JP-2026075698-A - 積層造形装置及び三次元構造体製造方法

Abstract

【課題】本発明により、より高品質な三次元構造体を製造可能な積層造形装置及び三次元構造体製造方法を提供することができる。 【解決手段】本開示に係る積層造形装置は、溶融された樹脂Ｆを吐出する樹脂吐出口１１を有するノズル部１０と、ノズル部１０を囲むように設けられた筒状の冷却部２０と、を備える積層造形装置１であって、冷却部２０は、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆに対し気体ＡＲを噴射する気体噴射口２１と、気体噴射口２１に気体ＡＲを導く気体流路２２と、を備え、気体噴射口２１は、樹脂吐出口１１の近傍に、樹脂吐出口１１を囲むように複数配置され、気体流路２２は、樹脂吐出口１１と同心円状の主流路２２１と、主流路２２１を流れる気体ＡＲを複数に分岐し、気体ＡＲを気体噴射口２１に向けて斜め下方に導く支流路２２２と、を備える。 【選択図】図１

Inventors

• 杉木 慎吾

Assignees

• トヨタ自動車株式会社

Dates

Publication Date

20260511

Application Date

20241023

Claims (5)

1. 溶融された樹脂を吐出する樹脂吐出口を有するノズル部と、 前記ノズル部を囲むように設けられた筒状の冷却部と、を備える積層造形装置であって、 前記冷却部は、前記樹脂吐出口から吐出された前記樹脂に対し気体を噴射する気体噴射口と、前記気体噴射口に前記気体を導く気体流路と、を備え、 前記気体噴射口は、前記樹脂吐出口の近傍に、前記樹脂吐出口を囲むように複数配置され、 前記気体流路は、前記樹脂吐出口と同心円状の主流路と、前記主流路を流れる前記気体を複数に分岐し、当該気体を前記気体噴射口に向けて斜め下方に導く支流路と、を備える、 積層造形装置。
2. 前記樹脂を吐出する際の前記樹脂吐出口は、前記気体噴射口の位置に対して前記樹脂の上方に位置する、 請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記冷却部は、前記樹脂吐出口から吐出された前記樹脂をガラス転移温度以下に冷却するように、前記気体を前記樹脂に噴射する、 請求項１又は２に記載の積層造形装置。
4. 前記冷却部は、当該冷却部の温度調整のための冷媒が流れる冷媒流路をさらに備え、 前記樹脂の吐出後、前記冷却部は、前記ノズル部の吐出動作により積層された前記樹脂へ積層方向に沿って押しつけられる、 請求項１又は２に記載の積層造形装置。
5. 熱溶解積層法により、多数の層を順次積層して所望の三次元構造体を製造する三次元構造体製造方法であって、 溶融された樹脂をノズル部から吐出してオーバーハング部を有さない非オーバーハング構造を形成する工程と、 前記樹脂を前記ノズル部から吐出して前記非オーバーハング構造上にオーバーハング部を有するオーバーハング構造を形成する工程と、を備え、 少なくとも前記オーバーハング構造を形成する工程において、前記ノズル部から吐出された前記樹脂は、複数の角度から気体を噴射されることにより冷却される、 三次元構造体製造方法。

Description

本開示は、積層造形装置及び三次元構造体製造方法に関する。 溶融された樹脂を層にして重ねることにより三次元構造体を製作する積層造形装置、すなわち３Ｄプリンタが提案されている。積層された樹脂が温度低下により固化し、三次元構造体が出来上がる。しかし、固化の際の温度低下に伴う樹脂の収縮率のばらつきによって、三次元構造体に反りや欠陥などが発生する場合がある。例えば、特許文献１においては、エアダクトから気体を樹脂へ噴射し、樹脂を冷却して固化させることにより、三次元構造体に反りや欠陥などの発生を抑制している。 特開２０２１－１７２０８４号公報 図１は、実施の形態１に係る積層造形装置の構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る積層造形装置の冷却部の構成を示す平面図である。図３は、実施の形態１に係る三次元構造体製造方法のフローチャートである。図４は、三次元構造体の比較例及び実施例である。図５は、実施の形態２に係る積層造形装置の構成を示す断面図である。図６は、実施の形態２に係る積層造形装置の冷却部の構成を示す平面図である。 以下、本開示の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本開示が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 （実施の形態１） ＜積層造形装置の構成＞ まず、図１及び図２を参照して、本実施の形態１に係る積層造形装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る積層造形装置の構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る積層造形装置の冷却部の構成を示す平面図である。積層造形装置１は、所謂３Ｄプリンタである。積層造形装置１は、熱可塑性樹脂を用いた熱溶解積層法により、ステージＳ上に多数の層を順次積層して所望の三次元構造体Ｌを形成する。図１に示すように、積層造形装置１は、ノズル部１０と、冷却部２０と、を備える。 なお、以下の説明では、適宜ｘｙｚ３次元直交座標系を用いて説明する。本実施の形態１において、ｚ方向を、三次元構造体Ｌの積層方向とする。また、＋ｚ方向を上方、－ｚ方向を下方とする。 ノズル部１０は、例えばフィラメント状やペレット状から溶融された樹脂ＦをステージＳに向けて吐出する。ノズル部１０は、開口が円形の樹脂吐出口１１から樹脂Ｆを吐出しながら、ｘｙ平面方向に移動する。ノズル部１０は、樹脂Ｆを所定量吐出してステージＳ上に第１層Ｌ１を形成すると、＋ｚ方向に移動する。そして、再度、ノズル部１０は、樹脂吐出口１１から樹脂Ｆを吐出しながらｘｙ平面方向に移動し、第１層Ｌ１上に第２層Ｌ２を形成する。図１では、ステージＳ上に第１層Ｌ１が形成され、さらにその上に第２層Ｌ２、第３層Ｌ３、第４層Ｌ４が積層され、さらに第５層Ｌ５が積層されつつある状態を示している。このように、ノズル部１０は、複数の層Ｌｎ（ｎは２以上の整数）を積層して三次元構造体Ｌを形成する。なお、本実施の形態において、次の層を形成するためにノズル部１０が上方（＋ｚ方向）に移動しているが、ステージＳが下方（－ｚ方向）に移動してもよい。 樹脂Ｆは、熱可塑性樹脂であり、例えば、ポリ乳酸（Poly-Lactic acid：ＰＬＡ）、ＡＢＳ（Acrylonitrile butadiene styrene）、ポリアミド（polyamide：ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（Polyethylene terephthalate：ＰＥＴ）、ポリエチレン（Polyethene：ＰＥ）、ポリプロピレン（Polypropylene：ＰＰ）、ポリスチレン（Polystyrene：ＰＳ）、アクリル、ポリメタクリル酸メチル（Polymethyl methacrylate：ＰＭＭＡ）、ポリフェニレンエーテル（Polyphenylene ether：ＰＰＥ）、ポリアセタール（Polyacetal：ＰＯＭ）、ポリカーボネート（Polycarbonate：ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（Polybutylene terephthalate：ＰＢＴ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（Polyphenylene sulfide：ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（Polyetheretherketone：ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（Liquid crystal polyme：ＬＣＰ）、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、エラストマーなどを用いることができる。 冷却部２０は、ノズル部１０を囲むように設けられた筒状の一体的に形成された部材である。本実施の形態にかかる冷却部２０は、中央部にノズル部１０を内側に収納する円筒形状の空洞が設けられているが、円筒形状でなくても例えば四角形や六角形等の多角形状であってもよい。また、冷却部２０の外側面は、図２に示されるように、円形状であるが、例えば四角形や六角形等の多角形状であってもよい。さらに、冷却部２０の上面と下面は、互いに平行な平面である。冷却部の素材は、例えば金属や樹脂などであり、特に限定されない。冷却部２０は、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆへ気体ＡＲを噴射することにより、当該樹脂Ｆを冷却する。なお、気体ＡＲは空気に限定されず、窒素などの他の気体であってもよい。図１及び図２に示すように、冷却部２０は、気体噴射口２１と、気体流路２２とを備える。 気体噴射口２１は、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆに対し気体ＡＲを噴射するために設けられる。図１に示すように、気体噴射口２１は、樹脂吐出口１１の近傍に、樹脂吐出口１１を囲むように、冷却部２０の下側（－ｚ方向側）の面に複数配置される。 ノズル部１０が樹脂Ｆを吐出しながらｘｙ平面方向を移動する際、冷却部２０も、ノズル部１０と共にｘｙ平面方向を移動する。したがって、冷却部２０における気体噴射口２１が設けられた面が、樹脂吐出口１１と同じ位置、又は、樹脂吐出口１１より下側（－ｚ方向側）に位置すると、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆが、気体噴射口２１が設けられた面に引きずられてしまう。したがって、この引きずりを抑制するため、気体噴射口２１が設けられた面は、樹脂吐出口１１より上側（＋ｚ方向側）に位置することが好ましい。 一体的に形成された冷却部２０の内部には、気体ＡＲが流動しうる空洞である気体流路２２が設けられている。気体流路２２は、図示しない気体供給ユニットから気体導入口２３を介して冷却部２０内へ導入された気体ＡＲを、気体噴射口２１に導く流路である。気体流路２２は、主流路２２１と、複数の支流路２２２とを備える。 主流路２２１は、樹脂吐出口１１と同心円状の流路である。図２に示すように、本実施の形態において、主流路２２１は、Ｃ字状の形態であるがこれに限定されず、例えば、図２に示す主流路２２１の両端部が連続的に連結した円状の形態であってもよい。本実施の形態において主流路２２１の内径は、一端から他端に亘って同一であるが、複数の気体噴射口２１から噴射される気体ＡＲの流量の制御するために、異ならせてもよい。 支流路２２２は、主流路２２１と気体噴射口２１とを接続する。より具体的には、支流路２２２は、主流路２２１から複数に分岐され、気体噴射口２１へ向けて斜め下方に伸びた流路である。支流路２２２の数は、気体噴射口２１の数と一致する。気体噴射口２１の数は、特に制限はないが４以上が好ましい。典型的な支流路２２２は、実質的に同一の間隔で主流路２２１の内側面から分岐され、樹脂突出口１１１の軸中心に向けて延伸している。すなわち、複数の支流路２２２のそれぞれは、樹脂突出口１１１の軸中心から放射線状に隣接する支流路２２２との角度が実質的に同一である。このような配置にすることで、気体噴射口２１から噴射される気体ＡＲの流量を実質的に均一にすることができる。ただし、複数の気体噴射口２１から噴射される気体ＡＲの流量のそれぞれを互いに異ならせるために、当該角度を変えてもよい。さらに、複数の支流路２２２のそれぞれの内径は同じであってもよく、異ならせてもよい。 気体導入口２３を介して冷却部２０内へ導入された気体ＡＲは、主流路２２１を流れて、冷却部２０のほぼ全周上に行きわたる。そして、気体ＡＲは、支流路２２２によって複数に分岐され、気体噴射口２１に向けて斜め下方に導かれる。よって、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆは、複数の角度から気体ＡＲが噴射される。したがって、積層造形装置１は、樹脂Ｆへの冷却が不十分なことによる三次元構造体Ｌの形状崩れを抑制し、より高品質な三次元構造体Ｌを製造できる。 ここで、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆは、冷却部２０によりガラス転移温度以下に冷却されることが好ましい。よって、積層造形装置１は、樹脂吐出口１１から吐出された樹脂Ｆをガラス転移温度以下に冷却するように、気体ＡＲの温度や流速を設定してもよい。 ＜三次元構造体の製造方法＞ 続いて、本実施の形態１に係る積層造形装置１を用いた、三次元構造体の製造方法について説明する。 まず、図１を参照して、三次元構造体Ｌについて説明する。三次元構造体Ｌは、樹脂Ｆの層Ｌｎを多数積層することにより製造される。本実施の形態において、三次元構造体Ｌは、オーバーハング部Ｔを有するオーバーハング構造と、オーバーハング部Ｔを有さない非オーバーハング構造とを備える。 ここでいうオーバーハング部Ｔとは、図１に示す第５層Ｌ５ように、ｘｙ平面方向において、第１層Ｌ１から第４層Ｌ４により構成される非オーバーハング構造から突き出して形成された部分を指す。なお、非オーバーハング構造は上記のように４層構造である必要はない。オーバーハング部Ｔは、下方（－ｚ方向側）に空間があるため、樹脂Ｆ温度がガラス転移温度よりも高い場合、樹脂Ｆの自重によって形状が変形する虞がある。そこで、熱溶解積層法においては、例えばオーバーハング部Ｔを下方から支持するサポート部材を設ける場合がある。サポート部材を設けて造形を行うと、三次元構造体Ｌを造形後にサポート部材を三次元構造体Ｌから除去する必要がある。この際、三次元構造体Ｌにバリの発生や、サポート部材の痕跡が残る場合があり、三次元構造体Ｌの品質低下を招く虞がある。しかし、本実施の形態に係る三次元構造体Ｌの製造方法においては、サポート部材の設置は不要である。以下、本実施の形態に係る三次元構造体Ｌの製造方法について説明する。 図３を参照して、実施の形態１に係る三次元構造体Ｌの製造方法について説明する。図３は、実施の形態１に係る三次元構造体製造方法のフローチャートである。なお、ステップの順番はこれに限定されず、適宜入れ替えてもよい。 まず、積層造形装置１は、溶融された樹脂Ｆをノズル部１０から吐出して、オーバーハング部Ｔを有さない非オーバーハング構造を形成する（ステップＳ１０１）。図１に示すように、積層造形装置１は、第１層Ｌ１から第４層Ｌ４を積層して、非オーバーハング構造を形成する。 次に、積層造形装置１は、溶融された樹脂Ｆをノズル部１０から吐出して、非オーバーハング構造上にオーバーハング部Ｔを有するオーバーハング構造を形成する（ステップＳ１０２）。本ステップＳ１０２において、ノズル部１０から吐出された樹脂Ｆは、複数の角度から気体ＡＲを噴射されることにより冷却される。よって、樹脂Ｆの自重によって形状が変形する前に冷却により固化するため、オーバーハング部Ｔを下方から支持するサポート部材を設ける必要はない。 積層を終了しない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、積層造形装置１は、再度ステップＳ１０１を実行する。積層を終了する場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、三次元構造体ＬはステージＳから取り外される。 なお、冷却部２０が気体ＡＲを噴射することによる樹脂Ｆの冷却は、オーバーハング構造を形成する工程（ステップＳ１０２）だけではなく、非オーバーハング構造を形成する工程（ステップＳ１０１）においても実施してもよい。 ＜実施例＞ 以