CN106029345A - 三维打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维打印机，其能够使用各种材质的颗粒，无需非活性气体就能够制造大型的造形物。所述三维打印机具有如下构造，具备：挤出装置，其构成为，在工作缸的下端侧设置有喷嘴，在该工作缸的内部配置有螺杆，在螺杆的前端侧配置有齿轮泵，且该挤出装置设置有用于加热工作缸的内部的加热器、以及用于向该工作缸内部供给树脂材料的料斗；与所述挤出装置的喷嘴对置的工作台装置；以及控制装置，其控制树脂从所述挤出装置中的喷嘴的排出し，并且控制挤出装置以及/或者工作台装置的、相对于基准面的朝向X轴、Y轴、Z轴方向的移动，挤出装置以及/或者工作台装置以在X轴、Y轴、Z轴方向上被控制装置控制位置的方式移动。

Description

三维打印机
技术领域
本发明涉及三维打印机、特别涉及通过热熔融层叠法制造三维造形物的三维打印机(3D打印机)的材料挤出部的构造。
背景技术
以往，作为通过熔融层叠造形法制造三维造形物的方法，例如在下述的专利文献1中公开了一种制造方法，在该方法中，反复进行一边根据三维构造物的形状数据控制微小的注射器和与之对置的造形用工作台的移动，一边从注射器喷嘴排出生物降解性树脂的细线状的热熔融物的工序，从而形成微小的医疗用三维构造物。
另外，作为不需要细丝状材料的三维构造体的形成方法，在下述的专利文献2中公开了使用气体加压分配器将加热融解后的融解高分子材料从喷嘴挤出并控制此时的喷嘴的排出位置的方法。
然而，在专利文献1记载的方法的情况下，由于收容在注射器内的树脂的体积小，因此存在无法制造出大造形物的问题，另外，在专利文献2的方法的情况下，为了抑制热分解所导致的氧化物的生成，需要准备氮气、二氧化碳作为相对于高分子材料不活性的气体，并且，由于通过气体加压来进行熔融树脂的挤出，因此存在难以控制树脂的排出，容易产生来自喷嘴前端的树脂滴落的问题。
此外，在基于最近广泛使用的三维打印机的三维造形物的制造中，作为所层叠的材料，使用以细丝状供给的PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)的细丝，利用进给马达对该细丝进行加压，经过被加热后的模块从喷嘴的前端挤出而形成造形物。但是，在使用这样的细丝的以往的三维打印机的情况下，不容易进行细丝的进给速度的控制，容易产生细丝的堵塞，存在因喷嘴堵塞而使得制造工序停止的问题、适合细丝的材质有限而无法使用市售的各种材质的颗粒(粒状材料)的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-99494号公报
专利文献2：日本特开2008-194968号公报
本发明解决了上述的现有技术中的问题，其课题在于提供能够使用各种材质的颗粒，无需非活性气体就能够制造大型的造形物的三维打印机。
本发明的发明人进行了各种研究，其结果是发现，通过将三维打印机中的熔融树脂挤出部设为在工作缸内部配置有螺杆的小型的挤出机(挤出装置)，在该挤出机上安装能够供给粒状的树脂材料的料斗，利用螺杆马达控制螺杆的旋转并且利用齿轮泵马达控制设置在螺杆的前端侧的齿轮泵，由此能够调节从喷嘴前端排出的熔融树脂的量，能够防止来自喷嘴前端的树脂滴落，能够不使用材质受限的细丝而使用市售的各种材质的颗粒，也适合于大型的造形物的制造，从而完成了本发明。
用于解决课题的手段
能够解决上述课题的本发明的三维打印机的特征在于，具备：
挤出装置，其构成为，在工作缸的下端侧设置有喷嘴，在该工作缸的内部配置有被螺杆马达控制旋转的螺杆，在所述螺杆的前端侧配置有被齿轮泵马达控制旋转的齿轮泵，且该挤出装置设置有用于加热所述工作缸的内部的加热器、以及用于向该工作缸内部供给树脂材料的料斗；
工作台装置，其与所述挤出装置的喷嘴对置；以及
控制装置，其控制树脂从所述挤出装置中的所述喷嘴的排出，并且控制所述挤出装置以及/或者所述工作台装置的、相对于基准面的朝向X轴、Y轴、Z轴方向的移动，
所述挤出装置以及/或者所述工作台装置以在X轴、Y轴、Z轴方向上被所述控制装置控制位置的方式移动。
另外，本发明在具有上述特征的三维打印机的基础上，特征在于，在所述螺杆的前端侧，设置有用于测定该螺杆的前端位置处的树脂压力的第一压力计，在所述齿轮泵的排出侧，设置有用于测定喷嘴内部的树脂压力的第二压力计，根据利用所述第一以及第二压力计测定的树脂压力，通过所述控制装置控制树脂从所述喷嘴的排出。
另外，本发明在具有上述特征的三维打印机的基础上，在所述喷嘴设置有用于控制所述喷嘴内部的压力的压力控制装置，能够利用所述压力控制装置改变所述喷嘴的内部空间的容积，在设置有这样的压力控制装置的三维打印机的情况下，具有粘度的树脂的喷嘴前端处的控制响应变快，能够瞬间使喷嘴内部的压力减压或者加压。
另外，本发明在具有上述特征的三维打印机的基础上，特征在于，所述压力控制装置包括能够在相对于所述喷嘴的轴向垂直的方向上前后移动的活塞构件，通过利用所述压力控制装置控制该活塞构件的移动，由此改变所述喷嘴的内部空间的容积。
此外，本发明在具有上述特征的三维打印机的基础上，特征在于，所述挤出装置安装有通过所述控制装置控制程序X轴以及Y轴方向的移动的XY定位装置，所述工作台装置是通过所述控制装置控制朝向Z轴方向的移动的Z工作台装置。
发明效果
根据本发明，能够利用配置在螺杆的前端侧的齿轮泵控制树脂自喷嘴的排出，准确地控制排出量，能够通过层叠树脂而制作房屋、船等大造形物。另外，在本发明的三维打印机的情况下，无需使用细丝状材料，能够使用市售的各种树脂颗粒，由于不限制材质，因此熔融层叠的三维打印机的用途也变宽。
附图说明
图1是示出本发明的三维打印机的一个例子的结构图。
图2是示出本发明的三维打印机中的挤出装置A(材料挤出部)的内部构造的一个例子的剖视图。
图3是示出具有与图2不同的构造的本发明的三维打印机中的挤出装置A(材料挤出部)的内部构造的剖视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的三维打印机具备：挤出装置A，其将颗粒加热熔融并将熔融树脂供给到喷嘴的前端侧，且具有用于控制从喷嘴前端排出的熔融树脂的量的机构；工作台装置B，其以与挤出装置A的喷嘴对置的方式设置；以及控制装置C，其控制从挤出装置A的喷嘴排出的熔融树脂的量，并且控制挤出装置A以及/或者工作台装置B的、相对于基准面的朝向X轴、Y轴、Z轴三个方向的移动。
此时，在本发明中，可以采用如下构造，挤出装置A与工作台装置B的任一方相对于基准面朝向X轴、Y轴、Z轴方向以受到位置控制的方式移动，而另一方的装置的位置被固定，但也可以如图1所示采用如下构造，挤出装置A相对于基准面朝向X轴以及Y轴方向以受到位置控制的方式移动，工作台装置B相对于基准面朝向Z轴方向以受到位置控制的方式移动。通过将上述挤出装置A安装于市售的XY定位装置，能够利用控制装置C进行位置控制，将市售的Z工作台装置配置在与挤出装置A的喷嘴对置的位置，能够利用控制装置C进行位置控制，由此能够制造出具有图1所示的结构的本发明的三维打印机。
图2是示出本发明的三维打印机中的挤出装置A的内部构造的剖视图，挤出装置A在相对于工作台装置垂直配置的工作缸1的下端侧具有喷嘴2，在工作缸1的内部配置有被螺杆马达3控制旋转且用于将颗粒熔融并向喷嘴侧供给的螺杆4。并且，在螺杆4的前端侧配置有齿轮泵6，在工作缸1的周壁面设置有用于对工作缸内部进行加热的加热器7，在工作缸1的上方侧，设置有用于向工作缸内部供给树脂材料的料斗8。
需要说明的是，在图1例示的挤出装置A中，附图标记11是用于将喷嘴部处的熔融树脂的温度保持为恒定的喷嘴加热器，附图标记12是用于将齿轮泵部处的熔融树脂的温度保持为恒定的齿轮泵加热器。
在具有上述构造的挤出装置A中，优选如图2所示，在螺杆4的前端侧设置有用于测定该螺杆的前端位置处的树脂压力的第一压力计9，并且在齿轮泵6的排出侧设置有用于测定喷嘴内部的树脂压力的第二压力计10，在该情况下，根据利用第一压力计9以及第二压力计10测定出的压力的值，控制装置C分别控制挤出装置A的螺杆马达3、齿轮泵马达5、加热器(工作缸加热器)7、喷嘴加热器11、齿轮泵加热器12，以便从喷嘴前端稳定地排出熔融树脂。
在本发明中，装入挤出装置A的料斗8内的颗粒被连续地供给到工作缸1内，利用旋转的螺杆4在被加热后的工作缸1的内部一边朝向喷嘴2侧移动一边被熔融、混揉，向配置在螺杆4的前端侧的齿轮泵6供给。并且，该齿轮泵6被齿轮泵马达5控制齿轮的旋转，从喷嘴的前端定量地排出熔融树脂，由于采用通过齿轮泵6送出熔融树脂的构造，因此不易产生喷嘴的堵塞。作为这样的齿轮泵6，能够利用挤出成形机用的市售品。
需要说明的是，在本发明中，在停止熔融树脂的排出时，通过使螺杆4与齿轮泵6反转一定量而释放喷嘴内部的压力，能够有效地防止从喷嘴2的前端产生树脂滴落。另外，在使用树脂滴落明显的粘度低的材料的情况下，通过将图3所示的压力控制装置13设置于喷嘴2来瞬间增加喷嘴的内部空间的容积，由此释放喷嘴内部的压力，从而也能够有效地防止粘度低的树脂的滴落。
作为该压力控制装置13，优选在内部设置有活塞构件14(图3中用点划线示出)，该活塞构件14通过压力控制装置13而受到位置控制从而能够在一轴方向(相对于喷嘴的轴向垂直的方向)上前后移动，平时，活塞构件14的喷嘴侧的前端面位于与喷嘴的内部壁面一致的位置(参照图3)，但在使喷嘴内部的压力减压时，活塞构件14向喷嘴内部空间的容积增加方向(图3的右侧方向)移动。相反，在使喷嘴内部的压力增压时，活塞构件14向喷嘴内部侧的方向(图3的左侧方向)被挤出，喷嘴内部空间的容积减小。驱动该活塞构件14的致动器既可以采用空压式也可以采用电动式，但为了准确控制喷嘴内容积，优选为电动致动器。
使用本发明的三维打印机制造造形物时所使用的颗粒状的树脂材料不特别限定，例如能够使用聚丙烯树脂(PP)、聚乙烯树脂(PE)、聚甲醛树脂(POM)、聚氯乙烯树脂(PVC)、聚酰胺树脂(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS)、聚乳酸树脂(PLA)、聚苯硫醚树脂(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等市售的颗粒。
本发明的三维打印机中的挤出装置A的大小(料斗的容量、螺杆长度、螺杆直径、齿轮泵的单位排出量、喷嘴直径等)根据要制造的造形物的大小适当地选择，不特别限定。
实施例
〔本发明的三维打印机的制造例1〕
作为Z轴工作台装置，制作如下构造的装置：采用铝制，内置有储料器加热器与热电偶，能够进行温度控制，能够利用φ20导程5的滚珠丝杠(THK公司制)使工作台升降。此时，工作台尺寸设为1000mm见方，另外，升降范围设为1000mm。另一方面，利用直线导轨(THK制)与滚珠丝杠(THK制)组装用于安装挤出装置的XY运动单元，朝向X轴-Y轴方向的移动距离设为1000mm见方的范围。此时，作为用于进行挤出装置朝向XYZ轴方向的移动的驱动马达，均使用安川电机制的伺服马达，采用仅Z轴方向带制动器的规格。并且，通过利用控制装置控制所述驱动马达，由此控制挤出装置的XYZ轴上的位置。
作为挤出装置，内置φ20mm的螺杆L/D20，排出量为5kg/h(100rpm时)，使用在下端部设置喷嘴且在上部侧设置有料斗的工作缸，对于螺杆的驱动使用齿轮式的无刷马达。作为工作缸部加热用的工作缸加热器，使用两台500W的带式加热器。另外，作为齿轮泵，使用模数1齿数20的齿轮泵，对于齿轮泵的驱动使用齿轮式的步进电机。喷嘴孔的直径设为1.0mm，用于测定树脂压力的第一以及第二压力计使用额定20MPa的理化工业制的压力计。并且，将该挤出装置安装于上述XY运动单元，利用上述控制装置控制树脂自喷嘴的排出，制造出具有图2所示的内部构造的本发明的三维打印机。
〔使用本发明的三维打印机得到的造形物的制作例1〕
作为颗粒材料，准备ABS(东丽TOYOLAC grade600、颗粒直径3mm)，利用小型的自动装载机将该颗粒材料供给至料斗。
使用以上述方式制成的本发明的三维打印机挤出上述颗粒材料时的工作缸温度设为230℃，齿轮泵以及喷嘴温度设为240℃。
造形物设为模拟人体的上半身部分的等比例大模型，将用于制作该模型的数据输入控制装置。在使用本发明的三维打印机制作该造形物时，利用控制装置控制为排出树脂时的第一压力计(图2的附图标记9)的值指示2MPa，并且，在进行防止树脂滴落的动作时，对螺杆以及齿轮泵进行反转控制，以使得第二压力计(图2的附图标记10)的值达到0.2MPa以下。
熔融树脂的层叠间距设为0.8mm，造形速度设定为，仅最初层以40mm/s成形，第二层之后以120mm/s进行成形。
按照上述条件，在室温23℃、湿度40％的环境下开始使用三维打印机制作造形物时，能够以110小时的造形时间高精度地造形出模拟人体的上半身部分的等比例大模型。
〔本发明的三维打印机的制造例2〕
作为Z轴工作台装置，其表面经过喷砂处理且采用铝制，内置有储料器加热器(总容量5kw)与热电偶，能够利用温度调整器(欧姆龙制)进行PID控制，使用两根φ25mm导程5mm的用于进行驱动的滚珠丝杠(THK公司制)，利用正时带轮与正时皮带同步地连接。对于滑动，使用四个线性套筒(THK公司制)与φ30mm的线性轴，制造工作台能够升降的构造。此时，工作台尺寸设为X方向1200mm、Y方向1200mm，另外，Z轴方向升降范围设为1000mm。另一方面，利用直线导轨(THK公司制)与φ20mm导程10mm的加压滚珠丝杠(THK公司制)组装出用于安装挤出装置的XY移动台单元，X轴方向的移动距离设为1000mm，Y轴方向的移动距离设为1000mm。此时，作为用于进行挤出装置朝向XYZ轴方向的移动的驱动马达，均使用三菱电机制的伺服马达(1kw)，采用仅Z轴方向带制动器的规格。
将伺服马达的功率放大器的分辨能力设定为1万脉冲/周，将理论最小分辨能力设为：Z轴上每单位脉冲为0.5微米，XY轴上每单位脉冲为1微米。并且，通过利用控制装置控制所述伺服马达功率放大器，从而控制挤出装置的XYZ轴上的位置。
作为挤出装置，使用如下的工作缸，其内置有φ20mm的全螺纹螺杆L/D2，在下端部设置有喷嘴且在上部侧设置有料斗，螺杆的驱动使用带减速机的无刷马达。作为工作缸部加热用的工作缸加热器，使用两台500w的带式加热器，能够分成料斗侧与齿轮泵侧这两个区域利用热电偶与温度调整器进行控制。另外，作为齿轮泵，使用齿轮与壳体均由高速钢制且模数为1齿数为20的齿轮泵，齿轮泵的驱动使用带1/5减速机的步进电机。将步进电机驱动器的微步进设定为1/16，能够以每单位脉冲0.03度以下的分度角控制排出量。喷嘴孔的直径设为1.0mm，用于测定树脂压力的第一以及第二压力计使用额定20MPa的压力计(理化工业公司制)。齿轮泵使用300W的加热器，喷嘴使用150W的加热器，能够分别利用热电偶与温度调整器进行控制。
并且，将该挤出装置安装于上述XY移动台单元，利用上述控制装置控制树脂自喷嘴的排出，制造出具有图3所示的内部构造的本发明的三维打印机。
〔使用本发明的三维打印机得到的造形物的制作例2〕
作为颗粒材料，准备聚乳酸(Nature Works Ingeo，颗粒直径约3mm)，利用小型的自动装载器将该颗粒材料供给至料斗。
使用以上述方式制成的本发明的三维打印机挤出上述颗粒材料时的工作缸温度设为220℃，齿轮泵以及喷嘴温度设为215℃。
将工作台调整为，Z轴坐标为零的喷嘴前端与Z轴工作台装置的距离在XY轴可动范围1000mm见方的整个区域内处于0.2mm～0.4mm的范围。
造形物设为模拟人体的上半身部分的等比例大模型，将用于制作该模型的数据输入控制装置。在使用本发明的三维打印机制作该造形物时，通过控制装置控制为排出树脂时的第一压力计(图3的附图标记9)的值指示2MPa。当在造形中停止来自喷嘴(图3的附图标记2)的排出，进行防止树脂滴落的动作时控制为，螺杆(图3的附图标记4)的速度为180rpm，反转360度，并且齿轮泵(图3的附图标记6)的速度为120rpm，反转180度，并且树脂压力控制装置(图3的附图标记13)以300mm/秒的轴移动速度向减压方向移动10mm。另外，在再次开始从喷嘴进行排出时控制为，螺杆(图3的附图标记4)的速度为180rpm，正转360度，并且齿轮泵(图3的附图标记6)的速度为120rpm，正转180度，并且设置在树脂压力控制装置(图3的附图标记13)的内部的活塞构件(图3的附图标记14)以300mm/秒的轴移动速度向增压方向移动10mm。
熔融树脂的层叠间距设为0.6mm，造形速度设定为，仅最初层以40mm/秒造形，第二层之后的内部填充以120mm/秒进行造型，层的外周以60mm/秒进行造形。内部填充率设为10％。
按照上述条件，在室温23℃、湿度40％的环境下开始使用三维打印机制作造形物时，能够以135小时的造形时间不产生树脂滴落所带来的树脂丝而高精度地造型出模拟人体的上半身部分的等比例大模型。
工业实用性
在本发明的三维打印机的情况下，由于不易产生喷嘴的堵塞，并且作为树脂材料能够使用市售的各种树脂颗粒，因此能够制造由各种材质构成的造形物，也适于制造大型的造形物。
附图标记说明
A 挤出装置
B 工作台装置
C 控制装置
1 工作缸
2 喷嘴
3 螺杆马达
4 螺杆
5 齿轮泵马达
6 齿轮泵
7 加热器(工作缸加热器)
8 料斗
9 第一压力机
10 第二压力计
11 喷嘴加热器
12 齿轮泵加热器
13 压力控制装置
14 活塞构件
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(修改后)一种三维打印机，其特征在于，具备：
挤出装置，其具有工作缸、螺杆、齿轮泵、以及喷嘴，通过设置于所述工作缸的加热器加热供给至该工作缸的内部的树脂材料而使其熔融，通过螺杆马达控制配置于所述工作缸内部的所述螺杆的旋转，在所述螺杆的前端侧配置有所述齿轮泵，通过齿轮泵马达控制该齿轮泵的旋转，通过控制所述螺杆的旋转以及所述齿轮泵的旋转，能够调节从所述喷嘴的前端喷出的熔融树脂的量；
工作台装置，其设置为与所述挤出装置的喷嘴对置；以及
控制装置，其控制树脂从所述挤出装置中的所述喷嘴的排出，并且控制所述挤出装置以及/或者所述工作台装置的、相对于基准面的朝向X轴、Y轴、Z轴方向的移动，
所述挤出装置以及/或者所述工作台装置通过所述控制装置在X轴、Y轴、Z轴方向上受到位置控制而移动。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，
在所述螺杆的前端侧，设置有用于测定该螺杆的前端位置处的树脂压力的第一压力计，在所述齿轮泵的排出侧，设置有用于测定喷嘴内部的树脂压力的第二压力计，根据由所述第一压力计以及第二压力计测定出的树脂压力，通过所述控制装置控制树脂从所述喷嘴的排出。
3.根据权利要求1或2所述的三维打印机，其特征在于，
在所述喷嘴设置有用于控制所述喷嘴内部的压力的压力控制装置，能够利用所述压力控制装置改变所述喷嘴的内部空间的容积。
4.(修改后)根据权利要求1至3中任一项所述的三维打印机，其特征在于，
所述压力控制装置包括能够沿相对于所述喷嘴的轴向垂直的方向前后移动的活塞构件，通过利用所述压力控制装置控制该活塞构件的移动，由此改变所述喷嘴的内部空间的容积。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维打印机，其特征在于，
所述挤出装置安装有通过所述控制装置控制朝向X轴以及Y轴方向的移动的XY定位装置，所述工作台装置是通过所述控制装置控制朝向Z轴方向的移动的Z工作台装置。

Claims (5)

1.一种三维打印机，其特征在于，具备：
挤出装置，其在工作缸的下端侧设置有喷嘴，在该工作缸的内部配置有通过螺杆马达控制旋转的螺杆，在所述螺杆的前端侧配置有通过齿轮泵马达控制旋转的齿轮泵，且该挤出装置设置有用于加热所述工作缸的内部的加热器、以及用于向该工作缸内部供给树脂材料的料斗；
工作台装置，其设置为与所述挤出装置的喷嘴对置；以及
控制装置，其控制树脂从所述挤出装置中的所述喷嘴的排出，并且控制所述挤出装置以及/或者所述工作台装置的、相对于基准面的朝向X轴、Y轴、Z轴方向的移动，
所述挤出装置以及/或者所述工作台装置通过所述控制装置在X轴、Y轴、Z轴方向上受到位置控制而移动。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，
在所述螺杆的前端侧，设置有用于测定该螺杆的前端位置处的树脂压力的第一压力计，在所述齿轮泵的排出侧，设置有用于测定喷嘴内部的树脂压力的第二压力计，根据由所述第一压力计以及第二压力计测定出的树脂压力，通过所述控制装置控制树脂从所述喷嘴的排出。
3.根据权利要求1或2所述的三维打印机，其特征在于，
在所述喷嘴设置有用于控制所述喷嘴内部的压力的压力控制装置，能够利用所述压力控制装置改变所述喷嘴的内部空间的容积。
4.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于，
所述压力控制装置包括能够沿相对于所述喷嘴的轴向垂直的方向前后移动的活塞构件，通过利用所述压力控制装置控制该活塞构件的移动，由此改变所述喷嘴的内部空间的容积。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维打印机，其特征在于，
所述挤出装置安装有通过所述控制装置控制朝向X轴以及Y轴方向的移动的XY定位装置，所述工作台装置是通过所述控制装置控制朝向Z轴方向的移动的Z工作台装置。
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