JP6926819B2

JP6926819B2 - 三次元造形装置

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Publication number: JP6926819B2
Application number: JP2017160830A
Authority: JP
Inventors: 斉藤　功一; 功一斉藤; 康平湯脇; 俊介水上; 和英中村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: JP2019038157A

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

特許文献１には、樹脂材料（フィラメント）と炭素繊維とをヘッドから射出する三次元造形装置が開示されている。

国際公開第２０１５／１８２６７５号

特許文献１に記載された装置では、樹脂材料をヘッドに供給する材料フィード装置と、炭素繊維をヘッドに供給する繊維導入装置とを制御することによって、ヘッドへの材料の供給を停止している。しかし、材料フィード装置および繊維導入装置と、ヘッドとの間が比較的離れているため、材料の射出を応答よく停止させることは困難である。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、熱可塑性の材料を用いて三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、前記材料を可塑化して溶融材料に転化させる可塑化部と、前記可塑化部から前記溶融材料が供給される第１流路と、前記第１流路と連通可能な第２流路と、前記第２流路に連通した射出口とを有する回転体と、前記射出口から射出される前記溶融材料を切断する切断部と、を備え、前記回転体が第１回転位置にある場合に、前記第１流路と前記第２流路とが連通した状態となって前記射出口から前記溶融材料が射出され、前記回転体が前記第１回転位置から予め定められた角度以上回転した第２回転位置にある場合に、前記第１流路と前記第２流路とが非連通の状態となって前記射出口からの前記溶融材料の射出が停止され、前記回転体が前記第１回転位置から前記第２回転位置に回転することによって、前記射出口から射出される前記溶融材料は、前記切断部によって切断される、三次元造形装置である。本発明は、以下の形態としても実現できる。

（１）本発明の第一の形態によれば、熱可塑性の材料を用いて三次元造形物を製造する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、前記材料を可塑化して溶融材料に転化させる可塑化部と；前記可塑化部から前記溶融材料が供給される第１流路と；前記第１流路と連通可能な第２流路と、前記第２流路に連通した射出口とを有する回転体と；を備え、前記回転体が第１回転位置にある場合に、前記第１流路と前記第２流路とが連通した状態となって前記射出口から前記溶融材料が射出され、前記回転体が前記第１回転位置から予め定められた角度以上回転した第２回転位置にある場合に、前記第１流路と前記第２流路とが非連通の状態となって前記射出口からの前記溶融材料の射出が停止されることを特徴とする。この形態の三次元造形装置によれば、射出口を有する回転体を回転させることにより溶融材料の射出を停止させることができるので、材料の射出を応答よく停止させることができる。

（２）上記形態の三次元造形装置は、更に、前記回転体が前記第１回転位置にある場合における前記射出口の位置よりも、前記回転体が前記第１回転位置から前記第２回転位置に回転する際に前記射出口が移動する方向側に切断部を備え、前記射出口から射出される前記溶融材料は、前記回転体が前記第１回転位置から前記第２回転位置に回転することによって、前記切断部によって切断されてもよい。このような形態であれば、溶融材料の末端の形状を一定の形状に揃えることができるので、三次元造形物の造形精度を高めることができる。

（３）上記形態の三次元造形装置において、前記切断部は、前記溶融材料を切断するための刃またはワイヤーを有してもよい。このような形態であれば、簡易な構成により溶融材料を切断することができる。

（４）上記形態の三次元造形装置において、前記可塑化部は、スクロール溝が形成されたスクロール溝形成面を有し、駆動モーターにより回転するフラットスクリューと、前記スクロール溝形成面に対面し、中心に前記第１流路に連通する連通孔が形成され、ヒーターを有するスクリュー対面部と、を有し、前記フラットスクリューの回転と前記ヒーターによる加熱により前記フラットスクリューと前記スクリュー対面部との間に供給された前記材料を可塑化して溶融材料に転化させてもよい。このような形態であれば、フラットスクリューによって材料を可塑化するため、装置全体の大きさを小さくすることができる。

本発明は、上述した三次元造形装置としての形態のほか、種々の形態で実現することも可能である。例えば、三次元造形装置による三次元造形方法や、三次元造形装置を制御するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムが記録された一時的でない有形な記録媒体等の形態で実現することができる。

三次元造形装置の概念図である。フラットスクリューの斜視図である。スクリュー対面部の平面図である。三次元造形物と射出部との位置関係を示す説明図である。射出部を下面側から見た斜視図である。図５におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。回転体が回転した様子を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１の概念図である。この三次元造形装置１は、射出ユニット１００と、移動機構２００と、制御部３００とを備える。図１には、互いに垂直な３つの方向Ｘ，Ｙ，Ｚが示されている。Ｘ方向とＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。他の図においても必要に応じてこれらの方向を図示している。

射出ユニット１００は、駆動モーター３０と、可塑化部９０と、射出部６０とを有する。可塑化部９０は、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０とを有する。フラットスクリュー４０は、スクリューケース１０内に収納されており、駆動モーター３０により回転する。フラットスクリュー４０は、スクロール溝４２（図２参照）が形成されたスクロール溝形成面４８を有する。スクリュー対面部５０は、スクロール溝形成面４８に対面しており、中心に連通孔５６が形成されている。スクリュー対面部５０は、内部にヒーター５８を有する。可塑化部９０は、フラットスクリュー４０の回転とヒーター５８による加熱によりフラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間に供給された材料を可塑化して溶融材料に転化させる。「可塑化」とは、材料に熱が加わり溶融することを意味する。溶融材料は、連通孔５６から射出部６０に供給される。射出部６０は、その先端に設けられた射出口６１から溶融材料を移動機構２００に備えられた造形台２２０に向けて射出する。射出部６０は、溶融材料の射出を停止するための回転体６３を備える。この回転体６３は、回転エアーシリンダーや電動モーター等のアクチュエーター７０によって駆動される。回転体６３の詳細については後述する。

可塑化部９０には、連通路２２を介して、ホッパー２０から材料が供給される。ホッパー２０には、熱可塑性の材料が投入される。材料としては、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）、ポリカーボネート（ＰＣ）等を使用可能である。また、材料の形状としては、ペレットや粉末等の固体材料を使用可能である。また、熱可塑性の材料とは、熱可塑性の材料とその他の成分を含む組成物であってもよい。

移動機構２００は、テーブル２１０上に載置された造形台２２０を、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向の３軸方向に移動させることが可能な３軸ポジショナーである。移動機構２００は、射出部６０と造形台２２０との相対的な位置関係を変更する機能を有する。移動機構２００を用いて射出部６０と造形台２２０との相対的な位置関係を変更することにより、任意の形状の三次元造形物を製造できる。本実施形態では、移動機構２００は、造形台２２０を三次元的に移動させているが、移動機構２００としては、射出部６０（すなわち射出ユニット１００）を三次元的に移動させる機構を採用してもよい。或いは、射出部６０（すなわち射出ユニット１００）と造形台２２０の一方を１軸又は２軸方向に移動させ、他方を残りの軸方向に移動させる移動機構を採用してもよい。

制御部３００は、駆動モーター３０と、ヒーター５８と、アクチュエーター７０と、移動機構２００の制御を行う。制御部３００は、例えば、ＣＰＵとメモリーとを含むコンピューターにより構成される。ＣＰＵは、メモリーに記憶されたコンピュータープログラムを実行することにより三次元造形装置１を制御する。コンピュータープログラムは、一時的でない有形な記録媒体に記録されていてもよい。

図２は、フラットスクリュー４０の斜視図である。フラットスクリュー４０は、軸線方向の高さが直径よりも小さい略円柱状のスクリューである。フラットスクリュー４０は、スクリュー対面部５０（図１）に対向する面に、複数のスクロール溝４２を有する。スクロール溝４２が形成されている面を、「スクロール溝形成面４８」と呼ぶ。スクロール溝４２は、スクロール溝形成面４８の中央部４６に向かって、フラットスクリュー４０の外周から渦巻状又は螺旋状に形成されている。フラットスクリュー４０の側面４３には、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間に材料を受け入れるための材料流入口４４が複数形成されている。材料流入口４４は、スクロール溝４２に連続している。材料流入口４４には、ホッパー２０から連通路２２を介して材料が供給される。

スクロール溝４２は、径方向内側に位置する内側壁４２１と、径方向外側に位置する外側壁４２２と、底壁４２３とにより画定されている。内側壁４２１および外側壁４２２は、例えば、フラットスクリュー４０の回転中心と同心の円を基準とするインボリュート曲線に基づいてそれぞれの形状が設定されている。スクロール溝４２内に供給された材料は、フラットスクリュー４０が回転することにより、外側壁４２２側から内側壁４２１側に向かって誘導される。また、フラットスクリュー４０が回転すると、材料は、スクロール溝４２とスクリュー対面部５０との間において混練されるとともにヒーター５８によって加熱されることにより可塑化され、溶融材料に転化される。

図３は、スクリュー対面部５０の平面図である。スクリュー対面部５０は、フラットスクリュー４０のスクロール溝形成面４８に対向するスクリュー対向面５２を有する。スクリュー対向面５２には、渦巻状又は螺旋状に形成された複数の案内溝５４が形成されている。スクリュー対向面５２の中心には、溶融材料を射出部６０に供給するための連通孔５６が形成されている。複数の案内溝５４は、溶融材料を連通孔５６に導く機能を有する。図１に示したように、スクリュー対面部５０には、材料を加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。

図４は、三次元造形物ＯＢと射出部６０との位置関係を示す説明図である。造形台２２０の上には、製造中の三次元造形物ＯＢが載置されている。射出部６０に備えられた射出口６１と、三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔとの間には、ギャップＧが保持されている。ここで、「三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔ」とは、射出口６１の直下の位置の近傍において射出口６１から射出された溶融材料が着地する予定部位を意味する。本実施形態では、ギャップＧの大きさは、射出口６１の孔径よりも大きい。そのため、射出口６１から射出される溶融材料は、製造中の三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔに押しつけられない自由な状態で三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔに堆積される。

図５は、射出部６０を下面側から見た斜視図である。図６は、図５におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。図６に示すように、射出部６０は、第１流路６２と回転体６３とを備えている。第１流路６２は、連通孔５６（図１）に連通している。そのため、第１流路６２には、可塑化部９０から溶融材料が供給される。

回転体６３は、水平方向に沿った中心軸Ｏを有する略円柱状の形状を有している。回転体６３は、射出部６０内で、中心軸Ｏを中心に、予め定められた角度範囲内で回転可能に構成されている。回転体６３の回転は、制御部３００がアクチュエーター７０を駆動することによって制御される。

回転体６３は、第１流路６２と連通可能な第２流路６４と、第２流路６４に連通した射出口６１とを有する。射出口６１の孔径は、第２流路６４の射出口６１を除く部分の孔径よりも小さい。本実施形態では、回転体６３の基準位置である第１回転位置（図６に示される位置）において、第２流路６４は、鉛直方向に沿った直線状の流路として構成されている。この第１回転位置では、第２流路６４の上端は第１流路６２に接続され、第２流路６４の下端に位置する射出口６１は鉛直下方を向く。つまり、本実施形態では、回転体６３が第１回転位置にある場合に、第１流路６２と第２流路６４とが連通した状態となって射出口６１から溶融材料が射出される。なお、本実施形態では、第２流路６４の内径（射出口６１を除く部分の内径）は、第１流路６２の内径に等しい。

本実施形態では、回転体６３は、平坦部６５を備えている。平坦部６５は、回転体６３の外周の一部を、第２流路６４が延びる方向に沿って平坦状に形成することにより構成されている。第１回転位置では、この平坦部６５の下端部に、水平方向から平坦部６５に向かって延びるピン６６の先端部が接触する。この平坦部６５とピン６６との接触により、回転体６３の回転角度が規制される。なお、ピン６６の平坦部６５側への突出量を調整することにより、回転体６３の回転角度を調整することが可能である。これにより、射出口６１からの溶融材料の吐出方向を微調整することが可能である。

図７は、回転体６３が回転した様子を示す図である。図７には、回転体６３が、第１回転位置から予め定められた角度以上回転した第２回転位置にある状態を示している。この第２回転位置では、第１流路６２と第２流路６４とが非連通の状態となる。つまり、第２回転位置とは、第１回転位置から、第１流路６２と第２流路６４とが非連通の状態となる角度以上に回転した位置である。この第２回転位置では、第１流路６２と第２流路６４とが連通しない状態になるため、射出口６１からの溶融材料の射出が停止される。つまり、制御部３００は、アクチュエーター７０を駆動して回転体６３を第２回転位置に回転させることによって、溶融材料の射出を停止させることができる。なお、第１回転位置から第２回転位置までの回転角度は、第２流路６４の長さや、第１流路６２および第２流路６４の孔径に応じて決定されるが、例えば、３０度以下に設定することが可能である。

図６および図７に示すように、本実施形態では、射出部６０は、切断部６７を備えている。切断部６７は、回転体６３が第１回転位置にある場合における射出口６１の位置よりも、回転体６３が第１回転位置から第２回転位置に回転する際に射出口６１が移動する方向側に配置されている。切断部６７は、溶融材料を切断するための刃６８を備える。この刃６８の刃先は、射出口６１側を向いている。そのため、射出口６１から射出される溶融材料は、回転体６３が第１回転位置から第２回転位置に回転することによって、切断部６７によって切断される。切断された溶融材料は、三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔに堆積する。第２回転位置では、射出口６１は、刃６８の内面によって閉塞される。制御部３００は、溶融材料の射出を再開する場合には、アクチュエーター７０を駆動して、回転体６３を、第２回転位置から第１回転位置に回転させる。こうすることにより、第１流路６２と第２流路６４とが再び連通状態となり、射出口６１からの溶融材料の射出が再開される。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１によれば、射出口６１を有する回転体６３を回転させることにより溶融材料の射出を停止させることができるので、材料の射出を応答よく停止させることができる。また、回転体６３を回転させることにより、射出の再開も行うことができるので、射出開始の応答性も高めることができる。従って本実施形態によれば、溶融材料の射出過多や射出遅れが抑制され、三次元造形物ＯＢの造形精度および造形速度を高めることができる。

また、本実施形態では、切断部６７によって射出口６１から射出された溶融材料を切断することができるので、溶融材料の末端の形状を一定の形状に揃えることができる。そのため、三次元造形物ＯＢの造形精度をより高めることができる。さらに、溶融材料の射出が停止された際には、切断部６７によって射出口６１が閉塞されるので、第２流路６４内に残存した溶融材料が射出口６１から漏洩することを抑制できる。従って、三次元造形物ＯＢの造形精度をより一層高めることができる。

また、本実施形態では、フラットスクリュー４０を有する可塑化部９０によって材料を可塑化するため、装置全体の大きさを小さくすることができる。

Ｂ．他の実施形態：
上記実施形態では、三次元造形装置１は切断部６７を備えている。これに対して、三次元造形装置１は、切断部６７を備えていなくてもよい。切断部６７を備えていなくても、回転体６３を回転させれば、第１流路６２と第２流路６４とが非連通の状態になるため、溶融材料の吐出を応答よく停止させることができる。

上記実施形態では、切断部６７は、溶融材料を切断するための刃６８を備えている。これに対して、切断部６７は、溶融材料を切断するためのワイヤーを備えていてもよい。刃６８やワイヤーによって切断を行えば、簡易な構成によって溶融材料を切断することができる。

上記実施形態では、可塑化部９０は、フラットスクリュー４０を備えており、このフラットスクリュー４０を用いて材料の可塑化を行う。これに対して、可塑化部９０は、フラットスクリュー以外の手段によって材料の可塑化を行ってもよい。例えば、可塑化部９０（射出ユニット１００）は、シリンダーと、シリンダー内に収容された長尺状のスクリューと、シリンダーの周囲に配置されたヒーターとを備えた一般的な射出装置として構成されていてもよい。

上記実施形態では、回転体６３に平坦部６５が設けられているが、平坦部６５およびピン６６は省略してもよい。

上記実施形態において、三次元造形装置１は、切断部６７を冷却する冷却機構を備えてもよい。例えば、このような冷却機構として、切断部６７に向けて気流を生じさせるファンや気体噴射装置を備えてもよい。切断部６７を冷却すれば、溶融材料の切断面の形状を安定させることができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…三次元造形装置、１０…スクリューケース、２０…ホッパー、２２…連通路、３０…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…スクロール溝、４３…側面、４４…材料流入口、４６…中央部、４８…スクロール溝形成面、５０…スクリュー対面部、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…射出部、６１…射出口、６２…第１流路、６３…回転体、６４…第２流路、６５…平坦部、６６…ピン、６７…切断部、６８…刃、７０…アクチュエーター、９０…可塑化部、１００…射出ユニット、２００…移動機構、２１０…テーブル、２２０…造形台、３００…制御部、４２１…内側壁、４２２…外側壁、４２３…底壁、Ｇ…ギャップ、Ｏ…中心軸、ＯＢ…三次元造形物、ＯＢｔ…上面。

Claims

熱可塑性の材料を用いて三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、
前記材料を可塑化して溶融材料に転化させる可塑化部と、
前記可塑化部から前記溶融材料が供給される第１流路と、
前記第１流路と連通可能な第２流路と、前記第２流路に連通した射出口とを有する回転体と、
前記射出口から射出される前記溶融材料を切断する切断部と、を備え、
前記回転体が第１回転位置にある場合に、前記第１流路と前記第２流路とが連通した状態となって前記射出口から前記溶融材料が射出され、
前記回転体が前記第１回転位置から予め定められた角度以上回転した第２回転位置にある場合に、前記第１流路と前記第２流路とが非連通の状態となって前記射出口からの前記溶融材料の射出が停止され、
前記回転体が前記第１回転位置から前記第２回転位置に回転することによって、前記射出口から射出される前記溶融材料は、前記切断部によって切断される、
三次元造形装置。
請求項１に記載の三次元造形装置であって、
前記切断部は、前記溶融材料を切断するための刃またはワイヤーを有する、三次元造形装置。
請求項１または請求項２に記載の三次元造形装置であって、
前記可塑化部は、
スクロール溝が形成されたスクロール溝形成面を有し、駆動モーターにより回転するフラットスクリューと、
前記スクロール溝形成面に対面し、中心に前記第１流路に連通する連通孔が形成され、ヒーターを有するスクリュー対面部と、を有し、
前記フラットスクリューの回転と前記ヒーターによる加熱により前記フラットスクリューと前記スクリュー対面部との間に供給された前記材料を可塑化して前記溶融材料に転化させる、
三次元造形装置。