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TW201625405A - 三維造形裝置、及其控制方法、與其造形物 - Google Patents

三維造形裝置、及其控制方法、與其造形物 Download PDF

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TW201625405A TW104135925A TW104135925A TW201625405A TW 201625405 A TW201625405 A TW 201625405A TW 104135925 A TW104135925 A TW 104135925A TW 104135925 A TW104135925 A TW 104135925A TW 201625405 A TW201625405 A TW 201625405A
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Abstract

本發明提供一種即便於生成複合地使用複數種材料之造形物之情形時亦可使不同之複數種材料間之接合牢固的三維造形裝置、其控制方法及造形物。 該三維造形裝置之控制部係以如下方式控製造形頭：於第1層，第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且第1樹脂材料以外之樹脂材料於第1方向上連續地形成且排列於上述間隙。於第1層之上部之第2層，第1樹脂材料於與第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與第3方向交叉之第4方向上隔開間隙排列，並且第1樹脂材料以外之樹脂材料於第3方向上連續地形成且排列於上述間隙。

Description

三維造形裝置、及其控制方法、與其造形物
本發明係關於一種三維造形裝置、及其控制方法、與其造形物。
根據三維設計資料製造造形物之三維造形裝置藉由例如專利文獻1而眾所周知。作為此種三維造形裝置之方式，提出有光造形法、粉末燒結法、噴墨法、熔融樹脂擠出造形法等多種方式而製品化。
作為一例，於採用熔融樹脂擠出造形法之三維造形裝置中，將用於噴出成為造形物之材料之熔融樹脂之造形頭搭載於三維移動機構上，一面使造形頭於三維方向移動並噴出熔融樹脂一面使熔融樹脂積層而獲得造形物。除此以外，採用噴墨法之三維造形裝置亦具有將用於使加熱過之熱塑性材料滴下之造形頭搭載於三維移動機構上的構造。
於此種三維造形裝置中，於1個造形物中使用複數種材料例如於若干個文獻中被提出。但是，於生成此種複合地使用複數種材料之造形物之情形時，有不同之複數種材料間之接合較弱而引起層間剝離之可能性較高的問題。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2002-307562號公報
本發明之目的在於提供一種於生成複合地使用複數種材料之造形物之情形時亦可使不同之複數種材料間之接合牢固的三維造形裝置、其控制方法及造形物。
本發明之三維造形裝置包括：造形平台，其供載置造形物；升降部，其相對於上述造形平台至少可沿垂直方向移動；造形頭，其搭載於上述升降部而接受材料不同之複數種樹脂材料之供給；及控制部，其對上述升降部及上述造形頭進行控制。上述控制部係以如下方式控制上述造形頭：於第1層，上述複數種樹脂材料中之第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與上述第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第1樹脂材料以外之第2樹脂材料於上述第1方向上連續地形成且排列於上述間隙。上述控制部進而以如下方式控制上述造形頭：於上述第1層之上部之第2層，上述第1樹脂材料於與上述第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與上述第3方向交叉之第4方向上隔開間隙排列，並且上述第2樹脂材料於上述第3方向上連續地形成且排列於上述間隙。藉此，形成於上述第1層之上述第1樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料於上下方向接合。進而，形成於上述第1層之上述第2樹脂材料與形成於上述第2層之上述第2樹脂材料於上下方向接合。
又，本發明之造形物係包含複數種樹脂材料之造形物，且包含第1層與第2層。上述第1層包含如下部分：複數種樹脂材料中之第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與上述第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第1樹脂材料以外之第2樹脂材料於上述第1方向上連續地形成且排列於上述間隙。又，上述第1層之上部之第2層包含如下部分：上述第1樹脂材料於與上述第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與上述第3方向交叉之第4方 向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第2樹脂材料於上述第3方向上連續地形成且排列於上述間隙，藉此，形成於上述第1層之上述第1樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料於上下方向接合，且進而形成於上述第1層之上述第2樹脂材料與形成於上述第2層之上述第2樹脂材料於上下方向接合。
又，本發明之三維造形裝置之控制方法係具備造形頭之三維造形裝置之控制方法。於該方法中，以如下方式控制上述造形頭：於第1層，複數種樹脂材料中之第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與上述第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第1樹脂材料以外之第2樹脂材料於上述第1方向上連續地形成且排列於上述間隙。其次，以如下方式控制上述造形頭：於上述第1層之上部之第2層，上述第1樹脂材料於與上述第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與上述第3方向交叉之第4方向上隔開間隙排列，並且上述第2樹脂材料於上述第3方向上連續地形成且排列於上述間隙。藉此，形成於上述第1層之上述第1樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料於上下方向接合，且進而形成於上述第1層之上述第2樹脂材料與形成於上述第2層之上述第2樹脂材料於上下方向接合。
11‧‧‧框架
12‧‧‧XY平台
13‧‧‧造形平台
14‧‧‧升降台
15‧‧‧導軸
21‧‧‧框體
22‧‧‧X導軌
23‧‧‧Y導軌
24A‧‧‧長絲保持器
24B‧‧‧長絲保持器
25A‧‧‧造形頭
25B‧‧‧造形頭
26‧‧‧加熱器
27‧‧‧溫度感測器
31‧‧‧框體
33‧‧‧支臂部
34、35‧‧‧滾輪
38A‧‧‧長絲
38B‧‧‧長絲
41‧‧‧多軸支臂
41‧‧‧固定件
42‧‧‧加壓板
43‧‧‧加熱板
100‧‧‧3D印表機
200‧‧‧電腦
201‧‧‧空間濾波器處理部
202‧‧‧切片機
203‧‧‧造形排程器
204‧‧‧造形指示部
205‧‧‧造形向量生成部
300‧‧‧驅動器
301‧‧‧CPU
302‧‧‧長絲輸送裝置
304‧‧‧電流SW
306‧‧‧馬達驅動器
307‧‧‧I/O
400‧‧‧輸入器件或記憶裝置
AG‧‧‧空洞
H‧‧‧造形頭保持器
Mx‧‧‧馬達
My‧‧‧馬達
Mz‧‧‧馬達
NA1~NA4‧‧‧噴出孔
NB1~NB4‧‧‧噴出孔
R0‧‧‧主框架材料
R1‧‧‧樹脂材料
R2‧‧‧樹脂材料
Rs1‧‧‧外周部
Rs2‧‧‧內周部
Rs3‧‧‧中心部
S‧‧‧造形物
Tb‧‧‧管
Up‧‧‧造形單元
Up'‧‧‧造形單元
圖1係表示第1實施形態之三維造形裝置之概略構成之立體圖。
圖2係表示第1實施形態之三維造形裝置之概略構成之前視圖。
圖3係表示XY平台12之構成之立體圖。
圖4係表示升降台14之構成之俯視圖。
圖5係表示電腦200(控制裝置)之構成之功能區塊圖。
圖6係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之一例之側視圖。
圖7係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之一例之立體 圖。
圖8(a)~(d)係表示圖6及圖7所示之造形物S之製造步驟之步驟圖。
圖9係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之另一例之側視圖。
圖10係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之另一例之立體圖。
圖11係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之另一例之側視圖。
圖12係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之另一例之立體圖。
圖13係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之另一例之側視圖。
圖14係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之另一例之側視圖。
圖15係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之一例之俯視圖。
圖16係表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之一例之俯視圖。
圖17表示造形物S之變化例。
圖18表示造形物S之變化例。
圖19表示造形物S之變化例。
圖20係表示利用本實施形態之三維造形裝置之造形之次序之流程圖。
圖21係表示利用本實施形態之三維造形裝置之造形之次序之概念圖。
圖22表示第2實施形態之三維造形裝置之概略構成。
圖23係表示變化例之三維造形裝置之概略構成之立體圖。
圖24A係對用於製造造形物S之其他方法進行說明之步驟圖。
圖24B係對用於製造造形物S之其他方法進行說明之步驟圖。
圖24C係對用於製造造形物S之其他方法進行說明之步驟圖。
圖24D係對用於製造造形物S之其他方法進行說明之步驟圖。
圖25表示造形物S之第1具體例。
圖26表示造形物S之第2具體例。
圖27表示造形物S之第3具體例。
圖28表示造形物S之第4具體例。
其次，參照圖式對本發明之實施形態詳細地進行說明。
[第1實施形態]
(整體構成)
圖1係表示第1實施形態中使用之3D印表機100之概略構成之立體圖。3D印表機100包括框架11、XY平台12、造形平台13、升降台14、及導軸15。
作為控制該3D印表機100之控制裝置而電腦200連接於該3D印表機100。又，用於驅動3D印表機100中之各種機構之驅動器300亦連接於該3D印表機100。
(框架11)
框架11係如圖1所示，具有例如長方體之外形，包括鋁等金屬材料之構架。於該框架11之4個角部，例如4根導軸15以沿圖1之Z方向、即相對於造形平台10之平面垂直之方向延伸之方式形成。導軸15係規定如下述般使升降台14於上下方向移動之方向之直線狀之構件。導軸15之根數並不限於4根，設定為可使升降台14穩定地維持、移動之根數。
(造形平台13)
造形平台13係供載置造形物S之台，且為供自下述之造形頭噴出之熱塑性樹脂堆積之台。
(升降台14)
如圖1及圖2所示，升降台14係於其4個角部使導軸15貫通，且構成為可沿著導軸15之長度方向(Z方向)移動。升降台14包括與導軸15接觸之滾輪34、35。滾輪34、35設置成可於形成於升降台14之2個角部之支臂部33轉動。藉由該滾輪34、35一面與導軸15上接觸一面轉動，而升降台14可於Z方向順利地移動。又，升降台14係如圖2所示，藉由利用包括正時皮帶、金屬線、滑輪等之動力傳遞機構傳遞馬達Mz之驅動力而於上下方向以特定間隔(例如0.1mm間距)移動。馬達Mz較佳為例如伺服馬達、步進馬達等。再者，亦可連續地或者間斷地即時使用未圖示之位置感測器對實際之升降台14之高度方向之位置進行測定並適當加以修正，藉此提高升降台14之位置精度。關於下述之造形頭25A、25B，亦情況相同。
(XY平台12)
XY平台12係載置於該升降台14之上表面。圖3係表示該XY平台12之概略構成之立體圖。XY平台12包括框體21、X導軌22、Y導軌23、捲軸24A、24B、造形頭25A、25B、及造形頭保持器H。X導軌22係其兩端嵌入至Y導軌23，於Y方向滑動自如地被保持。捲軸24A、24B係固定於造形頭保持器H，追隨由造形頭保持器H保持之造形頭25A、25B之動作而於XY方向移動。成為造形物S之材料之熱塑性樹脂係直徑為3~1.75mm左右之繩狀之樹脂(長絲38A、38B)，通常以捲繞於捲軸24A、24B之狀態被保持，於造形時由設置於下述之造形頭25A、25B之馬達(擠壓機)送入至造形頭25A、25B內。
再者，亦可設為如下構成：不使捲軸24A、24B固定於造形頭保 持器H而固定於框體21等，使其不追隨造形頭25之動作。又，設為將長絲38A、38B以露出之狀態送入至造形頭25內之構成，但亦可介置導件(例如管、環狀導件等)而送入至造形頭25A、25B內。再者，如下所述，長絲38A、38B分別包含不同之材料。作為一例，於一者為ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)樹脂、聚丙烯樹脂、尼龍樹脂、聚碳酸酯樹脂中之任一種之情形時，另一者可設為上述一者之樹脂以外之樹脂。或者，即便為相同材料之樹脂，亦可使其內部所含之填料之材料之種類或比例不同。即，長絲38A、38B較佳為分別具有不同之性狀而可藉由其組合提高造形物之特性(強度等)。
再者，於圖1~圖3中，造形頭25A構成為使長絲38A熔融、噴出，造形頭25B構成為使長絲38B熔融而噴出，由於為不同之長絲，故而分別準備獨立之造形頭。但是，本發明並不限定於此，亦可採用如下構成：僅準備單一之造形頭，藉由單一之造形頭選擇性地使複數種長絲(樹脂材料)熔融、噴出。
長絲38A、38B係自捲軸24A、24B經由管Tb被送入至造形頭25A、25B內。造形頭25A、25B係由造形頭保持器H保持，且構成為可隨著捲軸24A、25B沿X、Y之導軌22、23移動。又，於圖2及圖3中，雖省略圖示，但於造形頭25A、25B內配置有用於將長絲38A、38B朝Z方向下方送入之擠壓機馬達。造形頭25A、25B設為可於XY平面內相互保持一定之位置關係而隨著造形頭保持器H移動即可，亦可構成為於XY平面內相互之位置關係亦可變更。
再者，於圖2及圖3中，雖省略圖示，但用於使造形頭25A、25B相對於XY台12移動之馬達Mx、My亦設置於該XY平台12上。馬達Mx、My較佳為例如伺服馬達、步進馬達等。
(驅動器300)
其次，參照圖4之方塊圖對驅動器300之構造之詳細情況進行說明。驅動器300包含CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)301、長絲輸送裝置302、頭控制裝置303、電流開關304、及馬達驅動器306。
CPU301係自電腦200經由輸入輸出界面307接收各種信號，進行驅動器300之整體之控制。長絲輸送裝置302係依據來自CPU301之控制信號，對造形頭25A、25B內之擠壓機馬達指示並控制長絲38A、38B相對於造形頭25A、25B之輸送量(壓入量或退避量)。
電流開關304係用於切換流至加熱器26之電流量之開關電路。藉由切換電流開關304之切換狀態，流至加熱器26之電流增加或減少，藉此控製造形頭25A、25B之溫度。又，馬達驅動器306係依據來自CPU301之控制信號，產生用於控制馬達Mx、My、Mz之驅動信號。
圖5係表示電腦200(控制裝置)之構成之功能區塊圖。電腦200包括空間濾波器處理部201、切片機202、造形排程器203、造形指示部204及造形向量生成部205。該等構成可於電腦200之內部藉由電腦程式實現。
空間濾波器處理部201係自外部收置表示欲造形之造形物之三維形狀之主3D資料，根據該主3D資料對形成造形物之造形空間實施各種資料處理。具體而言，空間濾波器處理部201具有如下功能：如下述般視需要將造形空間分割為複數個造形單元Up(x、y、z)，並且根據主3D資料對上述複數個造形單元Up之各者賦予表示應給予各造形單元之特性之屬性資料。是否需要對造形單元進行分割、及各造形單元之尺寸係根據要形成之造形物S之尺寸、形狀而決定。例如，僅僅形成板材之情形時，無須對造形單元進行分割。
造形指示部204係將與造形之內容相關之指示資料提供給空間濾波器處理部201及切片機202。關於指示資料，作為一例，包含以下之 資料。該等僅僅為例示，可輸入該等指示中之全部，亦可僅輸入一部分。又，勿庸置疑，亦可輸入與下述羅列之事項不同之指示。
(i)1個造形單元Up之尺寸
(ii)複數個造形單元Up之造形順序
(iii)於造形單元Up內使用之複數種樹脂材料之種類
(iv)造形單元Up內之不同種類之樹脂材料之調配比率(調配比)
(v)造形單元Up內之連續地形成同種樹脂材料之方向(以下，稱為「造形方向」)
再者，造形指示部204可為自鍵盤或滑鼠等輸入器件接受指示資料之輸入者，亦可為自記憶有造形內容之記憶裝置被提供指示資料者。
又，切片機202具有將造形單元Up之各者轉換為複數個切片資料之功能。切片資料被送至後段之造形排程器203。造形排程器203具有依據上述屬性資料決定切片資料中之造形次序或造形方向等之作用。又，造形向量生成部205係根據造形排程器203中所決定之造形次序及造形方向生成造形向量。該造形向量之資料係發送至驅動器300。驅動器300係根據接收到之造形向量之資料控制3D印表機100。
本實施形態之三維造形裝置係以針對複數種樹脂材料根據所指定之複數種樹脂材料之調配比使樹脂材料延引之方向(造形方向)於每一層不同的方式，使制裝置200動作。於圖6及圖7中表示藉由本實施形態形成之造形物S之構造之一例。
圖6係藉由第1實施形態之三維造形裝置製造之造形物S之側視圖，圖7係其立體圖。如圖6及圖7所示，於第1實施形態之三維造形裝置，使用例如複數種樹脂材料R1、R2造形1個造形物S(以下，為了簡化說明，以使用2種樹脂材料之情形為中心進行說明，但勿庸置疑，亦可使用3種以上之樹脂材料)。
又，於該第1實施形態中，將複數種樹脂材料R1、R2於1個層中以特定之調配比將一方向設為長度方向而形成。於圖6及圖7之例中，例如於第1層(圖7之最下層)，將樹脂材料R1、R2之調配比設為1：1，且各樹脂材料R1、R2之長度方向成為X軸方向(第1方向)，以沿著與X軸正交之方向(第2方向)排列之方式，樹脂材料R1與R2交替地於X軸方向上連續地形成。另一方面，於較第1層高1層之第2層，樹脂材料R1、R2之調配比與第1層同樣地設為1：1，但各樹脂材料R1、R2之長度方向並非第1層之X軸方向而設為與此交叉之軸(第3方向)、例如Y軸方向，樹脂材料R1、R2係沿著X軸方向(第4方向)排列。根據下述之說明亦明確如下內容：該圖6及圖7所示之樹脂材料之數量、樹脂材料之調配比等僅為一例，勿庸置疑，可根據所要求之造形物之規格等進行多種變更。又，無須於造形物S之整體重複形成圖6及圖7之構造。亦可於造形物S之一部分中僅形成相同之樹脂材料。
於此種造形物S中，樹脂材料R1係於一個層中沿第1方向延伸，另一方面，於較該層高1層之層中沿與第1方向交叉之第2方向延伸。藉此，造形物S具有於第1層與第2層中之樹脂材料R1之交叉位置樹脂材料R1彼此於上下方向接合的構造(所謂井字形構造)。樹脂材料R2亦同樣地於由樹脂材料R1夾著之位置具有相同之井字形構造，於上下方向接合。藉由此種構造，即便不同種類之樹脂材料R1與R2之間之(橫向之)接合力較弱，只要如上所述之井字形構造中之相同樹脂材料間之(積層方向之)接合力較強，亦可使造形物S之強度足夠高。
再者，於圖6、圖7中，圖示於1個層中樹脂材料R1、R2無間隙地接觸之構造，但造形物S之構造並不限定於此。亦可於在1個層中於橫向鄰接之樹脂材料間產生間隙。
又，藉由如此般於1個造形物S中組合使用不同種類之樹脂材料R1、R2，可提供兼有不同種類之樹脂材料之特性之造形物。例如， 具有第1樹脂材料之優點，並且亦可利用第2樹脂材料之優點彌補第1樹脂材料之缺點。
參照圖8對圖6及圖7所示之造形物S之造形次序進行說明。首先，於第1層中，如圖8(a)所示，將樹脂材料R1以大致1：1之排列間距將X方向設為長度方向而形成。
繼而，如圖8(b)所示，以將樹脂材料R1之間隔填上之方式，將樹脂材料R2同樣地以大致1：1之排列間距形成。此時，樹脂材料R2能以沿著樹脂材料R1之外周形狀將2個樹脂材料R1之間隔填上之方式形成。藉此，可使樹脂材料R1與R2之間之接合牢固。
其次，於第2層中，如圖8(c)所示，將樹脂材料R2以大致1：1之排列間距將Y方向設為長度方向而形成。
繼而，如圖8(d)所示，以將樹脂材料R2之間隔填上之方式，將樹脂材料R1同樣地以1：1之排列間距形成。此時，樹脂材料R1能以沿著樹脂材料R2之外周形狀將2個樹脂材料R2之間隔填上之方式形成。藉此，可使樹脂材料R1與R2之間之接合牢固。
藉由重複上述之圖8(a)~(d)所示之次序，而完成上述井字形構造之造形物S。
再者，於圖8(c)、(d)中，於第2層中，先以特定之排列間距形成樹脂材料R2，然後將樹脂材料R1埋入至樹脂材料R2之間隙，而於第1層與第2層使樹脂材料R1、R2之形成順序不同。亦可代替此而於任一層中均先形成特定之樹脂材料(例如樹脂材料R1)，然後將另一樹脂材料(例如樹脂材料R2)埋入至其間隙。但是，於每一層改變樹脂材料R1、R2之形成次序可使上下方向之樹脂材料之接合更牢固而較佳。
於圖6及圖7中，例示樹脂材料R1及R2之調配比為大致1：1之造形物S，但勿庸置疑，利用本實施形態製造之造形物S並不限定於此。例如，調配比並不限於1：1，可設定其他所期望之比率。例如，圖9 及圖10表示樹脂材料R1與R2之調配比為2：1之情形。進而，調配比亦可於積層方向及/或水平方向(同一層內)階段性地或者連續地變化。
樹脂材料R1、R2之調配比為2：1之造形物S可藉由如圖9及圖10般重複形成2條樹脂材料R1與1條樹脂材料R2而形成。但是，並不限定於此，例如亦可藉由如圖11及圖12所示般重複形成4條樹脂材料R1與2條樹脂材料R2而獲得調配比2：1。將如圖9般之樹脂材料R1、R2之重複圖案表現為「2：1之重複圖案」。又，將如圖11般之情形表現為「4：2之重複圖案」。又，雖省略圖示，但將樹脂材料R1與R2每次分別重複形成m條、n條之情形表現為m：n之重複圖案。該重複圖案係根據下述之重複圖案資料PR表現。
再者，於將相同之樹脂材料於1個層中連續地形成之情形時，亦可如圖9、圖11般連續地形成近似圓柱之形狀之樹脂材料，亦可如圖13及圖14所示般形成板狀之樹脂材料。
又，於上述例中，對1個造形單元Up中之構造(或者，不對造形單元進行分割之情形時之造形物S之構造)進行了說明。於將造形物S分割為複數個造形單元Up之情形時，1個層中之造形物S例如如圖15般構成(圖15係調配比為1：1之情形，但此僅為一例，勿庸置疑，可設為圖示以外之調配比)。
如圖15所示，造形空間可視需要分割為複數個造形單元Up。1個造形單元Up進而被分割為複數個切片資料，於與切片資料對應之每一層進行造形。例如，若1個造形單元Up之第1層之造形結束，則接下來使與該造形單元Up鄰接之造形單元(例如圖15之造形單元Up')之第1層之造形開始。
此時，於造形單元Up之1個層中，將一方向(例如X方向)設為長度方向而將樹脂材料R1、R2以特定之排列間距相互相鄰地形成，於鄰接之造形單元Up'，於同一層中將不同之方向(例如Y方向)設為長度 方向而連續地形成樹脂材料R1、R2。藉由在各層中重複上述動作，而形成例如如圖6、圖7所示之構造。
再者，複數層之積層亦可如圖15所示般使各層於Z方向平行地積層，亦可代替此而為例如如圖16所示般於XY方向錯開之形式之積層(圖16例示於X方向、Y方向每次分別錯開半個間距之情形)。
圖17~圖19表示造形物S之變化例。
圖6及圖7之造形物S係於1個層中樹脂材料R1、R2具有沿一方向(X方向或Y方向)延伸之直線形狀，於較該層高1層之層中樹脂材料R1、R2具有沿與上述一方向正交(交叉角90度)之方向延伸之直線形狀。但是，亦可代替此而如例如圖17所示般將上下層中之樹脂材料R1、R2之交叉角度設定為90°以外之角度。於該構造之情形時，上下層中之相同之樹脂材料間之接合面積與90°之情形相比變大，與圖6及圖7之情形相比，可增大造形物S之強度。
又，於圖6及圖7之例中，各層中之樹脂材料R1、R2具有將某一方向設為長度方向之直線形狀，但亦可代替此而如例如圖18所示，各樹脂材料R1、R2具有其軸方向將一方向設為長度方向(換言之，整體上於一方向上連續地形成)之波浪線形狀。
又，圖18之波浪線形狀之樹脂材料R1、R2係其中心線或包絡線為直線形狀，但亦可如圖19所示，其中心線或包絡線本身為波浪線形狀。該圖19之樹脂材料R1、R2亦以整體上將一方向設為長度方向而延伸之方式形成。總之，本實施形態之造形物S只要以於上下層中相同之樹脂材料相互交叉之方式形成而具有於其交叉部接合之形狀即可。
其次，參照圖20之流程圖、及圖21之概略圖，對使用本實施形態之三維造形裝置之造形物S之具體之造形次序進行說明。
首先，電腦200係自外部接收與造形物S之形態相關之3D資料 (S11)。此處，設想如圖21之左側所示之造形物S。該圖21中圖示之造形物S係3重構造之球形之造形物，包括主要包含樹脂材料R1之外周部Rs1、混合有樹脂材料R1與樹脂材料R2之內周部Rs2、及主要包含樹脂材料R2之中心部Rs3。
主3D資料中包含造形物S之各構成點之座標(X，Y，Z)、及表示其構成點處之樹脂材料R1、R2之調配比之資料(Da、Db)。以下，將各構成點之資料如Ds(X、Y、Z、Da、Db)般標記。再者，於使用之樹脂材料為3種以上之情形時，除資料Da、Db以外，於構成點資料Ds中追加表示該樹脂材料之調配比之資料Dc、Dd...。
又，自造形指示部204輸出或指示造形單元Us之尺寸Su、表示對複數個造形單元Us於1個層中造形之次序之造形順序資料SQ、特定使用之複數種樹脂材料之樹脂資料RU、及表示如何重複形成複數種樹脂材料之重複圖案資料PR(表示以何種圖案形成複數種樹脂材料之資料)等(S12)。此時，所需之資料之一部分或全部係使用鍵盤或滑鼠等輸入器件自外部輸入至造形指示部204或者自外部之記憶裝置輸入至造形指示部204。
其次，於空間濾波器處理部201，根據所指示之造形單元尺寸Su將主3D資料表示之造形空間分割為複數個造形單元Up(S13)。造形單元Up係如圖21所示，於XYZ方向將造形物S之造形空間分割所得之矩形狀之空間。
對經分割之各造形單元Up賦予反映對應之構成點資料Ds(X、Y、Z、Da、Db)之屬性資料(S14)。主3D資料為表示造形物S之形狀之連續值之3D資料，與此相對，每一造形單元Up之資料係表示每一造形單元Up之形狀之離散值之3D資料。
其次，將賦予有如上所述之屬性資料之造形單元Up之資料發送至切片機202。切片機202係將該造形單元Up之資料進一步沿著XY平 面分割，而生成複數組切片資料(S15)。於切片資料中賦予有上述屬性資料。
繼而，造形排程器203係依據各切片資料中包含之屬性資料，對各切片資料執行密度調變(S16)。所謂密度調變，係指依據上述調配比(Da、Db)決定該切片資料中之樹脂材料R1與R2之形成比率的運算動作。
又，造形排程器203係根據上述密度調變之運算結果、及自造形指示部204接收到之造形順序資料SQ及重複圖案資料PR，決定樹脂材料R1及R2之重複圖案、及造形方向(S17)。1個層之切片資料中之造形方向係為了獲得上述井字形構造而設定為與較該層低1層之層中之切片資料正交之方向。
繼而，造形向量生成部205係依據造形排程器203中所決定之造形方向資料，生成造形向量(S18)。該造形向量經由驅動器300被輸出至3D印表機100，執行依據主3D資料之造形動作(S19)。又，依據由造形指示部204指示之造形順序資料SQ，形成複數個造形單元Up，最終於造形空間整體形成造形物S。
[效果]
如以上說明所述，根據本實施形態之三維造形裝置，以如下方式控製造形頭24A、24B：於第1層中，複數種樹脂材料沿著第1方向形成，且於與第1方向交叉之第2方向複數種樹脂材料排列。而且，以如下方式控製造形頭25A、25B：於第1層之上部之第2層中，複數種樹脂材料沿著與第1方向交叉之第3方向形成，且於與第3方向交叉之第4方向複數種樹脂材料排列。藉此，於造形物中，複數種樹脂材料組入至所謂井字形構造，於生成複合地使用複數種材料之造形物之情形時，由於在高度方向存在相同材料相接之點，故而亦可綜合性地使不同之複數種材料之間之接合牢固。
又，藉由在1個造形物中使用複數種樹脂材料，可提供兼有複數種樹脂材料之優點之造形物。例如，材料一般地具有強度與柔軟性相反之特性，兼具兩者之材料之開發、生產於工業上極為困難。然而，根據本發明之造形裝置，藉由使用例如高強度之樹脂材料R1與高柔軟性之樹脂材料R2構成井字形構造，可實現高強度且高柔軟性之樹脂材料。
又，藉由使樹脂材料R1與樹脂材料R2之構成比可變，亦可使強度與柔軟性特性自如地可變。
又，先前技術中僅能實現離散值之材料之密度可實現連續值之材料密度。
又，先前僅能於如宇宙空間般之無重力狀態下實現之比重相差較大之材料彼此之混合材料亦可藉由該造形裝置實現。
[第2實施形態]
其次，參照圖22及圖23對本發明之第2實施形態之三維造形裝置進行說明。第2實施形態之三維造形裝置係其整體構成、及基本之動作以及可形成之形物S與第1實施形態相同，因此，以下，省略重複之說明。
該第2實施形態中造形頭25A、25B之構造與第1實施形態不同。
該第2實施形態之造形頭25A具備分別於與造形方向正交之方向排列成一行之複數(圖示之例中為4個)個噴出孔NA1~NA4。噴出孔NA1~NA4被賦予有自各者噴出之樹脂材料R1連續地排列般之排列間距。即，各噴出孔NA1~NA4之開口徑、及鄰接之噴出孔NA1~NA4之間之間距P決定連續地形成之樹脂材料R1之排列寬度。
同樣地，造形頭25B亦具備分別於與造形方向正交之方向排列成一行之複數(圖示之例中為4個)個噴出孔NB1~NB4。再者，噴出孔NA1~NA4、NB1~NB4係以依據所決定之造形方向排列於與造形方 向正交之方向之方式進行控制。
藉由使用此種造形頭，與第1實施形態相比，可提高造形效率。
[其他]
以上，對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提出者，並不意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態能以其他多種形態實施，可於不脫離發明之主旨之範圍內進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍或主旨內，並且包含於申請專利範圍記載之發明及其均等之範圍內。
例如，於上述實施形態中，3D印表機100之移動機構包括相對於造形平台13垂直地延伸之導軸15、沿著導軸15移動之升降台14、及XY台12，但本發明之3D印表機100之移動機構並不限定於此。例如，亦可設為使搭載造形頭25A、25B之XY台12固定而使造形平台13可升降的移動機構。又，例如，如圖23所示，3D印表機100之移動機構可包括於框架11之底面具有固定端之多軸支臂41。而且，可於該多軸支臂41之移動端(升降部)搭載與上述實施形態相同之造形頭25A、25B。
又，於上述實施形態中，表示3D印表機100與電腦200及驅動器300分別獨立之構成。但是，電腦200及驅動器300亦可內置於3D印表機100。
又，上述造形物S並不限定於藉由第1及第2實施形態所示般之三維造形裝置製造者。圖24A~圖24D係表示上述造形物S之另一製造步驟之步驟圖。如圖24A所示，將樹脂材料R1及R2按照特定之排列順序相互平行地捆紮，將其兩端藉由固定件41固定。繼而，如圖24B所示，於相互平行地捆紮之樹脂材料R1及R2上載置加壓板42及加熱板43，對樹脂材料R1及R2一面加壓一面加熱至特定之溫度為止。藉此，平行地捆紮之樹脂材料R1及R2成為於加壓方向壓延並相互接合之狀態。重複該圖24B所示之步驟複數次而形成樹脂材料R1及R2經壓 延之多塊樹脂板。
其次，如圖24C所示，使包含經壓延之樹脂材料R1及R2之多塊樹脂板積層。此時，以於上下方向鄰接之2塊樹脂板中樹脂材料R1及R2之長度方向相互交叉的方式，配置多塊樹脂板。
繼而，於以此方式積層之多塊樹脂板上再次載置加壓板42及加熱板43，對該經積層之樹脂板一面加壓一面加熱至特定之溫度為止。藉此，完成與上述實施形態相同之造形物S。
再者，只要樹脂材料R1、R2能夠穩定地保持，則亦可省略固定件41。
再者，於第1實施形態、第2實施形態、圖24A~D之實施形態之任一情形時，亦可一面自外部散佈接著劑(接著性樹脂)或密接劑(表面處理劑、表面改質劑、偶合劑)一面進行造形。此處，作為接著劑(接著性樹脂)之例，係具有進入至樹脂材料R1與R2之界面而將間隙填上之功能的材料。又，作為密接劑(表面處理劑、表面改質劑、偶合劑)之例，係具有以樹脂材料R1或R2或者R1、R2兩者之表面具有官能基之方式使表面活化之功能的材料。如此一來，即便於樹脂材料R1與R2為相互之間處於親和性較低之關係之樹脂之情形時，由於樹脂材料R1與R2相互之間親和性增加而牢固地結合，故而亦可應用於需要破壞強度之用途。
[造形物S之例]
以下，對依據本實施形態生成之造形物S之各種具體例(用途)進行說明。本實施形態之造形物S係如以下說明般可用於多種用途。
(第1具體例)
將造形物S之第1具體例示於圖25。該第1具體例係將造形物S應用為電子電路用之印刷基板之材料者。
對於印刷基板之材料，一般地使用組合熱硬化性樹脂與玻璃纖 維所得之玻璃環氧樹脂。但是，玻璃纖維之介電常數為6.13左右而非常大。因此，於搭載印刷基板之電路中玻璃環氧樹脂作為寄生電容發揮作用，尤其於高頻電路中傳輸損耗或傳輸延遲變大，而有產生錯誤之虞。再者，此處，藉由熱塑性樹脂之混合，可使整體之介電常數降低，但實際使用時印刷基板需要140℃左右之耐熱性，因此，無法一概地增加熱塑性樹脂之混合量。
於第1具體例中，藉由具有如下所述之構造，可提供使介電常數降低且具有較高之耐熱性的印刷基板。即，作為該第1具體例，如圖25所示，作為樹脂材料R1，可使用低介電之材料、例如聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE，polytetrafluorethylene)、聚氯三氟乙烯(PCTFE，Polychlorotrifluoroethene)。又，作為樹脂材料R2之材料，可使用例如聚碳酸酯、液晶聚合物等耐熱性與剛性優異之材料。藉由選擇此種材料之組合，進而恰當地設定樹脂材料R1及R2之調配比率，可提供介電常數較低且具有恰當之耐熱性及剛性之造形物。
作為一例，藉由以R1：R2=1：1之比例調配聚丙烯與液晶聚合物，可提供介電常數為2.5~2.7左右之材料。尤其是，若使用液晶聚合物作為樹脂材料R2，由於液晶聚合物之熱膨脹率非常低且剛性較高，故而可於廣範圍之溫度區域使用印刷基板。
再者，樹脂材料R1、R2之材料及其調配比等可依據所要求之印刷基板之特性任意地選擇。
(第2具體例)
其次，將造形物S之第2具體例示於圖26。該第2具體例係將造形物S應用為電磁波控制元件者。
該圖26之造形物S係除作為造形物S之骨架之主框架材料R0以外，亦組合樹脂材料R1及R2而構成。主框架材料R0具有所謂井字形構造。即，如圖26所示，第1層中之主框架材料R0之長度方向與其正 上方之第2層中之主框架R0之長度方向交叉，於其交叉位置於上下方向主框架材料R0彼此接合。另一方面，樹脂材料R1、R2係以將該井字形構造之主框架材料R0之間隙填上之方式形成。藉由如此般主框架材料R0具有井字形構造，而造形物S整體之強度提高，並且藉由埋入至其間隙之樹脂材料R1、R2，可提供具有所期望之特性之電磁波控制元件。
作為主框架材料R0之材料，可使用例如聚碳酸酯樹脂。再者，主框架R0之井字形構造無須遍及造形物S之整體形成，亦可設為如圖26般局部不存在井字形構造之造形物S。
作為樹脂材料R1，可與第1具體例同樣地使用聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)等低介電材料。又，作為樹脂材料R2，可使用聚偏二氟乙烯(PVDF，polyvinylidene fluoride)等高介電材料。
使樹脂材料R1、R2於造形物S之內部以特定之間隔交替地積層，並適當調整其調配比或排列間距，藉此，可使造形物S所具有之電磁波衰減特性變化。具體而言，隨著調配比或排列間距於每一層或者面內變化，與電場相關之折射、反射、透過變化，因此，產生傳輸長度之變化或極化波面之向量方向之變化，而可調整電磁波之衰減特性。例如，藉由樹脂材料R1及R2之排列間距改變，其界面處之相對於電場之折射或反射之程度變化，傳輸長度變化而衰減量變化。又，藉由樹脂材料R1及R2之積層方向上之排列間距改變，反射之電磁波之電場之相位變化，藉此，電磁波之一部分被抵消或者被削弱。進而，藉由樹脂材料R1與R2之調配比等變化，基於相位變化之抵消或於複雜之傳輸路徑變化為熱之電磁波之比例亦變化。又，藉由使樹脂材料R1與R2之調配比等變化，亦可與電磁波之極化波面之電場向量之變化對應，而可控制衰減量。
如此般，根據該第2具體例，可提供一種不管極化波方法或頻率均可對應於電場之折射、反射、透過等之組合或極化波面而控制任意之電磁波之衰減特性的電磁波控制元件。例如可提供任意之頻率(或任意之頻帶)之電磁波吸收體。尤其是，藉由如圖26般3種介電常數不同之材料具有多種面內構成而跨及多層變化地構成，於造形物S之內部，以複數個模式產生基於反射之抵消或基於傳輸長度之延長之衰減。其結果，不僅直線極化波(垂直、水平極化波)，即便為圓極化波或橢圓極化波之電磁波，亦可作為電磁波吸收體發揮功能。
再者，於該第2具體例中，亦可省略主框架材料R0而僅利用樹脂材料R1及R2形成造形物S(電磁波控制元件)。
(第3具體例)
其次，將造形物S之第3具體例示於圖27。該第3具體例係將造形物S應用為音波吸收元件之材料者。
該圖26之造形物S亦可同樣地使樹脂材料R1與R2積層為井字形構造而形成。再者，與第2具體例同樣地，除樹脂材料R1與R2以外，亦可追加成為造形物S之骨架之主框架材料R0。
藉由造形物S形成音波吸收元件之情形時，作為樹脂材料R1、R2之組合，可使用剛性較高但柔軟性較差之材料與剛性較低但柔軟性較高之材料。藉此，於樹脂材料R1與R2之邊界音波之速度變化，藉此，於音波之間產生相位差而音波相互抵消，從而音波被吸收。作為一例，作為樹脂材料R1，可使用剛性較高之聚碳酸酯樹脂，作為樹脂材料R2，可使用彈性體等柔軟性較高之材料。藉由設為此種構成，能夠使可聽見音域音波或超音波衰減、抑制，事實上可設為將該等遮斷之元件。又，藉由改變層間之間距，亦可使抑制之頻率(或抑制之頻帶)變化。再者，於將本音波吸收元件應用於耳塞式耳機(入耳式頭戴式耳機)之外殼之情形時，可無障礙地將可聽見音域音波傳遞 至耳之內部，並且可藉由音波之吸收而防止聲音向外部洩漏。
(第4具體例)
其次，將造形物S之第4具體例示於圖28。該第4具體例係將造形物S應用為衝擊吸收元件之材料者。作為衝擊吸收元件，先前多數情況下使用柔軟性較高之發泡材或經膠化之材料。但是，發泡材或膠化材料有透氣性較差之問題。該第4具體例之造形物S藉由具有以下特徵，而可提供上述透氣性之問題得以解決之衝擊吸收元件。
該圖28之第4具體例之造形物S亦可同樣地使樹脂材料R1與R2積層為井字形構造而形成。再者，與第2具體例同樣地，除樹脂材料R1與R2以外，亦可追加成為造形物S之骨架之主框架材料R0。
於利用造形物S形成衝擊吸收元件之情形時，作為樹脂材料R1、R2之組合，可使用剛性較高之材料與剛性較低但柔軟性較高之材料。作為一例，作為樹脂材料R1，可使用剛性較高之聚碳酸酯樹脂，作為樹脂材料R2，可使用彈性體等柔軟性較高之材料作為彈性補強材。進而，於該第4具體例中，未利用樹脂材料R2將樹脂材料R1之井字形構造之間隙完全填充，而使一部分殘存空洞AG。此種空洞AG可藉由採用例如圖8中所說明般之製造步驟而以所期望之密度及排列間距形成。根據以此方式構成之第4具體例，可提供謀求衝擊吸收性與透氣性之並存之造形物S。
11‧‧‧框架
12‧‧‧XY平台
13‧‧‧造形平台
14‧‧‧升降台
15‧‧‧導軸
22‧‧‧X導軌
23‧‧‧Y導軌
24A‧‧‧長絲保持器
24B‧‧‧長絲保持器
25A‧‧‧造形頭
25B‧‧‧造形頭
33‧‧‧支臂部
34‧‧‧滾輪
35‧‧‧滾輪
38A‧‧‧長絲
38B‧‧‧長絲
100‧‧‧3D印表機
200‧‧‧電腦
300‧‧‧驅動器
S‧‧‧造形物

Claims (12)

  1. 一種三維造形裝置，其特徵在於包括：造形平台，其供載置造形物；升降部，其相對於上述造形平台至少可沿垂直方向移動；造形頭，其搭載於上述升降部並接受材料不同之複數種樹脂材料之供給；及控制部，其對上述升降部及上述造形頭進行控制；上述控制部係以如下方式控制上述造形頭：於第1層，上述複數種樹脂材料中之第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與上述第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第1樹脂材料以外之第2樹脂材料於上述第1方向上連續地形成且排列於上述間隙，上述控制部進而以如下方式控制上述造形頭：於上述第1層之上部之第2層，上述第1樹脂材料於與上述第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與上述第3方向交叉之第4方向上隔開間隙排列，並且上述第2樹脂材料於上述第3方向上連續地形成且排列於上述間隙，藉此，形成於上述第1層之上述第1樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料於上下方向接合，且進而形成於上述第1層之上述第2樹脂材料與形成於上述第2層之上述第2樹脂材料於上下方向接合。
  2. 如請求項1之三維造形裝置，其中上述控制部係接收包含座標資料、及表示上述座標資料所示之位置上之上述複數種樹脂材料之調配比率之調配比資料的造形物資料，並依據該造形物資料控制上述造形頭。
  3. 如請求項2之三維造形裝置，其中 上述控制部係將形成上述造形物之區域分割為複數個造形單元，對上述複數個造形單元之各者賦予對應於對應之上述造形物資料之屬性資料，依據上述屬性資料，於上述造形單元之各者中決定上述複數種之各密度調變及造形方向。
  4. 如請求項1之三維造形裝置，其中上述控制部係以如下方式控制上述造形頭：於上述第1層，於形成上述第1樹脂材料之後形成上述第2樹脂材料，於上述第2層，於形成上述第2樹脂材料之後形成上述第1樹脂材料。
  5. 一種造形物，其特徵在於其係包含複數種樹脂材料者，且包含第1層與第2層，第1層包含如下部分：複數種樹脂材料中之第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與上述第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第1樹脂材料以外之第2樹脂材料於上述第1方向上連續地形成且排列於上述間隙，上述第1層之上部之第2層包含如下部分：上述第1樹脂材料於與上述第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與上述第3方向交叉之第4方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第2樹脂材料於上述第3方向上連續地形成且排列於上述間隙，藉此，形成於上述第1層之上述第1樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料於上下方向接合，且進而形成於上述第1層之上述第2樹脂材料與形成於上述第2層之上述第2樹脂材料於上下方向接合。
  6. 如請求項5之造形物，其中上述第1層及上述第2層分別分割為複數個單元，於相互鄰接之上述複數個單元中，上述第1樹脂材料 及上述第2樹脂材料連續地形成之方向互不相同。
  7. 如請求項5之造形物，其中上述第1樹脂材料及上述第2樹脂材料具有不同之介電常數。
  8. 如請求項5之造形物，其中上述樹脂材料及上述第2樹脂材料具有不同之剛性。
  9. 如請求項5之造形物，其具備未由上述第2樹脂材料填充而殘存之上述間隙。
  10. 一種三維造形裝置之控制方法，其係具備造形頭之三維造形裝置之控制方法，其特徵在於具備如下步驟：以如下方式控制上述造形頭，即，於第1層中，複數種樹脂材料中之第1樹脂材料於第1方向上連續地形成且於與上述第1方向交叉之第2方向上隔開間隙排列，並且上述複數種樹脂材料中之上述第1樹脂材料以外之樹脂材料於上述第1方向上連續地形成且排列於上述間隙；及以如下方式控制上述造形頭，即，於上述第1層之上部之第2層，上述第1樹脂材料於與上述第1方向交叉之第3方向上連續地形成且於與上述第3方向交叉之第4方向上隔開間隙排列，並且上述第1樹脂材料以外之樹脂材料於上述第3方向上連續地形成且排列於上述間隙，藉此，形成於上述第1層之上述第1樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料於上下方向接合，且進而形成於上述第1層之上述第1樹脂材料以外之樹脂材料與形成於上述第2層之上述第1樹脂材料以外之樹脂材料於上下方向接合。
  11. 如請求項10之控制方法，其中接收包含座標資料及表示上述座標資料所示之位置處之上述複數種樹脂材料之調配比率之調配比資料的造形物資料，並依據該造形物資料控制上述造形頭。
  12. 如請求項11之控制方法，其進而具備如下步驟：將形成上述造形物之區域分割為複數個造形單元；對上述複數個造形單元之各者賦予對應於對應之上述造形物資料之屬性資料；及依據上述屬性資料，於上述造形單元之各者中決定上述複數種之各密度調變及造形方向。
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