特開 2024-3270 超高速射出点描画による熱溶解積層法

(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】P2024003270

(43)【公開日】2024-01-12

(54)【発明の名称】超高速射出点描画による熱溶解積層法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/106 20170101AFI20240104BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20240104BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20240104BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240104BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240104BHJP

   B22F 10/10 20210101ALI20240104BHJP

   B22F 10/18 20210101ALI20240104BHJP

【ＦＩ】

B29C64/106

B29C64/209

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y50/02

B22F10/10

B22F10/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022112054

(22)【出願日】2022-06-26

(71)【出願人】

【識別番号】520098730

【氏名又は名称】八賀 祥司

(72)【発明者】

【氏名】八賀 祥司

【テーマコード（参考）】

4F213

4K018

【Ｆターム（参考）】

4F213AB16

4F213AP06

4F213AR14

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL24

4F213WL29

4F213WL32

4F213WL85

4K018CA44

4K018EA51

4K018EA60

(57)【要約】      （修正有）

【課題】間欠定量高速射出による熱溶解積層法（ＭＥＸ法）で造形物を製造する方法を提供する。
【解決手段】ＭＥＸ法の３Ｄプリンターにおいて、シリンダー内で熱溶解した材料を、ピストンによる射出速度を独立して設定できる構造において、ピストンを間欠的に一回射出量だけ打ち出した後に、後退させる運動を、時間当たりの射出回数ｎ（回／秒）および、ノズルの間欠印刷移動距離Ｉｔｄ（ｍｍ）と同期させて、せん断速度１０^３～１０^５（１／秒）の超高速射出にて点描画印刷しそれを高速で反復させることにより三次元造形させる積層造形法。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱溶解積層法３Ｄプリンターにおいて、ノズルから射出される材料のせん断速度が１０^３～１０^５（１／秒）であり、射出は間欠的に行い、射出量は一定量の積層材料滴をオーバーラップさせて点描画印刷することを高速で反復させて造形物を造る積層造形法。

【請求項2】

請求項１の熱溶解積層法３Ｄプリンターにおいて、時間当たりの間欠射出回数Ｎ（回／秒）、ノズル開口径ΦＤ（ｍｍ）のとき、印刷プラットフォームＸＹ軸平面において、ノズルの間欠印刷移動距離Ｉｔｄが、Ｉｔｄ＝ΦＤ×（０．９０～１．００）（ｍｍ）であり、かつ、この間欠印刷速度ＰＳが、Ｎに同期させて、ＰＳ＝Ｉｔｄ×Ｎ（ｍｍ／秒）である積層造形法。

【請求項3】

請求項１の熱溶解積層法３Ｄプリンターにおいて、間欠射出のピストン下死点と上死点を結ぶ振幅Ａｔ（ｍｍ）が、ノズル端面と造形物上面までの距離ΔＬ（ｍｍ）のとき、Ａｔ＝ΔＬ×（１．００～１．１０）である積層造形法。

【請求項4】

請求項１の 熱溶解積層法３Ｄプリンターにおいて、間欠射出一回の射出量ΔＭ（ｍｍ^３）が、ΔＭ＝（ΦＤ／２）^２×π×Ａｔである積層造形法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、付加製造技術における熱溶解積層法による立体造形物の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

３Ｄプリンターは、コンピュータで作成された三次元の造形データを元に、造形材料を順次積層して立体物を造形する装置であり、数種類の方式が知られている。中でも、熱溶解積層法（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ 以下ＭＥＸ法）は、熱可塑性樹脂などの材料を溶かして３Ｄ積層物をレイヤーごとに作成する３Ｄ印刷方法である。積層材料は熱可塑性樹脂だけでなく、金属粉末やセラミック粉末等と樹脂を混錬して作った成形材料（フィラメントやペレット）が使われている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

従来のＭＥＸ法は、ノズルから溶融した材料を連続的に射出し、印刷プラットフォームをＸＹ軸移動制御して１レイヤー分のスライス形状を印刷するものである。その機構の制限として、射出速度は印刷速度に拘束されるという課題がある。その射出速度は、例えば、レイヤー厚さ０．３ｍｍで印刷速度が３７ｍｍ／秒のとき、射出速度は２７ｍｍ／秒と一義的に決まり、射出速度だけを独立して設定することはできない。

【0004】

積層材料が樹脂の場合であれば流動性は高く射出が容易であるが、樹脂と粉末や繊維等の複合材の場合は流動性が悪くなり、射出が困難になる場合がある。
例えば、図１に示すように、金属粉末を多量に混錬した成形材料は、その粉末配合量が増えると、見掛け粘度が指数関数的に増加し射出流動性が著しく悪くなる。現状のＭＥＸ法では、射出限界とされる見掛け粘度１０^４ｐｏｉｓｅを達成できるせん断速度１０^２～１０^３（１／秒）を出す機能があるが、現実は、積層品質不良（レイヤー界面の不完全密着や分離、微少空隙の残存、外郭波打ち、インフィル形成不良）の対策として、印刷速度を下げる調整が多く行われる。その結果として射出速度（せん断速度と同義）が連動して遅くなるため、見掛け粘度が悪い状態の中で試行錯誤の改善が行われるという課題がある。

【0005】

本発明は、上記課題を解決させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、超高速射出による点描画によるＭＥＸ法で造形物を製造する方法を見出した。

【0007】

ＭＥＸ法の３Ｄプリンターにおいて、シリンダー（バレル）内で熱溶解した材料を、ピストンによる射出速度を独立して制御できる機構において、ピストンを間欠的に一回射出量だけ打ち出す、その点描画印刷の反復により三次元造形させていくものである。ピストン加圧は、超高速に上下し、射出時のせん断速度は１０^３～１０^５（１／秒）にする。このせん断速度は、一般的なプラスチック射出成形機技術で使用されているレベルであり、例えば、油圧サーボ機構、ボールネジとサーボ機構、回転カムと従動ピストン機構等により達成させる。

【発明の効果】

【0008】

金属粉末を５０～７０ＶＯＬ％と樹脂（滑剤、可塑剤、ポリマー）を混錬して作った成形材料（フィラメントやペレット）を使った射出は、擬塑性流体の性質を有し、せん断速度を上げると粘度が低下する性質がある。このせん断速度を上げることは、射出速度を上げることと同義である。図１の流動性を評価するキャピログラフでわかるように、せん断速度が低い時には見掛け粘度は非常に高い。また、金属粉末を多量に混錬した成形材料は、その粉末配合量が増えると、見掛け粘度が指数関数的に増加する。
しかし、粉末が多量に配合された材料でも、せん断速度１０^３～１０^５（１／秒）の超高速射出で行えば、見掛け粘度が急激に下がり、射出性が向上し積層造形品質を向上させることができる。

【0009】

さらに、粉末配合量を限界まで増やすこと（バインダー量を最少化すること）ができれば、粉末粒子間距離が最小化でき、粒子の接触点数が増加し積層体（グリーン体）のハンドリング強度をあげることができる。そして、次工程で脱脂および焼結をして金属焼結体（シルバー体）が作られるが、バインダー量が最少であれば収縮率が最小化できるので、焼結体の機械的性質および寸法精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】５種類の材料の溶融粘度キャピログラフ

【図2】本実施形態における立体造形物の製造方法の概念図である。

【図3】ノズル近傍拡大図

【図4】間欠射出のピストン移動量タイムチャート

【図5】間欠印刷移動距離の説明図

【実施例0011】

図２に示すように、シリンダー内に取りこんだ積層材料を、ヒーターで加熱溶融させ、ピストンで加圧し、ノズルから射出し、印刷プラットフォーム上に積層体を造形するものである。射出は連続ではなく、積層材料滴を一箇所で射出し、距離Ｉｔｄだけ移動させた地点で次の積層材料滴を印刷する。この間欠印刷（点描画印刷）を高速反復させることで積層造形する。

【0012】

射出した積層材料滴相互のオーバーラップを微増させ、材料界面の密着性を向上させる目的で、間欠射出１回のシリンダーの射出と後退運動の速度を時間当たりの間欠射出回数Ｎ（回／秒）、ノズル開口径をΦＤ（ｍｍ）とすると、ノズルの間欠印刷移動距離Ｉｔｄは、Ｉｔｄ＝ΦＤ×（０．９０～１．００）（ｍｍ）とし、間欠印刷速度ＰＳを、ＰＳ＝Ｉｔｄ×Ｎ（ｍｍ／秒）の関係で同期させる（図３）。

【0013】

ノズル先端の開口形状は、丸形状で説明しているが、四角形、六角形、楕円形など、あるいは不定形でも良い。その場合のＩｔｄは、移動方向の開口形状寸法に置き換えて計算する。

【0014】

材料たれ防止目的のサックバックと材料界面の圧着を目的とする吐出材料のオーバーラップを作るために、ピストンが１回の間欠射出で動く移動量を、間欠射出のピストン下死点と上死点を結ぶ振幅Ａｔ（ｍｍ）とする。その大きさは、ノズル端面と造形物上面までの距離ΔＬ（ｍｍ）のとき、Ａｔ＝ΔＬ×（１．００～１．１０）とする（図４）。

【0015】

さらに、射出した積層材料滴同士のオーバーラップを微増させ、オーバーラップ内に発生する圧縮応力の反力を利用して材料界面の密着性を向上させるために、間欠射出一回の射出量をΔＭ（ｍｍ^３）とすると、ノズル開口径ΦＤ（ｍｍ）、ノズル端面と造形物上面までの距離ΔＬ（ｍｍ）のとき、ΔＭ＝（ΦＤ／２）^２×π×Ａｔの条件とする。ノズル先端の開口形状が円でなく四角形、六角形、楕円形など、あるいは不定形の場合、（ΦＤ／２）^２を開口面積に置き換えてΔＭを計算する。

【符号の説明】

１ 印刷プラットフォーム
２ 積層造形体
２’間欠射出１回の積層材料滴
３ ヒーター
４ シリンダー（バレル）
５ ピストン
６ Ａｔ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）、間欠射出のピストン下死点と上死点を結ぶ振幅
７ 積層材料
８ ノズル
９ ΦＤ、ノズル先端の開口直径
１０ ΔＬ（Ｌａｙｅｒ）、１層分のノズル端面と積層造形物上面までの距離
１１ ΔＩｔｄ（Ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｔｒａｖｅｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）、
射出停止位置から次の射出停止位置までの間欠印刷移動距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】