JP2018503592A - ３ｄ印刷用のプリンタヘッド - Google Patents
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Abstract
本発明は、３Ｄガラス印刷用のプリンタヘッド（１）に関し、当該プリンタヘッドは、耐熱金属から成る加熱体（８）、加熱体（８）を介してガラスを供給するための加熱体の中央部に配設されるスルーホール（２０）、スルーホール（２０）のアウトレットにおいて加熱体（８）に配設されるノズル（５）及び誘導コイルであって、高周波電圧が該誘導コイルに印加される場合電磁誘導により前記加熱体を加熱するように前記加熱体の周りに配設される誘導コイルを有する。誘導コイルにより加熱される加熱体のスルーホールを介してガラスフィラメントを供給することにより、フィラメントは溶融し、ガラスリボンとして溶けたままプリンタヘッドを出る。ガラスリボンは、プリンタテーブル上に又は該プリンタテーブル上に置かれた印刷層上に印刷されて間もなく固まる。
Description
３Ｄガラス印刷(3D printing of glass)用のプリンタヘッド及び斯かるプリンタヘッドを有する３Ｄプリンタに関する。さらに、本発明は、３Ｄガラス印刷用の３Ｄ印刷方法に関する。
３Ｄ印刷、すなわち、積層造形(additive manufacturing (AM))は、３次元の物体を印刷するための各種のプロセスを意味する。主に、材料の連続する層(successive layers of material)がコンピュータ制御の元で築かれる、積層プロセスが用いられる。これらの物体は、ほとんどどんな形又は幾何学形状にもすることができ、３Ｄモデル又は他の電子データ源から生み出される。３ＤＦＤＭ(Fused Deposition Modeling)押出プリンタ(extrusion printer)等の種々のタイプの３Ｄプリンタが、長年にわたり開発されている。３ＤＦＤＭ押出プリンタは、主として、プリンタヘッド内でフィラメント、例えば、プラスチック又は金属を溶融することに基づく。斯かる３Ｄプリンタの最高溶融温度は、プリンタヘッドに用いられる相対的に低融点の材料に起因して大体２５０℃に制限される。
３Ｄプリンタを用いて光学素子等のガラス製品を印刷できる要望があるが、これは、少なくとも２００℃乃至２２００℃のプリンタヘッドの作業温度を要する。
中国特許出願公開第１０３３９５９７３号公報は、３Ｄ印刷技術に基づくガラス高温溶融成形スプレイヤを開示する。ガラス高温溶融成形スプレイヤは、スプレイヤ及び該スプレイヤの後端部に設置されるガラスロッドコンベヤを有する。スプレイヤは、順次連結される、保護シェル、高温耐熱断熱材料層、高温電気加熱ワイヤ層及び高温耐熱コランダム溶融キャビティを有する。スプレイヤは、加熱温度に応じて高温電気加熱ワイヤ層により３つのセクションに分割される。これら３つのセクションは、予熱加温セクション、拡張軟化セクション及び溶融セクションである。各セクションは、温度センサを備える。
中国特許出願公開第１０３３９５９７３号公報において、印刷ヘッドは、加熱ワイヤを有する。加熱ワイヤは、印刷ヘッドの中央におけるコランダム溶融キャビティにエネルギのほとんどを向けるため断熱材料層により包囲される。斯かる構造は、それほどエネルギ効率が良くなく、不所望なエネルギ量が、所用の温度に達するため必要とされる。さらに、コランダム等の耐熱セラミックの使用は、印刷ヘッドの最高温度、ゆえに、石英ガラス又は他のガラスタイプのような高粘度を持つガラス印刷の最高温度に限界を与える。高温３Ｄガラス印刷にコランダム等の耐熱セラミックを用いるさらなる課題は、最も利用されているセラミックの限られた耐熱衝撃性及び溶融ガラスに不純物／気泡をもたらすガラスによるケミカルアタックである。
本発明の目的は、上述した最先端技術の少なくともいくつかの課題を克服する、ガラスを印刷するための高温３Ｄ印刷ヘッドを提供することにある。
第１の態様によれば、３Ｄガラス印刷用のプリンタヘッドであって、耐熱金属(refractory metal)から成る加熱体、前記加熱体を介してガラスを供給するための前記加熱体の中央部に配設されるスルーホール、前記スルーホールのアウトレットにおいて前記加熱体に配設されるノズル及び誘導コイルであって、高周波（ＨＦ）電圧が該誘導コイルに印加される場合電磁誘導により前記加熱体を加熱するように前記加熱体の周りに配設される誘導コイルを有するプリンタヘッドが提供される。
誘導コイルにより加熱される加熱体のスルーホールを介してガラスフィラメントを供給することにより、フィラメントは溶融し、ガラスリボンとして溶けたままプリンタヘッドを出る。ガラスリボンは、プリンタテーブル上に又は該プリンタテーブル上に置かれた印刷層(already printed layer)上に印刷されて間もなく固まる。加熱体を介してガラスフィラメントを供給することに代えて、ガラスパウダが加熱体に供給され得ることにも留意されたい。
ＨＦ加熱システムと共に、プリンタヘッドのための構成材料として耐熱金属を用いることは、プリンタヘッドが、オリフィス及びプリンタテーブル間の所望の距離に対し譲歩することなく１０００℃以上の温度で動作することを可能にする。これにより、石英ガラス又は他のガラスタイプのような高粘度を持つガラスの３Ｄ印刷が可能である。
任意に、前記耐熱金属は、モリブデン、タングステン及びレニウムのうちの少なくとも１つを有する。これら金属は、相対的に高い融点とプリンタヘッドを作るのに必要とされる材料の機械加工度(degree of machinability)とを兼ね備える。
任意に、前記加熱体は略々円柱状である。斯かる略々円柱状の加熱体は、円柱状の誘導コイルのキャビティ内に容易に置かれることができる。さらに、略々円柱状体において、生成された熱は、当該体にわたり均一に分配されることができる。これにより、容易な温度制御が可能である。
チャネルとも呼ばれる前記スルーホールは、前記加熱体の主軸に対して同軸に配設されてもよい。これにより、非常にシンプルでロバストなデザインが得られる。
任意に、前記誘導コイルは、前記加熱体の主軸に対して同軸に配設される。この構造において、生成された渦電流は主軸の周りを流れ、最適な熱量が効率良く生成される。
任意に、前記誘導コイルは、前記加熱体の外面から離れて配設される。誘導コイルが加熱体から離れて配設される場合、不所望な物理的（及び電気的）接触のリスクが、最小限に抑えられる。ゆえに、コイル自体加熱(heat up)しないであろう。さらに、プリンタヘッドを別のプリンタヘッドに取換える必要がある場合、コイルの内側に新しいプリンタヘッドを置くことが容易である。
任意に、前記加熱体は、該加熱体の外面に１つ以上の溝部を有する。高周波電磁界において金属体を加熱することは、金属導体の外側に集中する渦電流の傾向(tendency)に起因して加熱体の外側が高温に達するような、不均一な温度分布を招く可能性がある。これら温度差を無くすため、集中溝部(concentration groove)が設けられてもよい。好ましくは、溝部は、プリンタ加熱体において、渦電流を該プリンタ加熱体の内側に強制するため軸方向に切られる。プリンタヘッドの加熱体にエネルギ集中溝部を適用することは、該プリンタヘッドにおける温度分布曲線を改善するであろう。
任意に、当該プリンタヘッドは、１つ以上のガス供給チャネルを有し、該ガス供給チャネルの出力部は、当該プリンタヘッドの前記ノズル付近に配設される。これら供給チャネルを介して、窒素等の保護ガスが、耐熱金属から成る加熱体及び／又はノズルの周りに保護環境(protective environment)を作るため供給されることができる。高温での酸素及び水のアタックに対するこれら金属の耐性は非常に限られ、揮発性金属酸化物の形成の下で表面の酸化を招くかもしれない。ゆえに、金属部材の表面を保護することは、プリンタヘッドの寿命を延ばすであろう。
他の態様によれば、上述したプリンタヘッドを有するプリンタが提供される。
任意に、当該プリンタは、前記プリンタヘッドの周辺に保護ガスを供給するためのガス供給部及び保護ガス雰囲気を作るよう前記保護ガスを溜める(contain)ため前記プリンタヘッドの周りに配設されるエンベロープを有する。前記保護ガスは、窒素及びアルゴンのグループから選択されてもよい。斯かるガスは、加熱体及びノズルの表面を極めて保護することを示した。
他の態様によれば、３Ｄガラス印刷用の３Ｄ印刷方法が提供される。当該方法は、耐熱金属から成る加熱体及び前記加熱体の中央部に配設されるスルーホールを有するプリンタヘッドを設けるステップを有する。当該方法はさらに、前記加熱体の周りに誘導コイルを配設するステップ、前記スルーホールを介して１つ以上のガラスフィラメントを供給するステップ及び電磁誘導により前記加熱体を加熱する及び前記ガラスフィラメントを間接的に加熱するよう前記誘導コイルに高周波電圧を印加するステップを有する。
前記プリンタヘッドの作業温度は、２００℃乃至２２００℃の範囲内であってもよい。これらの温度は、ホウケイ酸塩、石英ガラス、低融点はんだガラス、ソーダ石灰ガラス、Ｅガラス(E-glass)、バイオガラス(bio-glass)又は高軟化点を持つ他のガラス等の材料の３Ｄ印刷を可能にする。
本発明は、高周波（ＨＦ）で加熱される耐熱金属製の３Ｄプリンタヘッドを提案する。任意に、エネルギ集中溝部が加熱体に配設され、ノズルの周りに冷却ガス又は保護ガスを供給するための供給チャネルが配設される。
本発明のこれらの及び他の態様は、以下の記載で例示として述べられる実施形態及び添付図面をさらに参照して詳述され、明らかになるであろう。
図１は、本発明の一実施形態による３Ｄプリンタのいくつかの構成要素の側面図を概略的に示す。
図２は、図１のプリンタヘッドの断面図を概略的に示す。
図３は、特定の実施形態による加熱体の断面図を示す。
図４は、ＸＹ（Ｚ）テーブル及び図３のプリンタヘッドを有する３Ｄプリンタの一実施形態の斜視図を示す。
図５は、本発明の一実施形態による３Ｄガラス印刷用の３Ｄ印刷方法のフローチャートを示す。
これらの図面は、単に図的なものであり、縮尺通りに描かれていない。これら図において、既に述べられた要素に相当する要素は、同じ参照数字を持つであろう。
図１は、本発明の一実施形態による３Ｄプリンタのいくつかの構成要素の側面図を概略的に示す。３Ｄプリンタは、プリンタヘッド１、投入ユニット(input unit)２及びテーブル３を有する。テーブル３は、ＸＹ（Ｚ）テーブルとも呼ばれる。投入ユニット２は、ステッピングモータによりプリンタヘッド１の冷端部にガラスフィラメント４を圧入するよう配設される。プリンタヘッドにガラスフィラメントを供給する他のタイプも可能であることに留意されたい。本例において、プリンタヘッド１は、ノズル５、輸送管６及び加熱体８を有する。加熱体８は、いわゆる耐熱性金属から成る。輸送管６は、加熱体８の中央部に存する孔（図１には図示せず）を通じて延在する。誘導コイル１１が、加熱体８の外面から離れて加熱体８の周りに配設される。誘導コイル１１は、ＨＦ（高周波）電圧源１６に接続される。ひとたびＨＦ電圧源１６が作動されると、コイル１１を通るＨＦ電流が、加熱体８内にいわゆる渦電流(Eddy current)を作る電磁界を作り、その結果、加熱体８は温度が上昇する。コイルに十分な電圧を印加することにより、加熱体８は、プリンタヘッド１を通過(press through)するガラスフィラメントが溶融する温度に達する。溶けたガラスは、リボンとしてノズル５においてプリンタヘッド１を出て、テーブル３、又はＸＹ（Ｚ）テーブル３上に既に製作された層と接触する。ＸＹ（Ｚ）テーブル３は、コンピュータプログラムにより制御される位置調整手段（図示せず）により動かされてもよい。テーブル３は、コンピュータプログラムの出力に基づいて適切な方向(right direction)にリボンをステアリング(steer)する。投入ユニット２のステッピングモータをステアリングすることにより、印刷物(printed object)１５の適地上に所望の量の材料の積層が達成される。
図２は、図１のプリンタヘッドの断面図を概略的に示す。
本実施形態において、輸送管６は、プリンタヘッド１の孔を通ってノズル５まで真っ直ぐ延在している。他の解決策も可能であることに留意されたい。例えば、輸送管６は、インレット側において加熱体８のスルーホールに接続されてもよい。上述したように、プリンタヘッド１は、誘導コイル１１により加熱される。誘導コイル１１は、プリンタヘッド１内にホットエンドゾーン(hot end zone)を作る。図２において、コイル１１は、２つの巻き線を有することに留意されたい。巻き線の数は、１つの巻き線から複数の巻き線まで様々であってもよい。巻き線は全て、加熱体８の下部（すなわち、ホットエンド）に集中するようプリンタヘッド１の下方端部に位置付けられてもよい。
図２において、ガラスフィラメント４は、当該ガラスフィラメント４の下流のフィラメント（図示せず）によりプリンタヘッド１のホットゾーンに圧入される。ホットエンドゾーンにおいて、ガラス材料は溶融する。溶けたガラス材料はさらに、ノズル５を通り抜けるよう押し進められ、プリンタヘッド１の外部に、ノズル５のオリフィスの断面により規定されるある径を持つリボンを作り出す。
ＨＦ加熱システムと共に、プリンタヘッドのための構成材料として耐熱金属を用いることは、プリンタヘッド１が、ノズル５のオリフィス及びプリンタテーブル３間の所望の距離に対し譲歩することなく２００℃以上の温度で動作することを可能にする。これにより、ホウケイ酸塩、石英ガラス、低融点はんだガラス、ソーダ石灰ガラス、Ｅガラス、バイオガラス又は高軟化点を持つ他のガラス等の材料の３Ｄ印刷が可能である。プリンタヘッド１の例えば２００℃及び２２００℃の間の作業温度は、適切な寸法を持つリボンを作るのに望ましい粘度を持つ溶融材料を作ることを可能にする。とりわけ、これら高温において、プリンタヘッドのための構成材料として耐熱セラミックを用いることは、最も利用されているセラミックの限られた耐熱衝撃性に起因して不可能である。高温でのガラスによる殆どのセラミックのケミカルアタックは、溶融ガラスリボンに不純物及び気泡の形成をもたらす。これが、プリンタヘッドのための構成材料としてセラミック材料を不適格とする第２の理由である。
一実施形態において、プリンタヘッド１の加熱体は、モリブデン、タングステン又はレニウムで作られる。これら３つの好ましい金属は、これらの高い融点とプリンタヘッドを作るのに必要とされる材料の機械加工度とを兼ね備える。
高温での酸素及び水のアタックに対するこれら３つの金属の耐性は限られ、揮発性金属酸化物の形成の下で表面の酸化を招く恐れがあることを示した。斯かる理由のため、保護ガス雰囲気が、印刷中プリンタヘッド１の周りに作られてもよい。一実施形態において、プリンタヘッド１は、１つ以上のガス供給チャネルを有し、該ガス供給チャネルの出力部は、プリンタヘッド１のノズル５付近に配設される。供給チャネルは、加熱体８に組み込まれてもよい。図３は、特定の実施形態による加熱体８の断面図を示す。この実施形態において、加熱体８は、略々円形の断面を持つ。図３に示されるように、３つのチャネル３１、３２、３３が加熱体８に配設されている。さらに、エネルギ集中溝３５、３６、３７が、加熱体８に軸方向に配設されている。エネルギ集中溝の作用は、後述する。
図４は、ＸＹ（Ｚ）テーブル３及び図３のプリンタヘッド１を有する３Ｄプリンタの一実施形態の斜視図を示す。ＸＹ（Ｚ）テーブル３は、固定されたプリンタヘッド１の下に位置付けられる。ＸＹ（Ｚ）テーブル３だけを動かすことに代えて、プリンタヘッド１も印刷中に動かされてもよく、又はプリンタヘッド１が動かされ、ＸＹ（Ｚ）テーブル３は動かされなくてもよいことに留意されたい。図４は、この特定の例では文字列である印刷物４１を示す。
図４の３Ｄプリンタは３つのガス供給管を有し、これらのうちの２つが図４で見えている（ガス供給管４２、４３）。３つ目のガス供給管は、プリンタヘッドに入るガラスフィラメント４の後ろに隠れている。ガス供給管４２、４３は、プリンタヘッド１の加熱体を通って延在し、これらのアウトレットは、（図４では見えない）ノズル近傍の加熱体８の底部に配設されている。ガス供給管４２、４３は、加熱体８に用いられる金属と同じ耐熱金属から製造されてもよい。
印刷中、保護ガス雰囲気が、ガス供給管４２、４３を通じて窒素又はアルゴン等の保護ガスを供給することにより作られる。代替的に、ガス供給管は、ノズルの周辺を冷却するため冷却ガスを供給してもよい。
ガス雰囲気をより良く制御するため、プリンタヘッド１及びテーブル３は、保護ガスを溜めるためプリンタヘッド１の周りに配設されるエンベロープ（図示せず）内に置かれてもよい。
図４の実施形態において、保護ガス又は冷却ガスの供給用の金属管４２、４３は、（図４に示されない）ＨＦコイル内の適所にプリンタヘッド１を固定するのにも役立つ。一実施形態において、ＨＦコイル１１は、加熱体８と接触せず、金属加熱体８と電気的接触を避けるため離間される。３Ｄプリンタは、異なるサイズのプリンタヘッド又は異なるタイプのプリンタヘッドが置かれ得るように、異なるタイプのＨＦコイルを有してもよい。これは、ＨＦコイル１１が取り付けられたままで、プリンタヘッド１が、特定のタスクに適した他の１つ以上のプリンタヘッドに交換され得る、３Ｄプリンタのシンプルなデザインを可能にする。ＨＦコイルも、新しいプリンタヘッドとの良好な嵌り(fit)が必要とされる場合交換されてもよい。
上述したように、ノズル５及び印刷物１５、４１間の非常に短い距離は、プリンタヘッド１の加熱器具の特別なアプローチを必要とする。これは、プリンタ加熱体８の誘導加熱のためＨＦコイル１１に給電するＨＦ電圧源１６を用いることによりなされる。これにより、従来技術で用いられていたプリンタヘッド内の断熱材料の必要性を回避できる。
金属加熱体８は、主対称軸を持つ略々円柱状の加熱体（図１参照）であってもよく、輸送管及び／又はガス供給管を受ける複数の同軸スルーホールを有してもよい。ＨＦ電磁界内で斯かる円柱状の金属加熱体８を加熱することは、加熱体の内側に不均等な温度分布を招く可能性がある。加熱体８の外部は、金属導体の外側に集中する渦電流の傾向に起因してかなりの高温に達する可能性がある。加熱体の外側及び内側での望ましくない温度差を無くすため、溝３５、３６、３７等のエネルギ集中溝部が、プリンタ加熱体８において、渦電流を該プリンタ加熱体の内側に強制するため軸方向に切られてもよい。図３の実施形態において、３つの溝部が、加熱体８に配設されている。より多い又はより少ない溝部が用いられてもよいことに留意されたい。好ましくは、溝部は、加熱体８の主軸の周りに均等に分布される。異なる形状及び大きさ／寸法が、加熱体８の大きさに依存して用いられてもよい。
一実施形態において、ＨＦコイル１１は、加熱体８の下部及び中間部の周りに配設される。プリンタヘッド１のこれらの部分を加熱することにより、コールドエンドゾーン及びホットエンドゾーンが、プリンタヘッド１を通じたフィラメントの適切な投入及び流れのためにもたらされる。これら２つのゾーン間の温度勾配が最終結果を決める。プリンタヘッドの大きさに適合されたＨＦコイルを用いることにより、投入部における温度が、ガラスの溶融温度より十分に低く、投入領域におけるジャミング(jamming)の危険性を最小限に抑えるいかなるサポート管の必要なくフィラメントの投入を可能にするように、プリンタヘッド１の頂点において急峻な温度勾配をもたらす。
図５は、本発明の一実施形態による３Ｄガラス印刷用の３Ｄ印刷方法のフローチャートを示す。本方法は、耐熱金属から成る加熱体及び加熱体の中央部に配設されるスルーホールを有するプリンタヘッドを設けるステップを有する（ステップ１０１参照）。誘導コイルが、加熱体の周りに配設される（ステップ１０２参照）。さらなるステップ１０３において、１つ以上のガラスフィラメントが、スルーホールを介して供給される。ＨＦ電圧が、電磁誘導により加熱体を加熱する及びガラスフィラメントを間接的に加熱するよう誘導コイルに印加される（ステップ１０４参照）。ステップ１０１、１０２、１０３及び１０４は、必ずしも連続的なステップでなくてもよく、これらステップのいくつか又は全てが同時に実行されてもよいことに留意されたい。
本開示において、"有する"という用語は、列挙されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではなく、単数表記は複数を除外するものではなく、請求項の如何なる参照符号も、本発明の範囲を制限するものと見なされるべきではないことに留意されたい。さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されず、上述した、又は、相互に異なる従属請求項に記載された任意の新規の特徴若しくは任意の新規の特徴の組み合わせに存在する。
Claims (15)
- ３Ｄガラス印刷用のプリンタヘッドであって、当該プリンタヘッドは、
− 耐熱金属から成る加熱体、
− 前記加熱体を介してガラスを供給するための前記加熱体の中央部に配設されるスルーホール、
− 前記スルーホールのアウトレットにおいて前記加熱体に配設されるノズル、及び
− 誘導コイルであって、高周波電圧が該誘導コイルに印加される場合電磁誘導により前記加熱体を加熱するように前記加熱体の周りに配設される誘導コイル、
を有する、プリンタヘッド。 - 前記耐熱金属は、モリブデン、タングステン及びレニウムのうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載のプリンタヘッド。
- 前記加熱体は略々円柱状である、請求項１又は２に記載のプリンタヘッド。
- 前記スルーホールは、前記加熱体の主軸に対して同軸に配設される、請求項１、２又は３に記載のプリンタヘッド。
- 前記誘導コイルは、前記加熱体の主軸に対して同軸に配設される、請求項１乃至４の何れか一項に記載のプリンタヘッド。
- 前記誘導コイルは、前記加熱体の外面から離れて配設される、請求項１乃至５の何れか一項に記載のプリンタヘッド。
- 前記誘導コイルは、前記加熱体を中心として同軸に配設される、請求項１乃至６の何れか一項に記載のプリンタヘッド。
- 前記加熱体は、該加熱体の外面に１つ以上の溝部を有する、請求項１乃至７の何れか一項に記載のプリンタヘッド。
- 当該プリンタヘッドは、１つ以上のガス供給チャネルを有し、該ガス供給チャネルの出力部は、当該プリンタヘッドの前記ノズル付近に配設される、請求項１乃至８の何れか一項に記載のプリンタヘッド。
- 請求項１乃至９の何れか一項に記載のプリンタヘッドを有する３Ｄプリンタ。
- − 前記プリンタヘッドの周辺に保護ガスを供給するためのガス供給部、及び
− 保護ガス雰囲気を作るよう前記保護ガスを溜めるため前記プリンタヘッドの周りに配設されるエンベロープ、
を有する請求項１０に記載の３Ｄプリンタ。 - 前記保護ガスは、窒素及びアルゴンのグループから選択される、請求項１１に記載の３Ｄプリンタ。
- ３Ｄガラス印刷用の３Ｄ印刷方法であって、当該方法は、
− 耐熱金属から成る加熱体及び前記加熱体の中央部に配設されるスルーホールを有するプリンタヘッドを設けるステップ、
− 前記加熱体の周りに誘導コイルを配設するステップ、
− 前記スルーホールを介して１つ以上のガラスフィラメントを供給するステップ、及び
− 電磁誘導により前記加熱体を加熱する及び前記ガラスフィラメントを間接的に加熱するよう前記誘導コイルに高周波電圧を印加するステップ、
を有する、３Ｄ印刷方法。 - 前記プリンタヘッドの作業温度は、２００℃乃至２２００℃の範囲内である、請求項１３に記載の３Ｄ印刷方法。
- 請求項１３又は１４に記載のガラスを印刷するための３Ｄ印刷方法であって、前記プリンタヘッドの周りに保護ガス雰囲気を作るステップを有する３Ｄ印刷方法。
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