JP2004255839A

JP2004255839A - インクジェット方式の三次元造形装置及びその造形法

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Publication number: JP2004255839A
Application number: JP2003052108A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Tamahashi; 邦裕玉橋; Tsutomu Maekawa; 勉前川; Hidetoshi Fujii; 秀俊藤井
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】本発明は、インクジェット方式の三次元造形装置で立体造形物を容易に作製する方法に係るもので、更に詳しくは造形後のモデル材とサポート材の分離法に関して両者の界面での剥離を容易にする装置及び方法に関するものである。
【解決手段】インクジェットヘッドの特性の異なる液体を容易に吐出できるという特徴を利用して、従来のサポート材とモデル材の間に離型性の特性を持ったサポート材を吐出、積層させた積層サポート材を考案し、従来のサポート材を破壊もしくは融解又は溶解させることなく、モデル材とサポート材の分離を容易にするものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット方式で立体造形物を容易に作製するの三次元造形装置及び造形方法に係るもので、更に詳しくは造形後のモデル材とサポート材の分離法に関して両者の界面での剥離を容易にする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
三次元造形する方法として、インクジェット方式で固体インクを用いて三次元造形する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、サポート材に固体インクを使用し、モデル材（造形材）にＵＶインクを用いて製品化するといった報告がなされている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第４，９９２，８０６号明細書
【非特許文献１】
日刊工業新聞社刊行，「型技術」，２００１年９月号，第１６巻，第１０号，Ｐ．４３−４５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、モデル材及びサポート材を用いて造形する三次元造形方法においては、製品となるモデル材を取り出すため、モデル材の周囲に存在する全サポート材を、有機溶媒を用いて溶解させるか、もしくは加熱して融解させなければならなかった。
【０００５】
例えば、図２に示すように、まず、サポート材用ノズル２４から固体インク２５を吐出させ、次いでモデル用ノズル２３からモデル材２７を吐出させる。そして、再度、サポート材用ノズル２４から固体インク１５を吐出させる。この工程を走査して、平面内に厚み数１０μｍの２．５次元の図形を描写させる。これを垂直軸方向に積層させて立体モデルを作製する。その後、モデル材２７と不用となるサポート材２５とを分離する。通常、サポート材２５は溶融させるか、薬液によって除去されるが、除去できなかった分、例えば図２のＡの領域は手作業で掻き取らなければならない。
【０００６】
しかしながら、昨今の環境負荷低減が叫ばれている状況下では、溶剤の使用を極力押さえこまなければならず、かつ省エネルギにも最大限注意を払わねばならなくなってきている。更に、手で掻き取るという効率の悪さを解消しない限り、三次元造形装置の普及は見込めない。
【０００７】
以上より、本発明は、三次元造形を行なった後、容易にモデル材とサポート材を分離させ得るアイディアの創生を課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
市販のインクジェットプリンタに見られるように当プリンタは４色から７色まで自由に吐出できる。このようにインクジェットは、特性の異なる液体を容易に吐出できる。この特徴を利用して、サポート材とモデル材の間に、離型性の特性を持った第２のサポート材を吐出、積層させた積層サポート材を考案し、従来のサポート材を全部融解又は溶解することなく、モデル材とサポート材の分離を容易にするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて説明する。
〔実施例１〕
まず、インクジェット方式の三次元造形装置について、図１の本発明の主要を構成する垂直断面図を用いて説明する。
【００１０】
図において、１はプリントヘッドである。このプリントヘッドの動作は、卑近な例として挙げれば、印刷に用いる市販の圧電素子方式のインクジェットプリントヘッドを想像すれば良い。そして、本発明では、市販のインクジェットプリンタで用いる水性インクの代わりに、室温ではクレヨンのように固体であるが、吐出時には加熱溶融させて融液にされることにより吐出可能な粘度となる固体インクや、紫外線硬化型インク等を用いる。
【００１１】
プリントヘッド１には、複数のノズルが設けられた３種類のノズル列が存在する。このうち、ノズル列２には離型性能を有する第２のサポート材、ノズル列３にはモデル材（造形材）、ノズル列４は造形物の型を形成する第１のサポート材となる液が蓄えられている。また、プリントヘッド１は図示しない移動手段により、図中、左右方向に往復移動し、この往復移動の過程で、夫々の材料を任意に吐出するよう制御されている。このプリントヘッド１によって作製された造形物８は、第２のサポート材７を介して第１のサポート材６に支持された状態で保持されている。
【００１２】
次に、インクジェット方式の三次元造形の製造方法について説明する。
【００１３】
図１において、最終的に製品となる部材はモデル材８である。三次元造形法では、造形前の事前準備として、対象とするモデルを水平面で薄くスライシングして２．５次元にデータ処理して積み上げていく手法を取っている。従って、形状が入り組んでいて出っ張っている個所には、その下側にサポート材６といわれる材料をあてがいながら積み上げていくようにデータ処理する。通常、スライシングする厚みは数１０μｍである。
【００１４】
図示しないコンピュータから、事前準備で２．５次元にスライスされたデータが送信されてくると、図示しない駆動手段でもって、ノズル列２、ノズル列３、ノズル列４の各ノズルから、夫々所定の液滴５が吐出されて、平面上に画像を描画する。ここで、各ノズル列の吐出液量は、液滴の凝固時に数１０μｍの厚みとなるように調整される。本発明のように、固体インクや紫外線硬化型インクを用いると、吐出した液滴が盛り上がった状態となり、これを積み重ねていくことで立体像を形成させる。
【００１５】
図３に、各液滴の吐出工程及び吐出された液滴の状態を示す。まず、第１のサポート材用ノズル列４から固体インク１５を吐出させる。次いで、第２のサポート材用ノズル２列から離型剤を含んだ液１６を吐出させる。本例では、離型剤としてフッ素系離型剤を用いた。更に、モデル材用ノズル列３からモデル材１７を吐出させる。そして、再度、第２のサポート材用ノズル列２から離型剤を含んだ液１６を吐出後、第１のサポート材用ノズル列４から固体インク１５を吐出させる。この工程により、平面内に厚み数１０μｍの２．５次元の図形を描写させる。これを垂直軸方向に積層させて立体モデルを作製すると、図１のような造形物が作られる。その後、不用となる第１のサポート材６とモデル材８を分離させるが、従来法と異なり、図３のＢの領域に示すように、第１のサポート材１５とモデル材１７との境界には離型剤１６が介在するので、何らの溶剤を使用することなく、手作業であっても容易に分離できるようになる。
〔実施例２〕
本例では第１のサポート材４６とモデル材４８との分離を、冷却により行なう方法を検討した。
以下、図４を用いて説明する。
実施例１と同様の方法で作製したモデル材４８と第１のサポート材４６が未分離の状態の造形物を、−２５℃で設定されている冷凍庫４０に入れて硬化させた。ここで、第１のサポート材としては、モデル材よりも低温で脆化し易い材料を選定しておく。本実施例では、第１のサポート材にカルナバワックス等を主成分としたワックス系の材料、モデル材にはプロピレン樹脂を用いた。十分に冷えたと確認できた後、冷蔵庫から造形物を取り出し、機械的打撃を加えた。すると、第１のサポート材４６に多数のクラック４１が形成された。このようにして離型層となる第２のサポート材４７を介して、第１のサポート材４６をモデル材４８から容易に分離できる。このとき、第１のサポート材４６が固体の断片のため、掃除等の後処理が極めて容易になる。なお、本例では冷凍庫を用いて冷却したが、液体窒素に入れたり、冷凍圧縮空気を吹き付ける手法でも同等の効果を期待できる。
〔実施例３〕
本例では第２のサポート材のみを熱で溶解する方法を検討した。
まず、実施例１と同様の方法で造形物を形成するが、このとき第２のサポート材５７には、モデル材５８と第１のサポート材５６よりも低融点の成分を含んだ材料を用いた。また、造形の際には、図５に示すように、第１のサポート材５６の一部に第２のサポート材と同質の材料でドレイン用溝５２を形成した。造形物を作製した後、受け皿５３に入れて加熱炉内で造形物を加熱すると、低融点の成分を含んだ第２のサポート材５７のみが溶解し、第１のサポート材５６に予め設けたドレイン用溝５２から流出させることができた。これにより、第２のサポート材５７のみ溶解して、モデル材５８と第１のサポート材５６との境界にギャップが形成される。このギャップにより、第１のサポート材５６とモデル材５８とを容易に分離できる。
〔実施例４〕
本例では第２のサポート材のみを薬剤で溶解する方法を検討した。
まず、実施例１と同様の方法で造形物を形成するが、このとき第２のサポート材５７にはアセトンで容易に溶解する成分を含んだ材料を用い、モデル材５８と第１のサポート材５６にはアセトンで容易に溶解する成分を含めないようにした。また、造形の際には、図５に示すように、第１のサポート材５６の一部に第２のサポート材と同質の材料でドレイン用溝５２を形成した。造形物を作製した後、図５に示す様に、受け皿１３に入れて表面からアセトンを流したところ、第２のサポート材５７のみ溶解して、モデル材５８と第１のサポート材５６との境界にはギャップが形成された。このギャップにより、第１のサポート材５６とモデル材５８とを容易に分離できる。なお、本例では溶解用の薬剤としてアセトンを用いたが、第２のサポート材を選択的に溶解させる液体であれば、本実施例の主旨を達成できる。
〔実施例５〕
本実施例では第１のサポート材とモデル材との熱膨張差を利用して分離する方法について検討した。
造形物を作製する方法は実施例１と同様である。ここでは第１のサポート材を低熱膨張材にする手法について述べる。第１のサポート材として、固体インクに直径０．１μｍのシリカからなるフィラーを１０％添加し、表面張力、粘度等インクジェットで吐出可能となるように調整した。この調整により、第１のサポート材はモデル材よりも熱膨張係数が７ｐｐｍ小さくなった。なお、第２のサポート材はフッ素系離型剤を用いている。造形物を作製した後、図４に示した冷凍機を用いて−７０℃まで冷却したところ、モデル材が若干収縮し、第１のサポート材から容易に分離できた。なお、分離されたモデル材は室温に戻すと元の形状に戻る。
〔実施例６〕
本実施例では第２のサポート材のみを吸収する電磁波のエネルギで溶解する方法を検討した。
第２のサポート材には、電磁波を吸収するフィラーを添加した。本実施例ではカーボンの微粉末を１０％添加した。更に、第２のサポート材に前記フィラーを均一分散させて、なおかつ、表面張力、粘度等インクジェットで吐出可能な固体インクに調整した。
第２のサポート材にとして電磁波のエネルギを吸収させるためのフィラーを添加し、実施例１と同様の方法で造形物を作製した後、図６に示す様に５００ｋＨｚ高周波を印加して、誘導加熱方式で第２のサポート材６７の中のカーボンを加熱し、この熱で第２のサポート材６７を溶融させ、第１のサポート材６６に予め設けておいた第２のサポート材と同質の材料で形成されたドレイン用溝６２から、第２のサポート材６７のみを流出させる。第２のサポート材６７流出した結果、モデル材６８と第１のサポート材６６との境界にギャップが形成される。その後は主サポート材を割ることによって容易にモデル材と分離できる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明により、三次元造形法の最終工程であるモデル材とサポート材との分離を簡易化できるので、三次元造形法を普及できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主要部位を構成する三次元造形装置の概略図である。
【図２】従来法によるサポート材、モデル材用液の滴下順序を示す説明図である。
【図３】本発明による主サポート材、副サポート材、モデル材用液の滴下順序を示す説明図である。
【図４】実施例２の製造方法を説明する概略図である。
【図５】実施例３の製造方法を説明する概略図である。
【図６】実施例６の製造方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
１はプリントヘッド、２は第２のサポート材用インクジェットノズル、３はモデル材用インクジェットノズル、４は第１のサポート材用インクジェットノズル、５は吐出液滴、６は第１のサポート材、７は第２のサポート材、８はモデル材、９はプリントヘッドの走査方向、１０は恒温炉、１１はクラック、１２はドレイン用第２のサポート材、１３はパレット、１４は電磁波発生器、１５は第１のサポート材用液滴、１６は第２のサポート材用液滴、１７はモデル材用液滴である。

Claims

製品となるモデル材と、三次元造形物の作製時にモデル材の支持材となるサポート材を、複数のノズルを有するインクジェットヘッドで作製する三次元造形装置において、モデル材を吐出するノズルと、第１のサポート材を吐出するノズルと、離型性能を有する第２の副サポート材を吐出するノズルを備えたことを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項１記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、モデル材もしくは主サポート材と、密着性、機械的特性、熱的特性、化学的特性、光学的特性において、実用上、分離可能な特性差を有する材料であることを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、シリコーン系またはフッ素系材料が成分として含まれていることを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、前記モデル材及び前記第１のサポート材の融点より低い融点の物質が含まれていることを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、前記モデル材及び前記第１のサポート材より低い破壊強度を有することを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、前記モデル材より小さな熱膨張係数であることを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、無機材料からなるフィラーが添加されていることを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、電磁波の吸収係数の大きい材料が添加されていることを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項２記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第２のサポート材は、前記モデル材及び前記第１のサポート材には不溶である溶剤に溶解され得る成分を含むことを特徴とするインクジェット方式の三次元造形装置。
請求項１記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第１のサポート材をノズルから吐出後に、前記モデル材と接する面に前記第２のサポート材をノズル列から吐出させ、その後、モデル材を吐出させることにより三次元造形を行うことを特徴とするインクジェット方式の三次元造形法。
請求項６及び７のいずれかに記載されているインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第１のサポート材をノズル列から吐出後に、前記モデル材と接する面に前記第２のサポート材をノズル列から吐出させ、その後、モデル材を吐出させ、造形後、前記モデル材の形状が可逆可能な程度まで冷却して収縮させた後、前記第１のサポート材と前記モデル材とを分離することを特徴とするインクジェット方式の三次元造形法。
請求項４記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第１のサポート材をノズル列から吐出後に、前記モデル材と接する面に前記第２のサポート材をノズル列から吐出させ、その後、モデル材を吐出させ、造形後、前記第１のサポート材の融点以下で、かつ前記第２のサポート材の融点以上の温度に加熱することにより、前記第１のサポート材と前記モデル材とを分離することを特徴とするインクジェット方式の三次元造形法。
請求項８記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第１のサポート材をノズル列から吐出後に、前記モデル材と接する面に前記第２のサポート材をノズル列から吐出させ、その後、モデル材を吐出させ、造形後、前記電磁波の吸収係数の大きい材料の吸収したエネルギで前記第２のサポート材を軟化もしくは融解させることにより、前記第１のサポート材と前記モデル材とを分離することを特徴とするインクジェット方式の三次元造形法。
請求項９記載のインクジェット方式の三次元造形装置において、
前記第１のサポート材をノズル列から吐出後に、前記モデル材と接する面に前記第２のサポート材をノズル列から吐出させ、その後、モデル材を吐出させ、造形後、前記第２のサポート材を溶解する溶液に浸漬することにより、前記第１のサポート材と前記モデル材とを分離することを特徴とするインクジェット方式の三次元造形法。