JP2021134373A - Apparatus and method for producing three-dimensional object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、立体造形物の製造装置及び立体造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing a three-dimensional model and a method for manufacturing a three-dimensional model.
三次元造形方式の一つとして、層状に敷き詰めた粉体に、印刷機等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、結合剤を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって三次元形状を造る技術(例えば、バインダージェッティング方式)がある。このようなバインダージェッティング方式では、粉体を結合剤で固化させたグリーン体を焼結して最終造形物を得ているので、最終造形物の強度を向上させるため、形成した層表面を親水化し、層間の密着性を高める技術が既に知られている。 As one of the three-dimensional modeling methods, a binder is discharged and solidified by using an inkjet head used in a printing machine or the like on powder spread in layers to form a cross-sectional layer, which is then laminated. There is a technique for creating a three-dimensional shape (for example, a binder jetting method). In such a binder jetting method, a green body obtained by solidifying powder with a binder is sintered to obtain a final modeled product. Therefore, in order to improve the strength of the final modeled product, the formed layer surface is made hydrophilic. There is already known a technique for improving the adhesion between layers.
しかし、先行技術では、アルミニウムのような難焼結材料を用いた場合、焼結時に密度が上がりにくく、他の材料に比べて、層構造が部品内部に残存し易くなる傾向がある。その結果、層間の密着性が低く、高さ方向(Z方向)の強度が弱くなってしまうという問題がある。
そこで、例えば、第1粉体及び第2粉体の混合比を制御してコーティングを行い、造形物が形成されたとき、第1粉体のみの領域は、第2粉体のみの領域とは異なる強度を有する三次元積層造形装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
However, in the prior art, when a difficult-to-sinter material such as aluminum is used, the density does not easily increase during sintering, and the layer structure tends to remain inside the component as compared with other materials. As a result, there is a problem that the adhesion between layers is low and the strength in the height direction (Z direction) is weakened.
Therefore, for example, when coating is performed by controlling the mixing ratio of the first powder and the second powder to form a modeled product, the region containing only the first powder is different from the region containing only the second powder. Three-dimensional laminated molding devices having different strengths have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
本発明は、層間の密着性を向上させることができる立体造形物の製造装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a three-dimensional model capable of improving the adhesion between layers.
前記課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造装置は、第一の粉体を搬送する搬送手段と、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、を有する。 The three-dimensional molded product manufacturing apparatus of the present invention as a means for solving the above problems has a transporting means for transporting the first powder and a molding liquid for solidifying the powder layer containing the first powder. It has a molding liquid applying means for applying the above-mentioned first powder, and a second powder applying means for applying a second powder made of an element that forms an alloy with the first powder to lower the solidus temperature.
本発明によると、層間の密着性を向上させることができる立体造形物の製造装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an apparatus for manufacturing a three-dimensional model capable of improving the adhesion between layers.
(立体造形物の製造装置及び立体造形物の製造方法)
本発明の立体造形物の製造装置は、第一の粉体を搬送する搬送手段と、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、を有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
(Manufacturing equipment for 3D objects and manufacturing method for 3D objects)
The three-dimensional molded product manufacturing apparatus of the present invention includes a transporting means for transporting the first powder, a molding liquid applying means for applying a molding liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and the above-mentioned. It has a second powder applying means for applying a second powder composed of an element that forms an alloy with the first powder and lowers the solidus temperature, and further means other means as necessary. Have.
本発明の立体造形物の製造方法は、第一の粉体を搬送する搬送工程と、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与工程と、前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与工程と、を含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。 The method for producing a three-dimensional molded product of the present invention includes a transport step of transporting the first powder, a molding liquid applying step of applying a molding liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and the above-mentioned. It includes a second powder applying step of forming an alloy with the first powder and applying a second powder composed of an element that lowers the solidus temperature, and further includes other steps as necessary. ..
本発明の立体造形物の製造方法は、本発明の立体造形物の製造装置により好適に実施することができ、搬送工程は搬送手段により行うことができ、造形液付与工程は造形液付与手段により行うことができ、第二の粉体付与工程は第二の粉体付与手段により行うことができ、その他の工程はその他の手段により行うことができる。
以下、本発明の立体造形物の製造装置の説明を通じて、本発明の立体造形物の製造方法の詳細についても明らかにする。
The method for producing a three-dimensional model of the present invention can be suitably carried out by the apparatus for producing a three-dimensional model of the present invention, the transfer step can be performed by a transfer means, and the modeling liquid application step is performed by the model liquid application means. It can be performed, the second powder application step can be performed by the second powder application means, and the other steps can be performed by other means.
Hereinafter, details of the method for manufacturing the three-dimensional model of the present invention will be clarified through the description of the device for manufacturing the three-dimensional model of the present invention.
従来技術では、複数種の粉体を用いることが記載されているが、例えば、アルミニウムのような難焼結材料を用いたバインダージェッティング方式において、層間の密着性が低いという問題は解消できていない。 Although it is described in the prior art that a plurality of types of powders are used, for example, in a binder jetting method using a difficult-to-sinter material such as aluminum, the problem of low adhesion between layers has been solved. No.
本発明の立体造形物の製造装置は、層状に敷き詰めた粉体に、印刷装置等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、造形液を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって造形物を作製するバインダージェッティング方式において、第一の粉体を搬送する搬送手段と、前記搬送手段によって搬送された第一の粉体を固化させる造形液を付与する造形液付与手段と、固化された第一の粉体を含む粉体層に、前記第一の粉体と合金を形成し、固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、を有することによって、層間の密着性が十分であり、その結果、XY方向とZ方向で強度の異方性の少ない造形を実現できる。 In the three-dimensional molded product manufacturing apparatus of the present invention, a molding liquid is discharged and solidified on a layered powder using an inkjet head used in a printing apparatus or the like to form a cross-sectional layer, which is laminated. In the binder jetting method for producing a modeled product, a transporting means for transporting the first powder and a molding liquid applying means for imparting a molding liquid for solidifying the first powder transported by the transporting means. A second powder that forms an alloy with the first powder on the powder layer containing the solidified first powder and imparts a second powder composed of an element that lowers the solidus temperature. By having the body-imparting means, the adhesion between the layers is sufficient, and as a result, it is possible to realize modeling with less anisotropy of strength in the XY directions and the Z directions.
本発明においては、第一の粉体を含む粉体層(造形層)間に第二の粉体(焼結助剤)が存在することによって、焼結時に、造形層間に液相が生成し、造形層間の密着性が向上するので、造形層をリコートして、造形液を付与した後に、第二の粉体を付与する。要するに、グリーン体内部の造形層間に第二の粉体を選択的に配置させることによって、焼結時に、造形層間で焼結が進行しやすくなり、特に、第一の粉体のリコートや造形液の付与状態が層間密着のために最適化されていなくても、確実に造形層間の密着性を向上させることができる。 In the present invention, the presence of the second powder (sintering aid) between the powder layers (modeling layers) containing the first powder causes a liquid phase to be generated between the molding layers during sintering. Since the adhesion between the molding layers is improved, the molding layer is recoated to apply the molding liquid, and then the second powder is applied. In short, by selectively arranging the second powder between the molding layers inside the green body, the sintering can easily proceed between the molding layers during sintering, and in particular, the recoating of the first powder and the molding liquid Even if the imparting state is not optimized for interlayer adhesion, the adhesion between molding layers can be reliably improved.
<搬送工程及び搬送手段>
搬送工程は、第一の粉体を搬送する工程であり、搬送手段により実施される。搬送工程によって、第一の粉体を含む粉体層(造形層)が形成される。
搬送手段としては、例えば、リコートローラ、ホッパーなどが挙げられる。
前記第一の粉体を含む粉体層は支持体上に形成されることが好ましい。
<Transport process and transport means>
The transport step is a step of transporting the first powder, and is carried out by the transport means. A powder layer (modeling layer) containing the first powder is formed by the transfer process.
Examples of the transporting means include a recoat roller and a hopper.
The powder layer containing the first powder is preferably formed on the support.
−支持体−
支持体としては、第一の粉体を載置することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、第一の粉体の載置面を有する台、特開2000−328106号公報の図1に記載の装置におけるベースプレート、などが挙げられる。
前記支持体の表面、即ち、第一の粉体を載置する載置面としては、例えば、平滑面であってもよいし、粗面であってもよく、また、平面であってもよいし、曲面であってもよいが、第一の粉体における樹脂が溶解した際に、樹脂との親和性が低いことが好ましい。
載置面と、溶解した樹脂との親和性が、第一の粉体と、溶解した前記樹脂との親和性よりも低いと、得られた立体造形物を該載置面から取り外すことが容易である点で好ましい。
-Support-
The support is not particularly limited as long as the first powder can be placed on it, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a base plate in the apparatus described in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-328106.
The surface of the support, that is, the mounting surface on which the first powder is placed may be, for example, a smooth surface, a rough surface, or a flat surface. However, it may have a curved surface, but it is preferable that the affinity with the resin is low when the resin in the first powder is dissolved.
When the affinity between the mounting surface and the dissolved resin is lower than the affinity between the first powder and the dissolved resin, it is easy to remove the obtained three-dimensional model from the mounting surface. It is preferable in that it is.
−第一の粉体の搬送−
リコートローラを用いて第一の粉体を供給槽から造形槽に搬送する場合には、リコートローラによって第一の粉体の搬送と平坦化を行う。造形槽内に、該造形槽の内壁を摺動させながら昇降可能に配置された支持体上に、供給槽から第一の粉体を、リコートローラを用いて搬送する。このとき、支持体として造形槽内を昇降可能なものを用いる場合には、支持体を造形槽の上端開口部よりも少しだけ下方の位置に配する。即ち、支持体を第一の粉体を含む粉体層の厚み分だけ下方に位置させておき、支持体上に第一の粉体を載置させる。以上により、第一の粉体を前記支持体上に薄層に載置させることができる。
− First powder transfer −
When the first powder is transferred from the supply tank to the modeling tank by using the recoat roller, the first powder is transferred and flattened by the recoat roller. The first powder from the supply tank is conveyed from the supply tank to the modeling tank by using a recoat roller on a support arranged so as to be able to move up and down while sliding the inner wall of the modeling tank. At this time, when a support that can move up and down in the modeling tank is used, the support is arranged at a position slightly below the upper end opening of the modeling tank. That is, the support is positioned below by the thickness of the powder layer containing the first powder, and the first powder is placed on the support. As described above, the first powder can be placed on the support in a thin layer.
ホッパーを用いて第一の粉体を造形槽に搬送する場合には、造形槽の上方からホッパーによって造形槽内に第一の粉体を搬送する。ホッパーを搬送手段として用いると、造形槽内に所定量の第一の粉体を搬送できるので、搬送後に平坦化は行わない。 When the first powder is conveyed to the modeling tank by using the hopper, the first powder is conveyed into the modeling tank by the hopper from above the modeling tank. When the hopper is used as the transport means, a predetermined amount of the first powder can be transported into the modeling tank, so that flattening is not performed after the transfer.
<<第一の粉体>>
第一の粉体は、難焼結材料であることが好ましい。
難焼結材料とは、加熱しても焼結が進み難い材料を意味している。より具体的には、融点もしくは固相線温度が非常に高く一般的な加熱装置ではそれを越えた温度での熱処理が不可能であるか、又は、融点もしくは固相線温度が低くても粒子表面に形成した酸化皮膜が焼結を阻害するような材料を指す。
難焼結材料としては、例えば、金属、セラミックス、炭化物などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、又はそれらの合金などが挙げられる。
セラミックスとしては、例えば、窒化アルミニウム、アルミナなどが挙げられる。
炭化物としては、例えば、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、クロムカーバイド、シリコンカーバイドなどが挙げられる。
<< First powder >>
The first powder is preferably a difficult-to-sinter material.
The difficult-to-sinter material means a material that is difficult to be sintered even when heated. More specifically, the melting point or the solidus temperature is very high, and heat treatment at a temperature higher than that is impossible with a general heating device, or even if the melting point or the solidus temperature is low, the particles A material in which the oxide film formed on the surface inhibits sintering.
Examples of the difficult-to-sinter material include metals, ceramics, and carbides.
Examples of the metal include aluminum, tungsten, titanium, molybdenum, niobium, and alloys thereof.
Examples of ceramics include aluminum nitride and alumina.
Examples of the carbide include tungsten carbide, titanium carbide, chromium carbide, silicon carbide and the like.
第一の粉体は、粒子形状であることが好ましく、その形状としては、球状、楕円状などが挙げられる。
第一の粉体の体積平均粒径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、0.1μm以上500μm以下が好ましく、5μm以上300μm以下がより好ましく、10μm以上250μm以下が更に好ましい。
体積平均粒径が、0.1μm以上500μm以下であると、立体造形物の製造効率に優れ、取扱性やハンドリング性が良好である。体積平均粒径が、500μm以下であると、第一の粉体を用いて薄層を形成した際に、該薄層における前記立体造形用粉体の充填率が向上し、得られる立体造形物に空隙や組成ムラ等が生じ難い。
第一の粉体の体積平均粒径は、公知の粒径測定装置、例えば、マイクロトラックHRA(日機装株式会社製)、などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。
The first powder preferably has a particle shape, and examples of the shape include a spherical shape and an elliptical shape.
The volume average particle diameter of the first powder is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, 0.1 μm or more and 500 μm or less is preferable, 5 μm or more and 300 μm or less is more preferable, and 10 μm. More preferably 250 μm or less.
When the volume average particle diameter is 0.1 μm or more and 500 μm or less, the production efficiency of the three-dimensional model is excellent, and the handleability and handleability are good. When the volume average particle size is 500 μm or less, when a thin layer is formed using the first powder, the filling rate of the three-dimensional modeling powder in the thin layer is improved, and the obtained three-dimensional modeled product. It is unlikely that voids or uneven composition will occur.
The volume average particle size of the first powder can be measured according to a known method using a known particle size measuring device, for example, Microtrac HRA (manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
第一の粉体の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、第一の粉体上に樹脂を被覆する方法などが好適に挙げられる。
第一の粉体の表面への樹脂の被覆方法としては、特に制限はなく、公知の被覆方法の中から適宜採用することができ、例えば、転動流動コーティング法、スプレードライ法、撹拌混合添加法、ディッピング法、ニーダーコート法、などが好適に挙げられる。また、これらの被覆方法は、公知の市販の各種コーティング装置、造粒装置などを用いて実施することができる。
The method for producing the first powder is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a method of coating a resin on the first powder is preferable.
The method for coating the surface of the first powder with the resin is not particularly limited and may be appropriately adopted from known coating methods. For example, a rolling flow coating method, a spray-drying method, a stirring and mixing addition method. A method, a dipping method, a kneader coating method, and the like are preferably mentioned. Further, these coating methods can be carried out by using various known commercially available coating devices, granulating devices and the like.
<<樹脂>>
樹脂としては、造形液に溶解して第一の粉体を固化することができるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、造形液が水系である場合には、例えば、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース、デンプン、ゼラチン、ビニル樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレングリコールなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<< Resin >>
The resin is not particularly limited as long as it can be dissolved in the molding liquid to solidify the first powder, and can be appropriately selected according to the purpose. When the molding liquid is aqueous. For example, polyvinyl alcohol resin, polyacrylic acid resin, cellulose, starch, gelatin, vinyl resin, amide resin, imide resin, acrylic resin, polyethylene glycol and the like can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
樹脂による第一の粉体の被覆厚みとしては、平均厚みで、5nm以上1,000nm以下が好ましく、5nm以上500nm以下がより好ましく、50nm以上300nm以下が更に好ましく、100nm以上200nm以下が特に好ましい。
被覆厚みとしての平均厚みが、5nm以上であると、第一の粉体に前記造形液を付与して形成した第一の粉体(層)による造形層の強度が向上し、その後の焼結等の処理乃至取扱い時に型崩れ等の問題が生じることがない、1,000nm以下であると、第一の粉体に前記造形液を付与して形成した第一の粉体(層)による造形層の寸法精度が向上する。
平均厚みは、例えば、第一の粉体をアクリル樹脂等に包埋した後、エッチング等を行って前記第一の粉体の表面を露出させた後、走査型トンネル顕微鏡STM、原子間力顕微鏡AFM、走査型電子顕微鏡SEMなどを用いることにより、測定することができる。
The average thickness of the first powder coated with the resin is preferably 5 nm or more and 1,000 nm or less, more preferably 5 nm or more and 500 nm or less, further preferably 50 nm or more and 300 nm or less, and particularly preferably 100 nm or more and 200 nm or less.
When the average thickness as the coating thickness is 5 nm or more, the strength of the molding layer formed by applying the molding liquid to the first powder is improved, and the subsequent sintering is performed. If it is 1,000 nm or less, the first powder is formed by applying the molding liquid to the first powder, and the first powder (layer) is used for molding. The dimensional accuracy of the layer is improved.
The average thickness is determined, for example, by embedding the first powder in an acrylic resin or the like and then performing etching or the like to expose the surface of the first powder, and then scanning tunneling microscope STM, atomic force microscope. It can be measured by using an AFM, a scanning electron microscope SEM, or the like.
樹脂による第一の粉体の表面の被覆率(面積率)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、15%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、80%以上が更に好ましい。
被覆率が、15%以上であると、第一の粉体に造形液を付与して形成した第一の粉体(層)による造形層の強度が充分に得られ、その後の焼結等の処理乃至取扱い時に型崩れ等の問題が生じることがなく、また、第一の粉体に前記造形液を付与して形成した第一の粉体(層)による造形層の寸法精度が向上する。
被覆率は、例えば、第一の粉体の写真を観察し、二次元の写真に写る該立体造形用粉体について、第一の粉体の表面の全面積に対する、樹脂で被覆された部分の面積の割合(%)の平均値を算出してこれを該被覆率としてもよいし、また、樹脂で被覆された部分をSEM−EDS等のエネルギー分散型X線分光法による元素マッピングを行うことにより、測定することができる。
The coverage (area ratio) of the surface of the first powder with the resin is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 15% or more, more preferably 50% or more, and 80% or more. % Or more is more preferable.
When the coverage is 15% or more, the strength of the molding layer formed by applying the molding liquid to the first powder is sufficiently obtained, and subsequent sintering and the like can be obtained. Problems such as shape loss do not occur during processing or handling, and the dimensional accuracy of the molding layer formed by applying the molding liquid to the first powder is improved.
The coverage is determined, for example, by observing a photograph of the first powder and using the resin-coated portion of the three-dimensional modeling powder shown in the two-dimensional photograph with respect to the entire surface area of the first powder. The average value of the area ratio (%) may be calculated and used as the coverage, or the resin-coated portion may be element-mapped by energy dispersive X-ray spectroscopy such as SEM-EDS. Can be measured by.
<造形液付与工程及び造形液付与手段>
造形液付与工程は、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する工程であり、造形液付与手段によって実施される。
<Modeling liquid application process and modeling liquid application means>
The modeling liquid application step is a step of applying a modeling liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and is carried out by the modeling liquid application means.
<<造形液>>
造形液としては、第一の粉体を被覆する樹脂を溶解して固定化させることができるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン等の水性媒体、脂肪族炭化水素、グリコールエーテル等のエーテル系溶剤、酢酸エチル等のエステル系溶剤、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤、高級アルコールなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<< Modeling liquid >>
The modeling liquid is not particularly limited as long as it can dissolve and immobilize the resin that coats the first powder, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, water, ethanol, etc. Examples thereof include aqueous media such as alcohols, ethers and ketones, ether solvents such as aliphatic hydrocarbons and glycol ethers, ester solvents such as ethyl acetate, ketone solvents such as methyl ethyl ketone, and higher alcohols. These may be used alone or in combination of two or more.
造形液の第一の粉体(層)への付与の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ディスペンサ方式、スプレー方式、インクジェット方式などが挙げられる。なお、これらの方式を実施するには公知の装置を造形液付与手段として好適に使用することができる。
これらの中でも、ディスペンサ方式は、液滴の定量性に優れるが、塗布面積が狭くなり、スプレー方式は、簡便に微細な吐出物を形成でき、塗布面積が広く、塗布性に優れるが、液滴の定量性が悪く、スプレー流による第一の粉体の飛散が発生する。このため、本発明においては、インクジェット方式が特に好ましい。インクジェット方式は、スプレー方式に比べ、液滴の定量性が良く、ディスペンサ方式に比べ、塗布面積が広くできる利点があり、複雑な立体形状を精度良くかつ効率よく形成し得る点で好ましい。
The method of applying the molding liquid to the first powder (layer) is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a dispenser method, a spray method, and an inkjet method. In order to carry out these methods, a known device can be suitably used as a molding liquid applying means.
Among these, the dispenser method is excellent in the quantitativeness of droplets, but the coating area is narrow, and the spray method is able to easily form fine ejected substances, has a wide coating area, and is excellent in coating properties, but the droplets. The quantitativeness is poor, and the first powder is scattered by the spray flow. Therefore, in the present invention, the inkjet method is particularly preferable. The inkjet method has the advantages of better quantification of droplets than the spray method, a wider coating area than the dispenser method, and is preferable in that a complicated three-dimensional shape can be formed accurately and efficiently.
インクジェット法による場合、造形液付与手段は、インクジェット法により造形液を第一の粉体(層)に付与可能なノズルを有する。なお、前記ノズルとしては、公知のインクジェットプリンターにおけるノズル(吐出ヘッド)を好適に使用することができ、また、インクジェットプリンターを造形液付与手段として好適に使用することができる。なお、インクジェットプリンターとしては、例えば、株式会社リコー製のSG7100、などが好適に挙げられる。インクジェットプリンターは、ヘッド部から一度に滴下できる液体量が多く、塗布面積が広いため、塗布の高速化を図ることができる点で好ましい。
本発明においては、造形液を精度良くしかも高効率に付与可能な前記インクジェットプリンターを用いた場合においても、造形液が、粒子等の固形物や、樹脂等の高分子の高粘度材料を含有しないため、ノズル乃至そのヘッドにおいて目詰り等が発生せず、腐食等を生じさせることもなく、また、第一の粉体(層)に付与(吐出)された際、第一の粉体における樹脂に効率良く浸透可能であるため、立体造形物の製造効率に優れ、しかも樹脂等の高分子成分が付与されることがないため、予定外の体積増加等を生じることがなく、寸法精度の良好なグリーン体が容易にかつ短時間で効率よく得られる点で有利である。
In the case of the inkjet method, the modeling liquid applying means has a nozzle capable of applying the modeling liquid to the first powder (layer) by the inkjet method. As the nozzle, a nozzle (discharge head) in a known inkjet printer can be preferably used, and the inkjet printer can be suitably used as a molding liquid applying means. As the inkjet printer, for example, SG7100 manufactured by Ricoh Co., Ltd. and the like are preferably mentioned. Inkjet printers are preferable in that the amount of liquid that can be dropped from the head portion at one time is large and the coating area is large, so that the coating speed can be increased.
In the present invention, even when the inkjet printer capable of applying the modeling liquid with high accuracy and high efficiency is used, the modeling liquid does not contain solid substances such as particles or high molecular weight high-viscosity materials such as resins. Therefore, clogging or the like does not occur in the nozzle or its head, corrosion or the like does not occur, and when the resin is applied (discharged) to the first powder (layer), the resin in the first powder Because it can penetrate efficiently into a three-dimensional model, it has excellent manufacturing efficiency, and since no polymer component such as resin is added, it does not cause an unexpected volume increase and has good dimensional accuracy. It is advantageous in that a green body can be easily and efficiently obtained in a short time.
<第二の粉体付与工程及び第二の粉体付与手段>
第二の粉体付与工程は、第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する工程であり、第二の粉体付与手段によって実施される。
第二の粉体付与は造形液付与後に行ってもよく、造形液付与前に行ってもよい。
<Second powder application step and second powder application means>
The second powder applying step is a step of applying a second powder composed of an element that forms an alloy with the first powder and lowers the solidus line temperature, and is carried out by the second powder applying means. Will be done.
The second powder application may be performed after the modeling liquid is applied, or may be performed before the modeling liquid is applied.
<<第二の粉体>>
第二の粉体は、第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなり、第一の粉体を焼結する際に添加して焼結を促進する剤であり、「焼結助剤」と称することもある。
<< Second powder >>
The second powder is composed of an element that forms an alloy with the first powder to lower the solidus temperature, and is an agent that is added when the first powder is sintered to promote sintering. , Sometimes referred to as "sintering aid".
第二の粉体は、粒子形状であることが好ましく、その形状としては、球状、楕円状、球形度の低い尖った形状、多角形状、矩形状、扁平状、板状などが挙げられる。
第二の粉体の体積平均粒径は、10nm以上10μm以下が好ましく、100nm以上5μm以下がより好ましい。
第二の粉体の体積平均粒径は、公知の粒径測定装置、例えば、マイクロトラックHRA(日機装株式会社製)などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。
The second powder preferably has a particle shape, and examples of the shape include a spherical shape, an elliptical shape, a sharp shape having a low degree of sphericity, a polygonal shape, a rectangular shape, a flat shape, and a plate shape.
The volume average particle size of the second powder is preferably 10 nm or more and 10 μm or less, and more preferably 100 nm or more and 5 μm or less.
The volume average particle size of the second powder can be measured according to a known method using a known particle size measuring device, for example, Microtrac HRA (manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
第二の粉体としては、第一の粉体がアルミニウム又はその合金である場合には、シリコン、銅、スズ、マグネシウム、鉄、マンガン、チタン、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれら合金などが挙げられる。 Examples of the second powder include silicon, copper, tin, magnesium, iron, manganese, titanium, nickel, zinc, chromium, or alloys thereof when the first powder is aluminum or an alloy thereof. Be done.
第二の粉体の構成元素は、全て第一の粉体の構成元素に含まれることが好ましい。これにより、原料となる第一の粉体と、焼結後の立体造形物の構成元素が同一になり、不純元素の混入を防ぐことができる。
このような組み合わせとしては、例えば、「第一の粉体:AlSi10Mg合金−第二の粉体:シリコン又はマグネシウム」、「第一の粉体:ADC12−第二の粉体:シリコン又は銅」、「第一の粉体:銅タングステン合金−第二の粉体:銅」、「第一の粉体:銀タングステン合金−第二の粉体:銀」などが挙げられる。
第一の粉体と第二の粉体が、焼結時に液相を形成したとき、液相から固相への溶解度をSA、固相から液相への溶解度をSBとすると、次式、SB>SA、を満たすことが好ましく、固相から液相への溶解度の方が高いことがより好ましい。これにより、固相粒間の液相が多くなり、固相粒間の空隙を埋め、立体造形物の焼結体がより緻密化する。
このような第一の粉体−第二の粉体の組み合わせとしては、例えば、第一の粉体:アルミニウム−第二の粉体:スズなどが挙げられる。
It is preferable that all the constituent elements of the second powder are contained in the constituent elements of the first powder. As a result, the first powder as a raw material and the constituent elements of the three-dimensional model after sintering become the same, and it is possible to prevent the mixing of impure elements.
Examples of such a combination include "first powder: AlSi 10 Mg alloy-second powder: silicon or magnesium", "first powder: ADC 12- second powder: silicon or". Examples thereof include "copper", "first powder: copper tungsten alloy-second powder: copper", "first powder: silver tungsten alloy-second powder: silver" and the like.
When the first powder and the second powder form a liquid phase during sintering, the solubility from the liquid phase to the solid phase is SA, and the solubility from the solid phase to the liquid phase is SB. It is preferable that SB> SA is satisfied, and it is more preferable that the solubility from the solid phase to the liquid phase is higher. As a result, the number of liquid phases between the solid phase grains increases, the voids between the solid phase grains are filled, and the sintered body of the three-dimensional model becomes more dense.
Examples of such a combination of the first powder and the second powder include the first powder: aluminum and the second powder: tin.
第二の粉体付与手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、第二の粉体を含有する液体を付与する手段、第二の粉体をそのまま付与する手段などが挙げられる。 The second powder applying means is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a means for applying a liquid containing the second powder, the second powder is applied as it is. The means to do so can be mentioned.
第二の粉体を含有する液体を付与する手段としては、第二の粉体を含有する液体を付与するインクジェットヘッドであることが好ましい。
第二の粉体を含有する液体の吐出量は、所謂、第一の粉体を含む粉体層(造形層)の結合(造形用)の吐出量に比べて少量でよい。層間に第二の粉体を存在させることが目的であり、造形層内部に浸透させる必要は無いためである。造形層の結合(造形用)には、造形液を150pL以上250pL以下の吐出量で吐出することが好ましく、前記第二の粉体を含有する液体は5pL以上100pL以下の吐出量で吐出すればよい。
第二の粉体は、10nm以上1,000nm以下の平均粒子径で、第二の粉体を含有する液体中に含有されることが好ましい。
As a means for applying the liquid containing the second powder, an inkjet head for applying the liquid containing the second powder is preferable.
The discharge amount of the liquid containing the second powder may be smaller than the discharge amount of the so-called bond (for modeling) of the powder layer (modeling layer) containing the first powder. This is because the purpose is to allow the second powder to exist between the layers, and it is not necessary to allow the second powder to penetrate into the molding layer. For bonding the modeling layer (for modeling), it is preferable to discharge the modeling liquid at a discharge amount of 150 pL or more and 250 pL or less, and if the liquid containing the second powder is discharged at a discharge amount of 5 pL or more and 100 pL or less. good.
The second powder has an average particle size of 10 nm or more and 1,000 nm or less, and is preferably contained in the liquid containing the second powder.
グリーン体における第二の粉体の含有量が第一の粉体の含有量よりも少ないことが好ましい。必要以上に第二の粉体(焼結助剤)がグリーン体中に含まれないことが、造形物の強度などの点から望ましい。
第二の粉体を含有する液体は、第一の粉体を含む粉体層の造形領域に付与することが好ましいが、第一の粉体を固化する造形液ほどの、高解像度のパターンで吐出する必要はなく、低解像度で吐出しても強度改善の効果は維持できる。その上、プロセススピードを向上させられるため、利点が多いと考えられる。
It is preferable that the content of the second powder in the green body is smaller than the content of the first powder. It is desirable that the second powder (sintering aid) is not contained in the green body more than necessary from the viewpoint of the strength of the modeled object.
The liquid containing the second powder is preferably applied to the molding region of the powder layer containing the first powder, but has a high resolution pattern as high as the molding liquid that solidifies the first powder. It is not necessary to discharge, and the effect of improving the strength can be maintained even if the discharge is performed at a low resolution. In addition, it is considered to have many advantages because it can improve the process speed.
第二の粉体をそのままドライ粉体として付与する手段としては、例えば、ホッパー、ローラなどが挙げられる。この場合、第一の粉体を含む粉体層(造形層)の造形領域だけでなく、非造形領域も第二の粉体が供給されるため、造形後の未使用粉体をリサイクルする際に、材料組成が変化するというデメリットはあるが、第二の粉体を含有する液体の調製、及び第二の粉体を含有する液体の付与手段が不要であり、簡易に実装することができる。 Examples of means for applying the second powder as it is as a dry powder include a hopper and a roller. In this case, since the second powder is supplied not only to the modeling area of the powder layer (modeling layer) containing the first powder but also to the non-modeling area, when the unused powder after modeling is recycled. Although there is a demerit that the material composition changes, it is not necessary to prepare a liquid containing the second powder and a means for applying the liquid containing the second powder, and it can be easily implemented. ..
<その他の工程及びその他の手段>
その他の工程としては、焼結工程、乾燥工程、表面保護処理工程、塗装工程などが挙げられる。
その他の手段としては、焼結手段、粉体収容部、液体収容部、乾燥手段、表面保護処理手段、塗装手段などが挙げられる。
<Other processes and other means>
Other steps include a sintering step, a drying step, a surface protection treatment step, a painting step and the like.
Other means include sintering means, powder storage part, liquid storage part, drying means, surface protection treatment means, coating means and the like.
−焼結工程及び焼結手段−
焼結工程は、粉体層固化工程において形成したグリーン体を焼結する工程である。焼結工程を行うことにより、グリーン体を一体化された金属乃至セラミックスの成形物(立体造形物の焼結体)とすることができる。焼結手段としては、例えば、公知の焼結炉などが挙げられる。
本発明においては、難焼結材料からなる第一の粉体と第二の粉体(焼結助剤)を用いることによって、グリーン体における層間の密着性を向上させることができ、焼結後の立体造形物中の空隙や組成ムラの発生を抑制できる。
-Sintering process and sintering means-
The sintering step is a step of sintering the green body formed in the powder layer solidification step. By performing the sintering step, the green body can be made into an integrated metal or ceramic molded product (sintered body of a three-dimensional model). Examples of the sintering means include a known sintering furnace.
In the present invention, by using the first powder and the second powder (sintering aid) made of a difficult-to-sinter material, the adhesion between layers in the green body can be improved, and after sintering, it is possible to improve the adhesion between layers. It is possible to suppress the occurrence of voids and composition unevenness in the three-dimensional model.
−粉体収容部−
粉体収容部は、第一の粉体が収容された部材であり、第二の粉体を粉体状態で付与する場合には第二の粉体が収容された部材も含まれる。
粉体収容部の大きさ、形状、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、貯留槽、袋、カートリッジ、タンクなどが挙げられる。
-Powder container-
The powder accommodating portion is a member accommodating the first powder, and includes a member accommodating the second powder when the second powder is applied in a powder state.
The size, shape, material, etc. of the powder accommodating portion are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a storage tank, a bag, a cartridge, and a tank.
−液体収容部−
液体収容部は、造形液が収容された部材であり、その大きさ、形状、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、貯留槽、袋、カートリッジ、タンクなどが挙げられる。
-Liquid container-
The liquid storage unit is a member that stores the modeling liquid, and its size, shape, material, and the like are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, a storage tank, a bag, a cartridge, and the like. Examples include tanks.
乾燥工程は、第二の粉体付与工程において得られたグリーン体を乾燥させる工程である。乾燥工程において、グリーン体中に含まれる水分のみならず、有機物を除去(脱脂)してもよい。乾燥手段としては、例えば、公知の乾燥機などが挙げられる。
表面保護処理工程は、第二の粉体付与工程において得られたグリーン体に保護層を形成等する工程である。この表面保護処理工程を行うことにより、グリーン体を例えばそのまま使用等することができる耐久性等を該グリーン体の表面に与えることができる。保護層の具体例としては、耐水性層、耐候性層、耐光性層、断熱性層、光沢層などが挙げられる。表面保護処理手段としては、公知の表面保護処理装置、例えば、スプレー装置、コーティング装置などが挙げられる。
塗装工程は、第二の粉体付与工程において得られたグリーン体に塗装を行う工程である。塗装工程を行うことにより、グリーン体を所望の色に着色させることができる。塗装手段としては、公知の塗装装置、例えば、スプレー、ローラ、刷毛等による塗装装置などが挙げられる。
The drying step is a step of drying the green body obtained in the second powder applying step. In the drying step, not only the water contained in the green body but also organic substances may be removed (defatted). Examples of the drying means include known dryers.
The surface protection treatment step is a step of forming a protective layer on the green body obtained in the second powder application step. By performing this surface protection treatment step, it is possible to impart durability to the surface of the green body so that the green body can be used as it is, for example. Specific examples of the protective layer include a water resistant layer, a weather resistant layer, a light resistant layer, a heat insulating layer, a glossy layer and the like. Examples of the surface protection treatment means include known surface protection treatment devices such as a spray device and a coating device.
The coating step is a step of coating the green body obtained in the second powder applying step. By performing the painting process, the green body can be colored in a desired color. Examples of the coating means include known coating devices, such as a coating device using a spray, a roller, a brush, or the like.
ここで、本発明の立体造形物の製造装置を用いた立体造形の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
Here, an embodiment of three-dimensional modeling using the three-dimensional model manufacturing apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted. Further, the number, position, shape, etc. of the following constituent members are not limited to the present embodiment, and can be a preferable number, position, shape, etc. for carrying out the present invention.
<参考実施形態>
ここで、図1は参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す概略平面図である。図2は図1に示した参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す概略側面図である。図3は図1に示した参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部の一例を示す拡大側面図である。図4は参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の主要部の一例を示す斜視図である。図5は参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の制御部の一例を示すブロック図です。
<Reference embodiment>
Here, FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of a three-dimensional model manufacturing apparatus according to the reference embodiment. FIG. 2 is a schematic side view showing an example of a three-dimensional model manufacturing apparatus according to the reference embodiment shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged side view showing an example of a modeling portion of the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the reference embodiment shown in FIG. FIG. 4 is a perspective view showing an example of a main part of the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the reference embodiment. FIG. 5 is a block diagram showing an example of a control unit of the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the reference embodiment.
参考実施形態に係る立体造形物の製造装置(粉体造形装置)は、第一の粉体が結合された層状造形物である造形層30が形成される造形部1と、造形部1の層状に敷き詰められた第一の粉体を含む粉体層(造形層)31に造形液10を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット5とを備えている。
The three-dimensional model manufacturing apparatus (powder molding apparatus) according to the reference embodiment has a
造形部1は、粉体槽11と、搬送手段である回転体としてのリコートローラ12、粉体除去板13、粉体のタップ手段であるZ方向に振動する振動ブレード14及びそのアクチュエータ15、を搭載する積層ユニット16などを備えている。なお、搬送手段は、回転体に代えて、例えば、板状部材(ブレード、バー)とすることもできる。振動ブレードのアクチュエータとしては、エアバイブレータや偏心モータ、積層ピエゾなどが使用できる。
The
粉体槽11は、第一の粉体20を供給する供給槽21と、造形層30が積層されて立体造形物が造形される造形槽22と、造形層31を形成する際にリコートローラ12によって供給される第一の粉体20のうち、落下される余剰第一の粉体20を溜める余剰粉体受け槽25を有している。供給槽21の底部は供給ステージ23として鉛直方向(高さ方向)に昇降自在となっている。同様に、造形槽22の底部は造形ステージ24として鉛直方向(高さ方向)に昇降自在となっている。造形ステージ24上に造形層30が積層された立体造形物が造形される。余剰粉体受け槽25の底面には粉体を吸引する機構が備えられた構成や、余剰粉体受け槽25が簡単に取り外せるような構成となっている。
The
供給ステージ23は、例えば、図2から図4に示すように、モータ27によって矢印Z方向(高さ方向)に昇降され、造形ステージ24は、同じく、モータ28によって矢印Z方向に昇降される。
For example, as shown in FIGS. 2 to 4, the
リコートローラ12は、供給槽21の供給ステージ23上に供給された第一の粉体20を造形槽22に搬送し、リコートローラ12によって均して、造形層31を形成する。
このリコートローラ12は、造形ステージ24のステージ面(第一の粉体20が積載される面)に沿って矢印Y方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、往復移動機構25によって移動される。また、リコートローラ12は、モータ26によって回転駆動される。
The
The
一方、造形ユニット5は、造形ステージ24上の造形層31に造形液10を吐出する液体吐出ユニット50を備えている。
液体吐出ユニット50は、キャリッジ51と、キャリッジ51に搭載された2つ(1又は3つ以上でもよい。)の液体吐出ヘッド(以下、単に「ヘッド」という。)52a、52bを備えている。
On the other hand, the
The
キャリッジ51は、ガイド部材54及び55に移動可能に保持されている。ガイド部材54及び55は、両側の側板70、70に昇降可能に保持されている。
このキャリッジ51は、後述するX方向走査モータ550によってプーリ及びベルトから構成される主走査移動機構を介して主走査方向である矢印X方向(以下、単に「X方向」という。他のY、Zについても同様とする。)に往復移動される。
The
The
2つのヘッド52a、52b(以下、区別しないときは「ヘッド52」という。)は、液体を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ2列配置されている。一方のヘッド52aの2つのノズル列は、シアン造形液及びマゼンタ造形液を吐出する。他方のヘッド52bの2つのノズル列は、イエロー造形液及びブラック造形液をそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。
これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液の各々を収容した複数のタンク60がタンク装着部56に装着され、供給チューブなどを介してヘッド52a、52bに供給される。
また、X方向の一方側には、液体吐出ユニット50のヘッド52の維持回復を行うメンテナンス機構61が配置されている。
The two
A plurality of
Further, on one side in the X direction, a
メンテナンス機構61は、主にキャップ62とワイパ63で構成される。キャップ62をヘッド52のノズル面(ノズルが形成された面)に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成(ノズル内は負圧状態である)のため、ノズル面をワイパ63でワイピング(払拭)する。また、メンテナンス機構61は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ62で覆い、第一の粉体20がノズルに混入することや造形液10が乾燥することを防止する。
The
造形ユニット5は、ベース部材7上に配置されたガイド部材71に移動可能に保持されたスライダ部72を有し、造形ユニット5全体がX方向と直交するY方向(副走査方向)に往復移動可能である。この造形ユニット5は、後述するモータ552を含む走査機構によって全体がY方向に往復移動される。
The
液体吐出ユニット50は、ガイド部材54、55とともに矢印Z方向に昇降可能に配置され、後述するモータ551を含む昇降機構によってZ方向に昇降される。
The
ここで、造形部1の詳細について説明する。
粉体槽11は、箱型形状をなし、供給槽21と造形槽22と、余剰粉体受け槽25の3つの上面が開放された槽とを備えている。供給槽21内部には供給ステージ23が、造形槽22内部には造形ステージ24がそれぞれ昇降可能に配置される。
Here, the details of the
The
供給ステージ23の側面は供給槽21の内側面に接するように配置されている。造形ステージ24の側面は造形槽22の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ23及び造形ステージ24の上面は水平に保たれている。
The side surface of the
造形層22の隣には余剰粉体受け槽25が設けられている。
余剰粉体受け槽25には、造形層31を形成するときにリコートローラ12によって供給される第一の粉体20のうちの余剰の第一の粉体20が落下する。粉体落下口25に落下した余剰の第一の粉体20は供給槽21に粉体を供給する粉体供給装置に戻される。
An excess
The surplus
供給槽21上には図5の粉体供給装置554が配置される。造形の初期動作時や供給槽21の粉体量が減少した場合に、粉体供給装置554を構成するタンク内の粉体を供給槽21に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。
The
リコートローラ12は、供給槽21から第一の粉体20を造形槽22へと搬送して、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である造形層31を形成する。
The
このリコートローラ12は、造形槽22及び供給槽21の内寸(即ち、粉体が供される部分又は仕込まれている部分の幅)よりも長い棒状部材であり、往復移動機構25によってステージ面に沿ってY方向(副走査方向)に往復移動される。
このリコートローラ12は、モータ26によって回転されながら、供給槽21の外側から供給槽21及び造形槽22の上方を通過するようにして水平移動する。これにより、第一の粉体20が造形槽22上へと搬送され、リコートローラ12が造形槽22上を通過しながら第一の粉体20を平坦化することで造形層31が形成される。
The
The
また、図2にも示すように、リコートローラ12の周面に接触して、リコートローラ12に付着した第一の粉体20を除去するための粉体除去部材である粉体除去板13が配置されている。
粉体除去板13は、リコートローラ12の周面に接触した状態で、リコートローラ12とともに移動する。また、粉体除去板13は、リコートローラ12が搬送を行うときの回転方向に回転するときにカウンター方向でも、順方向での配置可能である。
Further, as shown in FIG. 2, the
The
上記のように作製したグリーン体を、焼結炉にて焼結することで、最終造形物を得る。焼結手段としては、例えば、公知の焼結炉などが挙げられる。 The green body produced as described above is sintered in a sintering furnace to obtain a final model. Examples of the sintering means include a known sintering furnace.
参考実施形態では、造形部1の粉体槽11が供給槽21と造形槽22の二つの槽を有する構成としているが、造形槽22のみとして、造形槽22に粉体供給装置から粉体を供給して、搬送手段で平坦化する構成とすることもできる。
In the reference embodiment, the
次に、参考実施形態の立体造形装置の制御部の概要について図5を参照して説明する。図5は立体造形装置の制御部のブロック図である。
制御部500は、この立体造形装置全体の制御を司るCPU501と、CPU501に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するROM502と、造形データ等を一時格納するRAM503とを含む主制御部500Aを備えている。
Next, the outline of the control unit of the three-dimensional modeling apparatus of the reference embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a block diagram of a control unit of the three-dimensional modeling apparatus.
The control unit 500 includes a
制御部500は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ(NVRAM)504を備えている。また、制御部500は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するASIC505を備えている。
The control unit 500 includes a non-volatile memory (NVRAM) 504 for holding data even while the power of the device is cut off. Further, the control unit 500 includes an
制御部500は、外部の造形データ作成装置600から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのI/F506を備えている。なお、造形データ作成装置600は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。
The control unit 500 includes an I /
制御部500は、各種センサの検知信号を取り込むためのI/O507を備えている。
制御部500は、液体吐出ユニット50の各ヘッド52を駆動制御するヘッド駆動制御部508を備えている。
制御部500は、液体吐出ユニット50のキャリッジ51をX方向(主走査方向)に移動させるX方向走査機構550を構成するモータを駆動するモータ駆動部510と、造形ユニット5をY方向(副走査方向)に移動させるY方向走査機構552を構成するモータを駆動するモータ駆動部512を備えている。
制御部500は、液体吐出ユニット50のキャリッジ51をZ方向に移動(昇降)させるZ方向昇降機構551を構成するモータを駆動するモータ駆動部511を備えている。なお、矢印Z方向への昇降は造形ユニット5全体を昇降させる構成とすることもできる。
制御部500は、供給ステージ23を昇降させるモータ27を駆動するモータ駆動部と、造形ステージ24を昇降させるモータ28を駆動するモータ駆動部514を備えている。
制御部500は、リコートローラ12を移動させる往復移動機構25のモータ553を駆動するモータ駆動部515と、リコートローラ12を回転駆動するモータ26を駆動する516を備えている。
制御部500は、供給槽21に第一の粉体20を供給する粉体供給装置554を駆動する供給系駆動部517と、液体吐出ユニット50のメンテナンス機構61を駆動するメンテナンス駆動部518を備えている。
制御部500は、粉体後供給部80から第一の粉体20の供給を行わせる後供給駆動部519を備えている。
制御部500のI/O507には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ560などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。
制御部500には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル522が接続されている。
なお、造形データ作成装置600と立体造形装置(粉体積層造形装置)601によって造形装置が構成される。
The control unit 500 includes an I /
The control unit 500 includes a head
The control unit 500 drives the
The control unit 500 includes a
The control unit 500 includes a motor drive unit that drives the
The control unit 500 includes a
The control unit 500 includes a supply
The control unit 500 includes a
A detection signal such as a temperature /
An
The modeling device is configured by the modeling
参考実施形態においては、第二の粉体(焼結助剤)を付与しておらず、第一の粉体を含む粉体層(造形層)間に第二の粉体が存在しないので、焼結時に、造形層間の密着性が向上せず、XY方向とZ方向で強度の異方性が大きくなってしまう。 In the reference embodiment, the second powder (sintering aid) is not applied, and the second powder does not exist between the powder layers (modeling layers) containing the first powder. At the time of sintering, the adhesion between the molding layers is not improved, and the anisotropy of strength becomes large in the XY direction and the Z direction.
<第1の実施形態>
図6A〜図6Fは、第1の実施形態に係る立体造形物の製造装置を用いた造形の流れの説明に供する概略図である。この図6A〜図6Fの説明において、既に説明した第1の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
<First Embodiment>
6A to 6F are schematic views for explaining the flow of modeling using the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the first embodiment. In the description of FIGS. 6A to 6F, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the first embodiment already described, and the description thereof will be omitted.
まず、造形槽22の造形ステージ24上に、1層目の造形層30が形成されている状態から説明する。
次に、この造形層30上に次の造形層を形成するときには、図6Aに示すように、供給槽21の供給ステージ23を矢印Z1方向に上昇させ、造形槽22の造形ステージ24を矢印Z2方向に下降させる。このとき、造形槽22の上面(第1の粉体を含む粉体層表面)とリコートローラ12の下部(下方接線部)との間隔がΔt1となるように造形ステージ24の下降距離を設定する。この間隔Δt1が次に形成する第1の粉体を含む粉体層31の厚さに相当する。間隔Δt1は、数十〜100μm程度であることが好ましい。
First, a state in which the
Next, when the next modeling layer is formed on the
次に、図6Bに示すように、供給槽21の上面レベルよりも上方に位置する、第一の粉体20を、リコートローラ12を順方向(矢印方向)に回転しながら矢印Y2方向(造形槽22側)に移動することで、第一の粉体20を造形槽22へと搬送する。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図6Cに示すように、リコートローラ12を造形槽22の造形ステージ24のステージ面と平行に移動させる。ここで、リコートローラ12は、造形槽22及び供給槽21の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、リコートローラ12で、第一の粉体20を造形槽22の上へと搬送させつつ、図6Dに示すように、造形槽22上又は既に形成された造形層30の上に均一厚さΔt1の第1の粉体を含む粉体層31を形成できる。
第1の粉体を含む粉体層31を形成後、リコートローラ12は、図6Dに示すように、Y1方向に移動されて初期位置に戻される。
Next, the
After forming the
その後、図6Eに示すように、液体吐出ユニットのヘッド52から造形層30に造形液10の液滴を吐出して、第1の粉体を含む粉体層31を造形層30上に積層造形する(造形)。
ここで、造形層30は、例えば、ヘッド52から吐出された造形液10が第一の粉体20と混合されることで、第一の粉体20に含まれる樹脂が溶解し、溶解した樹脂同士が結合して第一の粉体20が結合されることで形成される。
After that, as shown in FIG. 6E, droplets of the
Here, in the
次に、図6Fに示すように、上記の第一の粉体20が結合されて形成された造形層30に、液体吐出ユニットのヘッド52から第二の粉体(焼結助剤)が含有された液体を吐出する。
Next, as shown in FIG. 6F, the
次いで、上述した第一の粉体の搬送(供給・平坦化)よる粉体層31を形成する工程と、ヘッド52による造形液吐出工程とを繰り返して新たな造形層30を形成する。
このとき、新たな造形層30とその下層の造形層30とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。
以後、第一の粉体の搬送(供給・平坦化)よる造形層31を形成する工程、ヘッド52による造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物(立体造形物)を完成させる。
Next, the step of forming the
At this time, the
After that, by repeating the process of forming the
上記の工程を経て作製したグリーン体は、図7に示すように、造形層間に第二の粉体(焼結助剤)が存在する。このグリーン体を熱処理した際に、焼結助剤は液相を形成し、焼結を進行させる。このようにグリーン体を焼結すると、層間の焼結が確実に進行するため、焼結体において、層構造が残りにくくなり、Z方向においても、XY方向と同等の強度を実現できる。 As shown in FIG. 7, the green body produced through the above steps has a second powder (sintering aid) between the molding layers. When this green body is heat-treated, the sintering aid forms a liquid phase and proceeds with sintering. When the green body is sintered in this way, the sintering between the layers proceeds reliably, so that the layer structure is less likely to remain in the sintered body, and the strength equivalent to that in the XY direction can be realized even in the Z direction.
上記のように作製したグリーン体を、焼結炉にて焼結することで、最終造形物を得る。焼結手段としては、例えば、公知の焼結炉などが挙げられる。 The green body produced as described above is sintered in a sintering furnace to obtain a final model. Examples of the sintering means include a known sintering furnace.
第一の実施形態によると、第一の粉体を含む造形層間に第二の粉体(焼結助剤)が存在することによって、焼結時に、造形層間に液相が生成し、造形層間の密着性が向上するので、XY方向とZ方向で強度の異方性の少ない造形を実現できる。 According to the first embodiment, the presence of the second powder (sintering aid) between the modeling layers containing the first powder causes a liquid phase to be generated between the modeling layers during sintering, and the modeling layers. Since the adhesion of the material is improved, it is possible to realize modeling with less anisotropy of strength in the XY and Z directions.
<第2の実施形態>
図8A〜図8Fは、第2の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。なお、第2の実施形態において、既に説明した参考実施形態及び第1の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
<Second embodiment>
8A to 8F are schematic cross-sectional views showing an example of the flow of the modeling operation in the modeling unit of the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the second embodiment. In the second embodiment, the same reference numerals as those of the reference embodiment and the first embodiment already described will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
この第2の実施形態では、造形液を付与する前に、第二の粉体を含有する液体を付与することでも効果を発揮できる。即ち、図8A〜図8Dの各工程を行った後、図8Eに示す第二の粉体を含有する液体付与工程を行った後、図8Fに示す造形液付与工程を行う。
第2の実施形態によると、造形液で濡れていない乾いた第1の粉体を含む粉体層31表面に、第二の粉体を含有する液体110を付与するため、付与位置に対して第二の粉体を含有する液体が拡がらず、精度良く、第二の粉体を含有する液体を付与することができる。
In this second embodiment, the effect can also be exhibited by applying the liquid containing the second powder before applying the modeling liquid. That is, after performing each of the steps of FIGS. 8A to 8D, the liquid applying step containing the second powder shown in FIG. 8E is performed, and then the modeling liquid applying step shown in FIG. 8F is performed.
According to the second embodiment, in order to apply the liquid 110 containing the second powder to the surface of the
<第3の実施形態>
図9A〜図9Fは、第3の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。なお、第3の実施形態において、既に説明した実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
<Third embodiment>
9A to 9F are schematic cross-sectional views showing an example of the flow of the modeling operation in the modeling unit of the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the third embodiment. In the third embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment, and the description thereof will be omitted.
この第3の実施形態では、第二の粉体をそのまま、造形層表面に付与する。即ち、図9A〜図9Eの各工程を行った後、図9Fに示すような、第二の粉体付与手段としてのホッパー54を用いて第二の粉体111を供給する。
第3の実施形態によると、造形層の造形領域だけでなく、非造形領域にも第二の粉体が供給されるため、造形後の未使用粉体をリサイクルする際に、材料組成が変化するというデメリットはあるが、第二の粉体を含有する液体の作製、及び第二の粉体を含有する液体の付与手段が不要であり、簡易に実装することができる。
In this third embodiment, the second powder is applied to the surface of the modeling layer as it is. That is, after each step of FIGS. 9A to 9E is performed, the
According to the third embodiment, since the second powder is supplied not only to the modeling area of the modeling layer but also to the non-modeling area, the material composition changes when the unused powder after modeling is recycled. However, it does not require the preparation of a liquid containing the second powder and the means for applying the liquid containing the second powder, and can be easily implemented.
<第4の実施形態>
図10A〜図10Fは、第4の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。なお、第4の実施形態において、既に説明した実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
<Fourth Embodiment>
10A to 10F are schematic cross-sectional views showing an example of the flow of the modeling operation in the modeling unit of the three-dimensional model manufacturing apparatus according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment, and the description thereof will be omitted.
この第4の実施形態では、第二の粉体をそのまま、造形層表面に付与する。即ち、図10A〜図Eの各工程を行った後、図10Fに示すような、第二の粉体付与手段としてのローラ55を用いて第二の粉体111を付与する。
第4の実施形態によると、造形層の造形領域だけでなく、非造形領域も第二の粉体が供給されるため、造形後の未使用粉体をリサイクルする際に、材料組成が変化するというデメリットはあるが、第二の粉体を含有する液体の作製、及び第二の粉体を含有する液体の付与手段が不要であり、簡易に実装することができる。
In this fourth embodiment, the second powder is applied to the surface of the modeling layer as it is. That is, after each step of FIGS. 10A to E is performed, the
According to the fourth embodiment, since the second powder is supplied not only to the modeling area of the modeling layer but also to the non-modeling area, the material composition changes when the unused powder after modeling is recycled. However, it does not require the preparation of a liquid containing the second powder and the means for applying the liquid containing the second powder, and can be easily implemented.
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
<1> 第一の粉体を搬送する搬送手段と、
第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、
前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、
を有することを特徴とする立体造形物の製造装置である。
<2> グリーン体における前記第二の粉体の含有量が前記第一の粉体の含有量よりも少ない前記<1>に記載の立体造形物の製造装置である。
<3> 前記第一の粉体が、アルミニウム、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、又はこれらの合金である前記<1>から<2>のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
<4> 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を含有する液体を付与する手段である前記<1>から<3>のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
<5> 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を含有する液体を付与するインクジェットヘッドである前記<4>に記載の立体造形物の製造装置である。
<6> 前記第二の粉体を含有する液体を前記第一の粉体を含む粉体層の造形領域に付与する前記<4>から<5>のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
<7> 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を付与するローラである前記<1>から<3>のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
<8> 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を付与するホッパーである前記<1>から<3>のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
<9> 第一の粉体を搬送する搬送工程と、
第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与工程と、
前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与工程と、
を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法である。
<10> 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体を含有する液体をインクジェット法により第一の粉体を含む粉体層に付与する前記<9>に記載の立体造形物の製造方法である。
<11> 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体をローラにより第一の粉体を含む粉体層に付与する前記<9>に記載の立体造形物の製造方法である。
<12> 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体をホッパーにより第一の粉体を含む粉体層に付与する前記<9>に記載の立体造形物の製造方法である。
Aspects of the present invention are, for example, as follows.
<1> A transport means for transporting the first powder and
A modeling liquid applying means for applying a modeling liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and
A second powder applying means for applying a second powder composed of an element that forms an alloy with the first powder and lowers the solidus temperature.
It is a three-dimensional model manufacturing apparatus characterized by having.
<2> The apparatus for producing a three-dimensional model according to <1>, wherein the content of the second powder in the green body is smaller than the content of the first powder.
<3> The apparatus for producing a three-dimensional model according to any one of <1> to <2>, wherein the first powder is aluminum, tungsten, titanium, molybdenum, niobium, or an alloy thereof.
<4> The apparatus for manufacturing a three-dimensional object according to any one of <1> to <3>, wherein the second powder applying means is a means for applying a liquid containing the second powder. be.
<5> The apparatus for manufacturing a three-dimensional object according to <4>, wherein the second powder applying means is an inkjet head that applies a liquid containing the second powder.
<6> Production of the three-dimensional model according to any one of <4> to <5>, wherein the liquid containing the second powder is applied to the modeling region of the powder layer containing the first powder. It is a device.
<7> The apparatus for manufacturing a three-dimensional object according to any one of <1> to <3>, wherein the second powder applying means is a roller for applying the second powder.
<8> The apparatus for producing a three-dimensional object according to any one of <1> to <3>, wherein the second powder applying means is a hopper that applies the second powder.
<9> The transport process for transporting the first powder and
A molding liquid applying step of applying a molding liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and
A second powder application step of forming an alloy with the first powder to apply a second powder composed of an element that lowers the solidus temperature.
It is a method for manufacturing a three-dimensional model, which is characterized by including.
<10> The three-dimensional model according to <9>, wherein in the second powder applying step, a liquid containing the second powder is applied to the powder layer containing the first powder by an inkjet method. It is a manufacturing method.
<11> The method for producing a three-dimensional molded product according to <9>, wherein in the second powder applying step, the second powder is applied to a powder layer containing the first powder by a roller.
<12> The method for producing a three-dimensional molded product according to <9>, wherein in the second powder applying step, the second powder is applied to a powder layer containing the first powder by a hopper.
前記<1>から<8>のいずれかに記載の立体造形物の製造装置、及び前記<9>から<12>のいずれかに記載の立体造形物の製造方法によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。 According to the apparatus for manufacturing a three-dimensional object according to any one of <1> to <8> and the method for producing a three-dimensional object according to any one of <9> to <12>, various problems in the prior art can be solved. It can be solved and the object of the present invention can be achieved.
12 搬送手段(リコートローラ)
52 造形液付与手段
53、54 第二の粉体付与手段
12 Transport means (Ricoh roller)
52 Modeling liquid application means 53, 54 Second powder application means
Claims (12)
第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、
前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、
を有することを特徴とする立体造形物の製造装置。 The transport means for transporting the first powder and
A modeling liquid applying means for applying a modeling liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and
A second powder applying means for applying a second powder composed of an element that forms an alloy with the first powder and lowers the solidus temperature.
A device for manufacturing a three-dimensional object, which is characterized by having.
第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与工程と、
前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与工程と、
を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法。 The transport process for transporting the first powder and
A molding liquid applying step of applying a molding liquid for solidifying the powder layer containing the first powder, and
A second powder application step of forming an alloy with the first powder to apply a second powder composed of an element that lowers the solidus temperature.
A method for manufacturing a three-dimensional model, which comprises.
The method for producing a three-dimensional molded product according to claim 9, wherein in the second powder applying step, the second powder is applied to the powder layer containing the first powder by a hopper.
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