JP2015096315A - 三次元造形ヘッド、及び三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性樹脂の溶融領域の温度に対する、外部環境の影響を抑制する。【解決手段】三次元造形ヘッド２０は、断熱部材３０と、発光部３４と、筒状部材３６と、吸光部材３８と、を備える。断熱部材３０は、光を反射する湾曲した壁面３３を有する密閉空間３２を内部に備える。発光部３４は、少なくとも光出射面Ｆが密閉空間３２内に設けられ、光を出射する。筒状部材３６は、密閉空間３２を介して断熱部材３０を貫通するように配置され、熱可塑性樹脂１８を射出する第１方向Ｄ１に長い筒状部材である。吸光部材３８は、光を吸収する。吸光部材３８は、密閉空間３２内において筒状部材３６の少なくとも一部に接して設けられている。また、吸光部材３８は、密閉空間３２内における発光部３４から出射した光の少なくとも一部が壁面３３で反射して集光する集光位置Ｏを含む領域に設けられている。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、三次元造形ヘッド、及び三次元造形装置に関する。

熱溶融積層型の三次元造形装置が知られている。熱溶融積層型の三次元造形装置では、熱可塑性樹脂を溶融させながらノズルから射出し、積層させることで、三次元の造形物を作成する。また、熱可塑性樹脂の射出時には、ノズルを備えたヘッド部を移動させながら熱可塑性樹脂を射出する。融点の異なる複数種類の熱可塑性樹脂を、各熱可塑性樹脂に対応して設けた流管及びノズルを介して射出する三次元造形装置も開示されている。

融点の異なる複数種類の熱可塑性樹脂を射出する場合、各熱可塑性樹脂が各熱可塑性樹脂の融点以上の温度となるように、個別に温度制御する必要がある。このため、各熱可塑性樹脂をノズルに供給する管毎に、加熱ロッドを設けた構成が開示されている。そして、各加熱ロッドを対応する熱可塑性樹脂の融点以上に加熱することで、対応する熱可塑性樹脂を溶融させている。

米国特許第６９９８０８７号明細書

しかし、従来では、熱可塑性樹脂を溶融させる溶融領域の温度が、外部環境の影響を受けやすい、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱可塑性樹脂の溶融領域の温度に対する、外部環境の影響を抑制することが出来る、三次元造形ヘッド、及び三次元造形装置を提供することを目的とする。

実施形態の三次元造形ヘッドは、断熱部材と、発光部と、筒状部材と、吸光部材と、を備える。断熱部材は、光を反射する湾曲した壁面を有する密閉空間を内部に備える。発光部は、少なくとも光出射面が密閉空間内に設けられ、光を出射する。筒状部材は、密閉空間を介して断熱部材を貫通するように配置され、熱可塑性樹脂を射出する第１方向に長い筒状部材である。吸光部材は、密閉空間内において筒状部材の少なくとも一部に接して設けられると共に、密閉空間内における発光部から出射した光の少なくとも一部が壁面で反射して集光する集光位置を含む領域に設けられ、光を吸収する。

三次元造形装置を示す図。 ストロークの説明図。 三次元造形ヘッドの斜視図。 三次元造形ヘッドのＡ−Ａ’断面図。 密閉空間の断面形状の説明図。 三次元造形ヘッドを示す図。 三次元造形ヘッドを示す図。 三次元造形ヘッドを示す図。 ヘッド部を示す図。

以下に添付図面を参照して、本実施の形態の詳細を説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、三次元造形装置１０の一例を示す図である。

三次元造形装置１０は、三次元造形物２４を造形する。三次元造形装置１０は、熱溶融積層型の装置である。すなわち、三次元造形装置１０は、熱可塑性樹脂１８を溶融させて積層させることによって、三次元造形物２４を造形する。

三次元造形装置１０は、ヘッド部１２、造形台１４、制御部１９、及びカートリッジ１６を備える。

造形台１４は、三次元造形物２４の造形される台である。造形台１４は板状である。造形台１４は、図示を省略する駆動部によって、重力方向（図１中、Ｚ軸方向）に移動可能に支持されている。

ヘッド部１２は、造形台１４に対向配置されている。ヘッド部１２は、移動部（図示省略）によって支持されている。移動部は、造形台１４の面に沿ったＸＹ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向からなる平面）に沿って、ヘッド部１２をＸ軸方向またはＹ軸方向に移動させる。

ヘッド部１２は、複数の三次元造形ヘッド２０を備える。本実施の形態では、複数の三次元造形ヘッド２０として、三次元造形ヘッド２０Ａ及び三次元造形ヘッド２０Ｂを備える。

なお、ヘッド部１２は、１または複数の三次元造形ヘッド２０を備えた構成であればよく、２つの三次元造形ヘッド２０を備えた構成に限定されない。また、本実施の形態では、三次元造形ヘッド２０Ａ及び三次元造形ヘッド２０Ｂを総称する場合には、単に、三次元造形ヘッド２０と称して説明する。

三次元造形ヘッド２０は、熱可塑性樹脂１８を溶融させながらノズル２２から射出し、造形台１４上に積層させる。

熱可塑性樹脂１８は、融点以上に加熱されることで溶融する樹脂である。本実施の形態では、三次元造形装置１０は、融点の異なる複数種類の熱可塑性樹脂１８を三次元造形物２４の造形に用いる。なお、三次元造形装置１０は、同じ融点の１種類の熱可塑性樹脂１８を三次元造形物２４の造形に用いてもよい。また、三次元造形装置１０は、各種類の熱可塑性樹脂１８について、複数の熱可塑性樹脂１８を三次元造形物２４の造形に用いてもよい。

本実施の形態では、三次元造形装置１０は、複数種類の熱可塑性樹脂１８として、熱可塑性樹脂１８Ａ及び熱可塑性樹脂１８Ｂを用いる。なお、熱可塑性樹脂１８Ａ及び熱可塑性樹脂１８Ｂを総称する場合には、単に、熱可塑性樹脂１８と称して説明する。

熱可塑性樹脂１８は、融点未満の固化（結晶化）した状態でフィラメント状に予め成型されている。カートリッジ１６は、フィラメント状に成型された熱可塑性樹脂１８を円柱状部材（図示省略）に巻きつけて保持する。

本実施の形態では、カートリッジ１６は、カートリッジ１６Ａと、カートリッジ１６Ｂと、を備える。カートリッジ１６Ａは、フィラメント状に成型された熱可塑性樹脂１８Ａを、円柱状部材（図示省略）に巻きつけて保持する。カートリッジ１６Ｂは、フィラメント状に成型された熱可塑性樹脂１８Ｂを、円柱状部材（図示省略）に巻きつけて保持する。

カートリッジ１６Ａに保持された熱可塑性樹脂１８Ａは、三次元造形ヘッド２０Ａに供給される。三次元造形ヘッド２０Ａは、熱可塑性樹脂１８Ａを該熱可塑性樹脂１８Ａの融点以上に加熱することで溶融し、ノズル２２Ａから造形台１４に向かって射出する。

カートリッジ１６Ｂに保持された熱可塑性樹脂１８Ｂは、三次元造形ヘッド２０Ｂに供給される。三次元造形ヘッド２０Ｂは、熱可塑性樹脂１８Ｂを該熱可塑性樹脂１８Ｂの融点以上に加熱することで溶融し、ノズル２２Ｂから造形台１４に向かって射出する。

制御部１９は、三次元造形装置１０全体を制御する。制御部１９は、三次元造形ヘッド２０及び造形台１４を駆動する駆動部（図示省略）に電気的に接続されている。制御部１９は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を含む。

三次元造形装置１０の制御部１９は、成型対象の三次元造形物２４の形状等を示す立体情報を、図示を省略する記憶部から読取る。なお、この立体情報は、図示を省略する入力部から入力されてもよい。また、この立体情報は、図示を省略する通信部を介して外部装置から受信してもよい。

制御部１９は、各三次元造形ヘッド２０による熱可塑性樹脂１８の加熱温度を、各三次元造形ヘッド２０に供給された熱可塑性樹脂１８の融点以上となるように制御する。各三次元造形ヘッド２０における、熱可塑性樹脂１８を溶融させる溶融領域には、温度検知センサ（図示省略）が設けられている。制御部１９は、温度検知センサから温度検知結果を受信し、溶融領域が、対応する熱可塑性樹脂１８の融点以上となるように、制御する（詳細後述）。

そして、制御部１９は、溶融した熱可塑性樹脂１８をノズル２２から射出させる。このとき、制御部１９は、各熱可塑性樹脂１８を吐出するノズル２２の位置、及び立体情報に応じて、ヘッド部１２をＸ軸方向またはＹ軸方向に移動させる。また、このとき、制御部１９は、造形台１４に積層された熱可塑性樹脂１８の高さや立体情報等に応じて、造形台１４をＺ軸方向に移動させるように移動部（図示省略）を制御する。これによって、造形台１４上には、立体情報に対応する、三次元造形物２４が製造される。

ここで、上述したように、熱可塑性樹脂１８は、各熱可塑性樹脂１８の融点以上に加熱することで溶融される。このため、三次元造形装置１０では、融点の異なる複数種類の熱可塑性樹脂１８の各々を、各熱可塑性樹脂１８の融点以上の温度となるように、個別に温度制御する必要がある。

従来では、熱可塑性樹脂１８を加熱するための加熱ロッドを熱可塑性樹脂１８毎に配置し、各加熱ロッドを対応する熱可塑性樹脂の融点以上に加熱することで、対応する熱可塑性樹脂を溶融させていた。このため、熱可塑性樹脂を溶融させる溶融領域が、外部環境の温度影響を受けやすい、という問題があった。

また、従来では、溶融領域に対する外部環境の温度影響を抑制するために、ノズル２２間の距離を、互いの温度の影響を受けない程度に離間させて配置する必要があった。このため、ノズル２２間の距離であるストロークＳを大きくとる必要もあった。具体的には、従来では、３０ｍｍ以上のストロークＳが必要であった。

図２は、ストロークＳの説明図である。ノズル２２Ａとノズル２２ＢとのストロークＳが大きくなるほど、外部環境による各ノズルの温度への影響が抑制される。しかし、熱可塑性樹脂１８Ａ及び熱可塑性樹脂１８Ｂの各々を、造形台１４（図１参照）上の目的とする領域に押出すためには、ストロークＳが大きくなるほどヘッド部１２（図１参照）のＸ軸方向またはＹ軸方向への移動幅が大きくなる。このため、従来では、三次元造形物２４の造形時間がかかる、という問題もあった。

そこで、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０は、特有な構成を有する。図３は、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０の斜視図である。図４は、図３における三次元造形ヘッド２０のＡ−Ａ’断面図である。

三次元造形ヘッド２０は、断熱部材３０、発光部３４、筒状部材３６、ノズル２２、及び吸光部材３８を有する。

断熱部材３０は、断熱性及び耐熱性を有する材料から構成されている。断熱部材３０は、例えば、三次元造形装置１０が三次元造形物２４の造形に用いる熱可塑性樹脂１８の融点より高い融点を有し、且つ断熱性及び耐熱性を有する材料で構成される。具体的には、断熱部材３０の構成材料は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン，ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）樹脂であるが、これに限られない。

断熱部材３０は、内部に密閉空間３２を有する。密閉空間３２は、密閉された空間であればよく、内部に空気が充填されていてもよいし、真空であってもよい。なお、断熱部材３０は、内部に密閉空間３２を有することの可能な大きさ及び形状であればよい。ただし、密閉空間はかならずしも完全に密閉されている必要はなく、外部へ通じる孔などが設けられていてもよい。

密閉空間３２は、光を反射する湾曲した壁面３３を有する。壁面３３は、全領域が湾曲していてもよいし、一部の領域が湾曲していてもよい。壁面３３における湾曲した領域は、発光部３４から出射した光の少なくとも一部を、後述する集光位置Ｏに集光させる程度の湾曲率であればよい。

密閉空間３２の壁面３３は、発光部３４から出射された光を反射する。壁面３３は、発光部３４から出射された光を反射する構成であればよいが、光を正反射する構成であることが好ましい。壁面３３が光を正反射する構成であると、発光部３４から出射した光の集光位置Ｏへの集光率が高くなる。つまり、壁面３３による反射には、正反射成分が多く、拡散反射成分が少ないほうが好ましい。

壁面３３は、例えば、断熱部材３０における密閉空間３２に接する面を、光を反射可能な程度に研磨することで構成する。また、壁面３３は、断熱部材３０における密閉空間３２に接する面にアルミニウム等の金属を蒸着させることで構成してもよい。また、壁面３３は、断熱部材３０における密閉空間３２に接する面に白色塗装を行うことで形成した光沢面であってもよい。

密閉空間３２の形状は、上記湾曲した壁面３３を有する構成であれば、特に限定されない。密閉空間３２の形状は、例えば、上記湾曲率を満たす湾曲辺を有する平面図形を、該平面図形と交差する直線を回転軸として回転させた回転体状である。

本実施の形態では、密閉空間３２の形状が、回転楕円体状である場合を説明する。

回転楕円体とは、楕円をその長軸または短軸を回転軸として回転させた回転体である。なお、密閉空間３２の形状は、楕円の長軸及び短軸の何れを回転軸として回転させた回転体であってもよい。密閉空間３２は、よりストロークＳを短くする観点から、楕円の長軸を回転軸として回転させた回転体であることが好ましい。

発光部３４は、光を出射する機器である。発光部３４は、少なくとも光出射面Ｆが密閉空間３２内に設けられている。発光部３４の具体例は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ハロゲンランプ等であるが、これらに限定されない。なお、三次元造形ヘッド２０の小型化、及びストロークＳをより短くする観点から、発光部３４には、ＬＥＤを用いることが好ましい。

発光部３４の大きさは限定されないが、ストロークＳをより小さくする観点から、より小型の発光部３４を用いることが好ましい。

発光部３４の光出射面Ｆは、回転楕円体状の密閉空間３２の２つの焦点の内、一方の第１焦点を含む位置に配置されている。詳細には、発光部３４の光出射面Ｆが第１焦点を含むように、発光部３４を配置する。密閉空間３２が回転楕円体状である場合、他方の第２焦点は、集光位置Ｏに一致する。なお、発光部３４の光出射面Ｆの中心が、第１焦点と一致するように、発光部３４を配置することが好ましい。

すなわち、密閉空間３２の形状が回転楕円体状である場合、第１焦点に発光部３４を配置することで、発光部３４から出射された光のうち、壁面３３で反射された全ての光Ｒが集光位置Ｏへ集光される（図４参照）。このため、密閉空間３２の形状が回転楕円体状であると、集光位置Ｏへの集光率を向上させることが出来る。

回転楕円体状の密閉空間３２の形状は、下記条件を満たすことが好ましい。

図５は、回転楕円体状の密閉空間３２における、第２軸Ａ２を含む断面形状の説明図である。第２方向Ｄ２は、第２軸Ａ２に沿った方向である。第２軸Ａ２は、密閉空間３２における第１焦点と第２焦点を結ぶ直線である。すなわち、回転楕円体状の密閉空間３２は、第２軸Ａ２を回転軸として回転させた回転体状である。

なお、第２軸Ａ２は、発光部３４の光出射面Ｆの中心と、集光位置Ｏと、を結ぶ直線と一致する。また、本実施の形態では、密閉空間３２が回転楕円体であることから、第２軸Ａ２は、回転楕円体の密閉空間３２の長軸または短軸と一致する。

密閉空間３２の、第１焦点と第２焦点とを結ぶ第２軸Ａ２を含む断面形状（第２方向Ｄ２の断面形状）は、下記式（１）及び式（２）で表される。

式（１）中、ｘは、集光位置Ｏである第２焦点を原点とした、第２方向Ｄ２に直交する直交方向の位置座標を表す。式（２）中、ｙは、第２焦点である集光位置Ｏを原点とした、第２方向Ｄ２の位置座標を表す。式（１）及び式（２）中、Ｃは、定数である。式（１）及び式（２）中、θは、媒介変数であり、０以上２π未満である。

上記式（１）及び式（２）によって表される形状は、楕円である。なお、式（１）及び式（２）中、αは、発光部３４における光出射面Ｆの設置位置である第１焦点Ｐのｙ座標を示す。すなわち、αは、原点である集光位置Ｏから第１焦点Ｐまでの最短距離を表す。

上記式（１）及び式（２）中、Ｃは、下記式（３）または式（４）を満たすことが好ましい。

式（３）及び式（４）中、Ｌは、発光部３４を光出射面Ｆの中心Ｐを通るように第２方向Ｄ２に切断した切断面における、該光出射面Ｆに連続する辺の長さを表す（図５中、Ｌ参照）。

式（１）及び式（２）中のＣが、式（３）の関係を満たす場合、発光部３４の光出射面Ｆを、第１焦点Ｐを含む位置に配置すると共に、壁面３３と干渉しないように配置することが出来る。

また、式（１）及び式（２）中のＣが、式（４）の関係を満たす場合、密閉空間３２の、第２方向Ｄ２に直交する直交方向の長さを最小にすることが出来る。このため、密閉空間３２をコンパクトにすることが出来る。

図３及び図４に戻り、筒状部材３６は、熱可塑性樹脂１８をノズル２２から射出する。筒状部材３６は、第１方向Ｄ１に長い筒状の部材である。筒状部材３６には、第１方向Ｄ１の一端部から他端部に渡って連通した貫通孔が設けられている。このため、筒状部材３６は、筒状となっている。

筒状部材３６の第１方向Ｄ１の一端部には、ノズル２２が設けられている。筒状部材３６の第１方向Ｄ１の他端部には、フィラメント状に形成された熱可塑性樹脂１８がカートリッジ１６（図３及び図４では図示省略、図１参照）から供給される。筒状部材３６は、カートリッジ１６から供給された熱可塑性樹脂１８を溶融し、ノズル２２から射出する。

筒状部材３６は、密閉空間３２を介して断熱部材３０を貫通するように配置されている。筒状部材３６は、内部を通す熱可塑性樹脂１８の融点以上の融点の材料で構成されていればよい。筒状部材３６は、例えば、黄銅（ｂｒａｓｓ）で構成する。なお、筒状部材３６の構成材料は、黄銅に限定されない。

筒状部材３６の内径（貫通孔の直径）は、熱可塑性樹脂１８の直径等に応じて適宜調整すればよい。筒状部材３６の内径は、例えば、１．５ｍｍである。また、筒状部材３６の第１方向Ｄ１の長さは、例えば、２０ｍｍである。また、ノズル２２の内径は、例えば、０．３５ｍｍである。なお、これらの大きさは、一例であり、これらの数値に限定されない。

吸光部材３８は、光を吸収する部材である。吸光部材３８は、密閉空間３２において、筒状部材３６の少なくとも一部に接して設けられている。筒状部材３６における、吸光部材３８の設けられた領域が、熱可塑性樹脂１８を溶融させる溶融領域である。

吸光部材３８は、密閉空間３２内における、発光部３４から出射した光が発光部３４で反射して集光する集光位置Ｏを含む領域に設けられている。

吸光部材３８は、集光位置Ｏを含む領域に設けられ、筒状部材３６の少なくとも一部に接して設けられていればよく、吸光部材３８の形状は限定されない。例えば、吸光部材３８は、筒状部材３６の外周を周方向に覆う筒状である。また、吸光部材３８は、集光位置Ｏを含む領域に設けられ、筒状部材３６の少なくとも一部に接して設けられていればよく、吸光部材３８の占める領域は限定されない。

なお、吸光部材３８は、集光位置Ｏから、筒状部材３６における熱可塑性樹脂１８の射出方向（ノズル２２側）の端部に至る領域に設けられていることが好ましい。吸光部材３８を、この領域に設けると、吸光部材３８によって効率よく熱可塑性樹脂１８に熱を加えることが出来る。

本実施の形態では、吸光部材３８は、筒状部材３６の第１方向Ｄ１のノズル２２側端部と、集光位置Ｏと、を含む領域を、筒状部材３６の周方向に覆う筒状である場合を説明する。

吸光部材３８は、発光部３４から出射した光を吸収する材料から構成されている。吸光部材３８は、例えば、筒状部材３６における上記条件を満たす位置を、黒色塗装することで形成される。また、吸光部材３８として、光吸収性の高い材料を、筒状部材３６における上記条件を満たす位置に塗布または取り付けることで形成してもよい。光吸収性の高い材料としては、例えば、表面をアルマイト処理したアルミが挙げられるが、これに限定されない。

図５に示すように、筒状部材３６は、集光位置Ｏを原点として、第２軸Ａ２に沿った第２方向Ｄ２と、筒状部材３６の長尺方向である第１方向Ｄ１と、の成す角度βが、０°より大きくなるように配置されていることが好ましい。

角度βが大きいほど、筒状部材３６の外周面の一部と、発光部３４の設置位置と、が重ならないように、発光部３４及び筒状部材３６を配置することが出来る。また、光出射面Ｆの大きい発光部３４を採用するほど、角度βが大きくなるように、筒状部材３６及び発光部３４の配置を調整すればよい。

次に、三次元造形ヘッド２０の機能を、図４を用いて説明する。

図４に示すように、発光部３４から出射した光Ｒは、密閉空間３２の壁面３３で反射され、集光位置Ｏに集光する。集光位置Ｏには、吸光部材３８が設けられている。このため、集光位置Ｏに集光した光は、吸光部材３８に吸収される。これにより、吸光部材３８における集光位置Ｏでは、吸収した光のエネルギーに相当する熱が発生し、温度が上昇する。

吸光部材３８は、密閉空間３２内において筒状部材３６の少なくとも一部に接するように設けられている。このため、吸光部材３８で発生した熱は、筒状部材３６に伝熱し、筒状部材３６の吸光部材３８に接する領域（溶融領域）が、加熱される。

すなわち、制御部１９（図１参照）が、集光位置Ｏの温度が目的とする熱可塑性樹脂１８の融点以上の目標温度となるように、発光部３４の発光エネルギーを調整する。発光エネルギーの調整は、発光部３４に印加する電力量や発光部３４の点灯率等を調整する等の公知の方法で行う。発光部３４の発光エネルギーの調整により、吸光部材３８は、該目標温度に発熱する。

例えば、筒状部材３６の内径を１．５ｍｍとし、筒状部材３６の第１方向Ｄ１の長さを、２０ｍｍとする。そして、発光部３４として、光出射面Ｆが４ｍｍ×５ｍｍの大きさのハロゲンランプを用いる。この場合、発光部３４に８Ｗの電力を与えると、吸光部材３８は、約２００℃となった。

筒状部材３６内に供給された熱可塑性樹脂１８は、筒状部材３６における吸光部材３８の設けられた領域（溶融領域）に達すると、該熱可塑性樹脂１８の融点以上の目標温度に加熱される。これによって、熱可塑性樹脂１８が溶融し、ノズル２２から射出される。

ここで、集光位置Ｏは、密閉空間３２内に位置している。密閉空間３２は、密閉された空間であることから、断熱性が高い。このため、集光位置Ｏを含む位置に設けられた吸光部材３８の温度は、断熱部材３０の外側の環境温度の影響を受け難い。

以上説明したように、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０は、密閉空間３２の設けられた断熱部材３０と、筒状部材３６と、吸光部材３８と、発光部３４と、を備える。密閉空間３２は、光を反射する湾曲した壁面３３を有する。発光部３４は、少なくとも光出射面Ｆが密閉空間３２に設けられ、光を出射する。筒状部材３６は、密閉空間３２を介して断熱部材３０を貫通するように配置されている。また、筒状部材３６は、熱可塑性樹脂１８を射出する第１方向Ｄ１方向に長い筒状の部材である。吸光部材３８は、密閉空間３２において筒状部材３６の少なくとも一部に接して設けられている。また、吸光部材３８は、密閉空間３２内における発光部３４から出射した光が壁面３３で反射して集光する集光位置Ｏを含む領域に設けられている。密閉空間３２は、断熱部材３０によって密閉された空間であることから、断熱の役割を果たす。また、密閉空間３２は、壁面３３によって、光を集光位置Ｏへ集光させる集光の役割も果たす。

このように、三次元造形ヘッド２０は、断熱部材３０に設けた密閉空間３２内に、発光部３４の光出射面Ｆを配置し、発光部３４から出射した光を密閉空間３２の壁面３３で反射させる。そして、吸光部材３８を、密閉空間３２における、この光の集光位置Ｏを含む領域に配置すると共に、熱可塑性樹脂１８を射出する筒状部材３６の少なくとも一部に接して配置する。

以上で述べたように、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０では、集光位置Ｏを含む位置に設けられた吸光部材３８の温度が、断熱部材３０の外側の環境温度の影響を受け難い構成である。

従って、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０は、熱可塑性樹脂１８の溶融領域に対する、外部環境の温度影響を抑制することが出来る。

また、熱可塑性樹脂１８の溶融領域が外部環境の温度影響を受けにくいことから、三次元造形ヘッド２０では、吸光部材３８を該熱可塑性樹脂１８の融点以上の温度に精度良く制御することが出来る。

また、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０は、溶融領域に対する外部環境の温度影響を受けにくいことから、隣接するノズル２２間の距離であるストロークＳを従来に比べて短くすることが出来る。

具体的には、従来では、ストロークＳを約３０ｍｍ以上としなければ、外部環境の温度影響を抑制することは出来なかった。一方、本実施の形態の三次元造形ヘッド２０では、ストロークＳを約６ｍｍとした場合であっても、溶融領域に対する外部環境の温度影響を抑制することを確認することができた。

このため、上記構成の三次元造形ヘッド２０を複数配列させたヘッド部１２Ａ（図１参照）は、各三次元造形ヘッド２０における外部環境の温度影響を抑制しつつ、且つ、隣接するノズル２２間のストロークＳを従来に比べて短くすることが出来る。

また、このようなヘッド部１２Ａを備えた三次元造形装置１０（図１参照）は、各三次元造形ヘッド２０のノズル２２間のストロークＳを従来に比べて短くすることが出来る。このため、本実施の形態の三次元造形装置１０は、ヘッド部１２（図１参照）のＸ軸方向またはＹ軸方向への移動幅を従来に比べて小さくすることが出来る。

従って、本実施の形態の三次元造形装置１０は、熱可塑性樹脂１８の溶融領域に対する、外部環境の温度影響を抑制することが出来ると共に、三次元造形物２４の造形性時間の短縮を図ることが出来る。

＜実施の形態２＞
なお、上記実施の形態では、発光部３４と筒状部材３６は、集光位置Ｏを原点とした第２方向Ｄ２と第１方向Ｄ１との成す角度βが、０°より大きくなるように配置されている場合を説明した。

本実施の形態では、発光部３４と筒状部材３６を、集光位置Ｏを原点とした第２方向Ｄ２と第１方向Ｄ１との成す角度βが、０°となるように配置する。

図６は、本実施の形態における、三次元造形ヘッド２１Ａを示す模式図である。

三次元造形ヘッド２１Ａは、角度βが０°となるように、吸光部材３８と筒状部材３６とを配置した以外は、実施の形態１の三次元造形ヘッド２０と同様の構成である。

なお、本実施の形態では、発光部３４は、筒状部材３６を覆う円環状に構成されている。そして、この発光部３４の光出射面Ｆで作られる円環内部に、第１焦点Ｐを含むように配置する。

例えば、発光部３４を、複数のＬＥＤで構成し、これらの複数のＬＥＤを筒状部材３６の周方向に配列させる。これによって、発光部３４を円環状に構成する。また、この場合、複数のＬＥＤを筒状部材３６の周方向に配列させることで形成された円環の中心位置（筒状部材３６の内部に相当）が、第１焦点Ｐと一致するように配置する。

また、本実施の形態では、発光部３４は、筒状部材３６に熱的に接合されている。具体的には、発光部３４は、筒状部材３６における発光部３４に接する接合領域において、筒状部材３６に熱的に接合されている。なお、筒状部材３６におけるこの接合領域には、耐熱材料による層を形成してもよい。接合領域に耐熱材料による層を形成することで、熱抵抗が低減される。耐熱材料には、例えば、耐熱グリースを用いる。

以上説明したように、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ａは、発光部３４と筒状部材３６を、集光位置０を原点とした第２方向Ｄ２と第１方向Ｄ１との成す角度βが０°となるように配置する。

このため、三次元造形ヘッド２１Ａにおける、第２軸Ａ２に交差する方向の長さを、実施の形態１に比べて短くすることが出来る。

従って、三次元造形ヘッド２１Ａは、実施の形態１の効果に加えて、更に、三次元造形ヘッド２１Ａの小型化を図ることが出来る。

また、実施の形態１の三次元造形ヘッド２０に代えて、三次元造形ヘッド２１Ａを設けることで、三次元造形装置１０（図１参照）のヘッド部１２の小型化を図ることが出来る。

また、発光部３４は、筒状部材３６に熱的に接続されている。このため、発光部３４からの放熱を容易に行うことが出来る。また、三次元造形ヘッド２１Ａでは、発光部３４から吸光部材３８に向かって、筒状部材３６に沿って発光部３４による熱エネルギーが伝熱する。このため、筒状部材３６における、吸光部材３８の設けられた領域の温度上昇をアシストすることが出来る。

また、実施の形態１の三次元造形ヘッド２０に代えて、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ａを備えた三次元造形装置１０（図１参照）についても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

＜実施の形態３＞
上記実施の形態では、密閉空間３２の形状が、回転楕円体形状である場合を説明した。しかし、上述したように、密閉空間３２の形状は、発光部３４から出射した光の少なくとも一部を集光位置Ｏに集光させる程度の湾曲率を有する壁面３３を有する形状であればよく、回転楕円体状に限定されない。

図７は、本実施の形態における、三次元造形ヘッド２１Ｂを示す模式図である。なお、図７は、三次元造形ヘッド２１Ｂを、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２を含む面で取った断面である。図７に示すように、三次元造形ヘッド２１Ｂの密閉空間３２Ａの断面は、第２軸Ａ２を中心に、湾曲辺３３Ａと、湾曲辺３３Ｂと、からなる形状である。湾曲辺３３Ａと湾曲辺３３Ｂとは、湾曲率が異なる。

なお、三次元造形ヘッド２１Ｂは、実施の形態１における密閉空間３２に代えて、密閉空間３２とは断面形状が異なる密閉空間３２Ａを備えた以外は、実施の形態１と同様の構成である。

三次元造形ヘッド２１Ｂについても、実施の形態１と同様に、発光部３４から出射した光Ｒの少なくとも一部は、密閉空間３２Ａの壁面３３で反射され、集光位置Ｏに集光する。集光位置Ｏには、吸光部材３８が設けられている。このため、集光位置Ｏに集光した光は、吸光部材３８に吸収される。これにより、吸光部材３８における集光位置Ｏでは、吸収した光のエネルギーに相当する熱が発生し、温度が上昇する。

従って、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｂにおいても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、実施の形態１の三次元造形ヘッド２０に代えて、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｂを備えた三次元造形装置１０（図１参照）についても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

＜実施の形態４＞
本実施の形態では、発光部３４が光ファイバに接続されている。

図８は、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃを示す図である。三次元造形ヘッド２１Ｃは、実施の形態１の三次元造形ヘッド２０に加えて更に、光ファイバ３７を備える。

光ファイバ３７は、光ファイバ３７の長尺方向の一端部を、発光部３４の光出射面Ｆとしている。このため、本実施の形態では、三次元造形ヘッド２１Ｃは、発光部３４を密閉空間３２の外部に配置することが出来る。

従って、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃを、筒状部材３６の第１方向Ｄ１に交差する交差方向に向かって複数配列した場合、上記実施の形態に比べて、ストロークＳを更に小さくすることがでる。

図９は、ヘッド部１２Ｃを示す図である。本実施の形態のヘッド部１２Ｃは、複数の三次元造形ヘッド２１Ｃを、各三次元造形ヘッド２１Ｃにおける筒状部材３６の第１方向Ｄ１に交差する交差方向に向かって複数配列してなる。

ヘッド部１２Ｃに設けられた各三次元造形ヘッド２１Ｃは、光ファイバ３７を備え、光ファイバ３７の長尺方向の一端部を、発光部３４の光出射面Ｆとしている（図９では図示省略）。光ファイバ３７の直径は、約１μｍ程度である。

このため、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃは、上記実施の形態に比べて更に、ストロークＳを小さくすることが出来る。具体的には、光ファイバ３７の直径に相当する約１μｍ程度にまで、ストロークＳを小さくすることが出来る。

従って、実施の形態１の三次元造形ヘッド２０に代えて、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃを搭載することで、三次元造形装置１０（図１参照）は、上記実施の形態に比べて更に、造形時間の更なる短縮を図ることが出来る。

また、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃは、上記実施の形態に比べて、高精細な成型を実現することが出来る。

また、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃは、発光部３４を三次元造形ヘッド２１Ｃの外部に設置することが出来る。従って、三次元造形ヘッド２１Ｃの更なる小型化を図ることが出来る。

また、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃは、単位面積当たりに配列可能な三次元造形ヘッド２１Ｃの数を、上記実施の形態に比べて増やすことが出来る。このため、本実施の形態の三次元造形ヘッド２１Ｃは、上記実施の形態に比べて更に、高精細で且つ多色の熱可塑性樹脂１８を用いた成型を実現することが出来る。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 三次元造形装置
１８、１８Ａ、１８Ｂ 熱可塑性樹脂
２０、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ 三次元造形ヘッド
３０ 断熱部材
３２ 密閉空間
３３ 壁面
３４ 発光部
３６ 筒状部材
３８ 吸光部材

Claims (14)

1. 光を反射する湾曲した壁面を有する密閉空間を内部に備えた断熱部材と、
   少なくとも光出射面が前記密閉空間内に設けられ、光を出射する発光部と、
   前記密閉空間を介して前記断熱部材を貫通するように配置され、熱可塑性樹脂を射出する第１方向に長い筒状部材と、
   前記密閉空間内において前記筒状部材の少なくとも一部に接して設けられると共に、前記密閉空間内における前記発光部から出射した光の少なくとも一部が前記壁面で反射して集光する集光位置を含む領域に設けられ、光を吸収する吸光部材と、
   を備えた三次元造形ヘッド。
2. 前記密閉空間は、湾曲辺を有する平面図形を、該平面図形と交差する直線を回転軸として回転させた回転体状である、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
3. 前記密閉空間は、回転楕円体状である、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
4. 前記集光位置を原点とした、前記第１方向と、前記光出射面の中心と前記集光位置とを結ぶ第２軸に沿った第２方向と、の成す角度は、０°より大きい、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
5. 前記集光位置を原点とした、前記第１方向と、前記発光部の光出射面の中心と前記集光位置とを結ぶ第２軸に沿った第２方向と、の成す角度は、０°である、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
6. 前記発光部は、前記筒状部材に熱的に接続されている、請求項５に記載の三次元造形ヘッド。
7. 前記発光部は、回転楕円体状の前記密閉空間における一方の第１焦点に設けられ、
   前記吸光部材は、該密閉空間における他方の第２焦点としての前記集光位置に設けられた、
   請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
8. 回転楕円体状の前記密閉空間における、前記第１焦点と前記第２焦点とを結ぶ第２軸を含む断面形状は、下記式（１）及び式（２）で表される、請求項７に記載の三次元造形ヘッド。
   

   

   〔式（１）中、ｘは、前記第２焦点を原点とした前記第２方向に直交する直交方向の位置座標を表す。式（２）中、ｙは、前記第２焦点を原点とした前記第２方向の位置座標を表す。式（１）及び式（２）中、Ｃは定数である。式（１）及び式（２）中、θは、媒介変数であり、０以上２π未満である。式（１）及び式（２）中、αは、前記原点から前記第１焦点までの最短距離を表す。〕
9. 前記式（１）中、Ｃは、下記式（３）または式（４）の関係を満たす、請求項８に記載の三次元造形ヘッド。
   

   

   〔式（３）及び式（４）中、Ｌは、前記発光部を前記光出射面の中心を通る前記第２方向に切断した切断面における、該光出射面に連続する辺の長さを表す。〕
10. 前記壁面は、光を正反射する、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
11. 前記吸光部材は、前記集光位置から前記筒状部材における前記熱可塑性樹脂の射出方向の端部に至る領域に設けられている、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
12. 長尺方向の一端部を前記光出射面とした光ファイバを備えた、請求項１に記載の三次元造形ヘッド。
13. 請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載の前記三次元造形ヘッドを備えた三次元造形装置。
14. 前記三次元造形ヘッドを、前記第１方向に対して交差する方向に複数配列した請求項１３に記載の三次元造形装置。

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