JP6643553B2 - 溶解フィラメント製造方式３ｄプリンターの押出機 - Google Patents

Description

本発明は積層堆積造形方式、具体的には溶解フィラメント製造方式の押出ヘッド機構または押出機に関する。

溶解フィラメント製造法は既存の３Ｄプリント方法の一種である。材料を水平な造形面に一層ごと堆積積層することにより、ＣＡＤ（コンピューター支援設計）モデルから直接実際の部品を製造することができる。層の厚さは使用した技術によるが通常は０．０５ｍｍから１．０ｍｍの間であり、３Ｄ ＣＡＤモデルを‘スライス‘することにより、材料を吐出するための押出ヘッドの動作に変換する。溶解フィラメント製造法において、積層堆積技術は押出機から樹脂を押し出すことであり、樹脂のフィラメントは給紙ユニットによって加熱されたノズルに供給され、垂直方向に配置されたにノズルから水平な造形面に溶解した状態で吐出される。層の厚さは印刷ノズルと造形面の間隔により決定される。 水平なＸ、Ｙ方向に造形面に対して相対的に、印刷ノズルを制御された速度で造形材料を供給しながら移動することにより、造形層を形成することができ、Ｚ軸の正方向に造形面に対して相対的に１層分移動後、以前印刷した層の上に次のＸ、Ｙ層の印刷が可能になり、以下同様に繰り返される。 それぞれ新規に押し出された樹脂のビーズは、以前のＸ、Ｙ、Ｚ方向堆積積層に固化して３Ｄ ＣＡＤモデルに基づいた物理的な物体を徐々に造形することが可能ある。
過去に上記のタイプの３Ｄプリンターのいくつかの例が存在する。特許期間が満了した米国特許ＵＳ５１２１３２９ ＳｔｒａｔａｓｙｓのＭｒ．Ｃｒｕｍｐは３Ｄモデルの製造の基本的な形態は印刷ノズルから流動性を有する構築材料を押し出し、押し出された流動性のある材料は温度の低下とともに造形面に固化しうることを説明している。
上記特許は供給スプールに格納された柔軟なフィラメント造形材料を使用して、フィラメントが２個のローラーによってスプールから加熱されたノズルに引き出され、フィラメントは溶解し供給ローラーによって発生した圧力によりノズルから吐出される。
ＵＳ５７６４５２１ Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ ｅｔ．ａｌ．は、供給スクリューを用いて造形材料を供給する、代替方法を説明している。
ＵＳ５９６８５６１ Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ ａｌ．は、押出ノズルと造形面の相対運動について改善方法をを開示している。
最短の時間で可能な限り精密な造形解像度を達成することは３Ｄプリンターの共通目標である。 溶解フィラメント製造方式の３Ｄプリンターの場合、造形の解像度はノズルの直径および層の厚さに比例します。 造形の速度はノズル面積と毎秒当たり吐出される溶解した材料の最大体積によって決定され、ノズルから吐出される溶解材料の速度に比例する。
実際に造形の解像度はより小さなサイズのノズルにより２倍になるが造形速度は４倍のファクターで減速される。
この解像度と造形速度のジレンマは押出の速度の改善において重要な要因になる。
溶解フィラメント製造方式の３Ｄプリンターにおいてサブシステムのカギは押出機である。
ＵＳ５７６４５２１に説明されるスクリュータイプは押出機の一つの例であり、溶解した樹脂を高圧でノズルから吐出できる回転する供給スクリューによって、樹脂材料は加熱されたフィーダーに供給される。
この方式は一般的に高い吐出圧力を達成することができるが、重要な短所はＸＹ平面において加速度を制限し、したがって全体的な印刷速度を制限する押出機の重量である。その他の短所は３Ｄプリンターに組み込むことが困難な大きなサイズのスクリュー機構である。
より一般的で好まれて使用される別方式の押出機は、フィラメント供給ユニットを有するコールドエンドと加熱されたノズルを有するホットエンドで構成される。
フィーダーはフィラメント材料を供給ロールから引き込み、本質的に加熱管で構成される加熱されたノズルに圧力によって供給する。
フィーダーユニット設計は重要であり、いくつかの異形が知られている：駆動ピンチホイールとバネ与圧プレートまたはアイドラーホイールの間にフィラメントを直線的に供給する方法が最も一般的に使用されている。 ナーリング加工、歯付き加工、ホブ加工またはそれ以外の加工をしたピンチホイールはフィラメントに対する摩擦を高め結果的に駆動力を向上する為に施される。例えば凹面の歯形の歯付きのピンチホイールはフィラメントに対して点接触ではなく、好ましい線接触を提供する。高解像度でより高速な造形速度は、薄い溶解材料をより高速な供給速度での押出が求められる。
解像度の増加と押出速度の増加は共にフィラメントの保持表面積、結果的にフィラメントと供給機構の摩擦に相対的なノズル圧力を高める結果となる。
供給機構の滑りにより理論と実際の押出速度の間の差は増加する。現在の３Ｄプリンターの技術はＡＢＳ樹脂を使用した場合０．４ｍｍ径ノズルで８０ｍｍ／秒押出速度に相当する約１０ｍｍ^３／ｓの押出速度が限度である。
この制限を超えた場合、滑りは無視できなくなり、品質の低下や造形の中断を引き起こす。
供給機構において滑りがなくフィラメント材料の高い供給レートによって、小さなノズル径と高い押出速度を許容できる技術は有益である。 早い加速度、結果的に高い印刷速度を可能にするコンパクトで軽量な構造も有益である。

軽量な構造を持ち薄い押出材料を高い押出速度でフィラメント供給機構において全く滑りのない押出を可能にし、結果的に３Ｄプリンターの高速な造形速度を可能にする、溶解フィラメント製造方式３Ｄプリンターの改良された押出ヘッドを開示する。
フィラメント材料の高い供給レートは、ピンチホイールとフィラメントの有効摩擦をフィラメントの保持面積を増加することにより達成される。
これは出口角度と角度差のある供給機構に、フィラメントがピンチホイールの円周の多くの部分に摩擦接触するように、複数の支持ローラーによって背後から支持され、ピンチホイールの周りに誘導され、結果的にピンチホイールとフィラメント表面接触面積を増加するようにフィラメントを供給することによりなされる。
滑りのないフィラメント供給装置により押出された材料の公称体積は期待した体積と正確に一致する。

３Ｄプリンターの押出機とその他の主要部品を示す正面斜視図である。 押出機の正面斜視図である。 押出機の分解正面斜視図である。 押出機コールドエンド部の分解正面斜視図である。 押出機の断面図である。 押出機ホットエンド部の断面詳細図である。 フィラメントの接触角度１８０度の実施形態である。

図１は好ましい実施形態による３Ｄプリンター２７は造形面リニアガイド３５によって水平なＹ方向に移動できるようにガイドされている水平な造形面２９と水平なＸ方向と垂直なＺ方向に移動可能な水平梁構造３２に配置された押出機本体構造３とフィラメントロール支持梁構造３４の上に配置されたフィラメントロール２８は押出機本体構造３の最大動作範囲より上に位置し、自由にフィラメント２３を供給するため回転軸の上にあり、フィラメント取入口１４から押出機本体構造３に需要に応じ供給する。

図２と図３に示されるように、押出機は一般的にコールドエンド２５およびホットエンド２６から成り立つ。コールドエンド２５はフィラメント２３をフィラメントロール２８から引き込むフィラメント供給機構を収納する押出機本体構造３から成り立ち、ヒーター２１の発熱によりフィラメントを液化するヒーターブロック１９のホットエンドパイプ１６を介してホットエンド２６に押し込む。温度は温度センサー２０によって監視され、明示されていないコンピューター制御装置にフィードバックされる。
ステッピングモーター１はモーター取り付け構造２に搭載され押出機本体構造３に接続されている。コールドエンド放熱板７と冷却ファン６はモーターマウント２に接続されている。

今、押出機本体構造３とフィーダー ユニットの詳細の為に図４と図５を参照する。押出機本体構造３の内部にステッピング モーター１で駆動されるウォームギア４が配置されている。 ウォームギヤ４はピンチホイールシャフト１１を介してピンチホイール１０に接続されているウォーム ホイール１２を駆動する。ピンチ ホイール１０はフィラメント２３を押し引きする力を最大限にするグリップ、好ましくは歯、を備えている。ピンチホイール１０の外側の加工シャフト上には９で示される３個の支持ローラーが配置されている。支持ローラー９ａ、９ｂ、９ｃの好ましい実施形態は好ましくは同じサイズのボールベアリングで、好ましくはピンチホイール１０から支持ローラー中心距離ｄ３１に等しい円弧に沿って均等に分布し、それらの間のギャップがピンチホイール１０がフィラメント２３に対して適切な駆動摩擦を与えるために十分きつくフィラメント２３を受けてガイドするのに適した導管を形成する。そこにはフィラメント２３がフィラメント導管を通る道を見出すことを補助する為にフィラメントガイド溝３９を追加してもよい。支持ローラー９ａ，９ｂ，９ｃの中心点とピンチホイール１０の中心点はフィラメント接触角ｖ３０を定義する。フィラメント接触角ｖ３０はフィラメント２３上のピンチホイール１０による全把握可能領域を定義する。ピンチホイール１０とフィラメント２３間の力は支持ローラー９ａ，９ｂ，９ｃとピンチホイール１０のギャップによって定義される。ギャップはピンチホイール１０が支持ローラー９ａ−９ｃのサポート力に対してフィラメントに食い込むようにフィラメント２３のサイズより小さい。したがってフィラメント２３におけるピンチホイール１０の全利用可能な押し引き力を定義するものはフィラメント接触角ｖ３０とピンチホイール１０と支持ローラー９ａ，９ｂ，９ｃ間のギャップによって定義される。

ホットエンドの詳細について図５を参照する。フィラメント２３は２４に示されるフィラメント出口の方向に沿って供給ユニットからホットエンド パイプ１６の中に押し出される。ホットエンドパイプ１６はフィラメントをそれが固体状態であるコールドエンド２５からヒーターブロック１９の中のヒーター２１による発熱によって液化されるホットエンド２６に導かれる。コールドエンド２５をホットエンド２６の高温から分離するために、ホットエンド パイプ１６から熱を取り除くためのホットエンド ヒートシンク１８と押し出機本体構造３をホットエンドパイプ１６とホットエンド ヒートシンク１８の残りの熱から絶縁する断熱材１７がある。

押出機本体構造３の別の形態において、当業者であれば一般的に９に示される支持ローラーの数はそのサイズまたは望みのフィラメント接触角ｖ３によって変化することは明白なはずである。したがって支持ローラー９間の距離は必要に応じて短い場合や長い場合がある。例えば３個の支持ローラー９ａ，９ｂ，９ｃの代わりに４個または５個の支持ローラーを希望するフィラメント接触角ｖ３０を埋めるために使用できることが想像できる。
同様にフィラメント接触ｖ３０がもし１個だけの支持ローラーを使用したよりも長ければ２個だけの支持ローラーを使用することも想像できる。もし１８０度のように大きなフィラメント接触角ｖ３０が必要な場合は図７に示されるように６個の多くの支持ローラー９が必要かもしれない。この場合６個の支持ローラー９で１８０度のフィラメント接触角ｖ３０を与える為に、支持ローラー９ｅはフィラメント２３の十分大きな曲げ半径を許容する為により大きくなければならない。

押出機本体構造３のさらなる一つの代替実施形態においては、低摩擦の一般的なサポート手段によって一般に示されている支持ローラー９を代替えすることができるであろう。たとえば、円弧状のガイドによりフィラメント接触角ｖ３０上でピンチホイール１０に対してまだ十分な圧力を提供しながらフィラメント２３に対して低摩擦でフィラメント２３をサポートするように設計される。例えば低摩擦のＰＴＦＥコーティングまたは表面がよく磨かれた鋼製のガイドによって達成できる。

また別の押出機本体構造の実施形態において、ピンチホイール１０とフィラメント２３間の摩擦はいくつかの方法、例えばピンチホイール１０の表面をナール加工、歯付き加工、ホブ加工、又は摩擦力を高めるための表面処理、によって最大化できることは当業者によく知られている。

押出機本体構造３の最後の実施形態は、支持ローラ９またはサポートで例えばスプリング加圧によってピンチホイール１０に対して制御された圧力を供給する。

１．ステッピングモーター ２１．ヒーター
２．モーター取付構造 ２２．ノズル
３．押出機本体構造 ２３．フィラメント
４．ウォーム ギヤ ２４．フィラメント出口の方向
５．押出機取付構造 ２５．コールドエンド
６．冷却ファン ２６．ホットエンド
７．コールドエンド放熱板 ２７．３Ｄプリンター
８．８ａ カバーＡ、８ｂ カバーＢ ２８．フィラメント ロール
９．９ａ−９ｆ支持ローラ ２９．造形面
１０． ピンチ ホイール ３０．フィラメント接触角ｖ
１１．ピンチ ホイール シャフト ３１．支持ローラー中心距離ｄ
１２．ウォーム ホイール ３２．水平梁構造
１３．ウォーム ホイール ベアリング ３３．垂直梁構造
１４．フィラメント取入口 ３４．フィラメント ロール支持梁構造
１５．ピンチ ホイール ベアリング ３５．造形面 リニアガイド
１６．ホットエンド パイプ ３６．部分的に溶融した樹脂
１７．断熱材 ３７．溶融した樹脂
１８．ホットエンド ヒートシンク ３８．押し出された溶融樹脂
１９．ヒーター ブロック ３９．フィラメント ガイド溝
２０．温度センサー ４０．フィラメント ガイド チューブ
４１．フィラメント 入口の方向

Claims (11)

1. 溶解フィラメント製造方式の３Ｄプリンター用の押出ヘッド押出機であって、
   フィラメント取入口、駆動ピンチホイール、ピンチホイールとサポートローラーの間に円弧状フィラメント導管を形成するためにピンチホイールの外側に配置された複数のサポートローラーによって構成されるフィラメント送り装置を持ちピンチホイールから一定間隔に配置されたサポートローラーはフィラメントをピンチホイールとの摩擦接触によりフィラメント導管に沿って導入しガイドする。
   最も外側にある２つのサポートのローラーとピンチホイールの中心点はピンチホイールとフィラメント材料間の使用可能な摩擦領域を最大限にする接触角を定義する。
2. 請求項１に記載のフィラメント送り装置であって、
   フィラメント接触角は３０〜１８０度の間である。
3. 請求項１に記載のフィラメント送り装置であって、
   ナーリング加工、ホブ加工または歯付き加工をしたピンチホイールはフィラメントに最適な牽引力を提供する。
4. 請求項１に記載のフィラメント送り装置であって、サポートローラーの少なくとも１つがピンチホイールに対してスプリングで負荷をかける。
5. 請求項１に記載のフィラメント送り装置であって、少なくとも１つのサポートローラーとピンチホイール間の距離は調整可能である。
6. 請求項１に記載のフィラメント送り装置であって、
   ガイドは最初にフィラメント導管を通過する正しい経路を見い出しフィラメントをガイドするための円弧状のフィラメント導管に沿って提供される。
7. 溶解フィラメント製造方式の３Ｄプリンター用の押出ヘッド押出機であって、
   フィラメント取入口、駆動ピンチホイール、ピンチホイールとサポートの間に円弧状フィラメント導管を形成するためにピンチホイールの外側に配置されたサポートによって構成されるフィラメント送り装置を持ち
   ピンチホイールから一定間隔に配置されたサポートは、フィラメントをピンチホイールとの摩擦接触によりフィラメント導管に沿って導入しガイドする。
   サポートの円弧の長さはフィラメントの接触角を定義する。
8. 請求項７に記載のフィラメント送り装置であって、
   フィラメント接触角は３０〜１８０度の間である。
9. 請求項７に記載のフィラメント送り装置であって、
   ナーリング加工、ホブ加工またはは歯付き加工をしたピンチホイールはフィラメントに最適な摩擦を提供する。
10. 請求項７に記載のフィラメント送り装置であって、
    サポートがピンチホイールに対してスプリングで負荷をかける。
11. 請求項７に記載のフィラメント送り装置であって、
    サポートとピンチホイール間の距離は調整可能である。

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