JP2021030445A - 熱溶解積層造形用プリンタヘッド 並びにこれを搭載した３ｄプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】 特にフィラメントの供給が困難な材料を対象とした場合であっても、円滑に作動するエクストルーダ方式の熱溶解積層造形用プリンタヘッドを開発することを技術課題とする。【解決手段】 本発明のプリンタヘッド１は、作動室４１内でスクリュー５を回転させることにより、シリンダ４のヒータＨの設置位置よりも上流側の搬送ゾーンＺ１において作動室４１内に供給された材料Ｐをスクリューフィン５２の案内作用によって、ヒータＨの設置位置を含む下流側の溶融ゾーンＺ２に移送し、先端部に設けられた吐出ノズル４３から押し出すものであって、スクリュー５の溝深さ５３が、上流側よりも下流側の方が浅いことを特徴とする。また溶融ゾーンＺ２では、スクリュー５の溝深さ５３が、押出方向に向かって徐々に浅くなっていることが好ましい。更に、スクリューフィン５２の外周先端は、断面視で適宜の幅を有する平面に形成されていることがより好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、ペレット状または粉状の材料（原料）を、加熱溶融した状態で吐出し、立体造形物を製作する熱溶解積層造形用のプリンタヘッドに関し、詳しくはゴム弾性材料や粘弾性材料においても安定した造形が可能なプリンタヘッドと、このプリンタヘッドを搭載した３Ｄプリンタに係るものである。

現在モデリング装置として３Ｄプリンタが普及している。このうち最も安価で一般的なタイプとして、熱可塑性樹脂フィラメントをリール状に巻き取った素材を、吐出ノズルの前段で加熱溶融させ、ノズルの動きを制御して立体形状のモデルを形成する熱溶解積層方式（ＦＤＭ方式）といわれる装置が存在する（例えば特許文献１・２参照）。
このフィラメント供給によるＦＤＭ方式の３Ｄプリンタは、ある一定の硬度を有する熱可塑性樹脂のフィラメントへの適用性は高いが、ゴム弾性や粘弾性を有する軟質の熱可塑性樹脂からなる、形状を維持できないフィラメントの場合は、安定した吐出量制御が難しく、またチョコレートや飴などのようにフィラメント化してリール状に巻き取ることが困難な材料には使用できなかった。そのため、このようなフィラメント供給が困難な場合には、材料をペレット状または粉状で供給するＦＤＭ方式の３Ｄプリンタが用いられる（特許文献３）。

しかしながら、材料がペレット状または粉状であると、材料を加熱溶融させたときに、気泡を内在する、いわゆるエア噛みを生ずることは避けられない。このため回転するスクリューの押出作用によってペレット状または粉状の材料を溶融させながら、加圧下で押し出すエクストルーダ方式が有効であるが、特に材料がゴム弾性材料や粘弾性材料である場合には、従来のエクストルーダ方式（スクリュー押出式）のプリンタヘッド造形する３Ｄプリンタには（例えば特許文献３）、エア噛みの抑制が困難であり、更にエクストルーダ内での加圧に伴う材料の噛み込みや、詰まりによって吐出ノズルからの吐出量が不安定になり、スクリューが回転不能になるなど、円滑な造形を行うことが困難となっていた。

米国特許５１２１３２９号公報 特公平８−２５９８号公報 特許第５９２０８５９号公報

本発明は、このような背景を認識してなされたものであって、ペレット状または粉状の材料を供給し、特にフィラメントの供給が困難な材料を対象とした場合であっても、円滑に作動するエクストルーダ方式の熱溶解積層造形用プリンタヘッドを開発することを技術課題としたものである。この技術課題に対して鋭意研究した結果、エクストルーダ内の材料の搬送状態に着目し、材料の未溶融状態、溶融と未溶融の混在状態及び溶融状態の各状態における材料の搬送と加圧状態を最適化することが有効であること、及び、気泡除去のため、圧を上げることによるモータへの負荷を低減させ、安定吐出を可能にするための解決方法（スクリュー形状の工夫）を見出し、本発明を完成させた。

まず請求項１記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、
円筒状の作動室を具えたシリンダと、スクリューシャフトの外周にスクリューフィンを有したスクリューと、スクリューを回転させる駆動手段と、シリンダの外周に設けられるヒータとを具え、
前記作動室内でスクリューを回転させることにより、シリンダのヒータの設置位置よりも上流側の搬送ゾーンにおいて作動室内に供給された材料をスクリューフィンの案内作用によって、ヒータの設置位置を含む下流側の溶融ゾーンに移送し、先端部に設けられた吐出ノズルから押し出す熱溶解積層造形用プリンタヘッドであって、
前記スクリューフィン間のスクリューの溝深さは、上流側よりも下流側の方が浅いことを特徴として成るものである。

また請求項２記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１記載の要件に加え、
前記溶融ゾーンでは、スクリューの溝深さは、押出方向に向かって徐々に浅くなっていることを特徴として成るものである。

また請求項３記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１または２記載の要件に加え、
前記スクリューフィンの外周先端は、断面視で適宜の幅を有する平面に形成されていることを特徴として成るものである。

また請求項４記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１から３のいずれか１項記載の要件に加え、
前記スクリューにおけるスクリューフィンの形成ピッチは、上流側から下流側にかけて一定であることを特徴として成るものである。

また請求項５記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１から４のいずれか１項記載の要件に加え、
前記シリンダの作動室は、押出先端側の吐出口に向かって先窄まりとなる絞りテーパ部を具え、
且つ前記スクリューの押出先端部は、当該絞りテーパ部よりも鈍角状または平面状を成し、当該スクリューの押出先端部と絞りテーパ部との間に、溶融材料確保空間を有することを特徴として成るものである。

また請求項６記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１から５のいずれか１項記載の要件に加え、
前記スクリューは、溝深さの最も浅い部分が、最も深い部分の２０〜５０％の深さであることを特徴として成るものである。

また請求項７記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１から６のいずれか１項記載の要件に加え、
前記スクリューは、溝深さの底部となるスクリューシャフトの外周面が、断面視中高状に形成されることを特徴として成るものである。

また請求項８記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドは、前記請求項１から７のいずれか１項記載の要件に加え、
前記吐出ノズルから押し出された材料が積層される前の造形経路には、当該造形経路の表面を加熱する部分加熱装置を具えることを特徴として成るものである。

また請求項９記載の３Ｄプリンタは、請求項１から８のいずれか１項記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドを搭載したことを特徴として成るものである。

これら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。
まず請求項１または９記載の発明によれば、スクリューの溝深さは、下流側の方が上流側よりも浅いため、スクリューの回転によって材料を押し込むことに伴い、材料に掛かる圧力を高めることができ、これにより材料中に残るエアを効率的に排出することができる。
すなわち、スクリューの回転によってペレット状の材料を押し出す際には、材料と一緒に空気も送り込むことになるので、先端に行くほど単位容積（一定回転角度でのスクリュー溝の容積）を小さくして圧縮し、排出する必要がある。この点、本発明では、上記のように構成したため、材料の移送に伴い、材料中に残存するエアを効率的に排出することができる。

また請求項２または９記載の発明によれば、溶融ゾーンでは、スクリューの溝深さが、下流側に向かって徐々に浅くなっているため、材料に掛かる圧力を徐々に高めて行くことができる。なお、溶融ゾーンは、固体状態の材料が次第に溶融して行くゾーンであり、このタイミングで徐々に材料の圧力を高めて行くことで、エアが排出し易くなるという効果を奏する。

また請求項３または９記載の発明によれば、スクリューフィンの外周先端は、適宜の幅を有する平面であるため、スクリューの回転によって、溶融した材料が逃げることを防止しながら、材料からのエア抜きも行える。

また請求項４または９記載の発明によれば、スクリューフィンの形成ピッチは、上流側から下流側にかけて一定であるため、スクリューがシンプルな形状・構造となり、スクリューの製作が行い易くなる（製作困難性を低下させ得る）。

また請求項５または９記載の発明によれば、スクリューの押出先端部には、溶融材料確保空間が形成されるため、吐出前に、圧力が高まった溶融材料は、一旦、この溶融材料確保空間に貯留される。このため溶融材料中に残留するエアの排出不良の低減が図られ、また吐出される溶融材料の安定した定量も行える。

また請求項６または９記載の発明によれば、スクリューは、溝深さの最も浅い部分が、最も深い部分の２０〜５０％の深さであるため、エア排出に適した溶融材料の加圧状態や溝深さの比（圧縮比）が得られる。

また請求項７または９記載の発明によれば、スクリューシャフトの外周面（スクリューフィン同士の間）が、断面視中高状に形成されるため、材料の滞留を防止するとともに、混練を促進させ、エア抜き効果も奏し得る。

また請求項８または９記載の発明によれば、部分加熱装置によって、吐出材料が積層される直前の造形経路表面を加熱するため、吐出ノズルから押し出された線状の溶融材料（ビード状塗布体）において積層界面の融着性を調整することができ、積層界面の密着性や平滑性を向上させることができる。また、このためプリントされる立体造形物の強度が向上し、更に積層界面での光散乱が低減され、透明な材料で造形した立体造形物の透明性を良好にすることができる。
なお、ビード状塗布体の積層界面の融着性を調整するにあたっては、プリンタヘッドと造形ステージ（吐出材料を積層して行く実造形部）とを、同じ恒温槽内に収容し、恒温槽全体を加熱・温度管理することも考えられるが、本発明のように積層直前の造形経路表面のみを加熱する方が、低コスト化を達成でき、装置全体もシンプルに構成することができる。

本発明の３Ｄプリンタの一例を示す骨格的な斜視図（ａ）、並びにこれに搭載された熱溶解積層造形用プリンタヘッドを示す骨格的な縦断面図（ｂ）である。 熱溶解積層造形用プリンタヘッドを示す骨格的な縦断面図である。 スクリュー本体の他の実施例を示す骨格的な縦断面図である。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例に述べるものをその一つとするとともに、更にその技術思想内において改良し得る種々の手法をも含むものである。

本発明は、一例として図１に示すように、エクストルーダタイプの熱溶解積層造形用プリンタヘッド１（以下、単にプリンタヘッド１とする）と、これを搭載した３ＤプリンタＡに関するものであり、造形用の材料（被押出材料）Ｐとしては、フィラメントでの供給が困難であるゴム弾性や粘弾性を有する素材原料に対して特に好適である。具体的には、材料Ｐとしてスチレン系やウレタン系、オレフィン系などの各種熱可塑性エラストマやゲル等の軟質の熱可塑性樹脂が挙げられる。
また、このような材料Ｐは、ペレット状または粉状の状態でプリンタヘッド１に供給されるが、以下の実施例では主にペレット状の材料Ｐが供給されるものとして説明する。
なお、立体造形用の材料Ｐとしては、このような樹脂原料以外にも、チョコレートや飴などの食品素材も適用でき、フィラメント化してリール状に巻き取ることが困難な種々の原料素材の適用が可能である。

以下、３ＤプリンタＡから説明する。
３ＤプリンタＡは、一例として図１に示すように、ペレット状の材料Ｐを加熱溶融して吐出するプリンタヘッド１と、吐出された溶融原料を積層して立体造形物Ｐ１をプリントする造形ステージ２と、主にプリンタヘッド１と造形ステージ２との相対的な位置関係を制御する制御部（図示略）とを具えて成る。
なお、溶融状態の材料Ｐが吐出される造形ステージ２は、吐出時までは材料Ｐの溶融状態（液体状態）を維持する必要があるが、吐出後は、積層状態で固まって行くことが要求される。少なくとも、次の材料Ｐが吐出・積層されるまでには固化していることが求められる。

ここで造形ステージ２と、プリンタヘッド１との相対移動機構Ｍについて説明する。
本実施例ではプリンタヘッド１は、一例として図１（ａ）に示すように、造形ステージ２の上方に配置された前後方向（Ｘ方向）、左右方向（Ｙ方向）及び上下方向（Ｚ方向）の位置を制御する位置制御装置（図示略）に装着されており、固定された造形ステージ２に対して位置制御される。もちろんプリンタヘッド１と造形ステージ２の両方にＸＹＺの三次元方向の移動制御を割り当て、プリンタヘッド１と造形ステージ２の動きを組み合わせることで相対移動機構Ｍを実現することも可能であり、その場合には制御部によってプリンタヘッド１または造形ステージ２の三次元な相対位置を制御するものである。

以下、３ＤプリンタＡの一構成部材であるプリンタヘッド１について説明する。
プリンタヘッド１は、一例として図１（ｂ）・図２に示すように、供給されたペレット状の材料Ｐを、加熱溶融しながら移送し、造形ステージ２に押し出すものであり、材料Ｐが供給されるシリンダ４と、このシリンダ４内で回転するスクリュー５と、スクリュー５を回転駆動させるためのモータなどの駆動手段Ｄと、材料Ｐを加熱するためのヒータＨとを具えて成る。
なお、ヒータＨは、シリンダ４の下流側（材料移送の下流側）のみに設けられ、材料供給部となる上流側から下流側の全長にわたって設けられるものではない。このため、材料Ｐは、供給後、幾らか下流側に送り込まれてから、ヒータＨによる加熱を受けて溶融されるものであり、このため本明細書では、ヒータＨの設置位置よりも上流側のゾーンを搬送ゾーンＺ１とし、ヒータＨの設置位置を含む下流側のゾーンを溶融ゾーンＺ２と称している。もちろん材料Ｐは、スクリュー５による移送に伴い、徐々に加圧されながら下流側に送り込まれて行くものである。

シリンダ４は、実質的にシリンダ本体４０によって構成され、このシリンダ本体４０は、前記スクリュー５を回転可能な状態で収容する円筒状の作動室４１と、この作動室４１の上流側に設けられる材料投入部４２（いわゆるホッパー）と、作動室４１の下流先端吐出部に設けられ、溶融材料を押し出すための吐出ノズル４３とを具えて成る。
またシリンダ本体４０内における作動室４１の先端は、吐出側（押出側）に向かって先窄まりのテーパ状に形成され、ここを絞りテーパ部４４とする。そして、この絞りテーパ部４４の先端に前記吐出ノズル４３が設けられる。なお、吐出ノズル４３は、本発明が積層造形であることから、材料Ｐの吐出口が下向き（鉛直下向き）となるように設けられる（図１参照）。
また、シリンダ４は、溶融ゾーンＺ２に比べて搬送ゾーンＺ１の熱伝導性が小さくなるよう構成される。具体的には、溶融ゾーンＺ２は、高い熱伝導性を有するアルミニウム合金などが適用され、搬送ゾーンＺ１は、合成樹脂素材などの低熱伝導性材料を適用することができる。搬送ゾーンＺ１の熱伝導性を小さくする理由は、溶融ゾーンＺ２の熱流が搬送ゾーンＺ１に容易に流れ込むと、搬送ゾーンＺ１のシリンダ表面温度が材料Ｐの融点まで上昇し、特にホッパーたる材料投入部４２で、材料Ｐが軟化・溶融してペレット同士が付着して凝集（いわゆるブロッキング）してしまい、材料Ｐの連続投入が阻害され得るためである。すなわち、搬送ゾーンＺ１の熱伝導性を小さくすることで、このようなブロッキング現象を防止し、材料Ｐの安定供給を図っている。

スクリュー５は、例えばアルミニウム合金で形成されたスクリュー本体５０によって実質的に構成され、このものはロッド状のスクリューシャフト５１の外周側にスクリューフィン５２が螺旋状に張り出すように形成されて成る。
そして、このスクリューフィン５２によって、上述したようにシリンダ４（作動室４１）内に投入された材料Ｐは、上流側の搬送ゾーンＺ１から下流側の溶融ゾーンＺ２に加圧されながら送り込まれ（移送作用）、最終的に吐出ノズル４３から押し出される。

次に、スクリューフィン５２のピッチ（形成ピッチ）や溝（溝深さ）について説明する。
まず、本実施例では、一例として図２に示すように、スクリューフィン５２のピッチは、上流側の搬送ゾーンＺ１から下流側の溶融ゾーンＺ２にかけて、ほぼ一定に形成される。ただし、移送される材料Ｐには、エア排出や効率的な溶融などが行えるように、徐々に圧力を掛けて行く必要があり、このため本実施例では、スクリューフィン５２の溝深さ５３を、上流側よりも下流側の方を浅く形成している。
ここで溝深さ５３とは、スクリューフィン５２のスクリューシャフト５１からの外周への突出寸法を意味する。すなわち、スクリュー５を軸方向から視て、スクリューシャフト５１の外周表面からスクリューフィン５２の外周側張り出し寸法が溝深さ５３となる。特に本実施例では、溶融ゾーンＺ２においてスクリュー５の溝深さ５３が、上流側から下流側にかけて徐々に、浅くなるように形成されている。
ちなみに、溝深さ５３を変えずに、スクリューフィン５２のピッチを狭くした場合には、送り出し量が減少してしまうことから材料Ｐの停滞や焦げ付きが発生し易くなり望ましくない。材料Ｐにもよるが、搬送ゾーンＺ１から溶融ゾーンＺ２にかけてピッチの変化は最大でも１０％以下にするとよい。

なお、溝深さ５３を変化させるにあたっては、ここではスクリューフィン５２の外径寸法（外周先端の径寸法）が、ほぼ一定に形成されているため、実際には、上記図２に示すように、スクリューシャフト５１の径寸法を変化させて溝深さ５３を異ならせるようにしている。具体的には、溶融ゾーンＺ２において、下流側に向かうほどスクリューシャフト５１の径寸法が徐々に大きくなるように形成している。

因みに、スクリュー５の溝深さ５３は、最も浅い下流側先端部が、最も深い部分（ここでは溶融ゾーンＺ２の上流端部など）の２０〜５０％になるように設定されることが好ましく、３０〜４０％に設定することがより好ましい。２０％未満の場合には、押出抵抗が大きくなり溶融した材料Ｐの輸送効率が低下し、吐出し難くなることがある。また５０％を越えると、圧縮性が小さくなり、エア排出作用が低下することがある。このような設定により、単位容積（一定回転角度でのスクリュー溝の容積）が１／５〜１／２となり、材料Ｐの圧縮比が、概ね２〜５になり、良好なエア排出作用と吐出性が実現される。

また本実施例では、スクリューフィン５２の外周先端は、断面視（縦断面視）で適宜の幅寸法を有する平面として形成される。この幅寸法は、上記エア排出が行えること、溶融状態の材料Ｐが逃げないこと、摩擦による回転手段（モータ）への過負荷バランスなどを考慮して適宜決定される。具体的な幅寸法としては、１〜５ｍｍが好ましく、２〜４ｍｍがより好ましい。幅寸法が１ｍｍ未満であると、溶融ゾーンＺ２における溶融した材料Ｐの圧縮性が小さくなりエア排出性が低下する場合があり、５ｍｍを越えるとスクリュー５の単位長さ当たりの溝体積が小さくなるため、溶融した材料Ｐの輸送効率の観点から好ましくない場合がある。
更に、スクリューフィン５２の内側端部、すなわちスクリューシャフト５１からスクリューフィン５２が立設される根元部位には、一例として図２の部分図に示すように、Ｒ加工が施される。この根元部のＲ加工によって、材料Ｐが滞留して焦げ付きや不良となることを防止している。また、上記根元部に形成されたＲは、エア排出の促進に寄与し得るものである。

また、スクリューシャフト５１の外周面においてスクリューフィン５２（根元部）同士の間は、一例として図２の部分図に示すように、断面視（縦断面視）平面状または中高状に形成することが可能である。ここで中高状に形成された部位を中高部５１ｈとし、この中高部５１ｈによって、材料Ｐの滞留を防止するとともに、混練を促進させ、エア抜き効果も奏し得るものである。
また中高部５１ｈを形成するにあたり、図示のようにスクリューシャフト５１の外周において中高部５１ｈの根元にもＲが形成されると、平面状のものよりもＲが増えたことになる。つまり、上記スクリューフィン５２の根元部に形成されたＲに加え、中高部５１ｈの根元にもＲが形成される。そして根元にＲを有した中高部５１ｈによって（Ｒが増えたことにより）、スクリュー５の回転速度を上げたときでも安定吐出が可能であることが本出願人によって確認されている。このため根元にＲを有した中高部５１ｈを設けることで、移送する材料Ｐの内部抵抗低減・流動性改善に寄与したと考えられる。

次に、シリンダ４内で移送される材料Ｐの状態について説明する。搬送ゾーンＺ１では、材料Ｐは、非溶融の固体状態（ペレット状または粉体状）を維持しながら移送される。また、溶融ゾーンＺ２では、材料Ｐは、ヒータＨによる加熱を受けるため、徐々に溶融しながら移送される。また材料Ｐは、上述したようにスクリュー５の回転によって加圧も受ける。このため、特に溶融ゾーンＺ２では、材料Ｐは、一例として図１（ｂ）・図２に示すように、移送に伴い、相互につながり出し、次第に液状化する。従って、溶融ゾーンＺ２では、材料Ｐは、液体と固体とが共存する領域も存在する。
そして、本実施例では、溶融ゾーンＺ２において、スクリュー５の溝深さ５３が徐々に浅くなるように形成されているため、液体となった材料Ｐ中の空気が、気泡残とならないように脱気される。逆に言えば、液化した材料Ｐ中から上手くエアを抜けさせるべく、溝深さ５３を上記寸法に調整したものである。

また本実施例では、一例として図１（ｂ）・図２に示すように、スクリュー５（スクリュー本体５０）の押出側の先端部５５は、ほぼ水平にカットされたように形成され、シリンダ本体４０（作動室４１）の先端側に形成される前記絞りテーパ部４４との間に適宜の空間が形成されている。この空間は、溶融した材料Ｐの貯留空間となるため、ここを溶融材料確保空間４４ｒとする（いわゆるバッファリング空間）。
そして、このバッファリング空間たる溶融材料確保空間４４ｒに、高圧となった溶融状態の材料Ｐを一時的に貯留することにより、残留エアの排出不良の低減を図るとともに、安定した定量が行えるものである。

次に造形ステージ２について説明する。
造形ステージ２は、上述したように、プリンタヘッド１から吐出された溶融状態の材料Ｐを下方から上方に順次、積み上げるように積層して行き、所望の立体造形物Ｐ１を形成するテーブル状のステージであり、本実施例のように、プリンタヘッド１がＸＹＺの三次元方向に移動制御される場合、造形ステージ２は移動制御されずに固定される。
なお、プリンタヘッド１が上下方向（Ｚ方向）のみ移動制御される場合には、造形ステージ２は水平方向（ＸＹの二次元方向）に移動制御され、プリンタヘッド１が水平方向に移動制御される場合には、造形ステージ２は上下方向（Ｚ方向）に移動制御される。これらの造形ステージ２は、公知のものを適宜選択して適用することができる。

本発明のプリンタヘッド１と、これを搭載した３ＤプリンタＡは、以上のような基本構造を有するものであって、以下、この３ＤプリンタＡを適用した造形態様の一例について説明する。なお、材料Ｐとしてはペレット状のものが適用されるものとする。
（１）３Ｄプリンタの準備
まず装置たる３ＤプリンタＡの準備（稼働準備）を行う。具体的には、ヒータＨの通電（加熱）、スクリュー５の回転駆動が行われ、材料Ｐをホッパーたる材料投入部４２に投入し、シリンダ４（作動室４１）内への材料供給などが行われる。
なお、造形中のプリンタヘッド１と造形ステージ２の相対移動は、制御部によって制御されるものであり、そのためのデータは、製作する立体造形物Ｐ１や適用する材料Ｐなどに応じて事前に入力しておくものである。

（２）実造形作業
その後、実質的な造形作業が行われる。この際、材料Ｐは、スクリュー５の回転による移送作用を受け、搬送ゾーンＺ１、溶融ゾーンＺ２を順次経て、下流側へと押し込まれる。このとき特に溶融ゾーンＺ２では、一例として図２に示すように、材料Ｐは、ヒータＨによる加熱を受ける。また下流側に向けて次第に浅くなるスクリュー５の溝深さ５３によって、材料Ｐは、移送に伴い、加圧も受ける。このため材料Ｐは、溶融ゾーンＺ２でペレット状の粒同士が次第につながり出し、液体状になって行く。すなわち、溶融ゾーンＺ２で材料Ｐは、固体（粒状固体）と液体との混合した状態を経て、気体が排除されながら溶融して行き、最終的に液体状態となる。

なお、本実施例では、スクリュー５の先端部５５に溶融材料確保空間４４ｒが設けられており、溶融した材料Ｐは、造形ステージ２に押し出される前に、一旦、この溶融材料確保空間４４ｒに貯留される。これにより、ペレット状の粒間にあったエアが液体状の材料Ｐ中に残らないようにする（残留エアの排出不良の低減）とともに、安定した定量吐出が行えるものである。
また、吐出ノズル４３から溶融状態の材料Ｐを押し出して、立体造形物Ｐ１をプリントしている間は、位置制御装置によってプリンタヘッド１（吐出ノズル４３）は、造形ステージ２上の基準点に対する相対位置が制御される。このようにして立体造形物Ｐ１が造形される。

また、吐出ノズル４３から押し出された線状の溶融状態の材料Ｐ（ビード状塗布体）が積層される際、ビード状塗布体の積層界面の融着性を調整することによって、積層界面の密着性や平滑性が向上する。この積層界面の融着性を調整する手法としては、ビード状塗布体が積層される前に造形経路表面を適度な溶融または軟化状態としておくことが好ましい。積層界面の密着性や平滑性が向上することによって、立体造形物Ｐ１の強度が向上し、更に積層界面での光散乱が低減されるため、透明な材料Ｐで造形した立体造形物Ｐ１の透明性を良好にすることができる。

造形経路表面の温度調整は、一例として図１（ａ）に示すように、ビード状塗布体が着地する狭い領域を部分的に加熱する部分加熱装置６を適用することができる。部分加熱装置６の具体的な一例として、ハロゲン光等を用いた光加熱式のスポットヒーターや熱風型のスポットヒーターを適用できる。部分加熱装置６は、プリンタヘッド１の動きに同調させる必要があるため、プリンタヘッド１またはプリンタヘッド１が装着された制御装置に装着され、プリンタヘッド１の吐出ノズル４３から吐出されたビード状塗布体が着地する領域周辺を着地前に加熱する。加熱条件は、材料Ｐの融点近傍に設定されるが、ビード状塗布体の加熱・冷却特性などに応じて適宜調整される。
なお、熱風型のスポットヒーターの場合には、熱風をプリンタヘッド１の先端から造形ステージ２に至る空間に直接的に送風すると、立体造形物Ｐ１の変形が想定されることから、立体造形物Ｐ１が変形しない条件で送風量を調整するか、熱風吹き出し口の前にフィルターを設けて所望のスポット位置のみに熱風が当たるようにするとよい。

また、造形経路表面温度の別の調整方法として、少なくとも立体造形物Ｐ１が造形される空間領域を温度制御してもよい。具体的には、少なくともプリンタヘッド１と造形ステージ２とを同一の恒温槽内に配置する構成とする。恒温槽内には、熱を送るファン等が設けられ恒温室内で熱風を対流させることが好ましい。なお、ファンは、プリンタヘッド１の先端から造形ステージ２に至る空間に直接的に送風すると、材料Ｐの変形が想定されることから、恒温槽の周辺から間接的に送風したり、ファンの前にフィルターを設けて風向を分散させたりするとよい。恒温槽内の温度は、材料Ｐの融点近傍に設定されるが、ビード状塗布体の加熱・冷却特性や造形時間などに応じて適宜調整される。

また、恒温槽内の温度が材料Ｐの融点近傍で制御される場合に、搬送ゾーンＺ１のホッパーたる材料投入部４２で、材料Ｐが軟化・溶融してペレット同士が付着して凝集することが考えられる、このため、このようなペレット同士の付着・凝集を防止するために、プリンタヘッド１における少なくとも搬送ゾーンＺ１の周囲に、遮熱手段を具えることが好ましい。遮熱手段としては、恒温槽内を循環する熱風が材料投入部４２に流入することを抑止でき、プリンタヘッド１と共に移動可能な構造であれば特に限定しないが、具体例としては、プリンタヘッド１を、空気層を介して熱反射性金属箔や板（例えばアルミ箔やアルミ板）でシリンダ４の吐出ノズル４３部が露出するように囲う構成が適用できる。

〔他の実施例〕
本発明は以上述べた実施例を一つの基本的な技術思想とするものであるが、更に次のような改変が考えられる。
まず、上述した基本の実施例では、スクリュー５（スクリュー本体５０）の先端部５５は、平面状にカットしたように形成され、この平面形状によって作動室４１の絞りテーパ部４４との間に、溶融材料確保空間４４ｒを形成するようにしていた。
しかしながら、スクリュー５（スクリュー本体５０）の先端部５５は、必ずしも平面状に形成されるだけでなく、例えば図３の部分図に示すように、前記絞りテーパ部４４よりも鈍角を成すテーパ状または偏平な曲面状に形成することも可能であり、要はスクリュー５の吐出側（押出側）の先端部５５に溶融材料確保空間４４ｒが形成されればよいものである。

また、上述した基本の実施例では、搬送ゾーンＺ１では、スクリュー５（スクリューフィン５２）の溝深さ５３をほぼ一定とし、その後の溶融ゾーンＺ２から溝深さ５３を漸減させるようにした（実際には、溶融ゾーンＺ２からスクリューシャフト５１の径を漸増させるようにした）。しかしながら、溝深さ５３は、例えば図３に示すように、搬送ゾーンＺ１から溶融ゾーンＺ２にわたって、漸減させるようにすることも可能である。

Ａ ３Ｄプリンタ
１ プリンタヘッド
２ 造形ステージ
４ シリンダ
５ スクリュー
６ 部分加熱装置
Ｍ 相対移動機構

４０ シリンダ本体
４１ 作動室
４２ 材料投入部（ホッパー）
４３ 吐出ノズル
４４ 絞りテーパ部
４４ｒ 溶融材料確保空間
Ｚ１ 搬送ゾーン
Ｚ２ 溶融ゾーン

５０ スクリュー本体
５１ スクリューシャフト
５１ｈ 中高部
５２ スクリューフィン
５３ 溝深さ
５５ 先端部

Ｄ 駆動手段（モータ）
Ｈ ヒータ
Ｐ 材料
Ｐ１ 立体造形物

Claims (9)

1. 円筒状の作動室を具えたシリンダと、スクリューシャフトの外周にスクリューフィンを有したスクリューと、スクリューを回転させる駆動手段と、シリンダの外周に設けられるヒータとを具え、
   前記作動室内でスクリューを回転させることにより、シリンダのヒータの設置位置よりも上流側の搬送ゾーンにおいて作動室内に供給された材料をスクリューフィンの案内作用によって、ヒータの設置位置を含む下流側の溶融ゾーンに移送し、先端部に設けられた吐出ノズルから押し出す熱溶解積層造形用プリンタヘッドであって、
   前記スクリューフィン間のスクリューの溝深さは、上流側よりも下流側の方が浅いことを特徴とする熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
2. 前記溶融ゾーンでは、スクリューの溝深さは、押出方向に向かって徐々に浅くなっていることを特徴とする請求項１記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
3. 前記スクリューフィンの外周先端は、断面視で適宜の幅を有する平面に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
4. 前記スクリューにおけるスクリューフィンの形成ピッチは、上流側から下流側にかけて一定であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
5. 前記シリンダの作動室は、押出先端側の吐出口に向かって先窄まりとなる絞りテーパ部を具え、
   且つ前記スクリューの押出先端部は、当該絞りテーパ部よりも鈍角状または平面状を成し、当該スクリューの押出先端部と絞りテーパ部との間に、溶融材料確保空間を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
6. 前記スクリューは、溝深さの最も浅い部分が、最も深い部分の２０〜５０％の深さであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
7. 前記スクリューは、溝深さの底部となるスクリューシャフトの外周面が、断面視中高状に形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
8. 前記吐出ノズルから押し出された材料が積層される前の造形経路には、当該造形経路の表面を加熱する部分加熱装置を具えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッド。
   
9. 請求項１から８のいずれか１項記載の熱溶解積層造形用プリンタヘッドを搭載したことを特徴とする３Ｄプリンタ。

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