JP5920859B2 - 三次元プリンター - Google Patents
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Description
本発明は、三次元プリンター、特に熱溶融積層法により三次元造形物を製造する三次元プリンター（３Ｄプリンター）の材料押出部の構造に関するものである。
これまでに、溶融積層造形法により三次元造形物を製造する方法としては、例えば下記の特許文献１に、微小なシリンジとこれに対向する造形用ステージの移動を三次元構造物の形状データに基づいて制御しつつ、シリンジノズルから生分解性樹脂の細線状の熱溶融物を吐出させる工程を反復して、微小な医療用三次元構造物を形成する製造方法が開示されている。
又、下記の特許文献２には、フィラメント状材料が不要な三次元構造体の形成方法として、気体加圧ディスペンサを用いて、加熱融解された融解高分子材料がノズルから押し出され、この時のノズルの吐出位置を制御する方法が開示されている。
又、下記の特許文献２には、フィラメント状材料が不要な三次元構造体の形成方法として、気体加圧ディスペンサを用いて、加熱融解された融解高分子材料がノズルから押し出され、この時のノズルの吐出位置を制御する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１記載の方法の場合には、シリンジ内に収容される樹脂の体積が小さいために、大きな造形物を製造することができないという問題点があり、又、特許文献２の方法の場合には、熱分解による酸化物の生成を抑制するために、高分子材料に対して不活性なガスとして窒素や二酸化炭素を準備する必要があり、しかも、溶融樹脂の押し出しが気体加圧によって行われるために樹脂の吐出を制御することが難しく、ノズル先端からの樹脂タレが生じやすいという問題点があった。
更に、最近広く使用されるようになってきた三次元プリンターによる三次元造形物の製造においては、積層する材料として、フィラメント状で提供されるＰＬＡ（ポリ乳酸）やＡＢＳ（アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン）のフィラメントが使用され、このフィラメントを送りモータで加圧し、加熱されたブロックを経由し、ノズルの先端から押し出して造形物を形成している。しかし、このようなフィラメントを用いる従来の三次元プリンターの場合には、フィラメントの送り出し速度の制御が容易ではなく、フィラメントの詰まりが発生しやすく、ノズルが詰まることによって成形工程が止まるという問題点や、フィラメントに適した材質が限定され、市販されている種々の材質のペレット（粒状材料）を使用することができないという問題点があった。
本発明は、上述の従来技術における問題点を解決し、各種材質のペレットが使用でき、不活性ガスを必要とせず、大型の造形物を製造することが可能な三次元プリンターを提供することを課題とする。
本発明者は種々検討を行った結果、三次元プリンターにおける溶融樹脂押出部を、シリンダー内部にスクリューが配置された小型の押出機（押出装置）とし、この押出機に、粒状の樹脂材料を供給可能なホッパーを取り付け、スクリューモーターによってスクリューの回転を制御すると共に、スクリューの先端側に設けたギヤポンプをギヤポンプモーターによって制御することで、ノズル先端から吐出される溶融樹脂の量が調節可能であり、ノズル先端からの樹脂タレを防止することもでき、材質が限られたフィラメントを使用しなくても市販の幅広い材質のペレットを使用することが可能で、大型の造形物の製造にも適することを見出して、本発明を完成した。
前記の課題を解決可能な本発明の三次元プリンターは、
シリンダーと、スクリューと、ギヤポンプと、ノズルを有する押出装置で、前記シリンダーに設けられたヒーターによって当該シリンダーの内部に供給された樹脂材料が加熱溶融され、前記シリンダー内部に配置された前記スクリューの回転がスクリューモーターにより制御され、前記スクリューの先端側に前記ギヤポンプが配置されており、当該ギヤポンプはギヤポンプモーターにより回転が制御され、前記スクリューの回転及び前記ギヤポンプの回転を制御することにより前記ノズルの先端から吐出される溶融樹脂の量が調節可能であるものと、
前記押出装置のノズルに対向して位置するテーブル装置と、
前記押出装置における前記ノズルからの樹脂の吐出を制御し、かつ、前記押出装置及び／又は前記テーブル装置の、基準面に対するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向への移動を制御する制御装置
を具備し、前記押出装置及び／又は前記テーブル装置が、前記制御装置によってＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に位置制御され移動する構造を有することを特徴とする。
シリンダーと、スクリューと、ギヤポンプと、ノズルを有する押出装置で、前記シリンダーに設けられたヒーターによって当該シリンダーの内部に供給された樹脂材料が加熱溶融され、前記シリンダー内部に配置された前記スクリューの回転がスクリューモーターにより制御され、前記スクリューの先端側に前記ギヤポンプが配置されており、当該ギヤポンプはギヤポンプモーターにより回転が制御され、前記スクリューの回転及び前記ギヤポンプの回転を制御することにより前記ノズルの先端から吐出される溶融樹脂の量が調節可能であるものと、
前記押出装置のノズルに対向して位置するテーブル装置と、
前記押出装置における前記ノズルからの樹脂の吐出を制御し、かつ、前記押出装置及び／又は前記テーブル装置の、基準面に対するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向への移動を制御する制御装置
を具備し、前記押出装置及び／又は前記テーブル装置が、前記制御装置によってＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に位置制御され移動する構造を有することを特徴とする。
又、本発明は、上記の特徴を有した三次元プリンターにおいて、前記スクリューの先端側に、当該スクリューの先端位置における樹脂圧力を測定するための第１圧力計が設けられており、前記ギヤポンプの吐出側に、ノズル内部の樹脂圧力を測定するための第２圧力計が設けられており、前記第１及び第２圧力計で測定された樹脂圧力に基づいて、前記ノズルからの樹脂の吐出が前記制御装置によって制御されることを特徴とするものでもある。
又、本発明は、上記特徴を有した三次元プリンターにおいて、前記ノズルに、前記ノズル内部の圧力を制御するための圧力制御装置が設けられており、前記ノズルの内部空間の容積が前記圧力制御装置によって変化可能であることを特徴とするものであり、このような圧力制御装置が設けられた三次元プリンターの場合には、粘度を有する樹脂のノズル先端における制御応答が早くなり、瞬時にノズル内部の圧力を減圧又は加圧することができる。
又、本発明は、上記特徴を有した三次元プリンターにおいて、前記圧力制御装置が、前記ノズルの軸方向に対して垂直な方向に前後動可能なピストン部材を含み、当該ピストン部材の移動が前記圧力制御装置によって制御されることにより前記ノズルの内部空間の容積が変化することを特徴とするものでもある。
更に本発明は、上記の特徴を有した三次元プリンターにおいて、前記押出装置が、前記制御装置によってＸ軸及びＹ軸方向への移動が制御されるＸＹ位置決め装置に取り付けられており、前記テーブル装置が、前記制御装置によってＺ軸方向への移動が制御されるＺテーブル装置であることを特徴とするものでもある。
本発明によれば、スクリューの先端側に配置されたギヤポンプによって、ノズルからの樹脂の吐出が制御され、吐出量を正確にコントロールすることができ、樹脂を積層することによって家や船などの大きな造形物を作ることができる。又、本発明の三次元プリンターの場合には、フィラメント状材料を用いる必要がなく、市販の各種樹脂ペレットが使用でき、材質を問わなくなるので、溶融積層の三次元プリンターの用途も広がる。
図１に示されるように、本発明の三次元プリンターは、ペレットを加熱溶融して溶融樹脂をノズルの先端側に送り、ノズル先端から吐出される溶融樹脂の量を制御するための機構を有した押出装置Ａと、押出装置Ａのノズルに対向して位置するテーブル装置Ｂと、押出装置Ａのノズルから吐出される溶融樹脂の量を制御し、かつ、押出装置Ａ及び／又はテーブル装置Ｂの、基準面に対するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三方向への移動を制御する制御装置Ｃを具備する。
この際、本発明では、押出装置Ａとテーブル装置Ｂのいずれか一方が、基準面に対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向へ位置制御されて移動し、他方の装置の位置が固定された構造であっても良いが、図１に示されるようにして、押出装置Ａが、基準面に対してＸ軸及びＹ軸方向へ位置制御されて移動し、テーブル装置Ｂが、基準面に対してＺ軸方向へ位置制御されて移動する構造であっても良い。図１に示される構成を有した本発明の三次元プリンターは、上記の押出装置Ａを市販のＸＹ位置決め装置に取り付けて、制御装置Ｃにより位置制御可能とし、押出装置Ａのノズルに対向する位置に市販のＺテーブル装置を配置し、制御装置Ｃによって位置制御可能とすることにより製造できる。
この際、本発明では、押出装置Ａとテーブル装置Ｂのいずれか一方が、基準面に対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向へ位置制御されて移動し、他方の装置の位置が固定された構造であっても良いが、図１に示されるようにして、押出装置Ａが、基準面に対してＸ軸及びＹ軸方向へ位置制御されて移動し、テーブル装置Ｂが、基準面に対してＺ軸方向へ位置制御されて移動する構造であっても良い。図１に示される構成を有した本発明の三次元プリンターは、上記の押出装置Ａを市販のＸＹ位置決め装置に取り付けて、制御装置Ｃにより位置制御可能とし、押出装置Ａのノズルに対向する位置に市販のＺテーブル装置を配置し、制御装置Ｃによって位置制御可能とすることにより製造できる。
図２は、本発明の三次元プリンターにおける押出装置Ａの内部構造を示す断面図であり、押出装置Ａは、テーブル装置に対して垂直に配置されるシリンダー１の下端側にノズル２を有し、シリンダー１の内部には、スクリューモーター３により回転が制御され、ペレットを溶融してノズル側に供給するためのスクリュー４が配置されている。そして、スクリュー４の先端側にはギヤポンプ６が配置されており、シリンダー１の周壁面には、シリンダー内部を加熱するためのヒーター７が設けられており、シリンダー１の上方側には、シリンダー内部に樹脂材料を供給するためのホッパー８が設けられている。
尚、図１に例示した押出装置Ａにおいて、符号１１は、ノズル部での溶融樹脂の温度を一定に保つためのノズルヒーターであり、符号１２は、ギヤポンプ部での溶融樹脂の温度を一定に保つためのギヤポンプヒーターである。
尚、図１に例示した押出装置Ａにおいて、符号１１は、ノズル部での溶融樹脂の温度を一定に保つためのノズルヒーターであり、符号１２は、ギヤポンプ部での溶融樹脂の温度を一定に保つためのギヤポンプヒーターである。
上記の構造を有した押出装置Ａには、図２に示されるようにして、スクリュー４の先端側に、当該スクリューの先端位置における樹脂圧力を測定するための第１圧力計９が設けられ、しかも、ギヤポンプ６の吐出側に、ノズル内部における樹脂圧力を測定するための第２圧力計１０が設けられていることが好ましく、この場合には、第１圧力計９及び第２圧力計１０で測定された圧力の値に基づいて制御装置Ｃが、ノズル先端から溶融樹脂が安定して吐出するように、押出装置Ａのスクリューモーター３、ギヤポンプモーター５、ヒーター（シリンダーヒーター）７、ノズルヒーター１１、ギヤポンプヒーター１２をそれぞれ制御するように構成される。
本発明では、押出装置Ａのホッパー８内に入れられたペレットが連続的にシリンダー１内に供給され、回転するスクリュー４によって、加熱されたシリンダー１の内部をノズル２側へ移動しながら溶融・混練され、スクリュー４の先端側に配置されたギヤポンプ６に供給される。そして、このギヤポンプ６は、ギヤポンプモーター５によってギヤの回転が制御され、ノズルの先端から溶融樹脂が定量で吐出されるようになっており、溶融樹脂がギヤポンプ６により送出される構造であるためにノズルの目詰まりが生じにくい。このようなギヤポンプ６としては、押出成形機用の市販品を利用することができる。
尚、本発明では、溶融樹脂の吐出を止める際、スクリュー４とギヤポンプ６を一定量逆回転させ、ノズル内部の圧力を開放することで、ノズル２の先端から樹脂タレが発生するのを有効に防止できる。又、樹脂タレが顕著な粘度の低い材料を使用する場合、図３に示されるような、圧力制御装置１３をノズル２に設けることによってノズルの内部空間の容積を瞬時増加させることによりノズル内部の圧力を開放することで粘度の低い樹脂タレでも有効に防止できる。
この圧力制御装置１３としては、その内部にピストン部材１４（図３において点線で示されている）が設けられたものが好ましく、このピストン部材１４は圧力制御装置１３により位置制御されて１軸方向（ノズルの軸方向に対して垂直な方向）に前後動できるようになっており、常時はピストン部材１４のノズル側の先端面がノズルの内部壁面と一致した位置（図３参照）にあるが、ノズル内部の圧力を減圧する際にはピストン部材１４がノズル内部空間の容積増加方向（図３の右側方向）に移動する。逆に、ノズル内部の圧力を増圧する際にはピストン部材１４がノズル内部側の方向（図３の左側方向）に押し出され、ノズル内部空間の容積は減少する。このピストン部材１４を駆動するアクチュエーターは空圧であっても電動であっても良いが、ノズル内容積を正確に制御するためには電動アクチュエーターが望ましい。
尚、本発明では、溶融樹脂の吐出を止める際、スクリュー４とギヤポンプ６を一定量逆回転させ、ノズル内部の圧力を開放することで、ノズル２の先端から樹脂タレが発生するのを有効に防止できる。又、樹脂タレが顕著な粘度の低い材料を使用する場合、図３に示されるような、圧力制御装置１３をノズル２に設けることによってノズルの内部空間の容積を瞬時増加させることによりノズル内部の圧力を開放することで粘度の低い樹脂タレでも有効に防止できる。
この圧力制御装置１３としては、その内部にピストン部材１４（図３において点線で示されている）が設けられたものが好ましく、このピストン部材１４は圧力制御装置１３により位置制御されて１軸方向（ノズルの軸方向に対して垂直な方向）に前後動できるようになっており、常時はピストン部材１４のノズル側の先端面がノズルの内部壁面と一致した位置（図３参照）にあるが、ノズル内部の圧力を減圧する際にはピストン部材１４がノズル内部空間の容積増加方向（図３の右側方向）に移動する。逆に、ノズル内部の圧力を増圧する際にはピストン部材１４がノズル内部側の方向（図３の左側方向）に押し出され、ノズル内部空間の容積は減少する。このピストン部材１４を駆動するアクチュエーターは空圧であっても電動であっても良いが、ノズル内容積を正確に制御するためには電動アクチュエーターが望ましい。
本発明の三次元プリンターを用いて造形物を製造するのに使用されるペレット状の樹脂材料は特に限定されるものではなく、例えばポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の市販のペレットが使用できる。
本発明の三次元プリンターにおける押出装置Ａの大きさ（ホッパーの容量、スクリュー長、スクリュー径、ギヤポンプの単位吐出量、ノズル径等）は、製造する造形物の大きさに応じて適宜選択され、特に限定されない。
〔本発明の三次元プリンターの製造例１〕
Z軸テーブル装置としては、アルミニウム製でカートリッジヒーターと熱電対を内蔵し、温度制御可能で、ボールねじ（THK社製）φ20リード5によってテーブルが昇降可能な構造なものを作製した。この際、テーブルサイズは1000mm角とし、又、昇降範囲は1000mmとした。一方、押出装置を取り付けるためのXYモーションユニットを、リニヤガイド（THK製）とボールねじ（THK製）により組み立て、X軸‐Y軸方向への移動距離は1000mm角とした。この際、XYZ軸方向への押出装置の移動を行うための駆動モーターとしては、いずれも安川電機製のサーボモーターを使用し、Z軸方向のみブレーキ付き仕様とした。そして、上記駆動モーターが制御装置によって制御されることで、押出装置のXYZ軸上における位置が制御されるようにした。
押出装置としては、φ20mmのスクリューL/D20、吐出量5kg/h(100rpm時)を内蔵し、下端部にノズルが設けられ、上部側にホッパーが設けられたシリンダーを使用し、スクリューの駆動にはギヤードのブラシレスモーターを使用した。シリンダー部加熱用のシリンダーヒーターとしては、500Wのバンドヒーターを二機使用した。又、ギヤポンプとしては、モジュールピッチ1歯数20のギヤポンプを使用し、ギヤポンプの駆動には、ギヤードのステッピングモーターを使用した。ノズル穴の直径は1.0mmとし、樹脂圧力を測定するための第１及び第２圧力計には、定格20MPaの理化工業製の圧力計を用いた。そして、この押出装置を、上記XYモーションユニットに取り付け、上記制御装置によってノズルからの樹脂の吐出が制御されるようにして、図２に示される内部構造を有した本発明の三次元プリンターを製造した。
Z軸テーブル装置としては、アルミニウム製でカートリッジヒーターと熱電対を内蔵し、温度制御可能で、ボールねじ（THK社製）φ20リード5によってテーブルが昇降可能な構造なものを作製した。この際、テーブルサイズは1000mm角とし、又、昇降範囲は1000mmとした。一方、押出装置を取り付けるためのXYモーションユニットを、リニヤガイド（THK製）とボールねじ（THK製）により組み立て、X軸‐Y軸方向への移動距離は1000mm角とした。この際、XYZ軸方向への押出装置の移動を行うための駆動モーターとしては、いずれも安川電機製のサーボモーターを使用し、Z軸方向のみブレーキ付き仕様とした。そして、上記駆動モーターが制御装置によって制御されることで、押出装置のXYZ軸上における位置が制御されるようにした。
押出装置としては、φ20mmのスクリューL/D20、吐出量5kg/h(100rpm時)を内蔵し、下端部にノズルが設けられ、上部側にホッパーが設けられたシリンダーを使用し、スクリューの駆動にはギヤードのブラシレスモーターを使用した。シリンダー部加熱用のシリンダーヒーターとしては、500Wのバンドヒーターを二機使用した。又、ギヤポンプとしては、モジュールピッチ1歯数20のギヤポンプを使用し、ギヤポンプの駆動には、ギヤードのステッピングモーターを使用した。ノズル穴の直径は1.0mmとし、樹脂圧力を測定するための第１及び第２圧力計には、定格20MPaの理化工業製の圧力計を用いた。そして、この押出装置を、上記XYモーションユニットに取り付け、上記制御装置によってノズルからの樹脂の吐出が制御されるようにして、図２に示される内部構造を有した本発明の三次元プリンターを製造した。
〔本発明の三次元プリンターを用いた造形物の作製例１〕
ペレット材料としてABS(東レトヨラックグレード600、粒径3mm)を準備し、このペレット材料を小型のオートローダーによりホッパーに供給した。
上記で作製した本発明の三次元プリンターを用いて上記ペレット材料を押し出す際のシリンダー温度は230℃とし、ギヤポンプ及びノズル温度は240℃とした。
造形物は、人体の上半身部分を模した等身大モデルとし、これを作製するためのデータを制御装置に入力した。本発明の三次元プリンターを用いて、当該造形物を作製する際には、制御装置により、樹脂吐出時の第１圧力計（図２の符号９)の値が2MPaを指示するように制御し、かつ、樹脂ダレ防止の動作をする際には第２圧力計（図２の符号１０)の値が0.2MPa以下となるように、スクリュー及びギヤポンプを逆回転制御した。
溶融樹脂の積層ピッチは0.8mmとし、造形スピードは最初のレイヤのみ40mm/sで成形し、二層目以降は120mm/sで成形が行われるように設定した。
上記の条件で、室温23℃、湿度40%の環境下にて、三次元プリンターを用いた造形物の作製を開始したところ、造形時間110時間で、人体の上半身部分を模した等身大モデルを精度よく造形することができた。
ペレット材料としてABS(東レトヨラックグレード600、粒径3mm)を準備し、このペレット材料を小型のオートローダーによりホッパーに供給した。
上記で作製した本発明の三次元プリンターを用いて上記ペレット材料を押し出す際のシリンダー温度は230℃とし、ギヤポンプ及びノズル温度は240℃とした。
造形物は、人体の上半身部分を模した等身大モデルとし、これを作製するためのデータを制御装置に入力した。本発明の三次元プリンターを用いて、当該造形物を作製する際には、制御装置により、樹脂吐出時の第１圧力計（図２の符号９)の値が2MPaを指示するように制御し、かつ、樹脂ダレ防止の動作をする際には第２圧力計（図２の符号１０)の値が0.2MPa以下となるように、スクリュー及びギヤポンプを逆回転制御した。
溶融樹脂の積層ピッチは0.8mmとし、造形スピードは最初のレイヤのみ40mm/sで成形し、二層目以降は120mm/sで成形が行われるように設定した。
上記の条件で、室温23℃、湿度40%の環境下にて、三次元プリンターを用いた造形物の作製を開始したところ、造形時間110時間で、人体の上半身部分を模した等身大モデルを精度よく造形することができた。
〔本発明の三次元プリンターの製造例２〕
Ｚ軸テーブル装置としては、表面をブラスト処理したアルミニウム製でカートリッジヒーター（総容量５ｋｗ）と熱電対を内蔵し、温度調整器（オムロン製）でＰＩＤ制御可能で、駆動の為のボールねじ（ＴＨＫ社製）φ２５ｍｍリード５ｍｍを２本使用しタイミングプーリーとタイミングベルトで同期するように接続した。摺動にはリニヤブッシュ（ＴＨＫ社製）とリニヤシャフトφ３０ｍｍを４本使用してテーブルが昇降可能な構造を作製した。この際、テーブルサイズはＸ方向１２００ｍｍＹ方向１２００ｍｍとし、又、Ｚ軸方向昇降範囲は１０００ｍｍとした。一方、押出装置を取り付けるためのＸＹガントリーユニットを、リニヤガイド（ＴＨＫ社製）と与圧ありボールねじ（ＴＨＫ社製）φ２０ｍｍリード１０ｍｍにより組み立て、Ｘ軸方向の移動距離１０００ｍｍ、Ｙ軸方向の移動距離１０００ｍｍとした。この際、ＸＹＺ軸方向への押出装置の移動を行うための駆動モーターとしては、いずれも三菱電機製のサーボモーター（１ｋｗ）を使用し、Ｚ軸方向のみブレーキ付き仕様とした。
Ｚ軸テーブル装置としては、表面をブラスト処理したアルミニウム製でカートリッジヒーター（総容量５ｋｗ）と熱電対を内蔵し、温度調整器（オムロン製）でＰＩＤ制御可能で、駆動の為のボールねじ（ＴＨＫ社製）φ２５ｍｍリード５ｍｍを２本使用しタイミングプーリーとタイミングベルトで同期するように接続した。摺動にはリニヤブッシュ（ＴＨＫ社製）とリニヤシャフトφ３０ｍｍを４本使用してテーブルが昇降可能な構造を作製した。この際、テーブルサイズはＸ方向１２００ｍｍＹ方向１２００ｍｍとし、又、Ｚ軸方向昇降範囲は１０００ｍｍとした。一方、押出装置を取り付けるためのＸＹガントリーユニットを、リニヤガイド（ＴＨＫ社製）と与圧ありボールねじ（ＴＨＫ社製）φ２０ｍｍリード１０ｍｍにより組み立て、Ｘ軸方向の移動距離１０００ｍｍ、Ｙ軸方向の移動距離１０００ｍｍとした。この際、ＸＹＺ軸方向への押出装置の移動を行うための駆動モーターとしては、いずれも三菱電機製のサーボモーター（１ｋｗ）を使用し、Ｚ軸方向のみブレーキ付き仕様とした。
サーボモーターのドライブアンプの分解能を１万パルス／回転に設定し理論最小分解能をＺ軸は１パルスあたり０．５マイクロメートル、ＸＹ軸は１パルスあたり１マイクロメートルとした。そして、上記サーボモータードライブアンプが制御装置によって制御されることで、押出装置のＸＹＺ軸上における位置が制御されるようにした。
押出装置としては、φ２０ｍｍのフルフライトスクリューＬ／Ｄ２０を内蔵し、下端部にノズルが設けられ、上部側にホッパーが設けられたシリンダーを使用し、スクリューの駆動には減速機付ブラシレスモーターを使用した。シリンダー部加熱用のシリンダーヒーターとしては、５００ｗのバンドヒーターを二機使用し、ホッパー側とギヤポンプ側の２ゾーンに分け、熱電対と温度調整器で制御可能とした。又、ギヤポンプとしては、ギヤとハウジング共に高速度鋼製でモジュールピッチ１歯数２０のギヤポンプを使用し、ギヤポンプの駆動には、１／５減速機付ステッピングモーターを使用した。ステッピングモータードライバのマイクロステップ設定を１／１６に設定し１パルスあたり０．０３度以下の割出角で吐出量を制御できるようにした。ノズル穴の直径は１．０ｍｍとし、樹脂圧力を測定するための第１及び第２圧力計には、定格２０ＭＰａの圧力計(理化工業社製)を用いた。ギヤポンプには３００Ｗのヒーター、ノズルには１５０Ｗのヒーターを使用し、夫々熱電対と温度調整器で制御可能とした。
そして、この押出装置を、上記ＸＹガントリーユニットに取り付け、上記制御装置によってノズルからの樹脂の吐出が制御されるようにして、図３に示される内部構造を有した本発明の三次元プリンターを製造した。
押出装置としては、φ２０ｍｍのフルフライトスクリューＬ／Ｄ２０を内蔵し、下端部にノズルが設けられ、上部側にホッパーが設けられたシリンダーを使用し、スクリューの駆動には減速機付ブラシレスモーターを使用した。シリンダー部加熱用のシリンダーヒーターとしては、５００ｗのバンドヒーターを二機使用し、ホッパー側とギヤポンプ側の２ゾーンに分け、熱電対と温度調整器で制御可能とした。又、ギヤポンプとしては、ギヤとハウジング共に高速度鋼製でモジュールピッチ１歯数２０のギヤポンプを使用し、ギヤポンプの駆動には、１／５減速機付ステッピングモーターを使用した。ステッピングモータードライバのマイクロステップ設定を１／１６に設定し１パルスあたり０．０３度以下の割出角で吐出量を制御できるようにした。ノズル穴の直径は１．０ｍｍとし、樹脂圧力を測定するための第１及び第２圧力計には、定格２０ＭＰａの圧力計(理化工業社製)を用いた。ギヤポンプには３００Ｗのヒーター、ノズルには１５０Ｗのヒーターを使用し、夫々熱電対と温度調整器で制御可能とした。
そして、この押出装置を、上記ＸＹガントリーユニットに取り付け、上記制御装置によってノズルからの樹脂の吐出が制御されるようにして、図３に示される内部構造を有した本発明の三次元プリンターを製造した。
〔本発明の三次元プリンターを用いた造形物の作製例２〕
ペレット材料としてポリ乳酸(NatureWorks Ingeo、粒径約３ｍｍ)を準備し、このペレット材料を小型のオートローダーによりホッパーに供給した。
上記で作製した本発明の三次元プリンターを用いて上記ペレット材料を押し出す際のシリンダー温度は２２０℃とし、ギヤポンプ及びノズル温度は２１５℃とした。
Ｚ軸座標ゼロのノズル先端とＺ軸テーブル装置の距離がＸＹ軸可動範囲１０００ｍｍ角の全域で０．２ｍｍから０．４ｍｍの範囲に収まるようにテーブルを調整した。
造形物は、人体の上半身部分を模した等身大モデルとし、これを作製するためのデータを制御装置に入力した。本発明の三次元プリンターを用いて、当該造形物を作製する際には、制御装置により、樹脂吐出時の第１圧力計（図３の符号９)の値が２ＭＰａを指示するように制御した。造形中にノズル（図３の符号２）からの吐出を止め、樹脂ダレ防止の動作をする際にはスクリュー（図３の符号４）のスピードは１８０ｒｐｍ、回転角３６０度で逆回転、かつギヤポンプ（図３の符号６）のスピードは１２０ｒｐｍ、回転角１８０度で逆回転、かつ樹脂圧力制御装置（図３の符号１３）の軸移動スピード３００ｍｍ／秒で減圧方向に１０ｍｍ移動するよう制御した。又、ノズルからの吐出を再開する際にはスクリュー（図３の符号４）のスピードは１８０ｒｐｍ、回転角３６０度で正回転、かつギヤポンプ（図３の符号６）のスピードは１２０ｒｐｍ、回転角１８０度で正回転、かつ樹脂圧力制御装置（図３の符号１３）の内部に設けられたピストン部材（図３の符号１４）の軸移動スピード３００ｍｍ／秒で増圧方向に１０ｍｍ移動するよう制御した。
溶融樹脂の積層ピッチは０．６ｍｍとし、造形スピードは最初のレイヤのみ４０ｍｍ／秒で造形し、二層目以降の内部充填は１２０ｍｍ／秒で層の外周部は６０ｍｍ／秒で造形が行われるように設定した。内部充填率は１０％とした。
上記の条件で、室温23℃、湿度４０％の環境下にて、三次元プリンターを用いた造形物の作製を開始したところ、造形時間１３５時間で、人体の上半身部分を模した等身大モデルを樹脂タレによる糸引き無く、精度よく造形することができた。
ペレット材料としてポリ乳酸(NatureWorks Ingeo、粒径約３ｍｍ)を準備し、このペレット材料を小型のオートローダーによりホッパーに供給した。
上記で作製した本発明の三次元プリンターを用いて上記ペレット材料を押し出す際のシリンダー温度は２２０℃とし、ギヤポンプ及びノズル温度は２１５℃とした。
Ｚ軸座標ゼロのノズル先端とＺ軸テーブル装置の距離がＸＹ軸可動範囲１０００ｍｍ角の全域で０．２ｍｍから０．４ｍｍの範囲に収まるようにテーブルを調整した。
造形物は、人体の上半身部分を模した等身大モデルとし、これを作製するためのデータを制御装置に入力した。本発明の三次元プリンターを用いて、当該造形物を作製する際には、制御装置により、樹脂吐出時の第１圧力計（図３の符号９)の値が２ＭＰａを指示するように制御した。造形中にノズル（図３の符号２）からの吐出を止め、樹脂ダレ防止の動作をする際にはスクリュー（図３の符号４）のスピードは１８０ｒｐｍ、回転角３６０度で逆回転、かつギヤポンプ（図３の符号６）のスピードは１２０ｒｐｍ、回転角１８０度で逆回転、かつ樹脂圧力制御装置（図３の符号１３）の軸移動スピード３００ｍｍ／秒で減圧方向に１０ｍｍ移動するよう制御した。又、ノズルからの吐出を再開する際にはスクリュー（図３の符号４）のスピードは１８０ｒｐｍ、回転角３６０度で正回転、かつギヤポンプ（図３の符号６）のスピードは１２０ｒｐｍ、回転角１８０度で正回転、かつ樹脂圧力制御装置（図３の符号１３）の内部に設けられたピストン部材（図３の符号１４）の軸移動スピード３００ｍｍ／秒で増圧方向に１０ｍｍ移動するよう制御した。
溶融樹脂の積層ピッチは０．６ｍｍとし、造形スピードは最初のレイヤのみ４０ｍｍ／秒で造形し、二層目以降の内部充填は１２０ｍｍ／秒で層の外周部は６０ｍｍ／秒で造形が行われるように設定した。内部充填率は１０％とした。
上記の条件で、室温23℃、湿度４０％の環境下にて、三次元プリンターを用いた造形物の作製を開始したところ、造形時間１３５時間で、人体の上半身部分を模した等身大モデルを樹脂タレによる糸引き無く、精度よく造形することができた。
本発明の三次元プリンターの場合、ノズルの目詰まりが生じにくく、又、樹脂材料として市販の各種樹脂ペレットが使用できるので、種々の材質からなる造形物を製造することができ、大型の造形物を製造するのにも好適である。
Ａ 押出装置
Ｂ テーブル装置
Ｃ 制御装置
１ シリンダー
２ ノズル
３ スクリューモーター
４ スクリュー
５ ギヤポンプモーター
６ ギヤポンプ
７ ヒーター（シリンダーヒーター）
８ ホッパー
９ 第１圧力計
１０ 第２圧力計
１１ ノズルヒーター
１２ ギヤポンプヒーター
１３ 圧力制御装置
１４ ピストン部材
Ｂ テーブル装置
Ｃ 制御装置
１ シリンダー
２ ノズル
３ スクリューモーター
４ スクリュー
５ ギヤポンプモーター
６ ギヤポンプ
７ ヒーター（シリンダーヒーター）
８ ホッパー
９ 第１圧力計
１０ 第２圧力計
１１ ノズルヒーター
１２ ギヤポンプヒーター
１３ 圧力制御装置
１４ ピストン部材
Claims (5)
- シリンダーと、スクリューと、ギヤポンプと、ノズルを有する押出装置で、前記シリンダーに設けられたヒーターによって当該シリンダーの内部に供給された樹脂材料が加熱溶融され、前記シリンダー内部に配置された前記スクリューの回転がスクリューモーターにより制御され、前記スクリューの先端側に前記ギヤポンプが配置されており、当該ギヤポンプはギヤポンプモーターにより回転が制御され、前記スクリューの回転及び前記ギヤポンプの回転を制御することにより前記ノズルの先端から吐出される溶融樹脂の量が調節可能であるものと、
前記押出装置のノズルに対向して位置するテーブル装置と、
前記押出装置における前記ノズルからの樹脂の吐出を制御し、かつ、前記押出装置及び／又は前記テーブル装置の、基準面に対するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向への移動を制御する制御装置
を具備し、前記押出装置及び／又は前記テーブル装置が、前記制御装置によってＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に位置制御されて移動することを特徴とする三次元プリンター。 - 前記スクリューの先端側に、当該スクリューの先端位置における樹脂圧力を測定するための第１圧力計が設けられており、前記ギヤポンプの吐出側に、ノズル内部の樹脂圧力を測定するための第２圧力計が設けられており、前記第１及び第２圧力計で測定された樹脂圧力に基づいて、前記ノズルからの樹脂の吐出が前記制御装置によって制御されることを特徴とする請求項１に記載の三次元プリンター。
- 前記ノズルに、前記ノズル内部の圧力を制御するための圧力制御装置が設けられており、前記ノズルの内部空間の容積が前記圧力制御装置によって変化可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元プリンター。
- 前記圧力制御装置が、前記ノズルの軸方向に対して垂直な方向に前後動可能なピストン部材を含み、当該ピストン部材の移動が前記圧力制御装置によって制御されることにより前記ノズルの内部空間の容積が変化することを特徴とする請求項３に記載の三次元プリンター。
- 前記押出装置が、前記制御装置によってＸ軸及びＹ軸方向への移動が制御されるＸＹ位置決め装置に取り付けられており、前記テーブル装置が、前記制御装置によってＺ軸方向への移動が制御されるＺテーブル装置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元プリンター。
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