JP6879802B2 - 三次元積層造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元積層造形装置に関する。

粉体材料の層形成と、粉体材料の層における所定部分の固化とを繰り返すことにより、三次元造形物を製造する積層造形装置が知られている。

そのような積層造形装置として、例えば、粉体材料としての砂を貯留するリコータユニットと、砂を結合させるバインダを吐出するプリントヘッドユニットとを備える積層造形装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

そして、そのような積層造形装置では、リコータユニットが、移動するとともに砂を造形テーブルの上に撒いて砂層を形成した後、プリントヘッドユニットが、砂層の上にバインダを吐出・塗布して、砂層のバインダ塗布部分を固化する。

特開２０１５−１８９０３５号公報

しかるに、特許文献１に記載の積層造形装置では、リコータユニット内部において、砂が均一に貯留されずに偏る場合がある。この場合、リコータユニットが砂を撒いて砂層を形成すると、リコータユニット内部の砂の偏りに起因して、砂層の厚みが不均一となり、精度よく造形できないおそれがある。

そこで、本発明は、粉体材料を精度よく層状に形成でき、造形物の精度の向上を図ることができる三次元積層造形装置を提供する。

本発明［１］は、粉体材料を層状に形成した後、前記粉体材料の層を固めることを繰り返して造形する三次元積層造形装置であって、前記粉体材料を貯留可能であり、貯留される前記粉体材料を層状となるように排出する排出部と、前記排出部の動作を制御する制御部と、を備え、前記排出部は、前記粉体材料を貯留可能な容器と、前記容器に対して回転可能であり、前記容器内の前記粉体材料を回転軸線の延びる方向に搬送するスクリュー部材と、を備え、前記制御部は、前記スクリュー部材の回転方向を、第１の回転方向と、前記第１の回転方向と逆方向である第２の回転方向とに切り替え可能に制御する、三次元積層造形装置を含んでいる。

しかるに、図３Ａに示すように、排出部の容器は、粉体材料が供給されることにより、粉体材料を貯留する。容器に貯留される粉体材料は、容器に形成される供給口の近傍に偏る場合がある。そこで、図３Ｂに示すように、容器にスクリュー部材を設けて、粉体材料を搬送することが検討される。

しかし、粉体材料をスクリュー部材により搬送すると、粉体材料の搬送方向の下流側部分に粉体材料が溜まり、容器内部において粉体材料を均一に貯留できない場合がある。

一方、上記の構成によれば、制御部が、スクリュー部材の回転方向を、第１の回転方向と、第１の回転方向と逆方向である第２の回転方向とに切り替え可能に制御する。そのため、スクリュー部材を第１の回転方向に回転させて、粉体材料を回転軸線の延びる方向の一方側から他方側に向けて搬送した後に、スクリュー部材の回転方向を第２の回転方向に切り替えて、粉体材料を回転軸線の延びる方向の他方側から一方側に搬送することができる。これにより、容器内部に粉体材料を均一に貯留することができる。その結果、排出部が粉体材料を精度よく層状に形成でき、造形物の精度の向上を図ることができる。

本発明の三次元積層造形装置によれば、粉体材料を精度よく層状に形成でき、造形物の精度の向上を図ることができる。

図１は、本発明の三次元積層造形装置の一実施形態としての３Ｄプリンタの平面図である。 図２は、図１に示すリコータのＡ−Ａ断面図である。 図３Ａは、図１に示すリコータのＢ−Ｂ断面図であって、粉体材料が供給口の近傍に偏った状態を示す。図３Ｂは、図３Ａに続いて、粉体材料がスクリュー部材により搬送された状態を示す。図３Ｃは、図３Ｂに続いて、粉体材料が容器内部に均一に貯留された状態を示す。 図４Ａは、図２に示す３Ｄプリンタの斜視図であって、リコータが第１粉体材料層を形成する工程を示す。図４Ｂは、図４Ａに示す工程を説明するための説明図である。 図５Ａは、図２に示す３Ｄプリンタの斜視図であって、ジェットヘッドが第１粉体材料層にバインダを供給する工程を示す。図５Ｂは、図５Ａに示す工程を説明するための説明図である。 図６Ａは、図５Ｂに続いて、第１粉体材料層上に第２粉体材料層を形成する工程を示す。図６Ｂは、図６Ａに続いて、第２粉体材料層にバインダを供給する工程を示す。 図７Ａは、図６Ｂに続いて、粉体材料の層形成およびバインダの供給を順次繰り返し、造形物を造形する工程を示す。図７Ｂは、図７Ａに示す造形物の斜視図である。 図８は、図１に示すリコータに貯留される粉体材料の一実施形態としての鋳物砂の概略構成図である。

＜３Ｄプリンタ＞
図１〜図４Ｂを参照して、本発明の三次元積層造形装置の一実施形態としての３Ｄプリンタ１を説明する。

３Ｄプリンタ１は、３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて造形物を造形できる装置であって、粉体材料を層状に形成した後、粉体材料の層にバインダを供給して、粉体材料の層を固めることを繰り返して造形する。

図１に示すように、３Ｄプリンタ１は、造形ユニット１０と、排出部の一例としてのリコータ１３と、ジェットヘッド１４と、制御部２０とを備えている。
（１）造形ユニット
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、造形ユニット１０は、ジョブボックス１１と、ステージ１２と、支持軸１８とを備えている。

ジョブボックス１１は、平面視略矩形枠状を有しており、上下方向に延びている。ジョブボックス１１の上端部は、開放されている。

ステージ１２は、平面視略矩形の板状を有しており、ジョブボックス１１内に配置されている。ステージ１２は、上下方向に昇降可能な支持軸１８の上端部に固定されている。ステージ１２は、支持軸１８の昇降によりジョブボックス１１内において上下方向に移動可能である。
（２）リコータ
図３Ｃおよび図４Ｂに示すように、リコータ１３は、粉体材料を貯留可能であり、貯留される粉体材料を、ステージ１２上に層状となるように排出するように構成される。リコータ１３は、ステージ１２に対して間隔を空けて平行な状態で、ステージ１２の上方を通過するようにステージ１２の面方向の一方向に移動可能である。なお、以下において、リコータ１３が移動可能な方向を横方向（Ｘ方向）とし、横方向および上下方向の両方向と直交する方向を縦方向（Ｙ方向）とする。

図２および図３Ａに示すように、リコータ１３は、容器１５と、ブレード１６と、スクリュー部材２１とを備えている。

容器１５は、粉体材料を貯留可能である。容器１５は、下底が上底より短い断面台形状を有しており、縦方向に延びている。容器１５は、縦方向に互いに間隔を空けて配置される第１側壁１５Ａおよび第２側壁１５Ｂと、横方向に互いに間隔を空けて配置される第３側壁１５Ｃおよび第４側壁１５Ｄと、容器１５の下端部に位置する底壁１５Ｅと、容器１５の上端部に位置する上壁１５Ｆとを備える。

図３Ａに示すように、第１側壁１５Ａは、縦方向における容器１５の一端部に位置する。第２側壁１５Ｂは、縦方向における容器１５の他端部に位置する。

図２に示すように、第３側壁１５Ｃは、横方向における容器１５の一端部に位置する。第３側壁１５Ｃは、第１側壁１５Ａの横方向の一端部と、第２側壁１５Ｂの横方向の一端部とを連結する。第３側壁１５Ｃの下端部は、底壁１５Ｅと間隔を隔てて位置する。

第４側壁１５Ｄは、横方向における容器１５の他端部に位置する。第４側壁１５Ｄは、第１側壁１５Ａの横方向の他端部と、第２側壁１５Ｂの横方向の他端部とを連結する。

底壁１５Ｅは、第１側壁１５Ａの下端部と、第２側壁１５Ｂの下端部とを連結する。底壁１５Ｅは、第４側壁１５Ｄの下端部と連続する一方、第３側壁１５Ｃの下端部と間隔を隔てて位置する。

第３側壁１５Ｃの下端部と、底壁１５Ｅの横方向一端部と、第１側壁１５Ａおよび第２側壁１５Ｂとで、粉体材料を排出するための排出口１７を区画する。排出口１７は、第３側壁１５Ｃの下方に位置する。排出口１７は、容器１５の内外を連通する。排出口１７は、縦方向に延びる。排出口１７の縦方向の寸法は、ステージ１２の縦方向の寸法と略同じである。

上壁１５Ｆは、第１側壁１５Ａの上端部と、第２側壁１５Ｂの上端部とを連結する。上壁１５Ｆは、第３側壁１５Ｃの上端部と、第４側壁１５Ｄの上端部とを連結する。

図１に示すように、上壁１５Ｆは、粉体材料の供給を受け入れる供給口１９を有する。供給口１９は、縦方向における上壁１５Ｆの一端部に位置する。供給口１９は、図示しないが、粉体材料が収容されるタンクに接続されている。

図２に示すように、ブレード１６は、容器１５内に配置されている。ブレード１６は、容器１５に貯留される粉体材料が、所望せずに流出することを規制する。また、ブレード１６は、所望のタイミングで粉体材料が排出口１７から排出されるように振動可能である。ブレード１６は、側面視Ｌ字状を有しており、プレート１６Ａと、突出部１６Ｂとを有している。

プレート１６Ａは、第３側壁１５Ｃに沿うように配置されている。突出部１６Ｂは、第３側壁１５Ｃにおける排出口１７の上方近傍に位置する。突出部１６Ｂは、プレート１６Ａの下端部から、第４側壁１５Ｄに向かって突出している。突出部１６Ｂの遊端部（プレート１６Ａと反対側の端部）は、第４側壁１５Ｄに対して、横方向に間隔を隔てて配置されている。横方向における突出部１６Ｂの遊端部と第４側壁１５Ｄとの間の間隔Ｌは、例えば、０．３ｍｍ以上、好ましくは、０．７ｍｍ以上、例えば、６．０ｍｍ以下、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。

図３Ａに示すように、スクリュー部材２１は、容器１５内の粉体材料を縦方向（回転軸線の延びる方向の一例）に搬送するように構成される。スクリュー部材２１は、容器１５内に配置される。スクリュー部材２１は、軸部２２と、スクリュー羽根２３とを備える。

軸部２２は、縦方向に延びる略円柱形状を有する。縦方向における軸部２２の両端部は、第１側壁１５Ａおよび第２側壁１５Ｂに回転可能に支持される。

スクリュー羽根２３は、軸部２２の周面に設けられており、第１側壁１５Ａと第２側壁１５Ｂとの間に位置する。スクリュー羽根２３は、縦方向の一方側から他方側に向かって、右巻き（時計回り）に延びる螺旋形状を有する。

スクリュー部材２１は、縦方向に延びる軸線を中心として、容器１５に対して回転可能である。詳しくは、スクリュー部材２１は、第１の回転方向と、第１の回転方向と逆方向である第２の回転方向とに回転可能である。スクリュー部材２１は、第１の回転方向に回転したときに、容器１５内の粉体材料を縦方向（軸線の延びる方向の一例）の一方側から他方側に向かって搬送する。スクリュー部材２１は、第２の回転方向に回転したときに、容器１５内の粉体材料を縦方向の他方側から一方側に向かって搬送する。

（３）粉体材料
図３Ｃに示すように、粉体材料は、リコータ１３の容器１５に貯留される。詳しくは、粉体材料は、容器１５内部において、ブレード１６の突出部１６Ｂよりも上側の空間に貯留される。粉体材料は、特に制限されず、三次元積層造形に適用可能な公知の造形材料が挙げられる。粉体材料として、例えば、鋳物砂、樹脂粒子、セラミックス粒子、ガラス粉末などが挙げられ、好ましくは、鋳物砂が挙げられる。

鋳物砂として、例えば、砂（後述）と硬化剤（後述）との混合砂、図８に示す鋳物砂２などが挙げられ、好ましくは、図８に示す鋳物砂２が挙げられる。

図８に示すように、鋳物砂２は、砂３と、砂３を被覆する樹脂硬化物を含有する表面改質層４と、表面改質層４の表面に付着する硬化剤からなる硬化剤層５とを備える。

砂３として、例えば、天然珪砂、人工砂が挙げられる。

表面改質層４が含有する樹脂硬化物として、例えば、フラン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、レゾール型フェノール樹脂などが挙げられ、耐熱性の観点から好ましくは、フラン樹脂が挙げられる。

硬化剤層５の硬化剤は、例えば、後述するバインダを硬化させる酸触媒を含む。酸触媒として、例えば、脂肪族スルホン酸（例えば、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸など）、芳香族スルホン酸（例えば、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸など）、無機酸（例えば、硫酸、リン酸、塩酸など）、カルボン酸（例えば、マレイン酸、シュウ酸など）などが挙げられる。酸触媒は、単独使用または２種類以上併用することができる。

鋳物砂２は、砂と、上記の樹脂硬化物に対応する樹脂組成物とを混合した後、硬化剤を添加することにより調製できる。

（４）ジェットヘッド
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ジェットヘッド１４は、ステージ１２上に形成される粉体材料の層にバインダを供給するように構成される。ジェットヘッド１４は、図示しないが、バインダを収容するバインダタンクに接続されており、バインダタンクからバインダが補給される。ジェットヘッド１４は、ステージ１２に対して間隔を空けて平行な状態で、ステージ１２の上方を通過するように、縦方向および横方向に移動可能である。

バインダは、粉体材料を固めることができれば特に制限されない。バインダとして、例えば、フラン樹脂組成物、フェノール樹脂組成物、アルカリフェノール樹脂組成物などが挙げられ、好ましくは、フラン樹脂組成物などが挙げられる。

（５）制御部
図１に示すように、制御部２０は、リコータ１３およびジェットヘッド１４の動作を制御するように構成される。また、制御部２０は、スクリュー部材２１の回転方向を、第１の回転方向と、第２の回転方向とに切り替え可能である（図３Ａ〜図３Ｂ参照）。制御部２０は、リコータ１３およびジェットヘッド１４のそれぞれと電気的に接続される。また、制御部２０は、外部から送信される３Ｄ−ＣＡＤデータを受信可能である。

（６）３Ｄプリンタによる造形
次に、図３Ａ〜図７Ｂを参照して、３Ｄプリンタ１における造形方法を説明する。

３Ｄプリンタ１における造形方法は、容器１５内の粉体材料を略均一にする準備工程（図３Ａ〜図３Ｂ参照）と、粉体材料を層状に形成する層形成工程（図４Ａおよび図４Ｂ参照）と、粉体材料の層にバインダを供給して、粉体材料の層を固めるバインダ供給工程（図５Ａおよび図５Ｂ参照）とを含む。そして、少なくとも層形成工程とバインダ供給工程とを繰り返して、造形物を製造する（図６Ａ〜図７Ｂ参照）。

（６−１）準備工程
図３Ａに示すように、準備工程では、まず、粉体材料を、供給口１９を介して容器１５に供給する。そして、制御部２０は、粉体材料の供給後に、容器１５の内部において粉体材料が均一となるように、スクリュー部材２１を第１の回転方向Ｒ１に回転させた後、スクリュー部材２１を第２の回転方向Ｒ２に回転させる。

詳しくは、制御部２０は、粉体材料の供給開始から第１の時間Ｔ１が経過するまで、スクリュー部材２１を第１の回転方向Ｒ１に回転させる。これにより、スクリュー部材２１は、供給口１９の下方に堆積する粉体材料を、縦方向の他方側に向かって搬送する。

第１の時間Ｔ１は、第１の回転方向に回転するスクリュー部材２１が、容器１５の内部において、縦方向の一端部に位置する粉体材料を、縦方向の他端部まで搬送可能な時間である。

次いで、図３Ｂに示すように、制御部２０は、第１の時間Ｔ１が経過後、スクリュー部材２１の回転方向を、第１の回転方向Ｒ１を第２の回転方向Ｒ２に切り替える。そして、制御部２０は、回転方向の切り替えから第２の時間Ｔ２が経過するまで、スクリュー部材２１を第２の回転方向Ｒ２に回転させる。これにより、スクリュー部材２１は、容器１５の内部において、縦方向の他端部に溜まる粉体材料を、均一となるように、縦方向の一方側に向かって搬送する。

第２の時間Ｔ２は、第２の回転方向に回転するスクリュー部材２１が、容器１５の内部において、縦方向の他端部に溜まる粉体材料を均一となるように搬送可能な時間である。

その後、制御部２０は、必要により、スクリュー部材２１の回転方向を、第２の回転方向Ｒ２から第１の回転方向Ｒ１に切り替えて、上記の動作を繰り返す。

以上によって、図３Ｃに示すように、容器１５の内部において粉体材料が略均一となり、リコータ１３の準備が完了する。

（６−２）層形成工程
次いで、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、層形成工程では、制御部２０は、ブレード１６を僅かに振動させながら、粉体材料を貯留するリコータ１３を横方向に移動させる。すると、リコータ１３は、粉体材料を排出口１７からステージ１２上に層状となるように排出する（図２参照）。これにより、ステージ１２上に、第１粉体材料層２５（粉体材料の層）が形成される。

（６−３）バインダ供給工程
次いで、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、バインダ供給工程では、制御部２０は、受信した３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、ジェットヘッド１４により、第１粉体材料層２５のうち造形物となる部分にバインダを供給する。これにより、第１粉体材料層２５に、バインダが供給される第１供給部分２６が形成される。第１供給部分２６では、供給されたバインダが粉体材料を互いに接着する。これにより、第１供給部分２６が固められる。

なお、制御部２０は、バインダ供給工程と同時に、上記した準備工程を実施することができる。つまり、ジェットヘッド１４が第１粉体材料層２５にバインダを供給する間に、容器１５に粉体材料を補給し、容器１５内部において粉体材料を略均一とすることができる。

（６−４）層形成工程およびバインダ供給工程の繰り返し
次いで、図６Ａに示すように、ステージ１２が、第１粉体材料層２５の厚み分下降した後、リコータ１３が、第１粉体材料層２５上に、再度、粉体材料を層状となるように排出して、第２粉体材料層２７（粉体材料の層）を形成する。その後、図６Ｂに示すように、ジェットヘッド１４が、第２粉体材料層２７のうち砂型となる部分に、バインダを供給して、第２供給部分２８を形成する。

同様に、図７Ａに示すように、リコータ１３による粉体材料の層形成、および、ジェットヘッド１４によるバインダの供給を順次繰り返す。粉体材料の層形成がｎ回繰り返された場合、第１粉体材料層２５〜第ｎ粉体材料層が順次積層され、第１供給部分２６〜第ｎ供給部分が順次形成される。

その後、図７Ｂに示すように、粉体材料の層において、バインダが供給されていない部分を除去する。

以上によって、造形物３０が製造される。なお、図７Ａでは、便宜上、造形物３０の表面が段差を有するように示されているが、実際には、造形物３０の表面は、図７Ｂに示すように、略平滑に形成されている。

（７）作用効果
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、３Ｄプリンタ１では、制御部２０が、スクリュー部材２１の回転方向を、第１の回転方向Ｒ１と第２の回転方向Ｒ２とに切り替え可能に制御する。そのため、スクリュー部材２１を第１の回転方向Ｒ１に回転させて、粉体材料を縦方向の他方側に搬送した後に、スクリュー部材２１の回転方向を第２の回転方向Ｒ２に切り替えて、粉体材料を縦方向の一方側に搬送することができる。そのため、容器１５の内部に粉体材料を均一に貯留することができる。また、容器１５の内部において粉体材料が循環するので、粉体材料が、長期間排出されることなく滞留することを抑制できる。その結果、リコータ１３が粉体材料を精度よく層状に形成でき、造形物の精度の向上を図ることができる。

＜変形例＞
上記の実施形態では、第１の時間Ｔ１の開始のタイミング（つまり、スクリュー部材２１の第１の回転方向Ｒ１の開始のタイミング）が、粉体材料の容器１５に対する供給開始と同時であるが、第１の時間Ｔ１の開始のタイミングは、これに限定されない。例えば、粉体材料の容器１５に対する供給が完了した後に、第１の時間Ｔ１を開始して、スクリュー部材２１を第１の回転方向Ｒ１に回転させてもよい。

上記の実施形態では、第１の時間Ｔ１が経過後、スクリュー部材２１の回転方向を第２の回転方向Ｒ２に切り替えるが、回転方向の切り替えのタイミングは、これに限定されない。例えば、第１の回転方向Ｒ１と第２の回転方向Ｒ２との切り替えの間に、スクリュー部材２１の回転を所定時間停止させてもよい。詳しくは、第１の時間Ｔ１が経過後、スクリュー部材２１の回転を一旦停止した後、スクリュー部材２１を第２の回転方向Ｒ２に回転させることができる。

上記の実施形態では、制御部２０が、時間を基準として、スクリュー部材２１の回転方向の切り替えを制御するが、制御部２０の制御は、これに限定されない。例えば、制御部２０は、センサの検知結果に基づいて、スクリュー部材２１の回転方向の切り替えを制御してもよい。

このような変形例では、図３Ｂにおいて仮想線で示すように、３Ｄプリンタ１が、さらに、センサ５０を備える。また、容器１５の上壁１５Ｆは、センサ５０が容器１５内の粉体材料を検知するためのセンサ開口５１を有する。センサ開口５１は、縦方向における上壁１５Ｆの他端部に位置する。

そして、センサ５０が、センサ開口５１を介して、容器１５の内部における縦方向の他方側部分に溜まる粉体材料の量が所定量を超えたことを検知すると、制御部２０が、スクリュー部材２１の回転方向を、第１の回転方向Ｒ１から第２の回転方向Ｒ２に切り替える。なお、センサ５０が、センサ開口５１を介して、容器１５の内部における縦方向の他方側部分に粉体材料があることを検知した後、スクリュー部材２１の第１の回転方向Ｒ１への回転を所定時間維持し、次いで、スクリュー部材２１の回転方向を第２の回転方向Ｒ２に切り替えることもできる。

上記の実施形態では、３Ｄプリンタ１が、粉体材料の層にバインダを供給して固めるインクジェットタイプの三次元積層造形装置であるが、三次元積層造形装置は、これに限定されない。三次元積層造形装置は、粉体材料の層を溶融または焼結することにより固める溶融または焼結タイプの三次元積層造形装置であってもよい。この場合、三次元積層造形装置は、ジェットヘッド１４に代えて、粉体材料を溶融可能な溶融部または粉体材料を焼結可能な焼結部を備える。

これらによっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、これら実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。

１ ３Ｄプリンタ
１３ リコータ
１５ 容器
２０ 制御部
２１ スクリュー部材
Ｒ１ 第１の回転方向
Ｒ２ 第２の回転方向

Claims (1)

1. 粉体材料を層状に形成した後、前記粉体材料の層を固めることを繰り返して造形する三次元積層造形装置であって、
   前記粉体材料を貯留可能であり、貯留される前記粉体材料を層状となるように排出するリコータと、
   前記リコータの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記リコータは、
   前記粉体材料を貯留可能な容器と、
   前記容器に対して回転可能であり、前記容器内の前記粉体材料を回転軸線の延びる方向に搬送するスクリュー部材と、を備え、
   前記制御部は、前記スクリュー部材の回転方向を、第１の回転方向と、前記第１の回転方向と逆方向である第２の回転方向とに切り替え可能に制御することを特徴とする、三次元積層造形装置。
   

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