JP2023500628A - 短距離で効率的な液体冷却式ディスペンサー - Google Patents

Abstract

本発明は、物体を作製するためのディスペンサー（１００）を提供する。前記ディスペンサー（１００）は、材料供給部分（１０８）を含み、前記材料供給部分（１０８）は、印刷材料を供給するように構成される。前記ディスペンサー（１００）は、コールドエンド部分（１０４）をさらに含み、前記コールドエンド部分（１０４）は、前記印刷材料の温度を冷却するように構成される。前記システムは、冷却剤源（３０４）をさらに含み、前記冷却剤源（３０４）は、液体を冷却剤として使用し前記印刷材料を冷却するように構成される。前記ディスペンサー（１００）は、ホットエンド部分（１０２）をさらに含み、前記ホットエンド部分（１０２）は、前記印刷材料を溶融状態に変換し、ディスペンサー出口（１１６）から印刷用の前記印刷材料を出力するように構成される。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は一般に、ディスペンサーに関し、特に液体冷却式ディスペンサー方法に関する。

押圧機は、原材料を構築表面に分配するための３次元（３Ｄ）プリンターの部材である。押圧機は、ホットエンドで材料を溶融させ、材料をノズルから構築表面に押圧する。通常、押圧機は、ベースに対して３次元で押圧ヘッドを移動する同時に、押圧ヘッドから熱可塑性プラスチックを選択的に押圧および溶融して、３次元物体の高速成形を実行する。押圧ヘッドは、コンピューターの制御下でベースに対して移動する。効果的な押圧を実行するために、コールドエンドの温度はホットエンドよりもかなり低い必要がある。

押圧機のホットエンドの低い温度を保持する通常の方法は、コールドエンドの近くにファンを配置してコールドエンドを空冷することである。しかしながら、空気の熱容量が少ないため空冷効率が低く、ホットエンドの温度が非常に高い（＞２６０℃)時、空冷効果がなくなる場合もある。さらに、例えば加熱された環境で使用される場合、空冷によりコールドエンドが効果的でない環境温度に冷却されるだけである可能性がある。

従来、上記の問題に対応して高いホットエンド温度を維持するように水冷式押圧機を設計してきたが、単に空気を冷却剤として水に置き換えるだけであるため、非常に効果がない。従来の水冷式押圧機では、水は単にコールドエンドの周りに流れて熱を吸収している。従来の水冷式押圧機では、空冷式押圧機よりも高いものの、熱の伝達量が限られる。また、従来の水冷方法は、コールドエンドが環境から熱を吸収する可能性があるため、高融点材料を堆積するために必要される高い環境温度ではうまく機能しない。

したがって、上記の従来押圧機／ディスペンサーに関する問題を解決する押圧機またはディスペンサーを改善する必要がある。

本開示の一側面によれば、本発明は印刷用のディスペンサー（１００）を提供する。このディスペンサー（１００）は、印刷材料を供給するように構成された材料供給部分（１０８）を含む。このディスペンサー（１００）は、印刷材料の温度を冷却するように構成されたコールドエンド部分（１０４）をさらに含む。このディスペンサー（１００）は、液体を冷却剤として使用し、印刷材料を冷却するように構成された冷却剤源（３０４）をさらに含む。このディスペンサー（１００）は、印刷材料を溶融状態に変換してディスペンサー出口（１１６）から印刷用の印刷材料を出力するように構成されたホットエンド部分（１０２）をさらに含む。この材料は、任意の状態、形状やサイズ、例えば円形フィラメント断面、長方形テープ断面などであってもよい。

以上、本発明の実施形態のいくつかの側面を理解を容易にするために簡単に説明する。この説明は本発明および各実施形態の拡張や完全な説明ではない。この説明は、以下のより詳細な説明の要約として本発明の実施形態の選択された概念を簡単に言及する。

本発明の他の実施形態は、上記の記載または下記の詳細な特徴中の１つまたは複数を単独または組み合わせて使用することが可能であることに留意されたい。

本発明の上記および下記の特徴と利点をより明確にするために、以下、特に図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明する。
本発明のある側面のプリンターの実施形態を示す。 本発明のある側面のディスペンサーの断面図である。 本発明による実施形態のディスペンサーの断面図であり、ディスペンサーのホットエンド部分を示す。 本発明による実施形態のディスペンサー断面図であり、ディスペンサーのコールドエンド部分を示す。 本発明による実施形態のディスペンサーの断面図であり、チャンネルを示す。 本発明による実施形態のディスペンサーのケーシングの断面図である。 本発明による実施形態の液体冷却式ディスペンサーの方法のフローチャートである。 本発明による実施形態のディスペンサーの液体冷却剤の循環方法のフローチャートである。 本発明による実施形態のディスペンサー全体の断面図である。 本発明による実施形態の原材料用の固定断面の代替実施形態を示す。 理解を促進するために、図式では共通の要素に同じ番号を付けて説明する。

この出願全体で使用される「できる」という用語は許与の意味で使用され（すなわち、可能）、強制の意味（すなわち必須）ではない。同様に、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇおよびｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、含むがこれに限定されないことを意味する。

「少なくとも１つ」、「１つまたは複数」、「および／または」という用語は操作において接続詞および修飾詞の両方である開放式表現である。例えば、「Ａ、ＢおよびＣ中の少なくとも１つ」、「Ａ、ＢまたはＣ中の少なくとも１つ」、「Ａ、ＢおよびＣ中の１つまたは複数」、「Ａ、ＢまたはＣ中の１つまたは複数」、および「Ａ、Ｂおよび／またはＣ」のそれぞれは、単独のＡ、単独のＢ、単独のＣ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣまたはＡ、ＢおよびＣを意味する。

「１つの（ａまたはａｎ）」エンティティとは、このエンティティ中の１つまたは複数を意味する。したがって、本明細書の「１つ（ａまたはａｎ）」、「１つまたは複数」、および「少なくとも１つ」という用語は置き換えて使用され得る。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」と「有する」は置き換えて使用され得る。

本明細書で使用される「自動」という用語およびその変形とは、プロセスまたは操作が実行されるとき、実質的な人力なしに行われる任意のプロセスまたは操作を指す。しかしながら、１つの実質的または非実質的な人力の入力が受け取られる場合、その入力がこのプロセスまたは操作の実行前に受け取られたと、このプロセスまたは操作は自動できると言える。このような人力の入力がプロセスまたは操作の実行方法に影響を与える場合、人力の入力が実質的であると見なされる。同一プロセスまたは操作で実行される人力の入力は「実質的」とは見なされない。

図１はプリンター１０の概略図である。図１に示すように、プリンター１０は、シャーシ１１、ポンプ１２、冷却剤リザーバー１３、およびラジエーター／フィルター１４を含む。プリンター１０は、Ｘガントリー１５、Ｙガントリー１６、およびＺガントリー１７をさらに含む。プリンター１０は、材料供給モータ１８、材料供給管１９、および材料供給２０をさらに含む。プリンター１０は、出力としての印刷プラットフォーム２１、および印刷部材２２をさらに含む。本発明による実施形態では、プリンター１０は液体冷却式押圧機１００をさらに含む。

図２は液体冷却式押圧機／ディスペンサー１００の概略図である。図２に示すように、ディスペンサー１００は、ホットエンド部分１０２、コールドエンド部分１０４、冷却剤源３０４（図２で図示しない）、および材料供給部分１０８を含む。

図３はディスペンサー１００のホットエンド部分１０２の概略図である。本開示の実施形態によれば、ホットエンド部分１０２は、ディスペンサーで印刷材料（例えば、プラスチック）をその溶融温度に加熱して溶融状態に変換するための領域である。

図３に示すように、ホットエンド部分１０２は、印刷材料を溶融するように構成されたヒートブロック１１０を含む。１つの実施形態では、ヒートブロック１１０は、高い熱伝導率の材料（例えば、アルミニウム）で形成され得る。さらに、ヒートブロック１１０は、別のホットエンドコンポーネントの取り付けのための設備を含む。ホットエンド部分１０２は、ヒートブロック１１０中の材料を溶融するための加熱源を提供するように構成された加熱源１１２をさらに含む。１つの実施形態では、熱源１１２は、ヒートブロックをＰＥＥＫ、ＵＬＴＥＭなどのような高性能材料に必要な温度、例えば４５０℃まで加熱できる出力を有する抵抗加熱ボックスをさらに含む。

さらに、１つの実施形態では、ホットエンド部分１０２は、ヒートブロックの温度を測定して測定値をコントローラーに送信するように構成された温度測定ユニット１１４をさらに含む。コントローラーは、ヒートブロックの温度を設定値に維持するように構成される。１つの実施形態では、温度測定ユニット１１４は、９００℃までの高温を測定可能な熱電対であり得る。ホットエンド部分１０２は、溶融プラスチックの出口として機能するように構成されたノズル１１６をさらに含む。１つの実施形態では、ノズル１１６は、堆積する原材料のサイズおよび状態に基づいて必要な出口断面を有する分配／ディスペンサー出口であり得る。さらに、分配出口は、熱伝導材料（例えば、均一に加熱するための真鍮）で形成され得る。別の実施形態では、ノズルは、異なる繊維タイプ、サイズおよび断面を処理するために交換可能である。

ホットエンド部分１０２は、材料通路インサート１２７の一部をさらに含む。１つの実施形態では、インサート１２７は、ホットエンド部分１０２をコールドエンド部分１０４に接続するように構成される。別の実施形態では、インサート１２７は材料供給部分１０８に直接接続される。インサート１２７は、材料とホットエンドのアルミニウムなどの高い熱伝導率の材料からなる部分との組み合わせにより作製され得る。ホットエンドとコールドエンド間の部分は、非常に低い熱伝導率の材料（例えば、チタン、セラミック）で形成され、ホットエンド部分１０２からコールドエンド部分１０４への熱伝達を制限する。最後に、コールドエンド中の部分は、インサートからコア部に熱を効率的に伝達するために、アルミニウムなどの高い導電性材料で形成される。

さらに、１つの実施形態では、ホットエンド部分１０２は、サーマルジャケット１２０（図では図示しない）を含み、このサーマルジャケット１２０は、環境への熱損失を防ぐために、ヒートブロック１１０上の断熱層として機能するように構成される。１つの実施形態では、ヒートブロック１１０は、サーマルジャケット１２０によって覆われる。サーマルジャケット１２０は、断熱材料で形成され、周囲環境への熱損失を低減する。当業者は、ヒートブロック１１０は、より高い熱伝導率を得、他の種類の温度センサーと加熱ユニットを取り扱うために、他の種類の材料と交換することができることを理解されたい。

図４はディスペンサー１００のコールドエンド部分１０４の概略図である。本開示の１つの実施形態では、コールドエンド部分１０４は、印刷材料を低温に保持し、材料がディスペンサー出口から早期に溶融するのを防ぐように構成される。

１つの実施形態では、図４に示すように、コールドエンド部分１０４は、コア部１２２、およびケーシング１２４を含む。１つの実施形態では、コールドエンド部分１０４のコア部１２２は、原材料が通過するための導管１２６を含む。さらに、コールドエンド部分１０４は、ホットエンド部分１０２の近くにあるためそこから熱にさらされる。本発明による１つの実施形態では、この熱はホットエンド部分１０２とコールドエンド部分１０４間の材料通路インサート１２７を介して伝達される。

１つの実施形態では、コア部１２２とケーシング１２４は異なる材料で形成される。さらに、ケーシング１２４は、環境からコア部への熱伝達を制限するために、断熱されている、または断熱された材料で形成される。

さらに、コールドエンド部分１０４に能動冷却機構が設けられる。冷却剤は冷却剤入口ポート（１２９）を通ってホットエンド（１０２）に進入する。１つの実施形態では、コア体１２２の外部は、低温を維持するための冷却剤の流れ通路として機能するように構成される。コア体の周りに流れた後、冷却剤は冷却剤出口ポート（１２５）から出す。１つの実施形態では、冷却剤は、高熱容量を有する任意の流体であり得る。当業者は、効率的な熱伝導を得るために、冷却剤のより高い表面積の接触が必要であることを理解されたい。

さらに、インサート１２７と接触する部材は、熱を効果的にコア部の表面に伝達するために、より高い熱伝導率の材料で形成される。さらに、環境と接触する部材（例えばケーシング１２４）は、環境からの熱伝達を制限するために、断熱材料で形成される。本発明による１つの実施形態では、ホットエンド部分１０２からコールドエンド部分１０４に伝達されたすべての熱は冷却剤に放散される。さらに、環境からの熱がコールドエンド部分１０４に入ることを許さない。

さらに、１つの実施形態では、図５に示すように、コア部１２２はらせん状のコア部であり、つまりコア部１２２はらせん形である。１つの実施形態では、らせん状のコア部中のチャンネル１２８の形状は、コア部１２２と冷却剤の接触面積、およびケーシング１２４内での冷却剤の滞留時間を影響し、冷却効率に影響を及ぼすように構成される。当業者は、図６に示されるらせん状コア部の形状により、冷却剤にらせん状の流れを提供し、冷却液体に高い接触面積と滞留時間を達成して、最大の熱を吸収して冷却効率を高めることを理解されたい。らせん状の冷却により、材料がヒートブロック上方の任意部分で融点以下に保持され得る。好ましい実施形態では、ディスペンサーはさらにポンプ１２に接続され、ポンプ１２は、印刷材料の温度をヒートブロック上方の溶融温度以下に保持するように、らせん状のコア部１２２中の冷却剤の流量を制御する。ポンプは中間温度センサー１２３から受信したフィードバックに基づいて流量を制御し、この中間温度センサー１２３は遷移領域１３０中の材料通路インサートに配置され得、この温度センサー１２３はポンプと連通し、遷移領域の最新の温度を設定融点に基づいて流量を制御するポンプに送信する。

当業者は、コア部１２２とケーシング１２４の２つの部材システムは２つの目的に使用される。第１に、らせん状の流れのチャンネルの作製がより容易で経済的である。第２に、異なる材料でコア部とケーシングを形成することが可能である。１つの実施形態では、図６に示すように、ケーシング１２４は、本体、上部カバー、底部カバー、水入口、水出口、およびシール部品を含む。ケーシング１２４は、コールドエンド部分１０４のジャケットとして機能し、冷却剤がコールドエンド部分１０４から流出するのを防ぐように構成される。さらに、ケーシング１２４は、コールドエンド部分１０４と高温である材料を処理する可能性のある外部環境間の熱伝達を排除するように構成される。

さらに、図７に示されるディスペンサー１００の冷却剤源３０４は、最適条件下、例えば、適切な温度、ｐＨ、および純度で冷却剤を含む。さらに、冷却剤源３０４は、冷却剤輸送機構を含み、この冷却剤輸送機構はポンプ、および入口／出口配管を含み得る。１つの実施形態では、ディスペンサー１００は、冷却剤をコールドエンド部分１０４に通すように構成される。

図８は冷却剤循環を示す。冷却剤源３０４は、輸送システム４０６中の制御機構（例えば流量制御弁）を使用して必要な冷却剤流量を維持するように構成される。さらに、冷却剤から熱を除去するように構成された冷却システム４１０は、能動または被動システムであり得、低い冷却剤温度を保持するように、ラジエーター、熱電冷却器などを含み得る。さらに、濾過システム４０４は、冷却剤循環に入る可能性のある任意の汚染物を除去するように構成される。さらに、材料供給部分１０８は、印刷（例えば、３Ｄ印刷）を容易にするための材料を供給するように構成される。

さらに、本発明による１つの実施形態では、ディスペンサー１００は、適切な位置合わせおよびクイックリリース機構を用いて、機械（例えば、印刷ヘッド）にしっかりと取り付けられるように構成される。１つの実施形態では、クイックリリース機構は、保守のためにディスペンサー１００の迅速な組み立て／分解を可能にするように構成される。さらに、１つの実施形態では、配管はディスペンサー１００に接続され得、迅速な組み立ておよび分解のための迅速な解放のために空気圧コネクタを使用し得る。さらに、１つの実施形態では、ヒーターおよび温度センサー用の電線は、スナップオンコネクターによって接続することもできる。さらに、１つの実施形態では、図９に示すように、材料通路インサート１２７は、ディスペンサーから容易に分離でき、通路および出口の断面が異なる代替のインサートおよびヒートブロックと交換することができる。当業者は、同じディスペンサーおよび機械を使用して、異なる断面およびサイズの原材料を堆積させることができることを理解されたい。

図１０は、原材料の固定断面を堆積する別の実施形態を示し、そのうちに、コネクターロッド１１８は、ホットエンドをコールドエンドに接続するように構成される。１つの実施形態では、コネクターロッドは、熱がホットエンドからコールドエンドへ熱伝達を防ぐために、断熱材料、例えばチタンで形成される。このような構造では、原材料の断面は固定されており、変更することができない。

ディスペンサー１００は、有利に３次元（３Ｄ）印刷装置で使用される高度な冷却を提供することができる。ディスペンサー１００は、液体冷却剤（従来のディスペンサーで使用される空気ではない）を使用してより効果的かつ効率的により高い押圧温度を達成することができる。さらに、ディスペンサー１００は、有利に効果的な熱伝達を確保でき、これは、水が最初に最も高温の領域であるコア部の底部から流れ始め、らせん状の軌跡を維持しながら比較的低温のコア部の頂部から出ることからである。当業者は、水とコア部の最も高温部分と接触し、コア部と最も高い表面接触を有するとき、最大の熱伝達を確保することができることを理解されたい。

さらに、ディスペンサー１００によって提供される冷却効果については、コールドエンド部分１０４では比較的短いコア部１２２があるため、短縮されたコールドエンド部分１０４が存在する可能性がある。さらに、ホットエンドにより多い熱を供給することができるため、ディスペンサー１００はより速い堆積速度／より高い印刷速度を提供することができる。さらに、コールドエンドが短縮されるため、クリープ故障による印刷ノズルの詰まりの可能性が最小限に抑えられる。さらに、効率的な熱伝達により、比較的低い圧力のポンプが必要であるため、ディスペンサーの冷却はより経済的である。さらに、コールドエンド部分の断熱外壁は、高温環境下で印刷する場合熱を環境から印刷材料に伝達するように構成され得、ＰＥＥＫ、ＰＥＩなどの高性能熱可塑性プラスチックは高温環境が必要である可能性がある。これにより、高温で印刷する場合でも、ディスペンサーのコア部がより低温に保たれる。

本発明の例示的な実施形態の前記議論は、例示および説明の目的で提示されてきた。本発明を本明細書に開示される１つまたは複数の形態に限定することを意図するものではない。前記具体的な実施形態では、例えば、本発明の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で、１つまたは複数の実施形態、構成、または態様にまとめられている。実施形態、構成、または態様の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、または態様で組み合わせることができる。この開示方法は、本発明が各特許請求の範囲に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とする意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、本発明の態様は、前記の単一の開示された実施形態、構成、または態様のすべての特徴よりも少ないものにある。したがって、以下の特許請求の範囲が本明細書に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態としてそれ自体で成り立っている。

さらに、本発明の説明は、１つまたは複数の実施形態、構成、または態様、および特定の変形および修正の説明を含むが、他の変形、組み合わせ、および修正は、本発明の範囲を逸脱しない限り、例えば、本開示を理解した後、当業者の技能および知識の範囲内で行われる。代替の、交換可能なおよび／または同等の構造、機能、範囲またはステップが本明細書に開示されているかどうかにかかわらず、特許性のある主題を開示することを意図することなく、許可された範囲での代替の実施形態、構成、または側面を含む権利（代替の、交換可能な、および／または同等の構造、機能、範囲、またはステップを含む）を取得することを目的としている。

Claims (14)

1. 印刷材料を供給するように構成された材料供給部分（１０８）と、
   冷却剤が通過するための導管（１２６）を有するらせん状コア部（１２２）を含み、前記印刷材料の温度を冷却するように構成されたコールドエンド部分（１０４）と、
   液体を冷却剤として使用し、前記印刷材料を冷却するように構成された冷却剤源（３０４）と、を含むディスペンサー（１００）。
2. 印刷材料を溶融状態に変換し、ディスペンサー出口（１１６）から印刷用の前記印刷材料を出力するように構成されたホットエンド部分（１０２）をさらに含む、請求項１に記載のディスペンサー。
3. 前記ホットエンド部分（１０２）は、前記ホットエンド部分（１０２）と前記コールドエンド部分（１０４）を接続するように構成されたコネクタロッド（１１８）を含む、請求項１に記載のディスペンサー（１００）。
4. 前記ホットエンド部分（１０２）は、前記印刷材料を溶融するように構成されたヒートブロック（１１０）を含む、請求項１に記載のディスペンサー（１００）。
5. 前記ホットエンド部分（１０２）は、前記ヒートブロック（１１０）を覆うように構成されたサーマルジャケット（１２０）を含む、請求項３に記載のディスペンサー（１００）。
6. 前記ディスペンサー出口（１１６）は、様々なサイズおよび断面の原材料を処理するように構成されたノズルである、請求項１に記載のディスペンサー（１００）。
7. 前記ノズルは交換可能である、請求項６に記載のディスペンサー（１００）。
8. 前記ホットエンド部分（１０２）は、ヒートブロック（１１０）の温度を測定するように構成された温度測定ユニット（１１４）を含む、請求項１に記載のディスペンサー（１００）。
9. 前記らせん状コア部（１２２）は、原材料が通過するための導管（１２６）を含む、請求項１に記載のディスペンサー（１００）。
10. 前記らせん状コア部は、前記コア部（１２２）と前記冷却剤の接触面積を増加させ、冷却効率を高めるように構成される、請求項８に記載のディスペンサー（１００）。
11. 前記コールドエンド部分（１０４）は、前記コールドエンド部分（１０４）のジャケットとするように構成されるケーシング（１２４）をさらに含む、請求項９に記載のディスペンサー（１００）。
12. 前記らせん状コア部（１２２）中の前記冷却剤の流量を制御するためのポンプをさらに含む、請求項１に記載のディスペンサー。
13. 前記ポンプと連通し、前記印刷材料の必要な温度に基づいて前記流量を制御するための遷移領域１３０中の温度センサー１２３をさらに含む、請求項１２に記載のディスペンサー。
14. 前記印刷材料の必要な温度は前記ヒートブロック上方の任意場所の融点よりも低い、請求項１３に記載のディスペンサー。
    

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