JP2017007213A - ３次元印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料フィラメントとして硬質フィラメントよりも柔らかいフィラメントを用いて印刷する際にも長時間に亘って安定的に立体造形物を印刷することができる熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用した３次元印刷装置を提供する。
【解決手段】データ処理部と印刷部１２とから構成され、印刷部１２は、印刷部本体と、印刷部本体に移動可能に設けられたヘッド部１６と、原料フィラメント２５の搬送をガイドするガイド部１９とを備えた３次元印刷装置であって、ガイド部１９はチューブであり、チューブ１９の先端部はヘッド部１６に、後端部は印刷部本体の非移動部に其々固定され、全体が湾曲して配設されており、チューブ１９はショアＤ硬度が５０未満の素材又はショアＡ硬度が９０以下の素材により形成されたチューブ本体部を有し、チューブ本体部の内面には高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層が形成されている３次元印刷装置。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用した３次元印刷装置の改良に関する。

従来より、試作品や治具等の立体造形品の作成には３次元印刷装置が利用されている。３次元印刷装置は、３Ｄプリンターとも称され、３Ｄプリンターはコンピュータ上に取り込まれた立体図面データに従って樹脂等の原材料によって立体造形品を作成することができる。

立体造形品を形成する方法には種々の方法があり、その１つに熱溶解積層法（ＦＤＭ）が存在する。熱溶解積層法（ＦＤＭ）は、熱可塑性樹脂等の原料フィラメントをヒーターにより加熱溶解しながらノズルより吐出し、ノズルを例えば平面方向に稼動させて立体造形品の第一層を形成し、次に第一層の上面に第二層、第三層というように積層させていくことにより立体造形品を得る方法である。

熱溶解積層法（ＦＤＭ）の３Ｄプリンターは、レーザーや粉末焼結による造形法を利用した３Ｄプリンターと比べて安価であり広く普及している。一般に熱溶解積層法（ＦＤＭ）の３Ｄプリンターでは、原料フィラメントが巻回されたスプールがあり、原料フィラメントは、スプールからノズルを備えた可動のヘッドまで供給され、印刷によりヘッド側で消費されることによって順次スプールから引き出される。

原料フィラメントは立体造形品の印刷中に絡まることのないように、ヘッドまでの搬送経路において、搬送チューブによりガイドされている。一般に、詰りなどを抑制するため搬送性を維持するため摩擦係数の小さいポリテトラフルオロエチレン製の搬送チューブが用いられている。

搬送チューブは、先端部がヘッドに固定され、後端部はスプール近傍の本体支柱等の非可動部に固定されて略逆Ｕ字状に湾曲して設けられている。ポリテトラフルオロエチレンは硬質であるが可撓性を有するため、立体造形品の印刷中は、ヘッドの動作に追従することができる。

このような従来の熱溶解積層法（ＦＤＭ）の３Ｄプリンターは、例えば、ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸（ＰＬＡ）といった原料フィラメントとして硬質樹脂からなるフィラメントを用いて立体造形物を印刷することができる。

一方で、原料フィラメントとして硬質フィラメントよりも柔らかいフィラメントを用いて印刷することができれば、柔軟性を必要とする部品等の製作が可能となり、利用範囲はさらに広がることとなる。

しかしながら、フィラメントは一般に柔らかいものは硬質フィラメントに比べてフィラメント表面の摩擦係数が大きく滑り性が良くない。また、このような硬質よりも柔軟性のあるフィラメントは、表面が搬送チューブに対して強く接触する状況にあっては、接触部において搬送チューブ内面とフィラメント表面との間で発生する抵抗が特に大きくなり、フィラメントの供給動作の拘束とヘッド側より伝わる引張力による拘束の解放が起こることから定速での供給が困難となる。

一般にポリテトラフルオロエチレンは硬度が大きいため、ポリテトラフルオロエチレン製の搬送チューブを用いて柔軟性のあるフィラメントを搬送供給する場合、互いの硬度は異なっている。

従って、図７（ａ）に示すように、搬送チューブ６０の湾曲の曲率半径Ｒ２と搬送チューブ６０内を挿通されているフィラメント６１の湾曲の曲率半径Ｒ１は大きく異なるため、搬送チューブ６０内面にフィラメント６１が強く接触する強接点６４を生じる。

このため、硬質よりも柔軟性のあるフィラメントを用いた場合、強接点６４におけるフィラメント供給動作の拘束が発生しやすくなり、定速での供給が困難であった。また、図７（ｂ）に示すように、ポリテトラフルオロエチレン製の搬送チューブ６０は硬度が大きいために、印刷の際にヘッド部６２が急に動作して搬送チューブ６０の曲率半径に変化が生じた際には、搬送チューブ６０の一部に屈曲部６３を生じてしまうことがあり、屈曲部６３にフィラメント６１が強く接触することにより、接触面における摩擦抵抗が大きくなり供給の拘束が発生する原因となってしまっていた。

また、熱溶解積層法（ＦＤＭ）の３Ｄプリンターにおいては、前述のように原料フィラメントの供給量が安定せずに、例えば一時的に供給量が少なくなると、その際に形成している層の一部が形成されないまま次の層が形成されてしまうため、空洞や陥没が発生してしまい精度ある立体造形物を印刷することができない。

特に熱溶解積層法（ＦＤＭ）の３Ｄプリンターにおいては、立体造形品の大きさや積層ピッチにより、作成時間が長時間に及ぶこともあり、印刷時に不具合がないか作業者が終始監視することは困難であるため、これまで硬質よりも柔軟性のある樹脂フィラメントでは小物等の印刷はできても、大型の物や精度を要求される立体造形品を得ることはできなかった。

従って、内面の滑り性が良く、柔軟性のあるフィラメントのように曲率半径が大きく接触面積を小さくすることができ、且つ印刷によってヘッドの動作が発生した場合にも、屈曲することのない搬送チューブを備えた３Ｄプリンターが望まれていた。

本発明者は、このような観点から特許調査を実施して特許文献１を確認したが、前述のような現象を解決しうる発明ではなかった。
公開特許第２０１５−３９８８３号公報

そこで、本発明は、このような従来の要請に基づくものであって、原料フィラメントとして硬質フィラメントよりも柔らかいフィラメントを用いて印刷する際にも長時間に亘って安定的に立体造形物を印刷することができる熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用した３次元印刷装置を提供することを課題とする。

前記課題達成のため、請求項１記載の発明における３次元印刷装置にあっては、データ処理部と前記データ処理部より供給される制御信号に基づいて３次元印刷を行う印刷部とから構成され、前記印刷部は、印刷部本体と、前記印刷部本体に移動可能に設けられヒーター部及びノズル部を備えたヘッド部と、前記ノズル部より溶解された原料フィラメントが吐出されて印刷物が形成される造形テーブル部と、前記原料フィラメントを収容する原料フィラメント収容部と、前記原料フィラメント収容部と前記ヘッド部との間には前記ヘッド部へと供給される原料フィラメントの搬送をガイドするガイド部とを備えた熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用した３次元印刷装置であって、前記ガイド部は、チューブであり、前記チューブの先端部は前記ヘッド部に固定されていると共に、後端部は前記印刷部本体の非移動部に固定され、全体が湾曲して配設されており、前記原料フィラメントは、前記チューブ内に挿通されて搬送されるように形成されており、前記チューブは、ショアＤ硬度が５０未満の素材又はショアＡ硬度が９０以下の素材により形成されたチューブ本体部を有し、前記チューブ本体部の内面には高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層が形成されていることを特徴とする。

ショアＡ硬度とは、ＪＩＳ Ｋ ６２５３に規定された方法においてタイプＡデュロメータを用いて測定される硬度である。一方でショアＤ硬度は、材料が硬くタイプＡデュロメータでは測定をしにくい硬さの測定を目的とした測定方法であり、ＪＩＳ Ｋ ７２１５に規定された方法においてタイプＤデュロメータを用いて測定される硬度である。

一般にポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと称する）は、ショアＤ硬度が５０〜５５である。樹脂やゴムにおける硬質の定義は種々のものがあるが、ここではショアＡ硬度９５以上、ショアＤ硬度５０以上のものを硬質と定義する。

従って、請求項１に記載の３次元印刷装置にあっては、前記チューブは、ショアＤ硬度が５０未満の素材又はショアＡ硬度が９０以下の素材により形成されたチューブ本体部を有していることから、ＰＴＦＥよりも柔軟であり、印刷を行った際のヘッド部の移動に対して柔軟に追従して屈曲しにくい。

また、ＰＴＦＥのチューブを用いた場合に比べてチューブの先端部から後端部までの湾曲具合である曲率半径が大きくなり、原料フィラメントとして硬質フィラメントよりも柔軟なフィラメントを用いた場合には、互いの硬度が近くなるためにチューブとチューブ内を挿通するフィラメントとの曲率半径が近くなる。従って、チューブ内面に原料フィラメントが強く接触することを抑制でき、原料フィラメントとチューブ内面との摩擦抵抗を小さく維持することができる。

以下、曲率半径は、チューブの先端部から後端部までに形成される湾曲具合が長さ方向の位置により異なる場合は、最も小さい曲率半径を示す。原料フィラメントにおいてもチューブ内に位置する部分を対象として同様とする。

一般に高密度ポリエチレン及び超高密度ポリエチレンは、ＰＴＦＥよりも安価であり、且つ同等の滑り性を有する素材である。ここで、高密度ポリエチレンとは比重０.９４２以上のポリエチレンを指し、超高密度ポリエチレンとは、分子量１００万から７００万のポリエチレンである。

前記チューブ本体部の内面には高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層が形成されていることから、原料フィラメントは、ＰＴＦＥと同等の滑り性を備える高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層と一部が接しながら搬送される。

請求項２記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記チューブ本体部は、前記ショアＡ硬度が９０以下の素材により形成され、ショアＡ硬度が９０以下のポリオレフィン系エラストマーであることを特徴とする。

ポリオレフィン系エラストマーとは、熱可塑性エラストマーのうち、塩ビ系エラストマー以外のエラストマーを含む概念であり、例えばオレフィン系エラストマー及びスチレン系エラストマーが含まれる。

前記ポリオレフィン系エラストマーのうち、一般にオレフィン系エラストマーとは、ポリプロピレン(ＰＰ)の中に、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ,ＥＰＭ）を微分散させた熱可塑性エラストマーであり、常温でゴムのような柔軟性と復元性を備えると共に大きな摩擦係数を備え、一般の樹脂と同様な成形加工のできる合成樹脂である。

従って、請求項２記載の発明における３次元印刷装置にあっては、チューブ本体部はゴムのような柔軟性があり、チューブの先端部から後端部までの全体の曲率半径を大きくすることができる。また、復元性が高いため形状のくせがつき難い。

軟質の原料フィラメントを用いた場合にも、チューブと原料フィラメントとの曲率半径を近くすることができ、チューブ内面に原料フィラメントが強く接触して原料フィラメントの摩擦抵抗が大きくなることを防止することができる。

また、ゴムのような柔軟性があり屈曲しにくいため、チューブの屈曲点に原料フィラメントの応力が集中して大きな摩擦抵抗が生じるという事態を防止することができる。

請求項３記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層は、厚さ寸法１０μｍ〜１００μｍに形成されていることを特徴とする。

従って、請求項３記載の発明における３次元印刷装置にあっては、高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層は、厚さ寸法１０μｍ〜１００μｍの薄膜状に形成されていることから、チューブ全体としてはショアＤ硬度５０未満又はショアＡ硬度が９０以下の素材からなるチューブ本体部の柔軟性を維持しながら、チューブ内面の滑り性を確保することができる。

請求項４記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記印刷部本体は、高さ方向に沿って配設されたＺ軸軸部と、平面方向に沿って配設されたＸ軸軸部とを備え、前記Ｘ軸軸部は、前記Ｚ軸軸部に沿って移動可能に配設されていると共に、前記ヘッド部は、前記Ｘ軸軸部に沿って移動可能に配設されており、前記造形テーブル部は、前記Ｘ軸軸部に対して平面方向に直行するＹ軸方向に移動可能に配設されていることを特徴とする。

従って、請求項４記載の発明における３次元印刷装置にあっては、Ｘ軸軸部は、Ｚ軸軸部に沿って移動可能に配設されていると共に、ヘッド部は、Ｘ軸軸部に沿って移動可能に配設されていることから、ヘッド部は、特定の平面方向及び高さ方向の２次元方向に移動可能である。

また、造形テーブル部は、Ｘ軸軸部に対して平面方向に直行するＹ軸方向に移動可能に配設されていることから、造形テーブル部が移動することによって、ヘッド部は造形テーブル部上を相対的に移動可能であり、ヘッド部は造形テーブル部上を３次元方向に移動可能である。

請求項５記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記印刷部本体は、上部フレーム部、下部フレーム部及び立設フレーム部により全体略直方体の枠状に形成されており、前記Ｚ軸軸部の端部は、上部フレーム部及び下部フレーム部に其々固定されており、前記原料フィラメント収納部は前記印刷部本体とは別体に形成されたフィラメントスプールであることを特徴とする。

従って、請求項５記載の発明における３次元印刷装置にあっては、印刷部本体は、全体略直方体の枠状に形成されていることから軽量である。また、原料フィラメント収納部はフィラメントスプールであることから、原料フィラメントを引き出す方向に力が加わることにより、スプールが回転して原料フィラメントを順次供給することができる。

請求項６記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記ヒーター部は、前記ノズル部の径方向外方に固定されて配設されており、前記ヘッド部内部には、前記原料フィラメントを前記ノズル部へ供給するプーリ部が設けられていることを特徴とする。

従って、請求項６記載の発明における３次元印刷装置にあっては、ヘッド部内部には、原料フィラメントをノズル部へ供給するプーリ部が設けられていることから、プーリ部が回転することにより、原料フィラメントがノズル部へと供給される。

請求項７記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記チューブは、全体略逆Ｕ字状に形成されていると共に、前記ヘッド部の上面部には、前記チューブの先端部を差込み固定することができる差込孔部を備え、前記差込孔部に前記チューブの先端部が差し込まれて固定されていることを特徴とする。

従って、請求項７記載の発明における３次元印刷装置にあっては、ヘッド部上面部の差込孔部にチューブの先端部が差し込まれて固定され、チューブは全体略逆Ｕ字状に配設される。

請求項８記載の発明における３次元印刷装置にあっては、前記プーリ部と前記ノズル部の間には前記原料フィラメントの搬送をガイドするチューブからなるノズルガイド部が設けられていることを特徴とする。

請求項１記載の発明における３次元印刷装置にあっては、大きな摩擦抵抗を生じる原因となる屈曲の発生やチューブと軟質フィラメントとの曲率半径の差の発生を抑制できるため、原料フィラメントとして比較的滑り性の良い硬質フィラメントを用いて印刷する場合は勿論のこと、軟質フィラメントを用いて印刷する際にも長時間に亘って安定的に立体造形物を印刷することができる熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用した３次元印刷装置を提供することができる。

また、チューブ本体部の内面には高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層が形成されていることから、ＰＴＦＥと同等の滑り性を確保しながらも安価に提供することができる。

請求項２記載の発明における３次元印刷装置にあっては、チューブは、ポリオレフィン系エラストマーであり、一般の樹脂と同様に成形加工することができるためコストを維持することができ、高い摩擦係数を備えるため、例えば、チューブ先端の固定方法が、孔への差込み固定であっても、印刷時のヘッド部の移動によって抜け落ちて脱落してしまうことを抑制することができ、より長時間に亘って安定的に立体造形物を印刷することができる。

また、チューブ本体部はゴムのような高い柔軟性を備えることから、チューブの先端部から後端部までの全体の曲率半径が大きくなりやすく屈曲しにくいため、チューブの屈曲点に原料フィラメントの応力が集中して大きな摩擦が生じることを防止することができ、原料フィラメントとして軟質フィラメントを用いて印刷する際にも長時間に亘って安定的に立体造形物を印刷することができる。

請求項３記載の発明における３次元印刷装置にあっては、チューブ全体としてはショアＤ硬度５０未満又はショアＡ硬度が９０以下の素材からなるチューブ本体部の柔軟性を維持しながら、チューブ内面の滑り性を確保することができることから、印刷を行った際にヘッド部の移動によって、チューブの屈曲が発生することを抑制することができ、且つ原料フィラメントとの摩擦を低く抑えることができるため、軟質フィラメントを用いて印刷する際にも長時間に亘って安定的に立体造形物を印刷することができる。

請求項４記載の発明における３次元印刷装置にあっては、ヘッド部と造形テーブル部とが互いに移動することにより、ヘッド部は造形テーブル部上を３次元方向に移動可能であるため、固定された造形テーブルに対してヘッド部のみを３次元方向に移動可能に形成する場合に比べて構造を簡略化することでき、低コストに製造することができ、且つメンテナンス性を確保することができる。

請求項５記載の発明における３次元印刷装置にあっては、原料フィラメントを引き出す方向に力が加わることにより、スプールが回転して原料フィラメントを順次供給ことができることから、原料フィラメントは、印刷部本体において印刷が行われて消費されることにより、スプールが回転して順次供給され、供給のための動力が不要で低コストに製造することができる。

請求項６記載の発明における３次元印刷装置にあっては、ヘッド部内方に配設されたプーリ部が回転することにより、原料フィラメントがノズル部へと供給されるため、モータ動力によって原料フィラメントを供給することができ、低コストに製造することができる。

請求項７記載の発明における３次元印刷装置にあっては、ヘッド部の差込孔部にチューブの先端部が差し込まれて固定されるため、ヘッド部からのチューブの取外しが容易であり、メンテナンス性に優れる。また、チューブはヘッド部上面部から印刷部本体の非移動部に亘って全体略逆Ｕ字状に配設されていることから、印刷を行った際のヘッド部の移動時にチューブが巻き込まれることなく長時間に亘って安定して印刷することができる。

請求項８記載の発明における３次元印刷装置にあっては、プーリ部とノズル部の間には原料フィラメントの搬送をガイドするチューブからなるノズルガイド部が設けられていることから、プーリ部とノズル部との間隙において原料フィラメントが屈曲して詰まりを発生することを抑制でき、印刷を行った際に長時間に亘って安定して印刷することができる。

図１は、本実施の形態に係る３次元印刷装置の一実施の形態を示した斜視図である。 図２は、本実施の形態に係る３次元印刷装置の一実施の形態を示し、印刷部の下方からの斜視図である。 図３は、本実施の形態に係る３次元印刷装置の一実施の形態を示し、原料フィラメントを挿通したチューブ端面の概念図である。 図４は、本実施の形態に係る３次元印刷装置の一実施の形態を示し、ボルトを外してカバーを外し、ヘッド部内部の状態を示した側面図である。 図５は、本実施の形態に係る３次元印刷装置の一実施の形態を示し、チューブの後端部の立設フレームへの固定状態を示した斜視図である。 図６は、本実施の形態に係る３次元印刷装置の一実施の形態を示し、チューブと原料フィラメントとの関係を模式的に描いており、（ａ）は、ヘッド部が立設フレーム部の遠方に位置する場合、（ｂ）はヘッド部が立設フレーム部の近傍に位置する場合を夫々描いた概念図である。 図７は、従来の３次元印刷装置におけるチューブと原料フィラメントとの関係を模式的に描いており、（ａ）はヘッド部が立設フレーム部の遠方に位置する場合、（ｂ）はヘッド部が立設フレーム部の近傍に位置する場合を夫々描いた概念図である。

以下、本発明に係る３次元印刷装置を実施の形態に基づき、図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る３次元印刷装置１０は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用しており、図１に示すようにデータ処理部１１とデータ処理部１１より供給される制御信号に基づいて３次元印刷を行う印刷部１２とから構成されている。本実施の形態においては、データ処理部１１はノートパソコンであり、制御信号出力ケーブル３３を介して印刷部１２へと接続されている。

図２に示すように、印刷部１２は、印刷部本体１３と、印刷部本体１３に移動可能に設けられヒーター部１４及びノズル部１５を備えたヘッド部１６と、ノズル部１５より溶解されたが吐出されて印刷物が形成される造形テーブル部１７と原料フィラメント２５を収容する原料フィラメント収容部１８とを備えている。

図１及び図２に示すように、印刷部本体１３は、上部フレーム部２６、下部フレーム部２７及び立設フレーム部２８により形成される全体略直方体の枠部６５を有している。

立設フレーム部２８は高さ方向に沿って４本形成されており、上部フレーム部２６は立設フレーム部２８，２８，２８，２８の上端部を互いに繋いで設けられると共に、下部フレーム部２７は立設フレーム部２８，２８，２８，２８の下端部を互いに繋ぐように配設されている。下部フレーム２７は、内方に角柱形状に形成された２本の造形テーブル部支持部２９，２９を備えている。

図１及び図２に示すように、印刷部本体１３は、高さ方向に沿って配設されたＺ軸軸部３０と、平面方向に沿って配設されたＸ軸軸部３１とを備えている。Ｚ軸軸部３０の両端部は、上部フレーム部２６及び下部フレーム部２７に其々固定されており、印刷部本体１３の長さ方向両端部に其々設けられている。

Ｚ軸軸部３０，３０の内側には、長さ方向全体に亘ってネジ溝が形成された昇降軸部３２，３２がＺ軸軸部３０に平行に夫々設けられている。Ｚ軸軸部３０、Ｘ軸軸部３１及び昇降軸部３２は其々断面円形の軸状に形成されている。

Ｚ軸軸部３０，３０及び昇降軸部３２，３２には、Ｚ軸軸部３０，３０及び昇降軸部３２，３２に装着されＺ軸軸部３０，３０及び昇降軸部３２，３２に沿って昇降可能な移動ユニット３４，３４が挿通されて配設されており、移動ユニット３４，３４は、水平方向に２本延設されたＸ軸軸部３１，３１によって連結されている。Ｘ軸軸部３１は、移動ユニット３４，３４を介してＺ軸軸部３０に沿って移動可能に配設されている。

図１及び図２に示すように、移動ユニット３４，３４の昇降軸部３２，３２に当接する箇所は昇降軸部３２のネジ溝に対応するネジ山が形成されていると共に、昇降軸部３２，３２の下端部には昇降軸部３２を回転させる昇降モータ３５，３５が設けられている。昇降モータ３５，３５はステッピングモータである。

一方の移動ユニット３４には、駆動歯車（図示せず）と前記駆動歯車を駆動するステッピングモータ（図示せず）が備えられており、他方の移動ユニット３４には、アイドラー歯車（図示せず）が設けられており、前記駆動歯車とアイドラー歯車とには１本のタイミングベルト（図示せず）が掛けられて、一体に動作するように形成されている。

ヘッド部１６は、下端部においてＸ軸軸部３１，３１に挿通されて摺動可能に形成されると共に、前記タイミングベルト（図示せず）に対して固定されており、タイミングベルトを介して前記駆動歯車とアイドラー歯車の間をＸ軸軸部３１に沿って水平移動可能に配設されている。

図１及び図２に示すように、造形テーブル部支持部２９，２９は、Ｘ軸軸部３１に対して水平方向に直交するＹ軸方向に沿って２本設けられており、両端部は下部フレーム部２７，２７に固定されている。造形テーブル部支持部２９，２９の長さ方向中央部の上面には、棒状に形成された軸受部４２がＸ軸軸部３１と平行に設けられている。

造形テーブル部支持部２９，２９には断面円形の軸状に形成された２本の造形テーブル部軸部４３，４３が固定されている。造形テーブル部軸部４３は、Ｘ軸軸部３１に水平方向に直交するＹ軸方向に沿って配設されており、長さ方向中央において造形テーブル部支持部２９に固定されている。

図１及び図２に示すように、造形テーブル部１７は、立体印刷物が形成される造形テーブル板部４４と造形テーブル板部４４の裏面から下方に向って突出する突出板部４５とを備えている。突出板部４５は、造形テーブル板部４４のＸ軸軸部３１に水平方向に直交するＹ軸方向において両端部に対向して設けられている。

図１及び図２に示すように、突出板部４５，４５には、造形テーブル部軸部４３，４３の外形よりもわずかに大きく形成された挿通孔部が形成され、造形テーブル部軸部４３，４３は突出板部４５，４５に形成された挿通孔部に挿通されて摺動可能に形成されている。従って造形テーブル部１７は、造形テーブル部軸部４３上をＹ軸方向に沿って移動可能に形成されている。

また、一方の造形テーブル部支持部２９には、駆動歯車（図示せず）を備えた造形テーブル部移動モータ３６が固定されており、造形テーブル部支持部２９の長さ方向において対向する位置にアイドラー歯車（図示せず）が回転可能に設置されている。造形テーブル部移動モータ３６はステッピングモータである。

前記駆動歯車及びアイドラー歯車（図示せず）は、１本のタイミングベルト（図示せず）が掛けられて、一体に動作するように形成されている。造形テーブル部１７は、前記タイミングベルトに固定されることにより、造形テーブル部支持部２９，２９に沿って移動可能に設けられ、Ｘ軸軸部３１に対して水平方向に直行するＹ軸方向に移動可能に配設されている。制御信号出力ケーブル３３は、昇降モータ３５、移動モータ（図示せず）、造形テーブル部移動モータ３６に其々接続されている。

図１及び図２に示すように、原料フィラメント収納部１８はフィラメントスプールにより形成され、円形のスプール部２３と脚部２４とを備え、スプール部２３は脚部２４に回動可能に固定されており、長尺の原料フィラメント２５が巻き付けられて収容されている。本実施の形態においては、フィラメントスプール１８は、印刷部本体１３とは別体に形成されている。また、原料フィラメント２５は熱可塑性ポリエーテルエステルエラストマーであり、直径１．７５ｍｍ±０．１ｍｍ、ショアＡ硬度は８７（ショアＤ硬度は３０）である。

図１及び図２に示すように、印刷部１２は、さらに原料フィラメント収容部１８とヘッド部１６との間にはヘッド部１６へと供給される原料フィラメント２５の搬送をガイドするガイド部１９とを備えており、ガイド部１９はチューブである。

図１及び図２に示すように、チューブ１９の先端部２０はヘッド部１６に固定されていると共に、後端部２１は印刷部本体１３の非移動部である立設フレーム部２８に固定され、全体が略逆Ｕ字状に湾曲して配設されており、原料フィラメント２５は、チューブ１９内に挿通されて搬送されるように形成されている。

図３に示すように、チューブ１９は、ショアＡ硬度が６３のオレフィン系エラストマーにより形成されたチューブ本体部２２を有している。チューブ本体部２２の内面には高密度ポリエチレン層５５が形成されている。内部に挿通された原料フィラメント２５と高密度ポリエチレン層５５との間にはチューブ空隙部６６が形成されている。

本実施の形態においては、高密度ポリエチレン層５５は、厚さ寸法２０μｍに形成されている。チューブ１９は、外径寸法５．７ｍｍ、内径寸法４ｍｍ、長さ寸法５０ｃｍに形成されている。

図４に示すように、ノズル部１５は、金属製であり、円筒形状に形成されている。ヒーター部１４は、熱電対であり略直方体に形成され、ノズル部１５の直径寸法よりもやや大きい直径寸法に形成された装着用孔部が厚さ方向に貫通して設けられており、ヒーター部１４は、装着用孔部にノズル部１５を挿入するようにしてノズル部１５の軸方向中央部位において、ネジ留めにより固定されている。ヘッド部１６内部には、原料フィラメント２５をノズル部１５へ供給するプーリ部３７が設けられている。

図４に示すように、ヘッド部１６は側面略正方形状のヘッド部本体部５６を有しており、プーリ部３７はヘッド部本体部５６に固定されており、ステッピングモータ（図示せず）により回転可能に形成されている。

ヘッド部１６の上面部３８には、チューブ１９の先端部２０を差込み固定することができる差込孔部３９を備えている。本実施の形態においては、差込孔部３９は、ヘッド部本体部５６に回動可能に固定された爪部４６の上面部３８に形成されており、チューブ１９の外形と略同一径寸法に形成されている。

図４に示すように、爪部４６は側面略「へ」の字形状に形成され、長辺側が上面部３８を形成している。差込孔部３９は、爪部４６の上下寸法の半分程度の深さまで形成されており、差込孔部３９から爪部４６下面にかけては、直径２ｍｍの円筒形状の孔部５１ａが形成されて貫通している。

孔部５１ａには直径２ｍｍのＰＴＦＥチューブからなる搬送ガイド４７が挿入固定されており、搬送ガイド４７はプーリ部３７の１ｍｍ近傍に至るまで延設されている。

図４に示すように、爪部４６は、短辺側の先端部５０にはアイドラープーリ４８を回動可能に有しており、アイドラープーリ４８は、プーリ部３７に隣接して配設され、アイドラープーリ４８とプーリ部３７とにより原料フィラメント２５を左右から挟持して搬送するように配置されている。

爪部４６は、頂点部５２には、厚さ方向に貫通して形成された軸ボルト孔部４９に挿通されるボルト（図示せず）を回転軸として回動可能に固定されており、長辺側の先端部５３には、下面をヘッド部本体部５６に支持されて長辺側の先端部５３を上面部３８側へ付勢するバネ５４が設けられている。

プーリ部３７とノズル部１５の間には、直径２ｍｍの孔部５１ｂが貫通して設けられており、プーリ部３７近傍からノズル部１５までの原料フィラメント２５の搬送をガイドするチューブからなるノズルガイド部４１が孔部５１ｂ内に挿入されて高さ方向に沿って配設されている。

本実施の形態においては、ノズルガイド部４１は、直径２ｍｍのＰＴＦＥチューブであり、ノズルガイド部４１の上端部５７とプーリ部３７との距離は１ｍｍである。

ノートパソコン１１より延設される制御信号出力ケーブル３３は、ヒーター部１４及びプーリ部３７を駆動するステッピングモータ（図示せず）へ接続されている。

図４及び図５に示すように、本実施の形態に係る３次元印刷装置１０は、ヘッド部１６の上面部３８に形成された差込孔部３９にチューブ１９の先端部２０が差し込まれて固定されると共に、チューブ１９の後端部２１は、立設フレーム２８に沿って固定されている。

本実施の形態においては、フィラメントスプール１８側の立設フレーム部２８には、高さ方向全体に亘って断面円形の係止孔部４０が形成されており、係止孔部４０は周方向の一部が外部と連通するように形成されている。チューブ１９の後端部２１は、係止孔部４０に嵌入されることにより固定されており、立設フレームの上面部５８から高さ方向中央付近まで嵌入されている。

図１及び図２に示すように、チューブ１９は、立設フレームの上面部５８からヘッド部１６の上面部３８にかけて略逆Ｕ字状に湾曲して形成されている。

以下、本実施の形態に係る３次元印刷装置１０の作用について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る３次元印刷装置１０は、以上のような構成を備えていることから、利用する際には、図１及び図２に示すように、事前にノートパソコン１１に、制御用ソフトウェアをインストールすると共に、フィラメントスプール１８に原料フィラメント２５を設置する。原料フィラメント２５はチューブ１９内方を通じてヘッド部１６ノズル部１５まで挿入される。

ノートパソコン１１を起動して、目的とする立体造形物の３次元図面を設定すると共にヒーター部１４の温度、印刷速度、印刷ピッチ等を入力する。前記制御用ソフトウェアによって立体造形物を製作するためのヘッド部１６の動作が演算され、昇降モータ３５、移動モータ（図示せず）、造形テーブル部移動モータ３６、プーリ部３７を回転させるステッピングモータ（図示せず）及びヒーター１４への動作及び温度に関する制御信号が出力されることにより印刷が開始される。

以下、印刷の際のヘッド部１６の動作について図面を用いて説明する。
図１及び図２に示すように、昇降モータ３５，３５を回転させることにより、昇降軸部３２に形成されたネジ溝と、移動ユニット３４に形成されたネジ山とが互いに摺動して移動ユニット３４，３４をＺ軸軸部３０に沿って移動させることができる。

続いて、一方の移動ユニット３４に設けられた移動モータ（図示せず）を回転させることにより、駆動歯車（図示せず）が回転し、タイミングベルト（図示せず）が動作することにより、前記タイミングベルトに固定されているヘッド部１６は、Ｘ軸軸部３１に沿って移動させることができる。

さらに、造形テーブル部移動モータ３６を回転させることにより、駆動歯車（図示せず）が回転し、タイミングベルト（図示せず）が動作することにより、前記タイミングベルトに固定されている造形テーブル部１７は、Ｘ軸軸部３１に水平方向に直交するＹ軸方向に沿って移動させることができる。

以上の動作を組合わせることにより、ヘッド部１６は造形テーブル部１７上を３次元方向に移動可能である。

以下、印刷の際の原料フィラメント２５の搬送について図面を用いて説明する。

図４に示すように、原料フィラメント２５はフィラメント樹脂の溶融温度以上に設定及び昇温されたヒーター部１４において溶融される。プーリ部３７はステッピングモータにより駆動され反時計周りに回転する。

図４に示すように、ヘッド部１６内部のプーリ部３７からノズル部１５にかけての搬送は、プーリ部３７の原料フィラメント２５との当接点下方１ｍｍの位置からノズルガイド部４１によってガイドされており、プーリ部３７からノズル部１５に搬送される箇所にて原料フィラメント２５が屈曲して詰まりを発生することを防止することができる。

また、ノズル部１５への原料フィラメント２５の供給の際、爪部４６はバネ５４により上面部３８側に付勢されているため、軸ボルト孔部４９に挿通される軸ボルトを回動軸として、アイドラープーリ４８はプーリ部３７側へと押圧される。

従って、プーリ部３７は空回りせずに原料フィラメント２５をノズル部１５へと供給することができる。また、図１及び図２に示すように、フィラメントスプール１８側においては、フィラメントスプール１８が自由回転することにより、ノズル部１５へと供給された分の原料フィラメント２５が引き出される。

ヒーター１４により加熱された溶融状態の原料フィラメント２５は、造形テーブル部１７上にノズル部１５の下端部６７より吐出される。その際、ヘッド部１６と造形テーブル部１７の３次元の動作により層状に立体印刷物が形成されていく。

図６（ｂ）に示すように、チューブ本体部２２は、ショアＡ硬度が６３のオレフィン系エラストマーにより形成されていることから、印刷の際にヘッド部１６の移動に柔軟に追従すると共に、ヘッド部１６が立設フレーム２８側に最も近くに位置した際にもチューブ１９に屈曲が発生することを防止することができる。

また、図６（ａ）に示すように、チューブ１９は、軟質フィラメントに近い柔軟性を備えるため、チューブ１９とチューブ１９内を挿通する原料フィラメント２５との曲率半径の差の発生を抑制することができる。

曲率半径の差が小さいため、チューブ１９内面に原料フィラメント２５が接することがない又は強く接触することがない。従って、チューブ１９内面と原料フィラメント２５との接触による大きな摩擦抵抗を生じることはないため、原料フィラメント２５は安定的に搬送及び供給される。

図３に示すように、チューブ本体部２２の内面には高密度ポリエチレン層５５が形成されていることから、チューブ１９としては、チューブ本体部２２の柔軟性を維持しながら、チューブ１９の内面の滑り性を確保することができる。

また、チューブ１９の外周面はオレフィン系エラストマーによって形成されていることから、グリップ性があり、チューブ１９の先端部２０をヘッド部１６の差込孔部３９に差込固定するのみであっても外れて脱落することを抑制することができる。

本願発明者は、本実施の形態に係る３次元印刷装置１０を用いて印刷試験を行った。以下、印刷試験の詳細を説明する。

〈比較例〉
本実施の形態に係る３次元印刷装置１０のガイド（チューブ）１９について、従来より用いられているＰＴＦＥ素材のチューブであり、ショアＤ硬度が５０〜６０、外径寸法５．５〜６ｍｍ、内径寸法４〜４．５ｍｍ、長さ寸法５０ｃｍを用いたものである。
〈実施例〉
本実施の形態に係る３次元印刷装置１０のとおりの構成を備えているものである。

〈実験条件〉
ヒーター部１４の設定温度：２１０〜２２０度
印刷速度：２０〜５０ｍｍ／ｓ
印刷ピッチ：０．１または０．２ｍｍ
原料フィラメント２５に用いた熱可塑性ポリエーテルエステルエラストマーは、直径１．７５ｍｍ±０．１ｍｍ、ショアＡ硬度は８７（ショアＤ硬度は３０）の東レ・デュポン株式会社製のハイトレル（登録商標）を用いている。
連続印刷時間：印刷所要時間として３０分〜２時間程度かかる立体印刷物を複数回に亘って印刷した。

〈結果〉
比較例における印刷試験では、複数回に亘って連続印刷を行ったが、連続印刷時間３０分〜２時間にてＰＴＦＥ素材のチューブ内において原料フィラメント２５の供給不良が生じ、立体印刷物の印刷不良が発生することがあった。また、印刷途中のヘッド部１６の移動により、チューブが差込孔部３９から外れてしまい印刷不良が発生する事例があった。

また、印刷ピッチを０．１ｍｍとして精度を上げた場合には、前記の印刷不良が発生する確率が高くなった。

実施例における印刷試験では、印刷所要時間として３０分〜２時間程度かかる立体印刷物を１００個以上印刷したが、差込孔部３９からチューブ１９が外れてしまう事例やチューブ１９内方にて原料フィラメント２５が摩擦により拘束され供給不良が発生するという事例の発生はなく、これに起因して成形不良となったものはなかった。

前記実施の形態においては、データ処理部は印刷部とは別体に設けられたノートパソコンである例を説明したが、これに限定されることはなく、印刷部に組み込まれて一体に形成されていても良い。

前記実施の形態においては、チューブ本体部はショアＡ硬度が６３のものを使用したが、これに限定されることはなく、ショアＤ硬度が５０未満の素材又はショアＡ硬度が９０以下の素材であれば良い。

チューブ本体部は、原料フィラメントよりも外径が大きいことから、同じ硬度の場合、原料フィラメントの方が曲率半径が大きくなってしまう。従って、原料フィラメントとの曲率半径を近似させるためには、チューブ本体部を構成する素材のショアＡ硬度及びショアＤ硬度は、使用する原料フィラメントよりも一定割合小さいことが好ましい。特にショアＡ硬度８０〜９０の原料フィラメントに対しては、チューブ本体部はショアＡ硬度５６〜６３程度の素材から形成することが好ましい。

前記実施の形態においては、チューブの後端部は立設フレームに沿って配設された係止孔部に嵌入して固定する例を説明したが、これに限定されることはなく、例えば、チューブを通じることができる孔部と、上部、下部、立設の各フレーム部の面に対して係止可能な係止部又は接着可能な接着層部を有するガイド部材を用いて固定しても良い。

さらに、ガイド部材の孔部にチューブの湾曲を補助するため予め緩やかな湾曲を形成しておくことにより、例えば、チューブが各フレーム部の角に接触して屈曲してしまう事態を低減することができる。

本発明に係る３次元印刷装置は、より硬度の小さい樹脂やゴムの立体印刷物を製作することができ、製造販売することにより、物品の試作等において広く利用することができるため産業上利用可能性を有している。

１０ ３次元印刷装置
１１ データ処理部（ノートパソコン）
１２ 印刷部
１３ 印刷部本体
１４ ヒーター部
１５ ノズル部
１６ ヘッド部
１７ 造形テーブル部
１８ 原料フィラメント収容部（フィラメントスプール）
１９ ガイド部（チューブ）
２０ 先端部
２１ 後端部
２２ チューブ本体部
２３ スプール部
２４ 脚部
２５ 原料フィラメント
２６ 上部フレーム部
２７ 下部フレーム部
２８ 立設フレーム部（非移動部）
２９ 造形テーブル部支持部
３０ Ｚ軸軸部
３１ Ｘ軸軸部
３２ 昇降軸部
３３ 制御信号出力ケーブル
３４ 移動ユニット
３５ 昇降モータ
３６ 造形テーブル部移動モータ
３７ プーリ部
３８ 上面部
３９ 差込孔部
４０ 係止孔部
４１ ノズルガイド部
４２ 軸受部
４３ 造形テーブル部軸部
４４ 造形テーブル板部
４５ 突出板部
４６ 爪部
４７ 搬送ガイド
４８ アイドラープーリ
４９ 軸ボルト孔部
５０ 短辺側の先端部
５１ａ、５１ｂ 孔部
５２ 頂点部
５３ 長辺側の先端部
５４ バネ
５５ 高密度ポリエチレン層
５６ ヘッド部本体部
５７ 上端部
５８ 立設フレーム部の上面部
６０ 搬送チューブ
６１ フィラメント
６２ ヘッド部
６３ 屈曲部
６４ 強接点
６５ 枠部
６６ チューブ空隙部
６７ 下端部

Claims (8)

1. データ処理部と前記データ処理部より供給される制御信号に基づいて３次元印刷を行う印刷部とから構成され、
   前記印刷部は、印刷部本体と、前記印刷部本体に移動可能に設けられヒーター部及びノズル部を備えたヘッド部と、前記ノズル部より溶解された原料フィラメントが吐出されて印刷物が形成される造形テーブル部と、前記原料フィラメントを収容する原料フィラメント収容部と、前記原料フィラメント収容部と前記ヘッド部との間には前記ヘッド部へと供給される原料フィラメントの搬送をガイドするガイド部とを備えた熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用した３次元印刷装置であって、
   前記ガイド部は、チューブであり、前記チューブの先端部は前記ヘッド部に固定されていると共に、後端部は前記印刷部本体の非移動部に固定され、全体が湾曲して配設されており、前記原料フィラメントは、前記チューブ内に挿通されて搬送されるように形成されており、
   前記チューブは、ショアＤ硬度が５０未満の素材又はショアＡ硬度が９０以下の素材により形成されたチューブ本体部を有し、前記チューブ本体部の内面には高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層が形成されていることを特徴とする３次元印刷装置。
2. 前記チューブ本体部は、前記ショアＡ硬度が９０以下の素材により形成され、ショアＡ硬度が９０以下のポリオレフィン系エラストマーであることを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷装置。
3. 前記高密度ポリエチレン層又は超高密度ポリエチレン層は、厚さ寸法１０μｍ〜１００μｍに形成されていることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の３次元印刷装置。
4. 前記印刷部本体は、高さ方向に沿って配設されたＺ軸軸部と、平面方向に沿って配設されたＸ軸軸部とを備え、前記Ｘ軸軸部は、前記Ｚ軸軸部に沿って移動可能に配設されていると共に、前記ヘッド部は、前記Ｘ軸軸部に沿って移動可能に配設されており、前記造形テーブル部は、前記Ｘ軸軸部に対して平面方向に直行するＹ軸方向に移動可能に配設されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の３次元印刷装置。
5. 前記印刷部本体は、上部フレーム部、下部フレーム部及び立設フレーム部により全体略直方体の枠状に形成されており、前記Ｚ軸軸部の端部は、上部フレーム部及び下部フレーム部に其々固定されており、前記原料フィラメント収納部は前記印刷部本体とは別体に形成されたフィラメントスプールであることを特徴とする請求項４に記載の３次元印刷装置。
6. 前記ヒーター部は、前記ノズル部の径方向外方に固定されて配設されており、前記ヘッド部内部には、前記原料フィラメントを前記ノズル部へ供給するプーリ部が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の３次元印刷装置。
7. 前記チューブは、全体略逆Ｕ字状に形成されていると共に、前記ヘッド部の上面部には、前記チューブの先端部を差込み固定することができる差込孔部を備え、前記差込孔部に前記チューブの先端部が差し込まれて固定されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷装置。
8. 前記プーリ部と前記ノズル部の間には前記原料フィラメントの搬送をガイドするチューブからなるノズルガイド部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の３次元印刷装置。