特開 2024-11546 ３Ｄプリンタ及び３次元印刷方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024011546

(43)【公開日】2024-01-25

(54)【発明の名称】３Ｄプリンタ及び３次元印刷方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/364 20170101AFI20240118BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20240118BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240118BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240118BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240118BHJP

【ＦＩ】

B29C64/364

B29C64/118

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022113615

(22)【出願日】2022-07-15

(71)【出願人】

【識別番号】512051550

【氏名又は名称】株式会社 山一ハガネ

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新本 英治

(72)【発明者】

【氏名】大橋 拓也

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AC02

4F213AR06

4F213AR20

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL15

4F213WL85

4F213WL87

4F213WL92

(57)【要約】

【課題】寸法精度が高く、各種物性値が圧縮成型された場合の値により近い物性値となる造形物を造形できる３Ｄプリンタを実現する。
【解決手段】３Ｄプリンタ１００は、主に樹脂からなるフィラメントを用いて造形物を造形する。３Ｄプリンタ１００は、フィラメントを吐出する吐出部１２０と、吐出部１２０にフィラメントを供給するフィラメント供給部１０２と、吐出部１２０から吐出されたフィラメントによって造形物が造形される造形空間１１０の温度と相対湿度を、所定の範囲内になるように制御する温湿度制御装置１１２，１１３，１１４，１１５と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主に樹脂からなるフィラメントを用いて造形物を造形する３Ｄプリンタであって、
前記フィラメントを吐出する吐出部と、
前記吐出部に前記フィラメントを供給するフィラメント供給部と、
前記吐出部から吐出された前記フィラメントによって前記造形物が造形される造形空間の温度と相対湿度を、所定の範囲内になるように制御する温湿度制御装置と、
を有することを特徴とする３Ｄプリンタ。

【請求項2】

前記造形空間を概略覆うチャンバーを有することを特徴とする請求項1に記載の３Ｄプリンタ。

【請求項3】

前記温湿度制御装置は、前記造形物を造形する際、前記造形空間の相対湿度を２％ＲＨ以内に制御することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の３Ｄプリンタ。

【請求項4】

主に樹脂からなるフィラメントを用いて造形物を造形する３次元印刷方法であって、
前記造形物を造形する際、前記造形物が造形される造形空間の温度と相対湿度を、所定の範囲内になるように制御することを特徴とする３次元印刷方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３Ｄプリンタ及び３次元印刷方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、樹脂材料を加熱溶融し積層させて、３次元に造形を行う３Ｄプリンタを用いて立体的な造形物を造形する３次元印刷方法が知られている。

【0003】

３Ｄプリンタでは、上記樹脂材料として、例えばフィラメントという細長い繊維のような状態の材料が使用されており、層となるフィラメントをノズルから押し出して層を形成する方法がある。

【0004】

上記形成時には、成形状態を良好にするために、上記形成を行う空間であるチャンバー内の温度を制御することが知られており、例えば特許文献１に開示されている。

【0005】

特許文献１には、チャンバー内を加熱する加熱手段として、ヒータが用いられており、チャンバー内の温度が所定の温度に維持された状態で造形物を造形する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１８－１３４８０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１の技術では、良好な造形は可能となるものの、雨の日など湿度の高いときに造形した場合に、造形物の寸法精度が低下するという問題があることを発明者たちは新たに見出した。

【0008】

また、同様に雨の日など湿度の高いときに造形した場合に、造形物の各種物性値が低下するという問題もあることを発明者たちは新たに見出した。

【0009】

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の３Ｄプリンタでの造形に比較して、寸法精度が高く、各種物性値が圧縮成型された場合の値により近い物性値となる造形物を造形できる３Ｄプリンタを実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明の主に樹脂からなるフィラメントを用いて造形物を造形する３Ｄプリンタは、フィラメントを吐出するフィラメント吐出部と、前記フィラメント吐出部にフィラメントを供給するフィラメント供給部と、前記フィラメント吐出部から吐出されたフィラメントによって造形物が造形される造形空間の温度と相対湿度を、所定の範囲内になるように制御する温湿度制御装置と、を有している。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、造形物の寸法精度を向上させられるとともに、造形物の各種物性値が、圧縮成型された場合の値により近くなるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態１の３Ｄプリンタの内部構成を示し、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図である。

【図2】本発明の実施形態１の３Ｄプリンタによる造形物の造形例を示す概略図を示す図である。

【図3】本発明の効果を確認するための試験片を示す図である。

【図4】（Ａ）は温湿度制御を行なって造形した試験片の図３におけるＡ－Ｂ断面を示すＣＴ画像であり、（Ｂ）は温湿度制御を行わず造形した試験片の図３におけるＡ－Ｂ断面を示すＣＴ画像である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔実施形態１〕
以下に、本発明の実施形態１について、図１～図４に基づいて説明する。

【0014】

＜３Ｄプリンタの全体構成例＞
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態１の３Ｄプリンタ１００の構成例を示す図である。３Ｄプリンタ１００は、本体の下部にチャンバー１０１を備える。そして、チャンバー１０１の内部には、３次元に造形物を造形する造形空間１１０が設けられている。また、造形空間１１０の下部には、載置台として、ステージ１１１が設けられる。そして、ステージ１１１上に造形物が造形される。

【0015】

３Ｄプリンタ１００は、フィラメントを吐出する吐出部１２０と、吐出部１２０にフィラメントを供給するフィラメント供給部１０２とを有している。チャンバー１０１の内部のステージ１１１の上方には、造形手段として吐出部１２０が設けられている。チャンバー１０１よりも上方には、フィラメント供給部１０２が設けられる。吐出部１２０は、その下方にフィラメントを吐出する吐出ノズル１２１、１２２を有する。なお、実施形態１では、吐出部１２０に２つの吐出ノズル１２１、１２２が設けられているが、吐出ノズルの数は、任意である。また、吐出部１２０には、各吐出ノズルに１２１、１２２に供給されるフィラメントを加熱する図示しないヘッド加熱機構が設けられている。このように、３Ｄプリンタ１００は、あらかじめ保持されるフィラメントを用いて、造形物を造形する。

【0016】

フィラメントは、例えば、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂又はＰＣ（polycarbonate）樹脂等の材料である。また、フィラメントは、熱可塑性である。したがって、フィラメントは、３Ｄプリンタ１００の吐出ノズル１２１、１２２から吐出される際は、加熱され、高温である。吐出後、フィラメントは、空気等によって冷却されると、固まる。このような性質を利用して、３Ｄプリンタ１００は、フィラメントを吐出して造形物を造形する。

【0017】

図示しないフィラメントは、例えば、細長いワイヤ形状である。そして、フィラメントは、フィラメント供給部１０２に巻きまわされた状態等で、３Ｄプリンタ１００にセットされる。さらに、フィラメントは、吐出部１２０に設けられている吐出ノズル１２１、１２２へそれぞれ供給される。

【0018】

吐出部１２０は、ステージ１１１に設けられた図示しない水平方向のＸ軸及びＹ軸駆動機構によって、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動する。例えば、Ｘ軸及びＹ軸駆動機構は、アクチュエータ、電源及び電子回路等からなる。

【0019】

さらに、吐出部１２０は、鉛直方向であるＺ軸方向にも、Ｚ軸駆動機構によって、Ｚ軸方向に移動する。Ｚ軸駆動機構もＸＹ軸と同様に、例えば、アクチュエータ、機構、電源及び電子回路等からなる。

【0020】

また、各駆動機構は、図示しない制御装置によって、制御される。

【0021】

３Ｄプリンタ１００は、チャンバー１０１内の造形空間１１０の温度と湿度を制御する温湿度制御装置として、ヒータ１１２、除湿空気供給機構１１３、除湿空気噴出口１１４、及びこれらを制御する温湿度制御部１１５を有している。

【0022】

これにより、後述するように、造形物の寸法バラツキが少なくなり、寸法精度が向上するとともに、機械的な物性値である引張弾性率、引張破壊ひずみ、引張降伏応力、曲げ応力、曲げ弾性率、最大曲げひずみ、シャルピー衝撃強さ、荷重たわみ温度などの多くの一般的な物性値が向上し、同材料を圧縮成型で作成した場合により近づき、量産を鑑みて圧縮成型した場合のシミュレーションする場合により利用しやすくなるといった効果を奏する。なお、チャンバー１０１は必ずしも必要なわけではないが、設けられているほうが、造形空間１１０の温湿度制御が容易になる。

【0023】

なお、造形空間１１０の温湿度は、フィラメントの材料の種類よって、適切な値に制御することが望ましい。例えば、ＡＢＳである場合は、温度は５０℃、相対湿度２％ＲＨ以下となるように制御されていることが望ましい。

【0024】

また、吐出ノズル１２１、１２２は、フィラメントの種類ごとに異なる種類であってもよいし、同じ種類でフィラメントの加熱温度等が変更可能なものであってもよい。また、実施形態１において、３Ｄプリンタ１００は、図示しないフィラメント供給装置により供給されるフィラメントを図示しないヘッド加熱装置で加熱溶融する。次に３Ｄプリンタ１００は、溶融状態となったフィラメントを吐出ノズル１２１、１２２から押し出して、吐出する、そして、３Ｄプリンタ１００は、吐出によって、ステージ１１１上にフィラメントで形成される各層を積層して造形物を造形する。

【0025】

なお、３Ｄプリンタ１００は、上述の構成に限られず、ノズル清掃機構、フィラメントを予備的に乾燥させる乾燥機構や他の機構が追加されていてもよいし、制御機構等は分離されていてもよい。

【0026】

図２は、実施形態１の３Ｄプリンタ１００による造形物の造形例を示す概略図である。例えば、３Ｄプリンタ１００は、熱溶解積層方式等の材料押出法で造形物を造形する場合には、温湿度制御手段によって温湿度制御された造形空間内で図示するように、溶解したフィラメントＦ１をステージ１１１に、積層して造形物を造形する。図示するように、溶解したフィラメントＦ１によって形成されるそれぞれの層ＬＹは、積層方向ＬＤ（Ｚ軸方向）に、積層される。

【0027】

＜実証試験＞
ここで、３Ｄプリンタに求められている特性について説明する。３Ｄプリンタは造形物を造形する装置であるため、当然のことながら、造形精度が求められる。さらに、造形物もフィラメントに使われる材質の物性値として知られている機械的強度や耐熱性により近い特性が得られることも造形物の設計の観点から、当然求められる。

【0028】

実施形態１の３Ｄプリンタ１００で造形した造形物は、その詳細なメカニズムは不明であるが、造形空間１１０の温湿度を制御することによって、造形精度と機械的強度や耐熱性が向上し、材質の物性値により近くなることを発明者たちは新たに見出した。

【0029】

上記を確認するため、実施例の試験片として、実施形態１の３Ｄプリンタ１００を用いて、造形空間１１０の温湿度制御（温度：５０±２℃ 湿度：≦２％ＲＨ）を行ってＡＢＳ製のフィラメントを積層し、図３に示すＪＩＳ Ｋ７１３９に記載の試験片を２０個造形した。比較例の試験片として、実施形態１の３Ｄプリンタ１００を用いて、造形空間１１０の温湿度制御を行わず、ＡＢＳ製のフィラメントを積層し、図３に示すＪＩＳ Ｋ７１３９に記載の試験片を２０個造形した。個々の試験片のｂ２の寸法を測定した。結果を表１に示す。

【0030】

【表1】

【0031】

表１より、温度制御を行った実施例の試験片は標準偏差が小さく、統計的には、ほぼ全ての造形品の寸法が、公差内に収まった。これに対し、温湿度制御を行わなかった比較例の試験片は、標準偏差が大きく、造形品が公差内に収まらない可能性が高いことが分かる。実際に、温度制御を行わず作製した比較例の試験片には公差を満足しない試験片も存在した（ｂ２最大寸法：２０．２７ｍｍ）。よって、実施形態１の３Ｄプリンタ１００は、造形精度が向上できるという効果を奏する。

【0032】

また、作製した各試験片を、あいち産業科学技術総合センターにて、機械的強度と耐熱性を測定した。結果を表２に示す。

【0033】

【表2】

（試験方法）
引張特性：ＪＩＳ Ｋ７１６１－１に準ずる 試験片数：３
曲げ特性：ＪＩＳ Ｋ７１７１に準ずる 試験片数：３
荷重たわみ温度：ＪＩＳ Ｋ７１９１－２Ａに準ずる 試験片数：３
シャルピー衝撃強さ：ＪＩＳ Ｋ７１１１－１／１ｅＡに準ずる 試験片：５

【0034】

なお、温湿度制御を行うことで、造形精度や機械的強度等が向上する詳細な理由は、不明であるが、その断面の構造をＣＴにて確認したところ、図４（Ｂ）に示すように温湿度制御を行わず作製した試験片の断面の外殻には、鬆Ｓが入った構造となっており、これにより実証試験時に生じたような寸法の大きくなる方向へのバラツキの発生や、機械的強度が低下した可能性が高い。なお、鬆Ｓが入った原因は、温湿度制御を行わなかったために造形時に溶解したフィラメントに巻き込まれた空気中の水分が、蒸気となって外殻から脱離することで生じた可能性がある。なお、以上のような現象は、フィラメントの材料が変わっても、フィラメントが主に樹脂からなる場合は、いずれの場合でも起こりうる可能性が高い。

【0035】

このように、実施形態１の３Ｄプリンタ１００は、従来の造形空間１１０の温湿度制御を行わない従来の３Ｄプリンタよりも、造形精度が優れ、機械的強度や耐熱特性に優れるという効果を奏する。

【0036】

実施形態１の３Ｄプリンタ１００は、印刷機能のみを有するプリンタに限らず、３Ｄスキャニング装置と連動したコピー機能付き３Ｄプリンタや、ネットワークと連動しているコピー機能付き３Ｄプリンタでもよい。いずれの場合も、３Ｄプリンタ１００と同様の効果を奏する。

【0037】

本発明は上述した実施形態１に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は、主に樹脂からなるフィラメントを用いて造形物を造形する３Ｄプリンタに利用することができる。

【符号の説明】

【0039】

１００…３Ｄプリンタ
１０１…チャンバー
１１０…造形空間
１１１…ステージ
１１２，１１３，１１４，１１５…温湿度制御装置（１１２…ヒータ、１１３…除湿空気生成機構、１１４…除湿空気噴出口、１１５…温湿度制御部）
１２０…吐出部
１２１，１２２…吐出ノズル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】