JP2019069592A - ３ｄプリンタ用ヘッドモジュール、３ｄプリンタおよび造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形材料が３００℃以上の融解温度を有する場合でも、造形材料供給部の供給口で、造形材料が軟化しないように温度上昇を抑制する。【解決手段】吐出ヘッド１内を流動させる造形材料９２ａを加熱する加熱ヘッド２と、吐出ヘッド１に、直接的、または間接的に接続され、吐出部１２に造形材料９１を供給するための造形材料供給孔６１ａ、３ａを有する熱伝導抑制部材（バレル６１、断熱スペーサ３）を備えており、熱伝導抑制部材（バレル６１、断熱スペーサ３）が、５Ｗ／（ｍ・℃）以下、好ましくは３Ｗ／（ｍ・℃）以下の熱伝導率の材料で形成されている。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール、これを搭載した３次元（３Ｄ）プリンタおよび造形方法に関する。

近年、コンピュータを利用して３次元プリンタにより立体造形物を製造することが盛んに行われている。このような造形材料を吐出する装置としては、例えば図６に示されるような構造のものが知られている。すなわち、図６において、ヒータブロック８３の一端側にノズル８１がねじ込まれ、他端部側にバレル８２がねじ込まれ、バレル８２にワイヤ状または棒状の造形材料が挿入される。そして、バレル８２により造形材料が一定の割合で送り込まれ、ヒータブロック８３の熱により造形材料が加熱されて融解し、ノズル８１の先端部の吐出部８１ａから融解した造形材料が一定量ずつ吐出される。この吐出部８１ａの位置が、造形物を形成する造形テーブル（図示せず）とｘｙｚ方向に相対的に移動することにより、３次元の所望の造形物が製造される。

一方、特許文献１には、クイックスタートが可能な吐出ヘッドが開示されている。すなわち、図５に側面図が示されるように、少ない熱量で造形材料を融解して吐出する安価な吐出ヘッドとして、例えば板状体または金属ブロックによって流路構造体１０を形成し、その流路構造体１０の一壁面に、セラミック基板に発熱抵抗体を形成して通電できるようにした加熱ヘッド２０を配置し、その流路構造体１０の吐出部１２と反対側に設けられた取付板８５にバレル８２が固定され、造形材料９１が定ピッチで送り込まれるように図示しない送り機構がバレル８２の外周に取り付けられている。この取付板８５やバレル８２はアルミニウム、ステンレスなどの金属によって形成されている。そのため、造形材料がバレル８２に付着しないように、また、造形材料９１のバレル８２内での移動がスムーズに行われるように、バレル８２の内面にフッ素系樹脂からなるチューブ８２ａが挿入されている。図６の例でもチューブが挿入されているが、図では省略されている。

特許第６１５４０５５号公報

前述のように、流路構造体１０と接続される取付板８５、およびその取付板８５に接続されるバレル８２は金属で形成されている。そのため、図６に示されるヒータブロック８３や図５に示される加熱ヘッド２０の熱がバレル８２に容易に伝達する。特に最近では、造形物に、より高温に耐え得る材料を用いたり、添加物を加えたりして強度を強くし耐久性を有する造形物とするための材料など、高温で融解し得る種々の材料が用いられる傾向にある。その結果、造形材料を融解して造形物を製造する場合でも、スイッチ投入後直ちに３００℃以上の高温で造形材料を融解（吐出できるように軟化）し得るようにする必要が出てきている。

このように造形材料が高温で融解する材料になると、融解した造形材料を流動させる流路構造体の温度も非常に高温になる。その結果、流路構造体１０を加熱した熱は、造形材料の供給部であるバレル８２側に伝導する。造形材料供給部であるバレル８２側に熱が伝わると、供給する造形材料９１の温度が上昇し、融解状態には至らずとも、軟化して、僅かな量ずつで流路構造体１０に送れなくなる。前述の特許文献１に示されるように、断熱スペーサが挿入されても、多孔質ガラスや多孔質セラミックスでは、充分に熱伝導を阻止することができない恐れがあり得る。従来の造形材料供給部（バレル８２）は、加工の容易さから、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属材料によって形成されている。そのため、断熱スペーサが挿入されても、その断熱スペーサを乗り越えた熱は、直ちに取付板８５内を伝導し、造形材料の供給口であるバレル８２まで温度が上昇する。その結果、前述したように、流路構造体１０に送り込む造形材料９１が軟化して正確な量で送り込みができなくなるという問題が起り得る。従来の図６に示される構造では、このバレル８２の外周にフィンを取り付け、空冷などで冷却することが行われている。

前述のように、造形材料供給部側に熱が伝導すると、造形材料の送り込みの制御を充分に行えないという問題を有するのみならず、流路構造体を加熱する熱が充分に流路構造体に供給されず、加熱の無駄になるという問題もある。特に、この問題は造形材料の融解温度が例えば３００℃以上などと高くなる程、より一層顕著になるという問題がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、造形材料が３００℃以上の融解温度（吐出できる程度に軟化し得る温度）を有する場合でも、造形材料供給部の供給口で、造形材料が軟化するような温度に上昇しないようにすると共に、流路構造体（吐出ヘッド）で造形材料を融解するための熱を無駄なく利用し得る吐出ヘッドに用いられる熱伝導抑制部材を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、バレルを強制冷却しなくても高融点造形材料を用いて造形を行うことができる３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール、３Ｄプリンタおよび造形方法を提供することにある。

本発明の一実施形態の熱伝導抑制部材は、造形材料を吐出する吐出ヘッドに、直接的、または間接的に接続され、前記吐出ヘッドに造形材料を供給するための造形材料供給孔を有する熱伝導抑制部材であって、前記熱伝導抑制部材の材料は、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・℃）以下の材料で形成されている。

本発明の他の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールは、造形材料を吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドを加熱する加熱ヘッドと、前記吐出ヘッドに、直接的、または間接的に接続され、前記吐出ヘッドに造形材料を供給するための造形材料導通孔を有する熱伝導抑制部材とを備えており、前記熱伝導抑制部材が、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・℃）以下の材料で形成されている。

本発明の立体造形物の造形方法は、立体造形物の造形方法であって、前記３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールおよび３００℃以上の高温で軟化する造形材料を用いて立体造形物を形成することを含む。

本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールは、加熱融解させられた造形材料を吐出する吐出口を有する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドの外面に取付けられて前記吐出ヘッド内に供給された前記造形材料を加熱する加熱ヘッドと、前記吐出ヘッドに、直接的、または間接的に接続され、前記吐出ヘッドに前記造形材料を供給するための造形材料供給孔を有する熱伝導抑制部材と、前記吐出口を突出させるとともに前記加熱ヘッドを覆うように前記吐出ヘッドの周囲に取付けられたカバー部材と、を備え、前記吐出ヘッドおよび前記カバー部材は、前記熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする。

前記本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールにおいて、前記カバー部材と前記吐出口との間であって、前記カバー部材の下端部に取付けられ、前記加熱ヘッドによる熱の放散を行う放熱部材を備えていることを特徴とする。

また、前記本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールにおいて、前記熱伝導抑制部材の材料が、マシナブルセラミックス、エンジニアリングセラミックス、ガラス、チタン合金、またはマシナブルセラミックス、エンジニアリングセラミックスもしくはガラスからなる内管を金属の外管で覆った複合材料であることを特徴とする。

さらに、本発明の３Ｄプリンタは、前記３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールを備えることを特徴とする。

加えて、本発明の立体造形物の造形方法は、前記３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールおよび３００℃以上の高温で軟化する造形材料を用いて立体造形物を形成することを含むことを特徴とする。

本発明の熱伝導抑制部材によれば、造形材料を吐出する吐出ヘッドに、造形材料を供給するための造形材料供給孔を有する熱伝導抑制部材であって、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・℃）以下の材料が直接的または間接的に接続されている。そのため、吐出ヘッドの加熱される部分の熱が、造形材料の供給側に伝導し難い。その結果、造形材料が３００℃以上の高温で融解する材料で吐出ヘッドの温度が３００℃以上に上昇しても、その熱が造形材料の供給側に伝わり難くなる。その結果、造形材料であるフィラメントを送り込むところで造形材料が軟化して送り込み難くなるということがなくなる。さらに、吐出ヘッドの流路部分での加熱する熱量の逃げが少なくなるので、加熱する熱量を有効に利用することができ、無駄な加熱を抑制し得る。

本発明の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールによれば、吐出ヘッドおよびそのカバー部材を、吐出ヘッドへ造形材料を供給する熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い材料で形成しているので、カバー部材によって吐出ヘッドを加熱した熱を効果的に閉じ込めることができるので、加熱ヘッドの発熱を造形材料の加熱により有効に用いることができ、加えて、熱伝導抑制部材を吐出ヘッドおよびそのカバー部材よりも低熱伝導率材料としているので、造形材料を供給する熱伝導抑制部材側に伝導するのを軽減できる。その結果、造形材料が３００℃以上の高温で融解する材料で吐出ヘッドの温度が３００℃以上に上昇した場合であっても、その熱が造形材料の供給側に伝わり難くなり、バレル（熱伝導抑制部材）を強制冷却しなくても造形材料であるフィラメントを送り込むところで造形材料が軟化して送り込み難くなるということがなくなる。さらに、カバー部材の下端部に放熱部材を取付けるようにしたときには、加熱ヘッドによる熱をカバー部材が効果的に放熱部材に逃がすことができ、放熱部材から放散した熱をこれから造形材料を積層しようとする既積層された造形物表面の加熱に利用することができ、ＰＥＥＫ等の高融点材料の造形材料であっても強固な結合において積層（造形）を行うことができる。

本発明の一実施形態の熱伝導抑制部材を用いた３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールの断面説明図である。 図１Ａのヘッドモジュールに用いる吐出ヘッドを構成する板状体の例である。 図１Ａの加熱ヘッドのカバー部材を除去した状態の平面説明図である。 図２Ａにカバー部材を取り付けた状態の側面図である。 図２Ａの加熱ヘッドの裏面を示す底面図である。 図１Ａのヘッドモジュールの変形例である。 本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールの（Ａ）断面説明図、および（Ｂ）底面説明図である。 従来の吐出ヘッドモジュールの一例を示す側面図である。 従来の吐出ヘッドモジュールの他の例を示す断面図である。

つぎに、図面を参照しながら本発明の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールおよびその吐出ヘッドモジュールに用いる熱伝導抑制部材が説明される。本発明の一実施形態による３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール１００は、図１Ａにその断面説明図が示されるように、造形材料を吐出する吐出部１２、融解した造形材料を流動させる流路１１を有する吐出ヘッド１と、吐出ヘッド１内を流動させる造形材料９２ａを加熱する加熱ヘッド２と、吐出ヘッド１に、直接的、または間接的に接続され、吐出ヘッド１に造形材料９１を供給するための造形材料供給孔６１ａ、３ａを有する熱伝導抑制部材（バレル６１、断熱スペーサ３）とを備えており、熱伝導抑制部材（バレル６１、および／または断熱スペーサ３）が、５Ｗ／（ｍ・℃）以下、好ましくは３Ｗ／（ｍ・℃）以下の熱伝導率の材料で形成されている。

すなわち、図１Ａに示される例では、吐出ヘッド１内を融解した（軟化状態になった）造形材料９２ａが流動できるように流路１１が形成されており、その流路１１と連結して造形材料９１を送り込む造形材料供給部６のバレル６１が取付板５を介して接続されている。このバレル６１には、造形材料であるフィラメント９１を一定ピッチで送り込む送り機構が設けられて、造形材料供給部６が構成されているが、図では省略されている。このバレル６１の中心部には、造形材料であるフィラメント９１を流路１１に供給するための貫通孔（造形材料供給孔）６１ａが形成されている。また、図１Ａに示される実施形態では、必須ではないが、断熱スペーサ３が吐出ヘッド１と取付板５との間に挿入されている。この断熱スペーサ３も、その中心部には、造形材料であるフィラメント９１を吐出ヘッド１に供給する貫通孔（造形材料供給孔）３ａが形成されている。その結果、図１Ａに示されるように、バレル６１から吐出ヘッド１の吐出部１２まで連通した造形材料の流通路が形成されている。このバレル６１と断熱スペーサ３が前述の熱伝導抑制部材によって形成されている。この熱伝導抑制部材の使用は、バレル６１および断熱スペーサ３の両方に用いられる必要はなく、いずれか一方のみ、または他の構成で用いられていてもよい。

近年、リードなどを形成するため、導電性材料としての合金材料を吐出して形成することが要求されたり、強度の大きい造形物の要請から、樹脂などからなる造形材料に金属粉や金属酸化物などの融点の高いフィラーが混合された造形材料が要求されたり、各種センサ機能材料であることが要求されている。その結果、本発明者は、前述のように、３００℃程度の高融点の造形材料でも、スイッチの投入後、直ちに温度を上昇させて融解させクイックスタートを可能としながら、造形材料の吐出ヘッドモジュールを開発して、前述の特許文献１で開示しているが、造形材料を３００℃程度に加熱すると、造形材料供給部６の方も温度が上昇するという問題がある。

前述したように、造形材料の融解温度が３００℃以上になると、造形材料９１の供給部であるバレル６１の温度が上昇して、造形材料（フィラメント）９１の送り込みがスムーズに行えない場合が生じ得る。そこで本発明者が鋭意検討を重ねた結果、吐出ヘッド１から造形材料供給部６への熱伝導を抑制することを考えた。すなわち、従来の吐出ヘッドは、図６や図５に示されるバレル８２や取付部８５（ヒータブロック８３）が、取付構造の容易化のため、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって形成されている。そのため、図６のヒータブロック８３や図５の加熱ヘッド２０の熱が容易にバレル８２側に伝導して、バレル８２の温度が上昇しやすい。そこで、その熱の伝導を少なくとも１／３程度以下、好ましくは１／５程度以下、さらに好ましくは１／１０程度以下に抑制することによって、バレル６１（図１Ａ参照）での造形材料（フィラメント）９１の軟化を抑制し得る程度にバレル６１の温度上昇を抑制できることを見出した。

このバレル６１は一例として、長さが２５〜３５ｍｍ程度で、直径がφ６ｍｍのねじで取付板５に嵌め込まれ、中心部に内径φ２ｍｍの造形材料供給孔６１ａが形成されている。従来構造では、この貫通孔をφ３.２ｍｍ程度にして円筒リング状のチューブ８２ａ（図５参照）が挿入されていたが、本実施形態では、後述されるマシナブルセラミックスまたはジルコニアなどのエンジニアリングセラミックスが用いられるので、このチューブが不要になっている。

この熱伝導の抑制は、熱伝導抑制部材を造形材料の供給口から吐出ヘッド１までの間に挿入することで達成することができ、具体的には、バレル６１を熱伝導抑制部材で形成したり、吐出ヘッド１と取付板５との間に断熱スペーサ３を挿入して、その断熱スペーサ３を熱伝導抑制部材で形成したりすることによって達成し得る。

熱伝導抑制部材としては、熱伝導率の小さい材料を用いることによって得られる。従来の取付部８５やバレル８２（図５参照）の材料は、前述のように、Ａｌやステンレス鋼が用いられているが、Ａｌの熱伝導率は２３０Ｗ／（ｍ・℃）であり、ステンレス鋼の熱伝導率は１６.３〜２７.２Ｗ／（ｍ・℃）である。そのため、熱伝導率をこれらの１／５以下程度にすることが好ましく、具体的には、５Ｗ／（ｍ・℃）以下が好ましく、さらに好ましくは３Ｗ／（ｍ・℃）以下の材料を用いることで達成し得る。

固体で熱伝導率の小さい材料としては、例えばコーニング社製のマシナブルガラスセラミック（例えばマコール（登録商標）：熱伝導率１.４Ｗ／（ｍ・℃））、エンジニアリングセラミックス（例えばジルコニア：熱伝導率１.７〜３Ｗ／（ｍ・℃））、ガラス（例えばホウ珪酸ガラス、石英ガラス：熱伝導率１.４Ｗ／（ｍ・℃））などを用いることができる。

前述の材料の中でも、マシナブルセラミックスは、熱伝導率が１.４Ｗ／（ｍ・℃）程度と小さくステンレスの１／１０以下であり、加工もしやすいため特に好ましい。しかも、この材料であればセラミックスであるため、この造形材料供給孔６１ａ、３ａ内で、フィラメント９１が一部融解しても、その融解した造形材料９２ａが付着しにくいので、造形材料供給孔６１ａ、３ａ内に付着物がたまる恐れもない。すなわち、従来の金属材料で形成されたバレル８２では、図５に示されるように、その内部にフッ素系樹脂からなるチューブ８２ａを挿入する必要があったが、本実施形態ではその必要もなくなる。このマシナブルガラスセラミックスでバレル６１を形成する場合、図１Ａに示されるように、一端部にネジを切って取付板５にねじ込むことによっても取り付けられるし、取付板５に形成した嵌合孔にバレル６１を挿入して、取付板５の外部からネジで止めることもできる。

図１Ａに示される例では、この熱伝導抑制部材がバレル６１に形成されている。バレル６１はその中心部に貫通孔が形成され、造形材料供給孔６１ａが形成されている。この造形材料供給孔６１ａは、吐出ヘッド１の流路１１と連結するように形成されている。バレル６１が熱伝導抑制部材で形成されていることによって、例えばバレル６１の吐出ヘッド１側の端部に熱が伝わったとしても、その熱はバレル６１の吐出ヘッド１と反対側への伝導は抑制され、バレル全体の温度が上昇することは抑制される。その結果、造形材料であるフィラメント９１がバレル６１の入り口で軟化することはなく、スムーズにフィラメント９１を送り込める。

図１Ａに示される実施形態では、断熱スペーサ３が吐出ヘッド（流路構造体）１と取付板５との間に挿入され、その断熱スペーサ３も前述の熱伝導抑制部材で形成されている。この断熱スペーサ３が吐出ヘッド１と取付板５との間に設けられることによって、一番温度が高くなる吐出ヘッド１の熱のバレル６１側への伝導が抑制されるので、最も効果的である。すなわち、バレル６１の加熱を抑制できるだけでなく、吐出ヘッド１の熱を逃がさないで、吐出ヘッド１の内部の流路１１内の軟化した造形材料９２ａの加熱に有効に利用されるからである。図１Ａに示される例では、バレル６１と断熱スペーサ３との両方が熱伝導抑制部材で形成されているが、この両方がこの材料で形成される必要はなく、いずれか一方のみでもよい。

また、断熱スペーサ３そのものが無くてもよい。バレル６１の熱伝導率が小さければ、吐出ヘッド１側の温度が上昇していても、バレル６１のフィラメント９１の供給側の温度上昇が抑制され、フィラメント９１の軟化という問題は生じにくいと考えられる。一方、これら以外に熱伝導抑制部材が介在されてもよい。例えば取付板５として、従来から金属材料が用いられているが、この取付板５も熱伝導抑制部材により形成されてもよい。前述のように、フッ素金雲母や、ホウケイ酸ガラスなどのマシナブルセラミックスや、ジルコニアなどのエンジニアリングセラミックスは加工することができるので、ネジ孔程度は容易に形成され得る。その結果、吐出ヘッド１で発生した熱を殆ど吐出ヘッド１の加熱に利用することができ、非常に熱効率が向上する。

本実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール１００は、図１Ａに示されるように、吐出ヘッド１に取付板５やバレル６１を含む造形材料供給部６と、その吐出ヘッド１の流路１１の側面に設けられ、流路１１内の軟化した造形材料９２ａを加熱する加熱ヘッド２とからなっている。

すなわち、吐出ヘッド１は、例えば棒状の金属ブロックに流路１１とする縦方向の貫通孔を形成し、その流路の少なくとも一壁面に加熱ヘッド２を貼り付ける構造にしてもよいし、図１Ｂに示される例のように、板状体１ａに流路１１の長さに合せた細長の貫通孔を形成し、その板状体１ａの貫通孔が重なるように複数枚重ねて貫通孔の少なくとも一端部に加熱ヘッド２を設けることによって、流路１１内の軟化した造形材料９２ａを加熱するように構成されてもよい。金属ブロックで形成する場合には、金属ブロックの流路１１の一壁面を薄くするか、流路１１が露出するようにして、加熱ヘッド２が設けられることが加熱効率を向上させ得るので好ましい。また板状体１ａで形成する場合、図１Ａに示される（図１Ａでは、２枚の板状体重ねられ、図１Ｂの中心線での断面図が示されている）ように、貫通孔の両端部に加熱ヘッド２が形成されれば、流路１１が形成されると共に充分に加熱され得るのでよいが、一端部だけに加熱ヘッド２が接合されてもよい。この場合には、貫通孔の他端部（流路１１の他の側壁）は閉塞板で閉塞することで流路１１が形成される。

さらに詳細に説明すると、図１Ｂに示されるような板状体１ａが用いられる。この板状体１ａは、例えば厚さが１ｍｍ程度で、幅Ｗが４ｍｍ程度、長さＨが２０ｍｍ程度の板状体に、幅Ｌが２ｍｍ程度の流路１１とする貫通孔が形成され、その先端部は流路１１と連通するように、幅Ｍが０.３ｍｍ程度で深さが０.１５ｍｍ程度の吐出部１２とする溝が形成されている。この板状体１ａは、吐出部１２の先端からの長さＪが１３ｍｍ程度の位置Ｐで折り曲げられ、流路１１（吐出部１２）と反対側の端部は取付部１５とされる。この取付部１５には、取付用の孔１６がφ２.２ｍｍ程度の大きさで形成され、図１Ａに示される取付板５などに図示しないネジなどによって取り付けられるようになっている。なお、図１Ａに示される例では、取付部１５と取付板５との間に断熱スペーサ３が挿入されている。この取付部１５の長さＫは６.８ｍｍ程度で形成されているが、そのうち１.８ｍｍ程度は折り曲げ部に費やされる。そのため、図示されていないが、折り曲げやすいように、１.８ｍｍ程度の幅で０.６ｍｍ程度の深さの溝が形成されている。これらの孔や溝はエッチングにより形成されるが、打抜き金型により外形の形成と共に同時に形成されてもよい。この場合、貫通孔は金型により形成され、溝はエッチングにより形成されてもよい。この例では、１個の流路１１を形成する例であるが、この流路１１を複数個並べてラインヘッドにする場合には、図１Ｂの幅Ｗを大きくして、大きくした方向に貫通孔を複数個配置することで形成し得る。

このような板状体１ａが、例えば２枚の取付部１５がそれぞれ反対方向に折り曲げられてから、流路１１とする貫通孔などが一致するように重ねて接合されることにより吐出ヘッド１が形成されている。この板状体１ａの貼り付けが、造形材料の高融点の材料を融解する温度、例えば３００℃程度の高温に耐えるような銀ロウによりロウ付けされることで接合される。この場合、例えばステンレスなどからなる金属板同士の接合であるため、メタライズの必要はなく、直接シート状のロウ材またはリボン状のロウ材などを点在させてフラックスを塗布して重ねた上で加熱炉により融解させることによりロウ付けすることができる。なお、真空炉または還元雰囲気炉でロウ付けすることにより、フラックスが無くてもロウ付けすることができる。このようにして形成された吐出ヘッド１は、板状体１ａに形成された縦長の貫通孔が流路１１となるため、２枚の板状体１ａが接合されても、貫通孔の両端は開放されているので、流路１１の対向する２つの側面が開放している。その両面に、図１Ａに示されるように、加熱ヘッド２が貼り付けられている。

図１Ａに示される加熱ヘッド２の構造は、図２Ａ〜２Ｃに示される構造で以下に説明される。この加熱ヘッド２の吐出ヘッド１との接合は、吐出ヘッド１が形成された後に吐出ヘッド１と加熱ヘッド２とが接合されてもよいし、板状体１ａを重ねて加熱ヘッド２と同時にロウ付けされてもよい。

加熱ヘッド２は、図２Ａ〜２Ｃに示されるように、絶縁基板２１の一面に発熱抵抗体２２などが形成され、その表面にカバー部材２６が形成されているが、露出面としては絶縁基板２１の他面（裏面）の方が平坦であること、絶縁基板２１の方が、厚さが厚いので、温度が均一になりやすい（発熱抵抗体２２の温度が一番高いが、その影響を受けにくい）こと、という点で絶縁基板２１の他面側を吐出ヘッド１側にすることが好ましい。その構造にすることにより、前述のように、絶縁基板２１の他面側に予めメタライズ２１ａを形成することによってロウ付けされ得る。

さらに詳細に説明すると、加熱ヘッド２は、例えば図２Ａ〜２Ｃにその一例のカバー部材２６（図２Ｂ参照）を除去した平面図と、カバー部材２６が設けられた側面図と、底面図（裏面）がそれぞれ示されるように形成されている。加熱ヘッド２は、例えば図２Ａ〜２Ｃに示されるように、絶縁基板２１の一面に、絶縁基板２１を加熱する発熱抵抗体２２が形成されている。その発熱抵抗体２２には、その長手方向に電流を流すための電極２３が発熱抵抗体２２の両端部に接続して形成され、その端部は絶縁基板２１の端部に形成されているスルーホールを介して、絶縁基板２１の裏面まで延びる電極端子２３ａになっている。絶縁基板２１の裏面に導出されることによりリード２７の接続が容易になるが、必ずしもそうする必要はない。図２Ａに示される例では、さらに、第２の発熱抵抗体２２ａが吐出部１２側となる方向の半分くらいの長さに形成されている。吐出部１２側の温度を高くして吐出しやすくすると共に、造形材料９１の供給口１３（図１Ｂ参照）側ではあまり温度が上昇しないようにするためである。しかし、発熱抵抗体２２の配置や形状はこの例には限定されず、種々の形状に形成され得る。要は、吐出部１２側の温度が造形材料供給口１３側よりも高くなるように形成されることが好ましい。また、発熱抵抗体２２の近傍に温度測定用抵抗体２４が形成されている。

この温度測定用抵抗体２４には、例えば両端部およびその中間部のように、所定の場所の電気抵抗を測定するための測温用配線２５を介して測温端子２５ａが形成されている。この測温端子２５ａも電極端子２３ａと同様に、絶縁基板２１のスルーホールを介して絶縁基板２１の裏面に導出されている。この発熱抵抗体２２や温度測定用抵抗体２４などの材料、形成方法なども前述の特許第５９８１０７９号公報などに記載されているのと同様の材料で、同様の方法により形成される。これらの上にカバー部材２６（図２Ｂ参照）がガラス材またはセラミック基板などにより形成され、発熱抵抗体２２などの表面が保護されている。また、図２Ｃに示されるように、発熱抵抗体２２の電極端子２３ａや温度測定用抵抗体２４の測温端子２５ａと接続して、セラミック基板２１の裏面側で配線２３ｂ、２５ｂを介してリード２７と接続されている。この配線２３ｂ、２５ｂは無くて、直接リード２７が電極端子２３ａや測温端子２５ａに接続されてもよい。

このリード２７と配線２３ｂ、２５ｂや端子２３ａ、２５ａとの接続は、３００℃以上の温度に対して耐熱性を有する無機導電接着剤などで接続される。また、造形材料吐出ヘッドを使用するには、発熱抵抗体２２の駆動回路や、絶縁基板２１の温度を測定する測定回路を含む制御手段が設けられ得る。制御手段は、発熱抵抗体２２の電流を制御して、絶縁基板２１の温度が所定の温度になるように駆動回路を制御するが、この制御も前述の特許第５９８１０７９号公報などに記載の方法で行われ得る。なお、図示されていないが、リード２７と電極端子２３ａまたは測温端子２５ａなどとの接続部は、その接続部でリード２７が折れないように保護部材で保護される。なお、図２Ａでは、リード２７は、その接続部が絶縁基板２１の裏面側になるため、省略されている。

本実施形態では、この加熱ヘッド２の絶縁基板２１の裏面に、図２Ｃに示されるように、メタライズ２１ａが形成されている。このメタライズ２１ａは吐出ヘッド１と接合するための接合領域に形成されている。すなわち、吐出ヘッド１の流路１１の対向する側面（貫通孔の両端面）が露出しており、その流路１１の露出する部分にはメタライズが形成されていない。この部分にもメタライズが形成されても支障はないが、材料の無駄になるからである。吐出部１２側の端部は、吐出部１２が流路１１よりも細くなるため、吐出ヘッド１の側面が一部残っているので、流路１１は露出していない。そのため、その部分もロウ付けできるように絶縁基板２１にメタライズ２１ａが形成され、メタライズ２１ａの部分がＵ字状になっている。なお、吐出部１２側と反対側は、取付部１５と当て付けで加熱ヘッド２が設けられるため、セラミック系、ガラス系、金属系などの無機接着剤などからなる封止材を塗布して固化することにより、取付部１５と加熱ヘッド２とが接合されて、造形材料が流出しないようにされている。

このメタライズ２１ａは、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔなどを主成分とする材料をペースト状にして絶縁基板２１の裏面のメタライズの形成場所に塗布して６００〜８００℃程度で焼成することにより形成される。発熱抵抗体２２、温度測定用抵抗体２４、電極２３なども同様に、Ａｇ、Ｐｄなどを混合したペーストの塗布と焼成により形成されるので、どちらを先に行ってもよいが、同様の方法で形成され得る。メタライズを先に形成した方が、充分に高温で焼きつけられるし、発熱抵抗体２２などの抵抗値の変動を防止するという観点から好ましい。

このようにメタライズされた絶縁基板２１を有する加熱ヘッド２と吐出ヘッド１との間にシート状もしくはワイヤ状にし、または塗布し得るようにペースト状にした銀ロウ（例えば前述のＪＩＳ規格ＢＡｇ−７を主成分とする銀ロウ）を挟んで重ねて７００℃程度に加熱し、フラックスで表面を活性化させることにより、ロウ付けがなされる。ロウ材は、このようなロウ材を用いなくても、吐出ヘッド１のロウ付け部または絶縁基板２１のメタライズ部分に銀メッキと銅メッキなどを施しておくことにより、重ねて温度を上昇させるだけで、両金属が合金化し、７００℃程度で融解してロウ付けをすることができる。

図１Ａに示される例では、吐出ヘッド１の流路１１と直角方向に形成された貫通孔の両端部に加熱ヘッド２がそれぞれ設けられているが、加熱ヘッド２は一方の端部だけでもよい。その場合は、他方の端部に金属板が貼り付けられて閉塞板にされる。流路の一壁面とするためである。

前述の吐出ヘッド１の取付部１５が固定される取付板５は、例えばアルミニウムなどの３〜１０ｍｍ厚程度の金属板からなっており、板状体の取付孔１６を利用してネジなどによって取り付けられる。図１Ａに示される例では、その間に断熱スペーサ３が挿入されている。この断熱スペーサ３は、前述の熱伝導抑制部材で形成されており、５〜１０ｍｍ程度の厚さのものである。また、取付板５には前述のバレル６１が取り付けられている。このバレル６１の取付は、図に示されるようなネジ込みでなくても、嵌合孔に挿入して取付板５の横からネジで固定することもできる。

図３は、図１Ａに示される３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール１００の変形例である。図３に示される３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール１０１は、例えば厚さが０.２〜０.５ｍｍ厚程度の銅などの熱伝導の良い金属板、例えばステンレス板で吐出ヘッド１および加熱ヘッド２を取り囲むようにカバー４が形成されている。従って、ヘッドモジュールの外形が矩形であれば、カバー４の外形も矩形形状に形成され、ヘッドモジュールの外形が円形であれば、カバー４の外形も円形になる。このカバー４は底部側の端部が取付板５にビス止めされるか、バネ性をもたせた嵌め込みで固定される。取付板５に取り付けられる端部と反対側の端部は、吐出部１２の周囲まで被覆するように伸びているが、吐出ヘッド１や加熱ヘッド２とは接触していない。

このカバー４は、取付板５側に伝導した熱を吐出部１２側に戻す役目をすると共に、加熱ヘッド２から発せられる熱を外部にできるだけ逃がさないようにして、吐出ヘッド１の加熱に利用するものである。すなわち、このカバー４は、前述のように、熱伝導が良いため、取付板５に逃げた熱を吐出部１２側に戻し、加熱ヘッド２の周囲の全体の温度を保持できるようになっている。

また、本発明の立体造形物の造形方法は、図１に示されるような３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールを形成し、そのモジュールを用いて立体造形物を形成することを含んでいる。

次に、本発明の３Ｄプリンタ用モジュール（ホットエンド）の他の実施形態を説明する。図４に本発明の別の実施形態である３Ｄプリンタ用モジュールを示す。３Ｄプリンタ用モジュールは、下端（図面下側）に融解した造形材料を吐出する吐出口１１１ａが形成された吐出部と造形材料を融解する融解部とを有するノズル（吐出ヘッド）１１１と、上端（図面上側）にフィラメント（線状の造形材料）の供給口１１２ａが形成された供給部を有するバレル（熱伝導抑制部材）１１２と、ノズル１１１の融解部の加熱手段である一対の加熱ヘッド１１３と、ノズル１１１に接して取り囲むように形成されているカバー（カバー部材）１１５と、カバー１１５に接してノズル１１１の吐出部を取り囲むように形成されている放熱板（放熱部材）１１４と、を備えている。また、３Ｄプリンタ用モジュールにおいて、ノズル１１１およびバレル１１２の内部には、供給口１１２ａと吐出口１１１ａとを直線に連通する通路１１７が形成されている。

バレル１１２は、円筒形状の外管１１２１と内管１１２２との２重構造になっており、供給部である外管１１２１の上端に形成された供給口１１２ａから供給されたフィラメントをノズル１１１へと導く通路１１７が形成されている。外管１１２１の下部は、ノズル１１１の上部に螺合されている。

外管１１２１の中間部には、一対のスリット状（縦長）の開口１１２１ａが対向して形成されている。また、外管１１２１の内径は、下端開口から上方に向かって比較的大きな通路径に形成され、上端部で供給口１１２ａを構成する比較的小さな通路径とされている。外管１１２１の材質としては、金属等の高強度材料とすることが好ましい。例えば、ＳＵＳ、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、鉄、ニッケル、チタン等を用いることができる。なお、内管１１２２と外管１１２１とは、例えば無機接着剤等で固定してもよく、それぞれの材質の熱膨張率（線膨張率）に所定以上の差がある場合には、１点で固定するか或いは固定しなくてもよい。

また、内管１１２２は、外管１１２１の下端開口から挿通可能な外径を有し、長さ方向にわたって内部に通路１１７が形成された円筒形状とされている。内管１１２２の材質としては、外管１１２１との関係において、外管１１２１の熱伝導率よりも低い熱伝導率の材質とするのが好ましい。内管１１２２としては、例えば、チタン合金、エンジニアリングセラミックス、マシナブルセラミックス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ポリイミド樹脂等の熱伝導率の低い材質で形成することができるが、なかでも透明または半透明の石英ガラスとするのがより好ましい。透明または半透明の材質とすることにより、外管１１２１の開口１１２１ａから通路１１７内を視認でき、通路１１７内に供給されたフィラメントの状態を観察することができる。

バレル１１２を、外管１１２１と、外管１１２１よりも熱伝導率の低い内管１１２２との２重構造としているので、また、外管１１２１に開口１１２１ａを設けているので、ノズル１１１からの熱の伝播を効果的に抑制でき、バレル１１２の通路１１７内の温度を比較的低温に保つことができる。特に、外管１１２１の開口１１２１ａが形成されている部分ではノズル１１１から供給口１１２ａ側への熱の伝導が抑制される断熱部として機能する。この部分において内管１１２２はその断熱機能を高めるために、側面がより肉薄に形成されてよく、開口が形成されてもよい。

また、本実施形態ではバレル１１２を２重管としたが、これに代えて、例えば、チタン合金、エンジニアリングセラミックス、マシナブルセラミックス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ポリイミド樹脂等の熱伝導率の低い材質の単管とすることができる。なかでも、機械的強度の高い、チタン合金（例えば、６４チタン）等の低熱伝導率の金属を用いるのがより好ましい。

なお、本実施形態では、バレル１１２において外管１１２１の中途部に一対の開口１１２１ａ、１１２１ａを形成するようにしているが、これに代えて、外管１１２１の中途部全体を無くして、内管１１２２の上部と下部とを別々に上部の外管と下部の外管とで被覆するようにしてもよい。

ノズル１１１は、先端に吐出口１１１ａが設けられた先細りの吐出部が形成され、中途部の吐出口１１１ａ寄りに、一対の加熱ヘッド１１３、１１３が左右方向に対向して取付けられた融解部が形成されている。ノズル１１１の上部はバレル１１２を取り付けるために太く形成された円筒形状とされ、下部は左右方向から切削されたような略角柱筒（矩形筒状）とされ、先端部は先細りとなるように設けられている。ノズル１１１の加熱ヘッド１１３、１１３が取付けられる部分には、さらに左右から削り出された平面部が設けられており、この平面部に取付けられた加熱ヘッド１１３、１１３からリード（線）１１３１が導出されている。

ノズル１１１としては、バレル１１２よりも高い熱伝導率を有する材質（材料）とされ、金属を用いることができる。より具体的には、例えば、ステンレス、真鍮、鉄、銅、アルミニウム等を好ましく使用することができる。

造形材料（フィラメント）を融解させる加熱手段としては、例えば、絶縁基板上に発熱抵抗体層を形成した加熱ヘッドを使用することができる。加熱ヘッドは、小型化、軽量化、高応答性の面で優れているので好ましい。図４に示される例での融解部であるノズル１１１の平面部に取付けられる加熱ヘッド１１３は、例えば矩形板状のアルミナジルコニアセラミック基板（絶縁基板）と、絶縁基板の表面に形成された帯状の厚膜形成された発熱抵抗体と、絶縁基板の表面において発熱抵抗体の両端部のそれぞれに接続するように絶縁基板の長さ方向に沿う一端部に偏心させて形成された２つの電極を有する。なお、発熱抵抗体の表面を、例えばフィラーを含むガラス等の保護層（誘電体層）でコートしてもよい。なお、加熱ヘッド１１３は、絶縁基板の発熱抵抗体が形成されていない側の面をノズル１１１の平面部に面して取付けられている。

加熱ヘッド１１３は、ノズル１１１の長さ方向（図面の上下方向）に分割して複数の加熱ヘッドを搭載してもよく、これら複数の加熱ヘッドを異なる温度または異なる昇降温パターンに加熱制御できるようにしてもよい。また、加熱ヘッド１１３の発熱抵抗体の途中（中間）に電極を追加し、ここから別のリードを引き出すことで、２つの発熱抵抗体として別々に制御することもできるし、２つの加熱ヘッド１１３、１１３の発熱抵抗体を並列に接続するようにリード１１３１を引き出して制御するようにしてもよいし、加熱ヘッド１１３、１１３を別々に制御することもできる。さらに、加熱ヘッド１１３の絶縁基板上に複数の発熱抵抗体を上下に形成し、これらを共通にまたは別々に制御するようにしてもよい。

カバー１１５は、有底状の円筒状とされ、上部開口からノズル１１１が挿通され、底面に形成された開口から吐出口１１１ａが形成されたノズル１１１の先端部（吐出部）を突出させて、ノズル１１１の側面全体を覆っている。カバー１１５の材質としては、加熱ヘッド１１３によって加熱されたノズル１１１の熱を内部に閉じ込めるとともに放熱板１１４に伝えるべく、熱伝導率の高いものが好ましく、例えば、アルミニウム、ステンレス等の加工性の良い金属を用いることができる。カバー１１５は、ノズル１１１の熱を放熱板１４へ伝導させる役割を果たすべく、ノズル１１１の上部の大きい外径部まで延設され、該外径部と接触または高熱伝導率材料を介してノズル１１１の少なくとも一部と接触するよう取付けられるのが好ましい。カバー１１５とノズル１１１および加熱ヘッド１１３との間には、断熱材を充填してもよい。なお、カバー１１５には、必要に応じて加熱ヘッド１１３に接続されているリード１１３１をカバー１１５の外部に導出するための貫通孔が形成される。

本発明の３Ｄプリンタ用モジュールにおける放熱部材（放熱板１１４）は、造形材料の融解のために加熱ヘッドによって供給された熱の余剰分を造形材料が供給される側へ伝導するのを抑制するために放熱すると同時に、融解した造形材料が吐出される領域を加熱する機能を有する。放熱部材の形状は、例えば、板状、ブロック状等とすることができるが特に限定されない。板状とした場合には、例えば、円形、楕円形、矩形、多角形、半円形等とすることができる。放熱部のサイズおよび形状は、造形材料が吐出される領域への放熱量、造形材料の融解（溶解、軟化）温度、および造形速度等との関係で適宜決定され得る。

図４に示される例では、放熱部材（放熱板１１４）は円盤状とされ、その中央部にはノズル１１１の先端部（吐出部）を挿入して造形材料を吐出する方向に突出させるための開口１１４ａが設けられている。放熱板１１４は、例えば４つのビス１１８によって、ノズル１１１の先端部を囲むようにカバー１１５の底面に取り付けられている。

放熱板１１４の形状、サイズおよび材質は、造形材料が吐出される領域の所望の加熱温度等を考慮して適宜決定される。放熱板１１４の厚み寸法としては、例えば０.１〜３.０ｍｍ程度とすることができ、また放熱板１１４の直径としては、例えば２０〜５０ｍｍ程度とすることができる。放熱板１１４の形状としては、例えば楕円形状、多角形状等任意の形状とすることもできる。また、放熱板１１４を設けた３Ｄプリンタ用モジュールの造形動作中の移動方向を回転機構などにより変化できるのであれば、吐出口１１１ａの周辺の一部にのみ張り出すような構造としてもよい。

放熱板１１４の材質としては熱放射率が高いものが好ましく、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックスや、アルミニウム、銅、ステンレスなどの金属が使用され得る。また、放熱板１１４からの熱放射を効率よく行うために、例えば、放熱板１１４の下面に複数のディンプルを設けたり、粗面化することで放熱板１１４の下面の面積を増大させるようにしてもよいし、下面の表面に黒鉛の被膜を形成するなどの黒色化を施してもよいし、また酸化膜を形成してもよく、これらを複合的に用いるようにしてもよい。このように放熱板１１４の下面に凹凸部等を設けることで、造形物表面と放熱板１１４との間に空気の乱流が生じやすくなるという効果もあり、造形物表面のより効果的な加熱を行うことができる。なお、放熱板１１４の下面を平滑面としてもよい。

放熱板１１４の露出する上面には断熱層が形成されてもよい。断熱層としては比較的熱伝導率の低い断熱材の塗布または貼着により形成されるものの他、構造的なものでもよい。構造的なものとは、例えば、放熱板１１４の上面にスペーサを介して板状体（熱反射板）を設けることで形成される、放熱板１１４の上面と板状体との間に形成される断熱空間を挙げることができる。断熱層によって放熱板１１４の上面側（３Ｄプリンタ用モジュールの供給口１１２ａ側）への熱放射が抑制され、下面側への熱放射が効率的に行われる。

１ 吐出ヘッド
１ａ 板状体
２ 加熱ヘッド
３ 断熱スペーサ
４ カバー
５ 取付板
６ 造形材料供給部
６１ バレル
１１ 流路
１２ 吐出部
１３ 造形材料供給口
１５ 取付部
１６ 取付孔
２１ 絶縁基板
２２ 発熱抵抗体
２２ａ 第２の発熱抵抗体
２３ 電極
２３ａ 電極端子
２４ 温度測定用抵抗体
２５ 測温用配線
２５ａ 測温端子
２６ カバー部材
２７ リード
１００、１０１ ３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール
１１１ 吐出ヘッド（ノズル）
１１２ 熱伝導抑制部材（バレル）
１１３ 加熱ヘッド
１１４ 放熱部材（放熱板）
１１５ カバー部材（カバー）

本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールは、加熱融解させられた造形材料を吐出する吐出口を有する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドの外面に取付けられて前記吐出ヘッド内に供給された前記造形材料を加熱する加熱ヘッドと、前記吐出ヘッドに、直接的、または間接的に接続され、前記吐出ヘッドに前記造形材料を供給するための造形材料供給口であって前記吐出口に連通する供給口を有する筒状部材と、前記吐出口を突出させるとともに前記加熱ヘッドを覆うように前記吐出ヘッドの全周囲を取り囲んで取付けられたカバーと、を備え、前記吐出ヘッドおよび前記カバーは、前記筒状部材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記カバーの上部内壁が前記吐出ヘッドの上部外壁と接触していることを特徴とする。

前記本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールにおいて、前記カバーと前記吐出口との間であって、前記カバーの下端部に取付けられ、前記カバーから伝導された熱の放散を行う放熱部材を備えていることを特徴とする。

また、前記本発明の別の実施形態の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールにおいて、前記筒状部材の材料が、マシナブルセラミックス、エンジニアリングセラミックス、ガラス、チタン合金、またはマシナブルセラミックス、エンジニアリングセラミックスもしくはガラスからなる内管を金属の外管で覆った複合材料であることを特徴とする。

Claims (5)

1. 加熱融解させられた造形材料を吐出する吐出口を有する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドの外面に取付けられて前記吐出ヘッド内に供給された前記造形材料を加熱する加熱ヘッドと、前記吐出ヘッドに、直接的、または間接的に接続され、前記吐出ヘッドに前記造形材料を供給するための造形材料供給孔を有する熱伝導抑制部材と、前記吐出口を突出させるとともに前記加熱ヘッドを覆うように前記吐出ヘッドの周囲に取付けられたカバー部材と、を備える３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールであって、
   前記吐出ヘッドおよび前記カバー部材は、前記熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール。
2. 前記カバー部材と前記吐出口との間であって、前記カバー部材の下端部に取付けられ、前記加熱ヘッドによる熱の放散を行う放熱部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール。
3. 前記熱伝導抑制部材の材料が、マシナブルセラミックス、エンジニアリングセラミックス、ガラス、チタン合金、またはマシナブルセラミックス、エンジニアリングセラミックスもしくはガラスからなる内管を金属の外管で覆った複合材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールを備えた３Ｄプリンタ。
5. 立体造形物の造形方法であって、請求項１〜３のいずれか１項に記載の３Ｄプリンタ用ヘッドモジュールおよび３００℃以上の高温で軟化する造形材料を用いて立体造形物を形成することを含む立体造形物の造形方法。

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