JP2015074164A - Three-dimensional molding device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus and a three-dimensional modeling method.
三次元の立体物(以下「三次元造形物」)を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング(RP:Rapid Prototyping)と呼ばれる技術が知られている。この技術は、ひとつの三次元造形物の表面を3角形の集まりとして記述したデータ(STL(Standard Triangulated Language)フォーマットのデータ)により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して三次元造形物を造形する技術である。また、三次元造形物を造形する手法としては、溶融物堆積方式(FDM:Fused Deposition Molding)、インクジェット方式、インクジェットバインダ方式、光造形方式(SL:Stereo Lithography)、粉末焼結方式(SLS:Selective Laser Sintering)などが知られている。 A technique called rapid prototyping (RP) is known as a technique for modeling a three-dimensional solid object (hereinafter, “three-dimensional structure”). This technology calculates the cross-sectional shape sliced in the stacking direction based on the data (STL (Standard Triangulated Language) format data) that describes the surface of one 3D structure as a collection of triangles, and each layer is determined according to the shape. Is a technique for forming a three-dimensional structure by forming In addition, as a technique for modeling a three-dimensional structure, a melt deposition method (FDM: Fused Deposition Molding), an ink jet method, an ink jet binder method, an optical modeling method (SL: Stereo Lithography), a powder sintering method (SLS: Selective Molding) Laser Sintering) is known.
インクジェット方式による三次元造形方法としては、例えば、造形ステージに対してインクジェットヘッドから選択的に造形材料(例えば、光硬化性樹脂)を吐出する工程、その表面をローラー、ブレード等の手段により所定の厚さに平滑化する工程、及び当該造形材料を硬化させる工程(光硬化性樹脂の場合は光照射工程)によって一層分の造形材料層(硬化層)を形成し、この造形材料層を複数積層して三次元造形物を造形する技術が提供されている(例えば、特許文献1を参照)。このような方式によれば、造形材料を微小な液滴として吐出することにより高精細な造形材料層が形成されるため、これを積層することにより高精細な三次元造形物を造形することができる。また、インクジェットヘッドとして、複数の吐出ノズルが配列されたインクジェットヘッド(いわゆるラインヘッド)を使用することによって、大きな三次元造形物であっても比較的短時間で造形できるように工夫がされている。 As a three-dimensional modeling method using an inkjet method, for example, a step of selectively discharging a modeling material (for example, a photocurable resin) from an inkjet head to a modeling stage, the surface is predetermined by means such as a roller or a blade. A modeling material layer (cured layer) for one layer is formed by a process of smoothing to a thickness and a process of curing the modeling material (a light irradiation process in the case of a photocurable resin), and a plurality of the modeling material layers are stacked. Thus, a technique for modeling a three-dimensional structure is provided (for example, see Patent Document 1). According to such a method, since a high-definition modeling material layer is formed by discharging the modeling material as fine droplets, it is possible to model a high-definition three-dimensional model by laminating them. it can. In addition, by using an inkjet head (so-called line head) in which a plurality of ejection nozzles are arranged as an inkjet head, it has been devised so that even a large three-dimensional model can be modeled in a relatively short time. .
しかしながら、平滑化された造形材料層(N層目。以下、Nは自然数とする)の表面上に、次に形成される造形材料層(N+1層目)を積層した場合に、造形材料層間の界面における密着力が不十分となり、造形材料層の積層方向において三次元造形物の強度が低下するという問題があった。 However, when the modeling material layer (N + 1th layer) to be formed next is laminated on the surface of the smoothed modeling material layer (Nth layer, where N is a natural number), There was a problem that the adhesion at the interface was insufficient and the strength of the three-dimensional structure was lowered in the stacking direction of the modeling material layer.
本発明の目的は、三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供することである。 The objective of this invention is providing the three-dimensional modeling apparatus and the three-dimensional modeling method which can prevent the fall of the intensity | strength in the lamination direction of a three-dimensional modeling thing.
本発明に係る三次元造形装置は、
造形ステージ上に造形材料からなる造形材料層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形ステージに向けて前記造形材料を吐出することによって、前記造形材料層を形成する吐出部と、
前記吐出部により形成された前記造形材料層の表面を平滑化する平滑化部と、
前記平滑化部により平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部と、
前記硬化部の硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する粗面化部と、
を備えることを特徴とする。
The three-dimensional modeling apparatus according to the present invention is
A three-dimensional modeling apparatus that models a three-dimensional structure by sequentially forming and stacking modeling material layers made of modeling materials on a modeling stage,
By discharging the modeling material toward the modeling stage, a discharge unit that forms the modeling material layer;
A smoothing unit that smoothes the surface of the modeling material layer formed by the discharge unit;
A curing unit that performs a curing process that promotes curing of at least the surface of the modeling material layer smoothed by the smoothing unit;
A roughened portion for roughening the surface of the modeling material layer which has been hardened by the hardening treatment of the hardened portion;
It is characterized by providing.
本発明に係る三次元造形方法は、
造形材料からなる造形材料層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形方法であって、
前記造形材料層を形成する第1のステップと、
前記第1のステップにより形成された前記造形材料層の表面を平滑化する第2のステップと、
前記第2のステップにより平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う第3のステップと、
前記第3のステップの硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する第4のステップと、
を有することを特徴とする。
The three-dimensional modeling method according to the present invention is:
A three-dimensional modeling method for modeling a three-dimensional structure by sequentially forming and stacking modeling material layers made of modeling materials,
A first step of forming the modeling material layer;
A second step of smoothing the surface of the modeling material layer formed by the first step;
A third step of performing a curing process for advancing curing of at least the surface of the modeling material layer smoothed by the second step;
A fourth step of roughening the surface of the modeling material layer hardened by the curing treatment of the third step;
It is characterized by having.
本発明によれば、粗面化された造形材料層(N層目)の表面上に、次の造形材料層(N+1層目)が形成される。そのため、造形材料層(N層目)と造形材料層(N+1層目)との間における接触面積の増加や、造形材料層(N層目)の表面に造形材料層(N+1層目)を構成する造形材料が入り込むアンカー効果により、造形材料層間の密着力を向上させることができる。したがって、三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することができる。 According to the present invention, the next modeling material layer (N + 1th layer) is formed on the surface of the roughened modeling material layer (Nth layer). Therefore, the contact area between the modeling material layer (Nth layer) and the modeling material layer (N + 1th layer) is increased, and the modeling material layer (N + 1th layer) is formed on the surface of the modeling material layer (Nth layer). The adhesion effect between the modeling material layers can be improved by the anchor effect that the modeling material to enter enters. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in strength in the stacking direction of the three-dimensional structure.
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る三次元造形装置100の構成を概略的に示す図である。図2は、本実施の形態に係る三次元造形装置100の制御系の主要部を示す図である。図1、2に示す三次元造形装置100は、造形ステージ140上に造形材料(モデル材ともいう)からなる造形材料層を順に積層形成することによって、三次元造形物200を造形する。ここでは、造形材料として光硬化性樹脂を用いる場合について説明する。
Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a three-
三次元造形装置100は、制御部110、ヘッドブロック120、粗面化部128、移動機構130、造形ステージ140およびデータ入力部150を備えている。三次元造形装置100には、コンピューター装置160が接続されている。
The three-
データ入力部150は、造形対象物の3Dデータ(CADデータやデザインデータなど)を、造形対象物を設計するための、あるいは、三次元測定機を用いて実物を測定して得られた三次元情報に基づいて造形用のデータを生成するためのコンピューター装置160から取得し、制御部110に出力する。CADデータやデザインデータには、造形対象物の形状だけに限らず、造形対象物の表面の一部または全面および内部におけるカラー画像情報が含まれている場合もある。なお、3Dデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Bluetooth(登録商標)などの短距離無線通信を利用して取得しても良いし、USB(Universal Serial Bus)メモリなどの記録媒体を利用して取得しても良い。また、この3Dデータは、当該3Dデータを管理および保存するサーバーなどから取得しても良い。
The
制御部110は、CPU(Central Processing Unit)などの演算手段を有しており、データ入力部150から出力された3Dデータに基づいて、三次元造形物200を造形するための層毎のデータ(以下、「スライスデータ」と称する)を再構築する。また、制御部110は、三次元造形物200の造形動作中、三次元造形装置100全体の動作を制御する。例えば、造形材料を所望の場所に吐出するための機構制御情報を移動機構130に対して出力するとともに、ヘッドブロック120および粗面化部128に対してスライスデータを出力する。すなわち、制御部110は、ヘッドブロック120および粗面化部128と移動機構130とを同期させて制御する。
The
造形ステージ140は、ヘッドブロック120および粗面化部128の下方に配置される。造形ステージ140にはヘッドブロック120によって造形材料層が形成され、この造形材料層が積層されることにより三次元造形物が造形される。
The
ヘッドブロック120は、図3に示すように、吐出部122、平滑化部124および硬化部126を筐体121の内部に備える。インクジェット方式の吐出部122、平滑化部124および硬化部126は、この順で図3の右側からヘッドブロック120の内部に配置されている。
As shown in FIG. 3, the
吐出部122は、長手方向(副走査方向)に列状に配列された複数の吐出ノズルを有するインクジェット方式の吐出ヘッドである。吐出部122は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ140に向けて複数の吐出ノズルから造形材料の液滴を選択的に吐出する。この動作を、吐出部122を副走査方向にずらしながら複数回繰り返すことにより造形ステージ140上の所望の領域に造形材料層を形成する。このような吐出部122としては、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。なお、複数の吐出ノズルは、列状に配列されていれば良く、直線状に並んでいても良いし、ジグザグ配列で全体として直線状になるように並んでいても良い。
The
吐出部122は、造形材料を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、吐出部122として、粘度が5〜15[mPa・s]の範囲で造形材料を吐出できるものが採用されている。造形材料としては、特定波長の光が照射されることにより硬化する光硬化性材料が用いられる。光硬化性材料としては、例えば、特開2012−71611号公報で開示されている紫外線硬化性樹脂が挙げられ、アクリル酸エステルまたはビニルエーテル等のラジカル重合系紫外線硬化性樹脂や、エポキシまたはオキセタン等のモノマーやオリゴマーと、樹脂に応じた反応開始剤としてアセトフェノンやベンゾフェノン等とを組み合わせて使用するカチオン重合系紫外線硬化性樹脂を用いることができる。具体的には、Objet社製の紫外線硬化性樹脂「VeroWhite RDG835」、「VeroClear RDG810」、「VeroBlackPlus RDG875」等が挙げられる。本実施の形態では、紫外線硬化性樹脂を造形材料として用いるものとする。光硬化性材料は、硬化を進行させ得る特定波長の光を遮光部材やフィルターなどにより遮断しておくことで、吐出可能な状態で貯留することができる。造形材料は、吐出部122により造形ステージ140上に吐出されて造形材料層を形成する。造形材料層は、光照射による硬化処理が施されることにより半硬化する。ここで、半硬化とは、造形材料層が、層として形状を維持することができる程度の粘度を有するように硬化された状態をいう。
The
なお、吐出部122は、造形材料とともに、造形材料を支持する支持材料(サポート材ともいう)を吐出する構成としても良い。例えば、吐出部122に、造形材料用の吐出ノズルとは別の吐出ノズルを設け、この吐出ノズルから支持材料を吐出させても良いし、吐出部122とは別のインクジェットヘッド(図示せず)から支持材料を吐出させても良い。支持材料は、例えば造形対象物がオーバーハングする部位を有している場合等に、造形材料層の下層側に設けられ、少なくとも三次元造形物200の造形が完了するまでオーバーハングする部位を支持する。また、支持材料は、造形材料層に隣接して設けられて、造形される三次元造形物200を保護するものとしても良い。このような支持材料は、三次元造形物200の造形が完了した後に除去される。
In addition, the
平滑化部124は、制御部110の制御下において回転駆動可能な平滑化ローラー125と、回収部材131とを備えており、吐出部122により吐出された液滴表面に平滑化ローラー125を接触させ、過剰な液滴を掻き取って液滴表面の凹凸を平滑化する。ヘッドブロック120が基準位置に復帰する際に平滑化ローラー125が造形物に接触するのを防止するために、ヘッドブロック120内で平滑化ローラー125を鉛直方向に移動するための駆動機構123が設けられている。本実施の形態では、平滑化ローラー125は、表面に所定の平均粗さを有し、平滑化部124に対する造形材料層の表面の相対移動方向(図4の左方向)に対してカウンター方向(互いに対向する表面が逆方向へ移動する方向)に回転する。その結果、均一な層厚を有する造形材料層が形成される。造形材料層の表面が平滑化されることにより、次の造形材料層を精度良く形成して積層することができるので、高精度の三次元造形物200を造形することができる。平滑化ローラー125の表面に付着した造形材料は、平滑化ローラー125の近傍に設けられたブレードを備えた回収部材131によって掻き取られる。ブレードによって掻き取られた造形材料は、吐出部122に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンクに輸送されるものとしても良い。
The smoothing
硬化部126は、造形ステージ140に向けて吐出された光硬化性樹脂の液滴に硬化処理(光照射処理)を施して、半硬化させる。造形材料が紫外線硬化性材料である場合、硬化部126として、紫外線(UV)を放射するUVランプ(本実施の形態では、高圧水銀ランプ)が用いられる。なお、硬化部126としては、高圧水銀ランプの他に、低圧水銀灯、中圧水銀灯、超高圧水銀灯、カーボンアーク灯、メタルハライドランプ、キセノンランプまたは紫外線LEDランプ等を用いることができる。ここで、硬化部126の硬化処理により硬化した造形材料層の表面におけるユニバーサル硬さは、5(N/mm2)以上200(N/mm2)以下である。後述する粗面化ローラー128A(図4参照)が造形材料層の表面を粗面化するためには、当該表面が、流動せず形状の転写可能な状態となっている必要があるからである。
The
ユニバーサル硬さHUは、HU=F/(26.43×h2)(F:試験荷重[N]、h:試験荷重下での押し込み深さ[mm])により求めることができる。具体的には、超微小硬度計「H−100V」(フィッシャーインストルメント社製)を用い、ピラミッド型のダイヤモンド圧子(ビッカース圧子)を一定の荷重まで押し込み、その荷重(F)と押し込み深さ(h)のプロファイルから硬さを求める。測定は、以下の条件で行うことができる。 The universal hardness HU can be determined by HU = F / (26.43 × h 2 ) (F: test load [N], h: indentation depth under test load [mm]). Specifically, using a micro hardness tester “H-100V” (Fischer Instrument Co., Ltd.), a pyramid-type diamond indenter (Vickers indenter) is pushed to a certain load, and the load (F) and pushing depth The hardness is obtained from the profile of (h). The measurement can be performed under the following conditions.
測定機:微小硬度計「H−100V」(フィッシャーインストルメント社製)
圧子形状:ビッカース圧子(136°)
測定環境:20[℃]、60[%RH]
最大試験荷重:3[mN]
荷重速度:3[mN]/20[sec]
最大荷重クリープ時間:5.0[sec]
除荷速度:3[mN]/20[sec]
なお、測定は各試料(造形材料層)とも副走査方向に均等間隔で5点の位置にて、主走査方向に均等間隔で3点の合計15点測定し、その平均値をユニバーサル硬さHUとする。
Measuring machine: Micro hardness tester "H-100V" (Fischer Instrument Co., Ltd.)
Indenter shape: Vickers indenter (136 °)
Measurement environment: 20 [° C.], 60 [% RH]
Maximum test load: 3 [mN]
Loading speed: 3 [mN] / 20 [sec]
Maximum load creep time: 5.0 [sec]
Unloading speed: 3 [mN] / 20 [sec]
In addition, each sample (modeling material layer) was measured at a total of 15 points at three points at equal intervals in the main scanning direction at five points at equal intervals in the sub-scanning direction, and the average value was measured as universal hardness HU. And
ヘッドブロック120は、一層分の造形材料層を形成する際、主走査方向に造形ステージ140上の一方の端部(主走査方向における走査の起点となる基準位置)から他方の端部(主走査方向における走査の終点となる基準位置)まで走査しながら、造形材料をスライスデータに基づいて各吐出ノズルから選択的に吐出する(第1動作)。次に、ヘッドブロック120は、造形材料の吐出を停止した状態で、主走査方向に造形ステージ140上の他方の端部から一方の端部まで走査して基準位置に戻る(第2動作)。第2動作の際、ヘッドブロック120の平滑化ローラー125と造形材料層の表面とが接触しないように、駆動機構123によって、平滑化ローラー125を一時的にヘッドブロック120内で鉛直方向上方に移動させ、第2動作完了後に平滑化ローラー125の鉛直方向の位置を元に戻す。なお、第2動作の際に、ヘッドブロック120を鉛直方向に移動させ得るように移動機構130を構成し、移動機構130によってヘッドブロック120を鉛直方向上方に一時的に移動させるように構成しても良いし、造形ステージ140を一時的に鉛直方向下方に移動するように構成しても良い。次に、ヘッドブロック120は、造形材料の吐出を停止したまま、吐出部122による造形材料の吐出位置が重ならないように副走査方向に移動する(第3動作)。第1動作〜第3動作を繰り返すことにより、造形ステージ140上の所定の領域を走査し、一層分の造形材料層を形成し積層することができる。なお、三次元造形物200が小さい場合は、第3動作を省略することができる。
When the head block 120 forms one layer of modeling material layer, the
粗面化部128は、図4に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化され、回転可能な粗面化ローラー128A(押圧部材)を筐体127の内部に備える。粗面化部128が基準位置に復帰する際に粗面化ローラー128Aが造形物に接触するのを防止するために、粗面化部128内で粗面化ローラー128Aを鉛直方向に移動するための駆動機構133が設けられている。粗面化ローラー128Aは、硬化部126の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。粗面化ローラー128Aは、表面粗さ(十点平均粗さ)が例えば0.5[μm]以上1.2[μm]以下となるように、造形材料層の表面を粗面化する。ここで、造形材料層表面の十点平均粗さは、JISB0601−1982に記載の十点平均粗さを意味する。すなわち、基準長さの標準値の距離間で上位から5つの山頂の平均高さと、下位から5つの谷底の平均低さとの差である。粗面化ローラー128Aの材質としては、造形材料層の表面を効果的に粗面化するため、樹脂よりも硬質な金属材料が好ましい。例えば、ステンレス鋼(例えば、SUS303)、鉄、アルミニウム、ニッケル、アルミニウム合金、ニッケル合金等の金属材料を挙げることができる。
As shown in FIG. 4, the
本実施の形態では、粗面化された粗面化ローラー128Aの表面粗さについて、断面曲線のスキューネス(Rsk)は、0<Rsk<3の範囲にある。スキューネスは、表面粗さの断面曲線の歪み度を指し、山部と谷部の非対称性を知る目安の統計量である。Rsk>0である場合、山部の先端が先鋭的な形状となり、谷部の幅が大きくなる。一方、Rsk<0である場合、谷部の先端が先鋭的な形状となり、山部の幅が大きくなる。Rsk>0である方が、造形材料層(N層目)の表面に造形材料層(N+1層目)を構成する造形材料が入り込むアンカー効果が高くなり、造形材料層間の密着力を向上させることができる。一方、Rskが3を超えて高くなりすぎると、造形材料層(N層目)の表面に造形材料が十分に入り込まず空隙が生じるため、造形材料層間の密着力が却って低下してしまう。
In the present embodiment, the skewness (Rsk) of the cross-sectional curve is in the range of 0 <Rsk <3 with respect to the surface roughness of the roughened
スキューネス(Rsk)は、JISB0031の定義に準ずるものであり、下記式で表される。 The skewness (Rsk) conforms to the definition of JISB0031 and is represented by the following formula.
Rq:二乗平均平方根粗さ
lr:X軸方向の長さ
Z(x):x位置でのZ軸方向の高さ
また、スキューネス(Rsk)の測定は、以下の測定条件で行う。
Rq: root mean square roughness lr: length in the X-axis direction Z (x): height in the Z-axis direction at the x position Skewness (Rsk) is measured under the following measurement conditions.
測定機:表面粗さ計(東京精密社製 Surfcom 1400D)
測定長さL:8.0[mm]
カットオフ波長λc:0.08[mm]
触針先端形状:先端角度60°円錐
触針先端半径:0.5[μm]
測定速度:0.3[mm/sec]
測定倍率:100000倍
測定位置:粗面化ローラー128Aにおいて回転軸心の中心と、回転軸心と端部との中
間点の3カ所)
上記3カ所の平均値を、本実施の形態におけるスキューネス(Rsk)の値とする。
Measuring machine: Surface roughness meter (Surfcom 1400D manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.)
Measurement length L: 8.0 [mm]
Cut-off wavelength λc: 0.08 [mm]
Stylus tip shape: cone with a tip angle of 60 ° Stylus tip radius: 0.5 [μm]
Measurement speed: 0.3 [mm / sec]
Measurement magnification: 100,000 times Measurement position: Three points of the center of the rotation axis and the midpoint between the rotation axis and the end of the roughened
The average value of the three locations is set as the skewness (Rsk) value in the present embodiment.
粗面化ローラー128Aの表面に凹凸パターンを形成する方法としては、例えば切削加工により形成することができ、切削加工のバイト形状を変えることにより、または、バイトの押し込み角度、押し込み深さおよび回転数を適宜選択すること等により、単純なものから複雑なものまで、自由に凹凸パターン形状を刻むことができる。
As a method of forming a concavo-convex pattern on the surface of the
切削加工のバイトとしては、荒加工では通常、多結晶ダイヤモンド焼結体からなるバイトが用いられ、仕上げ加工では単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンド焼結体からなるバイトが用いられる。単結晶ダイヤモンドからなるバイトとしては、ノーズ形状は平、Rのどちらを用いても良い。ノーズ形状がR形状の場合、ノーズの丸みの半径Rは10〜30[mm]程度のものを使用することが好ましい。多結晶ダイヤモンド焼結体からなるバイトとしては、ノーズ形状は平、Rのどちらを用いても良いが、粒度が0.2[μm]以上15[μm]以下のものを用い、バイトの切削面における研磨仕上げ粗さは最大粗さ(Rt)で0.3[μm]以上2.0[μm]以下となるように研磨することが好ましい。 As a cutting tool, a cutting tool made of a polycrystalline diamond sintered body is usually used in the roughing process, and a cutting tool made of a single crystal diamond or a polycrystalline diamond sintered body is used in the finishing process. As a bite made of single crystal diamond, either a flat shape or an R shape may be used. When the nose shape is an R shape, it is preferable to use a round nose radius R of about 10 to 30 [mm]. As a bite made of a polycrystalline diamond sintered body, either flat or R may be used as the nose shape, but a bite having a particle size of 0.2 [μm] or more and 15 [μm] or less is used. The polishing finish roughness is preferably such that the maximum roughness (Rt) is 0.3 [μm] or more and 2.0 [μm] or less.
粗面化ローラー128Aの表面に凹凸パターンを形成するためには、上記の切削加工を行った後、サンドブラスト、ドライアイスブラストおよび高圧ジェット水処理等を行い、これらの吹き付け強度を適宜選択して処理する必要がある。なお、切削加工については、特開2007−264379号公報、サンドブラスト法については、特開2000−105481号公報、特開2000−155436号公報、ドライアイスブラスト法については、特開2005−292565号公報、高圧ジェット水処理法については、特開2006−30580号公報等で開示されている方法を用いることができる。
In order to form a concavo-convex pattern on the surface of the
本実施の形態では、粗面化ローラー128Aは、造形材料層の表面との接触により、粗面化ローラー128Aに対する造形材料層の表面の相対移動方向(図4の左方向)に対してウィズ方向(互いに対向する表面が同一方向へ移動する方向)に従動回転する。ウィズ方向に回転させることにより、造形材料層の表面から造形材料が剪断されるように掻き取られることを防止して、造形材料層の表面に所期の凹凸を付与することができる。また、粗面化ローラー128Aを従動回転させることで、粗面化ローラー128Aを駆動する機構を不要とすることができ、また、造形材料層の表面に対する粗面化ローラー128Aの押圧力の増大を回避し、粗面化しづらくなるのを防止しやすくなる。粗面化ローラー128Aの押圧力を増大させない観点からは、粗面化ローラー128Aの回転速度と粗面化ローラー128Aの走査速度とを一致させて、粗面化ローラー128Aを駆動回転させても良い。
In this embodiment, the
なお、粗面化ローラー128Aが造形材料層の表面を押圧することにより当該表面を粗面化するのではなく、例えば造形材料層の表面に高圧水を吹き付けて粗面化しても良い。
The
本実施の形態では、一層分の造形材料層を形成する際、粗面化部128は、ヘッドブロック120の後を追従して走査する。すなわち、粗面化部128は、主走査方向に造形ステージ140上の一方の端部(主走査方向における走査の起点となる基準位置)から他方の端部(主走査方向における走査の終点となる基準位置)まで走査しながら、硬化部126の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を粗面化する(第4動作)。次に、粗面化部128は、主走査方向に造形ステージ140上の他方の端部から一方の端部まで走査して基準位置に戻る(第5動作)。第5動作の際、粗面化部128と造形材料層の表面とが接触しないように、粗面化ローラー128Aを一時的に粗面化部128内で鉛直方向上方に移動させ、第5動作完了後に粗面化ローラー128Aの鉛直方向の位置を元に戻す。なお、第5動作の際に、粗面化部128を鉛直方向に移動させ得るように移動機構130を構成し、移動機構130によって粗面化部128を鉛直方向上方に一時的に移動させるように構成しても良いし、造形ステージ140を一時的に鉛直方向下方に移動するように構成しても良い。次に、粗面化部128は、吐出部122と共に副走査方向に走査する(第6動作)。第4動作〜第6動作を繰り返すことにより、造形ステージ140上の所定の領域を走査し、一層分の造形材料層の表面を粗面化することができる。なお、三次元造形物200が小さい場合は、第6動作を省略することができる。また、粗面化部128は、第4動作では三次元造形物200に接触しないように粗面化ローラー128Aを鉛直方向上方に移動させておき、第5動作で基準位置に戻る際に造形材料層の表面を粗面化するようにしても良い。また、第4動作及び第5動作の両方で粗面化を行うようにしてもよい。さらに、ヘッドブロック120による、複数層の形成毎に粗面化動作を行うようにしてもよい。
In the present embodiment, when forming a modeling material layer for one layer, the
移動機構130は、ヘッドブロック120および粗面化部128と造形ステージ140との相対位置を3次元で変化させる。具体的には、移動機構130は、図1に示すように、ヘッドブロック120および粗面化部128に係合する主走査方向ガイド132と、主走査方向ガイド132を副走査方向に案内する副走査方向ガイド134と、造形ステージ140を鉛直方向に案内する鉛直方向ガイド136とを備え、さらに図示しないモーターや駆動リール等からなる駆動機構を備えている。移動機構130は、制御部110から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、ヘッドブロック120および粗面化部128を主走査方向および副走査方向に自在に移動させる(図1を参照)。より具体的には、ヘッドブロック120を造形のために主走査方向に一定速度で移動させるとともに、造形材料層の粗面化のために粗面化部128を一定速度で主走査方向に移動させる。また、ヘッドブロック120及び粗面化部128が互いに移動を阻害しないように、一方の移動に先だって他方を両者が干渉しない位置に移動させる。また、大きな三次元造形物200を造形するために、ヘッドブロック120及び粗面化部128を副走査方向に移動させる。なお、移動機構130は、ヘッドブロック120および粗面化部128の位置を固定し、造形ステージ140を主走査方向および副走査方向に移動させることで、ヘッドブロック120および粗面化部128と、造形ステージ140との相対位置を変化させるように構成しても良いし、双方を可変に構成してもよい。また、2つの主走査方向ガイド132を設けて、当該2つの主走査方向ガイド132のそれぞれにヘッドブロック120および粗面化部128のそれぞれが係合するように構成しても良い。
The moving
また、移動機構130は、制御部110から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、造形ステージ140を鉛直方向下方に移動させてヘッドブロック120および粗面化部128と三次元造形物200との間隔を調整する(図1を参照)。すなわち、造形ステージ140は、移動機構130によって鉛直方向に移動可能に構成されており、造形ステージ140上にN層目の造形材料層が形成された後、造形材料層の一層分の厚さに応じた距離(積層ピッチ)だけ鉛直方向下方に移動する。そして、造形ステージ140上にN+1層目の造形材料層が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に再び移動する。なお、移動機構130は、造形ステージ140の鉛直方向位置を固定し、ヘッドブロック120および粗面化部128を鉛直方向上方に移動させても良いし、双方を移動させても良い。
In addition, the moving
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置100は、造形ステージ140に向けて造形材料を吐出することによって、造形材料層を形成する吐出部122と、吐出部122により形成された造形材料層の表面を平滑化する平滑化部124と、平滑化部124により平滑化された造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部126と、硬化部126の硬化処理により硬化の進んだ造形材料層の表面を粗面化する粗面化部128とを備える。
As described above in detail, in the present embodiment, the three-
このように構成した本実施の形態によれば、粗面化された造形材料層(N層目)の表面上に、次の造形材料層(N+1層目)が形成される。そのため、造形材料層(N層目)と造形材料層(N+1層目)との間における接触面積の増加や、造形材料層(N層目)の表面(微細な凹凸)に造形材料層(N+1層目)を構成する造形材料が入り込むアンカー効果により、造形材料層間の密着力を向上させることができる。したがって、三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することができる。 According to the present embodiment configured as described above, the next modeling material layer (N + 1th layer) is formed on the surface of the roughened modeling material layer (Nth layer). Therefore, an increase in the contact area between the modeling material layer (Nth layer) and the modeling material layer (N + 1th layer), and the modeling material layer (N + 1) on the surface (fine irregularities) of the modeling material layer (Nth layer) Due to the anchor effect that the modeling material constituting the layer) enters, the adhesion between the modeling material layers can be improved. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in strength in the stacking direction of the three-dimensional structure.
なお、上記実施の形態において、造形材料に熱硬化性材料を用い、抵抗発熱体等により発熱する加熱部がUVランプの代わりに、当該造形材料を加熱することによって硬化処理を行う硬化部126として機能しても良い。造形材料に熱硬化性材料を用いた場合にも、「発明が解決しようとする課題」において説明したような問題、すなわち造形材料層の積層方向において三次元造形物の強度が低下するという問題が発生するからである。
In the above-described embodiment, a thermosetting material is used as the modeling material, and the heating unit that generates heat by the resistance heating element or the like is used as the
また、上記実施の形態では、ヘッドブロック120と粗面化部128とを別体化する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ヘッドブロック120と粗面化部128とを一体化しても良い。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which separates the
また、上記実施の形態では、粗面化部128が粗面化ローラー128Aを内部に備える例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、粗面化部128は、図5に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化され、制御部110の制御下において回転駆動可能なベルト部材128B(押圧部材)を筐体127の内部に備えても良い。ベルト部材128Bは、硬化部126の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。ベルト部材128Bは、ベルト部材128Bに対する造形材料層の表面の相対移動方向(図5の左方向)に対してウィズ方向に回転する。
Moreover, although the
また、粗面化部128は、図5に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化され、制御部110の制御下において回転駆動可能なベルト部材128B(押圧部材)を内部に備えても良い。ベルト部材128Bは、硬化部126の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。ベルト部材128Bは、ベルト部材128Bに対する造形材料層の表面の相対移動方向(図5の左方向)に対してウィズ方向に回転する。粗面化部128内にはベルト部材128Bを鉛直方向に移動させるための駆動機構133が設けられている。
Further, as shown in FIG. 5, the roughened
また、粗面化部128は、図6に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化された板状部材128C(押圧部材)と、板状部材128Cを図中上下方向に案内する案内ガイド129とを内部に備えても良い。板状部材128Cは、硬化部126の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。図6Aは、板状部材128Cが造形材料層の表面を押圧する前に、基準位置に位置している状態を示している。この状態では、一層分の造形材料層の形成は終了しているものとする。図6Bは、板状部材128Cが案内ガイド129を介して図中下方向に移動し、造形材料層の表面を押圧している状態を示している。
Further, as shown in FIG. 6, the roughened
その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 In addition, each of the above-described embodiments is merely an example of actualization in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist or the main features thereof.
最後に、上記実施の形態の構成(変形例を含む)における効果を確認するための評価実験(実施例1〜9、比較例1,2)を行ったので説明する。図7は、実施例および比較例における評価実験の結果を表す表である。本評価実験では、造形材料として紫外線硬化性樹脂「VeroWhite RDG835」を用いて、インクジェットヘッドから造形材料を吐出し、表面に1.2μmの平均表面粗さを有する平滑化ローラーで平滑化した後、高圧水銀ランプを用いて光照射した。この後、予め準備した粗面化部材を用いて粗面化した。これらの動作を繰り返すことで造形材料からなる造形材料層を順に積層形成し、所定形状の三次元造形物を造形して試験片とした。ここで、粗面化部材としては、加工用のバイト形状を変化させることでスキューネスを異ならせたSUS303製の、ローラー4種類、ベルト1種類、押圧板1種類を用いた。そして、高圧水銀ランプの光量を変化させ、各押圧部材と図7に示す組み合わせで造形を行い、実施例1〜9の試験片を得た。そして、粗面化後における造形材料層表面の十点平均粗さと、試験片の破断強度とを測定した。また、同じ手順で試験片と同じ高さの積層物を得た後、粗面化前における造形材料層のユニバーサル硬さを測定した。 Finally, evaluation experiments (Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2) for confirming the effects in the configuration of the above-described embodiment (including modifications) will be described. FIG. 7 is a table showing the results of evaluation experiments in Examples and Comparative Examples. In this evaluation experiment, UV curable resin “VeroWhite RDG835” was used as a modeling material, and the modeling material was discharged from the inkjet head and smoothed with a smoothing roller having an average surface roughness of 1.2 μm on the surface. Light irradiation was performed using a high-pressure mercury lamp. Then, it roughened using the roughening member prepared previously. By repeating these operations, a modeling material layer made of modeling material was sequentially laminated, and a three-dimensional modeled object having a predetermined shape was modeled to obtain a test piece. Here, as the roughening member, four types of rollers, one type of belt, and one type of pressing plate made of SUS303 having different skewnesses by changing the shape of the cutting tool were used. And the light quantity of the high pressure mercury lamp was changed, and it modeled with each press member and the combination shown in FIG. 7, and obtained the test piece of Examples 1-9. And the ten-point average roughness of the modeling material layer surface after roughening and the breaking strength of a test piece were measured. Moreover, after obtaining a laminate having the same height as the test piece in the same procedure, the universal hardness of the modeling material layer before the roughening was measured.
三次元造形物としての試験片の破断強度を測定するために、本評価実験では、引っ張り方向を積層方向として下記寸法のダンベル形状の試験片を作製した。その後、東洋精機社製「テンシロンUTM−III」を用いて、作製した試験片を50[mm/min]の速さで伸長し、試験片が破断したときの破断強度[MPa]を測定した(ISO 527−1(JIS K 7161))。破断強度の値として、5つの測定値の平均を算出した。そして、実施例1〜9、比較例1、2の試験片の破断強度を下記評価基準により評価した。◎、○、△を実用に適するものとした。 In order to measure the breaking strength of the test piece as a three-dimensional structure, in this evaluation experiment, a dumbbell-shaped test piece having the following dimensions was prepared with the tensile direction as the stacking direction. Thereafter, using “Tensilon UTM-III” manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd., the produced test piece was stretched at a speed of 50 [mm / min], and the breaking strength [MPa] when the test piece was broken was measured ( ISO 527-1 (JIS K 7161)). The average of the five measured values was calculated as the value of the breaking strength. And the breaking strength of the test piece of Examples 1-9 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated by the following evaluation criteria. ◎, ○, and △ were made suitable for practical use.
(試験片(平行部)の寸法)
長さ:80[mm]
幅:10[mm]
厚み:1[mm]
つかみ間隔:115[mm]
(Dimension of test piece (parallel part))
Length: 80 [mm]
Width: 10 [mm]
Thickness: 1 [mm]
Grasp interval: 115 [mm]
(試験片の破断強度)
◎:30以上
〇:20以上30未満
△:10以上20未満
×:10未満
(Break strength of test piece)
A: 30 or more O: 20 or more and less than 30 Δ: 10 or more and less than 20 ×: Less than 10
図7に示すように、実施例1〜9では、比較例1,2に対して破断強度が向上し、三次元造形物としての試験片の積層方向における強度の低下を防止することができるという上記実施の形態の効果を得ることができた。 As shown in FIG. 7, in Examples 1 to 9, the breaking strength is improved with respect to Comparative Examples 1 and 2, and it is possible to prevent a decrease in strength in the stacking direction of the test piece as a three-dimensional structure. The effect of the said embodiment was able to be acquired.
100 三次元造形装置
110 制御部
120 ヘッドブロック
122 吐出部
124 平滑化部
126 硬化部
128 粗面化部
128A 粗面化ローラー
128B ベルト部材
128C 板状部材
129 案内ガイド
130 移動機構
132 主走査方向ガイド
134 副走査方向ガイド
136 鉛直方向ガイド
140 造形ステージ
150 データ入力部
160 コンピューター装置
200 三次元造形物
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記造形ステージに向けて前記造形材料を吐出することによって、前記造形材料層を形成する吐出部と、
前記吐出部により形成された前記造形材料層の表面を平滑化する平滑化部と、
前記平滑化部により平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部と、
前記硬化部の硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する粗面化部と、
を備えることを特徴とする三次元造形装置。 A three-dimensional modeling apparatus that models a three-dimensional structure by sequentially forming and stacking modeling material layers made of modeling materials on a modeling stage,
By discharging the modeling material toward the modeling stage, a discharge unit that forms the modeling material layer;
A smoothing unit that smoothes the surface of the modeling material layer formed by the discharge unit;
A curing unit that performs a curing process that promotes curing of at least the surface of the modeling material layer smoothed by the smoothing unit;
A roughened portion for roughening the surface of the modeling material layer which has been hardened by the hardening treatment of the hardened portion;
A three-dimensional modeling apparatus comprising:
前記硬化部は、前記造形材料に光を照射することによって硬化させることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の三次元造形装置。 The modeling material is a modeling material having photocurability,
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 1, wherein the curing unit is cured by irradiating the modeling material with light.
前記造形材料層を形成する第1のステップと、
前記第1のステップにより形成された前記造形材料層の表面を平滑化する第2のステップと、
前記第2のステップにより平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う第3のステップと、
前記第3のステップの硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する第4のステップと、
を有することを特徴とする三次元造形方法。 A three-dimensional modeling method for modeling a three-dimensional structure by sequentially forming and stacking modeling material layers made of modeling materials,
A first step of forming the modeling material layer;
A second step of smoothing the surface of the modeling material layer formed by the first step;
A third step of performing a curing process for advancing curing of at least the surface of the modeling material layer smoothed by the second step;
A fourth step of roughening the surface of the modeling material layer hardened by the curing treatment of the third step;
A three-dimensional modeling method characterized by comprising:
11. The three-dimensional modeling method according to claim 10, wherein a skewness (Rsk) of a cross-sectional curve of the pressing member is in a range of 0 <Rsk <3.
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