JP2016144931A - 三次元プリンタにおけるフィラメントの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントが駆動ホイールに対してスリップしてフィラメントの供給が停止する事を防ぐ技術の提供。
【解決手段】フレームが補助フレームを備えており、駆動シャフトおよびガイドシャフトの一方がその補助フレームの中に取り付けられており、フレームに対する補助フレームの位置が調整可能であり、好ましくは直線変位によって調整可能である三次元プリンタにおけるフィラメントの駆動装置。
【選択図】なし

Description

本発明は、三次元プリンタにおけるフィラメントの駆動装置に関する。三次元プリンタでは溶融可能な材料製のフィラメントが、加熱要素が設けられていて被加工物を横切って動くプリントヘッドへ供給され、その都度（プリントヘッドが）、溶融した材料の薄い層を被加工物の上に付ける。

先行技術によれば、駆動装置は三次元プリンタにおいて被加工物を形成するために印刷されるフィラメントをその長さ方向に駆動することで知られており、駆動装置は、フレームと、フレームに取り付けられた駆動シャフトに設置された駆動ホイールと、フレームに取り付けられたガイドシャフトに設置されたガイドホイールと、駆動ホイールおよびガイドホイールの間でフィラメントを通過させるためにフレームに接続されたガイド手段と、駆動シャフトを駆動する電気モータと、を備えている。

この駆動装置では、２つのシャフトが駆動装置のフレームにしっかりと取り付けられているので、駆動ホイールとガイドホイールとの間の距離が一定である。フィラメントは従って、フィラメントの厚さおよび弾性が変わり、それらのホイールが摩耗するので、必ずしも極めて一定の方法で駆動されるとは限らない。従って、フィラメントが駆動ホイールに対してスリップしてフィラメントの供給が停止するときがある。結果として、加熱要素内のフィラメントが過剰に加熱され、印刷のための材料が失われ、次善の品質の印刷された被加工物をもたらす。

本発明の目的は、これらの欠点が防止されるような駆動装置を提供することである。

この目的は、上述したような種類の装置、すなわち、フレームが補助フレームを備えており、駆動シャフトおよびガイドシャフトの一方がその補助フレームの中に取り付けられており、フレームに対する補助フレームの位置が調整可能であり、好ましくは直線変位によって調整可能である装置によって達成される。

これらの手段の結果として、フィラメントの厚さおよびホイールの摩耗に適合できるような方法で、ホイール間の距離を調整することができる。

好ましい実施形態によれば、ガイドシャフトは、補助フレームに取り付けられている。その結果、フレームに固定した方法で駆動シャフトを取り付けることができ、駆動シャフトを容易に駆動できる。

ホイールの位置を容易に変えることができるように、補助フレームが、調整ねじによってフレームに結合されているのが好ましい。調整は、その後、調整ねじを回すことにより行うことができる。

フィラメントが効率的な方法で駆動されることを保証するために、ホイールがばね力で互いに押し付けられているのが好ましい。好ましい実施形態によれば、調整ねじは、そのとき、また、ねじ山によってフレームに結合し、圧縮ばねが調整ねじと補助フレームとの間に設置されており、調整ねじと補助フレームが好ましくは同軸上に移動可能である。

構造的に好ましい実施形態によれば、調整ねじはブッシュの形態をしており、その外側には、調整ねじがフレームに設けられた雌ねじ穴の内側に螺合される手段としてのねじ山が設けられている。ブッシュ状の調整ねじの内側に設置されているばねは、コイルばねである。

補助フレームがピンの形態をしており、ピンの形態がコイルばねを通して延びており、その内側端部にコイルばねが静止するプレートと、ガイドシャフトが取り付けられている分岐部とを備えていれば、構造は格別コンパクトになる。この場合、特に、駆動装置が可動プリントヘッドに取り付けられていれば、駆動装置を可能な限りコンパクトに作ることができるので好ましいことを注記しなければならない。

例えば、新しいフィラメントが駆動装置を通過するときなど、場合によっては駆動ホイールとガイドホイールとの間の距離を増加させることができることが好ましい。これは、その距離がより大きければ、両方のホイールの間でフィラメントのチップを通過することがより容易になるためである。この目的を達成するために、更なる実施形態は、ブッシュの端部壁に設けられている開口部を通ってピンが外側に延びており、ピンの外側の端部が引張りつまみを備えている手段を提供する。引張りつまみを引っ張ることによって、ホイール間の距離を一時的に増加させることができる。その上、この実施形態は、引張りつまみを解放させた後は、ガイドホイールがその最初の位置に戻るという利点を有している。

駆動ホイールとフィラメントとの間の滑りを防止するために、駆動ホイールの接線面がシャフトに平行に延びる突起部を有していることが好ましい。

駆動ホイールとガイドホイールとの間で、フィラメントをしっかりと保持するために、駆動ホイールの接線面が溝を有しているのが好ましい。加えて、溝は駆動ホイールとフィラメントとの間の接触表面を増加させ、滑りを更に防止する。

特に、新しいフィラメントを挿入するとき、正確な挿入手順の実行を可能にするためには、駆動ホイールを手によって回転させる方が容易である。突然の途絶の場合でも、駆動ホイールを回転させることができることは興味がある。この目的を達成するために、１実施形態においては、駆動シャフトがフレームを越えて延びており、フレームを越えて延びる駆動シャフトの部分はハンドルを備えている手段を提供する。

ガイド手段がスイベルを有しており、スイベルが、フレームにおいて駆動ホイールとガイドホイールとの間のニップとしてそれぞれ上流および下流に設置されており、内側に向かって広がっている円錐状の貫通開口部を有しておれば、新しいフィラメント片を挿入することが更に容易になる。この場合、特に、それらホイールの下流に位置する円錐状の開口部が重要である。

例えば異なる厚さのフィラメントを用いるときに、円錐状の開口部の大きさを調整することを可能にするために、スイベルがねじ山によってフレームに解放可能に取り付けられることが好ましい。

ハンドルから離れて面している駆動シャフトの端部がフレームに取り付けられた電気モータに結合していれば、構造は更に容易になる。加えて、これは、電気モータを容易に交換する可能性を提供する。

さまざま状況で駆動装置を用いることを可能にするために、フレームが駆動シャフトおよびガイドシャフトに直角に延びている中心面に対して対称的であれば好ましい。

ある種の三次元プリンタにあっては、駆動装置はプリントヘッドに配置されている。これは、駆動装置と、プリントヘッドに配置されている加熱要素との間の距離が短いという利点を有しており、そのため、フィラメントの供給が直接的に制御される。この実施形態は、駆動装置が三次元プリンタのプリントヘッドに直接的に取り付けられている、引き続く請求項の１つによる駆動装置を備える三次元プリンタを提供する。

プリントヘッドの質量を小さくするように維持するために、別の実施形態は、上記に開示したような駆動装置を備える三次元プリンタを提供する。これは、駆動装置がプリンタの固定部に取り付けられており、駆動装置がプリントヘッドにボーデンケーブル（Bowden cable）の中空部によって接続されているものである。

次に、本発明は以下の図面を参照して説明される。

第１の形態による三次元プリンタの概略断面図を示す。 第２の形態による三次元プリンタの概略断面図を示す。 横断面における駆動装置の透視図を示す。 図３に示す駆動装置の透視図を示す。 別な方向から図３と図４に示す駆動装置の透視図を示す。

図１に示す三次元プリンタは、作業台３がスピンドル２または他の直線駆動要素によって取り付けられている底板１を備えており、作業台の高さはスピンドル２によって決定される。プリンタは、その上、図の平面（紙面）に対して直交して延びるレール５が取り付けられたフレーム４を備えている。キャリッジ６は、これらのレール５の各々に沿って同時に移動することができ、および両方のキャリッジ６は、プリントヘッド８が移動することができるレール７に接続されている。プリントヘッド８上で、駆動装置９がリール１１から展開されるフィラメント１０のために用意されている。このようなプリンタは、制御要素（図示せず）の制御下で被加工物１２を製造するように構成されている。

図２に図式的に示すプリンタは、フィラメント１０の駆動装置９がプリントヘッド８ではなく、フレーム４に取り付けられていることを除いて、図１に示すプリンタと大部分が一致する。駆動装置９は、可撓管１３によってプリントヘッド８に接続されている。フィラメント１０は、可撓管１３を通して駆動装置９によってプリントヘッド８の方へ移動される。

プリンタの両方のタイプは先行技術の一部を形成しており、本発明がプリントヘッドの駆動装置に関し、プリンタの両方のタイプで使用することができるという事実を示すために、プリンタのこの２つのタイプが説明されている。次に駆動装置９の構造が図３から図５を参照して説明される。

図３は、例えば、アルミニウムで作られている成形品２０Ａを備える駆動装置９の一部を示す。駆動装置９は、また図５に示すような、鏡面対称的に（mirror-symmetrically）形成された成形品２０Ｂを備える。双方の成形品２０Ａ、Ｂは、成形品を相互に接続するための、および、部品を成形品に接続するための、ねじ穴を備える。加えて、この図は、成形品２０Ａ、Ｂの側面に取り付けられている、第３の成形品２０Ｃを示す。成形品２０Ａ、Ｂ、Ｃは、組み合わさってフレーム２０を形成する。フレーム２０は図４に全体が示されている。

成形品２０Ａ、Ｂのなかに、対向する開口部２２、２３によって周囲に接続されている空間２１がある。フィラメント１０を通過させるための小さな開口部を有するスイベル２４、２５が両方の開口部２２、２３に螺合されている。スイベル２４、２５に備えられている開口部は、空間２１の方に円錐形に広げられている。スイベル２４、２５と開口部２２、２３との間のねじ接続の結果として、例えば異なる直径のフィラメント１０を駆動させるために、スイベルを回して外すこと、および、それらを異なる大きさのスイベルと交換することが可能である。

駆動シャフト２６は、双方の成形品２０および空間２１を通って延びている。空間において、駆動ホイール２７は、駆動シャフト２６に備えられている。駆動ホイール２７は、その接線面に沿って延びる、溝２８および突起部を備えている。電気モータ２９は、成形品２０Ａにねじ留めされており、駆動シャフト２６が電気モータによって駆動される。成形品２０Ｂの側面上に突出している駆動シャフト２６の部分は、電気モータから独立して駆動シャフトを回転させることが可能なハンドル３０を備えている。

図５にまた明らかなように、双方の成形品２０Ａ、２０Ｂは、それぞれが開口部３１を全体で形成する深い溝３１Ａおよび３１Ｂを備えている。開口部３１は、また、第３の成形品２０Ｃを通って周囲まで延びている。開口部３１の軸は、駆動シャフトの長手方向、およびスイベル２４と２５との間の直線に対して直交して延びている。この開口部３１において、ピン３２が開口部の長手方向に移動可能なように構成されており、補助フレームのように動作する。ピンは、その内側に二股部（forked part）３３を備えており、ガイドシャフト３４が二股部の中に取り付けられており、ガイドホイール３５はガイドシャフト３４に設置されている。ガイドホイール３５は駆動ホイール２７に対向して位置しており、駆動されるフィラメント１０が双方のホイール２７、３５の間を通過する。

第３の成形品２０Ｃの中の開口部３１の一部は、内側にねじ山を備えており、開口部３１は、開口部３１に螺合されるブッシュ３６によって閉鎖される。ピン３２の二股部３３は、プレート３７、およびプレート３７とブッシュ３６の端部壁の内側表面との間に設置されているコイルばね４０を備えており、コイルばね４０はピン３２を内側に推し進め、従ってガイドホイール３５をフィラメント１０に押し付ける。ブッシュ３６を第３の成形品２０Ｃまで、多かれ少なかれねじ締めすることによって、コイルばね４０によって発生したテンション、従ってガイドホイール３５と駆動ホイール２７との間のクランプ力を調整することができる。ピン３２は、ブッシュ３６の端部に設けられた開口部を通って外側へ延びており、ピン３２の突出部に引張りつまみ３８が取り付けられている。引張りつまみによって、新しいフィラメント１０の導入を容易にするために駆動ホイール２７からガイドホイール３５を一時的に外すことができる。

図１および２によって説明されるように、本発明による駆動装置９は、駆動装置がプリントヘッドに取り付けられている三次元プリンタ、または駆動装置がプリントヘッドの一部を形成する三次元プリンタに用いることができるのみならず、駆動装置がプリンタのフレームに接続されており、駆動されるフィラメントがホースを経てプリントヘッドへ行く三次元プリンタにも用いることができる。

駆動装置においては、フィラメント１０は、上流のスイベル２４、駆動ホイール２７とガイドホイール３５の間、および下流のスイベル２５を通過する。ブッシュ３６を回転させることによって、ガイドホイールが駆動ホイールに対してフィラメント１０を押す力を調整することができる。加えて、引張りつまみ３８は、例えば新しいフィラメント１０の導入の際などに、駆動ホイール２７とガイドホイール３５との間の距離を一時的に増加することができる。引張りつまみ３８が解放されるとき、ガイドホイール３５は再び、以前と同じ力でフィラメント１０に押し付けられる。

請求項に記載の範囲内で上記に述べた実施形態の変形が本発明に含まれること、および種々の実施形態における手段を組み合わせることができることは明らかである。

Claims (16)

1. 制御要素の制御下において三次元プリンタで被加工物を形成するために印刷されるフィラメントをその長さ方向に駆動する三次元プリンタに適合する駆動装置であって、
   フレームと、
   前記フレームに取り付けられた駆動シャフトに設置された駆動ホイールと、
   前記フレームに取り付けられたガイドシャフトに設置されたガイドホイールと、
   前記駆動ホイールおよび前記ガイドホイールの間で前記フィラメントを通過させるために前記フレームに接続されたガイド手段と、
   前記駆動シャフトを駆動する電気モータと、を備え、
   前記フレームは、前記駆動シャフトおよび前記ガイドシャフトの一方がそのなかに取り付けられている補助フレームを備えており、前記フレームに対する前記補助フレームの位置が調整可能であり、好ましくは、直線変位によって調整可能であることを特徴とする駆動装置。
2. 前記ガイドシャフトは、前記補助フレームに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記補助フレームは、調整ねじによって前記フレームに結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記調整ねじは、ねじ山によって前記フレームに結合しており、圧縮ばねが前記調整ねじと前記補助フレームとの間に設置されており、前記調整ねじと前記補助フレームは、好ましくは同軸上に移動可能であることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記調整ねじはブッシュの形態をしており、その外側に前記調整ねじが前記フレームに設けられた雌ねじ穴の内側に螺合される手段としてのねじ山が設けられており、ブッシュ状の調整ねじの内側に設置されているばねがコイルばねであることを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記補助フレームが、前記コイルばねを通って延びており、その内側端部で前記コイルばねが静止するプレートと、前記ガイドシャフトが取り付けられている分岐部とを備えるピンの形態をしていることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
7. 前記ピンは、前記ブッシュの端部壁に設けられている開口部を通って外側に延びており、前記ピンの外側の端部は引張りつまみを備えていることを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
8. 前記駆動ホイールの接線面は、前記駆動シャフトに平行に延びる突起部を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の駆動装置。
9. 前記駆動ホイールの接線面は、溝を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の駆動装置。
10. 前記駆動シャフトは前記フレームを越えて延びており、前記フレームを越えて延びる前記駆動シャフトの部分は、ハンドルを備えていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の駆動装置。
11. 前記ガイド手段はスイベルを備え、前記スイベルは、前記フレームにおいて前記駆動ホイールと前記ガイドホイールとの間のニップとしてそれぞれ上流および下流に設置されており、内側に向かって広がっている円錐状の貫通開口部を有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の駆動装置。
12. 前記スイベルは、ねじ山によって前記フレームに解放可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１１に記載の駆動装置。
13. 前記ハンドルから離れて面している前記駆動シャフトの端部は、前記フレームに取り付けられた電気モータに結合していることを特徴とする請求項１０に記載の駆動装置。
14. 前記フレームは、前記駆動シャフトおよび前記ガイドシャフトに直角に延びている中心面に対して対称的であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の駆動装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の駆動装置を備える三次元プリンタであって、前記三次元プリンタのプリントヘッドに前記駆動装置が直接的に取り付けられていることを特徴とする三次元プリンタ。
16. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の駆動装置を備える三次元プリンタであって、前記駆動装置が前記三次元プリンタの固定部に取り付けられており、前記駆動装置がボーデンケーブルの中空部によってプリントヘッドに接続されていることを特徴とする三次元プリンタ。

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