JP6545903B2 - ３次元形状の製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元形状の製作方法に関する。さらに具体的には、予め定められた形状及び体積を有した単位ブロック体を部分的に接合及び積層して迅速に単位ブロック結合体を形成した後、上記単位ブロック結合体を後処理して３次元形状を成形することにより、３次元形状の成形に所要される時間及びエネルギーを顕著に低減させることができる３次元形状の製作方法に関する。

３次元立体形状を製作するために、従来は固まりの形態の金属または木材材質の原材料を直接削って成形するか、粉末状態または溶融状態の原材料を金型に注入して成形する方式を主に使用した。

しかし、上記従来技術のうち、前者は作業者の熟練度によって作業時間と作業（すなわち、寸法）の精密度が大きく異なる問題点があり、後者の場合、別途の金型を製作しなければならないので作業物量が少ない場合に費用が大きく増加する問題点があった。

このような従来技術の問題点を解決するために、最近は３Ｄプリンターを用いて３次元形状を製作する技術が開発されたが、上記３Ｄプリンターについての具体的な内容は下記特許文献１等に詳しく開示されている。

このような３Ｄプリンターを用いた３次元形状製作技術は、３次元形状を単位平面に分け、平面ごとに液状原料をＵＶ照射により硬化させるか、粉末またはフィラメント形態の原料をレーザーのような熱源で溶融させて積層方式によって形状を作っていく方式で構成される。

しかし、このような３Ｄプリンターを用いた３次元形状製作技術は、３軸移動が可能な駆動部が３次元形状の電算モデリングデータに従って移動しながら自動で形状を作っていく長所はあるが、点単位や面単位の印刷を反復的に行って形状を作る方式であるので、３次元模型が自動車や船舶等に使用される大型構造物または住宅等の場合、形状製作に要する時間及びエネルギー消耗が過度となる問題点があった。

韓国登録特許第１，４５１，７９４号公報（２０１４年１０月１６日公告）

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は、予め定められた形状及び体積を有した単位ブロック体を部分的に接合及び積層して迅速に単位ブロック結合体を形成した後、上記単位ブロック結合体を後処理して３次元形状を成形することにより、上記３次元形状の成形に要する時間及びエネルギーを顕著に低減させることができる３次元形状の製作方法を提供するためのものである。

上記のような目的を達成するために、本発明による３次元形状の製作方法は、成形型枠内部に予め定められた体積を有する単位ブロックを積層し、積層される単位ブロックのうち製作しようとする３次元形状を構成する単位ブロックらを互いに部分的に接合させて単位ブロック結合体を形成する第１段階と、上記成形型枠を除去して上記単位ブロック結合体に含まれない非接合単位ブロックらを除去する第２段階と、上記単位ブロック結合体を後処理して上記３次元形状を成形する第３段階と、を含むことを特徴とする。

また、上記単位ブロックは、球形体および多面体形状のうち少なくともいずれか一つの形状からなって、複数の体積別に備えられ、上記第１段階では３次元形状の位置に応じて積層される単位ブロックの形状および体積のうち少なくともいずれか一つを変更することができることを特徴とする。

また、上記第１段階で単位ブロックの接合は、互いに隣合う単位ブロックの接触領域のうち少なくとも１ヶ所を部分的に加熱溶融させるか接着剤を塗布してなされることを特徴とする。

また、上記第１段階で単位ブロック結合体は、外形が上記３次元形状よりさらに大きく形成され、上記第３段階の後処理工程は上記単位ブロック結合体を機械的に加工することを特徴とする。

また、上記第１段階で単位ブロック結合体は、外形が上記３次元形状よりさらに小さく形成され、上記第３段階の後処理工程は上記単位ブロック結合体の表面に仕上げ材を塗布することを特徴とする。

また、上記第３段階の後処理工程は、上記単位ブロック結合体に含まれた空隙を除去する空隙除去段階を含むことを特徴とする。

また、上記空隙除去段階は、空隙が形成された周囲の単位ブロックを加熱溶融させて上記空隙を埋めるか、接着性充填材または上記単位ブロック材質の溶融液を注入して上記空隙を埋めることを特徴とする。

以上で説明したように、本発明による３次元形状の製作方法は、予め定められた体積を有した単位ブロック体を仮組立て形態で部分接合して迅速に単位ブロック結合体を形成した後、これを後処理して望む３次元形状を成形する方式であるので、点単位または面単位で原材料を硬化させるか溶融させて形状を作っていく従来技術による３Ｄプリンターを用いて３次元形状を成形する方式と対比するとき、３次元形状の製作に所要される時間及びエネルギーを顕著に低減させることができる長所がある。

本発明の一実施例による３次元形状の製作方法を用いて製作しようとする３次元形状を示した図面である。 本発明の一実施例による３次元形状の製作方法を用いて図１の形状を製作する方法を説明するための図面である。 図２のＡ−Ａ部断面について本発明の一実施例により図１の形状を製作する方法を工程順序どおりに説明するための図面である。 本発明の一実施例による３次元形状の製作方法を説明するための工程図である。 本発明の一実施例によって３次元形状を製作するための装置の概略的な構成を示した図面である。 図５の装置に使用された原料供給部の他の変形例を示した図面である。

以下では本発明の望ましい実施例を添付した図面を用いて詳細に説明することにする。

図１は本発明の一実施例による３次元形状の製作方法を用いて製作しようとする３次元形状を示した図面であり、図２は本発明の一実施例による３次元形状の製作方法を用いて図１の形状を製作する方法を説明するための図面であり、図３は図２のＡ−Ａ部断面について本発明の一実施例により図１の形状を製作する方法を工程順序どおりに説明するための図面である。

また、図４は本発明の一実施例による３次元形状の製作方法を説明するための工程図であり、図５は本発明の一実施例によって３次元形状を製作するための装置の概略的な構成を示した図面であり、図６は図５の装置に使用された原料供給部の他の変形例を示した図面である。

まず、本実施例では説明の便宜のために、本発明による３次元形状の製作方法を用いて図１に示したハート形態のサンプル１００を製作する場合を一例として説明する。

本発明による３次元形状の製作方法は、まず作業台１０上にサンプル１００を成形するための成形型枠２０をセッティングすることになるが（Ｓ１０）、この場合、上記成形型枠２０は、後述するように、供給される単位ブロック体５０を内部に入れ込んで収容する遮断部材または枠部材としての機能を行うようになる。

この際、上記成形型枠は、別途の工程や装置（例えば、作業台の上面に垂直な方向の昇降装置等）を用いてセッティングすることもできるが、製作しようとする３次元形状の形態によっては、本実施例で一例として説明する３次元形状製作装置を用いて後述するＳ２０段階とＳ３０段階を行う過程で、縁部に位置する単位ブロック体３０を部分接合または全体接合する方式でセッティングすることもできる。

すなわち、例えば製作しようとする３次元形状が本実施例のサンプル１００の場合、上記成形型枠２０は、別途の工程や装置を用いて図２に示したように四角枠形状でセッティングすることもできるが、必要に応じては図２でサンプル１００を構成する単位ブロック体ら（ハッチングで表示されたもの）のうち最外郭に位置した単位ブロック体５０らを各積層段階で優先的に接合させて上記成形型枠２０としての機能を行うようにすることもできる。

この際、上記成形型枠２０を後者のような方式でセッティングする場合、後述する工程のうちＳ５０段階は省略することもできる。

上記Ｓ１０段階が完了したら、上記成形型枠内部に予め定められた体積を有する単位ブロック体５０を供給して、作業台の底面に成形型枠２０が形成する枠に沿って単位ブロック体５０が図３（ａ）に示したように平面形態に配列されるようにする（Ｓ２０）。

この際、上記単位ブロック体５０は、金属、合成樹脂、チョコレート、木材、セメント、煉瓦、粘土等のようにサンプル１００を製作しようとする多種多様な材質とすることができる。

また、本実施例では、説明の便宜のために上記単位ブロック体５０が球形からなる場合を一例として説明するが、これに限定されず、必要に応じては四面体、五面体、六面体等のような多面体形状で構成することもできる。

上記Ｓ２０段階が完了したら、上記成形型枠２０内部に配列された単位ブロック体５０のうち、サンプル１００の形状を構成する単位ブロック体５０らを互いに部分的に接合させるようになる（Ｓ３０）。

すなわち、上記Ｓ３０段階では、図２及び図３（ａ）に示したように、上記成形型枠２０内部に収容された単位ブロック体５０のうち点線で表示されたサンプル１００の仮想的な外形線Ｐ内部に含まれる単位ブロック体５０と、上記外形線Ｐが掛かっている単位ブロック体５０ら（図２と図３ではこれら単位ブロック体らをハッチング処理して区別した）は、互いに隣合う単位ブロック体５０同士互いに部分的な接合がなされるようになる。

この場合、上記単位ブロック体５０らの接合は、互いに隣合う単位ブロック体５０らの接触領域（または接触部位）のうち少なくとも１ヶ所を部分的に接合させる方式でなされる。

この際、本発明で単位ブロック体らの「部分接合」または「部分的に接合」というのは、単位ブロック体らを積層して後述する単位ブロック結合体を形成する際、互いに隣合う単位ブロック体らのうち少なくとも一部単位ブロック体らの間に空隙が形成される形態の接合を意味する。

また、上記単位ブロック体５０らの接合は、その材質に応じて電子ビームやレーザー等の加熱源を用いた加熱溶融接合方式（例えば、金属素材、合成樹脂、チョコレート等の場合）を使用するか、接着剤（例えば、木材等の場合）を塗布する方式を使用して望ましくなされるようにすることができる。

また、上記接着剤は、単位ブロック体５０の材質に応じてモルタル、パティ、粘土、セメント、エポキシやホットメルトのような化学的接着剤、または膠等のような天然接着剤等を使用することができる。

本実施例では、説明の便宜のために上記単位ブロック体５０は金属材質で構成され、上記接合方式はレーザー溶融を用いた加熱溶融接合方式を使用する場合を一例として説明することにする。

また、上記Ｓ３０段階での部分接合工程により、互いに隣合う単位ブロック体５０らは部分接合部５１によって互いに仮組立て（または仮結合）形態で結合される一方、上記部分接合部５１ら間には単位ブロック体５０の形状及び相互間の接触状態によって多様な形態の空隙５２が形成される。

上記Ｓ３０段階で、一つの平面上で接合対象である単位ブロック体５０ら間に部分的な接合が完了すれば、図３（ｂ）と図３（ｃ）に示したように、その上部にまた単位ブロック体５０を供給して積層しながらサンプル１００の形状を構成する単位ブロック体５０らを互いに部分的に接合させる工程を反復するようになる（Ｓ４０）。

この場合、上記単位ブロック体５０の積層段階に応じて、上記成形型枠２０の高さも段階的に増加されるように構成することが望ましい。

また、上記単位ブロック体５０を積層する場合、サンプル１００の形状を構成する単位ブロック体５０らは、同一平面上で互いに隣合う単位ブロック体５０らだけでなく、上下方向で互いに隣合う単位ブロック体５０ら同士も互いに接触する領域のうち少なくとも１ヶ所で部分的な接合がなされるようになる。

また、本実施例では一例として、上記積層工程は、下部単位ブロック体５０らの空隙５２部に上部単位ブロック体５０らが位置するように上下ジグザグパターンで積層する場合を一例として説明するが、これに限定されず、必要に応じては互いに隣合う上下部単位ブロック体５０の中心が垂直線上に配列されるように積層することもできることは勿論である。

また、上述したＳ１０段階ないしＳ４０段階は、通常のＣＡＤ／ＣＡＭシステムや３Ｄプリンターで適用しているように、サンプル１００の形状情報（または座標情報）を含む電算的モデリングデータを用いてなされることになるが、上記モデリングデータは、３次元形状をモデリングするための公知のプログラムのうちいずれか一つを用いて得ることができる。

一方、製作しようとするサンプル１００の形状を得るために、必要な回数だけ上記Ｓ４０段階を行うようになれば、上記成形型枠２０の内部にはサンプル１００の形状を構成する単位ブロック体５０らが上下左右方向で互いに部分的に接合されて一つの固まりの形態になった単位ブロック結合体９０が形成される。

この際、上記単位ブロック結合体９０は、後述するように、後処理工程によって望む形態のサンプル１００形状を得ることになるが、上記後処理工程は、サンプル１００の表面が精巧な寸法と滑らかな面が要求される場合であれば単位ブロック結合体９０（またはその外面）を機械的に加工する方式からなり、そうではない場合であれば上記単位ブロック結合体９０の外面に仕上げ材を塗布する方式でなされるようにすることができる。

また、上記後処理工程が単位ブロック結合体９０を機械的に加工する場合であれば、加工マージンを考慮して上記単位ブロック結合体９０はサンプル１００より外形サイズがさらに大きく形成されることが望ましく、上記単位ブロック結合体９０の外面に仕上げ材を塗布する場合であれば、上記単位ブロック結合体９０はサンプル１００より外形サイズがさらに小さいか同一に形成されることが望ましい。

また、上記単位ブロック結合体９０を機械的に加工する場合、必要に応じては上述した仕上げ材塗布作業を追加的にさらに行うこともできる。

また、上記仕上げ材は、液状またはペースト状態の接着性充填材（接着剤、パティのような穴埋め材料、ペイントやニスのような塗料、固着剤等を含む）や、上記単位ブロック体５０材質の溶融液等を用いることができる。

本実施例では、説明の便宜のために、上記後処理工程が単位ブロック結合体９０の外面を機械的に加工する場合を一例として説明する。

上記Ｓ４０段階が完了したら、作業台１０で成形型枠２０と他の単位ブロック体５０らと接合されていない非接合状態の単位ブロック体５０らを除去することにより、上述した単位ブロック結合体９０を得るようになるが（Ｓ５０）、上記単位ブロック結合体９０は、上述したような理由により、単位ブロック体５０らの部分接合部５１の間で上下左右方向に空隙５２が形成された形態になる。

上記Ｓ５０段階が完了したら、上記空隙５２らを除去することにより、互いに隣合う単位ブロック体５０らが全体的に完全に接合された堅固な形態の無空隙単位ブロック結合体９１を得るようになる（Ｓ６０）。

この際、上記空隙除去段階は、空隙５２が形成された周囲の単位ブロック体５０らを全体的または部分的に加熱溶融させて上記空隙を埋めるか、液状またはペースト状態の接着性充填材または上記単位ブロック体５０材質の溶融液を注入して上記空隙５２を埋める方式からなる。

例えば、上記単位ブロック体５０が金属、合成樹脂、チョコレート材質の場合には、加熱溶融や同一材質の溶融液を注入して上記空隙５２を除去することができ、上記単位ブロック体５０が木材材質の場合には、液状またはペースト状態の接着剤を注入して上記空隙５２を除去することができる。

上記Ｓ６０段階によって無空隙単位ブロック結合体９１が得られたら、マシニングセンタ、ＣＮＣ等、通常の機械的加工装置を用いて上記無空隙単位ブロック結合体９１を加工して望む形状の３次元サンプル１００形状を製作するようになる（Ｓ７０）。

一方、本実施例では、一例として単位ブロック結合体９０を得た後に空隙５２を除去する後処理工程としてＳ６０段階を行うものと説明したが、これに限定されず、単位ブロック結合体９０を形成する単位ブロック体５０らが、部分接合によっても機械的加工が可能な程に互いに充分に堅固に結合された場合であれば、必要に応じて上記Ｓ６０段階を省略することもできる。

また、本実施例では、空隙５２を除去する後処理工程であるＳ６０段階と単位ブロック結合体９０の外面を後処理する工程であるＳ７０段階を全て行う場合を一例として説明したが、必要に応じては、これらのうちいずれか一つの段階のみを選択的に行うか、Ｓ６０段階とＳ７０段階を行った以後に上述した仕上げ材塗布段階をさらに行うこともできる。

ただし、上記Ｓ６０段階のみを行う場合であれば、上記単位ブロック結合体９０の外形サイズは、上記サンプル１００と同一の水準に形成されることがさらに望ましい。

上記のような構成により、本発明による３次元形状の製作方法は、予め定められた体積を有した単位ブロック体５０を仮組立て形態で部分接合して迅速に単位ブロック結合体９０を形成した後、これを後処理して望む３次元形状のサンプル１００を成形する方式であるので、点単位または面単位で原材料を硬化させるか溶融させて形状を作っていく従来技術による３Ｄプリンターを用いて３次元形状を成形する方式と対比するとき、３次元形状の製作に所要される時間及びエネルギーを顕著に低減させることができる長所がある。

一方、図５では、本発明による３次元形状の製作方法を適用した３次元形状製作装置の概略的な構成を一例として示した。

上記３次元形状製作装置は、作業台１０が形成された本体１の上部に、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に原料供給部５とレーザー溶融装置４を移送させるための移送軸２と、上記移送軸２を介して上記原料供給部５とレーザー溶融装置４を移送させる移送モーター３を含んで構成される。

この際、上記３軸方向移送軸２、移送モーター３及びレーザー溶融装置４の構成は、公知の技術であるので、ここでは具体的な説明は省略することとし、上記原料供給部５は、内部に単位ブロック体５０を収容した状態で上記移送軸２を介して移動しながらノズルのように必要な位置に単位ブロック体５０を供給するように構成される。

一方、本実施例では、上記単位ブロック体５０が同一の体積（すなわち、サイズ）からなる場合を一例として説明したが、これに限定されず、必要に応じて上記単位ブロック体５０は複数の体積別に備えるようにすることもできる。

すなわち、例えば上記原料供給部５は、第１体積の単位ブロック体５０ａを供給する第１供給部５ａ、第２体積の単位ブロック体５０ｂを供給する第２供給部５ｂ、及び第３体積の単位ブロック体５０ｃを供給する第３供給部５ｃで構成されることができ、この場合、それぞれの供給部５ａ、５ｂ、５ｃは、バインディング装置５ｄによって一つのアセンブリーとして構成することができる。

また、上記単位ブロック体５０は、本実施例のように球形体でのみなされるのではなく、必要に応じて特定サイズに対して（またはそれぞれのサイズ別に）球形体や多種の多面体等多様な形状で備えるようにすることもできる。

このように上記原料供給部５が多様なサイズ及び／または形状の単位ブロック体５０を供給することができるように構成される場合、積層される単位ブロック体５０の形状及び／または体積（すなわち、サイズ）を必要に応じて変更することができるので、３次元サンプル１００の部分的な形状または厚さの変化に柔軟に対応することができて、後処理の際、作業量を大きく減少させることができる長所を得ることができる。

一方、本実施例では、上記３次元形状がハート型のサンプルの場合を一例として説明したが、本発明の詳細な説明及び特許請求範囲で「３次元形状」というのは、住宅、建物、タワー、船舶や自動車、またはこれらに使用される構造体等、多種多様な形態の３次元形状を全て含む概念である。

また、本実施例では上記成形型枠２０を利用する場合を一例として説明したが、これに限定されず、必要に応じて（例えば、住宅のように大型構造物の場合）上記成形型枠２０の利用を省略することもできる。

本発明は、３次元形状の成形に所要される時間及びエネルギーを顕著に低減させる３次元形状の製作方法を提供することができ、小型構造物だけでなく自動車や船舶等の大型構造物を製作するにも用いることができるので、産業上の利用可能性が大きい。

Claims (6)

1. 成形型枠内部に予め定められた体積を有する単位ブロックを一層ずつ平面に配列されるように段階的に供給して積層し、各積層段階ごとに前記供給された単位ブロックのうち製作しようとする３次元形状を構成する単位ブロックのみを互いに部分的に接合させて単位ブロック結合体を形成する第１段階と、
   前記成形型枠を除去して前記単位ブロック結合体に含まれない非接合単位ブロックを除去する第２段階と、
   前記単位ブロック結合体を後処理して前記３次元形状を成形する第３段階と、を含み、
   前記第１段階で単位ブロックの接合は、互いに隣合う単位ブロックの接触領域のうち少なくとも１ヶ所を部分的に加熱溶融させるか接着剤を塗布してなされ、前記成形型枠の高さは単位ブロックが一層ずつ積層されるに伴って段階的に増加されることを特徴とする３次元形状の製作方法。
2. 前記単位ブロックは、球形体および多面体形状のうち少なくともいずれか一つの形状からなって、複数の体積別に備えられ、
   前記第１段階では３次元形状の位置に応じて積層される単位ブロックの形状および体積のうち少なくともいずれか一つを変更することができることを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状の製作方法。
3. 前記第１段階で単位ブロック結合体は、外形が前記３次元形状よりさらに大きく形成され、
   前記第３段階の後処理工程は前記単位ブロック結合体を機械的に加工することを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状の製作方法。
4. 前記第１段階で単位ブロック結合体は、外形が前記３次元形状よりさらに小さく形成され、
   前記第３段階の後処理工程は前記単位ブロック結合体の表面に仕上げ材を塗布することを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状の製作方法。
5. 前記第３段階の後処理工程は、前記単位ブロック結合体に含まれた空隙を除去する空隙除去段階を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元形状の製作方法。
6. 前記空隙除去段階は、空隙が形成された周囲の単位ブロックを加熱溶融させて前記空隙を埋めるか、接着性充填材または前記単位ブロック材質の溶融液を注入して前記空隙を埋めることを特徴とする、請求項５に記載の３次元形状の製作方法。