JP2017226157A - ３次元プリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】造形ステージを具備する昇降板を常時安定させつつ略垂直に昇降させ、優れた造形精度を有する３次元プリンタを提供する。【解決手段】水平方向に動作するヘッド３と、造形ステージを有し、垂直方向に昇降する昇降板１５と、所定の間隔で垂直方向に延びるように配置された４本のガイドシャフト１３と、前記ヘッド３に材料を供給するためのチューブを介して前記ヘッド３に接続されたエクストルーダ２３と、を具備し、前記昇降板１５は、４本の前記ガイドシャフト１５によって垂直方向に昇降可能に支持され、前記エクストルーダ２３は、垂直方向に対して傾斜している回転軸を中心に回転可能な回転台に配置されていること、を特徴とする３次元プリンタ１。【選択図】図２

Description

本発明は、高精度の造形を可能とする３次元プリンタに関する。

従来、通常の紙面に対して２次元の平面印刷を行うプリンタが幅広い分野で使用されてきたが、現代では３次元ＣＡＤや３次元コンピュータグラフィックス等を元データにして３次元の立体オブジェクト（造形物）を造形する３次元プリンタが開発され、種々の製造現場や試作現場等で活用されている（例えば特許文献１参照）。

当該３次元プリンタは、樹脂材料又は金属材料を用いて造形するものであるが、熱溶解積層方式と、インクジェット方式と、光造形方式と、における概ね３種の方式が用いられている。特に熱溶解積層方式は、構成や部品が比較的簡素で低コストとなるため、現状では多くの３次元プリンタに採用されている。具体的な構造としては、材料の供給部と、該材料の溶解及び射出を行うヘッドと、で構成されており、供給部から供給された材料をヘッドが溶解させつつ押し出し、徐々に積層させて立体オブジェクトの造形を達成するものである。なお、熱溶解積層方式の３次元プリンタは、ヘッドが水平方向における移動を行い、造形を行うための造形ステージ又は該造形ステージを具備する他の部品が昇降して垂直方向の移動を行うものが主流である。

特開２０１５−１９３１２３号公報

しかしながら、従来の３次元プリンタでは、造形ステージ又は該造形ステージを具備する他の部品は、昇降を行うための構造に不安定な機構が用いられているため、安定して水平を維持することができず、造形中に傾いてしまうおそれがあった。造形ステージ又は該造形ステージを具備する他の部品が造形中に傾いてしまうと、造形に用いるデータの座標と、造形途中の立体オブジェクトの座標と、に狂いが生じてしまい、寸法誤差が発生して造形精度が著しく低下してしまう問題があった。

ここで、造形ステージ又は該造形ステージを具備する他の部品における、昇降を行うための構造に着目すると、昇降を行うためのガイドとなる垂直に配置されたシャフトが２本しか具備されておらず、当該シャフトを離間して配置しても支持点が少ないことは明らかであり、未だ改善の余地があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みて創作されたものであり、造形ステージを具備する昇降板を常時安定させつつ略垂直に昇降させ、優れた造形精度を有する３次元プリンタを提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は、
水平方向に動作するヘッド３と、
造形ステージを有し、垂直方向に昇降する昇降板１５と、
所定の間隔で垂直方向に延びるように配置された４本のガイドシャフト１３と、
前記ヘッド３に材料を供給するためのチューブを介して前記ヘッド３に接続されたエクストルーダ２３と、を具備し、
前記昇降板１５は、４本の前記ガイドシャフト１５によって垂直方向に昇降可能に支持され、
前記エクストルーダ２３は、垂直方向に対して傾斜している回転軸を中心に回転可能な回転台に配置されていること、
を特徴とする３次元プリンタ１を提供する。

このような構成を有する本発明の３次元プリンタ１においては、前記昇降板１５が、４本の前記ガイドシャフト１５によって垂直方向に昇降可能に支持されていることから、昇降板１５を水平方向にブレることなく昇降させることができる。また、エクストルーダ２３が、垂直方向に対して傾斜している回転軸を中心に回転可能な回転台に配置されているため、前記ヘッド３に材料を供給するために、前記ヘッド３及び前記エクストルーダ２３を接続するチューブの撓みや引っ張りによる前記ヘッド３への影響を抑制することができる。そして、これらにより優れた造形精度を実現することができる。

本発明の一実施形態をより詳細に説明すると、本発明は、
水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に動作するヘッド３と垂直方向（Ｚ方向）に昇降する昇降板１５とを有し、例えばラピッドプロトタイピング法による造形を達成する３次元プリンタ１であって、
前記ヘッド３を動作させるためのヘッド動作構成部５と、４本のガイドシャフト１３と、前記昇降板１５を昇降させるための２つの昇降構成部１７と、エクストルーダ２３と、部品固定板２５と、本体部２９と、を具備し、
前記部品固定板２５は、前記２つの昇降構成部１７と、エクストルーダ２３と、を具備し、前記本体部２９を構成する底面板２９Ｆと略平行にしつつ前記本体部２９の内部上方に固定され、
４本の前記ガイドシャフト１３は、所定の間隔を保持しつつ、端部が前記部品固定板２５の下面と、前記底面板３９の上面と、にそれぞれ固定され、
前記昇降板１５は、所定の間隔で設けた４つのガイド孔３１それぞれに４本の前記ガイドシャフト１５を通しつつ、前記２つの昇降構成部１７の送りねじ１７Ａにおける固定ナット３３を固定され、
前記ヘッド動作構成部５は、前記ヘッド３を固定しつつ、当該ヘッド動作構成部５のＹ軸シャフト５Ｅ又はＸ軸シャフト５Ｄの端部が、前記本体部２９を構成する左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、に固定され、
前記２つの昇降構成部１７の動作により、前記昇降板１５を、４つの前記ガイド孔３１と、４本の前記ガイドシャフト１３と、を摺動させつつ昇降すること、
を特徴とする３次元プリンタ１を提供する。

このような構成を有する本発明の３次元プリンタ１は、ヘッド動作構成部５によってヘッド３のＸ方向及びＹ方向における水平動作を可能とし、昇降構成部１７によって造形ステージ３７を有する昇降板１５のＺ方向における垂直昇降を可能としている。ヘッド動作構成部５は、Ｘ軸操作部５Ｂの内部と、Ｙ軸操作部５Ｃの内部と、のそれぞれに載置されたモータを駆動源としており、Ｘ軸操作部５Ｂは、２本のＸ軸シャフト５Ｄを内部に通過させつつ、当該Ｘ軸操作部５Ｂと、２本のＸ軸シャフト５Ｄと、が互いに摺動可能に勘合されている。Ｙ軸シャフト５Ｅを本体部２９に固定する場合、２本のＸ軸シャフト５Ｄそれぞれにおける両端は、２つのＹ軸操作部５Ｃに固定され、当該２つのＹ軸操作部５Ｃ間の距離範囲でＸ軸操作部５Ｂが動作する。また、２つのＹ軸操作部５Ｃは、それぞれの内部に１本ずつＹ軸シャフト５Ｅを通過させ、当該それぞれのＹ軸操作部５Ｃと、それぞれのＹ軸シャフト５Ｅと、が互いに摺動可能に勘合される。２本のＹ軸シャフト５Ｅそれぞれにおける両端は、本体部２９を構成する前面化粧板２９Ａと、背面板２９Ｅと、に固定され、当該前面化粧板２９Ａと、背面板２９Ｅと、の間における距離範囲で２つのＹ軸操作部５Ｃが動作する。

昇降板１５は、略４隅に配置された筒状のガイド孔３１を備えており、４本のガイドシャフト１３それぞれを当該ガイド孔３１に通過させつつ、昇降板１５と、４本のガイドシャフト１３と、が互いに摺動可能に勘合している。また、４本のガイドシャフト１３は、それぞれの端部を部品固定板２５の下面と、底面板２９Ｆの上面と、に固定している。即ち、ガイドシャフト１３はそれぞれ３次元プリンタ１の本体に固定されていることになり、安定性に富んでいる。

２つの昇降構成部１７は、それぞれに具備されたステッピングモータ１７Ｂを部品固定板２５に所定の間隔を設けて固定し、当該ステッピングモータ２５の回転軸に接続された送りねじ１７Ａにおけるステッピングモータ２５とは反対方向の先端部側を昇降板１５に貫通させつつ底面板２９Ｆに当接しつつ回転可能に固定する。また、送りねじ１７Ａと、昇降板１５と、の接点部には固定ナット１７Ｃが具備され、当該固定ナット１７Ｃに送りねじ１７Ａを螺子勘合で通過させつつ、固定ナット１７Ｃの上面と、昇降板１５の下面と、を固定する。これにより、ステッピングモータ１７Ｂの回転軸と共に送りねじ１７Ａを回転させることができ、当該送りねじ１７Ａに螺子勘合した固定ナット１７Ｃが、該固定ナット１７Ｃと固定された昇降板１５と共に上昇又は下降させることが可能となる。

昇降構成部１７が具備するステッピングモータ１７Ｂの回転方向及び回転スピード等を操作することで造形中に必要な昇降板１７におけるＺ方向の昇降を制御することが可能となる。また、昇降板１５は、４本のガイドシャフト１３がそれぞれ略４隅に配置された筒状のガイド孔３１に摺動可能な状態で通過していることから、一方向等における不安定な片持ち状態とならず、４本のガイドシャフト１３それぞれが略均等に当該昇降板１５を支持する。このため、昇降構成部１７は昇降板１５を常時安定させつつ略垂直に昇降させることが可能となり、昇降板１５の傾斜を防止して造形精度を大きく向上させることができる。

また、本発明の３次元プリンタ１においては、前記エクストルーダ２３が、回転軸を中心に回転可能な回転台３５の上面に固定されていることが望ましい。また、前記回転台３５における回転天板３５Ａの上面が傾斜していることが望ましい。

このような構成を有する本発明の３次元プリンタ１は、回転台３５が回転することにより、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂにおける方向及び傾きを変更することができる。回転台３５は、回転天板３５Ａと、回転底板３５Ｂと、の間に回転機構３５Ｃを挟んで構成されることで当該回転機構３５Ｃの回転軸を中心に回転することができる。また、回転天板３５Ａの下面及び回転底板３５Ｂの上面は所定の角度で傾斜しており、回転によって回転天板３５Ａと、回転底板３５Ｂと、における角度関係が変化する構造となっている。エクストルーダ２３は、回転台２５の回転天板３５Ａに固定した状態で、当該回転台２５の回転底板３５Ｂにおける下面を部品固定板２５の上面に固定しているため、造形中におけるヘッド３の移動に伴う供給孔５９と、ヘッド３と、を接続したチューブ６１の引張り又は押し戻し等が発生しても、回転台２３によりエクストルーダ２３が回転し、押し出し部２３Ｂの位置及び角度が変化してチューブ６１高テンション及び折れ曲がり等を防止することができる。

また、本発明の３次元プリンタ１においては、前記昇降板１５が、発熱部３９を有する造形ステージを具備することが望ましい。

このような構成を有する本発明の３次元プリンタ１は、造形ステージ３７と、昇降板１５と、の間にヒータ線（塩ビコードヒータ線やシリコンコードヒータ線）等により構成された発熱部３９が備わっており、該発熱部３９を用いて造形ステージ３７の温度を一定に保つことができる。これにより、造形中におけるヘッド３から射出された溶解後の樹脂材料４１を比較的緩やかに温度を下降させることができ、硬化時に意図しない変形や反り等を防止することが可能となる。

本実施形態に係る３次元プリンタ１の概要を示す斜視図である。 本実施形態に係る３次元プリンタ１の構成を示す斜視図である。 図２におけるヘッド動作構成部５の詳細を示した斜視図である。 図２における昇降板１５及び昇降構成部１７の詳細を示した斜視図である。 図２におけるエクストルーダ２３が回転台３５により回転を行う経過を示した図であって、図５（ａ）は、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂが右方向に向いた状態を示す側面図であり、図５（ｂ）は、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂが前方向に向いた状態を示す側面図であり、図５（ｃ）は、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂが右左向に向いた状態を示す側面図である。

以下、本発明に係る３次元プリンタ１の一実施形態を、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明は図示されるものに限られず、また、各図面は本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために、必要に応じて寸法、比又は数を誇張又は簡略化して表している場合もある。更に、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。

図１を用いて本実施形態の３次元プリンタ１における概要を説明する。
図１は、本実施形態に係る３次元プリンタ１の概要を示す斜視図である。本実施形態の３次元プリンタ１は、樹脂材料４１によって形成された線材（フィラメントとも称する。）等を加熱して溶解し、例えばラピッドプロトタイピング法で所望の形状における造形物の造形を達成するものである。本実施形態の３次元プリンタ１は、高精度の造形を可能とする内部構造を有しつつ、比較的コンパクトなサイズで構成されていることから、従来の一般的な３次元プリンタ等（３次元プリンタ等）と比して、性能及び取り扱い性の両立を達成している。また、造形時に用いるデータ（３次元ＣＡＤや３次元コンピュータグラフィックス等で作成された立体モデリングデータ）は、外部において接続したコンピュータ１００等を用いて作成及び送信を行うことが好ましく、さらに本実施形態の３次元プリンタ１における主要な操作部を兼任させてもよい。

次に、図２を用いて本実施形態の３次元プリンタ１における構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る３次元プリンタ１の構成を示す斜視図である。図２に示すとおり、本実施形態の３次元プリンタ１は、概ね本３次元プリンタ１の最外部を構成する略四角柱の本体部２９と、種々における部品の載置及び本体部２９の剛性を高めるための部品固定板２５と、樹脂材料４１を溶解し、該溶解した樹脂材料４１を所望の座標に射出するヘッド３と、該ヘッド３のＸ方向及びＹ方向における動作を可能とする機構を備えたヘッド動作構成部５と、造形を行う台座となる造形ステージ３７と、当該造形ステージ３７のＺ方向における昇降を可能とする機構を備えた昇降機構部１７と、本３次元プリンタ１における電子的制御及びその他電子的情報通信等を行う電子基板２１と、ヘッド３に対する樹脂材料４１の供給及び供給速度の調整を行うエクストルーダ２３と、該エクストルーダ２３と部品固定板２５と、の間に載置される回転台３５と、外部から供給された電源の変圧を行う電源装置２７と、から構成されている。

本体部２９は、概ね前面化粧板２９Ａと、左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、天面化粧板２９Ｄと、背面板２９Ｅと、底面板２９Ｆと、から構成されている。当該本体部２９は、本実施形態の３次元プリンタ１における最外面となるため、意匠性を持たせることが好ましい。本３次元プリンタ１を一般的なスペースに配置した場合、特に前面化粧板２９Ａと、左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、天面化粧板２９Ｄと、は視線が当接するため、これら４種の板は塗装やヘアライン等のテクスチャ付与を施すことが望ましい。

前面化粧板２９Ａと、左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、天面化粧板２９Ｄと、背面板２９Ｅと、底面板２９Ｆと、は、一部に互いを接合させるための接合代を有し、該接合代を用いて螺子接合（リベット勘合を含む）や溶接接合により本体部２９を構成している。具体的には、前面化粧板２９Ａと、背面板２９Ｅと、を対面させ、左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、を対面させて当該４側面を立設させつつ、該４側面の下方を底面板２９Ｆで閉壁した構成となる。また、天面化粧板２９Ｄは４側面の上方において固定されてもよいが、本体部２９内部におけるメンテナンス等を容易に行うため、着脱可能な天蓋として構成されることが好ましい。

前面化粧板２９Ａは、意匠性を付与するための塗装等が施されており、略中央に開き戸となる前面扉４３を具備し、当該前面扉４３を開扉することで外部と、本実施形態の３次元プリンタ１内部と、を連通することができる。ユーザは、当該表面扉４３を介して本３次元プリンタ１内部に手を挿入することができ、造形物の出し入れ等を行うことが可能となる。また、前面化粧板２９Ａは、上方部に傾斜面を有しており、当該傾斜部には操作部及び／又は表示部４７が備わっている。当該操作部及び／又は表示部４７は、本３次元プリンタ１における各種情報の表示及び／又は操作を行うためのものであって、傾斜面に載置されることでユーザの目線と交差して視認性の向上が図られている。

左面化粧板２９Ｂ及び右面化粧板２９Ｃは、略同形であるが意匠性を付与するための塗装等が互いに反対の面に施されている。また、当該左面化粧板２９Ｂ及び右面化粧板２９Ｃの上方における一方の頂点近傍は、前面化粧板２９Ａの傾斜面の傾斜に合わせた面取りが施されており、前面化粧板２９Ａと勘合させた際に、該前面化粧板２９Ａと、左面化粧板２９Ｂ及び右面化粧板２９Ｃと、において互いの形状が合致するよう形成されている。

なお、上記の前面扉４３と、左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、にはそれぞれ透過性を有する透過部４５が備わっており、ユーザは該透過部４５を介して本実施形態の３次元プリンタ１内部を視認することが可能となる。透過部４５は、所定の透過性及び耐熱性を有する硝子や樹脂等で構成されることが望ましい。

天面化粧板２９Ｄは、意匠性を付与するための塗装等が施され、所定の位置に開口４９が設けられている。当該開口４９は、外部から樹脂材料４１を供給するためのものであって、例えば当該樹脂材料４１が巻芯を有する線材である場合、外部に巻芯を固定した状態で解いた線材を当該開口４９から本実施形態の３次元プリンタ１内部に供給してもよいし、線材を巻芯ごと当該開口４９から本３次元プリンタ１内部に挿入し、該内部に別途設けた固定部（図示なし）等に固定して供給してもよい。

背面板２９Ｅ及び底面板２９Ｆは、本実施形態の３次元プリンタ１を設置した際に、視線が当接しにくいため、意匠性を付与する必要性はないが、防錆性を有する材料以外で形成する場合は防錆を目的とした塗装を施すことが好ましい。また、本実施形態においては、背面板２９Ｅの内面側に電源装置２７を固定している。

部品固定板２５は、略中央に所定のサイズにおける連通孔５１を備えた板であり、本体部２９の内部上方において底面板２９Ｆと略平行に配置されている。また、当該部品固定板２５は、本体部２９における４側面を構成する前面化粧板２９Ａと、左面化粧板２９Ｂと、右面化粧板２９Ｃと、背面板２９Ｅと、のぞれぞれと略鉛直に接合されている。このため、本体部２９における４側面はさらに剛性が向上し、より強固な接合が達成される。さらに、当該部品固定板２５は上面に２つの昇降構成部１７と、電子基板２１と、回転台３５と、が固定される。

ヘッド３は、エクストルーダ２３から供給された樹脂材料４１を溶解しつつ所定の座標に溶解後の当該樹脂材料４１を射出するものであって、ヘッド動作構成部５が具備するヘッド固定部５Ａに固定される。ヘッド３による具体的な樹脂材料４１の溶解及び射出機構は、当該ヘッド３の上方から供給された樹脂材料４１をヘッド３の内部を通過させつつ加熱して溶解する。さらに、エクストルーダ２３が所定量の供給を続けることによって、溶解した樹脂材料４１がヘッド３の下方部先端から外部へ押し出され、所定の座標に射出されるものである。

ヘッド３は、上記のとおり樹脂材料４１を溶解するため非常に高温となる。このため、当該ヘッド３には冷却機構５３を備えることが好ましく、当該冷却機構５３には熱交換効率の高い放熱フィン及びケースファン等を組み合わせたものが望ましい。

次に、図３を用いてヘッド動作構成部５の詳細について説明する。
図３は、ヘッド動作構成部５の詳細を示した斜視図である。図３に示したとおり、ヘッド動作構成部５は、概ねヘッド固定部５Ａと、Ｘ軸操作部５Ｂと、２つのＹ軸操作部５Ｃと、２本のＸ軸シャフト５Ｄと、２本のＹ軸シャフト５Ｅと、によって構成されている。当該ヘッド動作構成部５は、本実施形態の３次元プリンタ１を用いた造形中におけるヘッド３のＸ方向及びＹ方向の動作を行うものであって、Ｘ軸操作部５Ｂの内部と、Ｙ軸操作部５Ｃの内部と、のそれぞれに載置されたモータを駆動源としている。Ｘ軸操作部５Ｂは、２本のＸ軸シャフト５Ｄを内部に通過させつつ、当該Ｘ軸操作部５Ｂと、２本のＸ軸シャフト５Ｄと、が互いに摺動可能に勘合されている。２本のＸ軸シャフト５Ｄそれぞれにおける両端は、２つのＹ軸操作部５Ｃに固定されており、当該２つのＹ軸操作部５Ｃ間の距離範囲でＸ軸操作部５Ｂが動作することになる。また、２つのＹ軸操作部５Ｃは、それぞれの内部に１本ずつＹ軸シャフト５Ｅを通過させつつ、当該それぞれのＹ軸操作部５Ｃと、それぞれのＹ軸シャフト５Ｅと、が互いに摺動可能に勘合されている。２本のＹ軸シャフト５Ｅそれぞれにおける両端は、前面化粧板２９Ａと、背面板２９Ｅと、に固定されており、当該前面化粧板２９Ａと、背面板２９Ｅと、の間における距離範囲で２つのＹ軸操作部５Ｃが動作することになる。なお、ヘッド固定部５Ａは、Ｘ軸操作部５Ｂに取付けられている。

次に、図４を用いて昇降板１５及び昇降構成部１７の詳細について説明する。
図４は、昇降板１５及び昇降構成部１７の詳細を示した斜視図である。図４に示したとおり、昇降板１５は、概ね４つのガイド孔３１と、造形ステージ３７と、発熱部３９と、を具備しており、昇降構成部１７は、概ね送りねじ１７Ａと、ステッピングモータ１７Ｂと、固定ナット１７Ｃと、から構成されている。昇降板１５は、本実施形態の３次元プリンタ１を用いた造形中においてＺ方向に昇降するものであって、当該昇降板１５の上面には造形を行うための台座となる造形ステージ３７が備わっている。また、造形ステージ３７と、昇降板１５と、の間にはヒータ線（塩ビコードヒータ線やシリコンコードヒータ線）等により構成された発熱部３９が備わっており、該発熱部３９を用いて造形ステージ３７の温度を一定に保つことができる。これにより、造形中におけるヘッド３から射出された溶解後の樹脂材料４１を比較的緩やかに温度を下降させることができ、硬化時に意図しない変形や反り等を防止することが可能となる。さらに昇降板１５は、略４隅に配置された筒状のガイド孔３１を備えており、４本のガイドシャフト１３それぞれを当該ガイド孔３１に通過させつつ、昇降板１５と、４本のガイドシャフト１３と、が互いに摺動可能に勘合されている（すなわち、昇降板１５は、垂直方向に昇降することができ水平方向に動かない（ブレない）態様で４本のガイドシャフト１３に支持されている。）。また、４本のガイドシャフト１３は、それぞれの端部を部品固定板２５の下面と、底面板２９Ｆの上面と、に固定している。昇降板１５は、後述する２つの昇降構成部１７が具備するステッピングモータ１７Ｂを駆動源としている。

２つの昇降構成部１７は、それぞれに具備されたステッピングモータ１７Ｂを部品固定板２５に所定の間隔を設けて固定し、当該ステッピングモータ２５の回転軸に接続された送りねじ１７Ａにおけるステッピングモータ２５とは反対方向の先端部側を昇降板１５に貫通させつつ底面板２９Ｆに当接しつつ回転可能に固定している。また、送りねじ１７Ａと、昇降板１５と、の接点部には固定ナット１７Ｃが具備され、当該固定ナット１７Ｃに送りねじ１７Ａを螺子勘合で通過させつつ、固定ナット１７Ｃの上面と、昇降板１５の下面と、を固定している。これにより、ステッピングモータ１７Ｂの回転軸と共に送りねじ１７Ａを回転させることができ、当該送りねじ１７Ａに螺子勘合した固定ナット１７Ｃが、該固定ナット１７Ｃと固定された昇降板１５と共に上昇又は下降させることが可能となる。

上記のように、２つの昇降構成部１７と、昇降板１５と、底面板２９Ｆと、を構成することにより、当該昇降構成部１７が具備するステッピングモータ１７Ｂの回転方向及び回転スピード等の操作で造形中に必要な昇降板１７におけるＺ方向の昇降を制御することが可能となる。また、昇降板１５は、４本のガイドシャフト１３がそれぞれ略４隅に配置された筒状のガイド孔３１に摺動可能な状態で通過していることから、一方向等における片持ち状態とならず、４本のガイドシャフト１３それぞれが略均等に当該昇降板１５を支持している。このため、昇降構成部１７は昇降板１５を常時安定させつつ略垂直に昇降させることが可能となり、昇降板１５の傾斜を防止して造形精度を大きく向上させることができる。

次に、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いてエクストルーダ２３及び回転台３５の詳細について説明する。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、エクストルーダ２３が回転台３５により回転を行う経過を示した図であって、図５（ａ）は、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂが右方向に向いた状態を示す側面図であり、図５（ｂ）は、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂが前方向に向いた状態を示す側面図であり、図５（ｃ）は、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂが右左向に向いた状態を示す側面図である。

エクストルーダ２３は、線材（フィラメントとも称する）となる樹脂材料４１をヘッド３内部に送る機構を有するものであって、概ね駆動源となるモータ２３Ａと、樹脂材料４１の供給動作を行う押し出し部２３Ｂと、によって構成されている。押し出し部２３Ｂは、樹脂材料４１の引き込み孔５７と、供給孔５９と、を有し、該供給孔５９からヘッド３までは耐熱性及び可塑性に優れたポリテトラフルオロエチレン等の樹脂製チューブ６１で接続している。なお、当該チューブ６１は、部品固定板２５に設けられた連通孔５１を介して押し出し部２３Ｂと、ヘッド３と、を接続しており、当該押し出し部２３Ｂは、チューブ６１の内部を通じて樹脂材料４１を供給孔５９からヘッド３に供給している。本実施形態で使用するエクストルーダ２３は、例えばボーデン方式を用いており、ヘッド３から所定の距離に配置することでヘッド３近傍の軽量化及び造形の高速化を図ることができる。

回転台３５は、部品固定板２５と、エクストルーダ２３と、の間に配置された台座であって、当該回転台３５が回転することにより、エクストルーダ２３の押し出し部２３Ｂにおける方向及び傾きを変更するものである。回転台３５は、概ね回転天板３５Ａと、回転底板３５Ｂと、回転機構３５Ｃ（ベアリング等）と、により構成されており、当該回転天板３５Ａと、回転底板３５Ｂと、は、間に備えられた回転機構３５Ｃの回転軸（図５の（ａ）において一点鎖線で示される軸）を中心に回転することができる。この回転軸は、垂直方向に対して所定の角度α（°）で傾斜している。

また、図５の（ａ）に示すように、回転天板３５Ａの下面３５Ａｓ及び回転底板３５Ｂの上面３５Ｂｓは、水平面に対して所定の角度９０−α（°）の勾配で傾斜しており、図５の（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、回転天板３５Ａを回転底板３５Ｂに対して回転させると、位置によって回転天板３５Ａと回転底板３５Ｂとの角度関係が変化する。即ち、回転天板３５Ａの供給孔５９（及び引き込み孔５７）の側が、図５の（ａ）に示すように右を向いている場合は、回転天板３５Ａの上面が略水平状になり、回転天板３５Ａの引き込み孔５７（及び供給孔５９）の側が、図５の（ｃ）に示すように左を向いている場合は、回転天板３５Ａの上面が水平方向に対して角度２×（９０−α）°で傾斜する状態となる。

エクストルーダ２３は、回転台２５の回転天板３５Ａに固定した状態で、当該回転台２５の回転底板３５Ｂにおける下面を部品固定板２５の上面に固定している。このため、造形中におけるヘッド３の移動に伴う供給孔５９と、ヘッド３と、を接続したチューブ６１の引張りや撓み（押し戻し）等が発生しても、回転台２３によりエクストルーダ２３が回転し、押し出し部２３Ｂの位置及び角度が変化してチューブ６１の高テンション及び折れ曲がり等を防止し、ヘッド３に余計な力がかかって造形精度に悪影響を及ぼすことを抑制できる。具体的には、チューブ６１がヘッド３に引っ張られた場合、押し出し部２３Ｂがヘッド３側に位置を変更してチューブ６１のテンションに余裕を持たせ、チューブ６１がヘッド３に押し戻された場合、押し出し部２３Ｂがヘッド３側とは略逆の方向に位置及び角度を変更しつつチューブ６１を逃がして折れ曲がり等を防止することを可能とするものである。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の精神及び教示を逸脱しない範囲でその他の改良例や変形例が存在する。そして、かかる改良例や変形例は全て本発明の技術的範囲に含まれることは、当業者にとっては容易に理解されるところである。

本実施形態の３次元プリンタ１は、昇降板１５の略４隅に配置された筒状のガイド孔３１に４本のガイドシャフト１３がそれぞれ摺動可能な状態で通過していることから、一方向等における不安定な片持ち状態とならず、昇降板１５を常時安定させつつ略垂直に昇降させることで、優れた造形精度を有するものである。

１ ３次元プリンタ
３ ヘッド
５ ヘッド動作構成部
５Ａ ヘッド固定部
５Ｂ Ｘ軸操作部
５Ｃ Ｙ軸操作部
５Ｄ Ｘ軸シャフト
５Ｅ Ｙ軸シャフト
１３ ガイドシャフト
１５ 昇降板
１７ 昇降構成部
１７Ａ 送りねじ
１７Ｂ ステッピングモータ
１７Ｃ 固定ナット
２１ 電子基板
２３ エクストルーダ
２３Ａ モータ
２３Ｂ 押し出し部
２５ 部品固定板
２７ 電源装置
２９ 本体部
２９Ａ 前面化粧板
２９Ｂ 左面化粧板
２９Ｃ 右面化粧板
２９Ｄ 天面化粧板
２９Ｅ 背面板
２９Ｆ 底面板
３１ ガイド孔
３５ 回転台
３５Ａ 回転天板
３５Ｂ 回転底板
３５Ｃ 回転機構
３７ 造形ステージ
３９ 発熱部
４１ 樹脂材料
４３ 前面扉
４５ 透過部
４７ 操作部及び／又は表示部
４９ 開口
５１ 連通孔
５３ 冷却機構
５７ 引き込み孔
５９ 供給孔
６１ チューブ
１００ コンピュータ

Claims (1)

1. 水平方向に動作するヘッド３と、
   造形ステージを有し、垂直方向に昇降する昇降板１５と、
   所定の間隔で垂直方向に延びるように配置された４本のガイドシャフト１３と、
   前記ヘッド３に材料を供給するためのチューブを介して前記ヘッド３に接続されたエクストルーダ２３と、を具備し、
   前記昇降板１５は、４本の前記ガイドシャフト１５によって垂直方向に昇降可能に支持され、
   前記エクストルーダ２３は、垂直方向に対して傾斜している回転軸を中心に回転可能な回転台に配置されていること、
   を特徴とする３次元プリンタ１。
   

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