JP6902694B2 - ３ｄプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、熱溶融樹脂により３次元オブジェクト（立体物）を構築する３Ｄプリンタに関するものであり、特に、ペレット状の原料樹脂を用いることが可能な新規な３Ｄプリンタに関する。

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。

３Ｄプリンタには、いくつかの方式のものが知られており、その中で樹脂ストランド（線状体）を押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）。

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。

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。

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ストランド（線条体）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ストランドや、その供給方法等についての開示がある。

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。

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様態で実現され得るようにしている。

特表２００９−５００１９４号公報 特表２０１０−５２１３３９号公報 特許５０３９５４９号公報 特許４１０７９６０号公報

ところで、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタでは、線条樹脂成形体（特許文献１に開示されるフィラメント）を溶融しながらノズルに供給し、これを積層堆積させることで３次元オブジェクトの成形を行うというのが一般的である。

このため、従来の熱溶融積層方式の３Ｄプリンタでは、使用できる樹脂材料はフィラメント状の樹脂材料に限られ、選択し得る材料が限定されるという問題がある。これまで提案されている３Ｄプリンタでは、通常の射出成形等で使用されるペレット状の樹脂材料等、様々な材料を任意に選択することはできない。

フィラメント状の樹脂材料は、材料をフィラメント状に成形する工程が必要であり、また、線径に高精度を要求されること等から、材料コスト増を招く大きな要因となっている。３Ｄプリンタでの大量造形、あるいは大型の造形品の造形を行う場合には、原料となる樹脂材料の価格の低減は必須である。

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、価格の安いペレット状の原料樹脂を使用することができ、例えば大量造形、大型の造形品の造形等においても、材料コストを大幅に削減することが可能な３Ｄプリンタを提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の３Ｄプリンタは、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、原料樹脂ペレットを貯留する収容部が設置されるとともに、熱溶融樹脂の射出機構として３次元方向に移動可能な押出機を備え、当該押出機に設置されたホッパに収容部に収容されたペレット状の原料樹脂が搬送経路を介して供給され、押出機から押し出される熱溶融樹脂により３次元オブジェクトが造形され、前記搬送経路は、少なくともその一部においてスクリューが挿入されており、前記搬送経路は、気流によりペレット状の原料樹脂を搬送するものであることを特徴とする。あるいは、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、原料樹脂ペレットを貯留する収容部が設置されるとともに、熱溶融樹脂の射出機構として３次元方向に移動可能な押出機を備え、当該押出機に設置されたホッパに収容部に収容されたペレット状の原料樹脂が搬送経路を介して供給され、押出機から押し出される熱溶融樹脂により３次元オブジェクトが造形され、前記搬送経路は、少なくともその一部においてスクリューが挿入されており、前記押出機は、シリンダが略垂直となるように縦置きとされ、シリンダの後端部からペレット状の原料樹脂が供給されることを特徴とする。

本発明の３Ｄプリンタは、熱溶融樹脂の射出機構として押出機を備えるものであり、通常の射出成形で使用されるペレット状の樹脂材料を供給し、これを溶融押し出しすることで、３次元オブジェクト（立体物）の造形が行われる。したがって、高価なフィラメント状の樹脂材料を使用する必要がない。また、収容部に収容されたペレット状の原料樹脂が搬送経路を介して押出機に供給される構成とすることで、原料供給から造形までの一連の工程が円滑に行われる。

本発明の３Ｄプリンタでは、価格の安いペレット状の原料樹脂を使用することができ、例えば大量造形、大型の造形品の造形等においても、材料コストを大幅に削減することが可能である。また、熱溶融樹脂の射出機構としての押出機は、溶融樹脂の押出速度を任意に設定することができ、造形速度を向上することも可能である。さらに、収容部に収容されたペレット状の原料樹脂が搬送経路を介して押出機に供給される構成としているので、原料供給から造形までの一連の工程を円滑に行うことが可能である。

本発明を適用した３Ｄプリンタの一実施形態を示す図である。 押出機の概略斜視図である。 押出機の概略断面図である。 吸引ボックスの一例を示す図である。 本発明を適用した３Ｄプリンタの他の実施形態を示す図である。 本発明を適用した３Ｄプリンタのさらに他の実施形態を示す図である。

以下、本発明を適用した３Ｄプリンタの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

先ず、３Ｄプリンタの概要について説明すると、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というものである。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などの方法があるが、本発明が適用されるのは、熱溶融積層方式のものである。

熱溶融積層方式の３Ｄプリンタでは、これまで線条樹脂成形体（樹脂フィラメント）が原料樹脂として用いられてきたが、本発明の３Ｄプリンタでは、ペレット状の原料樹脂（原料樹脂ペレット）を用いることが大きな特徴事項である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した３Ｄプリンタの構成例を示すものである。本実施形態の３Ｄプリンタは、図１に示すように、原料樹脂ペレットＰを溶融し押し出す押出機１と、当該押出機１に原料樹脂ペレットＰを供給するペレット搬送経路２を主要な構成要素とするものである。

押出機１は、原料樹脂を溶融、混練して押出す、いわゆる押出機であり、当該押出機１が３Ｄプリンタヘッドとして機能する。使用する押出機１は小径のスクリューを有する小型、軽量のものであり、十分軽量であることにより、３Ｄプリンタでの造形時に上下左右（３次元方向）への移動が可能になる。

図２及び図３は、押出機１の構造を示すものであり、押出機１は、シリンダ１１と、シリンダ１１内に挿入されるスクリュー１２と、スクリュー１２を回転駆動する駆動モータ１３とを備えている。シリンダ１１及びスクリュー１２は、小型、小径のものであり、押出機１全体も小型化、及び軽量化されている。

シリンダ１１の周面には、その軸方向に沿って複数の加熱ヒータ１４が取り付けられており、シリンダ１１内に供給される原料樹脂ペレットＰを加熱溶融するようになっている。また、シリンダ１１の原料樹脂ペレット供給側の端部（後端部）には、円錐形状のホッパ１５が取り付けられており、全周方向から、すなわち３６０°いずれの方向からも原料樹脂ペレットＰをシリンダ１１内に供給することが可能となっている。

前記シリンダ１１は、その寸法が短く、前記加熱ヒータ１４により急激に加熱される。この時、シリンダ１１のサイズが短いが故に熱がホッパ１５にまで伝わり易く、ホッパ１５が加熱されることで原料樹脂ペレットＰの供給が円滑に行われなくなるおそれがある。そこで、本実施形態の３Ｄプリンタでは、シリンダ１１の後端部及びホッパ１５のシリンダ側の端部を冷却する冷却機構１６が設けられている。

冷却機構１６は、空気の流れを利用して冷却するものであり、本実施形態の場合、ファン１６Ａによって、シリンダ１１の後端部周辺及びホッパ１５のシリンダ側の端部周辺における高温の空気を吸い出すことで冷却するようにしている。冷却機構１６としては、送風により冷却するものであってもよいが、吸引による冷却を採用することで、より効率的に冷却することができる。

シリンダ１１の先端部には、シリンダコア１７が設けられており、このシリンダコア１７の先端の孔から溶融した原料樹脂が押し出される。

前述の押出機１は、シリンダ１１が略垂直となるように縦置きとされ、シリンダ１１の後端部に設置されたホッパからペレット状の原料樹脂が供給される。シリンダ１１内で溶融・混練された溶融樹脂は、シリンダ１１の先端から下方に向かって押し出される。

また、前記押出機１は、３次元駆動機構３に取り付けられており、コンピュータで作成した３Ｄデータ等に基づいて、造形時に上下左右方向（３次元方向）へ移動される。ここで、押出機１を３次元駆動するのではなく、造形される造形物が載置される支持台側を３次元駆動することも考えられるが、特に大型の造形物を考えた場合、支持台側の駆動機構が大掛かりなものとなり、設置面積も大きくなる等の不都合が生ずる。したがって、押出機１を３次元駆動する方が有利である。ただし、その場合には、押出機１に円滑に、且つ一定量ずつ原料樹脂ペレットを供給する必要がある。そこで、本実施形態の３Ｄプリンタでは、原料樹脂ペレットＰを貯留する収容部２１を設置し、ここに貯留される原料樹脂ペレットＰを搬送経路２によって押出機１へと搬送するようにしている。これにより、３次元駆動される押出機１に対して円滑に原料樹脂ペレットＰを供給することができる。

搬送経路２は、前述の通り、押出機１に原料樹脂ペレットＰを供給するものであり、本実施形態の３Ｄプリンタでは、空気流によって原料樹脂ペレットＰを搬送する機構が採用されている。

搬送経路２は、この収容部２１に収容される原料樹脂ペレットＰを上方に向かって搬送する上昇経路２２、上昇経路２２により搬送された原料樹脂ペレットＰを下方に向かって搬送する下降経路２３、下降経路２３と押出機１のホッパ１５の間に介在される収容ボックス２４、搬送経路２において搬送用の気流を発生させる吸引ポンプ２５とから構成される。

上昇経路２２は、斜め上方向に延在する剛性チューブ２２Ａと、剛性チューブ２２Ａ内に挿入されるスクリュー２２Ｂとを有し、収容部２１内の原料樹脂ペレットＰは、気流に乗って剛性チューブ２２Ａにおいて、気流に乗ってスクリュー２２Ｂに沿って螺旋状に旋回しながら搬送される。ここで、スクリュー２２Ｂは、原料樹脂ペレットＰが突発的に搬送されること等を防止し、原料樹脂ペレットＰの搬送量が一定になるように制御する制御機構として機能する。

下降経路２３は、前記上昇経路２２の終端部に連結されており、原料樹脂ペレットＰを押出機１に向かって導く役割を果たす。この下降経路２３には、押出機１の３次元移動に対応するために、柔軟な素材で形成されたフレキシブルチューブが用いられている。

収容ボックス２４は、前記上昇経路２２や下降経路２３を気流に乗って搬送されてきた原料樹脂ペレットＰを気流から分離し、押出機１のホッパ１５に落とし込むためのものである。図４に示すように、収容ボックス２４は、吸引ポンプ２５に接続される分岐配管２４Ａと、分離された原料樹脂ペレットＰを押出機１のホッパ１５に落とし込むロート状部２４Ｂとを備え、分岐配管２４Ａの入り口側には、原料樹脂ペレットＰの流入を阻止するメッシュ２４Ｃが設けられている。また、ロート状部２４Ｂの出口側には、開閉扉２４Ｄが設けられている。

前記搬送経路２において、吸引ポンプ２５は一定間隔でオン・オフが切り替えられる。この時、収容部２１から上昇経路２２には、押出機１における押し出し量と同量の原料樹脂ペレットＰが搬送されるように気流を調整する。そして、収納ボックス２４の開閉扉２４Ｄを、吸引ポンプ２５がオンの時は閉じ、吸引ポンプ２５がオフの時に開くように操作することで、気流から分離された原料樹脂ペレットＰがロート状部２４Ｂに常に一定量ずつ溜まり、押出機１のホッパ１５に原料樹脂ペレットＰが定量供給される。押出機１のホッパ１５内には、シリンダ１１内のスクリュー１２が延長されており、ホッパー１５内に供給された原料樹脂ペレットＰは、シリンダ１１内へと掻きこまれる。

以上の構成の搬送経路２においては、上昇経路２２により原料樹脂ペレットＰを上方に搬送した後、加工経路２３により押出機１に導入するようにしている。上昇経路２２を設けることにより、下降経路２３の押出機１までの長さを長くすることができ、押出機１の３次元移動に対応することが可能である。下降経路２３の押出機１までの長さが短いと、押出機１の３次元移動に際して、下降経路２３が屈曲する等により、原料樹脂ペレットＰが下降経路２３内に滞留する等の問題が生ずるおそれがある。

次に、前述の３Ｄプリンタによ３次元造形物の造形方法について説明する。前述の３Ｄプリンタによる造形では、先ず、収容部２１に収容される原料樹脂ペレットＰを押出機１へと搬送する。

用いる原料樹脂ペレットＰの材料としては、造形物に応じて任意の材料を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等である。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もできる。

原料樹脂ペレットＰは、例えば通常の射出成形等で使用されるペレット状の樹脂材料である。

原料樹脂ペレットＰは、吸引ポンプ２５をオンすることによって発生する気流に乗って、上昇経路２２から下降経路２３へと搬送され、収容ボックス２４で気流から分離され、押出機１のホッパ１５へと投入される。

ホッパ１５に投入された原料樹脂ペレットＰは、押出機１のシリンダ１１内で加熱され、速やかに溶融される。溶融された原料樹脂は、スクリュー１２によって混練され、シリンダ１１の先端へと送られる。そして、シリンダ１１の先端のシリンダコア１７に設けられた孔から線状に押し出され、コンピュータで作成した３Ｄデータを基に積層していくことで、立体物（三次元オブジェクト）が造形される。

（第２の実施形態）
本実施形態の３Ｄプリンタは、図５に示すように、原料樹脂ペレットＰを収容する収容部２１が３Ｄプリンタの上部に位置し、上昇経路２２を省略して、下降経路２３のみによって原料樹脂ペレットＰを押出機１に導入するようにしたものである。第１の実施形態の３Ｄプリンタと同一の部材については、同一の符号を付して、その説明は省略する。

本実施形態の３Ｄプリンタでは、上昇経路２２を省略して装置構成を簡略化することができ、コスト等の点で有利である。下降経路２３の長さを十分確保することができ、下降経路２３の屈曲による滞留等が問題にならない場合には、有効な構成である。

（第３の実施形態）
本実施形態の３Ｄプリンタは、図６に示すように、いわゆるデルタ型と称される方式の３Ｄプリンタに適用した実施形態である。本実施形態の場合、押出機１は、複数のアーム３１，３２の先端位置に固定される。なお、図６において、原料樹脂ペレットＰが貯留される収容部や、これを押出機１まで搬送する搬送経路については、図示は省略してある。

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。

１ 押出機
２ 搬送経路
３ ３次元駆動機構
１１ シリンダ
１２ スクリュー
１３ 駆動モータ
１４ 加熱ヒータ
１５ ホッパ
２１ 収容部
２２ 上昇経路
２３ 下降経路
２４ 収容ボックス
２５ 吸引ポンプ
３１，３２ アーム

Claims (5)

1. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、
   原料樹脂ペレットを貯留する収容部が設置されるとともに、熱溶融樹脂の射出機構として３次元方向に移動可能な押出機を備え、当該押出機に設置されたホッパに収容部に収容されたペレット状の原料樹脂が搬送経路を介して供給され、押出機から押し出される熱溶融樹脂により３次元オブジェクトが造形され、
   前記搬送経路は、少なくともその一部においてスクリューが挿入されており、
   前記搬送経路は、気流によりペレット状の原料樹脂を搬送するものであることを特徴とする３Ｄプリンタ。
2. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、
   原料樹脂ペレットを貯留する収容部が設置されるとともに、熱溶融樹脂の射出機構として３次元方向に移動可能な押出機を備え、当該押出機に設置されたホッパに収容部に収容されたペレット状の原料樹脂が搬送経路を介して供給され、押出機から押し出される熱溶融樹脂により３次元オブジェクトが造形され、
   前記搬送経路は、少なくともその一部においてスクリューが挿入されており、
   前記押出機は、シリンダが略垂直となるように縦置きとされ、シリンダの後端部からペレット状の原料樹脂が供給されることを特徴とする３Ｄプリンタ。
3. 前記押出機は、シリンダの全周方向からペレット状の原料樹脂の投入が可能であることを特徴とする請求項２記載の３Ｄプリンタ。
4. 前記搬送経路は、ペレット状の原料樹脂を押出機のホッパに導入するフレキシブルな下降経路を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の３Ｄプリンタ。
5. 前記搬送経路は、上昇経路を有し、当該上昇経路の終端に前記下降経路が接続されていることを特徴とする請求項４記載の３Ｄプリンタ。

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