JP2017071101A - 付加製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元形状の物体の強度を簡易に高めることのできる付加製造装置を提供すること。【解決手段】ヘッド１０の下部に設けられた開口孔１０ａから液体状にした造形材料を、３次元形状の数値表現に対応してプラットフォーム１上に積層すると同時に固化することによって物体を作成する付加製造装置であって、ヘッド１０の内部には、上下方向に略直線的に延びその先端１１ａが開口孔１０ａに連通した第一流路１１と、第一流路１１に対して傾斜して延びその先端１２ａが第一流路１１の先端１１ａ側に連結された第二流路１２が形成されるとともに、第一流路１１の後端１１ｂから熱可塑性樹脂１００を供給する樹脂供給手段２０，２１と、第二流路１２の後端１２ｂから強化プラスチック炭素繊維２００を供給する炭素繊維供給手段３０，３１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元形状の数値表現に対応して造形材料をプラットフォーム上に積層することによって物体を作成する付加製造装置に関するものである。

いわゆる３Ｄプリンタなど、３次元形状の数値表現に対応して、ヘッドから凝固可能な造形材料を押し出しながらプラットフォーム上に層状に積み重ねることによって３次元の物体を作成する技術が知られている（例えば、特許文献１乃至３）。

特許第４２２４４５６号公報 特許第４９１３０３５号公報 米国特許出願公開第２０１４／０３６１４６０号明細書

特許文献１に記載の発明は、造形材料として特にシリコーン離型剤を含む熱可塑性支持用材料を使用することによって完成した３次元形状の物体から支持構造体を外れやすくしたものである。なお、充填材として炭素繊維を用いる旨の記載はあるが詳細には記載されていない。
また、特許文献２に記載の発明は、粉末ベースの積層製造方法においてその粉末粒子の粒径を特定することによって成形体の製造方法を改善するものである。なお、炭素繊維を含めることで引張強度を強くすることができる旨の記載がある。
さらに、特許文献３に記載の発明は、一軸方向に撚り合わされたファイバーを含む強化されたフィラメントを溶融させ圧力をかけることによるアイロン動作により３次元形状の物体を積層することで物体の強度を高めるものである。

特許文献１乃至３に記載の発明によれば、造形材料として炭素繊維を含めることで３次元形状の物体の強度をある程度上げることができるが不十分な点がある。
すなわち、特許文献１及び２の発明では炭素繊維を使用して造形する方法が具体的に記載されたものではない。
また、特許文献３に記載の発明では具体的な装置が開示されているものの炭素繊維を直接ノズルから射出して造形する方式であり、炭素繊維に混合される樹脂を射出するノズルと独立しているため、例えば炭素繊維と樹脂の混合比を変えるなどの精度の高い制御を行うことはできない。また、特許文献３には、炭素繊維の直径を０．１ｍｍ〜１．３ｍｍ程度にしているが、実際には１．０ｍｍ程度の太い直径でなければ圧力が十分にかからないのでノズルから炭素繊維を引き出すことは困難である。
また、特許文献１乃至３に記載の発明では完成した３次元形状の物体から炭素繊維をきれいに切断する技術については記載されていない。

そこで、本発明の目的とするところは、３次元形状の物体の強度を簡易に高めることのできる付加製造装置を提供することにある。
また、その他の目的は、３次元形状の物体をきれいに仕上げることのできる付加製造装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の付加製造装置は、ヘッド（１０）の下部に設けられた開口孔（１０ａ）から液体状にした造形材料を、３次元形状の数値表現に対応してプラットフォーム（１）上に積層すると同時に固化することによって物体を作成する付加製造装置であって、
前記ヘッド（１０）の内部には、上下方向に略直線的に延びその先端（１１ａ）が前記開口孔（１０ａ）に連通した第一流路（１１）と、前記第一流路（１１）に対して傾斜して延びその先端（１２ａ）が前記第一流路（１１）の先端（１１ａ）側に連結された第二流路（１２）が形成されるとともに、
前記第一流路（１１）の後端（１１ｂ）から熱可塑性樹脂（１００）を供給する樹脂供給手段（２０，２１）と、
前記第二流路（１２）の後端（１２ｂ）から強化プラスチック炭素繊維（２００）を供給する炭素繊維供給手段（３０，３１）を備えることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記第二流路（１２）の先端（１２ａ）は、前記開口孔（１０ａ）より上部で前記第一流路（１１）の側面の位置に連結されていることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記第二流路（１２）は、前記第一流路（１１）に対して６０度以下で傾斜していることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記第一流路（１１）及び前記第二流路（１２）にはチューブ状の断熱材（４１，４２）がそれぞれ挿入されてなることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記ヘッド（１０）において、前記第一流路（１１）及び前記第二流路（１２）の間には切り込み（５０）が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記切り込み（５０）は、前記第二流路（１２）に挿入された断熱材（４２）の先端近傍まで形成されてなることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記第二流路（１２）の後端（１２ｂ）から供給される強化プラスチック炭素繊維（２００）に対してレーザー光を照射して切断する切断手段（６０，６１）を備えることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記第二流路（１２）の後端（１２ｂ）から供給される強化プラスチック炭素繊維（２００）を、前記断熱材（４２）から前記開口孔（１０ａ）側に出力された位置（Ｐ１）において、レーザー光を照射して切断する切断手段（６０，６１）を備えることを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記強化プラスチック炭素繊維（２００）の直径を０．６ｍｍ以下にしたことを特徴とする。

また、本発明の付加製造装置は、前記開口孔（１０ａ）の周辺には面取り（１０ｂ）が施されていることを特徴とする。

なお、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、ヘッドの内部には、上下方向に略直線的に延びその先端が開口孔に連通した第一流路と、第一流路に対して傾斜して延びその先端が第一流路の先端側に連結された第二流路が形成されるとともに、第一流路には熱可塑性樹脂が供給され、第二流路には強化プラスチック炭素繊維が供給されるので、ヘッドの下部に設けられた開口孔からは熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維が同時に射出される。
これによれば、強化プラスチック炭素繊維を熱可塑性樹脂で覆ったものを造形材料として積層することで３次元形状の物体が造形されるので、完成した物体は強度的に強い。
このとき、ヘッドの開口孔から射出される熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維の混合比を変えることで完成する物体の形状や強度を所望のものにすることができる。混合比は強化プラスチック炭素繊維及び熱可塑性樹脂の押出し速度を変えることによって容易に変えることができる。

また、第二流路は、第一流路に対して傾斜して延びその先端が第一流路の先端側に連結されているので、強化プラスチック炭素繊維を射出するために押し込む力を最小限にすることができる。
これによれば、強化プラスチック炭素繊維として細いもの、例えば、強化プラスチック炭素繊維の直径を０．６ｍｍ以下にしたものを使用することができるので、細く精密な造形を得ることができる。また、細い造形材料を使用することができることにより、造形した３次元形状の物体を柔軟にすることもでき、これまでと異なった性質で強度が強いものとすることができるなど用途が広がるといった効果が得られる。

また、本発明によれば、第二流路の先端をヘッドの開口孔の位置にするのではなくその開口孔より上部で第一流路の側面の位置に連結するようにしたので、熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維がムラなく混合され、安定した状態で強化プラスチック炭素を繊維熱可塑性樹脂で覆ってなる造形材料がヘッドから供給される。

また、本発明によれば、第二流路を第一流路に対して６０度以下で傾斜させているので、樹脂が押し出される方向に向かって流体力学的に強化プラスチック炭素繊維を円滑に押し出すことができる。

また、本発明によれば、第一流路及び第二流路にはチューブ状の断熱材がそれぞれ挿入されているので、熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維は断熱材の存在する位置では固体で断熱材の位置を通過すると溶融して液化させることができる。
これによれば、ヘッドの開口孔の直前近傍まで熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維を固体とすることができるので、熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維に対して外部から押し込む力を効率的に伝えることができる。

また、本発明によれば、第一流路及び第二流路の間には切り込みが形成されている、より好ましくは、第二流路に挿入された断熱材の先端近傍まで形成されているので、その位置（断熱材の先端近傍の位置）の温度を下げることができる。
これによれば、熱可塑性樹脂と強化プラスチック炭素繊維を固体とすることができる位置をよりヘッドの開口孔の直前近傍までにすることができるので、直径の小さい強化プラスチック炭素繊維であっても外部からの押し込む力を一層効率的に伝えることができる。

また、本発明によれば、第二流路の後端から供給される強化プラスチック炭素繊維に対してレーザー光を照射して切断するので切断部をきれいに仕上げることができる。
特に、第二流路に断熱材が挿入されている場合、強化プラスチック炭素繊維がその断熱材から開口孔側に出力された位置において、レーザー光を照射すると、強化プラスチック炭素繊維は第二流路からは溶融するほどには熱せられていないので、直接レーザー光で強化プラスチック炭素繊維をきれいに切断することができ、切断後には切断面は後続の強化プラスチック炭素繊維が押し込まれるので切断面が目立つことはない。また、これによれば、切断後に排出される強化プラスチック炭素繊維の長さを最短に抑えることができる。

また、本発明によれば、開口孔の周辺には面取りが施されているので、３次元形状の物体を造形中に、第二流路から供給された強化プラスチック炭素繊維が開口孔の周辺に触れて切断されることが防止される。

なお、本発明の付加製造装置のように、ヘッドの内部に上下方向に略直線的に延び熱可塑性樹脂供給用の第一流路と、第一流路に対して傾斜して延びその先端が第一流路の先端側に連結された強化プラスチック炭素繊維供給用の第二流路を形成した点は、上述した特許文献１乃至３には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係る付加製造装置の要部を示す部分断面図である。 図１のＸ部を示す拡大断面図である。 第二流路の位置における温度分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る別の付加製造装置の要部を示す部分断面図である。 本発明の実施形態に係るさらに別の付加製造装置の要部を示す部分断面図である。

図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る付加製造装置について説明する。
この付加製造装置は、図１に示すように、ヘッド１０の下部に設けられた開口孔１０ａから液体状にした造形材料を、３次元形状の数値表現に対応してプラットフォーム１上に積層すると同時に固化することによって３次元形状の物体（図示しない）を作成するものである。

ヘッド１０の内部には、熱可塑性樹脂１００が供給される第一流路１１と強化プラスチック炭素繊維２００が供給される第二流路１２が形成されている。
第一流路１１は、ヘッド１０に対して上下方向に略直線的に延びその先端１１ａが開口孔１０ａに連通している。
第二流路１２は、第一流路１１に対して傾斜して延びその先端１２ａが第一流路１１の先端１１ａ側に連結されている。
第二流路１２の先端１２ａ側の径（１２ｙの径１２ｙｓ）は第一流路１１の先端１１ａ側の径（１１ｚの径１１ｚｓ）よりも小さくしている。

第二流路１２の先端１２ａは、図２に示すように、開口孔１０ａより距離Ｔ分、上部で第一流路１１の側面の位置に連結されている。ここで距離Ｔは０．５〜数ｍｍの範囲とできるだけ短いことが第二流路１２への樹脂の逆流を防ぐという意味から望ましい。また、第二流路１２は、第一流路１１に対して６０度以下の角度θで傾斜していることが好ましく、ここでは４５度の傾斜にしている。

第一流路１１にはチューブ状の断熱材４１が挿入され、第二流路１２には同じくチューブ状の断熱材４２が挿入されている。断熱材４１，４２はいずれもヘッド１０から端部が突出するように設けられている。第一流路１１は、断熱材４１が挿入されるスペースを確保すべく先端１１ａ側に向けて段階的に（ここでは三段階１１ｘの径１１ｘｓ＞１１ｙの径１１ｙｓ＞１１ｚの径１１ｚｓ）径細にされ、また第二流路１２も、断熱材４２が挿入されるスペースを確保すべく先端１２ａ側に向けて段階的に（ここでは二段階１２ｘの径１２ｘｓ＞１２ｙの径１２ｙｓ）径細にされている。

熱可塑性樹脂１００は、樹脂供給手段によって第一流路１１の後端１１ｂから供給されている。
樹脂供給手段は、熱可塑性樹脂１００を左右両側から挟み込んで第一流路１１の先端１１ａ側に送り出す樹脂用ガイドローラ２１と、その樹脂用ガイドローラ２１を駆動するモーターなどからなる樹脂供給ユニット２０からなる。

強化プラスチック炭素繊維２００は、炭素繊維供給手段によって第二流路１２の後端１２ｂから供給されている。
炭素繊維供給手段は、強化プラスチック炭素繊維２００を左右両側から挟み込んで第二流路１２の先端１２ａ側に送り出す炭素繊維用ガイドローラ３１と、その炭素繊維用ガイドローラ３１を駆動するモーターなどからなる炭素繊維供給ユニット３０からなる。特に限定されるわけではないが、ここでは炭素繊維用ガイドローラ３１は、滑りをもったローラで送り出し時には弱い圧縮応力を強化プラスチック炭素繊維２００に加えるようにしている。

ヘッド１０は、駆動ユニット７０のモーターによってプラットフォーム１上を３次元的に移動するようにされていて、３次元形状の数値表現に対応した制御は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなる制御ユニット８０で行われる。
また、制御ユニット８０には、温度センサー，位置センサーなどの各種センサー８２からの信号が入力されている。制御ユニット８０は装置全体の制御も行っている。

また、ヘッド１０内部には、第一流路１１及び第二流路１２から押し出される熱可塑性樹脂１００及び強化プラスチック炭素繊維２００を溶融させるためのヒーター８１が組み込まれていて、制御ユニット８０によって温度制御が行われている。

また、第二流路１２の後端１２ｂから供給される強化プラスチック炭素繊維２００は、レーザー光を照射することによって切断されるようにしている。レーザー光は、切断ユニット６０からの信号に基づいてレーザーダイオード６１から出力される。
このとき、レーザー光の照射位置を、第二流路１２に挿入された断熱材４２で覆われた部分から強化プラスチック炭素繊維２００が開口孔１０ａ側に出力された位置Ｐ１近傍で第二流路１２の内部に導入されるようにしている。

このように、レーザー光を照射して強化プラスチック炭素繊維２００を切断するので切断部をきれいに仕上げることができる。なお、レーザー光にかえて、ニクロム線ヒーターや放電電極などの発熱手段にパルス電流を流し局所的かつ短時間で高温状態を作ることによる切断や、モーターなどで駆動された鋭利な刃物や、あるいは超音波カッターなども考えられるが、レーザー光を照射する方法は簡単で切断面の仕上がりがよく、しかも切断位置を正確かつ容易に制御することができるといった利点を有する。
特に、強化プラスチック炭素繊維２００がその断熱材４２から開口孔１０ａ側に出力された位置Ｐ１において、レーザー光を照射すると、図３のグラフで示したように、強化プラスチック炭素繊維２００は溶融するほどには熱せられていないので、直接レーザー光で強化プラスチック炭素繊維２００をきれいに切断することができ、切断後には切断面は後続の強化プラスチック炭素繊維２００が押し込まれるので切断面が目立つことはない。また、これによれば、切断後に排出される強化プラスチック炭素繊維２００の長さを最短に抑えることができる。
なお、図３のグラフにおいて、位置Ｐ２は第一流路１１に連結された第二流路１２の先端１２ａの直前で第二流路１２内の位置、位置Ｐ３はヘッド１０の開口孔１０ａの直前で第一流路１１内の位置をそれぞれ示すものであるがこれらの位置では強化プラスチック炭素繊維２００は溶融しているため切断することは困難である。

ここで、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの温度を下げ過ぎると強化プラスチック炭素繊維２００の粘度があがりすぎる，あるいは固化してしまう恐れがあるため、造形開始時には、図３に示した破線のように全体の温度を上げて強化プラスチック炭素繊維２００のフィラメントの送り出しをスムーズに行う動作を付加させることが好ましい。

なお、ヘッド１０の下部に設けられた開口孔１０ａの周辺には面取り１０ｂが施されていて、３次元形状の物体を造形中に、第二流路１２から供給された強化プラスチック炭素繊維２００が開口孔１０ａの周辺に触れて不意に切断されることを防止している。

強化プラスチック炭素繊維２００は、プリプレグなどからなり、強化プラスチック炭素繊維２００の直径を０．６ｍｍ以下、ここでは、０．５ｍｍのものを使用した。

以上のように構成された付加製造装置によれば、ヘッド１０の内部に形成された第一流路１１から熱可塑性樹脂１００が供給されるとともに、第二流路１２からは強化プラスチック炭素繊維２００が供給されるので、ヘッド１０の開口孔１０ａからは強化プラスチック炭素繊維２００を熱可塑性樹脂１００で覆ったものが造形材料として射出され、積層されることで３次元形状の物体が造形される。
そして完成した物体（図示しない）は、強化プラスチック炭素繊維２００を熱可塑性樹脂１００で覆ってなるものを積層したものであるので強度的に強い。

また、このとき、ヘッド１０の開口孔１０ａから射出される熱可塑性樹脂１００と強化プラスチック炭素繊維２００の混合比を変えることで完成する物体の形状や強度を所望のものにすることができる。混合比は熱可塑性樹脂１００の押出し速度のみを変えることによって容易に変えることができる。

また、第二流路１２は、第一流路１１に対して傾斜して延びその先端１２ａが第一流路１１の先端１１ａ側に連結されているので、強化プラスチック炭素繊維２００を射出するために押し込む力を最小限にすることができる。
これによれば、強化プラスチック炭素繊維２００として細いもの、例えば、強化プラスチック炭素繊維２００の直径を０．６ｍｍ以下にしたものを使用することができるので、細く精密な造形を得ることができる。また、細い造形材料を使用することができることにより、造形した３次元形状の物体を柔軟にすることもでき、これまでと異なった性質で強度が強いものとすることができるなど用途が広がるといった効果が得られる。

また、第二流路１２の先端１２ａをヘッド１０の開口孔１０ａの位置にするのではなくその開口孔１０ａより上部で第一流路１１の側面の位置に連結するようにしたので、熱可塑性樹脂１００と強化プラスチック炭素繊維２００がムラなく混合され、安定した状態で強化プラスチック炭素繊維２００を熱可塑性樹脂１００で覆ってなる造形材料がヘッド１０から供給される。

また、第二流路１２を第一流路１１に対して６０度以下で傾斜させているので、溶解した樹脂の流体の流れ方向応力に従って強化プラスチック炭素繊維２００を円滑に押し出すことができる。

また、第一流路１１及び第二流路１２にはチューブ状の断熱材４１，４２がそれぞれ挿入されているので、熱可塑性樹脂１００と強化プラスチック炭素繊維２００は断熱材４１，４２の存在する位置では固体で断熱材４１，４２の位置を通過すると溶融して液化させることができる。
これによれば、ヘッド１００の開口孔１０ａの直前近傍まで熱可塑性樹脂１００と強化プラスチック炭素繊維２００を固体とすることができるので、熱可塑性樹脂１００と強化プラスチック炭素繊維２００に対して外部から押し込む力を効率的に伝えることができる。

なお、図４に示すように、第一流路１１及び第二流路１２の間に切り込み５０を形成することによって、温度を下げることができる。すなわち、切り込み５０を、第二流路１２に挿入された断熱材４２の先端近傍まで形成することによって熱可塑性樹脂１００と強化プラスチック炭素繊維２００を固体とすることができる位置をよりヘッド１０の開口孔１０ａの直前近傍までにすることができるので、直径の小さい強化プラスチック炭素繊維２００であっても外部からの押し込む力を一層効率的に伝えることができる。

また、図５に示したように、炭素繊維用ガイドローラ３１の前段に、軟らかい状態で供給された強化プラスチック炭素繊維２００のフィラメントの性質を変える改質化ブロック９０を設けるようしてもよい。
これは、強化プラスチック炭素繊維２００を軟らかい状態で購入した場合に、炭素繊維用ガイドローラ３１を介して第二流路１２内に供給する前処理として行うもので、改質化ブロック９０内には、ヒーター、熱風、赤外線などの加熱装置と、ファンなどの冷却装置が設けられている。そして、柔らかい状態で供給されたフィラメントを加熱して強化プラスチック炭素繊維２００が溶融あるいは溶融する付近までの状態にさせた後に、冷却して硬く固化するものであり、これによれば、強化プラスチック炭素繊維２００を軟らかい状態から直線状に硬くして、第二流路１２から押し込み易くすることができる。なお、改質化ブロック９０内部を真空ポンプなどで減圧することにより、強化プラスチック炭素繊維２００の内部に取り込まれていた気泡などを取り除くことが可能となり、これにより造形物の強度を向上させることができる。

１ プラットフォーム
１０ ヘッド
１０ａ 開口孔
１０ｂ 面取り
１１ 第一流路
１１ａ 先端
１１ｂ 後端
１２ 第二流路
１２ａ 先端
１２ｂ 後端
２０ 樹脂供給ユニット（樹脂供給手段）
２１ 樹脂用ガイドローラ（樹脂供給手段）
３０ 炭素繊維供給ユニット（炭素繊維供給手段）
３１ 炭素繊維用ガイドローラ（炭素繊維供給手段）
４１ 断熱材
４２ 断熱材
５０ 切り込み
６０ 切断ユニット
６１ レーザーダイオード
７０ 駆動ユニット
８０ 制御ユニット
８１ ヒーター
８２ 各種センサー
９０ 改質化ブロック
１００ 熱可塑性樹脂
２００ 強化プラスチック炭素繊維

Claims (10)

1. ヘッドの下部に設けられた開口孔から液体状にした造形材料を、３次元形状の数値表現に対応してプラットフォーム上に積層すると同時に固化することによって物体を作成する付加製造装置であって、
   前記ヘッドの内部には、上下方向に略直線的に延びその先端が前記開口孔に連通した第一流路と、前記第一流路に対して傾斜して延びその先端が前記第一流路の先端側に連結された第二流路が形成されるとともに、
   前記第一流路の後端から熱可塑性樹脂を供給する樹脂供給手段と、
   前記第二流路の後端から強化プラスチック炭素繊維を供給する炭素繊維供給手段を備えることを特徴とする付加製造装置。
2. 前記第二流路の先端は、前記開口孔より上部で前記第一流路の側面の位置に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記第二流路は、前記第一流路に対して６０度以下で傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の付加製造装置。
4. 前記第一流路及び前記第二流路にはチューブ状の断熱材がそれぞれ挿入されてなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の付加製造装置。
5. 前記ヘッドにおいて、前記第一流路及び前記第二流路の間には切り込みが形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の付加製造装置。
6. 前記切り込みは、前記第二流路に挿入された断熱材の先端近傍まで形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の付加製造装置。
7. 前記第二流路の後端から供給される強化プラスチック炭素繊維に対してレーザー光を照射して切断する切断手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の付加製造装置。
8. 前記第二流路の後端から供給される強化プラスチック炭素繊維を、前記断熱材から前記開口孔側に出力された位置において、レーザー光を照射して切断する切断手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の付加製造装置。
9. 前記強化プラスチック炭素繊維の直径を０．６ｍｍ以下にしたことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一つに記載の付加製造装置。
10. 前記開口孔の周辺には面取りが施されていることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一つに記載の付加製造装置。