JP2023501999A - 出発物質に対し素早く圧力を作用させるようにした３ｄプリンタ用プリントヘッド - Google Patents

Abstract

粘度の点で変化しうる出発物質（２０）のための供給部（１１）と、前記出発物質（２０）の液相（２２）の流動方向に先細りになっている、出口（１５）を通じて前記液相（２２）を放出するためのノズル（１４）とを備える３Ｄプリンタ（１）用プリントヘッド（１０）において、前記液相（２２）の少なくとも一部の圧力を基本圧力へ高めるために少なくとも１つの圧力発生器（１２）が設けられ、前記液相（２２）の少なくとも一部の圧力を前記基本圧力程度に調整するために、前記圧力発生器（１２）と前記ノズル（１４）との間に接続される少なくとも１つの圧力モジュレータ（１３）が設けられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、出発物質の液相を選択的に且つ局部的に放出するための３Ｄプリンタ用プリントヘッドに関するものである。

粘度の点で変化しうる材料のための３Ｄプリンタは、この材料の固相を出発物質として含んでおり、それから液相を生じさせ、この液相を、生成すべきオブジェクトに属する個所へ選択的に塗布する。このような３Ｄプリンタは、出発物質を前処理して印刷準備を完了させるプリントヘッド含んでいる。さらに、プリントヘッドとオブジェクトが生じる作業面との間に相対運動を発生させるための手段が設けられている。その際、プリントヘッドのみを移動させるか、作業面のみを移動させるか、或いは、プリントヘッドと作業面の双方を移動させることができる。

プリントヘッドは、液状材料がそれから流出する第１の作動状態と、液状材料がそれから流出しない第２の作動状態とを有する。第２の作動状態とは、たとえば、作業面上の別のポジションへ接近して、途中でそこに材料を堆積させるべきでない場合に占める状態である。プリントヘッドの両作動状態の間は、たとえば、固形出発材料の推進力をオンオフすることで切換えることができる。

特許文献１は、顆粒状の出発物質を受け取って、出発物質を可塑化するゾーンへピストンにより搬送する３Ｄプリンタ用プリントヘッドを開示している。

独国特許出願公開第１０２０１６２２２３０６号明細書

本発明の範囲内で、３Ｄプリンタ用プリントヘッドが開発された。このプリントヘッドは、粘度の点で変化しうる出発物質のための供給部と、出発物質の液相の流動方向に先細りになっている、出口を通じて液相を放出するためのノズルとを含んでいる。

出発物質は、特に、たとえばプリントヘッドに装着される加熱部によって液相に移行させることができる。この相は、物理学的に見て液状であっても、典型的には、固有の駆動部からノズルの出口を通り抜けない程度に常に粘度がある。

そのため、液相の少なくとも一部の圧力を基本圧力へ高めるために少なくとも１つの圧力発生器が設けられている。加えて、液相の少なくとも一部の圧力を基本圧力程度に調整するために、圧力発生器とノズルとの間に接続される少なくとも１つの圧力モジュレータが設けられている。

圧力発生器は、例として、たとえばピストンのように出発物質の液相に作用する固い作動手段であってよい。しかしながら、圧力発生器はたとえば圧縮空気または他のガス状加圧手段のための供給部を含んでいてもよい。出発物質をフィラメントの形態で供給する３Ｄプリンタの場合、このフィラメントのまだ固い端部もピストンのように出発物質の液相に作用することができ、この限りでは同様に圧力発生器として用いることができる。

多数の構造物を作製する場合、出発物質の圧力を迅速に変えられることが重要であることが明らかになった。この圧力は、単位時間あたりにノズルの出口を通過する質量流束を決定する。この質量流束は、プリントヘッドと形成すべきオブジェクトとが互いに相対運動する速度と常に整合すべきである。このことは、形成すべきオブジェクトのどの個所においても正確に所定量の材料が塗布されるようにするには、出発物質の圧力が速度の変化に追従しなければならないことを意味している。速度は、特に、プリントヘッドと形成すべきオブジェクトとの相対運動が少なくとも１つの軸に沿ってその運動方向を強く変更する点またはそれどころか逆転する点で変化する。たとえば直角の隅角部を印刷するには、この隅角部の１つの辺に沿って運動を減速させて停止させ、その後この隅角部の他の辺に沿って再び加速させねばならない。

しかしながら、圧力を変化させると、特に出発物質としてのプラスチックおよび他のポリマーの場合、たとえば出発物質を加圧するピストンのような適当なアクチュエータの起動と、ノズルの出口における圧力の実際の変化との間に、タイムラグが存在する。その原因は、前記材料は液相で圧縮可能であり、その結果その加工のために大きな力を必要とすることである。また、出発物質の液相の剪断粘度も力伝達に影響力を持っている。これにより、特に、少なくとも１つの空間軸に関する速度が強く変化するような前記輪郭屈曲部においては、塗布した材料量が所定量と異なることが生じる。このずれは形成したオブジェクトの品質および精度に影響する。

いまや、圧力発生器と圧力モジュレータとの組み合わせによって出口付近で効果的な全圧を提供することにより、圧力の変化の際の前述のタイムラグを有利に最小限に抑えることができる。

剪断粘度は、出発物質の剪断によって引き起こされる粘度である。出発物質の液相がノズルを通過する際、流速が強く増大し、その結果剪断が生じる。剪断は出発物質の中にエネルギーを取り込んで、その温度を上げ、このことも粘度に影響する。この粘度変化は、圧力の調整によって少なくとも部分的に補償することができる。

たとえば、圧力発生器に対しては、平均速度で一定に運動し、その際に大きな合力を作用させるように特別に設計されたアクチュエータを使用することができる。これに対し、圧力モジュレータに対しては、たとえば、高速の力学的運動を行うように特別に設計され、そのためにより小さな合力しか作用させることができないアクチュエータを使用することができる。したがって、両タイプのアクチュエータの利点を互いに組み合わせることができる。

さらに、プリントヘッドの適当な構造的設計により、圧力モジュレータが作用する液状出発物質の体積を、圧力発生器が作用する液状出発物質の体積よりも著しく小さく保つことができる。一方では圧力発生器または圧力モジュレータによる圧力の作用と、他方ではノズルの出口における圧力変化との間のタイムラグは、出発物質の液相に導入される力がこの液相内部で進まなければならない距離に依存していることが明らかになった。この距離が短ければ短いほど、タイムラグは小さくなる。距離は、圧力モジュレータと出口との間の溶融物体積と関連している。すなわち、溶融物体積は距離によって示すことができ、その逆も然りである。

圧力発生器と圧力モジュレータとの間での作業分担は、高速反応を目的として減少させた、圧力モジュレータが作用を及ぼす体積が、トータルで得ることのできる材料スループットを過度に阻害しないことを配慮したものである。したがって、たとえば圧力発生器が作用を及ぼす体積は、同時に、より多量の固形出発物質を加熱部によって液相へ変換するために規定されていてもよい。この場合には、この体積を起点として自ずと圧力モジュレータを繰り返し「操作する」ことができる。

それ故、特に有利な構成では、圧力モジュレータは、たかだか１ｃｍ^３の体積を持つ液相の部分体積、および／または、圧力調整の導入部と出口との間でたかだか５ｃｍの区間を占めている液相の部分体積に作用する。前記区間は体積と関連しているが、しかし出発物質の液相が存在している領域の直径と協力して独自に作用し、たとえば剪断粘度を介して作用する。

「圧力モジュレータ」という概念には、液相の圧力を常に基本圧力以上に高める必要があるとは限らないということが含まれているばかりでなく、基本圧力以下に低下させてもよいということが含まれている。これは、圧力発生器の作業点の選択に対し付加的な自由をもたらす。たとえば、この作業点は、この圧力の場合に出口から出発物質の平均質量流束が流出するように選定することができる。その後、圧力モジュレータはこの質量流束を増大させることができ、或いは、低減させることもできる。このため、圧力モジュレータは、たとえば圧力モジュレータと出口との間に封じ込められている液状の出発物質のために使用する体積を増やすことができる。

特に有利な構成では、圧力モジュレータは、出口からの液相の流出が阻止される程度に出口での液相の圧力を減少させるために形成されている。加圧プロセスの際には、特定の個所での加圧を中断して、プリントヘッドと形成すべきオブジェクトとの間の相対運動後に再び続行することが多くの点で必要である。出口からの出発物質の流出を圧力モジュレータによって中断することは、弁を用いて出口を密閉するよりも出発物質に対してより丁重である。

すなわち、出口を弁を用いて密閉すると、この弁は完全に密閉された状態に到達するまで液相の流速を増大させる。これによって出発物質は剪断力に曝され、剪断力は大きなエネルギー量を出発物質の中に取り込み、したがってそれを加熱する。この加熱によって出発物質が損傷を受けることがある。また、剪断力はたとえばポリマー鎖を分解することによって出発物質をダイレクトに機械的に損傷することもある。この作用によって変化した出発物質は脆弱化しており、それが本来約束することを文字通り維持しない。特に粘度を低下させ、このことは前述した損傷作用をさらに増幅する。

更なる特に有利な構成では、圧力モジュレータは筒状のニードルを含み、筒状のニードルは、ノズルへ通じているモジュレータ通路内で可動に支持され、且つノズルのほうへ先細りになっている先端を有している。この場合、モジュレータ通路内部でのニードルの位置は、ニードルと出口との間に封じ込められている液状出発物質に対し使用できる体積を決定し、よってこの出発物質に作用する圧力をも決定する。

この目的のため、圧力発生器とその圧力モジュレータに対する結合部との空間的配置は特に次のように構成されていてよく、すなわちニードルが圧力発生器に対する圧力モジュレータの前記結合部を密閉し、同時に液状出発物質をその先端とノズルの出口との間に閉じ込めるようなニードルのポジションが存在するように、構成されていてよい。このような閉じ込められた出発物質に対してはもはやニードルの変位による圧力変化しか作用せず、他方この出発物質は同時に圧力発生器によるどのような影響からも逃れている。

ニードルに対しては、或いは、圧力モジュレータとは別に使用される任意の要素に対しては、種々の駆動態様が考えられるが、これらの駆動態様にはそれぞれ特別な利点がある。たとえばスピンドル駆動型のモータは特に優れた価格性能比を持っている。圧電素子の積層体（スタック）は特に迅速なダイナミックスを有している。液圧シリンダは最大のパワーを及ぼすことができる。また、駆動部はたとえばレバー、スライダまたはトランスミッションのような任意の手段で伝動されていてよい。これによって、たとえばニードルでのパワーを大きくすることができ、或いは、比較的緩慢なアクチュエータを用いて圧力モジュレータの比較的高いダイナミックスを得ることができる。

更なる特に有利な構成では、前記先端は、少なくとも部分的にノズル内へ挿入可能であるようなサイズを有している。先端がこのようにして出口の方向に特に遠くまで進入すれば、先端と出口の間に封じ込められている体積は特に小さくなることができる。これによって、前述したようにタイムラグが最小限になる。

更なる特に有利な構成では、前記先端は、出口を少なくとも部分的に通過できるようなサイズを有している。このようにして、先端が出口をたとえば加圧一時中断で密閉することができ、或いは、たとえば凝固した出発物質および他の固形物がそこに沈殿した場合にはクリーニングすることもできる。これは３Ｄプリンタの効率を向上させる。

更なる特に有利な構成では、圧力発生器は、液相で充填可能な主通路内で可動に支持されている筒状のピストンを含んでいる。この場合、この主通路はたとえば固形の出発物質を液相へ溶融するためにも使用することができる。この主通路がたとえば加熱されている場合には、顆粒形状で添加された固形の出発物質を、加熱部からの熱とピストンの圧力との組み合わせで可塑化させることができる。

特に有利な構成では、前記先端の領域の外側でのニードルの直径の、ピストンの直径に対する比率は、１：３またはそれよりも小さく、有利には１：４またはそれよりも小さい。この場合には、ピストンの運動学と出発物質の液相内での圧力の調整とを特に良好に互いに整合することができる。またこの場合には、３Ｄプリンタで典型的に必要とされるピストン径の場合、付属のニードルは必要な強度で特に簡単に、コスト上好ましく製造可能である。

特に有利な構成では、圧力発生器と圧力モジュレータとは、形成すべきオブジェクトのための加熱可能な造形室の内側で出発物質の液相に作用し、且つ造形室の外側に配置されている少なくとも１つの駆動源に機械的に連結されている。ほとんどのコスト上好ましい駆動源は、最大６０℃の温度で作動するように設計されている。これに反し、出口から放出されて形成すべきオブジェクトに蓄積された液状出発物質がただちに室温に冷えるのではなく、形成されたオブジェクト全体がまず冷却されれば有利である。これはオブジェクトの印刷された複数の層の相互の固着を改善し、よってオブジェクト全体の機械的安定性も改善する。オブジェクトの機械的ゆがみはより少なく、それ故その仕様により正確に合致する。これは、特に、オブジェクトをたとえば機械的に他の部品と嵌合させたり、或いは、その他の機械的係合にもたらす必要がある場合に有利である。典型的には、造形室では６０℃と１００℃の間の範囲の温度が設定される。

更なる特に有利な構成では、圧力発生器が出発物質の圧力を高めさせることができる領域の少なくとも一部は、出発物質の液相を生じさせるための加熱部を有している。圧力モジュレータのための駆動源は、加熱部から熱絶縁されている。この場合、たとえば圧力発生器の加熱された領域は熱的にカプセリングされていてよい。しかし、たとえば圧力モジュレータのための駆動源も熱的にカプセリングされ、オプションでは冷却されていてもよい。

本発明を改善する更なる処置を、本発明の有利な実施形態の説明とともに次に図面を用いて詳細に示す。

形成すべきオブジェクト３のための造形室１６を備えた３Ｄプリンタ１の実施形態を示す図である。 加熱される圧力発生器１２と圧力モジュレータ１３のアクチュエータ１３^＊との間に絶縁部１８を備えた３Ｄプリンタ１の実施形態を示す図である。

図１は、プリントヘッド１０を備えた３Ｄプリンタ１の一実施形態を示している。３Ｄプリンタ１は、造形面１９上で形成すべきオブジェクト３のための加熱可能な造形室１６を有している。プリントヘッド１０は、造形室１６の内側および外側に配置される構成要素を含んでいる。

プリントヘッド１０は出発物質２０のための供給部１１を含み、出発物質は本実施形態では顆粒状の固相２１で供給される。加熱部１７を備えた圧力発生器１２内では、出発物質２０の固相２１は可塑化されて液相２２を形成する。圧力発生器１２は、内部でピストン１２ｂが案内されている主通路１２ａと、ピストン１２ｂのための駆動源１２^＊とを含んでいる。主通路１２ａとピストン１２ｂとは、造形室１６の絶縁部を通って、造形室１６の外側に配置されている駆動源１２^＊へ案内されている。

圧力発生器１２は、出発物質２０の液相２２の圧力を基本圧力へ高める。プリントヘッドは出口１５を備えたノズル１４を有し、出口を通じて液相２２はプリントヘッドから形成すべきオブジェクト３の方向に流出することができる。液相２２の圧力は、基本圧力を出発点として、圧力発生器１２とノズル１４との間に接続されている圧力モジュレータ１３によって調整される。この圧力モジュレータ１３はモジュレータ通路１３ａを含み、モジュレータ通路内には、ノズル１４のほうへ先細りになっている先端１３ｃを備えたニードル１３ｂが案内されている。その際ニードル１３ｂは、自らと出口１５との間で特に液相２２の一部分を封じ込めることができる。その際、図１に示唆したように、この一部分は特に圧力発生器１２からの圧力による更なる影響から逃れていてよい。すなわち、圧力モジュレータ１３は前記一部分の圧力を高めることができるが、しかしたとえば液状出発物質２２の放出を一時的に中断させるために低下させることもできる。これによって、特に、たとえば、プリントヘッド１０と形成すべきオブジェクト３との間での横方向移動運動の際に、不都合にも出口１５から流出する液状出発物質２２から成る糸が引っ張られることを回避できる。

通路１３ａとニードル１３ｂとは造形室１６の絶縁部を通って、造形室１６の外側に配置されている駆動源１３^＊へ案内されている。この絶縁部の向こう側では、ニードル１３ｂの温度が急激に低下する。したがって、万が一出発物質２０の液相２２の一部が不正確な嵌合部を通ってニードル１３ｂとモジュレータ通路１３ａとの間の中間空間内に侵入すれば、この材料は駆動源１３^＊内へ侵入できないほど非常に迅速に粘度を有するようになる。

図２は、プリントヘッド１０を備えた３Ｄプリンタ１の他の実施形態を示している。図１とは異なり、この実施形態では、熱絶縁される造形室１６が設けられていない。その代わり、形成すべきオブジェクト３のための造形板１９は室温状態にある。図１に対応して、圧力発生器１２の、出発物質２０の液相２２で充填可能な部分は、加熱部１７を用いて加熱可能である。そのため、圧力モジュレータ１３の駆動源１３^＊は、熱絶縁部１８によって、加熱部１７から放出される熱から保護される。

１ ３Ｄプリンタ
３ オブジェクト
１０ プリントヘッド
１１ 出発物質のための供給部
１２ 圧力発生器
１２ａ 圧力発生器の主通路
１２ｂ 圧力発生器のピストン
１２^＊ ピストンのための駆動源
１３ 圧力モジュレータ
１３ａ モジュレータ通路
１３ｂ ニードル
１３ｃ ニードルの先端
１３^＊ 圧力モジュレータの駆動源
１４ ノズル
１５ 出口
１６ 造形室
１７ 加熱部
２０ 出発物質
２２ 出発物質の液相

Claims (10)

1. 粘度の点で変化しうる出発物質（２０）のための供給部（１１）と、前記出発物質（２０）の液相（２２）の流動方向に先細りになっている、出口（１５）を通じて前記液相（２２）を放出するためのノズル（１４）とを備える３Ｄプリンタ（１）用プリントヘッド（１０）において、前記液相（２２）の少なくとも一部の圧力を基本圧力へ高めるために少なくとも１つの圧力発生器（１２）が設けられ、前記液相（２２）の少なくとも一部の圧力を前記基本圧力程度に調整するために、前記圧力発生器（１２）と前記ノズル（１４）との間に接続される少なくとも１つの圧力モジュレータ（１３）が設けられているプリントヘッド（１０）。
2. 前記圧力モジュレータ（１３）が、たかだか１ｃｍ^３の体積を持つ前記液相（２２）の部分体積、および／または、前記圧力調整の導入部と前記出口（１５）との間でたかだか５ｃｍの区間を占めている前記液相（２２）の部分体積に作用する、請求項１に記載のプリントヘッド（１０）。
3. 前記圧力モジュレータが筒状のニードル（１３ｂ）を含み、前記筒状のニードルが、前記ノズル（１４）へ通じているモジュレータ通路（１３ａ）内で可動に支持され、且つ前記ノズル（１４）のほうへ先細りになっている先端（１３ｃ）を有している、請求項１～２のいずれか一項に記載のプリントヘッド（１０）。
4. 前記先端（１３ｃ）が、少なくとも部分的に前記ノズル（１４）内へ挿入可能であるようなサイズを有している、請求項３に記載のプリントヘッド（１０）。
5. 前記先端（１３ｃ）が、前記出口（１５）を少なくとも部分的に通過できるようなサイズを有している、請求項４に記載のプリントヘッド（１０）。
6. 前記圧力発生器（１２）が、前記液相（２２）で充填可能な主通路（１２ａ）内で可動に支持されている筒状のピストン（１２ｂ）を含んでいる、請求項１～５のいずれか一項に記載のプリントヘッド（１０）。
7. 前記先端（１３ｃ）の領域の外側での前記ニードル（１３ｂ）の直径の、前記ピストン（１２ｂ）の直径に対する比率が、１：３またはそれよりも小さく、有利には１：４またはそれよりも小さい、請求項３と６およびオプションで請求項４～５のいずれか一項に記載のプリントヘッド（１０）。
8. 前記圧力発生器（１２）と前記圧力モジュレータ（１３）とが、形成すべきオブジェクト（３）のための前記３Ｄプリンタ（１）の加熱可能な造形室（１６）の内側で前記液相（２２）に作用し、且つ前記造形室（１６）の外側に配置されている少なくとも１つの駆動源（１２^＊，１３^＊）に機械的に連結されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のプリントヘッド（１０）。
9. 前記圧力発生器（１２）が前記出発物質（２０）の圧力を高めることができる領域の少なくとも一部が、前記出発物質（２０）の液相（２２）を生じさせるための加熱部（１７）を有し、前記圧力モジュレータ（１３）のための前記駆動源（１３^＊）が、前記加熱部（１７）から熱絶縁されている（１８）、請求項１～８のいずれか一項に記載のプリントヘッド（１０）。
10. 前記圧力モジュレータ（１３）は、前記出口（１５）からの前記液相（２２）の流出が阻止される程度に前記出口（１５）での前記液相（２２）の圧力を減少させるために形成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のプリントヘッド（１０）。

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