JP2024032102A - ３ｄプリンター及び３次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性フィラメントをガラス転移温度以下まで冷却せずとも好適に造形できることができる３Ｄプリンターを提供すること。【解決手段】長さＬ＞径Ｄの関係を満たす円柱状のフィラメントが貫通可能な、円筒状の空間Ｓと、フィラメントを加熱する、ヒーターと、フィラメントを吐出する、ノズルと、複数の円形のローラーと、を備え、上記ノズルは、上記空間Ｓの軸の延長線上に位置するように、上記空間Ｓの一端側に配置され、上記ヒーターは、上記空間Ｓの軸の延長線上に位置するように、上記空間Ｓと、上記ノズルとの間に配置され、上記複数のローラーは、その円周面が上記空間Ｓに対向するように、上記空間Ｓの周囲に配置され、その径方向に対し垂直な方向と、上記空間Ｓの径方向とが一致する方向を回転軸として回転する、３Ｄプリンター。【選択図】図２

Description

本発明は、３Ｄプリンター及び３次元造形方法に関する。

熱可塑性樹脂からなるフィラメントをフィーダーで搬送し、ノズル部分から溶融吐出することで造形を行う、熱溶解積層方式３Ｄプリンターの普及が進んでおり、個人向け用途だけでなく、産業用途としても部品製作などに広く用いられている。

フィラメントを構成する樹脂としてはポリ乳酸やアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ樹脂）など、硬い素材が主流であるが、近年柔軟性の高い素材も求められており、エラストマーからなるフィラメントの開発が進んでいる。一方で柔軟性の高いフィラメント（以下、「柔軟性フィラメント」とする）は、ガイドチューブ内を経由してノズルまで搬送される際、急なたわみ、すなわち座屈が生じやすく、それによりガイドチューブ内壁との摩擦が増大するため、ノズルから安定して吐出することが困難であった。このような柔軟性フィラメントを好適に造形するために、冷却機構を備えた３Ｄプリンターが報告されている（特許文献１）。

特開２０１８－０８６８１４号公報

特許文献１に記載の３Ｄプリンターは柔軟性フィラメントをガラス転移温度以下まで冷却し、柔軟性フィラメントをより硬くすることで、柔軟性フィラメントの搬送時に生じる座屈を低減し、ノズルから安定して吐出することを可能としている。しかしながら、ガラス転移温度が低い柔軟性フィラメントに適用する場合、冷却が不十分になって座屈が抑制できないという課題があり、更なる改良が必要であった。

そこで本発明は、柔軟性フィラメントをガラス転移温度以下まで冷却せずとも、柔軟性フィラメントの搬送時に生じる座屈を低減し、好適に造形できる３Ｄプリンターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下のような構成を有する。

長さＬ＞径Ｄの関係を満たす円柱状のフィラメントが貫通可能な、円筒状の空間Ｓと、フィラメントを加熱する、ヒーターと、フィラメントを吐出する、ノズルと、複数の円形のローラーと、を備え、上記ノズルは、上記空間Ｓの軸の延長線上に位置するように、上記空間Ｓの一端側に配置され、上記ヒーターは、上記空間Ｓの軸の延長線上に位置するように、上記空間Ｓと、上記ノズルとの間に配置され、上記複数のローラーは、その円周面が上記空間Ｓに対向するように、上記空間Ｓの周囲に配置され、その径方向に対し垂直な方向と、上記空間Ｓの径方向とが一致する方向を回転軸として回転する、３Ｄプリンター。

本発明により、柔軟性フィラメントをガラス転移温度以下まで冷却せずとも好適に３Ｄプリンターによる３次元造形をすることができ、柔軟性が求められる用途に適した成形体を得ることができる。

一般的な熱溶解積層方式３Ｄプリンターの構成を示す概略図である。 本発明の３Ｄプリンターの構成の一例を示す概略図である。 本発明の３Ｄプリンターの構成の一例を示す概略図である。 加熱機構が、空間Ｓの軸の延長線上とは離れた位置に配置されたヒーターの一例を示す概略図である。 円周面が空間Ｓに対向するように空間Ｓの周囲に配置された、ローラーの一例を示す概略図（図５－Ａ）、及び本発明の３Ｄプリンターが備えるローラーの円周面及び各方向を示した概略図（図５―Ｂ）である。 ローラーの回転軸が空間Ｓの長手方向に平行に整列して配置されている一例を示した図である。 ローラーの回転軸が空間Ｓの径方向において平行に対向している一例を示した図である。 ローラーの回転軸が空間Ｓの長手方向に平行に整列して配置され、かつ空間Ｓの径方向において平行に対向している一例を示した図である。 溝付きローラーの例を示した図であり、ローラーの径方向から見た図である。 複数の溝付きローラーの溝によって形成される空間の例を示した図であり、空間Ｓの長手方向から見た図である。 ホットエンドの概略構成を示した図であり、（図１１－Ａ）は熱溶解積層方式３Ｄプリンターのホットエンド、（図１１－Ｂ）はヒートシンク部分がなく、ヒーターとノズルからホットエンドが構成される、本発明の一例を示した図である。 上記複数のローラーを冷却する、クーラーを備えた３Ｄプリンターの一例を示した図である。

図１は、一般的な熱溶解積層方式３Ｄプリンターの構成の一例を示す概略図である。造形時には熱可塑性のフィラメント１００をガイドチューブ１０１内に通し、ヒーター１０２へと導き、ヒーター１０２で加熱溶融し、設計図に従ってコンピューター制御され、ＸＹ方向に移動するノズル１０３から押出し、一層目の造形が完了した後、二層目の造形を行う。これを繰り返し、多数の層を堆積していくことで３次元造形物を造形する。このような３Ｄプリンターに柔軟性フィラメントを適用して造形を行う場合、ノズルまで柔軟性フィラメントを搬送する際、フィラメントが柔らかいために座屈が生じやすく、ガイドチューブ内壁と接触すると摩擦によりフィラメントの搬送ができなくなり、ノズルから安定して吐出することが困難である。

図２及び図３は、本発明の３Ｄプリンターの一例を示す図である。この例における３Ｄプリンターは、長さＬ＞径Ｄの関係を満たす円柱状のフィラメント１００が貫通可能な、円筒状の仮想的な空間Ｓ（２００）と、フィラメント１００を加熱する、ヒーター１０２と、フィラメント１００を吐出する、ノズル１０３と、複数の円形のローラー１０４と、を備え、上記ノズル１０３は、上記空間Ｓ（２００）の軸２０１の延長線上に位置するように、上記空間Ｓの一端側に配置され、上記ヒーター１０２は、上記空間Ｓ（２００）の軸２０１の延長線上に位置するように、上記空間Ｓ（２００）と、上記ノズル１０３との間に配置され、上記複数のローラー１０４は、その円周面１０４ａが上記空間Ｓ（２００）に対向するように、上記空間Ｓ（２００）の周囲に配置され、その径方向に対し垂直な方向１０４ｃと、上記空間Ｓ（２００）の径方向の平行線２０２とが一致する方向を回転軸として回転する、３Ｄプリンターである。造形時はフィラメント１００を空間Ｓ（２００）に通し、ローラー１０４と一部接触しながらヒーター１０２へと導き、ヒーター１０２で加熱溶融し、溶融したフィラメント成分をノズル１０３から押出して層を造形し、層を堆積していくことで３次元造形物を造形する。

本発明の３Ｄプリンターにおいては、円柱状のフィラメントが、たわみのような座屈などが低減された状態で、直線的にヒーターに搬送される。この直線的なフィラメントの搬送のための経路が、円筒状の仮想的な空間Ｓであり、円柱状のフィラメントはこの円筒状の空間Ｓを貫通してヒーターに到達する。そのようなフィラメントの直線的な搬送を実現するため、本発明の３Ｄプリンターが備えるヒーター及びノズルは、空間Ｓの軸の延長線上に位置する必要がある。また、円柱状のフィラメントはノズルから押出される前に加熱溶融される必要があるから、ヒーターは、空間Ｓの一端に配置されたノズルと、空間Ｓとの間に配置され、空間Ｓを貫通したフィラメントがヒーターに先に到達する必要がある。

図４は、一次的な発熱体である加熱機構が、空間Ｓの軸の延長線上とは離れた位置に配置されているヒーターの例を示す概略図である。このような場合、加熱機構１０５が接続され、加熱機構からの熱伝導により発熱してフィラメントを加熱溶融する部位１０６をヒートブロックと呼び、このヒートブロックが、本発明におけるヒーターに相当する。このヒートブロックも、空間Ｓの軸の延長線上に位置する必要があり、かつ、空間Ｓの一端に配置されたノズルと、空間Ｓとの間に配置される必要がある。なお、ヒーター又はヒートブロックと、ノズルとは、一体化されていても構わない。

図２における例では、空間Ｓ（２００）の一端に配置されたヒーター１０２及びノズル１０３は一体化されており、何れも空間Ｓ（２００）の軸２０１の延長線上に位置しており、ヒーター１０２はノズル１０３と空間Ｓ（２００）との間に配置されている。

本発明の３Ｄプリンターが備える複数のローラーは、その円周面が空間Ｓに対向するように、空間Ｓの周囲に配置され、その径方向に対し垂直な方向と、空間Ｓの径方向とが一致する方向を回転軸として回転することを必要とする。

図５は、円周面が空間Ｓに対向するように空間Ｓの周囲に配置された、ローラーの一例を示す概略図である。このローラーの円周面１０４ａは空間Ｓ（２００）に対向するように空間Ｓの周囲に配置されている。また、このローラーは、その径方向に対し垂直な方向１０４ｃと、空間Ｓの径方向とが一致する方向を回転軸１０４ｅとして回転する。図２及び図３は、このようなローラーが複数個、空間Ｓに対向するように空間Ｓの周囲に配置された状態を示す概略図である。複数のローラー１０４は、貫通するフィラメントの径Ｄよりもやや大きな径の空間Ｓ（２００）を想定して、その周囲に配置されている。このような構成によって、空間Ｓ（２００）を貫通して直線的に搬送されるフィラメントに座屈などが生じそうになった場合には、空間Ｓの周囲に配置されたローラー１０４の円周面がそれを抑止して、フィラメントが空間Ｓ（２００）から逸脱するのを防ぎ、さらには自身の回転によって摩擦抵抗を分散することで、フィラメントの連続的な搬送を達成することができる。

本発明の３Ｄプリンターが備える一部又は全部のローラーは、モーターなどの、ローラーを自発的に回転させるための駆動源を有していても構わない。しかし送り出されてくるフィラメントの流れを妨げることなく、フィラメントを好適に搬送するため、ローラーは駆動源を有しないことが好ましい。

また、円形のローラーとは、上記ローラーの径方向に垂直な方向から見た際に、およそ円形であることを意味し、円周部に窪みや溝といった凹凸などが存在していても構わない。

上記ローラーの円周面の材質は、シリコーン、ゴム若しくは金属又はそれらの組み合わせであることが好ましい。円周面の摩擦が大きいほど、ローラーが回転しやすく、フィラメントを好適に搬送できるため、円周面の摩擦の観点ではシリコーン、ゴムが好ましい。また、比重が軽い材質の方が、ノズルヘッドを軽量化することができるため、ノズルヘッド軽量化の観点からもシリコーン、ゴムが好ましい。一方、ローラーを冷却する場合、熱伝導度が高い材質の方が冷却効率に優れるため、ローラーの冷却効率の観点では金属が好ましい。なお、円周面を粗くすることで円周部の摩擦を高めることができ、フィラメントを好適に搬送できるため、円周面が粗いローラーは、本発明の好ましい態様である。

市販されている円柱状のフィラメントの径の中心値の規格は１．７５ｍｍ又は２．８５ｍｍが主流である。そのため、特に限定されないが、フィラメントの径Ｄの中心値の規格が１．７５ｍｍの場合、フィラメントが貫通可能な空間Ｓの径の範囲の下限としては、１．８ｍｍが好ましく、１．９ｍｍがより好ましく、２．０ｍｍがさらに好ましい。また、フィラメントが貫通可能な空間Ｓの径の範囲の上限としては２．３ｍｍが好ましく、２．２ｍｍがより好ましく、２．１ｍｍがさらに好ましい。また、フィラメントの径Ｄの中心値の規格が２．８５ｍｍの場合、フィラメントが貫通可能な空間Ｓの径の範囲の下限としては、３．０ｍｍが好ましく、３．１ｍｍがより好ましく、３．２ｍｍがさらに好ましい。また、フィラメントが貫通可能な空間Ｓの径の範囲の上限としては３．５ｍｍが好ましく、３．４ｍｍがより好ましく、３．３ｍｍがさらに好ましい。上記の値はフィラメントの径Ｄの中心値が１．７５ｍｍ又は２．８５ｍｍの場合の好適な範囲であり、使用するフィラメントの径Ｄに応じて、フィラメント径の中心値よりもやや大きな径を適宜選択することが好ましい。なお、フィラメントが貫通可能な空間Ｓの径として最も好ましいのは、使用するフィラメントの径Ｄの最大値である。

上記複数のローラーの回転軸は、上記空間Ｓの長手方向に平行に整列して配置されることが好ましい。図６は、ローラーの回転軸１０４ｅが空間Ｓ（２００）の長手方向の平行線２０３上において平行に整列して配置されていることを示す図である。図６のようにローラーの回転軸１０４ｅが空間Ｓ（２００）の長手方向の平行線２０３上において平行に配置されることで、フィラメントが空間Ｓから逸脱することを空間Ｓの長手方向に亘って連続的に防ぐことができる。

空間Ｓの長手方向の平行線上における各ローラーの円周面間の間隔（最短距離）は、フィラメントが空間Ｓから逸脱することを防ぐ観点から、３．０ｍｍ以下が好ましく、１．０ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以下がさらに好ましく、０．１ｍｍ以下が最も好ましい。一方、各ローラーの円周面間の間隔が０．０ｍｍの場合、ローラーが回転する際に互いに干渉してしまうため、空間Ｓの長手方向の平行線上における各ローラーの円周面間の間隔は０．０ｍｍより大きいことが好ましい。

また、フィラメントが空間Ｓから逸脱することを防ぐ観点から、ローラーは上記間隔で、フィラメントを搬送する機構であるフィーダーからヒーターまで配置されることが好ましい。一方でノズルヘッド軽量化の観点から、上記空間Ｓの長手方向の平行線上に整列して配置されるローラーの数はできるだけ少ない方が好ましい。具体的には１００個以下が好ましく、３０個以下がより好ましく、１０個以下がさらに好ましい。ノズルヘッドを軽量化することで、造形時のＸＹ方向への移動精度が向上し、造形物の精度向上が期待できる。なお、ノズルヘッドとは造形時にＸＹ方向に移動する部品の集合体を指し、ヒーターやノズルなどが含まれる。

上記ローラーの回転軸は、上記空間Ｓの径方向において平行に対向して配置されることが好ましい。図７は、回転軸１０４ｅが空間Ｓ（２００）の径方向の平行線２０２上において平行に対向していることを示す図である。図７のようにローラーの回転軸１０４ｅが空間Ｓ（２００）の径方向の平行線２０２上において平行に対向して配置されることで、フィラメントが空間Ｓから逸脱することをより確実に防ぐことができる。さらには、図８に示すようにローラーの回転軸１０４ｅが空間Ｓ（２００）の長手方向の平行線２０３上において平行に整列して配置され、かつ、空間Ｓ（２００）の径方向の平行線２０２上において平行に対向している形態が、フィラメントが空間Ｓから逸脱することをより確実に防ぐ観点から最も好ましい。

また上記ローラーは、上記空間Ｓに当接するように配置されることが好ましい。なお、当接とは、ローラーの円周面１０４ａの一部が空間Ｓ（２００）と接していることを意味する。

ローラーは空間Ｓの同一径方向において、複数配置されていても構わない。空間Ｓの同一径方向において配置されるローラーの数は、ノズルヘッドの軽量化及びフィラメントが空間Ｓから逸脱しないという観点から５個以下が好ましく、４個以下がより好ましく、３個以下がさらに好ましく、２個が最も好ましい。

上記ローラーの最大径は、ノズルヘッドの軽量化、回転抵抗の低減、及びフィラメントが空間Ｓから逸脱しないという観点から５０ｍｍ以下が好ましく、３０ｍｍ以下がより好ましく、１０ｍｍ以下がさらに好ましく、５ｍｍ以下が最も好ましい。

上記空間Ｓの径Ｄに対する、上記ローラーの円周面の最大幅の比率は、ノズルヘッドの軽量化及びフィラメントが空間Ｓから逸脱することをより確実に防ぐ観点から７０～３００％が好ましく、１００～２００％がより好ましく、１２０～１５０％がさらに好ましい。また、フィラメントが空間Ｓから逸脱することをさらに確実に防ぐ観点から、その円周面の円周方向に連続的に溝が形成された、溝付きのローラーであることが好ましい。図９は溝付きローラーの例を示している。図１０は複数の溝付きローラーの溝によって形成される空間の例である。図１０－Ａ～Ｄは、２個の溝付きローラーの回転軸を、上記空間Ｓの径方向において平行に対向させて配置した状態であり、図１０－Ｅは、４個の溝付きローラーを二組に分け、各組の溝付きローラーの回転軸を、上記空間Ｓの径方向においてそれぞれ平行に対向させて配置した状態である。図９、１０に記載されている形状に限らず、フィラメントを空間Ｓから逸脱させないという目的を達成するためであれば、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択できる。

上記空間Ｓの長手方向における、上記ローラーと、上記ヒーターとの最近接距離は、フィラメントの座屈を抑制する観点から、１～５０ｍｍであることが好ましく、１～３０ｍｍであることがより好ましく、１～１０ｍｍであることがさらに好ましい。

図１１－Ａは熱溶解積層方式３Ｄプリンターのホットエンドの構造を示した図である。搬送されたフィラメント１００がヒートブロック１０６で加熱溶融され、ノズル１０３から押し出され、これを堆積していくことで３次元造形物が造形される。このとき、ヒートブロック１０６で発生した熱により、上流のフィラメントが加熱され、軟化し座屈することを防ぐ目的で、ヒートシンク１０７が配置され、ヒートシンク１０７を送風により冷却することがある。一方、図１１－Ｂはヒートシンク部分がなく、ヒーターとノズルからホットエンドが構成される、本発明の一例を示した図である。この場合、ヒートシンクを含む図１１－Ａのような構成と比較して、送風により直接フィラメントを冷却することができるため冷却効率が向上し、ヒートブロック１０６より上流でフィラメントが溶融してしまうことをより効率よく防ぐことが可能となる。さらに、ノズルヘッドの軽量化の観点からも、図１１－Ｂの構成は本発明の好ましい態様である。

本発明の構成からすればフィラメントをガラス転移温度以下まで冷却するまでもないが、フィラメントの座屈を確実に抑制するためにフィラメントをガラス転移温度以下まで冷却する冷却機構を備えていてもかまわない。
例えばそのような冷却機構として、上記空間Ｓを冷却する、クーラーを備えていてもよい。クーラーとしては、送風ファン、ペルチェ素子、冷媒を流すための冷却管などが挙げられる。冷却温度は任意に設定できるが、使用するフィラメントのガラス転移温度以下まで冷却する方が、フィラメントの座屈を確実に抑制することができる。空間Ｓを効率的に冷却するために、空間Ｓを覆う冷却庫を備えていてもよい。

あるいは、上記複数のローラーを冷却する、クーラーを備えていてもよい。図１２は上記複数のローラーを冷却する、クーラー１０９を備えた３Ｄプリンターの例である。クーラーとしては、送風ファン、ペルチェ素子、冷媒を流すための冷却管などが挙げられる。冷却温度は任意に設定できるが、使用するフィラメントのガラス転移温度以下まで冷却する方が、フィラメントの座屈を確実に抑制することができる。

１００ フィラメント
１０１ ガイドチューブ
１０２ ヒーター
１０３ ノズル
１０４ ローラー
１０４ａ ローラーの円周面
１０４ｂ ローラーの径方向
１０４ｃ ローラーの径方向に対し垂直な方向
１０４ｄ ローラーの正面
１０４ｅ ローラーの回転軸
１０５ 加熱機構
１０６ ヒートブロック
１０７ ヒートシンク
１０８ 複数の溝付きローラーの溝により形成される空間
１０９ クーラー
２００ 空間Ｓ
２０１ 空間Ｓの軸
２０２ 空間Ｓの径方向の平行線
２０３ 空間Ｓの長手方向の平行線

Claims (11)

1. 長さＬ＞径Ｄの関係を満たす円柱状のフィラメントが貫通可能な、円筒状の空間Ｓと、
   フィラメントを加熱する、ヒーターと、
   フィラメントを吐出する、ノズルと、
   複数の円形のローラーと、を備え、
   前記ノズルは、前記空間Ｓの軸の延長線上に位置するように、前記空間Ｓの一端側に配置され、
   前記ヒーターは、前記空間Ｓの軸の延長線上に位置するように、前記空間Ｓと、前記ノズルとの間に配置され、
   前記複数のローラーは、その円周面が前記空間Ｓに対向するように、前記空間Ｓの周囲に配置され、その径方向に対し垂直な方向と、前記空間Ｓの径方向とが一致する方向を回転軸として回転する、３Ｄプリンター。
2. 前記複数のローラーの回転軸が、前記空間Ｓの長手方向に平行に整列して配置される、請求項１記載の３Ｄプリンター。
3. 前記複数のローラーの回転軸が、前記空間Ｓの径方向において平行に対向して配置される、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
4. 前記ローラーが、前記空間Ｓに当接するように配置される、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
5. 前記ローラーの最大径が、５０ｍｍ以下である、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
6. 前記空間Ｓの径Ｄに対する、前記ローラーの円周面の最大幅の比率が、７０～３００％である、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
7. 前記空間Ｓの長手方向における、前記ローラーと前記ヒーターとの最近接距離が、１～５０ｍｍである、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
8. 前記ローラーの円周部の材質が、シリコーン、ゴム若しくは金属、又はそれらの組み合わせである、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
9. 前記空間Ｓを冷却する、クーラーを備える、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
10. 前記複数のローラーを冷却する、クーラーを備える、請求項１又は２記載の３Ｄプリンター。
11. 請求項１又は２に記載の３Ｄプリンターを用いた、３次元造形方法。
    

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