三維成形設備的製作方法

2023-06-12 08:27:11

專利名稱：三維成形設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及以噴墨方式製造立體成形對象的三維成形設備。
背景技術：
已知具有如下功能的設備，其將作為成形對象基本數據的三維數據設置為計算機屏幕上的任意姿態，基於設置的姿態針對相對高度的多個平行平面所分成的各個截面創建數據，基於每層的相關二維數據形成具有連續層疊樹脂的立體成形對象，從而創建用作成形主體的三維模型的成形主體。在應用於產品開發等的樣機開發的快速樣機開發(RP)領域，已經採用了能夠實現三維成形的層疊成形方法。這些層疊成形方法適用於將產品的三維CAD數據切片、創建作為原始產品數據的重疊薄板、在其上層疊諸如粉末、樹脂、鋼板、紙等材料以創建樣機。作為這些層疊成形方法，已知有噴墨法、粉末法、光成形法、片層疊法、擠型法等。這些方法中的噴墨法噴射液化材料，然後通過照射紫外線(UV)、冷卻等固化以形成層。利用這種方法，可以對其應用噴墨印表機的原理，從而提供實現高解析度的優點。樹脂層疊型的三維成形設備適用於通過在掃描XY方向並在高度方向上層疊時將模型材料和支撐材料噴射到成形板上來執行成形，其中模型材料配置為形成最終的成形對象，支撐材料配置為支撐用於支撐模型的基底部分以及模型材料的突出部分並且最終會被移除。模型材料和支撐材料是由具有可以通過紫外光照射而固化的性質的樹脂構成。配置為發射紫外光的紫外光燈與用於噴射模型材料和支撐材料的噴嘴一起在XY方向上掃描，使得從噴嘴中噴射的模型材料和支撐材料受到紫外光的照射並固化。這種噴墨型三維成形設備必需移除從噴嘴噴射的多餘樹脂部分。圖12是例示了利用輥筒部分移除成形材料的多餘部分的構造的透視圖。在此示例中，噴射到成形板40上的處於流動狀態的樹脂表面被輥筒主體26軋平。輥筒部分25包括作為旋轉體的輥筒主體26、布置為相對輥筒主體26表面突出的刀片27、配置為收集被刀片27刮除和移除的成形材料的槽28、以及用於噴射槽28中收集的成形材料的吸管29。輥筒主體26在與頭部20的行進方向(圖12中為順時針方向)相反的方向上旋轉，並且刮除流動的成形材料。刮除的成形材料附至輥筒主體26、傳輸至刀片27、然後被刀片27刮除並引導到槽28中。因此，刀片27固定為具有朝向槽28的向下坡度的姿態。吸管29與廢液通道相連，使用泵等汲取槽28中收集的成形材料並將該材料存儲在廢液te(未不出)中。專利文獻1:日本未審查專利公開第2003-535712號在這種三維成形設備中，必須將單個層分成多個分段來執行成形操作，以形成寬度大於噴射寬度的成形對象。在圖13的平面圖所示的示例中，將成形板40上的成形對象分成三個分段Rl至R3，並由頭部20執行往復掃描以形成具有較大表面積的成形對象。考慮到製造公差，這種三維成形設備中的輥筒部分25適用於使得輥筒部分25的寬度大於如圖14所示的噴射寬度，以確保回收噴射的樹脂。不過在如圖15 (a)所示的這種輥筒部分25中，在成形板40上固化第一分段Rl之後，當成形如圖15 (b)所示的相鄰分段R2時，輥筒部分25與已經製備的分段Rl的端部邊緣(圖中箭頭指示的位置)接觸。於是在已經固化的成形對象中產生了偏差，從而降低了成形對象的精度。此外，由於如圖12所示固化樹脂和輥筒部分25之間的接觸導致錯誤執行了回收，因此出現了已經固化的樹脂與可流動樹脂混合的問題。如圖12中的虛線所示，當通過吸管29回收固化樹脂時，吸管29的內部或者與吸管29相連接的廢液通道被阻塞，因此回收的樹脂無法送至廢液槽而使得回收的樹脂填滿該槽，並流出到成形表面上。作為針對該問題的一種策略，已經提出了強化樹脂之間的接合，以在即使可流動樹脂與輥筒部分接觸時也可以避免偏差。此外，已經採用了通過混合模型材料和支撐材料以硬化支撐部分的構造，從而避免了錯誤回收固化的樹脂。不過，在使用上述任一種方法時，在通過固化支撐材料獲得成形對象之後，還存在難以從成形對象移除支撐材料的問題。另一方面，已經提出了使各相鄰分段的成形高度逐漸偏移來避免衝突。不過，這種方法中存在使該高度低於層疊樹脂層的一層高度的限制。因此，由於當輥筒部分的抖動或傾斜大於該偏移量時則沒有意義，因此需要針對輥筒部分的抖動和傾斜進行嚴格準備和調節的問題。考慮到現有技術中的上述問題而做出了本發明，本發明的主要目的是提供能夠避免由於輥筒部分接觸固化後的樹脂而使樹脂被刮除和移除的三維成形設備。

發明內容
為了實現上述目的，根據本發明第一方面的三維成形設備是這樣一種三維成形設備，其重複執行將為形成最終成形對象的模型材料MA和配置為支撐模型材料MA的突出部分並最終被移除的支撐材料SA作為成形材料噴射並固化到成形板40上的操作，同時至少在單個方向上執行掃描，從而將在高度方向上具有預定厚度的多個切片形成為層疊構造，並在高度方向上層疊這些切片以執行成形。該三維成形設備包括用於在其上放置成形對象的成形板40 ;包括多個用於噴射模型材料MA的模型材料噴嘴21和多個用於噴射支撐材料SA的支撐材料噴嘴22的成形材料噴射裝置，這些多個噴嘴在單個方向上排列；輥筒部分25，其擠壓處於流動狀態的模型材料MA和支撐材料SA的上表面，並且刮除和移除模型材料MA和支撐材料SA的多餘部分；固化部分24，用於固化模型材料MA和支撐材料SA ;包括成形材料噴射裝置、輥筒部分25和固化部分24的頭部20 ;用於使頭部20在水平方向上往復掃描的水平驅動裝置；用於使頭部20和成形板40在高度方向上的位置相對彼此移動的垂直驅動裝置；和控制裝置10，其控制水平驅動裝置和垂直驅動裝置的驅動，並控制成形材料噴射裝置對成形材料的噴射和固化裝置24進行的固化。因此，輥筒部分25的寬度小於支撐材料噴嘴22的寬度以及提供在成形材料噴射裝置上的模型材料噴嘴21的寬度。通過這種方式，即使通過將一個層分成多個分段來成形，輥筒部分也不與成形材料接觸，並且可以避免與已成形部分接觸，從而提高了精度並避免了錯誤回收固化後的樹脂以及吸管的阻塞。另外，在根據第二方面的三維成形設備中，在通過成形材料噴射裝置基於每個切片層的任意數據形成每個層時，通過與前一切片相偏移來執行印刷。通過這種方式，切片上未應用輥筒部分的位置是變化的，並且未回收樹脂的殘餘影響不會累積，因此可以均勻地抑制。在根據第三方面的三維成形設備中，在利用偏移將各模型材料噴嘴21布置成多個行的構造中，輥筒部分25的寬度形成為小於多行模型材料噴嘴21的總寬度。通過這種方式，利用偏移布置模型材料噴嘴可以提高解析度，輥筒部分的寬度可以相對以偏移構造布置的模型材料噴嘴得到降低，以及即使通過分成多個分段來成形同一切片，輥筒部分也不與成形主體接觸，從而實現了高精度成形。在根據第四方面的三維成形設備中，可以使得模型材料噴嘴21的寬度和支撐材料噴嘴22的寬度實質上相等。在根據第五方面的三維成形設備中，模型材料MA和支撐材料SA並不在同一往復掃描中同時噴射在其中模型材料MA和支撐材料SA在成形對象掃描方向上所位於的線上,從而僅有一種成形材料可以噴射和固化。通過這種方式，由於在同一往復掃描中沒有同時噴射模型材料和支撐材料，而是僅噴射和固化一種，因此可以避免由於鄰近該線的模型材料和支撐材料之間交界面處的可流動狀態而導致的混合構造，從而獲得了交界面具有優良構造的優點。


面圖。1是例示了第一實施例的三維成形設備的框圖。
2是例示了變型例中的三維成形設備的框圖。
3是例示了頭部在XY方向上移動的狀態的平面圖。
4是例示了由模型材料和支撐材料成形的成形對象的透視圖。
5是圖4的剖視圖。
6是頭部外觀的透視圖。
7是利用輥筒部分移除多餘量的成形材料時的透視圖。
8是例示了根據第一實施例的輥筒主體的寬度以及輥筒部分的噴嘴的示意平
9是例示了將成形對象的同一層分成多個分段成形的構造的示意剖視圖。
10 Ca)是例示了緊接在利用輥筒部分回收成形材料的多餘部分之後的理論構造的示意剖視圖，圖10 (b)是例示了圖10 Ca)中的樹脂由於其重量而變形的構造的示意首1J視圖。圖11是例示了使用根據第二實施例的方法層疊多層的構造的示意剖視圖。圖12是例示了輥筒部分的結構的透視圖。圖13是利用輥筒部分將成形板上的成形對象分成多個分段來進行成形的構造的示意平面圖。圖14是例示了輥筒主體以及輥筒部分噴嘴的寬度的示意平面圖。圖15 (a)是例示了利用輥筒部分成形圖13中的分段Rl的構造的示意剖視圖，圖15 (b)是例示了在成形相鄰分段R2時輥筒部分與固化的分段Rl接觸的構造的示意剖視圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明的實施例進行說明。下文將要描述的實施例僅例示了用於實現本發明的技術設想的三維成形設備，但本發明不受到下文所述實施例的限制。此外，本說明書不將權利要求中限定的元件限制為根據實施例的組件。特別地，除非另外指定，否則實施例中描述的元件的尺寸、材料和形狀及其相對設置關係等不對本發明的範圍構成限制，而是僅作為示例。此外，在某些情況下為了清楚描述，在附圖中以誇大的方式例示了組件的尺寸、位置關係等。在下文的說明中，使用相似的名稱和參考標號來表示相同的組件或者具有相同質量的組件，其詳細說明不再重複。另外，可以如下方式實現構成本發明的各個元件單個組件構成多個元件，於是單個組件可以用作多個元件；或者多個組件共享單個組件的功能。(第一實施例)圖1例示了根據本發明第一實施例的三維成形系統100的框圖。對以噴墨方式應用三維成形設備的示例進行說明，其作為三維成形設備的示例。不過本發明不限於使用噴墨方式的三維成形設備，本發明還可以用在使用其它系統(例如層疊系統以及諸如粉末法、光成形法、片層疊法、擠型法等的成形方法)的三維成形設備中。三維成形系統100適用於以噴墨方式噴射液態的成形材料，然後固化並層疊這些材料以製造任意的成形對象。模型材料MA配置為形成最終的成形對象，支撐材料SA配置為進行成形以支撐模型材料MA的突出部分並最終被移除，模型材料MA和支撐材料SA用作所述成形材料。圖1所示的三維成形系統100由三維成形設備2和設置數據創建設備I (圖1中的計算機PC)構成，設置數據創建設備I將包含成形對象數據和成形條件的設置數據發送至三維成形設備2。三維成形設備2包括控制裝置10、頭部20和成形板40。頭部20包括用於噴射模型材料MA的模型材料噴嘴21和用於噴射支撐材料SA的支撐材料噴嘴22，二者用作成形材料噴射裝置。頭部20還具有輥筒部分25，其用於刮除噴射的成形材料的多餘部分，從而改變此時成形對象最上層的厚度並且平滑成形材料的表面；頭部20還具有用於固化成形材料的固化裝置24。另外，為了使模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22以噴墨方式將液體或液態的成形材料噴射到成形板40上相對頭部20水平方向的適當位置，提供了XY方向驅動部分31和Z方向驅動部分32，來作為用於在X方向以及與X方向垂直的Y方向上往復掃描的水平驅動裝置，和用於使頭部20和成形板40在高度方向上相對彼此移動位置的垂直驅動裝置。在本文中，Y方向是包括模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22的多個孔的排列方向，X方向是水平面上與Y方向垂直的方向。計算機PC用作設置數據創建設備I。在從外部接收到用於三維成形對象的基礎數據的輸入(如通過三維CAD等設計的模型數據的輸入)時，首先將CAD數據轉換成例如STL數據(立體光刻數據)，然後通過將STL數據切片成多個薄的截面部分來創建截面數據，然後將切片數據整體或者逐片(逐層)發送至三維成形設備2。此時，根據通過三維CAD等設計的模型數據(實際上是轉換所得的STL數據)在成形板40上的確定姿態，相對由模型材料製成的模型在此姿態下需要支撐的部分或空間來執行對支撐材料SA的提供位置的相關設置，基於這些數據來創建對應於各個層的切片數據。控制裝置10從計算機PC獲取截面數據，並根據該數據控制頭部20、XY方向驅動部分31和Z方向驅動部分32。在控制裝置10的控制下操作XY方向驅動部分31，並且使得頭部20中的模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22將作為液滴成形材料的模型材料MA和支撐材料SA噴射到成形板40上的適當位置處，從而基於計算機PC提供的截面數據形成截面形狀。此外，至少噴射在成形板40上的作為成形材料之一的模型材料MA固化，使得模型材料MA從液體或液態變成固態，從而固化。通過這些操作，創建了對應於單層(即切片)的橫截面組件。儘管可以在三維成形設備2 —側生成切片數據，但在當前構造中，必須通過操作確定的參數(如每個切片的厚度)必須從計算機PC —側發送至三維成形設備2。(切片)本文中的「切片」是指在成形對象的z方向上層疊各層的單位，切片的數量等於高度除以層疊層厚度得到的值。實際上，針對確定每個切片厚度的需求，根據可以從各個噴嘴噴射的材料的最小單位量、由輥筒部分25在向上和向下方向上的偏心所導致的變化等，確定了最小的可設置厚度。基於上述方式確定的值定義為最小切片值，然後用戶可以考慮例如所需的成形精度和所需的成形速度來最終確定每個切片的量。也即，如果用戶選擇成形精度優先，則將上述最小切片值或與其接近的值確定為每個切片的量。另一方面，如果用戶優先考慮成形速度，則可以按照維持必需的最小成形精度的方式來確定每個切片的量。此外，作為其它的方法，可以採用由用戶按感覺選擇成形精度和成形速度之間比例的方法，或者由用戶輸入允許的最大成形時間、顯示成形時間和成形精度的一些組合作為備選、並且由用戶從這些備選中選擇優選條件的方法。此外，對一個切片數據的成形動作包括如下一系列步驟至少在頭部20在X方向(頭部20的主掃描方向)上往復操作期間，至少在向前路徑或向後路徑中以噴墨方式從模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22噴射液體或液態的成形材料，然後操作輥筒部分25至少在向前路徑或向後路徑中平滑處於液態的成形對象的表面，然後從固化裝置24將具有特定波長的光導向成形對象的平滑後的表面，以通過至少執行一次上述步驟來固化成形對象。顯然根據切片數據所指示的厚度以及所需的成形精度可以自動改變執行這些步驟的次數。當成形中使用的成形材料在預定溫度下固化後，根據本發明的固化裝置24可以配置為冷卻或加熱裝置，此外在應用自然固化時可以省去固化裝置。另一方面，通過模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22至少在向前路徑或向後路徑中的單次噴射可以在成形板上形成的最大厚度由單元噴射量來確定，所述單元噴射量可以在液滴落在成形板40上之後將噴射的液滴的截面形狀維持為基本圓形。(成形板40)成形板40可以通過Z方向驅動部分32升降。在形成單個切片之後，控制裝置10控制Z方向驅動部分32使成形板40降低對應於單個切片厚度的距離。重複執行上述操作，使得新的切片層疊在第一個單個切片上方(上表面上)。如上文所述連續創建並層疊多個薄切片，從而獲得成形對象的成形。此外，在成形對象具有突出，即與位於Z方向(高度方向)下方的成形部分相比在XY平面上具有所謂懸突形狀的情況下，在計算機PC將成形對象轉換成數據時根據需要添加懸突支撐部分形狀。換句話說，包括懸突形狀的成形對象是這樣一種成形對象，其具有在不存在已經形成的模型材料切片的部分的上表面上形成了新的模型材料切片的部分(懸突部分)。此外，在用於形成最終成形對象的模型材料MA的成形同時，控制裝置10基於懸突支撐部分形狀執行懸突支撐部分SB的成形。具體來說，與模型材料MA不同的支撐材料SA從支撐材料噴嘴22作為液滴噴射，以形成懸突支撐部分SB。在成形之後，移除形成了懸突支撐部分SB的支撐材料SA，從而提供了目標三維成形對象。如圖3的平面圖所示，通過頭部移動裝置30在水平方向(即XY方向)上移動頭部20。頭部20支撐在X方向移位軌道43上，X方向移位軌道43是在圖中分別以垂直構造布置的一對用於X方向(主掃描方向)的引導機構。在支撐頭部20的基座側沿著一條X方向移位軌道43提供X方向驅動部分(未不出)。用於在Y方向(子掃描方向)上移位頭部20的Y方向移位軌道44提供在門形框架上，門形框架將頭部20置於X方向移位軌道43上。驅動部分(未示出)被提供用於沿著Y方向移位軌道44驅動頭部20。頭部20可以通過驅動部分在X方向和Y方向上移位。圖4示例中示出的頭部20分成具有噴嘴的噴射頭單元20A以及具有輥筒部分和固化裝置的回收及固化頭單元20B。導軌45提供在噴射頭單元20A和回收及固化頭單元20B之間，以提供移位軌道44沿Y方向移位頭部20的通道。如圖3中的平面圖所示的頭部20沿著Y方向移位軌道44在Y方向上往復移位。Y方向移位軌道44的兩端均支撐在頭部移動裝置30上。頭部移動裝置30沿著一對X方向移位軌道43在X方向上往復移位，X方向移位軌道43提供為沿著成形板40的垂直維度平行，從而在垂直方向上跨過成形板40。通過這種方式，頭部20可以在成形板上的XY平面上移位至任意位置。如圖1所示，成形板40通過板升降裝置(Z方向驅動部分32)在高度方向(即Z方向)上移動。因此，頭部20和成形板40的高度可以相對彼此改變，從而實現立體成形。具體來說，為了基於切片數據將模型材料MA和支撐材料SA作為成形材料從模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22噴射到適當位置處，通過頭部移動裝置30在X方向上往復操作頭部20，然後從提供在噴嘴21和22中並且在Y方向上延伸的多個孔中噴射模型材料MA和支撐材料SA。此外，如圖3所示，在噴嘴21和22在Y方向上的寬度小於成形板40上可以執行成形的在Y方向上的寬度的情況下，以及由成形模型數據指示的Y方向上的寬度大於各孔在Y方向上延伸的全部長度的情況下，在X方向上預定的位置處往復操作噴嘴21和22，然後各個噴嘴21和22在Y方向上偏移預定量並在這些位置處往復掃描。另外，基於切片數據將模型材料MA和支撐材料SA噴射至適當位置。重複這些操作以創建對應於全部設置成形數據的成形對象。儘管在圖1的示例中，將用於升降成形板40的板升降裝置用作Z方向驅動部分32，但本發明不限於該示例，如在圖2所示的三維成形設備2』中，還可以採用Z方向驅動部分32』以在Z方向上移動頭部，同時使成形板40在高度方向上固定。此外，XY方向上的移動還可以通過在固定頭部的同時移動成形板來實現。通過使各個噴嘴的寬度基本上等於Y方向上可以在成形板40上執行成形的寬度，還可以不必如上文所述在Y方向上偏移(shift)頭部20。不過，即使在這些情況下，為了提高由噴嘴中的孔之間的間隔確定的成形對象在Y方向上的解析度，還可以例如在Y方向上偏移頭部20，從而使得每個孔位於先前成形期間的孔位置之間。(控制裝置10)控制裝置10控制成形材料的噴射圖案。也即，在X方向上的往復掃描期間，在單個方向上往復掃描頭部20的同時，控制裝置10使得成形材料噴射裝置至少在向前路徑或向後路徑中將模型材料MA和支撐材料SA噴射到成形板40上，並且在成形材料噴射裝置已經將成形材料噴射到成形板上之後，使固化裝置24至少在向前路徑或向後路徑中固化模型材料MA和支撐材料SA，從而創建切片。此外，控制裝置10使頭部20和成形板40在高度方向上相對彼此移動位置，並且重複層疊切片以實現成形。後文將會詳細說明，在成形材料噴射裝置已經將成形材料噴射到成形板上之後並且在固化裝置24固化成形材料表面之前，至少在向前路徑或向後路徑中通過輥筒部分25執行成形材料表面的平滑。通過在X方向上的單次往復掃描，控制裝置10控制噴射模型材料MA和支撐材料SA中的任一種成形材料，利用輥筒部分25平滑和移除成形材料表面上的多餘部分，並利用固化裝置24使其固化。通過下一次及後續的往復掃描，控制裝置10控制噴射尚未噴射的另一種成形材料，平滑該成形材料的表面並使其固化。在形成單個切片時，這一系列處理至少執行一次。當然，本發明包括根據例如用戶需要的成形時間周期和最終模型的表面精度來多次重複對應於單層切片數據的上述一系列處理。因此，模型材料MA和支撐材料SA中任一種的表面都可以在流動狀態下被平滑、固化，然後噴射模型材料MA和支撐材料SA中的另一種並分別固化。這提供了有效避免模型材料MA和支撐材料SA在其交界面處混合的優在此示例中已經描述了噴射模型材料MA然後噴射支撐材料SA的構造。不過，與此相反，也可以首先噴射支撐材料，然後噴射模型材料。另外，儘管在此示例中已經描述了對用於成形的模型材料和支撐材料進行分別噴射和固化的方法，其中首先噴射任一種成形材料並固化，然後噴射另一種成形材料並固化，但本發明不限於該方法，模型材料和支撐材料可以在任意時間噴射。(成形材料)如上文所述，作為成形材料,模型材料MA用於形成最終的成形對象,支撐材料SA用於支撐模型材料MA的突出部分並最終被移除。圖4是通過用矩形的平行六面體支撐材料S覆蓋在球形成形模型材料MA外圍所成形的成形對象的透視圖，圖5是圖4的剖視圖。(固化裝置24)對於模型材料MA，可以採用諸如UV固化樹脂的光固化樹脂。在這種情況下，固化裝置24是一種發光裝置，其能夠發射包含至少特定波長的光，該波長的光使得模型材料MA的材料與其反應而固化，例如是諸如UV燈的紫外線發射裝置。這種UV光燈包括滷素燈、水銀燈、LED等。另外在此示例中，支撐材料SA也可以由UV固化樹脂構成。在採用能夠通過具有相同波長的UV射線固化的UV固化樹脂的情況下，可以採用相同的紫外線發射裝置，從而提供利用公共光源的優點。(模型材料MA)對於模型材料MA，可以採用熱塑樹脂。在這種情況下，採用冷卻裝置作為固化裝置24。此外，在採用熱塑樹脂同時作為模型材料和支撐材料的情況下，當模型材料的熔點高於支撐材料熔點時，可以在完成層疊之後通過將成形對象加熱至高於支撐材料熔點但低於模型材料熔點的溫度並且維持該溫度使支撐材料熔化，以移除支撐材料。此外，還可以採用光固化樹脂作為模型材料和支撐材料之一，而採用熱塑樹脂作為模型材料和支撐材料中的另一種。另一種方案是，可以採用通過與固化材料進行化學反應而固化的材料作為模型材料。另外還可以按需將液體改性劑混合到模型材料中，以調節諸如粘度和表面張力的噴射特性。此外，可以通過溫度調節來改變噴射特性。其它的示例模型材料包括UV光聚合物、環氧樹脂、丙烯酸樹脂和聚氨酯。(支撐材料SA)
基本上，上述用作模型材料的材料都可以用作支撐材料SA。不過，從便於最終移除支撐材料的角度來說，期望添加能夠移除與模型材料相近材料的材料。因此，具體來說，可以採用水脹凝膠、蠟、熱塑樹脂、水溶性材料、可熔材料等。為了移除支撐材料SA，可以根據支撐材料的性質採用適當的方法，包括例如水溶解、加熱、化學反應和液壓清理的動態清理，或者通過照射電磁波利用熔化時的熱膨脹差異進行分離。支撐材料最終會被移除，因此需要易於移除的特性。例如，水溶性支撐材料可以在成形對象成形之後通過浸入水槽中進行溶解來移除。另一方面，支撐材料溶解性的提高意味著支撐材料強度的降低，並且容易在溫度升高時導致潮解、失形和下垂。當支撐材料的剛度不足時，支撐模型材料的能力會降低，並且在支撐材料上表面上對模型材料進行成形變得困難，從而模型材料的相關精度也會下降。而當支撐材料的剛度增加時，如果從最終成形對象移除支撐材料，在水中洗提會變得困難並且移除時間較長。由於支撐材料要求這些彼此相反的特性，因此獲得最佳特性的支撐材料通常是困難的。如本實施例所示，在使用水溶性材料作為支撐材料的情況下，當在成形設備上成形模型時，形成作為支撐材料SA外壁的支撐壁SS通過支撐材料在最大程度上抑制了與空氣的直接接觸。因此，由於可以禁止支撐材料吸收潮氣，因此可以避免支撐材料的形變或者模型材料由於支撐材料的形變而發生形變。另外形成支撐壁SS能夠抑制內部的支撐材料吸收潮氣，於是提高了支撐材料的可溶解性能，並因此增加了在移除支撐材料時浸入溶劑(如水)時的洗提速度。這種構造具有在提供足夠的剛度同時通過在移除期間破壞外壁的支撐材料SA來以短時間促進洗提以移除支撐材料的優點。在圖4和圖5所示的示例中，支撐壁SS被矩形的平行六面體表面覆蓋並移除內部的支撐材料SA。(頭部20)圖6例示了噴墨型三維成形設備中的頭部20的示例。圖示的頭部20具有用於分別噴射用作成形材料的模型材料MA和支撐材料SA的專用噴嘴作為成形材料噴射裝置。具體來說，用於噴射模型材料MA的模型材料噴嘴21和用於噴射支撐材料SA的支撐材料噴嘴22彼此平行地相互分隔開。各噴嘴均具有兩個噴嘴行23。在頭部20中，支撐材料噴嘴22、模型材料噴嘴21、輥筒部分25和固化裝置24按此順序從左側開始整體提供。每個噴嘴都適於以壓電裝置型的噴墨列印頭的構造噴射墨汁型的成形材料。此外，成形材料被調節為具有允許從噴嘴噴射的粘度。在圖6的示例中，頭部20適用於首先噴射模型材料MA，然後噴射支撐材料SA。此外，頭部20還適用於在向前路徑(圖中的左右方向)中噴射成形材料，利用輥筒部分25在向後路徑(圖中從右向左)中從成形材料的最上表面刮除多餘的樹脂，在平滑之後利用固化裝置24固化平滑的樹脂。(輥筒部分25)頭部20還具有輥筒部分25，其用於通過擠壓噴射的模型材料MA和噴射的支撐材料SA的處於可流動狀態的表面並且移除成形材料的多餘部分來平滑成形材料的表面。下面將參照圖7的示意圖來描述這種輥筒部分25的操作的構造。在此示例中，例示了輥筒主體26對處於未固化狀態的噴射模型材料MA的表面進行平滑的狀態。輥筒部分25包括作為旋轉體的輥筒主體26、布置為朝向輥筒主體26表面突出的刀片27、用於收集被刀片27刮除的成形材料的槽28、以及用於噴射槽28中收集的成形材料的吸管29。輥筒主體26被可旋轉地支撐，並且在旋轉的同時擠壓流動的樹脂以平滑樹脂表面並移除和回收多餘部分。在利用輥筒主體26刮除樹脂多餘部分時，輥筒主體26以與頭部20的行進方向(圖7中為順時針方向)相反的方向上旋轉，從而刮除流動的成形材料。刮除的成形材料附至輥筒主體26、傳輸至刀片27、然後被刀片27刮除並引導到槽28中。因此當刀片27被設置為當輥筒主體26與樹脂表面鄰接時，其相對行進方向置於輥筒主體26後面的位置，並且固定為向下朝向槽28傾斜的姿態。按照相同的方式，槽(桶)28布置為與刀片27相對輥筒主體26處在同一側，並且布置在刀片下方。此外，吸管29連接至泵並且適用於汲取收集在槽28中的成形材料，然後噴射該成形材料。在此示例中，輥筒主體26具有直徑約20mm的外部形狀。輥筒部分25適用於在頭部20沿圖中從右向左的方向行進時執行刮除。換句話說，當基於切片數據使模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22分別將模型材料MA和支撐材料SA噴射到適當位置時，頭部20同時在左右方向上行進，輥筒部分25不與成形材料接觸，類似地，固化裝置24不通過光源進行照射。輥筒部分25執行上述刮除操作，另外在各個噴嘴21和22至少在圖中頭部20的左右主掃描方向中的向前路徑上噴射成形材料之後，固化裝置24用作光源，其發射用於在從右向左的主掃描方向(向後路徑)中固化至少模型材料MA的光。固化裝置24的光源布置在模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22行進方向的前方，因此即使光源已點亮，所噴射的液態樹脂在被輥筒部分25平滑之前也不被照射。另一方面，還可以在不需要時主動關閉固化裝置24的光源。另外，提供多個固化裝置的構造是可行的。例如，可以提供第一固化裝置和第二固化裝置作為固化裝置，並且可以通過第一固化裝置對噴射後的樹脂暫時進行固化，然後通過第二固化裝置對樹脂進行進一步固化。以這種方式提供多級構造的固化裝置能夠充分發揮樹脂的固化能力。此外，使用這種構造使得能夠在應用用於暫時固化的第一固化裝置之後樹脂中仍存在足夠的流動性時，在使用第一固化裝置進行暫時固化之後通過輥筒部分刮除多餘樹脂。也即，必須將全部固化裝置布置在輥筒部分的後續級上。如圖1和圖6所示，相對於頭部20的行進方向，輥筒部分25布置在固化裝置24之前，處在圖中左側。因此，首先通過輥筒部分25刮除未固化的成形材料，然後通過固化裝置24固化成形材料。由於這種布置，使得成形材料的刮除和固化可以沿著同一路徑執行，提供了聞效率處理的優點。沿著X軸布置支撐材料噴嘴22、模型材料噴嘴21、輥筒部分25和固化裝置24的基本設想如下文所述。將頭部20在主掃描方向上的向前行進的方向看作基線，則支撐材料噴嘴22和模型材料噴嘴21中的任一個都可以位於另一個之前。對於這種噴嘴布局，當輥筒部分25和固化裝置24在向前行進方向上、在向前路徑上執行輥筒操作時，輥筒部分25和固化裝置24順次布置在支撐材料噴嘴22和模型材料噴嘴21的後面，而當在向後路徑上執行輥筒操作時，輥筒部分25和固化裝置24順次布置在向後行進路徑中支撐材料噴嘴22和模型材料噴嘴21的後面。在上述實施例中，採用如下所述利用UV光照射的方法，其中在通過頭部20噴射樹脂形成新的最上層之後，並且利用輥筒部分25針對成形期間最上層中處於未固化狀態的樹脂刮除多餘樹脂之後，通過固化裝置24固化至少最上面的樹脂層。不過除了這種構造，對於上述固化裝置還可以採用多步驟構造。例如，在通過頭部20噴射樹脂形成新的最上層之後，並且針對包含多餘樹脂層的最上方樹脂層使用固化裝置24執行單次照射操作，並利用輥筒部分25針對成形期間最上層中未固化的樹脂執行刮除多餘樹脂層，然後固化裝置24重新執行UV光的照射以固化至少最上面的樹脂層。在這種情況下，通過在橫向方向上提供一對固化裝置，這一對固化裝置在相對頭部20的X方向(即頭部20的主掃描方向)上夾在支撐材料噴嘴22和模型材料噴嘴21兩側，固化裝置24可以如上文所述執行兩次照射操作。另外在這種情況下，為了通過組合第一照射和第二照射而獲得期望的最終樹脂固化度，經過第一次照射的樹脂不處在固化狀態而是流體半固化狀態，於是可以隨後通過輥筒部分25執行刮除操作。因此在本說明書中，在通過輥筒部分25刮除之前，最上層的狀態是未固化狀態或流體狀態。(輥筒部分25的寬度)輥筒部分25的寬度形成為小於提供在成形材料噴射裝置上的模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22的寬度。每個噴嘴包括多個用於噴射樹脂的孔，這些孔形成為基本上與頭部20的子掃描方向平行並且以預定間隔對準,其中子掃描方向與主掃描方向垂直。上述每個噴嘴的寬度是指每個噴嘴在子掃描方向上位於兩端部分的孔之間的距離。也就是說，這意味著輥筒部分25的寬度小於每個噴嘴在子掃描方向上位於兩端部分的孔之間的距離。定義孔間距的前提是，分別提供在模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的各個孔以相對頭部20的X方向(即頭部20的主掃描方向)成線型構造布置。換句話說，前提條件是這樣一種構造，其中模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22相對頭部20定位和布置為使得在主掃描方向上通過模型材料噴嘴21的每個單孔執行噴射的位置與主掃描方向上通過支撐材料噴嘴22的每個單孔執行噴射的位置完全重疊。還存在這樣的構造，其中使用了多個模型材料噴嘴21以及多個支撐材料噴嘴22，模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的一個相對模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的另一個在子掃描方向上偏移，並且相對頭部20來定位和使用。在圖中使用多個模型材料噴嘴21以及兩個或多個支撐材料噴嘴22的基本目的是通過使得提供在模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的一個上的孔在子掃描方向上的位置相對提供在模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的另一個上的孔在子掃描方向上的位置具有偏移，來提高模型材料或支撐材料在Y方向上的解析度。也就是說，執行定位以使得提供在模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的一個上的孔在子掃描方向上位於提供在模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的另一個上的兩個相鄰孔之間。在這種情況下，本發明中輥筒部分25的寬度的含義如下文所述，該寬度小於提供在成形材料噴射裝置上的模型材料噴嘴21的寬度和支撐材料噴嘴22的寬度。當多個模型材料噴嘴21相對子掃描方向以偏移構造布置時，模型材料噴嘴21的寬度意味著，棍筒部分25的寬度小於從布置在多個模型材料噴嘴21的子掃描方向上一端最外側的偏移位置到布置在子掃描方向上另一端最外側的偏移位置的距離。同一系統中採用的多個支撐材料噴嘴22也具有這種相同的構造。按照與上述基本系統相同的方式，該系統的前提條件是這樣一種構造，其中模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22相對頭部20定位和布置為使得在主掃描方向上通過模型材料噴嘴21的每個單孔執行噴射的位置與主掃描方向上通過支撐材料噴嘴22的每個單孔執行噴射的位置完全重疊。上述輥筒部分25的寬度表示輥筒部分25的軸線方向，也即，當在子掃描方向上在輥筒部分25的輥筒表面上刮除多餘樹脂時，甚至在輥筒部分25的外觀寬度大於模型材料噴嘴21的寬度和支撐材料噴嘴22的寬度時，本身用作輥筒部分並執行刮除功能的輥筒實質寬度可以小於模型材料噴嘴21的寬度和支撐材料噴嘴22的寬度。此外，還可以從形成在實質上不刮除多餘樹脂的輥筒末端上的輥筒部分到實質上刮除多餘樹脂的輥筒部分提供梯級(step)來改變輥筒直徑，或者使得輥筒部分的直徑從實質上不刮除多餘樹脂的輥筒端部上的輥筒部分到實質上刮除多餘樹脂的輥筒部分連續逐漸變化。圖8示出了頭部20的底部視圖的示例。在圖中的示例中，模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22布置為分別偏移兩行噴嘴。模型材料噴嘴21的寬度Dl和支撐材料噴嘴22的寬度D2基本上相等，偏移量也基本上相等。因此，模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22中的全部噴嘴的噴射寬度DN基本上相等。輥筒部分25的寬度DR小於噴嘴的噴射寬度DN。通過將輥筒部分25的寬度減小至小於噴射寬度DN，如圖9所示，即使將同一層(切片)成形為多個分段(圖9示例中的分段Rl、R2)，當輥筒部分25擠壓右側分段R2時也不會與已經成形的分段(圖9中的左側分段)接觸，因此可以高精度實現大表面積成形操作。由於在固化後不會錯誤回收，因此可以避免阻塞習慣的狀態。此外，輥筒部分的抖動以及傾斜的調節量優選小於或等於一個切片的厚度，因此可以降低預備和安裝輥筒部分的相關難度。有鑑於此，輥筒部分25的寬度形成為相比模型材料噴嘴和支撐材料噴嘴兩端上的孔之間的距離小半個孔對準間距(O. 5mm)。例如，當孔對準間距為Imm時，輥筒部分25的寬度形成為在兩端分別比位於模型材料噴嘴和支撐材料噴嘴兩端上的孔之間的距離小O. 5mm。棍筒部分25的寬度小於噴射寬度的構造意味著存在無法被棍筒部分25回收的樹脂部分，例如圖9所示由虛線包圍的部分。不過，緊接在通過輥筒部分25回收多餘樹脂部分之後，樹脂並不維持液態而變為圖10 (a)所示狀態，由於其重量而不再維持其形狀，因此如圖10 (b)所示下垂。由此，形成了與完全通過輥筒部分25回收時基本相同的形狀，實際中幾乎不存在問題。在實例中，從成形主體最上表面刮除的多餘樹脂的厚度是例如數十微米的厚度，優選為不超過50微米。因此可以斷定，即使在刮除殘餘部分時的樹脂高度為類似高度，實際中也不存在問題。在通過成形材料噴射裝置基於包括任意厚度的切片數據噴射樹脂時，通過在子掃描方向上相比前次子掃描方向的樹脂噴射位置進行偏移來執行列印。通過這種方式，每個切片層上未應用輥筒部分25的位置是變化的，並且未回收的殘餘樹脂的影響不會累積，因此可以均勻地抑制。具體來說，當在預定的子掃描位置處在主掃描方向上移位第一切片層的同時噴射樹脂之後，維持子掃描位置並利用輥筒部分25刮除多餘樹脂，然後在將下一個切片層在子掃描方向上從上述預定位置偏移固定距離之後，在該子掃描位置處在主掃描方向上移位並執行樹脂的噴射，維持子掃描位置，並通過輥筒部分25刮除多餘樹脂。如圖8所示，在偏移多個行來布置模型材料噴嘴21的構造中，輥筒部分25的寬度優選形成為小於多行模型材料噴嘴21的全部寬度。通過這種方式，通過利用偏移布置模型材料噴嘴21來提高解析度，輥筒部分25的寬度可以相對以偏移構造布置的模型材料噴嘴21得到降低，即使通過分成多個分段來成形同一切片，輥筒部分25也不與成形主體接觸，從而實現了高精度成形。(第二實施例)此外，通過改變針對每個切片應用輥筒部分的位置，來避免未回收的殘餘樹脂的影響累積。即，通過改變每個切片中的分段之間的邊界位置，可以抑制僅有界面部分較高的狀態。例如，在圖11所示的第二實施例中，通過控制裝置10偏移樹脂的噴射位置，從而使下一步驟的邊界P2位於在前一步驟中執行噴射的分段邊界Pl之間。通過這種方式，即使由於前一切片使得成形略高，也可以利用輥筒部分25對下一切片的未固化樹脂的隆起部分進行回收，於是高度維度上的影響不會累加，從而能夠避免和抑制殘餘未回收樹脂的問題。通過這種方式，即使如上述實施例一樣通過噴射成形材料並將同一切片分成多個分段來成形時，也可以避免輥筒部分與固化後樹脂的碰撞，從而改善了成形對象的質量。根據本發明的三維成形設備適用於以噴墨方式對UV固化樹脂進行三維成形。100三維成形系統I設置數據創建設備2、2』三維成形設備10控制裝置20 頭部20A噴射頭單元20B回收及固化頭單元21模型材料噴嘴22支撐材料噴嘴23噴嘴行24固化裝置25輥筒部分26輥筒主體27 刀片28 槽29 吸管30頭移動裝置31XY方向驅動部分32、32』 Z方向驅動部分40成形板43X方向移位軌道44Y方向移位軌道45 導軌MA模型材料SA支撐材料SS支撐壁
PC計算機
SB懸突支撐部分
Dl模型材料噴嘴的寬度
D2支撐材料噴嘴的寬度
DN全部噴嘴的噴射寬度
Dr、DR輥筒部分的寬度
Pl前一步驟的邊界
P2後一步驟的邊界
R1-R3分段
權利要求
1.一種三維成形設備，其配置為重複執行將配置為形成最終成形的對象模型材料(MA )和配置為支撐模型材料(MA )的突出部分並最終被移除的支撐材料(SA )作為成形材料噴射並固化到成形板(40)上的操作，同時至少在單個方向上執行掃描，從而將在高度方向上具有預定厚度的多個切片形成為層疊構造，並在高度方向上層疊這些切片以執行成形，所述三維成形設備包括 成形板(40)，其構造為在其上放置成形對象； 成形材料噴射裝置，其包括構造為噴射模型材料(MA)的多個模型材料噴嘴(21)和構造為噴射支撐材料(SA)的多個支撐材料噴嘴(22)； 輥筒部分(25)，其構造為擠壓處於流動狀態的模型材料(MA)或支撐材料(SA)的上表面，從而刮除模型材料(MA)或支撐材料(SA)的多餘部分； 固化部分(24)，其構造為固化模型材料(MA)和支撐材料(SA)； 頭部(20)，其包括成形材料噴射裝置、所述輥筒部分(25)、和所述固化部分(24)； 水平驅動裝置，其構造為使得頭部(20)在水平方向上往復掃描； 垂直驅動裝置，其構造為使頭部(20)和成形板(40)在高度方向上的位置相對彼此移動；和 控制裝置(10)，其構造為控制水平驅動裝置和垂直驅動裝置的驅動，並控制成形材料噴射裝置對成形材料的噴射和固化裝置(24)進行的固化；其中 輥筒部分(25)的寬度小於提供在成形材料噴射裝置上的模型材料噴嘴(21)和支撐材料噴嘴(22)的寬度。
2.根據權利要求1的三維成形設備，其中在通過成形材料噴射裝置基於每個任意切片層的數據形成每個層時，通過與前一切片相偏移來執行印刷。
3.根據權利要求1或權利要求2的三維成形設備，其中 利用偏移將模型材料噴嘴(21)布置為多行，輥筒部分(25)的寬度形成為小於多行的模型材料噴嘴(21)的總寬度。
4.根據權利要求1至3中任一項的三維成形設備，其中模型材料噴嘴(21)的寬度和支撐材料噴嘴(22)的寬度實質上相等。
5.根據權利要求1至4中任一項的三維成形設備，其中模型材料(MA)和支撐材料(SA)不在同一往復掃描中同時噴射在模型材料MA和支撐材料SA在成形對象掃描方向上所位於的線上，而是僅噴射和固化一種成形材料。
全文摘要
本發明提供了一種三維成形設備。輥筒部分25配置為刮除模型材料MA和支撐材料SA的多餘部分。固化部分24固化模型材料MA和支撐材料SA。頭部20包括成形材料噴射裝置和輥筒部分25。水平驅動裝置使頭部20在水平方向上進行往復掃描。垂直驅動裝置使頭部20成形板40在高度方向上的位置彼此相對移動。控制裝置10構造為控制通過成形材料噴射裝置進行的成形材料的噴射以及固化裝置24的固化處理。輥筒部分25寬度小於模型材料噴嘴21和支撐材料噴嘴22的寬度。
文檔編號B29C67/00GK103009630SQ20121035919
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月24日 優先權日2011年9月22日
發明者齋藤一樹 申請人:株式會社其恩斯