JP2018513800A - 形成可能なプラスチック材料のための３ｄ立体物製造ロボット - Google Patents

形成可能なプラスチック材料のための３ｄ立体物製造ロボット Download PDF

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Abstract

形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットが開示される。本発明による製造ロボットは、素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニット、ヘッドサプライユニットから伝達された素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニット、及びトランスフォーマーユニットから伝達された前記素材を外部に吐出するヘッドユニットを含む。これにより、原材料のテンションを適応的に調節することができ、３Ｄ立体物製造ロボットの内部を移動する原材料が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止することができ、ヘッドユニットの精巧な回転運動を可能にすることができる。また、ヘッドユニットの回転は、トウの回転を伴わない。すなわち、ホイールアセンブリは、ヘッドユニットの回転を制御し、ヘッドユニットの内部を通過するトウは回転なしに外へ排出され得るようになる。【選択図】図４

Description

本発明は、形成可能なプラスチック材料のための３Ｄ立体物製造ロボットに関するもので、より詳しくは、多軸自由回転が可能であり、形成可能なプラスチック材料のテンション及び温度調節が可能な、３Ｄ立体物製造ロボットに関する。
最近、プラスチック複合素材を用いて強度と耐久性を補強するための内部補強材（reinforcement）を製造する技術が利用されている。積層加工（additive manufacturing）装置及びポリマー／複合材の内部補強材のような内部骨格製造技術に対する研究が活発になされている。
これを利用すれば、軽量複合素材立体物の原材料の使用量は減らしつつも、機械的性能を高めることができるという点で３Ｄプリンティングや３Ｄモルディングが脚光を浴びている。特に、積層加工速度も改善されて、自動化工程の一部として機能することができるようになった。
積層加工技術は、自動車部品市場だけでなく、航空機、電子部品、家電製品（consumer electronics）、スポーツ用品（sporting goods）、建築素材など多様な分野に拡張することができるという点で、潜在的価値が非常に高い。しかし、費用面において効率的な方式で精巧な骨格構造を製造するためには、より多くの研究開発がなされなければならない。
特に、内部骨格を製造する積層加工装置は、細長く続くストランドの原材料を使用するが、この原材料は、ほとんどが簡単に固まったり（solidified）、硬化したり（cured）、劣化する（degraded）物質からなるため、原材料が積層加工装置の内部を通過して外部に吐出される時まで原材料が固まったり硬化したり劣化したりしないようにするための技術が必要である。
また、積層加工装置は、多様で且つ複雑な構造の形状を製造するため、自由な軌跡運動（例えば、回転、直線又は曲線運動）をすることになるが、この時、形状的特性のために、広範囲な関節運動をする積層加工装置を通過する間に原材料のテンションが一定に保持されにくいという問題点がある。
原材料のテンションが非常に強ければ、積層加工装置の故障をもたらしかねず、原材料のテンションが非常に弱ければ、原材料の吐出速度と位置を制御するのが難しくなる。
韓国登録特許公報第１０−１１９８６２１号明細書（発明の名称：自動車用プラスチック複合材バンパービーム）は、本体内部にインサート補強材が挿入されたバンパービームを開示している。しかし、インサート補強材が挿入されたバンパービームを製造する製造装置と関連した説明が十分に開示されておらず、上で言及した問題点を克服するだけの端緒を見いだせない。
韓国登録特許公報第１０−１１９８６２１号明細書
本発明は上記問題点を勘案して案出されたもので、本発明の目的は、原材料であるトウ（tow）のテンションを適応的に調節することができる、形成可能なプラスチック材料のための３Ｄ立体物製造ロボットを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、製造ロボットの内部を移動するトウが固まったり硬化したり劣化したりすることを防止することができる、形成可能なプラスチック材料のための３Ｄ立体物製造ロボットを提供することにある。
また、本発明の目的は、限定された距離内でヘッドユニットの精巧な回転運動を可能にする、形成可能なプラスチック材料のための３Ｄ立体物製造ロボットを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の実施形態による３Ｄ立体物製造ロボットは、形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットであって、前記素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニットと、前記ヘッドサプライユニットから伝達された前記素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニットと、前記トランスフォーマーユニットから伝達された前記素材を外部に吐出するヘッドユニットと、を含む。
一実施形態による３Ｄ立体物製造ロボットは、形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットであって、前記素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニットと、前記ヘッドサプライユニットから伝達された前記素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニットと、前記トランスフォーマーユニットから伝達された素材が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止するヘッドヒータを含むヘッドユニットと、を含む。
一実施形態による３Ｄ立体物製造ロボットは、形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットであって、前記素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニットと、前記ヘッドサプライユニットから伝達された前記素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニットと、前記トランスフォーマーユニットから伝達された前記素材を外部に吐出するヘッドユニットと、を含み、前記ヘッドユニットは、マルチプル３６０度回転を可能にするホイールアセンブリ、を含む。
上記構成による本発明の形成可能なプラスチック材料を活用した３Ｄ立体物製造ロボットによれば、原材料のテンションを適応的に調節することができ、３Ｄ立体物製造ロボットの内部を移動する原材料が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止することができ、限定された距離内でヘッドユニットの精巧な回転運動を可能にすることができる。
本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の斜視図である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の斜視図である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００及びヘッドサプライユニット４００の斜視図である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００において、トウの移動経路を示す図面である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の断面図である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の回転動作を示す図面である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の回転動作を示す図面である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の回転動作を示す図面である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００の右側分解斜視図である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００の左側分解斜視図である。 本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００の概略図である。 トランスフォーマーユニット３００の動作によるヘッドユニット２００の回転を示す図面である。 トランスフォーマーユニット３００の動作によるヘッドユニット２００の回転を示す図面である。 トランスフォーマーユニット３００の動作によるヘッドユニット２００の回転を示す図面である。
本発明を実施することができる特定の実施形態を示した添付の図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。添付の図面に示された特定の実施形態について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が、本発明を実施するのに十分なように詳細に説明する。特定の実施形態以外の他の実施形態は互いに相違するが、相互に排他的である必要はない。さらに、後述する詳細な説明は限定的な意味として取ろうとするのではないことが理解されなければならない。
添付の図面に示された特定の実施形態に対する詳細な説明は、それに伴う図面と関連して読まれることになり、図面は全体発明の説明に対する一部とみなされる。方向や指向性に対する言及は、説明の便宜のためのものに過ぎず、いかなる方式でも本発明の技術的範囲を制限する意図を持たない。
具体的に、「下、上、水平、垂直、上側、下側、上向き、下向き、上部、下部」等の位置を示す用語や、これらの派生語（例えば、「水平に、下方に、上方に」など）は、説明されている図面と関連説明とをすべて参照して理解されなければならない。特に、このような相対語は、説明の便宜のためのものに過ぎないため、本発明の装置が特定の方向に構成されたり動作しなければならないことを要求はしない。
また、「装着された、付着された、連結された、つながった、相互連結された」等の構成間の相互結合関係を示す用語は、別途の言及がない限り、個別の構成が直接的もしくは間接的に付着もしくは連結されたり固定された状態を意味することがあり、これは、移動可能に付着、連結、固定された状態だけでなく、移動不可能な状態まで含めた用語と理解されなければならない。
図１は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の斜視図、図２は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の斜視図、図３は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００とヘッドサプライユニット４００の斜視図である。
図１に示されたように、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００は、ヘッドユニット（head unit）２００、トランスフォーマーユニット（transformer unit）３００、ヘッドサプライユニット（head supply unit）４００、ボディユニット（body unit）５００を含む。
まず、ボディユニット５００は、回転ベース５１０と連結アーム５２０を含む。回転ベース５１０は回転軸５０１ａを中心に、水平面上で回転運動Ｆ−Ｆ’をする。連結アーム５２０の一端は回転ベース５１０に連結され、連結アーム５２０の他端はヘッドサプライユニット４００に連結される。
連結アーム５２０とヘッドサプライユニット４００、そして、連結アーム５２０と回転ベース５１０は、ピボットヒンジやシャフトのように軸を中心に回動可能な部材によって連結され得るが、これに限定されない。
さらに具体的に、連結アーム５２０の一端は、回転ベース５１０に対して回動可能に連結される。連結アーム５２０と回転ベース５１０とが相互連結された部位の連結軸５０１ｂを中心に、連結アーム５２０は回転運動Ｅ−Ｅ’をする。
連結アーム５２０の他端は、ヘッドサプライユニット４００に対して回動可能に連結される。連結アーム５２０は、長手方向の部材として、水平面に対するヘッドサプライユニット４００の高さを調節する。
言い換えると、連結アーム５２０とヘッドサプライユニット４００が相互連結された部位の連結軸４０１ａを中心に、ヘッドサプライユニット４００は回転運動Ｄ−Ｄ’をする。
ヘッドサプライユニット４００は、長手方向の軸を中心に回転運動Ｃ−Ｃ’をする。この時、ヘッドサプライユニット４００が回転することにより、ヘッドサプライユニット４００に連結されているトランスフォーマーユニット３００とヘッドユニット２００も連動して回転することになる。
また、ヘッドユニット２００は、ヘッドサプライユニット４００に対して連結される。ヘッドユニット２００は、ヘッドサプライユニット４００に備えられたヘッド締結部４４０に連結される。ヘッドユニット２００とヘッド締結部４４０が相互連結された部位の連結軸４０１ｂを中心に、ヘッドユニット２００は回転運動Ｂ−Ｂ’をする。
具体的に、ヘッドユニット２００の回転運動Ｂ−Ｂ’は、後述するトランスフォーマーユニット３００の動作によって調節される。すなわち、ヘッドユニット２００はトランスフォーマーユニット３００と連結されており、前記連結軸４０１ｂを中心に互いに向かい合う領域に位置したヘッドユニット２００とトランスフォーマーユニット３００は、反対方向（例えば、トランスフォーマーユニット３００の一構成が下降すればヘッドユニット２００が上昇し、トランスフォーマーユニット３００の一構成が上昇すればヘッドユニット２００が下降）に垂直回転運動Ｂ−Ｂ’をする。
ヘッドユニット２００は、その長手方向の軸２０１ａを中心に、３６０度回転運動Ａ−Ａ’をする。ホイールアセンブリによりヘッドユニット２００はマルチプル３６０度回転（３６０°、７２０°・・・）が可能である。この時、ヘッドユニット２００に含まれた導線がヘッドユニット２００の回転に影響を受けないように、ヘッドユニット２００にはスペーサが備えられてもよい。
上述したように、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００は、多軸回転運動をすることができる。上の説明では、６軸回転運動が可能なもので説明したが、回転ベース５１０が結合される、ティルティング可能なツールテーブル（tool table）ロボットを含めると、８軸回転が可能になる。
すなわち、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の可能な回転は、下記の通りである。
第１軸回転：ヘッドユニット２００の長手方向軸２０１ａを中心とした回転Ａ−Ａ’
第２軸回転：トランスフォーマーユニット３００により調節されるヘッドユニット２００の回転Ｂ−Ｂ’
第３軸回転：ヘッドサプライユニット４００の長手方向の軸を中心とした回転Ｃ−Ｃ’
第４軸回転：ヘッドサプライユニット４００に連結された連結アーム５２０との連結軸４０１ａを中心としたヘッドサプライユニット４００の回転Ｄ−Ｄ’
第５軸回転：連結アーム５２０に連結された回転ベース５１０の連結軸５０１ｂを中心とした連結アーム５２０の回転Ｅ−Ｅ’
第６軸回転：水平面に垂直である回転軸５０１ａを中心とした回転ベース５１０の回転Ｆ−Ｆ’
第７軸及び第８軸回転：回転ベース５１０と結合される２軸回転可能なツールテーブル（図示せず）の回転
これにより、形成可能なプラスチック材料を吐出するヘッドユニット２００の動作を微細に操作することができ、さらに複雑で精巧な形状の３Ｄ立体物を製造することが可能になる。
図４は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００において、トウ（tow）５０の移動経路を示す。図４に示されたように、ヘッドユニット２００、トランスフォーマーユニット３００、及びヘッドサプライユニット４００の連結による内部通路によってトウ５０の移動経路が形成される。
このように、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００は、ヘッドサプライユニット４００、トランスフォーマーユニット３００、及びヘッドユニット２００に連結されるトウ５０の移動経路を内部に含むビルトイン（built-in）構造を有する。
ここで、トウ５０とは、高分子材料（polymer material）又は複合材料（composite material）の連続的につながったストランド（strand）、ヤーン（yarn）、トウ（tow）、バンドル（bundle）、バンド（band）、テープ（tape）などである。高分子材料としては、ＰＬＡ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＡ、ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＥＩ、ＰＥＥＫなどの熱可塑性樹脂（thermoplastics）あるいはエポキシ（epoxy）、不飽和ポリエステル樹脂（unsaturated polyester）、ＰＩ、ＰＵＲなどの熱硬化性樹脂（thermosetting resins）であってもよい。しかし、高分子物質はこれに限定されない。また、補強材（reinforcing fibers）はＧＦ（glass fiber）、ＣＦ（carbon fiber）、ＮＦ（natural fiber）、ＡＦ（aramid fiber）などであってもよい。また、３Ｄ立体物製造ロボットは、織物用糸（textile yarn）やロービング（roving）のために用いられてもよい。
また、最終複合材の材料は、前記高分子材料に繊維を混合したもので、前記繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、アラミド繊維、各種ウィスカー（whisker）又はこれらの組み合わせであってもよいが、これに限定されない。
初めに、製造装置１００には、ヤーン、トウ、ストランド、バンド又はテープが注入されてもよい。個別的なヤーン、トウ、ストランド、バンド、テープは、オーブン（oven）（収集器（collector）、ヒータ（heater）、圧縮機（compactor）などを含む）において全体的に或いは部分的にトウに合わさることになる。ヘッドサプライユニット４００、トランスフォーマーユニット３００及びヘッドユニット２００は、最終的にトウ５０を圧密（compaction）して合わせるのに役立つ。
また、本説明においては、最終的に製造された立体物の素材として、ヤーン、ストランド、トウ、バンド、テープなどを例示したが、以下の説明では、発明を明確に理解できるように、立体物の素材をトウに一貫して記載することにする。
再び、図４を参照して、トウ５０の移動経路に対して説明すると、トウ５０は、ヘッドサプライユニット４００の流入パイプ４１０の終端に備えられた流入口４３０を介して流入される。流入口４３０は、外部に備えられたトウ供給部（図示せず）からトウの供給を受ける。もちろん、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００が、前記トウ供給部（図示せず）を含んでも構わない。
また、後述するが、流入口４３０は、外部に備えられたヒータ（図示せず）と連結されて温度調節された空気の供給を受けてもよい。流入口４３０を介して供給された、温度調節された空気は、トウ５０が流入口４３０に至る時まで、トウ５０が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止し、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の内部を通過するトウ５０が固まったり硬化又は劣化を防止する。
流入口４３０を通過したトウ５０は、ヘッドサプライユニット４００の流入パイプ４１０を過ぎてトランスフォーマーユニット３００に進入する。
この時、ヘッドサプライユニット４００は、流入パイプ４１０の内部にヘッドサプライヒータ４２０を備えているため、長手方向の流入パイプ４１０を過ぎる間、トウ５０は固まったり硬化したり劣化したりしない状態でトランスフォーマーユニット３００まで移動を続けることになる。
以下で、さらに詳細に説明するが、トランスフォーマーユニット３００は複数のローラを備え、前記複数のローラはトウ５０の移動をガイドする。ヘッドサプライユニット４００を過ぎてトランスフォーマーユニット３００に進入したトウ５０は、それぞれのローラと接触しつつ進行方向を変更する。言い換えれば、トウ５０の進行経路は複数のローラの構造や配置によって定義される。
一方、ヘッドユニット２００を回転させるトランスフォーマーユニット３００は、ヘッドユニット２００の回転を調節しつつ、複数のローラの配置が変わることになる。これにより、トウ５０の進行方向が変わることになり、トウ５０のテンションも影響を受けることになる。
ただし、複数のローラのうちの少なくとも一つは、トウ５０が進行しつつ変わり得るトウ５０のテンションを一定に保持できるように設計されている。具体的に、前記複数のローラのうちの少なくとも一つは、トウ５０のテンション保持用ローラに該当する。テンション保持用ローラを除いた残り複数のローラは、トウ５０の進行をガイドするとともに、ヘッドユニット２００の回転に関与する。これと関連しては、図９〜図１４を参照しつつさらに詳細に説明することにする。
トランスフォーマーユニット３００を通過したトウ５０は、ヘッドユニット２００に進行を続ける。トランスフォーマーユニット３００の前端にはカップリング３０２が備えられ、前記カップリング３０２は、ヘッドユニット２００の終端に位置したカップリング２５２と連結される。この時、ヘッドユニット２００のカップリング２５２とトランスフォーマーユニット３００のカップリング３０２とは、互いに直接連結されてもよく、適切な連結部材によって間接的に連結されてもよい。
ヘッドユニット２００の内部に進入したトウ５０は、ヘッドユニット２００のヘッドパイプ２１２を通過して外部に吐出される。この時、長手方向の円筒形部材であるヘッドパイプ２１２は、ヘッドヒータ２１４によって囲まれている。ヘッドヒータ２１４は、ヘッドパイプ２１２を適切な温度状態に保持し、パイプ２１２の内部を通過中であるトウ５０が固まったり硬化又は劣化を防止するように構成されている。
上述したように、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００は、トウ５０が固まったり硬化又は劣化を防止するために多数のヒータを備えてもよい。ただし、トウ５０が３Ｄ立体物製造ロボット１００から吐出される時には、トウ５０の温度を正確に調節する必要がある。これは、トウ５０が吐出される基板（substrate）に付いたり固まったりするだけでなく、吐出位置と吐出比率を調節するためである。
これを防止するために、ヘッドユニット２００は、外部に吐出されるトウ５０の温度を調節するための温度調節強制空気パイプ（temperature regulated forced air pipe）２４６を備える。強制空気パイプ２４６は、直接・間接的にトウ５０を所望する温度に作ることになり、強制空気パイプ２４６によって温度が調節されたトウ５０は、癒着することなくヘッドユニット２００から吐出され得るようになる。これと関連しては、ヘッドユニット２００と関連した図５を参照して、下でさらに詳細に説明することにする。
調節されたトウ５０の温度は、トウ５０の癒着がない吐出及び／又は要求される吐出率を成すための温度又は温度範囲と解釈されれば構わない。
本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００は、ヒータ（ヘッドヒータ２１４又はヘッドサプライヒータ４２０）や強制空気パイプ２４６によって調節される特定温度や温度範囲に限定されない。すなわち、トウ５０の材料や性質により、トウ５０の温度を調節（上昇、下降又は保持）できる機能を有することで充分である。
以下では、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００を構成するヘッドユニット２００及びトランスフォーマーユニット３００の細部的な構造と動作について説明する。
図５は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるヘッドユニット２００の断面図である。図５に示されたように、ヘッドユニット２００は、ヘッドパイプ２１２とヘッドヒータ２１４を含むヘッドボディ２１０、ホイールアセンブリ２２０、スペーサ２２２、ロータリーハウジング２３０、シリンダアセンブリ２４０、吐出口２５０及びカップリング２５２を含む。ここで、シリンダアセンブリ２４０は、シリンダローラ２４２、シリンダローラブラケット２４４及び強制空気パイプ２４６を含む。
前記構成は、本発明の好ましい実施形態に含まれる構成に過ぎず、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の機能を保持できるならば、前記構成以外に他の構成が付加されても構わず、前記構成のうち一部が省略されても構わない。
ヘッドボディ２１０は、長手方向の円筒形ヘッドパイプ２１２を含み、トランスフォーマーユニット３００を通過してヘッドユニット２００に進入したトウ５０の移動をガイドする。
ヘッドヒータ２１４は、ヘッドパイプ２１２の全体あるいは一部を囲んで、パイプ２１２の温度を上昇させる。ヘッドパイプ２１２を通過中であるトウ５０は、ヘッドヒータ２１４により加熱されたヘッドパイプ２１２の内部を通過するため、固まったり硬化又は劣化が防止される。これにより、ヘッドパイプ２１２内部で固着なしに外部に滑らかに吐出される。
ホイールアセンブリ２２０は、ヘッドボディ２１０の所定位置に備えられる。好ましくは、図５に示されたように、ヘッドユニット２００の吐出口２５０の反対側終端近くに備えられる。
ホイールアセンブリ２２０は、ヘッドユニット２００のマルチプル３６０度回転（３６０°、７２０°・・・）を可能にする。言い換えると、ホイールアセンブリ２２０は、ホイール、フランジ及びガスケットなどから構成され、ヘッドボディ２１０を回転させる。
この時、ヘッドユニット２００の内部に設けられた内部導線が、ヘッドボディ２１０の回転に影響を受けることがある。これを防止するために、ヘッドユニット２００は、ロータリーハウジング２３０及びスペーサ２２２を備えてもよい。
すなわち、ロータリーハウジング２３０は、内部に少なくとも一つのスペーサ２２２を備え、前記少なくとも一つのスペーサ２２２によって離隔した空間に導線を位置させ、導線への影響（ねじれ、断線など）なしにヘッドボディ２１０自体だけを回転させる。
ホイールアセンブリ２２０により、ヘッドユニット２００は長手方向に沿った軸２０１ａを中心に回転運動Ａ−Ａ’をする。図６〜図８は、ホイールアセンブリ２２０によるヘッドユニット２００の回転運動を示す。
図６〜図８に示されたように、ヘッドユニット２００は、トランスフォーマーユニット３００やヘッドサプライ４００の助けなしに、ホイールアセンブリ２２０によってマルチプル３６０度回転（３６０°、７２０°・・・）できるようになる。もちろん、ロータリーハウジング２３０とスペーサ２２２により、内部導線は回転による影響を受けない。
また、ヘッドユニット２００の回転は、トウ５０の回転を伴わない。すなわち、ホイールアセンブリ２２０はヘッドユニット２００の回転を調節するが、ヘッドユニット２００の内部を通過するトウ５０は回転せずに、外部に吐出され得る。
このような、ヘッドユニット２００の回転は、多様な形状と構造の立体物をさらに精巧に製造するのに助けとなる。
シリンダアセンブリ２４０は、ヘッドボディ２１０の一部に固定される。好ましくは、シリンダアセンブリ２４０は、トウ５０が吐出される吐出口２５０に近接して位置する。
シリンダアセンブリ２４０は、内部ピストンの往復運動を利用して、シリンダローラブラケット２４４を直線往復運動させる。これにより、シリンダローラブラケット２４４は、ヘッドユニット２００の長手方向に沿って直線往復運動（Ｌ−Ｌ）することになる。
一方、シリンダローラブラケット２４４の一端にはシリンダローラ２４２が備えられる。シリンダローラ２４２は、吐出されるトウ５０を精巧にガイドする機能を有する。
シリンダローラブラケット２４４が直線往復運動（Ｌ−Ｌ）をするようになれば、シリンダローラブラケット２４４の一端に備えられたシリンダローラ２４２も直線往復運動（Ｌ’−Ｌ’）を遂行するようになる。
ヘッドパイプ２１２を通過して吐出口２５０を抜け出たトウ５０は、シリンダローラ２４２によってガイドされる。すなわち、シリンダローラ２４２は、外部に吐出されるトウ５０の位置を適切にガイドする。
シリンダローラ２４２がない場合、トウ５０は重力によって直ちに下降したり又は吐出口２５０に癒着して、トウ５０を所望する位置に吐出させることが難しくなる。しかし、トウ５０の最終吐出移動経路がシリンダローラ２４２によってガイドされれば、所望する位置への精巧な吐出が可能であり、形成可能なプラスチック材料を活用して、さらに複雑な形状の３Ｄ立体物を製造できるようになる。
一方、シリンダアセンブリ２４０は、強制空気パイプ２４６を備える。上で言及したように、強制空気パイプ２４６は、吐出されるトウ５０の温度を直接・間接的に調節する。
シリンダアセンブリ２４０に備えられた強制空気パイプ２４６は、シリンダアセンブリ２４０の構成、すなわち、内部ピストン（図示せず）、シリンダローラブラケット２４４及びシリンダローラ２４２の温度を調節する。
特に、強制空気パイプ２４６は、一端に接触しているシリンダローラ２４２の温度及びシリンダローラ２４２によってガイドされるトウ５０の温度を調節する。
さらに詳細には、シリンダアセンブリ２４０の内部ピストン運動により、シリンダローラ２４２が前進（トウ５０の進行方向に前進）すれば、ヘッドユニット２００のヘッドパイプ２１２を通過して吐出口２５０を抜け出たトウ５０は、シリンダローラ２４２に接触しつつ最終吐出方向がガイドされる。
この時、強制空気パイプ２４６によって調節された温度を有するシリンダローラ２４２に接触しつつ、トウ５０の温度も適切に調節される。
再び説明すると、トウ５０が吐出口２５０を抜け出て自由落下せずに、シリンダローラ２４２によって進行経路がガイドされるため、トウ５０を所望する位置に精巧に吐出させることができ、強制空気パイプ２４６によって温度が調節されたトウ５０が吐出口２５０やシリンダローラ２４２に癒着することなしに滑らかに吐出され得る。
以下では、トランスフォーマーユニット３００の構成及び動作について説明することにする。図９は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００の右側分解斜視図であり、図１０は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００の左側分解斜視図であり、図１１は、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００の概略図である。
まず、図９に示されたように、トランスフォーマーユニット３００は、複数のローラを含む。本実施形態では、合計５個のローラを含むものと想定して説明するが、これと異なる実施形態では、さらに少ない個数のローラが含まれてもよく、また他の実施形態ではより多くの個数のローラが含まれてもよい。
図９は、トランスフォーマーユニット３００の右側分解斜視図として、トランスフォーマーユニット３００に含まれた第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５の右側面を細部的に示している。
第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５のうちの少なくとも２個以上のローラは、ワイヤ３２７により連結され、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５の間の距離を一定に保持させる。これにより、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５に形成されるトウ５０の移動経路を一定の長さに保持できるようになる。
言い換えれば、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５は、トウ５０の移動経路を定義するが、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５の間の距離が一定に保持されることにより、トランスフォーマーユニット３００の構造的安定性が図られて、トランスフォーマーユニット３００を過ぎるトウ５０の全長が一定（constant）になる。
本実施形態では、第２ローラ３１２〜第５ローラ３１５の右側面に位置したワイヤ係止部３２２〜３２５にワイヤ３２７が締結され、各ローラの長さが一定に保持される。
一方、トランスフォーマーユニット３００に備えられた第１チェーン３４１〜第６チェーン３４６は、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５の位置変化に連動して形状が変わり得る。
本実施形態では、第１ローラ３１１に対する第２ローラ３１２の相対的位置、第２ローラ３１２に対する第１ローラ３１１の相対的位置は一定である。すなわち、第１ローラ３１１と第２ローラ３１２の互いに対する配置（離隔距離と相対的角度）は変わらない。
また、第３ローラ３１３に対する第５ローラ３１５の相対的位置、第５ローラ３１５に対する第３ローラ３１３の相対的位置は一定である。すなわち、第３ローラ３１３と第５ローラ３１５の互いに対する配置（離隔距離と相対的角度）は変わらない。
この時、第３ローラ３１３と第５ローラ３１５との間に位置する第４ローラ３１４も、第３ローラ３１３及び第５ローラ３１５に対する相対的位置が一定であるが、第４ローラ３１４はテンション調節用ローラで動作する場合、所定範囲内で位置が可変的である。
これにより、第１ローラ３１１及び第２ローラ３１２は、一つの単位で動き、第３ローラ３１３〜第５ローラ３１５も一つの単位で動くものと説明することができる。
一方、第２ローラ３１２と第３ローラ３１３は、連結部材３５０により連結される。
第５ローラ３１５を中心に、トランスフォーマーユニット３００の一部が回転することになれば、第３ローラ３１３及び第４ローラ３１４も一定の離隔距離と相対的角度を保持しつつ回転することになる。
これにより、連結部材３５０により第３ローラ３１３と連結された第２ローラ３１２の位置も変化することになる。
第２ローラ３１２の位置変化は、一定の離隔距離と相対的角度を有して配置された第１ローラ３１１の位置変化を伴う。
第５ローラ３１５の回転による第１ローラ３１１及び第２ローラ３１２の位置変化は、ヘッドユニット２００の動きに連結される。これは、ヘッドユニット２００のカップリング２５２は、トランスフォーマーユニット３００のカップリング３０２と連結されており、トランスフォーマーユニット３００のカップリング３０２は、第１ローラ３１１と近接して固定されているためである。すなわち、トランスフォーマーユニット３００のカップリング３０２と第１ローラ３１１との間の離隔距離と配置角度は一定である。
また、ヘッドユニット２００は、ヘッドサプライ４００のヘッド締結部４４０に連結されているため、ヘッド締結部４４０とヘッドユニット２００の連結軸４０１ｂを中心にヘッドユニット２００とトランスフォーマーユニット３００の一部（第１ローラ３１１及び第２ローラ３１２が位置した領域）は相対的な運動をする。
テコの原理で説明すると、ヘッド締結部４４０とヘッドユニット２００の連結軸４０１ｂが支点、トランスフォーマーユニット３００の第１ローラ３１１が位置した領域が力点、ヘッドユニット２００が作用点になる。
第１ローラ３１１が位置したトランスフォーマーユニット３００の領域が上昇移動（回転）することになれば、ヘッドユニット２００は下降移動（回転）することになり、第１ローラ３１１が位置したトランスフォーマーユニット３００の領域が下降移動（回転）することになれば、ヘッドユニット２００が上昇移動（回転）することになる。
この時、ヘッド締結部４４０の長さは一定であり、ヘッドユニット２００の動作を制御するトランスフォーマーユニット３００は、ヘッド締結部４４０の内部に位置する。したがって、本発明によるトランスフォーマーユニット３００は、制限された距離（ヘッド締結部４４０の長さ）に備えられ、ヘッドユニット２００の移動を図ることができるようになり、これにより、３Ｄ立体物製造ロボット１００をさらにコンパクトに構成できるようになる。
図１２〜図１４は、トランスフォーマーユニット３００によるヘッドユニット２００の移動あるいは回転を示す。
図１２は、トランスフォーマーユニット３００の構成が図１１の状態に位置した場合を示す。この時、ヘッドユニット２００は水平面と略平行した方向、すなわち、ヘッドサプライ４００の長手方向の延長線上に置かれるようになる。
図１３は、第５ローラ３１５が含まれたトランスフォーマーユニット３００の一部領域が第５ローラ３１５を中心に回転した場合を示す。
第５ローラ３１５を中心にしたトランスフォーマーユニット３００の一部領域の回転は、第３ローラ３１３と第２ローラ３１２をつなぐ連結部材３５０を上昇させる。これにより、連結軸４０１ｂを基準として反対側にあるヘッドユニット２００が下に向かうようになる。
図１４は、第５ローラ３１５を含むトランスフォーマーユニット３００の一部領域が、図１３の反対方向に回転した場合を示す。
第５ローラ３１５を中心にしたトランスフォーマーユニット３００の一部領域の回転は、第３ローラ３１３と第２ローラ３１２をつなぐ連結部材３５０を下へ引っ張る。これにより、連結軸４０１ｂを基準として反対側にあるヘッドユニット２００が下に向かうようになる。
このように、トランスフォーマーユニット３００は、複数のローラ３１１〜３１５を用いて、限定された空間で形状が変形され得るため、ヘッドユニット２００を回転させることができるので、３Ｄ立体物製造ロボット１００をコンパクトに作ることができる。
実施形態により異なるが、トランスフォーマーユニット３００は、ヘッドユニット２００を１６０度以上まで自由に回転させることができる。もちろん、各ローラ３１１〜３１５の配列又はヘッド締結部４４０の長さ等により、さらに大きい角度で回転させることも可能である。
以下では、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００において、トランスフォーマーユニット３００を通過するトウ５０の適応的テンション調節機能について詳細に説明する。
ここで、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５のうちの少なくとも一つのローラは、トランスフォーマーユニット３００を通過するトウ５０のテンションを適応的に調節する機能を有するテンション調節用ローラとして機能する。
本実施形態では、第４ローラ３１４がトウ５０の適応的テンション調節機能を有するもので示されているが、他のローラがテンション調節機能を遂行することもでき、別途のテンション調節用ローラをさらに含んでも構わない。トランスフォーマーユニット３００に備えられたそれぞれのローラ３１１〜３１５は、トウ５０の移動経路を定義する。トウ５０は流入パイプ４１０を過ぎてトランスフォーマーユニット３００の内部に進入し、第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５によりガイドされてヘッドユニット２００に進む。この時、トウ５０はトランスフォーマーユニット３００の第１ローラ３１１〜第５ローラ３１５に接触しつつ、進行方向が変わるようになる。
この時、複数のローラ３１１〜３１５の一つであるテンション調節用ローラ（第４ローラ３１４）は、弾性部材３１８を備えてもよい。弾性部材３１８により第４ローラ３１４は所定の距離内で位置が可変的である。
第４ローラ３１４は、トランスフォーマーユニット３００の変形が成されつつ発生するトウ５０のテンション変化に対応し、所定の距離内で位置が移動する。これにより、トウ５０のテンションが一定に保持され得る。
すなわち、トウ５０のテンションが強ければ、弾性部材３１８は第４ローラ３１４がトウ５０のテンションを緩くすることができる位置に移動することを許容し、トウ５０のテンションが弱ければ、弾性部材３１８は第４ローラ３１４がトウ５０のテンションを強くすることができる位置に移動することを許容することになる。
本実施形態では、適応的テンション調節用ローラである第４ローラ３１４の位置移動を可能にする手段で弾性部材３１８を言及したが、これと異なる手段が備えられても構わない。
一方、トランスフォーマーユニット３００は、各ローラ３１１〜３１５、ワイヤ３２７などの構成を保護するためのワイヤカバー３２０及びローラカバー３６０をさらに含んでもよい。
以下では、トランスフォーマーユニット３００の一構成であるヒータアセンブリ３７０について詳細に説明することにする（図３、図９及び図１０参照）。
本発明によるトランスフォーマーユニット３００は、ヒータアセンブリ３７０を含んでもよい。ヒータアセンブリ３７０は、適切な温度の空気を生成してトランスフォーマーユニット３００の内部を通過するトウ５０が固まったり硬化したり劣化したりしないようにする。
ヒータアセンブリ３７０によって生成された適切な温度の空気は、ヒータホルダ３７２とヒータガイダー３７７を介してトランスフォーマーユニット３００の内部に伝達される。
具体的に、ヒータアセンブリ３７０を介して伝達された、適切な温度を有する空気は、トランスフォーマーユニット３００を通過するトウ５０の移動経路に伝達される。
ヒータアセンブリ３７０は、ヒータプレート３７５の上に搭載され、ヘッドサプライ４００に脱着可能に固定されてもよい。
このように、本発明による３Ｄ立体物製造ロボット１００の一構成であるトランスフォーマーユニット３００を通過するトウ５０は、移動経路上に供給される適切な温度の空気によって調節された温度を保持し、固まったり硬化したり劣化したりすることを避けることができる。
トウ５０が固まったり硬化又は劣化を防止する構成は、ヒータアセンブリ３７０以外にも、ヘッドサプライ４００の流入口４３０と連結された外部ヒータ（図示せず）、ヘッドサプライ４００のヘッドサプライヒータ４２０、ヘッドユニット２００のヘッドヒータ２１４がある。このようなヒーティング装置によってトウ５０が固まったり硬化したり劣化したりしなくなる。
また、トウ５０は、ヘッドユニット２００に備えられた強制空気パイプ２４６により温度が調節されて癒着せずに外部に吐出され得るようになる。
一方、トランスフォーマーユニット３００の各ローラ３１１〜３１５は、モータ（図示せず）をさらに備えてもよい。これは、各ローラ３１１〜３１５によってガイドされるトウ５０の吐出率及び吐出速度を調節する機能を有する。
それぞれのローラ３１１〜３１５は、個別的にモータが連結されてもよく、ユーザはモータを制御することによって、それぞれのローラ３１１〜３１５の回転速度を決定することができる。ローラ３１１〜３１５の回転速度は、それぞれのローラ３１１〜３１５によってガイドされるトウ５０の移動速度に直接的に関与する。
もちろん、他の実施形態では、複数のローラ３１１〜３１５の一部のローラにだけモータが連結されてもよい。
本発明の好ましい実施形態を含む特定の実施形態の観点から本発明を説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、上で説明された発明の構成において、多様な置き換えや変形を予測することができるだろう。また、本発明の技術的範囲と技術的思想を外れない限り、構造的かつ機能的な変調が多様に成されてもよい。したがって、本発明の思想や技術的範囲は、本発明に添付された請求の範囲に記述されたように、広範囲に理解され得るだろう。
１００ ３Ｄ立体物製造ロボット
２００ ヘッドユニット
２１２ ヘッドパイプ
２１４ ヘッドヒータ
２２０ ホイールアセンブリ
２４０ シリンダアセンブリ
２４２ シリンダローラ
２５０ 吐出口
３００ トランスフォーマユニット
３１１〜３１５ ローラ
３２２〜３２５ ワイヤ係止部
３４１〜３４６ チェーン
３５０ 連結部材
３７０ ヒータアセンブリ
３７７ ヒータガイダー
４００ ヘッドサプライユニット
４４０ ヘッド締結部
５００ ボディユニット
５１０ 回転ベース
５２０ 連結アーム

Claims (20)

  1. 形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットであって、
    前記素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニットと、
    前記ヘッドサプライユニットから伝達された前記素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニットと、
    前記トランスフォーマーユニットから伝達された前記素材を外部に吐出するヘッドユニットと、
    を含む、３Ｄ立体物製造ロボット。
  2. 前記トランスフォーマーユニットは、
    前記複数のローラの配置を変形させることによって、前記ヘッドユニットの移動又は回転を制御する、請求項１に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  3. 前記複数のローラのうちの二つのローラを連結する連結部材、をさらに含む、請求項２に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  4. 前記トランスフォーマーユニットは、
    前記複数のローラのうちの一つのローラを中心とした一部の領域の回転により、前記連結部材及び前記連結部材に連結された二つのローラが連動して移動することによって、前記ヘッドユニットの回転を調節する、請求項３に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  5. 前記複数のローラのうちの少なくとも一つは、前記素材のテンション変化に対応して位置が可変的なテンション調節用ローラである、請求項１に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  6. 前記テンション調節用ローラは、
    所定の範囲内で移動を可能にする弾性部材を備える、請求項５に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  7. 前記複数のローラによってガイドされる前記素材は、前記複数のローラの位置が変化する間にも一定の長さを保持する、請求項１に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  8. 形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットであって、
    前記素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニットと、
    前記ヘッドサプライユニットから伝達された前記素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニットと、
    前記トランスフォーマーユニットから伝達された素材が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止するヘッドヒータを含むヘッドユニットと、
    を含む、３Ｄ立体物製造ロボット。
  9. 前記ヘッドヒータは、前記素材の移動通路であるヘッドパイプの周囲の全体あるいは一部に形成される、請求項８に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  10. 前記ヘッドユニットの先端には、前記素材の吐出位置をガイドするシリンダローラ、が形成される、請求項８に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  11. 前記シリンダローラの温度を調節するための強制空気パイプ、をさらに含む、請求項１０に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  12. 前記トランスフォーマーユニットは、
    前記素材が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止するための温度を有する空気を生成するヒータアセンブリ、を備える、請求項８に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  13. 前記トランスフォーマーユニットの内部に前記空気をガイドするヒータガイダー、をさらに含む、請求項１２に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  14. 前記ヘッドサプライユニットは、
    前記素材が固まったり硬化したり劣化したりすることを防止するためのヘッドサプライヒータ、を備える、請求項８に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  15. 形成可能なプラスチック材料からなる素材を用いて３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物製造ロボットであって、
    前記素材が流入される流入口を備えるヘッドサプライユニットと、
    前記ヘッドサプライユニットから伝達された前記素材の移動をガイドする複数のローラを備えるトランスフォーマーユニットと、
    前記トランスフォーマーユニットから伝達された前記素材を外部に吐出するヘッドユニットと、を含み、
    前記ヘッドユニットは、マルチプル３６０度回転を可能にするホイールアセンブリ、を含む、３Ｄ立体物製造ロボット。
  16. 前記ヘッドユニットは、前記素材の回転を伴わないながらも、マルチプル３６０度回転が可能である、請求項１５に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  17. 前記立体物製造ロボットは、前記ヘッドサプライユニット、前記トランスフォーマーユニット、及び前記ヘッドユニットによって形成される前記素材の移動経路を内部に含むビルトイン（built-in）構造からなる、請求項１、８又は１５に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  18. 前記素材は、ストランド（strand）、ヤーン（yarn）、トウ（tow）、バンドル（bundle）、バンド（band）又はテープ（tape）で構成された、請求項１、８及び１５のいずれか１項に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  19. 前記３Ｄ立体物製造ロボットは、
    前記ヘッドユニットの長手方向軸を中心とした回転（第１軸回転）、
    前記トランスフォーマーユニットによって調節される前記ヘッドユニットの回転（第２軸回転）、
    前記ヘッドサプライユニットの長手方向軸を中心とした回転（第３軸回転）、
    前記ヘッドサプライユニットに連結された連結アームとの連結軸を中心とした前記ヘッドサプライユニットの回転（第４軸回転）、
    前記連結アームに連結された回転ベースの連結軸を中心とした前記連結アームの回転（第５軸回転）、
    水平面に垂直である回転軸を中心とした前記回転ベースの回転（第６軸回転）のうちの少なくとも一つの回転が可能なように構成された、請求項１、８及び１５のいずれか１項に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。
  20. 前記トランスフォーマーユニットは、
    前記複数のローラのうちの少なくとも一つの回転速度を制御するための少なくとも一つのモータ、をさらに含む、請求項１、８及び１５のいずれか１項に記載の３Ｄ立体物製造ロボット。

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