JP6892983B2 - 3D printer and 3D modeling method - Google Patents

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Description

本発明は、3次元オブジェクト(立体物)を造形する3Dプリンタ及び3次元造形方法に関するものであり、特に熱溶融積層方式の3Dプリンタ及び3次元造形方法の改良に関する。 The present invention relates to a 3D printer for modeling a three-dimensional object (three-dimensional object) and a three-dimensional modeling method, and particularly to an improvement of a fused deposition modeling 3D printer and a three-dimensional modeling method.

3次元オブジェクトの形成方法として、いわゆる3Dプリンタが注目されており、これまで実現することが難しかった複雑な形状の3次元オブジェクトも簡単に作製可能になってきている。3Dプリンタを用いれば、樹脂や金属等、任意の材料を積み重ねていくことにより、通常の方法では実現不可能な形状であっても加工することが可能である。 A so-called 3D printer has been attracting attention as a method for forming a three-dimensional object, and it has become possible to easily create a three-dimensional object having a complicated shape, which has been difficult to realize until now. By using a 3D printer, it is possible to process even a shape that cannot be realized by a normal method by stacking arbitrary materials such as resin and metal.

3Dプリンタには、いくつかの方式のものが知られており、その中で樹脂製のフィラメントを押し出して積層堆積させる方式(熱溶融積層方式)のものは、コスト面で有利であること等から、各方面で開発が進められている(例えば、特許文献1や特許文献2等を参照)。 Several types of 3D printers are known, and among them, the method of extruding resin filaments and laminating and depositing them (Fused Deposition Modeling) is advantageous in terms of cost and the like. , Development is underway in various fields (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

例えば、特許文献1の積層造形システムでは、造形材料であるフィラメントを押し出しヘッドに供給し、押し出しヘッドに搭載される液化機にてフィラメントを溶融し、ノズルを通して、溶融したフィラメントをベース上に押し出す。押し出しヘッド及びベースは、3Dモデルを形成するために相対的に移動し、多数の線状及び層状の材料を積層していき、3Dモデルを製造する。 For example, in the laminated modeling system of Patent Document 1, a filament, which is a modeling material, is supplied to an extrusion head, the filament is melted by a liquefier mounted on the extrusion head, and the molten filament is extruded onto a base through a nozzle. The extrusion head and base move relatively to form a 3D model, laminating a large number of linear and layered materials to produce a 3D model.

特許文献2には、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ改質ABS材料を送出することと、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で、送出された改質ABS材料を押出ヘッドにおいて溶融することと、3Dオブジェクトを形成するために、溶融された熱可塑性プラスチック材料を一層毎に堆積させることとを含む3Dオブジェクトを構築する方法が開示されている。 Patent Document 2 describes that the modified ABS material is delivered to the extrusion head of a laminated deposition system by extrusion, and the delivered modified ABS material is melted in the extrusion head under conditions that improve the response time of the extrusion head. Disclosed is a method of constructing a 3D object, which comprises depositing a molten thermoplastic material layer by layer to form the 3D object.

この種の方法では、樹脂材料を溶融堆積するというのが基本的な考えであり、原料素材として樹脂のフィラメントが用いられる。特許文献3や特許文献4には、原料素材として用いる樹脂フィラメントや、その供給方法等についての開示がある。 In this type of method, the basic idea is to melt and deposit a resin material, and a resin filament is used as a raw material. Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose a resin filament used as a raw material, a method for supplying the same, and the like.

特許文献3には、3次元物体を作成するための組成物が開示されているが、造形物を作製する押出機では、押出ヘッドに可撓性フィラメントとして供給している。フィラメントは、押出ヘッドが携帯する液化機内で溶融される。液化機は凝固点よりもわずかに高い温度にフィラメントを加熱して、これを溶融状態にする。溶融材料は液化機のオリフィスを通じて台座上に押し出される。 Patent Document 3 discloses a composition for producing a three-dimensional object, but in an extruder for producing a modeled object, it is supplied as a flexible filament to an extrusion head. The filament is melted in a liquefier carried by the extrusion head. The liquefier heats the filament to a temperature slightly above the freezing point to bring it into a molten state. The molten material is extruded onto the pedestal through the orifice of the liquefier.

特許文献4には、3次元堆積モデリング機械内でフィラメントを供給するフィラメントカセットおよびフィラメントカセット受器が開示されている。特許文献3では、フィラメントを簡便な様態でモデリング機械に係合および分離する方法を提供し、環境における湿気からフィラメントを保護する態様で実現され得るようにしている。 Patent Document 4 discloses a filament cassette and a filament cassette receiver that supply filaments in a three-dimensional deposition modeling machine. Patent Document 3 provides a method for engaging and disengaging a filament in a modeling machine in a convenient manner so that it can be realized in a manner of protecting the filament from moisture in the environment.

特表2009−500194号公報Special Table 2009-500194 特表2010−521339号公報Special Table 2010-521339 特許5039549号公報Japanese Patent No. 5039549 特許4107960号公報Japanese Patent No. 4107960

ところで、熱溶融積層方式の3Dプリンタでは、樹脂材料からなるフィラメントを加熱して溶融し、造形用ヘッドのノズルから押し出す必要がある。この時、ヒータの熱によりヒータ近傍のフィラメントが加熱され、フィラメントの円滑な供給の妨げになることがある。例えば、ヒータの熱によりフィラメントが樹脂材料のガラス転移温度以上に加熱されると、フィラメントが軟らかくなって座屈する。その結果、フィラメントがフィラメント供給路の壁面と接触して摩擦力が発生し、造形用ヘッドのノズルにフィラメントを円滑に供給できなくなる。 By the way, in a 3D printer of the Fused Deposition Modeling method, it is necessary to heat and melt a filament made of a resin material and extrude it from a nozzle of a modeling head. At this time, the heat of the heater heats the filament in the vicinity of the heater, which may hinder the smooth supply of the filament. For example, when the filament is heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the resin material by the heat of the heater, the filament becomes soft and buckles. As a result, the filament comes into contact with the wall surface of the filament supply path to generate a frictional force, and the filament cannot be smoothly supplied to the nozzle of the modeling head.

また、フィラメントの供給は、フィラメント送り機構において、フィラメントをギアで噛み込んで行うが、ヒータの熱の影響によりフィラメントが軟らかくなると、ギアがフィラメントを噛み込まず、押し出すことができなくなるおそれもある。 Further, the filament is supplied by biting the filament with a gear in the filament feeding mechanism, but if the filament becomes soft due to the influence of the heat of the heater, the gear may not bite the filament and may not be able to push it out.

本発明は、係る従来の実情に鑑みて提案されたものであり、フィラメントの円滑な供給が可能な3Dプリンタを提供することを目的とし、さらには3次元造形方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the conventional circumstances, and an object of the present invention is to provide a 3D printer capable of smoothly supplying filaments, and further, an object of the present invention is to provide a three-dimensional modeling method. ..

前述の目的を達成するために、本発明の3Dプリンタは、樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3Dプリンタであって、フィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するフィラメント送り機構を有するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間に少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構を有し、前記冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子が配されていることを特徴とする。あるいは、前記冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管が配されていることを特徴とする。さらには、前記フィラメントが巻回されたカートリッジが冷却庫内に収容され、供給されるフィラメントが予め冷却されることを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the 3D printer of the present invention is a fused deposition modeling method in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a molding head, extruded from a nozzle, and laminated. The 3D printer has a filament feeding mechanism that bites the filament with a gear and supplies it to the nozzle, and at least has a cooling mechanism that cools the filament between the filament feeding mechanism and the heater, and the cooling mechanism. It is characterized in that a heat radiating fin and a Perche element in contact with the heat radiating fin are arranged around the filament. Alternatively, as the cooling mechanism, a cooling pipe through which a refrigerant flows is arranged around the filament. Further, the cartridge in which the filament is wound is housed in the cooling chamber, and the supplied filament is cooled in advance.

また、本発明の3次元造形方法は、樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3次元造形方法であって、フィラメント送り機構によりフィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するとともに、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子を配し、少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする。あるいは、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管を配し、少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする。さらには、前記フィラメントが巻回されたカートリッジを冷却庫内に収容し、供給されるフィラメントを予め冷却することを特徴とする。 Further, the three-dimensional modeling method of the present invention is a three-dimensional modeling method of a hot melt lamination method in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form the filament. Therefore, the filament is bitten by a gear by the filament feeding mechanism and supplied to the nozzle, and at least a heat radiation fin and a Perche element in contact with the heat radiation fin are arranged around the filament as a cooling mechanism for cooling the filament, and at least the filament is It is characterized by cooling. Alternatively, at least as a cooling mechanism for cooling the filament, a cooling pipe through which a refrigerant flows is arranged around the filament to cool at least the filament. Further, the cartridge in which the filament is wound is housed in a cooling chamber, and the supplied filament is cooled in advance.

樹脂材料からなるフィラメントを冷却することで、ヒータの熱の影響により軟化することがなくなり、フィラメントの硬度が維持される。そのため、フィラメントの座屈による摩擦力の発生が解消され、フィラメントはギアに確実に噛み込まれる。 By cooling the filament made of the resin material, it is not softened by the influence of the heat of the heater, and the hardness of the filament is maintained. Therefore, the generation of frictional force due to the buckling of the filament is eliminated, and the filament is surely bitten into the gear.

本発明によれば、造形用ヘッドのヒータの熱の影響によるフィラメントの軟化を抑制することができ、フィラメントの円滑な供給が可能である。 According to the present invention, it is possible to suppress the softening of the filament due to the influence of the heat of the heater of the modeling head, and the filament can be smoothly supplied.

3Dプリンタの概略構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the schematic structure of the 3D printer. 造形用ヘッドの一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows an example of the modeling head schematically. 冷却機構を示す図であり、(A)は放熱フィンを設けた例、(B)はペルチェ素子を設けた例、(C)は水冷機構を設けた例をそれぞれ示す。It is a figure which shows the cooling mechanism, (A) shows the example which provided the heat radiation fin, (B) shows the example which provided the Perche element, (C) shows the example which provided the water cooling mechanism. フィラメントのカートリッジを冷却庫に収容した3Dプリンタの一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the 3D printer which housed a filament cartridge in a cool box. 装置全体を冷却庫に収容した3Dプリンタの一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the 3D printer which housed the whole apparatus in a cooler. 造形用ヘッドを含む造形部が冷却庫内に収容され、フィラメントのカートリッジが冷却庫外に設置された3Dプリンタの一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of a 3D printer in which a modeling part including a modeling head is housed in a cooling cabinet, and a filament cartridge is installed outside the cooling cabinet.

以下、本発明の3Dプリンタ及び3次元造形方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the 3D printer and the three-dimensional modeling method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
本実施形態の3Dプリンタは、造形用ヘッドに冷却機構を設け、樹脂材料からなるフィラメントを冷却するようにしたものである。
(First Embodiment)
In the 3D printer of the present embodiment, a cooling mechanism is provided in the modeling head to cool the filament made of the resin material.

先ず、3Dプリンタの概要について説明する。その基本的な仕組みは、コンピュータで作成した3Dデータを設計図として、断面形状を積層していくことで立体物すなわち3D(三次元)オブジェクトを作成するものである。その方法としては、例えば、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていくインクジェット方式、粉末の樹脂に接着剤を吹きつけていく粉末固着方式、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく熱溶融積層方式等が知られているが、本実施形態の3Dプリンタは熱溶融積層方式のものであり、成形のための原料として、樹脂材料からなるフィラメントが使用される。 First, the outline of the 3D printer will be described. The basic mechanism is to create a three-dimensional object, that is, a 3D (three-dimensional) object by stacking cross-sectional shapes using 3D data created by a computer as a design drawing. As the method, for example, an inkjet method in which a liquid resin is irradiated with ultraviolet rays or the like and gradually cured, a powder fixing method in which an adhesive is sprayed on a powder resin, and a resin melted by heat are stacked little by little. Although the Fused Deposition Modeling method is known, the 3D printer of the present embodiment is of the Fused Deposition Modeling method, and a filament made of a resin material is used as a raw material for molding.

図1は、3Dプリンタの一例を示す図である。本例の3Dプリンタは、駆動機構1によって3次元駆動される造形用ヘッド2と、当該造形用ヘッド2に樹脂材料からなるフィラメント3を供給するカートリッジ4とを主要な構成部材とする。カートリッジ4に巻回されるフィラメント3は、前記造形用ヘッド2へと導かれ、加熱溶融されて造形用ヘッド2のノズル2Aから押し出され、これを堆積し冷却することで基台5上に3次元造形物Mが成形される。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a 3D printer. The 3D printer of this example has a modeling head 2 that is three-dimensionally driven by a driving mechanism 1 and a cartridge 4 that supplies a filament 3 made of a resin material to the modeling head 2 as main constituent members. The filament 3 wound around the cartridge 4 is guided to the modeling head 2, heated and melted, extruded from the nozzle 2A of the modeling head 2, and deposited and cooled to 3 on the base 5. The dimensional model M is molded.

フィラメント3を構成する樹脂材料としては、加熱により軟化する熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、押し出し可能な材質であれば良く、フィラメントに付与する機能に応じて適宜選択することができる。例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂(ABS樹脂)の他、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテルなどの非晶性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリビニルアルコールなどの結晶性樹脂、オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系の熱可塑性エラストマー、及びそれらの混合物が好適に用いられる。さらに、カーボンブラック、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ナノクレイ、マグネシウムなどの無機系の添加剤、酸化防止剤、滑剤、着色剤などを適宜混合することができる。 As the resin material constituting the filament 3, a thermoplastic resin that softens by heating is used. The thermoplastic resin may be any material that can be extruded, and can be appropriately selected depending on the function imparted to the filament. For example, in addition to acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS resin), amorphous resins such as polystyrene, polyvinyl chloride, polymethylmethacrylate, polycarbonate, and modified polyphenylene ether, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyester, and polyamide. , Crystalline resins such as polyvinyl alcohol, olefin-based, styrene-based, polyester-based thermoplastic elastomers, and mixtures thereof are preferably used. Further, inorganic additives such as carbon black, carbon fiber, glass fiber, talc, mica, nanoclay and magnesium, antioxidants, lubricants, colorants and the like can be appropriately mixed.

このような熱可塑性樹脂をフィラメント3の樹脂材料として使用する場合、造形用ヘッド2において熱の影響を受け、フィラメント3の円滑な供給ができなくなることがある。 When such a thermoplastic resin is used as the resin material of the filament 3, the molding head 2 may be affected by heat and the filament 3 may not be smoothly supplied.

図2は、造形用ヘッド2の構成例を示すものである。造形用ヘッド2は、前述の通り加熱溶融された樹脂材料を押し出すノズル2Aを備えるものであり、さらに、ノズル2Aの手前(フィラメント3の送り方向における上流側)には、フィラメント3を加熱するヒータ2Bを備える。フィラメント3はヒータ2Bにより加熱され、溶融状態でノズル2Aに送り込まれる。また、フィラメント3をノズル2Aへと送り込むフィラメント送り機構として、ヒータ2Bの手前位置にギア2Cが設けられている。加熱溶融前のフィラメント3は、これらギア2Cによって噛み込まれ、ギア2Cが回転することによりノズル2Aへと送り込まれる。 FIG. 2 shows a configuration example of the modeling head 2. The modeling head 2 is provided with a nozzle 2A for extruding the heat-melted resin material as described above, and further, in front of the nozzle 2A (upstream side in the feeding direction of the filament 3), a heater for heating the filament 3 is provided. It is equipped with 2B. The filament 3 is heated by the heater 2B and sent to the nozzle 2A in a molten state. Further, as a filament feeding mechanism for feeding the filament 3 to the nozzle 2A, a gear 2C is provided at a position in front of the heater 2B. The filament 3 before heating and melting is bitten by these gears 2C, and is sent to the nozzle 2A by rotating the gear 2C.

この時、造形用ヘッド2に設けられたヒータ2Bからの熱により、ヒータ2Bの手前においてフィラメント3が軟化することがある。フィラメント3は熱可塑性樹脂により形成されており、ヒータ2Bの熱によりガラス転移温度Tg以上になると軟化する。フィラメント3が軟化すると、フィラメント3が座屈し易くなり、座屈したフィラメント3がヒータ2Bの手前のフィラメント供給路2Dの壁面と接触して摩擦力が発生し、造形用ヘッドのノズルにフィラメントを円滑に供給できなくなるおそれがある。 At this time, the filament 3 may be softened in front of the heater 2B due to the heat from the heater 2B provided on the modeling head 2. The filament 3 is made of a thermoplastic resin and softens when the glass transition temperature becomes Tg or higher due to the heat of the heater 2B. When the filament 3 is softened, the filament 3 is likely to buckle, and the buckled filament 3 comes into contact with the wall surface of the filament supply path 2D in front of the heater 2B to generate a frictional force, and the filament is smoothly moved to the nozzle of the modeling head. May not be able to be supplied to.

これを防ぐために、本実施形態の3Dプリンタの造形用ヘッド2においては、フィラメント送り機構であるギア2Cからヒータ2Bの間の経路に放熱フィン6を設置し、空冷によりフィラメント3を冷却するようにしている。放熱フィン6に風を送ることで、空冷される。冷却によりフィラメント3は硬度を保ち、座屈等による不都合が解消される。 In order to prevent this, in the modeling head 2 of the 3D printer of the present embodiment, the heat radiation fins 6 are installed in the path between the gear 2C which is the filament feeding mechanism and the heater 2B, and the filament 3 is cooled by air cooling. ing. By sending wind to the heat radiating fin 6, it is air-cooled. By cooling, the filament 3 maintains its hardness, and inconveniences due to buckling and the like are eliminated.

ただし、例えばフィラメント3に使用する樹脂材料のガラス転移温度Tgが低い場合、ギア2Cにより押し出す前に軟化してしまうことがあり、ギア2Cがフィラメント3を噛み込まず、フィラメント3を送り出せなくなるおそれもある。フィラメント3を構成する樹脂材料のガラス転移温度Tgが40℃以下であるような場合(例えばガラス転移温度Tgが25℃や35℃である場合)にこのような課題が問題となる。 However, for example, when the glass transition temperature Tg of the resin material used for the filament 3 is low, the resin material may be softened before being extruded by the gear 2C, and the gear 2C may not bite the filament 3 and may not be able to feed the filament 3. is there. When the glass transition temperature Tg of the resin material constituting the filament 3 is 40 ° C. or lower (for example, when the glass transition temperature Tg is 25 ° C. or 35 ° C.), such a problem becomes a problem.

3Dプリンタにおいては、造形用の樹脂材料として形状記憶樹脂を用いることがある。形状記憶樹脂は、成形形状と変形形状とを熱による温度操作で使い分けることのできる樹脂である。形状記憶樹脂の成形体は、形状記憶樹脂のガラス転移温度(Tg)以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度で変形を加え、その形状を保持した状態でガラス転移温度以下まで冷却することにより、変形形状を固定し、また、ガラス転移温度以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度に加熱することにより、元の成形形状を回復する。形状記憶樹脂としては、ノルボルネン系ポリマーや、トランスポリイソプレン系ポリマー、スチレン−ブタジエン系ポリマー、ウレタン系ポリマー等が知られている。 In a 3D printer, a shape memory resin may be used as a resin material for modeling. The shape memory resin is a resin capable of properly using a molded shape and a deformed shape by temperature control by heat. The shaped body of the shape memory resin is deformed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature (Tg) of the shape memory resin, lower than the melting temperature, or lower than the decomposition temperature, and cooled to the glass transition temperature or lower while maintaining the shape. , The deformed shape is fixed, and the original molded shape is restored by heating to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature, lower than the melting temperature, or lower than the decomposition temperature. Known shape memory resins include norbornene-based polymers, transpolyisoprene-based polymers, styrene-butadiene-based polymers, and urethane-based polymers.

これらの形状記憶樹脂として、ガラス転移温度Tgが40℃以下のものがあり、このような低ガラス転移温度の形状記憶樹脂を造形材料として用いる場合に前記課題が大きな問題となる。 Some of these shape memory resins have a glass transition temperature Tg of 40 ° C. or less, and when such a shape memory resin having a low glass transition temperature is used as a modeling material, the above-mentioned problem becomes a big problem.

この問題を解消するためには、ギア2Cを通過後に冷却によりフィラメント3が座屈しない程度の硬度を保つことの他、ギア2C到達時にフィラメント3がガラス転移温度Tg以下である硬質であること、満たす必要がある。そこで、本実施形態の3Dプリンタでは、ギア2Cからヒータ2Bの間の経路に加えて、ギア2Cの手前位置にも冷却機構を設けることとする。 In order to solve this problem, in addition to maintaining the hardness such that the filament 3 does not buckle due to cooling after passing through the gear 2C, the filament 3 must be hard so that the glass transition temperature is Tg or less when the gear 2C is reached. Need to meet. Therefore, in the 3D printer of the present embodiment, in addition to the path between the gear 2C and the heater 2B, a cooling mechanism is provided at a position in front of the gear 2C.

図3(A)〜図3(C)に、ギア2Cからヒータ2Bの間の経路に加えて、ギア2Cの手前位置にも冷却機構を設けた造形用ヘッド2の構成例を示す。 3 (A) to 3 (C) show a configuration example of the modeling head 2 provided with a cooling mechanism in front of the gear 2C in addition to the path between the gear 2C and the heater 2B.

例えば図3(A)に示す例では、ギア2Cからヒータ2Bの間の経路に空冷のための放熱フィン6を設けるとともに、ギア2Cの手前位置にも放熱フィン7を設けている。図3(B)に示す例では、前記放熱フィン6,7に加え、これら放熱フィン6,7に接してペルチェ素子8,9を設けている。図3(C)に示す例は、ギア2Cからヒータ2Bの間の経路、及びギア2Cの手前位置において、フィラメント3の周囲に水冷のための冷却管10を配したものである。冷却管10に水等の冷媒を流すことで、フィラメント3が冷却される。 For example, in the example shown in FIG. 3A, the heat radiation fins 6 for air cooling are provided in the path between the gear 2C and the heater 2B, and the heat radiation fins 7 are also provided in front of the gear 2C. In the example shown in FIG. 3B, in addition to the heat radiation fins 6 and 7, the perche elements 8 and 9 are provided in contact with the heat radiation fins 6 and 7. In the example shown in FIG. 3C, a cooling pipe 10 for water cooling is arranged around the filament 3 in the path between the gear 2C and the heater 2B and in front of the gear 2C. The filament 3 is cooled by flowing a refrigerant such as water through the cooling pipe 10.

このように、ギア2Cからヒータ2Bの間の経路に加えて、ギア2Cの手前位置にも冷却機構を設けることで、フィラメント3が低ガラス転移温度Tgの樹脂材料で形成されている場合においても、フィラメント3はヒータ2Bに至るまで低温に保たれ、硬度が維持される。したがって、ギア2Cによる噛み込みが円滑に行われ、フィラメント3の送り出しが円滑に行われる。また、ギア2Cからヒータ2Bまでの間においてもフィラメント3の硬度が保たれ、座屈による摩擦力の増加等の不都合が生ずることもない。 In this way, by providing a cooling mechanism in front of the gear 2C in addition to the path between the gear 2C and the heater 2B, even when the filament 3 is made of a resin material having a low glass transition temperature Tg. The filament 3 is kept at a low temperature up to the heater 2B, and the hardness is maintained. Therefore, the gear 2C is smoothly engaged and the filament 3 is smoothly fed. Further, the hardness of the filament 3 is maintained between the gear 2C and the heater 2B, and inconveniences such as an increase in frictional force due to buckling do not occur.

なお、前述の各冷却機構は、これを設置していない場合に比べて相対的に温度を下げ得るものであれば如何なるものであってもよい。冷却温度も任意であるが、特に、冷却機構によりヒータ2b近傍(あるいはギア2C近傍)におけるフィラメント3の温度が樹脂材料のガラス転移温度Tg未満の温度となるように冷却することが好ましい。 It should be noted that each of the above-mentioned cooling mechanisms may be any one as long as the temperature can be relatively lowered as compared with the case where the cooling mechanism is not installed. The cooling temperature is also arbitrary, but it is particularly preferable that the cooling mechanism cools the filament 3 in the vicinity of the heater 2b (or in the vicinity of the gear 2C) so that the temperature of the filament 3 is less than the glass transition temperature Tg of the resin material.

(第2の実施形態)
先の実施形態においては、造形用ヘッド2に冷却機構を設ける構成としたが、この場合、造形用ヘッド2の重量が増加し、造形用ヘッド2の駆動機構1等への負荷が増加するおそれがある。
(Second embodiment)
In the above embodiment, the modeling head 2 is provided with a cooling mechanism, but in this case, the weight of the modeling head 2 increases, and the load on the drive mechanism 1 and the like of the modeling head 2 may increase. There is.

そこで、本実施形態では、造形用ヘッド2に冷却機構を設けるのではなく、フィラメント3が巻回されたカートリッジ4を冷却することで、フィラメント3の硬度を維持するようにしている。具体的には、図4に示すように、フィラメント3のカートリッジ4を冷却庫11内に収容する構成としている。 Therefore, in the present embodiment, the hardness of the filament 3 is maintained by cooling the cartridge 4 around which the filament 3 is wound, instead of providing the modeling head 2 with a cooling mechanism. Specifically, as shown in FIG. 4, the cartridge 4 of the filament 3 is housed in the cooling cabinet 11.

冷却庫11内の温度は、造形用ヘッド2のヒータ2Bで加熱されるまでフィラメント3が硬度を保ち得る温度に設定すればよい。供給されるフィラメント3の温度が造形用ヘッド2のヒータ2Bに至るまでガラス転移温度Tg以下に保たれれば、ギア2Cの噛み込みによる送り出しが円滑に行われ、座屈することなくヒータ2Bで加熱され、ノズル2Aへと供給される。 The temperature inside the cooling chamber 11 may be set to a temperature at which the filament 3 can maintain its hardness until it is heated by the heater 2B of the modeling head 2. If the temperature of the supplied filament 3 is kept below the glass transition temperature Tg up to the heater 2B of the modeling head 2, the gear 2C is smoothly delivered by biting and heated by the heater 2B without buckling. Is supplied to the nozzle 2A.

本実施形態の3Dプリンタのように、フィラメント3のカートリッジ4を冷却庫11で冷却するような構成とする場合、冷却庫11をオプションパーツとすれば、様々な3Dプリンタに適用することができ、簡単に普及させることができるという利点がある。 When the cartridge 4 of the filament 3 is cooled by the cooler 11 like the 3D printer of the present embodiment, if the cooler 11 is an optional part, it can be applied to various 3D printers. It has the advantage that it can be easily disseminated.

(第3の実施形態)
本実施形態の3Dプリンタは、装置全体を冷却庫内に収容し、フィラメント3を冷却するようにしたものである。図5に示すように、フィラメント3のカートリッジ4から、駆動機構1、造形用ヘッド2、基台5までを含めて、装置全体が冷却庫20内に収容されている。このような構成とすることにより、フィラメント3をヒータ2Bで加熱するまで確実に低温に保つことができ、フィラメント3の円滑な供給を実現することができる。なお、前記構成において、図6に示すように、フィラメント3が巻回されたカートリッジ4を冷却庫20の外に設置し、造形用ヘッド2を含む3次元造形物Mの造形部が冷却庫20内に収容されるようにすることも可能である。
(Third Embodiment)
In the 3D printer of the present embodiment, the entire apparatus is housed in a cool box to cool the filament 3. As shown in FIG. 5, the entire apparatus including the cartridge 4 of the filament 3 to the drive mechanism 1, the modeling head 2, and the base 5 is housed in the cooling cabinet 20. With such a configuration, the filament 3 can be reliably kept at a low temperature until it is heated by the heater 2B, and a smooth supply of the filament 3 can be realized. In the above configuration, as shown in FIG. 6, the cartridge 4 around which the filament 3 is wound is installed outside the cooling cabinet 20, and the modeling portion of the three-dimensional modeled object M including the modeling head 2 is the cooling cabinet 20. It is also possible to be housed inside.

本実施形態の場合、フィラメント3をヒータ2Bで加熱するまで確実に低温に保つことができるという効果が得られる他、造形エリア(基台5や3次元造形物M)まで冷却することができ、ノズル2Aから出た後の樹脂材料を冷却して、造形速度を向上するという効果も得ることができる。 In the case of the present embodiment, the effect that the filament 3 can be surely kept at a low temperature until it is heated by the heater 2B can be obtained, and the molding area (base 5 or the three-dimensional modeled object M) can be cooled. It is also possible to obtain the effect of improving the molding speed by cooling the resin material after it comes out of the nozzle 2A.

以上、本発明を適用した実施形態についてを説明してきたが、本発明が前述の実施形態に限られるものでないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。 Although the embodiments to which the present invention is applied have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. It is possible.

1 駆動機構
2 造形用ヘッド
2A ノズル
2B ヒータ
2C ギア
2D フィラメント供給路
3 フィラメント
4 カートリッジ
5 基台
6,7 放熱フィン
8,9 ペルチェ素子
10 冷却管
11,20 冷却庫
1 Drive mechanism 2 Modeling head 2A Nozzle 2B Heater 2C Gear 2D Filament supply path 3 Filament 4 Cartridge 5 Base 6,7 Heat dissipation fins 8,9 Perche element 10 Cooling pipe 11,20 Cooler

Claims (9)

樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3Dプリンタであって、
フィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するフィラメント送り機構を有するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間に少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構を有し、
前記冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子が配されていることを特徴とする3Dプリンタ。
This is a Fused Deposition Modeling 3D printer in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form a model.
It has a filament feeding mechanism that bites the filament with a gear and supplies it to the nozzle, and at least has a cooling mechanism that cools the filament between the filament feeding mechanism and the heater.
A 3D printer characterized in that a heat radiating fin and a Perche element in contact with the heat radiating fin are arranged around the filament as the cooling mechanism.
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3Dプリンタであって、
フィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するフィラメント送り機構を有するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間に少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構を有し、
前記冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管が配されていることを特徴とする3Dプリンタ。
This is a Fused Deposition Modeling 3D printer in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form a model.
It has a filament feeding mechanism that bites the filament with a gear and supplies it to the nozzle, and at least has a cooling mechanism that cools the filament between the filament feeding mechanism and the heater.
A 3D printer characterized in that a cooling pipe through which a refrigerant flows is arranged around the filament as the cooling mechanism.
前記フィラメント送り機構からヒータまでの間、及びフィラメント送り機構の手前位置に前記冷却機構が設置されていることを特徴とする請求項1または2記載の3Dプリンタ。 The 3D printer according to claim 1 or 2 , wherein the cooling mechanism is installed between the filament feeding mechanism and the heater and at a position in front of the filament feeding mechanism. 樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3Dプリンタであって、This is a Fused Deposition Modeling 3D printer in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form a model.
前記フィラメントが巻回されたカートリッジのみが冷却庫内に収容され、供給されるフィラメントが予め冷却されることを特徴とする3Dプリンタ。A 3D printer characterized in that only a cartridge in which the filament is wound is housed in a cooler, and the supplied filament is pre-cooled.
前記フィラメントを構成する樹脂材料のガラス転移温度Tgが40℃以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の3Dプリンタ。 The 3D printer according to any one of claims 1 to 4, wherein the glass transition temperature Tg of the resin material constituting the filament is 40 ° C. or lower. 前記フィラメントを構成する樹脂材料が形状記憶樹脂であることを特徴とする請求項5記載の3Dプリンタ。 The 3D printer according to claim 5, wherein the resin material constituting the filament is a shape memory resin. 樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3次元造形方法であって、
フィラメント送り機構によりフィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間において、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子を配し、
少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする三次元造形方法。
This is a three-dimensional modeling method of the Fused Deposition Modeling method, in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form a model.
The filament is bitten by a gear by the filament feeding mechanism and supplied to the nozzle, and at least between the filament feeding mechanism and the heater, as a cooling mechanism for cooling the filament, the radiating fins and the radiating fins are in contact with each other. Arrange the elements,
A three-dimensional modeling method characterized by cooling at least the filament.
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3次元造形方法であって、
フィラメント送り機構によりフィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間において、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管を配し、
少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする三次元造形方法。
This is a three-dimensional modeling method of the Fused Deposition Modeling method, in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form a model.
A filament feeding mechanism bites the filament with a gear to supply the nozzle, and at least between the filament feeding mechanism and the heater, a cooling tube through which the refrigerant flows is arranged as a cooling mechanism for cooling the filament. And
A three-dimensional modeling method characterized by cooling at least the filament.
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の3次元造形方法であって、This is a three-dimensional modeling method of the Fused Deposition Modeling method, in which a filament made of a resin material is melted by a heater provided in a modeling head, extruded from a nozzle, and laminated to form a model.
前記フィラメントが巻回されたカートリッジのみを冷却庫内に収容し、供給されるフィラメントを予め冷却することを特徴とする三次元造形方法。A three-dimensional modeling method characterized in that only a cartridge in which the filament is wound is housed in a cooling chamber, and the supplied filament is cooled in advance.
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