを破断し、吸着板３６に残った不用部分は、ローラ３８によって収納容器４０上に移動させた後、吸着力を解除して落下させた。以下、上記工程を繰り返してプレート片Ｐ１を順次積層接合し、鋳造用木型を製造した。これにより、短時間に鋳造用木型を製造できた。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製造に使用できる材料を多様化することができるとともに、滑らかな３次元曲面を有する３次元形状物、特に、ポンプケーシング用の木型のような内外の二重の殻構造を有するような複雑な形状の物体を簡単な工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の３次元形状物の製造装置を示す概略側面図である。
【図２】スリット加工されたプレートの平面図である。
【図３】プレート片を積層接合する接合工程を説明するための側面図である。
【図４】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
１０    加工装置
１２    上側工具
１４    下側工具
２０    積層装置
２４，２６    ヒータ（加熱装置）
２８    昇降装置
３６    吸着板
４０    収納容器
４２    吸着装置
５０    接合装置
５２    分離装置
５４    収納装置
Ｐ    プレート
Ｐ１    プレート片
Ｓ    スリット
Ｒ    連結部
【図１】
0004124303.tif 000002
【図２】
0004124303.tif 000003
【図３】
0004124303.tif 000004
【図４】
0004124303.tif 000005