JP2016124252A - 立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形精度を向上させることができる立体造形装置を提供する。【解決手段】立体造形装置において、ヒータ９１、押出ノズル８１を配置した基台４７に固定され押出駆動モータが取り付けられる取付ブラケット１０１と、モータ駆動軸に固定される送出ローラ９７と、押圧リンク軸１０７を介して取付ブラケット１０１に回転自在に支持され挟持ローラ９９が支持される押圧リンクアーム１０９と、レバー軸１１１を介して取付ブラケット１０１に回転自在に支持され把持部１１５を有するレバーリンクアーム１１３と、押圧リンクアーム１０９の押圧アームバネ係止軸１１９とレバーリンクアーム１１３のレバーアームバネ係止軸１２１とに張架されレバーリンクアーム１１３が回転されることで挟持ローラ９９を送出ローラ９７に向かって付勢し送出ローラ９７とでフィラメント８３を挟持状態に保持または保持解除する引張バネ１１７と、を設けた。【選択図】 図７

Description

本発明は、立体造形装置に関する。

所望のパターンにより基材上で溶融状態の材料を凝固させて多数の層を順次堆積する方法、所謂熱溶解積層法によって所定の形状の三次元物理的物体を作る装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この種の熱溶解積層法による立体造形装置は、樹脂製のフィラメントを送出ローラで押しながら、造形ヘッド内のヒータで軟化させて押出ノズルから押し出し、造形テーブルに押し付けるようにして積層する。より具体的には、非特許文献１，２に開示される立体造形装置のように、造形の材料として、直径約１．７５ｍｍの細いワイヤー状の樹脂、所謂フィラメントを用い、これを金属製の送出ローラと挟持ローラとによって挟みながら押し出す。送出ローラと挟持ローラとは、同時にスプールからフィラメントを引っ張る。押し出されるフィラメントは、ヒータによって溶かされ、加熱されたビルトプレート上に押出ノズルを介して押し出されて積層されて行く。この際、溶解されて押出ノズルから吐出されるフィラメントは、造形時にファンによって冷却される。ビルトプレート上に積層される樹脂は、押出ノズルの設けられた造形ヘッドが、Ｘ軸レール、Ｙ軸レールに沿ってＸＹ方向に移動される。これと同時に、ビルトプレートがＸＹ方向に直交するＺ方向に下げられて行くことで、多数の層を順次堆積した所望形状の造形物が得られて行く。

特公平８−２５９８号公報

パーソナル３ＤプリンターＭＦ−１０００［平成２６年１２月２４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mutoheng.com/￣drafter/device/MF1000.pdf ＞ ＭａｋｅｒＢｏｔ社デスクトップ３ＤプリンターＲｅｐｌｉｃａｔｏｒ２Ｘ［平成２６年１２月２４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nihonbinary.co.jp/Products/3DModeling/Makerbot/Replicator2X.html ＞

しかしながら、従来の立体造形装置は、送出ローラ及び挟持ローラが、双方とも金属製であり、フィラメントを挟みこんでいる。押出駆動モータ側の送出ローラに対して挟持ローラが近接方向に移動可能で、挟持ローラの位置を送出ローラの位置に対して決定して圧縮バネ或いはネジ締めによる調整などで、フィラメントを挟むように構成される。
また、これら金属製の送出ローラや挟持ローラは、外周面の滑りを減らす目的で、いずれか一方若しくは両方のローラの外周面に凹凸などを形成し歯車状としていた。しかしながら、この滑り止めのための凹凸形状、すなわち金属製の歯によってフィラメントを削ってしまい、削りかすが発生する場合があり、さらには、フィラメントを削ってしまうことでローラが空転してしまう虞もあった。

また、従来の立体造形装置は、押出ノズルから押し出され溶解したフィラメントがいつまでも高温のままでないように、ファンを設けて冷却を行っていた。しかし、このファンは、押出ノズルのみを冷却するのではなく、その周囲、すなわち押出ノズルに接続される造形ヘッドの周囲や、高温になることを避けたい部位などに向けて設けられ、冷却範囲を広域なものにしており、このことから、押出ノズルを出た溶解状態のフィラメントが、ファンの風の影響を受けることがあった。これによっても、造形物の精度が低下する虞があった。

さらに、従来の立体造形装置は、離間配置された２本のＹ軸レール間を押出部がＸ軸レールとともに移動するため、離れた２本のＹ軸レールの平行度が、押出ノズルの動きを左右していた。このため、２本のＹ軸レールに歪みが生じていたり、平行度が低下していたりすると、押出ノズルの移動位置に誤差が生じ、造形物の精度が低下する虞があった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、従来装置に比べ造形精度を向上させることができる立体造形装置を提供することにある。

次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
本発明の請求項１記載の立体造形装置１１は、フィラメント８３の押し出し方向に、ヒータ９１と押出ノズル８１を順次配置した基台４７と、
前記基台４７に固定され、押出駆動モータ１０３が取り付けられる取付ブラケット１０１と、
前記押出駆動モータ１０３のモータ駆動軸１０５に固定される送出ローラ９７と、
一端が押圧リンク軸１０７を介して前記取付ブラケット１０１に回転自在に支持され、中央部に、前記送出ローラ９７とで前記フィラメント８３を挟持可能な挟持ローラ９９が回転自在に支持される押圧リンクアーム１０９と、
一端がレバー軸１１１を介して前記取付ブラケット１０１に回転自在に支持され、他端が把持部１１５となるレバーリンクアーム１１３と、
前記押圧リンクアーム１０９の他端に設けられた押圧アームバネ係止軸１１９と前記レバーリンクアーム１１３の中央部に設けられたレバーアームバネ係止軸１２１とに張架され、前記押圧アームバネ係止軸１１９及び前記レバー軸１１１を通る中立線１２３を前記レバーアームバネ係止軸１２１が越えて前記レバーリンクアーム１１３が回転されることで、前記挟持ローラ９９を前記送出ローラ９７に向かって付勢し、前記送出ローラ９７とで前記フィラメント８３を挟持状態に保持または保持解除する引張バネ１１７と、
を具備することを特徴とする。

この立体造形装置１１では、押圧リンクアーム１０９の一端が押圧リンク軸１０７によって取付ブラケット１０１に回転自在に支持される。この押圧リンクアーム１０９は、中央部に挟持ローラ９９を有する。押圧リンクアーム１０９の他端は、押圧アームバネ係止軸１１９に張架された引張バネ１１７によって、挟持ローラ９９が送出ローラ９７に接近する方向に付勢される。従って、挟持ローラ９９は、てこの作用によって、小さな引張バネ１１７の付勢力を増幅させて、大きな挟持力で送出ローラ９７とによってフィラメント８３を挟むことができる。そして、レバーリンクアーム１１３は、てこの作用によって、把持部１１５への小さな力で、フィラメント８３の保持または保持解除が可能となる。レバーリンクアーム１１３は、中立線１２３すなわち付勢力の死点を若干越えたところで、引張バネ１１７によって保持状態とされるため、レバーリンクアーム１１３の逆方向となる保持解除方向へ逆転する恐れがなく、フィラメント８３の確実な保持及びその維持が可能となる。

本発明の請求項２記載の立体造形装置１１は、請求項１記載の立体造形装置１１であって、
前記送出ローラ９７及び前記挟持ローラ９９の少なくとも一方の円周方向の外周には弾性材料からなる弾性挟持面１２９が連続して設けられ、
前記弾性挟持面１２９には前記フィラメント８３の軸線に直交する断面形状がＶ字状となって内方で前記フィラメント８３の外周に２箇所で接するＶ溝１３１が円周方向に連続して形成されていることを特徴とする。

この立体造形装置１１では、ゴムや樹脂等の弾性材料からなる弾性挟持面１２９により、フィラメント８３との密着度が高まり、フィラメント８３のグリップ性が向上する。また、弾性挟持面１２９のＶ溝１３１によって、フィラメント８３の接触点が増え、フィラメント８３との摩擦力が増大する。これにより、フィラメント８３の送りが確実なものとなり、また、フィラメント８３に対する挟持ローラ９９や送出ローラ９７の空転が抑制される。

本発明の請求項３記載の立体造形装置１１は、請求項１または２記載の立体造形装置１１であって、
前記基台４７には、前記押出ノズル８１から押し出された直後の高温で溶解した前記フィラメント８３にエアを吹き付けて冷却するエアノズル１３３が設けられていることを特徴とする。

この立体造形装置１１では、押出ノズル８１から押し出された直後の高温で溶解したフィラメント８３が、エアノズル１３３から吹き出されるエアによってピンポイントで冷却される。エアノズル１３３は、押出ノズル８１を冷却することはなく、既に造形された固化状態の造形物に積層された押出直後のフィラメント８３を冷やし固めることができる。これにより、溶解状態のフィラメント８３の垂れ等を抑制でき、造形精度を向上させることができる。

本発明の請求項４記載の立体造形装置１１は、請求項１，２，３のいずれか１つに記載の立体造形装置１１であって、
装置フレーム１３には平行な一対のＹ軸レール１９のそれぞれの両端が固定され、
前記一対のＹ軸レール１９のそれぞれには連結ブロック２１が摺動自在に外挿され、
前記一対のＹ軸レール１９に直交方向のＸ軸レール２５の両端がＸ軸支持ベース２７に固定され、
一対の前記Ｘ軸支持ベース２７の少なくともいずれか一方が、Ｙ軸レール１９及びＸ軸レール２５に直交するＺ軸方向の回転ピン３１によって前記連結ブロック２１に回転自在に連結されていることを特徴とする。

この立体造形装置１１では、例えば装置製造時における誤差や、装置設置時に起きる誤差、或いは経時変化によるものなどの２本のＹ軸レール１９に歪みや、ズレがあったり、平行度が低下していたりしても、それによって生じる連結ブロック２１などの摺動機構部分の誤差が、回転ピン３１を中心とする連結ブロック２１の回転によって吸収される。これにより、連結ブロック２１は、Ｙ軸レール１９に対する摺動抵抗の増加が抑制され、Ｘ軸レール２５の移動がスムースとなる。

本発明に係る請求項１記載の立体造形装置によれば、送出ローラ及び挟持ローラによってフィラメントに対して適度な挟持力を付与し続けることができ、フィラメントの送りを確実にすることが可能となる。また、フィラメントが確実に送られることから、造形物の造形精度を向上させることができる。さらに、確実にフィラメントを送出ローラと挟持ローラとで挟持し保持でき、またその状態をバネの付勢力にて維持できるので、フィラメントの送りを安定して行うことが可能となる。

本発明に係る請求項２記載の立体造形装置によれば、Ｖ溝の弾性挟持面によってフィラメントの送りを確実にすることができ、造形精度を向上させることができる。また、フィラメントに対する挟持ローラや送出ローラの空転が抑制され、フィラメントを削ってしまうような不具合がなくなる。

本発明に係る請求項３記載の立体造形装置によれば、押し出された直後の溶解したフィラメントをピンポイントで冷却でき、すなわち冷却の必要な部分のみを冷却でき、不要な風などを起こさず、造形精度を向上させることができる。また、ファンなどの回転駆動部品であるモータ等を使用しないことから、軽量化を図ることが可能となる。

本発明に係る請求項４記載の立体造形装置によれば、例えば装置の製造時において発生する誤差や、装置設置時に起きる誤差、或いは装置を運転して経時変化によるものなどで、離間配置された平行な２本のＹ軸レールに、歪みや、ズレがあったり、互いの平行度が低下していたりしても、それによって生じる連結ブロックなどの摺動機構部分の誤差が、回転ピンを中心とする連結ブロックの回転によって吸収することが可能となる。これにより、連結ブロックは、Ｙ軸レールに対する摺動抵抗の増加が抑制され、Ｘ軸レールのＹ軸レールに沿う移動がスムースとなり、造形精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る立体造形装置の平面図である。 図１に示した立体造形装置の正面図である。 図１に示したＸ軸支持ベースの平面図である。 Ｘ軸支持ベースの正面図である。 図１に示した造形ヘッドの平面図である。 造形ヘッドの側面図である。 造形ヘッドの正面図である。 解放状態におけるフィラメントロック機構の正面図である。 ロック解除状態におけるフィラメントロック機構の正面図である。 ロック状態におけるフィラメントロック機構の正面図である。 送出ローラ及び挟持ローラを切り欠いたフィラメントロック機構の平面図である。 エアノズル近傍の造形ヘッドの拡大斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る立体造形装置の平面図、図２は図１に示した立体造形装置の正面図である。
本実施形態に係る立体造形装置１１は、平面視が略正方形、正面視及び側面視が横長の矩形となる装置フレーム１３を有する。装置フレーム１３は、アングル鋼材等によって形成される。装置フレーム１３の四隅は、アジャスター付きの脚部１５によって床に設置される。装置フレーム１３の上面、左右側面、前後面は、透明な樹脂カバー等によって覆われる。これにより、空気の流れ等による外乱要因を遮断し、造形精度の低下を防止している。また、透明カバーは、造形物１７の視認を可能とする。なお、図示はしないが、装置フレーム１３の上方から上面を覆う樹脂カバーは、透明板などで略箱型に形成されて、後述する機構部分を覆うように取り付けられ、また、装置フレーム１３に対して着脱自在や開閉自在となって設けられる。

装置フレーム１３の上部における左右には、互いに平行となる一対のＹ軸レール１９が配置される。なお、本明細書中、左右方向は図１における左右方向に準ずる。上下方向は、図２における上下方向に準ずる。一対のＹ軸レール１９は、それぞれの両端が装置フレーム１３に固定される。本実施形態において、Ｙ軸レール１９は、軸線直交断面が円形状のシャフトで形成されるが、これには限定されない。

図３は図１に示したＸ軸支持ベースの平面図、図４はＸ軸支持ベースの正面図である。
一対のＹ軸レール１９のそれぞれには、連結ブロック２１が摺動自在に外挿される。連結ブロック２１は、内設するブッシュ２３によって、Ｙ軸レール１９に対して摺動自在に支持される。左右に離間された一対のＹ軸レール１９には、直交方向の一対のＸ軸レール２５が掛け渡されるようにして配置される。一対のＸ軸レール２５のそれぞれの両端は、矩形板状のＸ軸支持ベース２７のＸ軸固定ブラケット２９を介して固定される。Ｘ軸固定ブラケット２９は、連結ブロック２１に連結される。一対のＸ軸支持ベース２７の少なくとも一方は、Ｙ軸レール１９及びＸ軸レール２５に直交するＺ軸方向の回転ピン３１によって、連結ブロック２１に回転自在に連結されている。

回転ピン３１は、Ｘ軸支持ベース２７を下方向に貫通した先端が連結ブロック２１に螺着される。この回転ピン３１の外周には、軸受３３が外挿される。軸受３３は、回転ピン３１に対するＸ軸支持ベース２７の回転時に生じる摩擦を軽減する。また、Ｘ軸支持ベース２７と連結ブロック２１との間には、回転ピン３１を包囲する円環状のドライワッシャ３５が挟入される。ドライワッシャ３５は、Ｘ軸支持ベース２７の回転時に生じる摩擦を抑制する。このように、Ｘ軸支持ベース２７は、回転ピン３１を介して連結ブロック２１に対して回転自在となる。この回転は、遊びがある程度の若干の角度、すなわち、連結ブロック２１に対して微小な角度の回転が許容されるものであればよい。

装置フレーム１３の上面における背面側にはＹ軸用モータ３７（図１参照）が設けられている。Ｙ軸用モータ３７は、左右方向に延在するドライブシャフト３９を回転させる。ドライブシャフト３９の両端と、装置フレーム１３の上面における正面側の左右にそれぞれ配設されるＹ軸従動プーリ４０（図２参照）との間に、無端状のＹ軸ベルト４１がそれぞれ掛け渡され、それぞれのＸ軸支持ベース２７が、無端状のＹ軸ベルト４１の中途に固定されている。Ｙ軸ベルト４１の内周面側には、Ｙ軸従動プーリ４０との滑りを規制する凹凸部が形成される。Ｙ軸ベルト４１は、Ｙ軸ベルト固定部４３（図４参照）によって、周回方向の一部分がＸ軸支持ベース２７に固定される。Ｙ軸用モータ３７は、駆動することによってＹ軸ベルト４１を周回させて、Ｘ軸支持ベース２７をＹ軸レール１９に沿う方向に移動する。

図５は図１に示した造形ヘッドの平面図、図６は造形ヘッドの側面図である。
一対のＸ軸レール２５には造形ヘッド４５がＸ方向に移動自在に支持される。造形ヘッド４５は、基台４７を有し、基台４７の下面側に固定された一対の連結ブロック４９のブッシュ５１を介してＸ軸レール２５に対して摺動自在となっている。

一対のＸ軸支持ベース２７の一方、本実施形態では図１中左方には、Ｘ軸用モータ５３が設けられる。一方、一対のＸ軸支持ベース２７の他方、本実施形態では図１中右方には、従動用のＸ軸プーリ５５が設けられる。そして、このＸ軸プーリ５５の設けられる他方のＸ軸支持ベース２７に上記した回転ピン３１が設けられる。本実施形態では、Ｘ軸プーリ５５は、スライド板５７によって、回転自在に軸支される。スライド板５７は、Ｘ軸支持ベース２７に固定されたＸ軸プーリブラケット５９によって、Ｘ軸用モータ５３に対して接近離反する方向にスライド自在となる。このスライド板５７のスライドは、調整ネジ６１によって調整される。そして、この調整ネジ６１にて、後述するＸ軸ベルト６３の張り具合を調整可能となっている。

Ｘ軸用モータ５３とＸ軸プーリ５５とには、無端状のＸ軸ベルト６３が掛け渡される。Ｘ軸ベルト６３の内周面側には、Ｘ軸プーリ５５との滑りを規制する凹凸部６５（図４参照）が形成される。Ｘ軸支持ベース２７のＸ軸固定ブラケット２９には、Ｘ軸ベルト６３との干渉を回避するためのベルト用凹部６７（図３参照）が形成されている。Ｘ軸ベルト６３は、Ｘ軸ベルト固定部６９（図６参照）によって、周回方向の一部分が基台４７に固定される。Ｘ軸用モータ５３は、駆動することによってＸ軸ベルト６３を周回させて、造形ヘッド４５の基台４７をＸ軸レール２５に沿う方向に移動する。これによって、造形ヘッド４５は、水平な方向であるＸＹ方向の任意位置への移動を可能としている。

装置フレーム１３の内側には、四角形のビルトプレート７１が配置される。ビルトプレート７１は、加温されているホットプレートとなる。ビルトプレート７１は、背面となる下面に温度センサを設けてあり、加温状態であるおよそ１００°の設定に制御される。ビルトプレート７１は、昇降台７３の上に離間して固定され、断熱が図られている。昇降台７３の四隅には、上下方向に延在し、上下端が装置フレーム１３に固定された４本のＺ軸シャフト７５（図１参照）が貫通する。４本のＺ軸シャフト７５は、昇降台７３を上下方向すなわちＺ軸方向に摺動自在にガイドする。

昇降台７３の左右には、一対のＺ軸ネジシャフト７７（図１参照）が貫通する。Ｚ軸ネジシャフト７７は、上端が装置フレーム１３に回動自在に支持される。Ｚ軸ネジシャフト７７の外周には、雄ネジが形成される。昇降台７３は、Ｚ軸ネジシャフト７７の貫通孔に形成した雌ネジによってＺ軸ネジシャフト７７と螺合する。Ｚ軸ネジシャフト７７の下端には、Ｚ軸用モータ７９（図２参照）が接続される。Ｚ軸用モータ７９は、駆動することによってＺ軸ネジシャフト７７を回転させて、昇降台７３をＺ軸シャフト７５に沿う方向（上下方向）に昇降させる。これによって、ビルトプレート７１に造形される造形物１７の位置は、押出ノズル８１（図２参照）に対して、ＸＹＺ方向の任意の相対位置への移動を可能としている。

装置フレーム１３の内部には、フィラメント８３の巻回されたフィラメントスプール（図示略）を収容するスプール収容部８５（図１参照）が設けられる。スプール収容部８５と造形ヘッド４５との間は、フィラメントガイドチューブ８７で接続される。フィラメントガイドチューブ８７は、フィラメントスプールからのフィラメント８３を基端から導入して造形ヘッド４５へと導く。フィラメント８３は、例えば直径約１．７５ｍｍのものが用いられる。フィラメント８３の材質としては、ＡＢＳ樹脂であるが、その他に、例えばＰＬＡ（ポリ乳酸）樹脂や、ポリカーボネート樹脂、ＰＣ／ＡＢＳアロイ、ＰＰＳＦ／ＰＰＳＵ樹脂、ポリエーテルイミド樹脂等を挙げることができる。

造形ヘッド４５の基台４７には、フィラメント導入パイプ８９（図６参照）が立設される。フィラメント導入パイプ８９には、後述の送出ローラ９７及び挟持ローラ９９によって挟持されたフィラメント８３が導入される。基台４７を挟んでフィラメント導入パイプ８９の反対側となる基台下側には、ヒータ９１が設けられている。ヒータ９１の下面には押出ノズル８１が固定されている。押出ノズル８１の先端には、溶解したフィラメント８３を押し出す直径０．４ｍｍ程の細孔が開口する。フィラメント導入パイプ８９，ヒータ９１，押出ノズル８１は、フィラメント８３の押し込み可能な経路を形成している。つまり、基台４７は、フィラメント８３の押し出し方向にヒータ９１、押出ノズル８１を順次配置している。

造形ヘッド４５は、押出ノズル８１と造形物１７の間隔とが０．２〜０．４ｍｍ程度に設定される。この間隔は、ビルトプレート７１を昇降するＺ軸用モータ７９の駆動を制御することによって設定され、常にこの間隔を維持し昇降可能となっている。

ヒータ９１には、ヒートシンク９３が固定される。ヒートシンク９３は、例えばアルミ製で、複数のフィンを有する。ヒートシンク９３は、フィラメント８３を溶解した余剰の熱を放熱し、造形ヘッド４５への熱伝導を抑制する。ヒートシンク９３には、さらに、冷却ファン９５が設けられる。冷却ファン９５は、冷却フィン間から空気を強制送風することにより、ヒートシンク９３の放熱効果を高める。

図７は造形ヘッドの正面図である。
ところで、フィラメント８３は、造形ヘッド４５に設けられている送出ローラ９７と挟持ローラ９９の回転駆動で引っ張られ、ヒータ９１へ送られる。フィラメント８３は、フィラメント８３を巻回状態としたフィラメントスプールが回転するわけではなく、引っ張られてスプール収容部８５から繰り出される。基台４７には、略板状の取付ブラケット１０１が立設される。取付ブラケット１０１には、フィラメント８３を引っ張り、且つフィラメント導入パイプ８９へ押し込む駆動源である押出駆動モータ１０３が固定される。

押出駆動モータ１０３は、モータ駆動軸１０５（図６参照）が取付ブラケット１０１を貫通する。取付ブラケット１０１を貫通したモータ駆動軸１０５には、送出ローラ９７が固定される。

取付ブラケット１０１には、一端が押圧リンク軸１０７を介して、この押圧リンク軸１０７を中心に回転自在となった押圧リンクアーム１０９が支持される。押圧リンクアーム１０９の中央部、本実施形態では、押圧リンクアーム１０９の長手方向中間より押圧リンク軸１０７側となる位置には、挟持ローラ９９が回転自在に支持される。押圧リンクアーム１０９は、押圧リンク軸１０７を中心に揺動することで、挟持ローラ９９と送出ローラ９７とが接離自在となり、これら挟持ローラ９９と送出ローラ９７とによってフィラメント８３を挟持可能としている。

また、取付ブラケット１０１には、一端がレバー軸１１１を介して、このレバー軸１１１を中心に回転自在となったレバーリンクアーム１１３が支持される。レバーリンクアーム１１３は、他端が、作業者が手指で摘むことの可能な把持部１１５となる。

押圧リンクアーム１０９とレバーリンクアーム１１３の双方には、引張バネ１１７が張架される。すなわち、引張バネ１１７は、押圧リンクアーム１０９の他端に設けられた押圧アームバネ係止軸１１９と、レバーリンクアーム１１３の中央部に設けられたレバーアームバネ係止軸１２１とに張架される。この引張バネ１１７は、押圧アームバネ係止軸１１９及びレバー軸１１１を通る中立線１２３（図１０参照）をレバーアームバネ係止軸１２１が越えて、レバーリンクアーム１１３が回転されることで、挟持ローラ９９を送出ローラ９７に向かって付勢し、送出ローラ９７とでフィラメント８３を挟持状態に保持し、また、この保持を解除する。この押圧リンクアーム１０９及びレバーリンクアーム１１３は、てこの原理により引張バネ１１７の力を増力するフィラメントロック機構１２５を構成する。

なお、フィラメント８３は、押し出す際、押出ノズル８１を通過するときの圧力の抵抗から、挟持圧力が算出される。
本実施形態において、フィラメント８３は、計算上、３．３ｋｇにてグリップされる。引張バネ１１７の力自体は１．５ｋｇであるが、押圧リンクアーム１０９及びレバーリンクアーム１１３からなるフィラメントロック機構１２５のてこの原理で増力される。フィラメントロック機構１２５に、必要なグリップ力Ｆｎは、２．４ｋｇに設定される（計算値）。
引張バネ１１７のバネ力Ｆは、初張力Ｔを５．１Ｎ、バネ定数ｋを１．８６Ｎ／ｍｍとし、指定荷重時バネ長さｘを３５．２ｍｍ、バネ自由長さＬを３０ｍｍとした場合、
Ｆ＝Ｔ＋ｋ×（ｘ−Ｌ）
＝５．１＋１．８６×（３５．２−３０）
＝１４．７Ｎ（≒１．５ｋｇ）
となる。
そして、押付力Ｆ２は、押圧アームバネ係止軸１１９とレバーアームバネ係止軸１２１を結ぶ線と押圧リンクアーム１０９に垂直な線との角度αを１０°、押圧リンクアーム１０９の挟持ローラ９９と押圧アームバネ係止軸１１９との距離（長さ）Ｌ１を２０ｍｍ、押圧リンクアーム１０９の挟持ローラ９９と押圧リンク軸１０７との距離（長さ）Ｌ２を９ｍｍ、押圧リンクアーム１０９に垂直な線と送出ローラ９７と挟持ローラ９９の中心を結んだ線との角度βを１０°とした場合に、
Ｆ２＝Ｆ×ｃｏｓα×Ｌ１／Ｌ２×ｃｏｓβ
＝１．５×ｃｏｓ１０°×２０／９×ｃｏｓ１０°
＝３．２３ｋｇ
となり、上記した必要なグリップ力Ｆｎ＝２．４ｋｇに対してＦ２≧Ｆｎとなり、すなわち、Ｓ．Ｆ．＝１．３となる。

図８は解放状態におけるフィラメントロック機構の正面図である。
フィラメントロック機構１２５は、把持部１１５によってレバーリンクアーム１１３が図８中反時計回りに回転されることで、解放状態となる。この解放状態で、フィラメント８３のセットや交換が行われる。

図９はロック解除状態におけるフィラメントロック機構の正面図である。
フィラメントロック機構１２５は、レバーリンクアーム１１３が図８の状態から図中時計回りに所定角度θ１回転され、これに連動して引張バネ１１７を介して押圧リンクアーム１０９が回転し、挟持ローラ９９が送出ローラ９７に近接するまでが解放状態となる。この位置では、引張バネ１１７の力が作用していない。すなわち、挟持ローラ９９と送出ローラ９７による挟持力が発生しない。

図１０はロック状態におけるフィラメントロック機構の正面図
図９に示した解放状態から、レバーリンクアーム１１３が図中時計回りに所定角度θ２回転されると、レバーリンクアーム１１３がロック状態となる。すなわち、レバーリンクアーム１１３は、レバーアームバネ係止軸１２１が、押圧アームバネ係止軸１１９及びレバー軸１１１を通る中立線１２３を越えて、反時計回りの回転が引張バネ１１７の付勢力によって規制される。このロック状態で、フィラメント８３は、上記の必要なグリップ力で挟持される。

図１１は送出ローラ及び挟持ローラを切り欠いたフィラメントロック機構の平面図である。
挟持ローラ９９は、支軸に対してベアリング１２７を介して低摩擦で回転が支持される。送出ローラ９７及び挟持ローラ９９の少なくとも一方は、円周方向の外周に、弾性材料からなる弾性挟持面１２９が連続して設けられている。本実施形態においては、送出ローラ９７のみに弾性挟持面１２９が設けられる。弾性材料としては、例えばウレタンゴムを用いることができる。弾性挟持面１２９にはフィラメント８３の軸線に直交する断面形状がＶ字状となって内方でフィラメント８３の外周に２箇所で接するＶ溝１３１が円周方向に連続して形成されている。Ｖ溝１３１は、例えば挟角が６０°の角度で設定される。本実施形態において、弾性挟持面１２９とＶ溝１３１は、送出ローラ９７に設けられる。挟持ローラ９９は、金属製となる。

弾性挟持面１２９及びＶ溝１３１を設けた送出ローラ９７は、ゴムの摩擦力で、フィラメント８３の送り出しをスムースにする。金属製の従来品のようなスリップが生じにくくなる。また、送出ローラ９７は、歯（凹凸）も必要なく、さらに、フィラメント８３の削れも防止できる。なお、弾性挟持面１２９とＶ溝１３１は、挟持ローラ９９のみ、或いは送出ローラ９７及び挟持ローラ９９の双方に設けられてもよい。

送出ローラ９７及び挟持ローラ９９の双方にＶ溝１３１が設けられる場合には、Ｖ溝１３１の溝幅、溝深さが浅くなるように広い挟角に変更される。この場合、送出ローラ９７及び挟持ローラ９９の双方のＶ溝１３１によってフィラメント８３を４点で支持でき、押し込みをより確実なものとすることができる。

図１２はエアノズル近傍の造形ヘッドの拡大斜視図である。
造形ヘッド４５の基台４７には、エアノズル１３３が設けられている。エアノズル１３３には、エア用チューブ１３５が接続される。エア用チューブ１３５は、装置フレーム１３の下部に設置されたエアコンプレッサやエアポンプ１３７に接続される。エアノズル１３３には、エアポンプ１３７から圧送されるエアがエア用チューブ１３５によって供給される。エアノズル１３３は、押出ノズル８１から押し出された直後の高温で溶解したフィラメント８３にエアを吹き付けて冷却を行う。エアノズル１３３は、エアノズルブラケット１３９によって、エア吹き出し角度が変更可能に基台４７に取り付けられている。

本実施形態において、エアノズル１３３は、先端のエア吹き出し口が、細径な管状の部材よりなり、拡散せずに直線状にエアを吹き出し、押出ノズル８１の先端或いは先端からやや下方となるフィラメント８３に向けてエアを吹き付けるように角度をやや下向きに設定される。また、本実施形態のエアノズル１３３の重量は、７．９ｇに設定される。従来のフィラメント冷却用ファンは１５ｇであった。造形ヘッド４５は、エアノズル１３３の重量が従来のフィラメント冷却用ファンに比べておよそ半分になることで、移動に必要な動力負荷が低減される。つまり、冷却ファンを回転駆動するモータ、冷却ファンに付帯される冷却フィン等が不要となり、造形ヘッド４５は、大幅な軽量化を実現している。

エアノズル１３３は、押出ノズル８１から押し出された直径０．４ｍｍ程の柔らかい状態の樹脂を冷やしている。その下層には既に固化した造形物１７としての形ができている。すなわち、溶解樹脂がくっついている直上を冷やすこととなる。従来装置では、まだ冷えてなく温かい樹脂層の上に、押出ノズルからの温かい溶解樹脂を重ねていく。つまり固化していない柔らかい樹脂の上に押し出された直後の柔らかい樹脂を載せるので、細かな形状であると、形がぶれてしまう。これに対し、本実施形態の造形ヘッド４５は、温かい樹脂がすぐに冷やされるので、押出直後の柔らかさが減って抑えられ、造形される形が大きくぶれることがない。これにより、次の樹脂を積層する場合であっても形状が安定する。

その結果、造形ヘッド４５は、細い形やエッジのある形、稜線の部分、尖った形、張り出した形状、が綺麗に仕上がる。また、造形ヘッド４５は、エアノズル１３３がピンポイントで冷却することから、造形物１７の形状として細い形状や、薄い形状、尖った先端など微細な造形が可能となり、より精密な形状を作ることができる。

また、造形ヘッド４５は、フィラメント冷却用ファンを廃止したので、ファンの風で素材がぶれることがない。

なお、エアノズル１３３にエアを送気するエアポンプ１３７は、装置フレーム１３の下部に配置される。これにより、立体造形装置１１の重心が低くなり、装置の振動等に対する安定性が向上する。

この他、造形ヘッド４５には、装置フレーム１３に設置された装置制御部（図示略）との間を接続する通信線、電力線等のケーブルが通ったケーブルガイド（図示略）や、ヒータ９１に接続されるヒーターケーブル１４１が設けられている。

次に、上記した構成の作用を説明する。
本実施形態に係る立体造形装置１１では、押圧リンクアーム１０９の一端が押圧リンク軸１０７によって取付ブラケット１０１に回転自在に支持される。この押圧リンクアーム１０９は、中央部に挟持ローラ９９を有する。押圧リンクアーム１０９の他端は、押圧アームバネ係止軸１１９に張架された引張バネ１１７によって、挟持ローラ９９が送出ローラ９７に接近する方向に付勢される。従って、挟持ローラ９９は、てこの作用によって、小さな引張バネ１１７の付勢力を増幅させて、大きな挟持力で送出ローラ９７とによってフィラメント８３を挟むことができる。そして、レバーリンクアーム１１３は、てこの作用によって、把持部１１５への小さな力（作業者の操作力）で、フィラメント８３の保持、または保持解除が可能となる。レバーリンクアーム１１３は、中立線１２３、すなわち死点を若干越えたところで、引張バネ１１７によって保持状態とされるため、レバーリンクアーム１１３の逆方向となる保持解除方向へ逆転する恐れがなく、フィラメント８３の確実な保持及びその維持が可能となる。

そして、このような構成を有するフィラメントロック機構１２５は、引張バネ１１７によるバネ力（牽引力）で、挟持ローラ９９が送出ローラ９７から離れず、振動などの動作中に外れることもなく、フィラメント８３の送りを安定して行える。フィラメントロック機構１２５は、外方に張り出す把持部１１５で操作性が良好であり、簡単にフィラメント８３を引張バネ１１７の力で確実に送出ローラ側に押さえつけ、フィラメント搬送性を向上させることができる。

また、立体造形装置１１では、ゴムや樹脂等の弾性材料からなる弾性挟持面１２９により、フィラメント８３との密着度が高まり、フィラメント８３のグリップ性が向上する。また、弾性挟持面１２９のＶ溝１３１によって、フィラメント８３の接触点が増え、フィラメント８３との摩擦力が増大する。これにより、フィラメント８３に対する挟持ローラ９９や送出ローラ９７の空転が抑制される。その結果、フィラメント８３の送りを確実にすることができ、造形精度を向上させることができる。

さらに、この立体造形装置１１では、押出ノズル８１から押し出された直後の高温で溶解したフィラメント８３が、エアノズル１３３から吹き出されるエアによってピンポイントで冷却される。エアノズル１３３は、既に造形された固化状態の造形物に積層された押出直後のフィラメント８３を冷やし固めることができる。これにより、溶解状態のフィラメント８３の垂れ等を抑制できる。その結果、押し出された直後の溶解したフィラメント８３のみをピンポイントで冷却でき、造形精度を向上させることができる。

なお、エアノズル１３３での送風は、ファンのように周囲の空気を送るのではなく、チューブを介して離れた位置からエアポンプ１３７で送られるので、造形物周囲の環境（雰囲気）の温度に影響されず、冷却エアを吹き付けることができる。また、エアノズル１３３の場合、可動部品（回転機械部品）としてのファンが不要となるので、消耗の交換等によるメンテナンスが不要となる。さらに、冷却ファンなどの回転部品がないことから、回転によって発生する振動なども無く、押出ノズル８１に対する影響を減らし、これによっても造形精度の向上を図れる。

さらに、立体造形装置１１では、平行な２本のＹ軸レール１９に歪みや、ズレがあったり、平行度が低下していたりしても、それによって生じる摺動機構部分の誤差が、回転ピン３１を中心とする連結ブロック２１の回転によって吸収される。これにより、連結ブロック２１は、Ｙ軸レール１９に対する摺動抵抗の増加が抑制される。その結果、Ｙ軸に沿う方向のＸ軸レール２５の移動をスムースにすることができ、造形精度を向上させることができる。

なお、エアノズル１３３は、上述したように１つではなく、２つ以上を対向配置するものであってもよい。また、エアノズル１３３の向きは、造形物１７に応じて適宜に設定することができる。すなわち、造形物１７の形状などによっては、エアノズル１３３の向きを水平や上向きも可能となる。或いは、造形しながら向きを変えるなどの自動制御が行われてもよい。エアノズル１３３は、ピンポイントで冷却するので、向きを変えながら樹脂を冷やすことが可能となる。また、エアノズル１３３の近傍には、囲み板や整流板など、風を効率的にフィラメントや造形物に吹き付ける流路調整手段が設けられてもよい。

従って、本実施形態に係る立体造形装置１１によれば、送出ローラ９７及び挟持ローラ９９によって適度な挟持力を付与し続けることができ、フィラメント８３の送りを確実にすることができ、造形精度を向上させることができる。

１１…立体造形装置
１３…装置フレーム
１９…Ｙ軸レール
２１…連結ブロック
２５…Ｘ軸レール
２７…Ｘ軸支持ベース
３１…回転ピン
４７…基台
８１…押出ノズル
８３…フィラメント
９１…ヒータ
９７…送出ローラ
９９…挟持ローラ
１０１…取付ブラケット
１０３…押出駆動モータ
１０５…モータ駆動軸
１０７…押圧リンク軸
１０９…押圧リンクアーム
１１１…レバー軸
１１３…レバーリンクアーム
１１５…把持部
１１７…引張バネ
１１９…押圧アームバネ係止軸
１２１…レバーアームバネ係止軸
１２３…中立線
１２９…弾性挟持面
１３１…Ｖ溝
１３３…エアノズル

Claims (4)

1. フィラメントの押し出し方向に、ヒータと押出ノズルを順次配置した基台と、
   前記基台に固定され、押出駆動モータが取り付けられる取付ブラケットと、
   前記押出駆動モータのモータ駆動軸に固定される送出ローラと、
   一端が押圧リンク軸を介して前記取付ブラケットに回転自在に支持され、中央部に、前記送出ローラとで前記フィラメントを挟持可能な挟持ローラが回転自在に支持される押圧リンクアームと、
   一端がレバー軸を介して前記取付ブラケットに回転自在に支持され、他端が把持部となるレバーリンクアームと、
   前記押圧リンクアームの他端に設けられた押圧アームバネ係止軸と前記レバーリンクアームの中央部に設けられたレバーアームバネ係止軸とに張架され、前記押圧アームバネ係止軸及び前記レバー軸を通る中立線を前記レバーアームバネ係止軸が越えて前記レバーリンクアームが回転されることで、前記挟持ローラを前記送出ローラに向かって付勢し、前記送出ローラとで前記フィラメントを挟持状態に保持または保持解除する引張バネと、
   を具備することを特徴とする立体造形装置。
2. 請求項１記載の立体造形装置であって、
   前記送出ローラ及び前記挟持ローラの少なくとも一方の円周方向の外周には弾性材料からなる弾性挟持面が連続して設けられ、
   前記弾性挟持面には前記フィラメントの軸線に直交する断面形状がＶ字状となって内方で前記フィラメントの外周に２箇所で接するＶ溝が円周方向に連続して形成されていることを特徴とする立体造形装置。
3. 請求項１または２記載の立体造形装置であって、
   前記基台には、前記押出ノズルから押し出された直後の高温で溶解した前記フィラメントにエアを吹き付けて冷却するエアノズルが設けられていることを特徴とする立体造形装置。
4. 請求項１，２，３のいずれか１つに記載の立体造形装置であって、
   装置フレームには平行な一対のＹ軸レールのそれぞれの両端が固定され、
   前記一対のＹ軸レールのそれぞれには連結ブロックが摺動自在に外挿され、
   前記一対のＹ軸レールに直交方向のＸ軸レールの両端がＸ軸支持ベースに固定され、
   一対の前記Ｘ軸支持ベースの少なくともいずれか一方が、Ｙ軸レール及びＸ軸レールに直交するＺ軸方向の回転ピンによって前記連結ブロックに回転自在に連結されていることを特徴とする立体造形装置。

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