JP6538738B2 - 樹脂材加熱装置及び樹脂材加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、長尺の固形状の樹脂材を加熱する樹脂材加熱装置及び樹脂材加熱方法に関する。

簡素な構成で安価に立体造形物を得ることが可能な三次元印刷方法として、可塑化（溶融）させた樹脂製のフィラメントを所望の形状となるように積層し、該形状を維持したまま固化させる、いわゆる、熱溶解積層方法が知られている。この方法による三次元印刷装置は、例えば、特許文献１に示すように、連続的に供給される長尺の固形状のフィラメントを加熱し、可塑化状態としてからステージ等の被積層部に排出する樹脂材可塑化手段を備える。

具体的には、この樹脂材可塑化手段は、金属等の熱伝導性材料からなる液化チューブと、液化チューブを加熱するヒータとを有する。ヒータによって液化チューブを加熱するとともに、該液化チューブにその一端側から、長尺の固形状のフィラメントを連続的に供給すると、該フィラメントが液化チューブと熱交換しながら液化チューブの他端側に向かって移動する。これによって、可塑化されたフィラメントが、液化チューブの他端側を介して被積層部に排出される。

特表２０１１−５１１７１９号公報

ところで、上記の三次元印刷装置において、固形状のフィラメントの可塑化効率を向上させるためには、例えば、樹脂材可塑化手段に供給される前のフィラメントを予備加熱することが考えられる。この場合、樹脂材可塑化手段の前段に、搬送中の長尺の固形状の樹脂材（フィラメント）を通過させながら加熱する樹脂材加熱装置を設ければよい。

このような樹脂材加熱装置として、上記の樹脂材可塑化手段のように、ヒータで加熱した液化チューブの内部をフィラメントが通過するようにした構成を適用すると、フィラメントの周面が溶融して液化チューブの内壁面に付着することにより、フィラメントの円滑な搬送が妨げられる懸念がある。

これを回避するべく、例えば、上記のヒータ及び液化チューブに代えて赤外線ヒータを用い、該赤外線ヒータの赤外線放射範囲内を通過させることでフィラメントを加熱することが考えられる。しかしながら、この場合、赤外線ヒータとフィラメントとの相対位置に応じて昇温特性が異なってしまうため、均等に昇温させたフィラメントを得ることが困難になる懸念がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、長尺の固形状の樹脂材を円滑に通過させながら、該樹脂材の全体を略均等に加熱することが可能な樹脂材加熱装置及び樹脂材加熱方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、長尺の固形状の樹脂材を加熱する樹脂材加熱装置であって、前記樹脂材の直径よりも内径が大きく、前記樹脂材を内壁面と離間させた状態で通過させる通過管路と、前記通過管路の内部に熱風を供給する熱風供給手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る樹脂材加熱装置では、樹脂材を通過管路の内壁面に接触させることなく、該通過管路の内部に供給した熱風により加熱する。これによって、通過管路を通過させながら樹脂材を加熱しても、該通過管路の内壁面に樹脂材が付着することなく、樹脂材を円滑に搬送することができる。また、通過管路の内部で樹脂材の周面全体が熱風に曝されるため、例えば、赤外線ヒータによって樹脂材を加熱するような場合と異なり、樹脂材の全体を略均等に昇温させることができる。

以上から、この樹脂材加熱装置によれば、長尺の固形状の樹脂材を円滑に通過させながら、該樹脂材の全体を略均等に加熱することができる。

上記の樹脂材加熱装置において、前記通過管路の内部を気密に維持するシール部材をさらに備え、前記熱風供給手段は、前記通過管路の前記熱風が供給される一端側と、前記熱風を排出する他端側とを接続して、前記熱風を循環させる循環管路と、前記循環管路の内部の前記熱風を加熱する加熱源と、前記加熱源で加熱された前記熱風を前記通過管路の一端側に向かって送風するとともに、前記通過管路の他端側から排出された前記熱風を前記加熱源に向かって送風する送風機と、を有する。

このように、加熱源が設けられた循環管路を介して通過管路に熱風を循環させることで、熱風を効率的に加熱して、樹脂材の加熱に適した温度に容易に維持することができる。また、この熱風を利用することにより、樹脂材の加熱効率を向上させることができる。

上記の樹脂材加熱装置において、前記通過管路は、前記熱風を排出する他端側から前記樹脂材が供給され、前記熱風が供給される一端側から前記樹脂材を排出する。上記の通り、熱風は、循環管路内で加熱源により加熱された後に、通過管路にその一端側から供給され、樹脂材と熱交換した後に、通過管路の他端側から排出される。このため、通過管路の一端側における熱風の温度の方が、通過管路の他端側における熱風の温度よりも高温になり易い。このように、高温の熱風が供給される通過管路の一端側から樹脂材を排出することにより、樹脂材を効果的に加熱した状態で、樹脂材加熱装置の後段に供給することが可能になる。

上記の樹脂材加熱装置において、前記通過管路は複数からなり、複数の前記通過管路のそれぞれの一端側と連通する分配管路と、それぞれの他端側と連通する合流管路と、をさらに備え、前記循環管路は、前記分配管路及び前記合流管路を介して前記熱風を複数の前記通過管路のそれぞれに循環させ、前記樹脂材は、前記合流管路に設けられた複数の樹脂材供給口を介して複数の前記通過管路にそれぞれ供給され、且つ前記分配管路に設けられた複数の樹脂材排出口を介して複数の前記通過管路の他端側からそれぞれ排出され、前記シール部材は、前記樹脂材供給口及び前記樹脂材排出口にそれぞれ設けられる。

この場合、複数の樹脂材を一度に加熱して排出することができるため、樹脂材を一層効率的に加熱することが可能になる。

また、本発明は、長尺の固形状の樹脂材を加熱する樹脂材加熱方法であって、前記樹脂材の直径よりも大きい内径の通過管路に熱風を供給する熱風供給工程と、前記通過管路の内壁面と前記樹脂材とを離間させた状態で、前記通過管路に前記樹脂材を通過させて、前記熱風と前記樹脂材とを熱交換させる加熱工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る樹脂材加熱方法によれば、樹脂材を通過させる通過管路の内壁面と樹脂材とを接触させることなく、該通過管路の内部で樹脂材の全体を熱風に曝すことができる。これによって、長尺の固形状の樹脂材の搬送を妨げることなく、樹脂材の全体を略均等に加熱することができる。

上記の樹脂材加熱方法において、前記熱風供給工程では、前記通過管路の一端側から前記熱風を供給し、且つ前記通過管路の他端側から排出される前記熱風を加熱して、前記通過管路の一端側に再び供給する。この場合、通過管路に熱風を循環させながら加熱することができるため、熱風を樹脂材の加熱に適した温度に容易に維持することができ、ひいては、樹脂材の加熱効率を向上させることができる。

上記の樹脂材加熱方法において、前記加熱工程では、前記通過管路の前記熱風を排出する他端側から前記樹脂材を供給し、前記通過管路の前記熱風が供給される一端側から前記樹脂材を排出する。通過管路の他端側から排出される熱風に比して、通過管路の一端側に供給される熱風の方が高温であるため、該通過管路の一端側から樹脂材を排出することにより、効果的に加熱された樹脂材を得ることができる。

本発明によれば、樹脂材を通過管路の内壁面に接触させることなく、該通過管路の内部に供給した熱風により加熱する。これによって、通過管路を通過させながら樹脂材を加熱しても、該通過管路の内壁面に樹脂材が付着することを回避できる。また、通過管路の内部で樹脂材の周面全体が熱風に曝されるため、樹脂材を略均等に昇温させることができる。つまり、長尺の固形状の樹脂材の搬送を妨げることなく、樹脂材の全体を略均等に加熱することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る樹脂材加熱装置を備える三次元印刷装置の要部概略図である。 図２は、図１の樹脂材加熱装置の断面図である。 図３は、図１の三次元印刷装置のノズルの断面図である。 図４は、三次元印刷装置の移動手段を構成するロボットの図記号である。 図５Ａ〜図５Ｃは、図３のノズルから排出されたフィラメントを積層して一体化する工程を説明する説明図である。

本発明に係る樹脂材加熱装置及び樹脂材加熱方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明に係る樹脂材加熱装置は、長尺の固形状の樹脂材を加熱するものであり、該樹脂材加熱装置によって加熱した樹脂材の供給先や用途は、特に限定されるものではない。

本実施形態では、図１に示すように、樹脂材加熱装置１０が、三次元印刷装置１２を構成する場合を例に挙げて説明する。この三次元印刷装置１２は、フィラメント１４をステージ１６上に積層して立体造形物（不図示）を作製する。

フィラメント１４は、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）や、ポリ乳酸（ＰＬＡ）等の熱可塑性樹脂からなり、図５Ａ〜５Ｃに示すように、芯材１８（１８ａ、１８ｂ）と、該芯材１８の外周面に付着した被覆材２０（２０ａ、２０ｂ）とからなる。なお、芯材１８と被覆材２０とは互いに異なる種類の樹脂から構成されても、同じ種類の樹脂から構成されてもよい。

三次元印刷装置１２は、樹脂材加熱装置１０の他に、樹脂材供給部２２と、芯材搬送手段２４と、被覆材搬送手段２６と、被覆材可塑化手段２７と、ノズル２８と、移動手段３０（図４参照）とを主に備える。

樹脂材供給部２２は、長尺の固形状の芯材１８が巻回された１個の芯材リール３２と、長尺の固形状の被覆材２０がそれぞれ巻回された３個の被覆材リール３４と、芯材リール３２及び被覆材リール３４を回転可能に保持する保持部材３６とを有する。なお、被覆材リール３４の個数は、特に限定されるものではなく、フィラメント１４を形成するために必要な被覆材２０の量に応じて適宜設定することができる。また、本実施形態では、芯材リール３２及び被覆材リール３４に巻回された芯材１８及び被覆材２０のそれぞれは互いに同じ直径であることとするが、特にこれに限定されるものではない。

芯材リール３２及び被覆材リール３４のそれぞれから引き出された芯材１８及び被覆材２０は、後述するように芯材搬送手段２４及び被覆材搬送手段２６によって搬送される。

本実施形態に係る樹脂材加熱装置１０は、上記のようにして搬送される芯材１８及び被覆材２０（以下では、これらを総称して樹脂材ともいう）を通過させながら、後述するように、被覆材可塑化手段２７で被覆材２０を加熱して可塑化する温度よりも低い温度に加熱する。具体的には、樹脂材加熱装置１０は、図１及び図２に示すように、複数の通過管路４０と、熱風供給手段４２と、分配管路４４と、合流管路４６と、シール部材４８ａ、４８ｂとを主に備える。通過管路４０は、樹脂材の直径よりも内径が大きい管体からなり、樹脂材を該通過管路４０の内壁面と離間させた状態で通過させる。通過管路４０の本数は、供給される樹脂材の本数に応じて適宜設定することができる。本実施形態では、通過管路４０は、１本の芯材１８と３本の被覆材２０をそれぞれ通過させる合計４本からなる。

通過管路４０のそれぞれの一端側は分配管路４４と連通し、他端側は合流管路４６と連通する。図１に示すように、通過管路４０の分配管路４４側と合流管路４６側との間は、略円弧状に湾曲し、該円弧の内側に芯材リール３２及び被覆材リール３４が配設されることが好ましい。この場合、三次元印刷装置１２を大型化することなく、通過管路４０を、該通過管路４０の内部で樹脂材を所望の温度となるように十分に加熱可能な長さとすることができる。

熱風供給手段４２は、循環管路５０と、加熱源５２と、送風機５４とを有する。循環管路５０は、通過管路４０のそれぞれに熱風を循環させるべく、分配管路４４と合流管路４６を接続する。加熱源５２は、循環管路５０の内部の熱風を加熱する。送風機５４は、加熱源５２で加熱された熱風を分配管路４４に向かって送風するとともに、通過管路４０から合流管路４６に排出された熱風を加熱源５２に向かって送風する。

分配管路４４は、循環管路５０と４本の通過管路４０の一端側との間に介在する。循環管路５０を介して分配管路４４に送られた熱風は、該分配管路４４内で分配されながら通過管路４０のそれぞれに供給される。また、図２に示すように、分配管路４４には、４本の通過管路４０の一端側の開口とそれぞれ対向する部位に、４個の樹脂材排出口５６が形成されている。これらの樹脂材排出口５６を介して、通過管路４０を通過した樹脂材が樹脂材加熱装置１０から排出される。

合流管路４６は、通過管路４０の他端側と循環管路５０との間に介在する。複数の通過管路４０のそれぞれから排出された熱風は、合流管路４６の内部で合流して循環管路５０へと送られる。また、図２に示すように、合流管路４６には、４本の通過管路４０の他端側の開口とそれぞれ対向する部位に、４個の樹脂材供給口５８が形成されている。これらの樹脂材供給口５８を介して、樹脂材供給部２２から樹脂材が通過管路４０に供給される。

図２に示すように、シール部材４８ａ、４８ｂは、樹脂材排出口５６及び樹脂材供給口５８のそれぞれに設けられる。これによって、互いに連通した合流管路４６と、通過管路４０と、分配管路４４と、循環管路５０との内部の気密を維持したまま、樹脂材供給口５８から通過管路４０に樹脂材を供給すること、及び該樹脂材を樹脂材排出口５６から排出することが可能になる。

上記のように構成される樹脂材加熱装置１０では、加熱源５２により熱風を加熱して所定の温度に維持しながら、循環管路５０と通過管路４０との間で熱風を循環させることができる。熱風の所定の温度とは、樹脂材のガラス転移点以下の温度であり、本実施形態では、さらに、被覆材可塑化手段２７で被覆材２０を加熱して可塑化する温度よりも低い温度に樹脂材を加熱することが可能な温度である。

つまり、樹脂材加熱装置１０では、熱風が、通過管路４０の内部を一端側から他端側に向かって移動し、樹脂材が、通過管路４０の内部を他端側から一端側に向かって移動する。これによって、熱風と熱交換した樹脂材は、被覆材可塑化手段２７で被覆材２０を加熱して可塑化する温度よりも低い温度に加熱されて樹脂材加熱装置１０から排出される。

芯材搬送手段２４は、例えば、樹脂材加熱装置１０の芯材１８を排出する樹脂材排出口５６とノズル２８との間であって、該ノズル２８の近傍に配設される一組の駆動ローラ６０と、該駆動ローラ６０を回転させるモータ（不図示）とを有する。一組の駆動ローラ６０の間に芯材１８を挟んだ状態で、該駆動ローラ６０を回転させることにより、芯材１８が樹脂材加熱装置１０を通ってノズル２８に供給されるように、芯材１８を搬送することができる。また、駆動ローラ６０は正逆回転可能であり、この回転方向に応じて、芯材１８をノズル２８に向かって進行する方向と後退する方向との間で切り換えて搬送することができる。

樹脂材加熱装置１０と芯材搬送手段２４との間には、断熱材料から形成された配管６２が設けられる。樹脂材加熱装置１０から排出された芯材１８は、外部と断熱された配管６２の内部を通ることで、温度が維持されたままノズル２８へと搬送される。

被覆材搬送手段２６は、例えば、樹脂材加熱装置１０の被覆材２０を排出する樹脂材排出口５６と被覆材可塑化手段２７との間であって、該被覆材可塑化手段２７の近傍に配設される一組の駆動ローラ６４と、該駆動ローラ６４を回転させるモータ（不図示）とを有する。この被覆材搬送手段２６は、樹脂材加熱装置１０に供給された被覆材２０の本数に応じた個数（本実施形態では３個）設けられ、被覆材２０が樹脂材加熱装置１０を通って被覆材可塑化手段２７に供給されるように、該被覆材２０のそれぞれを搬送する。これらの駆動ローラ６４も、前記駆動ローラ６０と同様に正逆回転可能であり、この回転方向に応じて、被覆材２０を被覆材可塑化手段２７に向かって進行する方向と後退する方向との間で切り換えて搬送することができる。

樹脂材加熱装置１０と被覆材搬送手段２６との間には、前記配管６２と同様に、断熱材料から形成された配管６６が、樹脂材加熱装置１０に供給された被覆材２０の本数に応じた本数（本実施形態では３本）設けられる。樹脂材加熱装置１０から排出された被覆材２０は、外部と断熱された配管６６の内部を通ることで、温度が維持されたまま被覆材可塑化手段２７へと搬送される。

被覆材可塑化手段２７は、被覆材２０を加熱して可塑化させるヒータ等からなり、上記の通り、樹脂材加熱装置１０で加熱された３本の被覆材２０を液状樹脂にして、該被覆材可塑化手段２７とノズル２８とを連通する連通管６８に排出する。この際、被覆材可塑化手段２７には、上記の通り、前段に設けられた樹脂材加熱装置１０によって予備加熱された被覆材２０が供給される。このため、被覆材可塑化手段２７を大型化することなく、被覆材２０の内部まで速やかに熱を伝達させて、被覆材２０の可塑化効率を向上させることができる。換言すると、被覆材可塑化手段２７の小型化を図ることができる。

図１及び図３に示すように、ノズル２８は、ステージ１６に向かってフィラメント１４を排出する。具体的には、ノズル２８は、樹脂材加熱装置１０で加熱した芯材１８を排出する芯材排出部８０と、被覆材可塑化手段２７で可塑化した被覆材２０を排出する被覆材排出部８２とを有する。

芯材排出部８０は、本体管８４と保温管８６とを有する。本体管８４は、芯材１８が供給される基端側（図３の矢印Ｘ方向側）に設けられる大径部８８と、芯材１８を排出する先端側（図３の矢印Ｙ方向側）に設けられ、且つ大径部８８よりも小径の小径部９０とを有する。大径部８８の先端側は、小径部９０に向かってテーパ状に縮径している。また、この大径部８８の先端部と小径部９０の基端部との間には互いの径差に基づく段差が形成されている。

保温管８６は、断熱材料から形成され、内径が本体管８４の小径部９０の内径と略等しく、外径が大径部８８の内径よりも小さい。この保温管８６は、先端側の端面が、上記の通り、大径部８８と小径部９０との間に形成される段差面に当接するように、該大径部８８の内側に配設される。

本体管８４と保温管８６との間には、遮熱部９２が設けられる。遮熱部９２は、大径部８８と保温管８６との間に形成される空間９４や、該空間９４に設けられる断熱材９６等からなり、芯材排出部８０の内部と外部を遮熱する。また、遮熱部９２は、例えば、空気等の冷媒を空間９４に流通させることが可能な冷媒流通機構（不図示）をさらに備えてもよい。この場合、芯材排出部８０の内部と外部を一層良好に遮熱することが可能になる。

被覆材排出部８２は、貯留管部９８と、貯留管部９８の基端側の開口を閉塞する蓋部１００と、貯留管部９８の先端側に設けられたテーパ状部１０２とを有する。

貯留管部９８は、断熱材料から形成され、その内径が、本体管８４の大径部８８の外径よりも大きく、該大径部８８の基端側の一部を除く外周面を覆うように配設される。つまり、貯留管部９８の内周面と大径部８８の外周面との間に、可塑化した被覆材２０を貯留することが可能な貯留部１０４が形成される。

図３に示すように、貯留部１０４内には、円盤部材１０６が配設されていてもよい。円盤部材１０６は、径方向の略中心に本体管８４が挿通される挿通孔１０７が形成されるとともに、該挿通孔１０７よりも外周側を厚さ方向に沿って貫通する複数の貫通孔１０８が形成されている。この貫通孔１０８を介して、貯留部１０４の基端側から先端側に向かって可塑化した被覆材２０が流れることによって、該被覆材２０の圧力や温度を均等化することが可能になる。

蓋部１００には、径方向の略中心に本体管８４の基端側が挿通される挿通孔１１０が形成されるとともに、該挿通孔１１０よりも外周側に連通管６８が接続される供給口１１２が形成される。この供給口１１２を介して貯留部１０４に、可塑化した被覆材２０が供給される。

テーパ状部１０２は、貯留管部９８から先端側に向かって縮径するように延在し、その先端には、貯留部１０４内の被覆材２０を排出することが可能な排出口１１４が設けられる。排出口１１４の内径は、小径部９０の先端側の外径よりも大きく、排出口１１４の内側に小径部９０の先端側が配設される。

つまり、上記のように構成されるノズル２８は、小径部９０の先端側から可塑化した被覆材２０より低い温度の芯材１８を排出するとともに、テーパ状部１０２の排出口１１４から可塑化した被覆材２０を排出する。これによって、芯材１８の外周面に被覆材２０を付着させたフィラメント１４を形成し、排出することができる。

また、このノズル２８では、上記の通り、被覆材排出部８２の内側に芯材排出部８０が配置されているため、例えば、芯材排出部８０及び被覆材排出部８２を並設するような場合に比して、ノズル２８の小型化を図ることができる。ひいては、三次元印刷装置１２全体の小型化を図ることが可能になる。

ノズル２８からフィラメント１４を連続的に排出する場合、芯材搬送手段２４及び被覆材搬送手段２６の駆動ローラ６０、６４のそれぞれを一方の方向に連続的に回転させればよい。一方、ノズル２８からのフィラメント１４の排出を停止する場合、前記駆動ローラ６０、６４のそれぞれの回転を停止すればよい。この場合、被覆材搬送手段２６の駆動ローラ６４については、一時的に他方の方向に回転させてから停止することによって、被覆材排出部８２から可塑化した被覆材２０が余分に排出される懸念を払拭することができる。また、ノズル２８は、小径部９０の先端側及び排出口１１４の両方又は排出口１１４のみを開閉自在に閉塞する蓋（不図示）が設けられていてもよい。

図４に図記号を用いて模式的に示すように、移動手段３０は、ロボット１２０と、制御部（不図示）とを有する。ロボット１２０は、三次元直交座標系に基づいて動作する本体部１２２と、該本体部１２２に取り付けられた多関節型のアーム１２４とを有する。アーム１２４は、基端から先端の手首１２６に向かって順に第１関節１２８及び第２関節１３０を有する。手首１２６には、例えば、芯材搬送手段２４と、被覆材搬送手段２６と、被覆材可塑化手段２７と、ノズル２８（図１において二点鎖線で囲んだ構成要素、以下、これらを総称してノズル２８等ともいう）とが固定されている。

移動手段３０は、制御部の制御下に、ロボット１２０を駆動させることで、ステージ１６に対して、ノズル２８等を三次元的に移動させることができる。この際、上記の通りノズル２８及び被覆材可塑化手段２７の小型化が図られているため、移動手段３０によるノズル２８等の移動を容易且つ高精度にすることが可能である。

本実施形態に係る樹脂材加熱装置１０を備える三次元印刷装置１２は、基本的には以上のように構成されるものである。すなわち、三次元印刷装置１２に適用された樹脂材加熱装置１０は、フィラメント１４を形成するべく、上記の温度に加熱した樹脂材を被覆材可塑化手段２７及びノズル２８に供給する。

以下では、本実施形態に係る樹脂材加熱方法につき、樹脂材加熱装置１０の動作を含む三次元印刷装置１２の動作との関係で説明する。

三次元印刷装置１２では、芯材搬送手段２４及び被覆材搬送手段２６を駆動することにより、芯材リール３２及び被覆材リール３４からそれぞれ引き出された長尺の固形状の芯材１８及び被覆材２０を樹脂材加熱装置１０に連続的に供給する。

この際、樹脂材加熱装置１０では、加熱源５２及び送風機５４を駆動することによって、循環管路５０と通過管路４０のそれぞれとの間で熱風を循環させる。具体的には、加熱源５２で加熱した直後の高温の熱風を、循環管路５０を介して分配管路４４に供給することで、４本の通過管路４０のそれぞれに、その一端側から前記高温の熱風を供給する。

この際、熱風の温度は、樹脂材のガラス転移点以下であり、該熱風との熱交換によって樹脂材を、被覆材可塑化手段２７で被覆材２０を加熱して可塑化する温度よりも低い温度にすることが可能な温度である。そして、通過管路４０を通過して、その他端側から合流管路４６に排出された低温の熱風を、循環管路５０を介して再び加熱源５２に供給する。つまり、本実施形態に係る樹脂材加熱方法における熱風供給工程を行うことができる。

このように、熱風を排出する通過管路４０の他端側から合流管路４６の樹脂材供給口５８を介して、該通過管路４０の内部に樹脂材をそれぞれ供給する。これによって、通過管路４０の内壁面と樹脂材とを離間させた状態で、通過管路４０に樹脂材を通過させて、熱風と樹脂材とを熱交換させる。つまり、本実施形態に係る樹脂材加熱方法における加熱工程を行う。そして、上記のようにして昇温させた樹脂材を、分配管路４４の樹脂材排出口５６を介して樹脂材加熱装置１０からそれぞれ排出する。これらの樹脂材のうち、芯材１８は配管６２に供給し、被覆材２０は配管６６に供給する。

以上から、本実施形態に係る樹脂材加熱装置１０及び樹脂材加熱方法では、通過管路４０を通過させながら樹脂材を加熱しても、該通過管路４０の内壁面に樹脂材が付着することなく、樹脂材を円滑に搬送することができる。また、通過管路４０の内部で樹脂材の周面全体が熱風に曝されるため、例えば、赤外線ヒータによって樹脂材を加熱するような場合と異なり、樹脂材の全体を略均等に昇温させることができる。従って、搬送中の長尺の固形状の樹脂材を円滑に通過させながら、該樹脂材の全体を略均等に加熱することができる。

また、加熱源５２が設けられた循環管路５０を介して通過管路４０に熱風を循環させることで、熱風を効率的に加熱して、該熱風を樹脂材の加熱に適した温度に容易に維持することができる。この熱風を利用することにより、樹脂材の加熱効率を向上させることができる。

さらに、上記の通り、熱風は、循環管路５０内で加熱源５２により加熱された後に、通過管路４０にその一端側から供給され、樹脂材と熱交換した後に、通過管路４０の他端側から排出される。このため、通過管路４０の一端側における熱風の温度の方が、通過管路４０の他端側における熱風の温度よりも高温になり易い。このように、高温の熱風が供給される通過管路４０の一端側から樹脂材を排出することにより、樹脂材を効果的に加熱した状態で、樹脂材加熱装置１０の後段に供給することが可能になる。

樹脂材加熱装置１０から配管６６に供給された被覆材２０は、被覆材可塑化手段２７にそれぞれ供給される。そして、被覆材可塑化手段２７において可塑化され、液状樹脂となった被覆材２０は、連通管６８を介して、ノズル２８の被覆材排出部８２に供給され、貯留部１０４に貯留される。

一方、樹脂材加熱装置１０から配管６２に供給された芯材１８は、ノズル２８の芯材排出部８０に供給される。芯材排出部８０において、芯材１８は、遮熱部９２等により外部と遮熱された芯材排出部８０の保温管８６の内部を通る。このため、上記のように、芯材排出部８０の本体管８４の外周面と、被覆材排出部８２の貯留管部９８の内周面との間に形成された貯留部１０４に、溶融した高温の被覆材２０が貯留されても、該被覆材２０の熱が芯材１８に伝わることを抑制できる。

このため、芯材排出部８０は、可塑化した被覆材２０よりも低温の芯材１８を、小径部９０から排出する。一方、被覆材排出部８２では、テーパ状部１０２の排出口１１４から可塑化した被覆材２０を排出して、小径部９０から排出された芯材１８の外周面に付着させる。これによって、ノズル２８では、可塑化した被覆材２０と、塑性変形可能であるが可塑化した被覆材２０よりも低温の芯材１８と、からなるフィラメント１４を形成しながら排出する。

なお、可塑化した被覆材２０よりも低温の芯材１８は、被覆材２０を付着させる前の段階で、換言すると、樹脂材加熱装置１０における加熱によって、塑性変形可能な温度に達していてもよいし、可塑化した被覆材２０を付着させて、その熱を伝導させることによって塑性変形可能な温度に達することとしてもよい。すなわち、芯材１８に被覆材２０を付着させる前及び付着させた直後においては、該芯材１８の温度は、塑性変形可能な温度に達していても、達していなくてもよい。被積層部にフィラメント１４を積層する際に、該フィラメント１４を構成する芯材１８が可塑化した被覆材２０よりも低温でありながら塑性変形可能な温度になっていればよい。

上記のようにノズル２８からフィラメント１４を排出するとともに、移動手段３０によってノズル２８等を三次元的に移動させることで、フィラメント１４を、ステージ１６上の被積層部に対して押圧しつつ積層することができる。

ここで、被積層部とは、ノズル２８から排出されるフィラメント１４が、ステージ１６に積層する第１層目である場合は、該ステージ１６の所定の位置である。また、ノズル２８から排出されるフィラメント１４が、先に積層されたフィラメント１４に積層される第２層目以降である場合は、先に積層されたフィラメント１４の所定の位置である。

図５Ａ〜図５Ｃは、フィラメント１４を積層して、一体化させる工程を説明する説明図であり、具体的には、先に積層されたフィラメント１４ａと、該フィラメント１４ａを被積層部とするフィラメント１４ｂの断面図である。

ノズル２８から排出された直後のフィラメント１４ｂは、図５Ａに示すように、可塑化した被覆材２０ｂが、該被覆材２０ｂよりも低温の芯材１８ｂの外周面に付着した状態である。図５Ｂに示すように、先に積層されたフィラメント１４ａに対して、フィラメント１４ｂを押圧しつつ積層すると、フィラメント１４ｂとフィラメント１４ａとの間を埋めるように、被覆材２０ｂが流動する。この状態で、被覆材２０ｂが固化することにより、図５Ｃに示すように、被覆材２０ａ、２０ｂを介してフィラメント１４ａとフィラメント１４ｂとを一体化することができる。

なお、図５Ａ〜図５Ｃでは、芯材１８ａ、１８ｂと被覆材２０ａ、２０ｂとがそれぞれ同心となるように配置された状態、換言すると、芯材１８ａ、１８ｂの外周面全体に周方向にわたって略均一の厚さとなるように被覆材２０ａ、２０ｂが付着した状態のフィラメント１４ａ、１４ｂ同士を積層して一体化する様子を示している。しかしながら、芯材１８ａ、１８ｂに対する被覆材２０ａ、２０ｂの相対位置や、被覆材２０ａ、２０ｂの形状は、フィラメント１４ａ、１４ｂに加わる重力や、可塑化した被覆材２０ａ、２０ｂの粘度等に応じて種々の形態を取り得ることは勿論である。少なくとも、芯材１８ａと芯材１８ｂの間に被覆材２０ｂが介在する状態で、該被覆材２０ｂを固化させることにより、フィラメント１４ａとフィラメント１４ｂとを一体化することができる。

このように、フィラメント１４ａ、１４ｂを含む必要な量のフィラメント１４の全てを所望の形状となるように積層し、固化させることで、立体造形物を得ることができる。

以上から、この三次元印刷装置１２によれば、例えば、全体が均一な温度に加熱された可塑化フィラメントを積層、固化させる場合に比して、芯材１８ｂが低温である分、換言すると、被覆材２０ｂのみが高温に加熱されている分、フィラメント１４ｂを速やかに固化させることが可能である。その一方で、被覆材２０ｂは、十分に加熱して可塑化することができるため、隣接するフィラメント１４ａと良好に一体化することが可能である。つまり、フィラメント１４ａ、１４ｂ同士の接着性が低下することを回避しつつ、可塑化したフィラメント１４ｂが固化する時間を短縮することができる。

その結果、ノズル２８の移動速度にフィラメント１４ｂの固化を容易に追従させて、フィラメント１４ａ、１４ｂを含むフィラメント１４を所望の形状に積層することができる。また、積層後のフィラメント１４が固化するまでの間に、たわみや垂れ等の変形が生じることを抑制できる。さらに、上記の通り、高温に加熱されて可塑化している部分の量を少なくできる分、フィラメント１４が固化により収縮する量を小さくすることができる。

従って、三次元印刷装置１２では、製造効率及び成形精度の両方に優れた立体造形物を得ることができる。本実施形態に係る樹脂材加熱装置１０は、三次元印刷装置１２に適用されることで、該三次元印刷装置１２による立体造形物の製造効率及び成形精度をさらに向上させることができる。

すなわち、樹脂材加熱装置１０を三次元印刷装置１２に適用して、芯材１８を円滑に通過させながら、その全体を略均等に加熱することによって、可塑化した被覆材２０よりも低温でありながら塑性変形可能な温度の芯材１８を有するフィラメント１４を効率的に得ることができる。このように、芯材１８が昇温されていることで、フィラメント１４を容易に変形させつつ積層することが可能になる。しかも、フィラメント１４を変形させても、その内部に歪みが残ることを回避することが可能になる。

また、被覆材２０についても、樹脂材加熱装置１０を円滑に通過させながら、その全体を略均等に予備加熱することができるため、被覆材可塑化手段２７において、効率的に被覆材２０を可塑化することができる。これによって、上記の通り、被覆材可塑化手段２７の小型化を図ることもできるため、移動手段３０によるノズル２８等の移動を容易且つ高精度にして、フィラメント１４の積層精度を向上させることができる。これらによって、立体造形物の製造効率や、成形精度及び品質を良好に向上させることができる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、上記の実施形態に係る樹脂材加熱装置１０では、１本の芯材１８及び３本の被覆材２０をそれぞれ通過させる４本の通過管路４０を備えることとしたが、特にこれに限定されるものではない。樹脂材加熱装置１０は、通過管路４０を１本のみ備えてもよいし、４本以外の複数本備えてもよい。また、樹脂材加熱装置１０は、通過管路４０を１本のみ備える場合、分配管路４４及び合流管路４６を備えず、通過管路４０と循環管路５０との間で直接熱風を循環させてもよい。この場合、シール部材４８ａ、４８ｂは、通過管路４０の内部を気密に維持するべく、例えば、通過管路４０の両端の開口に設ければよい。

また、樹脂材加熱装置１０は、通過管路４０と循環管路５０との間で熱風を循環させる構成を備えず、通過管路４０の一端側から他端側に熱風を通過させることとしてもよい。

上記の実施形態に係る樹脂材加熱装置１０では、熱風を排出する通過管路４０の他端側から樹脂材が供給されることとしたが、熱風が供給される通過管路４０の一端側から樹脂材が供給されてもよい。

上記の実施形態に係る樹脂材加熱装置１０では、フィラメント１４を形成するべく、芯材１８及び被覆材２０を加熱する場合に適用することとしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、三次元印刷法により立体造形物を造形する際に用いられる一般的なフィラメントを予備加熱する場合に適用してもよい。また、樹脂材加熱装置１０によって加熱する樹脂材の温度は、その用途等に応じて適宜設定することができる。

なお、上記の三次元印刷装置１２では、芯材１８の外周面全体に周方向にわたって略均一の厚さとなるように被覆材２０を付着させることで、円柱状の芯材１８と環状の被覆材２０とが同心となるように配置されたフィラメント１４を形成することとした。しかしながら、芯材１８の外周面の一部にのみ被覆材２０を付着させることでフィラメント１４を形成してもよいし、円柱状の芯材１８と環状の被覆材２０とが偏心するように配置されたフィラメント１４を形成してもよい。

また、移動手段３０は、図４に示すロボット１２０を備えることとしたが、ステージ１６に対して、ノズル２８等を三次元的に移動させることができるものであれば、特に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。

１０…樹脂材加熱装置 １８…芯材
２０…被覆材 ２２…樹脂材供給部
２４…芯材搬送手段 ２６…被覆材搬送手段
２７…被覆材可塑化手段 ２８…ノズル
３０…移動手段 ３２…芯材リール
３４…被覆材リール ３６…保持部材
４０…通過管路 ４２…熱風供給手段
４４…分配管路 ４６…合流管路
４８ａ、４８ｂ…シール部材 ５０…循環管路
５２…加熱源 ５４…送風機
５６…樹脂材排出口 ５８…樹脂材供給口

Claims (2)

1. 長尺の固形状の樹脂材を加熱する樹脂材加熱装置であって、
   前記樹脂材の直径よりも内径が大きく、前記樹脂材を内壁面と離間させた状態で通過させる直線状又は円弧状の通過管路と、
   前記通過管路の内部に熱風を供給する熱風供給手段と、
   前記通過管路の内部を気密に維持するシール部材と、
   を備え、
   前記熱風供給手段は、
   前記通過管路の前記熱風が供給される一端側と、前記熱風を排出する他端側とを接続して、前記熱風を循環させる循環管路と、
   前記循環管路の内部の前記熱風を加熱する加熱源と、
   前記加熱源で加熱された前記熱風を前記通過管路の一端側に向かって送風するとともに、前記通過管路の他端側から排出された前記熱風を前記加熱源に向かって送風する送風機と、
   を有し、
   前記通過管路は、複数からなり、且つ前記熱風を排出する他端側から前記樹脂材がそれぞれ供給され、前記熱風が供給される一端側から前記樹脂材をそれぞれ排出し、
   複数の前記通過管路のそれぞれの一端側に連通する分配管路が設けられ、
   複数の前記通過管路のそれぞれの他端側に連通する合流管路が設けられ、
   前記循環管路は、前記分配管路及び前記合流管路を介して前記熱風を複数の前記通過管路のそれぞれに循環させ、
   前記樹脂材は、前記合流管路に設けられた複数の樹脂材供給口を介して複数の前記通過管路にそれぞれ供給され、且つ前記分配管路に設けられた複数の樹脂材排出口を介して複数の前記通過管路からそれぞれ排出され、
   前記シール部材は、前記樹脂材供給口及び前記樹脂材排出口にそれぞれ設けられることを特徴とする樹脂材加熱装置。
2. 長尺の固形状の樹脂材を加熱する樹脂材加熱方法であって、
   前記樹脂材の直径よりも大きい内径の直線状又は円弧状である複数の通過管路に熱風を供給する熱風供給工程と、
   前記通過管路の内壁面と前記樹脂材とを離間させた状態で、前記通過管路のそれぞれに前記樹脂材を通過させて、前記熱風と前記樹脂材とを熱交換させる加熱工程と、
   を有し、
   前記熱風供給工程では、複数の前記通過管路のそれぞれの一端側に連通する分配管路を介して複数の前記通過管路に前記熱風を供給し、且つ複数の前記通過管路のそれぞれの他端側に連通する合流管路を介して複数の前記通過管路から排出される前記熱風を加熱して、前記分配管路に再び供給し、
   前記加熱工程では、前記合流管路に設けられた複数の樹脂材供給口を介して複数の前記通過管路にそれぞれ前記樹脂材を供給し、前記分配管路に設けられた複数の樹脂材排出口を介して複数の前記通過管路からそれぞれ前記樹脂材を排出することを特徴とする樹脂材加熱方法。

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