JP7025085B2 - ３次元造形装置用の造形材料のホットエンド、及びホットエンドを搭載した３次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＦＦ（ＦＤＭ）方式の３次元造形装置（３次元プリンタ）用の造形材料のホットエンド、及びホットエンドを搭載した３次元造形装置に関する。

近年、コンピュータを利用して３次元プリンタにより立体造形物を製造することが盛んに行われている。このような立体造形物を製造するホットエンドとして、例えば図８に示されるような構造のものが知られている（例えば非特許文献１参照）。このホットエンドは、ヒータブロック１０３の一端側に吐出部１０１ａを突出するようにノズル１０１がねじ込まれ、ヒータブロック１０３の他端側に造形材料の供給部を有するバレル１０２がねじ込まれた構造を備えている。このバレル１０２にワイヤ状の造形材料（フィラメント）が挿入され、送り込まれることによって、ヒータブロック１０３により造形材料が加熱融解されて吐出部１０１ａに流動し、吐出部１０１ａから吐出されるようになっている。このとき、フィラメントは、制御信号によって、バレル１０２に必要に応じた量が送り込まれることで、吐出部１０１ａから必要な量が吐出され、この吐出部１０１ａの位置が、造形物を形成する造形テーブル（図示せず）とｘｙｚ方向に相対的に移動することにより、吐出された造形材料を積層していき所望の３次元造形物が形成される。

また、このようなホットエンドにおいて、バレル１０２内においてフィラメントが溶けないように、バレル１０２の上部に放熱フィン（図示せず）を設けたり、ファンや水冷によってバレル１０２を強制的に冷却することが行われている。

門田和雄著、「３Ｄプリンタではじめるデジタルモノづくり」、日刊工業新聞社、１０３頁

しかしながら従来のホットエンドでは、よくバレル１０２の通路内にフィラメントによる詰りが生じ造形に支障を来たすという問題がある。本発明者は、この問題の原因が、連続造形時にバレル１０２側でのフィラメントの融解を予防するために放熱フィンなどによって冷却することで、バレル１０２のフィラメントの通路（流路）内においてフィラメントを固体の状態に維持できたとしても、送り込まれるフィラメントの径に比べ融解されたフィラメントを吐出する吐出口の径が小さいために、フィラメントが押圧されて送り込まれる際にノズル１０１側で融解したフィラメントが、通路の内径とフィラメントの線径との差異による通路内壁とフィラメントとの間の隙間（クリアランス）、すなわち固体の状態のフィラメントと通路の内壁との隙間からバレル１０２側に侵入（逆流）することであることを見出した。つまり、ノズル１０１側で融解させられたフィラメントが、クリアランスからバレル１０２側に侵入し、バレル１０２側の通路内で固着してしまい、バレル１０２内の通路でフィラメントの詰まりが生じ、フィラメントの送り込みを阻害することから、造形材料の吐出ができず、造形に支障が生じることになる。そこで、通路の内径をフィラメントの線径に近づけて前記クリアランスを極力小さくすることで融解したフィラメントの逆流を防止することを試みようとしても、元来フィラメントの線径は一定ではなく公差を含んでいることから、効果的な逆流防止とはならない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、融解した造形材料が通路を必要以上にフィラメント供給側へ逆流することを防ぐことで、通路内でのフィラメントの詰まりを防止し得る、良好に連続造形可能な信頼性の高いホットエンド及びホットエンドを搭載した３元造形装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、３次元造形装置用のホットエンドにおいて、融解された造形材料の逆流を防止する逆流防止部材を、フィラメントが融解される融解部とフィラメントが供給される供給口との間に設けることで、造形材料の逆流は抑制され、ホットエンドの通路の詰まりが生じにくくなることを見出した。

すなわち、本発明は、フィラメント状の造形材料を供給する供給口、融解された前記造形材料を吐出する吐出口、及び前記供給口と前記吐出口とを直線的に連通する通路を有する吐出ヘッドと、前記通路内の前記造形材料を融解するための加熱手段と、を備える３次元造形装置用のホットエンドであって、前記加熱手段と前記供給口との間の前記通路内に、前記加熱手段により融解された前記造形材料が前記供給口側に前記通路を逆流するのを防止する、前記造形材料が接して挿通されるリング状の逆流防止部材が配置されることを特徴とするホットエンドに係る。

本発明のホットエンドによれば、通路内にフィラメント状の造形材料（フィラメント）を接して挿通するリング状の逆流防止部材を配置するようにしているので、フィラメントと逆流防止部材のリング内壁との間の隙間を実質的に無視できる程度小さくしてフィラメントを押し込む（供給する）ことができるので、加熱手段の熱により融解した造形材料が逆流防止部を超えて供給口側（上流側）へ通路内を逆流することが防止される。このように、逆流防止部材よりも上流側の通路内に、下流側の通路内で融解した造形材料が侵入（逆流）するのを効果的に防止できるので、造形材料を供給する通路の詰まりを防止して良好に連続造形可能な、信頼性の高いホットエンドを実現することができる。なお、本発明において吐出ヘッドは、一体形成されたものであっても、例えば、フィラメントを融解する加熱手段が設けられる融解部とフィラメントを融解部へと供給する供給部との２分体、更には、３分体からなるものであってもよい。

前記通路の前記逆流防止部材が配置されている領域を囲むように取り付けられる金属部材を備えてもよい。また、前記金属部材に固定され前記加熱手段を覆うケース部材を備え得る。

金属部材が逆流防止部材の配置される領域を取り囲むことで、通路内における温度分布を適切にすることで、通路上流側でのフィラメントの融解を予防することができる。つまり、金属部材により逆流防止部材の周囲の領域の熱容量及び表面積を増大させることができ、加熱手段による熱が逆流防止部材よりも上流側に伝わるのを防止できる。つまり、金属部材は、冷却部材として機能する。従って、フィラメントの固体の部分と融解して流体化している部分との境界をより明確にでき、逆流防止部材よりも上流側の通路内でフィラメントが軟化することを抑制することができるので、より効果的に通路内でのフィラメントの詰まりが防止され得る。また、ケース部材（カバー部材）が設けられることで、加熱手段による熱をケース部材の外表面から適切に放熱できるとともに、当該熱が通路上流側に伝わるのを防止でき、ケース部材内に熱を閉じ込めることができ、加熱手段による熱をより有効にフィラメントの融解に利用することができる。その結果、通路内における温度分布を適切にすることで、通路上流側でのフィラメントの融解を予防することができて、通路内でのフィラメントの詰まりをより一層防止することができる。

前記逆流防止部材は、前記通路内の段部に当接して配置されていることが好ましい。段部に逆流防止部材を当接して配置することで、逆流防止部材が通路下流側に押し込まれるのを防止でき、適切な位置に保持し得る。

また、前記吐出ヘッドは筒状を有し、前記通路の前記逆流防止部材が配置されている領域の周壁の厚さが、前記加熱手段が配置されている領域の周壁の厚さよりも薄くされ得る。吐出ヘッドの逆流防止部材が配置されている領域の周壁の厚さを薄くすることで、加熱手段による熱が周壁を伝って逆流防止部材より上流側に伝わるのを抑制することができる。

前記逆流防止部材よりも前記供給口側の前記通路内に、前記逆流防止部材が前記供給口側に移動するのを防止するための、前記逆流防止部材よりも内径の大きい環状の抜け止め部材が配置され得る。このことによって、逆流防止部材を流路内の所望の位置に保持することができる。

前記逆流防止部材は、耐熱性を有する弾性体、超弾性合金又は超弾塑性型合金からなり得る。このことによって、フィラメント径に公差があったとしても、逆流防止部材のリング内径をフィラメントの線径の変化に追従するように変化可能とでき、フィラメントとの間に実質的に隙間なく密着させてフィラメントを送り込むことができ、逆流を防止することができる。

また前記リング状とは、螺旋状、コイル状又はコイルばね状であってよい。前記逆流防止部材の内周にはＣ面又はＲ面が形成され得る。これらのことによって、逆流防止部材とフィラメントとの接触面積によって摩擦抵抗（滑り抵抗）が変化するところ、逆流防止部材を螺旋状、コイル状又はコイルばね状としたり、逆流防止部材の内周にＣ面又はＲ面を形成したりすることで、上記摩擦抵抗を調整可能として、フィラメント送り（融解部へのフィラメントの供給）を好適に行えるようにできるとともに、逆流防止部材とフィラメントとの間に隙間が生じることをより効果的に防止することができる。

本発明の３次元造形装置は、上述の３次元造形装置用のホットエンドを搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、通路内に配置された逆流防止部材の通路上流側に、通路下流側で融解させた造形材料（フィラメント）が逆流するのを防止できるので、造形動作に支障を来たす通路の詰りの発生を予防しつつホットエンドを使用することが可能となり、良好で連続的な造形動作を実現できる、信頼性の高いホットエンド、及びこれを搭載した３次元造形装置を提供することができる。

本発明の一実施形態のホットエンドの一例の断面図である。 本発明の一実施形態のホットエンドに用いられる吐出ヘッドの（Ａ）正面図、及び（Ｂ）底面図である。 本発明の一実施形態のホットエンドに用いられる金属部材の（Ａ）正面図、及び（Ｂ）底面図、である。 本発明の一実施形態のホットエンドに用いられるケース部材の（Ａ）正面図、及び（Ｂ）底面図、である。 本発明の一実施形態のホットエンドの、加熱手段を説明する図である。 加熱手段による加熱量の制御の一例を説明するブロック図である。 本発明の一実施形態のホットエンドの他の例の断面図である。 従来のホットエンドの一例を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の一実施形態の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドを説明する。図１は、本発明のホットエンド１の断面説明図である。ホットエンド１は、フィラメント状の造形材料（フィラメント３ａ）が供給される供給口１１を備える供給部１０、供給された造形材料を融解する融解部３０、融解された造形材料を吐出する吐出口４１を備える吐出部４０、供給部１０と融解部３０との間を構成する断熱部２０、及び、供給口１１から吐出口４１までを連通する造形材料の通路１２、を有する吐出ヘッド１００を用いて形成されている。なお、供給部１０には、ホットエンド１を３次元造形装置に装着するための取付治具Ａが装着されている。

ホットエンド１は、融解部３０に取り付けられた加熱手段（加熱ヘッド）６０を備えており、この加熱手段６０から吐出ヘッド１００の融解部３０に与えられる熱によって、通路１２内の造形材料は融解される。図１に示される例では、加熱手段６０が２つ、吐出ヘッド１００を挟むように設けられている。加熱手段６０と供給口１１との間の通路１２内には、加熱手段６０により融解された造形材料が供給口１１側に逆流するのを防止する、リング状の逆流防止部材５０が配置されている。

図１に示される例において、逆流防止部材５０は、吐出ヘッド１００の通路１２の内部の融解部３０の造形材料が供給される入口（断熱部２０と融解部３０の境界部）に設けられた段部２１の上面に接して設けられる。逆流防止部材５０よりも大きい内径を有する環状の固定部材（抜け止め部材）５１と段部２１とによって挟まれるようにして固定されている。通路１２の径は、融解部３０の入口において、断熱部２０側よりも融解部３０側で小さくなるように形成されている。この通路１２の径が変化する段差の部分（段部２１）に当接して逆流防止部材５０は配置され、融解部３０の通路１２内に入り込まないようにされる。

フィラメント３ａは固体の状態で供給口１１から通路１２に挿入され、通路１２内に設置されたリング状の逆流防止部材５０を挿通して融解部３０に送り込まれ、加熱手段６０から与えられる熱によって融解され、吐出部４０に設けられた吐出口４１から吐出される。固体の状態のフィラメントは３ａ、融解した状態のフィラメントは３ｂ、固体と液体の混合した状態のフィラメントは３ｃとして示されている。

図１に示される例では、抜け止め部材５１の融解部３０側の先端部（下端部）は逆流防止部材５０に当接している。逆流防止部材５０は、抜け止め部材５１と通路１２の段部２１とで挟まれるようにして固定されているが、抜け止め部材５１は設けられずに、逆流防止部材５０が通路１２内に圧入されることで固定されてもよいし、吐出ヘッド１００の上流部側の供給部１０と断熱部２０とをバレル様とし、下流部側の融解部３０と吐出部４０とをノズル様とする２分体として、この間に逆流防止部材５０を挟持するように通路１２内に配置するようにしてもよい。

図１に示される例では、逆流防止部材５０は、フィラメントの長さ方向における一部の周縁を取り囲んで接して保持し得るリング状に形成されている。特に、逆流防止部材５０は、その内径がフィラメントの線径の公差内の変動に追従し密着して保持した状態が維持され得る弾性を有する材料で形成されるのが好ましく、この場合、例えば直径が１．７５ｍｍのフィラメントで線径の公差が±０．０５ｍｍのものが用いられる場合であれば、逆流防止部材５０の内径は１．７０ｍｍに形成され、１．７０ｍｍ～１．８０ｍｍの範囲の径の変動に追従し得るように形成される。

図１に示されるホットエンド１は、吐出ヘッド１００の外周に取り付けられる金属部材（金属ブロック）７１とケース部材（カバー部材）７２とを備えている。金属部材７１は、上部に鍔状に拡がる部分を有する、略円筒形の部材であり、その中央には吐出ヘッド１００の外形に適合した貫通孔が設けられている。この貫通孔に吐出ヘッド１００が挿通され、金属部材７１は、吐出ヘッド１００の逆流防止部材５０が配置されている領域の外周に接して取り付けられる。金属部材７１の側面には取付用孔７１ａが形成されている。金属部材７１はこの取付用孔７１ａに挿通される押しネジなどの固定手段によって、吐出ヘッド１００に固定される。また、金属部材７１を固定するに際して、吐出ヘッド１００の融解部３０の上方の断熱部２０との境界の外周（通路１２内の段部２１と対向する位置）の一部に下側が僅かに張り出す段部２２が設けられ、金属部材７１は、吐出ヘッド１００の上端の供給口１１側から嵌入され、その下端部が段部２２の上面に当接するようにして位置決めされる。なお、金属部材７１の吐出ヘッド１００に対する取り付け位置は、吐出ヘッド１００の長さ方向に沿って移動可能とされている。

金属部材７１が吐出ヘッド１００の逆流防止部材５０が設けられている領域付近に取り付けられることにより、吐出ヘッド１００の融解部３０と断熱部２０との境界付近の熱容量が増大し、当該領域における温度は上昇しがたくなる。また、金属部材７１の特に鍔状の部分など表面積が大きくなることで放熱効果が得られる。従って、フィラメントを溶解するために加熱手段６０から吐出ヘッド１００の融解部３０に加えられる下流側の熱を、上流側の断熱部２０に伝わるのを抑制でき、断熱部２０から供給部１０にかけて適切な温度にすることができる。すなわち、フィラメントの固体の部分と溶融状態の部分との境目が逆流防止部材５０の配置されている領域にまでシフトして、逆流防止部材５０が保持している部分のフィラメントが融解し、逆流防止部材５０によるフィラメントの逆流防止の機能が損なわれるおそれが抑制される。換言すれば、逆流防止部材５０を挿通するフィラメントの固体状態をより確実に維持できる。

ケース部材７２は略円筒形の形状を有しており、その上部が金属部材７１の外周と嵌合するように取り付けられ、固定される。ケース部材７２の上部には、切込み（溝部）７２ａが形成されており、上述の金属部材７１の側面に形成されている取付用孔７１ａと当該溝部７２ａの位置を一致させ、押しネジなどの固定手段を溝部７２ａ及び取付用孔７１ａに挿通することによって、ケース部材７２と金属部材７１とが一体的に吐出ヘッド１００に固定される。

ケース部材７２は、吐出ヘッド１００の加熱手段６０が取り付けられた融解部３０の周囲全体をカバーしている。金属部材７１と嵌合されている側と反対側（吐出部４０側）には、吐出口４１を突出させる孔７２ｂが設けられている。ケース部材７２は、吐出ヘッド１００から金属部材７１に伝達した熱を、融解部３０側に還流させて再利用する機能を有する。金属部材７１に加えてカバー部材７２が設けられていることにより、融解部３０の入口付近から吐出部４０にかけての所定幅の領域の温度分布（温度勾配）を、フィラメントの種類に応じて、通路１２の詰まりが生じ難く安定した温度分布とすることができる。また、ケース部材７２の表面による放熱効果も期待でき、フィラメントを溶解するために加熱手段６０から吐出ヘッド１００の融解部３０に加えられる下流側の熱を、上流側の断熱部２０に伝わるのを更に抑制でき、断熱部２０から供給部１０にかけてより適切な温度にすることができる。ケース部材７２と、ケース部材７２がカバーする吐出ヘッド１００との間の空間には、ガラス繊維などの耐熱性の絶縁材料が充填されてもよい。なお、ケース部材７２の上部に形成されている溝部７２ａは縦方向に所定の長さを有しているため、ケース部材７２の金属部材７１に対する取り付け位置を縦方向に移動させることが可能である。すなわち、ケース部材７２が被覆する範囲は、金属部材７１及びケース部材７２の吐出ヘッド１００に対する取り付け位置によって、任意に調整され得る。

図１に示されるホットエンド１に使用される吐出ヘッド１００の、加熱手段６０が取り付けられる面の側から見た正面図が図２（Ａ）に示され、吐出口４１側から見た底面図が図２（Ｂ）に示される。吐出ヘッド１００は、供給部１０、断熱部２０、融解部３０及び吐出部４０が、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン、チタン合金、セラミックスのいずれかを用いて一体的に形成されているものであってよい。吐出ヘッド１００は独立した部材を組み合わせて形成されたものでもよく、各部材の間のいずれか或いはすべてに他の部材が介在してもよい。独立した部材を組み合わせて吐出ヘッド１００を形成する場合には、融解部３０及び吐出部４０に使用される部材の材料の熱伝導率が断熱部２０に使用される部材の材料の熱伝導率より高いことが、供給部１０側への伝熱を抑制しつつ加熱手段６０の熱を効果的に造形材料の融解に利用する観点から好ましい。

図２に示される吐出ヘッド１００は、例えば円柱状の金属棒を切削加工してなるものである。吐出ヘッド１００の図２（Ａ）に図示される部分の全長は例えば３３ｍｍである。吐出ヘッド１００は、例えば６４チタン（チタンにアルミニウム６質量％、バナジウム４質量％を混ぜた合金）を用いて形成される。

図示の例では、供給部１０及び断熱部２０は直径が例えば３ｍｍの円柱形状（円筒形状）とされ、その長さは例えば１７．５ｍｍとされる。供給部１０及び断熱部２０の中心部には、直径が例えば２．３ｍｍの通路１２が形成されている。断熱部２０は、融解部３０よりも熱抵抗が大きくなるように形成されている。断熱部２０の周壁には断熱部２０の断面積を小さくしてその熱抵抗を高くし得る、例えば長さ６ｍｍ、幅１．８ｍｍの開口２０ａが、通路１２に対向して一対で形成されている。開口２０ａは、吐出ヘッド１００の長さ方向及び／又は幅方向に１つ又は複数設けてもよく、そのサイズは適宜決定され得る。

図示の例では、融解部３０は、角部がＣ面に形成された、例えば一辺３．２ｍｍの矩形の断面形状を有する四角柱状に形成され、その長さは例えば１２．５ｍｍである。四角柱状の融解部３０の４つの側面（平面部）のそれぞれには、加熱手段６０が取り付けられ得る。融解部３０に取り付けられる加熱手段６０のサイズ、数、位置などに応じて、融解部３０は四角柱以外の角柱状（例えば三角柱状、又は五角柱状）に形成されてもよい。融解部３０の中心には、直径が例えば１．８ｍｍの通路１２が、断熱部２０の通路１２と連通して形成されている。上述したように、融解部３０における通路１２の径は、断熱部２０における通路１２の径よりも小さく形成されており、通路径が変化する融解部３０と断熱部２０との境目には逆流防止部材５０を固定し得る段部２１が形成されている。すなわち、融解部３０における通路１２の周壁の厚さより、断熱部２０における通路１２の周壁の厚さが、薄く形成されている。なお、融解部３０の４つの側面には、その内部の造形材料をより効率的に加熱して融解させるために、通路１２を露出させる開口が形成されてもよい。加熱手段６０が開口を塞ぐように取り付けられることで、造形材料が加熱手段６０により直接加熱されることとなり、より効率的に造形材料の融解がなされ得る。

吐出部４０は、例えば長さ３ｍｍの略円錐状とされ、融解部３０から吐出部４０の先端部（吐出口４１）側に向けて先細る形状を有している。吐出部４０は融解部３０との境界においては例えば直径３ｍｍに形成され、吐出口４１が形成されている先端部では、例えば直径１．５ｍｍに形成され、吐出口４１は例えば直径０．４ｍｍに形成される。

取付治具Ａは、供給部１０に嵌合して接続される。取付治具Ａは例えば、長さ５ｍｍ、直径４ｍｍの円柱形状（円筒形状）である。取付治具Ａは、ホットエンド１を３次元造形装置の本体に取り付けるための取付部としての役割を有する。なお、上述した吐出ヘッド１００の各部及び通路１２のサイズは、フィラメントのサイズなどに応じて適宜変更され得る。

本発明のホットエンド１における逆流防止部材５０は、上述したように、融解した造形材料が供給部１０側へ逆流することを防止するために設けられる。リング状の逆流防止部材５０にはフィラメントが挿通され、フィラメントの一部における外周に逆流防止部材５０が実質的に隙間なく密着する。フィラメントは、造形動作に伴うフィラメントの送り込みを阻害しない程度の力で、逆流防止部材５０によって保持される。３次元造形に使用されるフィラメントはその長さ方向で径が変動し得る。直径１．７５ｍｍのフィラメントであれば、例えば±０．０５ｍｍの公差を有し得るので、逆流防止部材５０はこの径の変動に追従してフィラメントに密着し得る弾性を有する材料で形成される。

逆流防止部材５０に使用される材料は、フィラメントが融解する温度に対する耐熱性を有することが好ましく、一例として超弾性合金であるＮｉ－Ｔｉ系合金が使用され得る。超弾性合金であるＮｉ－Ｔｉ系合金はその超弾性により８％程度の回復ひずみを有しており、フィラメントの径の変動に対して充分に追従し得る。また、耐熱性の弾性を有する樹脂が用いられてもよく、例えば３００℃近くの高温でもゴムとしての物性を保ち得るパーフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）が使用され得る。更に、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金も用いられ得る。超弾塑性合金は、室温で９９．９％以上の冷間加工が可能である超塑性的性質から成形がきわめて容易であり、加工性も優れていることから好ましい。超弾塑性型合金の一例としては、β型チタン合金に属する、豊通マテリアル（株）製「ゴムメタル」（登録商標）が挙げられる。

逆流防止部材５０の形状は、その内側が固体の状態のフィラメントに密着して保持し得るリング状に形成されている。ここでリング状とは、フィラメントの外周を取り囲んで保持し得る、例えば、螺旋状、コイル状、コイルばね状、管状、筒状、ワッシャ状（平ワッシャ状、皿ワッシャ状、丸ワッシャ状）、オーリング状、テーパ付管状等を含む広義の意味である。螺旋状、コイル状又はコイルばね状の逆流防止部材５０が用いられる場合にはコイルの巻き数は例えば２～３周にされるのが好ましい。フィラメントの線径の変化に対する追従において、コイル内径の変化のみならず、特にコイルばね状の場合はばねの変形も寄与することになり、より良好に追従し得ることになり好ましい。逆流防止部材５０の内周にはＣ面又はＲ面が形成されてよく、フィラメントと逆流防止部材５０との接触面積が調整され、フィラメントを保持する力が適切に調整され得る。

また、逆流防止部材５０は、両端が繋がった或いは繋がっていないリング状のもの、連続したオーリング状のものであってもよく、超弾塑性体や伸縮の大きいゴム状物を含む構造のものであってもよい。特に、弾性を有する材料からなる断面円形状又は楕円形状の線材からなる螺旋状、コイル状又はコイルばね状のものがより好ましい。

図１に示される例では、通路１２内にはひとつの逆流防止部材５０が設けられているが、複数個の逆流防止部材５０が設けられてもよい。すなわち、複数個のリング状の部材が重ねられて通路１２内に配置され得る。例えば、リング状の逆流防止部材５０が互いに密着して積み重なるように通路１２内の融解部３０の入口付近に配置され得る。これにより、逆流防止部材５０によるフィラメントの保持がより確実にされる。複数個のリング状の逆流防止部材５０は互いに離間して配置されてもよい。

図１に示されるように環状の抜け止め部材５１が逆流防止部材５０の供給口１１側に設けられ、逆流防止部材５０は、抜け止め部材５１と通路１２の段部との間に挟まれるようにして固定される。抜け止め部材５１には、通路１２内で逆流防止部材５０を安定して固定する観点から、例えばステンレス、ニッケル合金、チタン、又はチタン合金等の金属が用いられることが好ましく、形状記憶合金であるＮｉ－Ｔｉ系合金がより好ましく使用される。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチックが使用されてもよい。また、逆流防止部材５０は、例えば金属ペーストや無機接着剤といった耐熱性の接着剤を使用した通路１２内への接合によって固定されてもよい。

逆流防止部材５０は、融解したフィラメントの逆流を防止する観点から、保持する部分のフィラメントが固体である必要がある。すなわち、逆流防止部材５０が設けられている部分（融解部３０と断熱部２０の境界近傍）においては、フィラメントが融解しない温度に温度制御されている必要がある。加熱手段６０から与えられて融解部３０のフィラメント上流側へ伝わる熱による、逆流防止部材５０が設けられる領域の温度上昇を抑制するために、例えばアルミニウム又はステンレス等からなる金属部材７１が、融解部３０と断熱部２０の境界付近の外周に設けられ得る。

金属部材７１の一例の正面図が図３（Ａ）に、底面図が図３（Ｂ）に示される。金属部材７１は、例えば、アルミニウム、ステンレス等の公知の金属を用いて形成され得る。吐出ヘッド１００の金属部材７１が取り付けられる部位の熱容量を増大させる観点から、金属部材７１には比熱の大きい材料が用いられることが好ましい。また、放熱の観点から、金属部材７１には放熱性を向上させる処理が施されていることが好ましい。例えば、表面にアルマイト処理が施されたアルミニウムが好ましく用いられる。金属部材７１は、その中心に略同径の内腔を有する円筒形状を有する部材であり、その一端側には外径が大きく形成された鍔状の部分を有している。図示の例では、鍔状の部分の外径は、例えば直径１４ｍｍに形成される。鍔状の部分以外の円筒形状を有する部分の外径は、例えば直径７．９ｍｍに形成される。金属部材７１の内腔は、吐出ヘッド１００の断熱部２０の形状及びサイズに適合して形成されており、例えば直径３．１ｍｍに形成される。

金属部材７１が取り付けられることによって、融解部３０と断熱部２０の境界近傍の領域の熱容量は増大する。この領域の熱容量が増大することで、造形材料の吐出が停止された場合などに融解部３０と断熱部２０の境界部近傍の通路１２内に留まっている造形材料に多くの熱が集中したとしても温度が上昇しにくくなる。従って、造形材料の固体の部分と融解して流体化している部分との境界が断熱部２０側にシフトすることが抑制され得る。すなわち、逆流防止部材５０が保持する部分のフィラメントの融解が抑止され、通路１２内での造形材料の詰まりが抑制され得る。また、金属部材７１は、融解部３０と断熱部２０の境界又は境界部近傍の熱を放熱する効果も有し、その形状によって放熱効果を高めることによって詰まりの予防効果を更に高めることも出来る。

金属部材７１の側面には、吐出ヘッド１００への固定手段が挿通され得る貫通孔（取付用孔）７１ａが４つ形成されている。金属部材７１は、吐出ヘッド１００の断熱部２０の長さ方向における任意の位置に取り付けられ得る。すなわち、使用されるフィラメントの融解温度や、フィラメントの送り速度等に応じて、融解部３０と断熱部２０との境界付近の領域の温度が適切に維持されるように、位置を調整して取り付けられ得る。なお、図１においては、金属部材７１の内腔は吐出ヘッド１００の断熱部２０の外周の形状に適合され、断熱部２０に取り付けられる例が示されているが、金属部材７１の内腔を融解部３０の外周の形状に適合させ、融解部３０の外周に取り付けることも可能である。

ケース部材７２の一例の正面図が図４（Ａ）に、底面図が図４（Ｂ）に示されている。ケース部材７２は、金属部材７１と同様に、例えば、アルミニウム、ステンレス等の公知の金属を用いて形成される。アルミニウムが用いられる場合には、表面にアルマイト処理が施されていることが好ましい。ケース部材７２は略円筒形状の部材であり、その一端側は金属部材７２と嵌合される。金属部材７２と嵌合される部分と反対側には、中央部に吐出ヘッド１００の吐出口４１を吐出させるための孔７２ｂが形成されている底面を有している。図示の例では、金属部材７１が嵌合されるケース部材７１の内腔の径は、例えば直径８ｍｍに形成される。ケース部材７１の長さは、例えば１８．０ｍｍである。

ケース部材７２は、吐出ヘッド１００から金属部材７１伝達した熱を、融解部３０側での加熱に有効利用するために設けられる。ケース部材７２が融解部３０から吐出部４０にかけての所定の領域をカバーすることによって、この領域における安定した温度分布（温度勾配）を形成することが可能となる。すなわち、ケース部材７２は加熱手段６０から吐出ヘッド１００に与えられた熱を有効利用する省エネ効果をもたらすとともに、融解部３０から吐出部４０にかけての所定の領域の温度分布を安定化させ、安定的な造形動作に寄与し得る。

ケース部材７２の金属部材７１と接続される側には、溝部７２ａが形成されている。吐出ヘッド１００に金属部材７１とケース部材７２とが取り付けられる場合には、金属部材７１の取付用孔７１ａとケース部材７２の溝部７２ａとの位置が一致するように配置され、溝部７２ａと取付用孔７１ａに挿通された押しネジなどの固定手段によって、金属部材７１とケース部材７２とが吐出ヘッド１００に固定される。この吐出ヘッド１００に金属部材７１とケース部材７２とが取り付けられる際には、金属部材７１の吐出ヘッド１００に対する取り付け位置は、吐出ヘッド１００の長さ方向に移動させることができ、ケース部材７２の金属部材７１に対する取り付け位置は、ケース部材７２の長さ方向に移動可能とされている。すなわち、ケース部材７２がカバーする領域は、金属部材７１の吐出ヘッド１００に対する取り付け位置、及び、ケース部材７２の金属部材７１に対する取り付け位置に応じて、変化させることが可能な構造とされている。

ケース部材７２がカバーする領域を変化させることで、吐出部４０から断熱部２０にかけての所定幅の領域の温度分布（温度勾配）を調整することができる。造形材料の種類や特性（物性）に応じた適切な温度勾配に近づけることができ、ホットエンド１の供給部１０側の通路内で造形材料の詰まりが発生することを抑制するとともに、適切な溶融状態にある造形材料を良好に吐出口４１から吐出させることができる。

ホットエンド１における加熱手段６０としては、例えば、絶縁基板上に厚膜抵抗体層を形成した加熱ヘッド、ヒートブロック等公知のものを広く使用することができるが、応答性やサイズの点において加熱ヘッドを用いるのが好ましい。加熱手段（加熱ヘッド）６０の構造の一例を図５に示す。吐出ヘッド１００の融解部３０に取付けられる加熱ヘッド６０は、例えば厚さ０．３ｍｍ、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍの矩形板状のアルミナ又はジルコニアなどのセラミック基板（絶縁基板）６１と、絶縁基板６１の表面に形成された帯状の発熱抵抗体６２と、絶縁基板６１の表面において発熱抵抗体６２の両端部のそれぞれに接続するように形成された電極６３を有する。なお、発熱抵抗体６２の表面を、例えばフィラーを含むガラス等の保護層（誘電体層）でコートしてもよく、発熱抵抗体６２の表面を別の絶縁基板で覆ってもよい。

加熱手段６０は、絶縁基板６１に、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ等の合金粉末や酸化ルテニウムを含む厚膜用ペースト等を所定のパターンに印刷、乾燥後、所定温度で焼成することで発熱抵抗体６２、電極６３を形成することができる。

また、絶縁基板６１の電極６３の形成部に、電極６３とリード（図示せず）との接続強度を向上させるために切欠部が形成される。図３に示される例では切欠部は１つの電極６３に対して２つずつ設けるようにしたが、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。更に、切欠部に代えて貫通孔（スルーホール）を１つ若しくは複数設けてもよいし、切欠部と貫通孔とを組み合わせて用いるようにしてもよい。つまり、切欠部や貫通孔を設けるのは、電極６３とリードとの接続強度を向上させるために、接続面積を増やしたり、アンカー効果等の機械的係合が得られる対策をとることで、高温に加熱したり、２次元的又は３次元的に移動操作させた場合であっても接続不良が生じないようにしている。

図１に示されているように、吐出ヘッド１００に加熱手段６０が取付けられた状態では、加熱手段６０は、その裏面（絶縁基板６１の発熱抵抗体６２が形成されていない面）側を吐出ヘッド１００の融解部３０の平面部（四角柱の側面）に、例えば銀系の厚膜ペースト（Ａｇに例えばガラス、Ｃｕが含有されたもの）を接合材料として塗布、焼成して、接合されている。なお、図１の例では、発熱抵抗体６２の絶縁基板６１と反対側には別の絶縁基板６６が設けられている。ホットエンド１においては、吐出ヘッド１００における融解部３０に２つの加熱手段６０が対向して取り付けられているが、加熱手段６０は、四角柱状の融解部３０の４つ平面部のそれぞれに取り付けられ得る。例えば、４つの平面部の全てに加熱手段６０が設けられて、ホットエンド１が４つの加熱手段６０を備える構成としてもよく、隣り合う２つの平面部にのみ加熱手段６０を設ける構成としてもよい。

加熱手段６０が小型のものである場合には、１つの平面部における長さ方向に、複数の加熱手段６０を設けることも可能である。融解部３０が四角柱状に形成され４つの平面部を有していることで、加熱手段６０の取り付け位置の自由度が格段に向上し、融解部３０における通路１２内の温度分布を、使用されるフィラメントの種類（物性）等に応じて、より適切に調整することが可能となる。例えば、融解部３０のフィラメントの上流側には２つの対向する平面部に加熱手段６０を配置し、フィラメントの下流側には４つの平面部の全てに加熱手段６０を配置して、下流側でより高温の温度分布となるように加熱手段６０の配置を構成することもできる。

図６は、ホットエンド１で加熱手段６０の発熱抵抗体６２によって基板の温度測定をもおこない、測定された温度に応じて発熱抵抗体６２による加熱量を調整することで融解部３０の温度制御をする場合の制御回路の一例を示すブロック図である。すなわち、この駆動回路は直流又は交流の電源６４で駆動する例で、電源６４としては、電池、商用電源又は商用電源をトランスなどにより電圧や印加時間を調整して、印加電力を調整する調整部を介して発熱抵抗体６２に接続されている。

商用の交流電源６４により供給される電圧は、電力の調整部により調整され、所望の温度になるように調整される。その結果、直流電源が不要で、電源冷却ファンも不要になる。しかし、電池による直流電源が用いられてもよい。また、図示されていないが、パルスを印加するパルス駆動により加熱がされてもよい。その場合、電圧を変える以外にもデューティサイクルを変えたり、位相制御などで発熱に関する実行印加電力が調整され得る。

温度は、発熱抵抗体６２を利用して、その抵抗値の変化によって検出することができる。発熱抵抗体６２の抵抗値の変化は、図６に示されるように、発熱抵抗体６２と直列にシャント抵抗６５が接続され、その両端の電圧を測定することによって、電流の変化を検出できる。発熱抵抗体６２に印加する電圧が一定のとき、電流の変化が分かれば、抵抗値の変化を知ることができる。すなわち、発熱抵抗体６２の抵抗値は温度によって変る温度特性を有している。そのため、その温度特性（温度係数）を予め検出しておくことによって、抵抗値が分かれば、発熱抵抗体６２、すなわち絶縁基板６１の温度を知ることができる。この温度検出は、制御手段によってなされる。また、シャント抵抗６５は、発熱の影響を避けるため温度検知が可能な限り抵抗値の低い方がよい。また、できるだけ温度係数の小さい抵抗が好ましく、電流による発熱を避けるため、電流が小さくなるように設定される。

この温度測定によって測定された温度に応じて、発熱抵抗体６２に印加される電圧が調整部で調整されるように制御手段から制御信号が出され、発熱抵抗体６２、すなわち絶縁基板６１の温度が所望の温度に調整される。加熱手段６０によって造形材料を軟化させて造形物を形成する造形動作の最中には、通路１２内における温度分布が安定するように、発熱抵抗体６２の温度が制御される。

上述した、吐出ヘッド１００における逆流防止部材５０が取り付けられている領域が過剰に加熱されることを抑止し、通路１２の詰まりを防止するために、例えばサーミスタ又は熱電対などの温度監視手段（温度センサ）によって、逆流防止部材５０が設けられる部位の温度が測定されてもよい。また、発熱抵抗体６２による温度測定とは別に、融解部３０の温度を測定する温度センサを、融解部３０の平面部に取り付けてもよい。融解部３０が四角柱状に形成されているので、温度センサの取り付け位置の自由度が高く、より精密に融解部３０の温度を監視することができる。この場合には、温度センサによる測定温度に基づいた制御信号によって加熱手段６０の発熱抵抗体６２に印加される電圧が制御され、逆流防止部材５０が設けられる部位の温度が制御され得る。融解部３０を加熱手段６０の構成によって温度勾配を持たせて加熱するようにしてもよい。つまり、融解部３０の下部側（吐出部４０側）の加熱温度を、融解部３０の上部側（断熱部２０側）の加熱温度よりも高くし、逆流防止部材５０へ伝導する熱量を軽減して、逆流防止部材５０が設けられる部位の温度を所望の温度に保つこともできる。

次に、本発明のホットエンドの他の例が、図７を参照して説明される。図７に示されるホットエンド１ａは、図１に示されているホットエンド１の供給部１０及び断熱部２０の一部が除去された構成を有している。すなわち、ホットエンド１ａを構成する吐出ヘッド１００ａは、吐出部４０、融解部３０、及びホットエンド１における断熱部２０の一部である金属部材７１が取り付けられる部分から構成されている。ホットエンド１ａにおいても、ホットエンド１と同様に逆流防止部材５０が通路１２の段部に設けられ、抜け止め部材５１によって固定されている。そして、逆流防止部材５０で保持されるフィラメントが融解しないように、ホットエンド１００ａの、逆流防止部材５０が設けられている領域の外周に金属部材７１が設けられ、更に、金属部材７１に接続されるケース部材７２が設けられている。

本発明のホットエンド１、１ａが３次元造形装置に取付けられる際には、３次元造形装置本体側に取付けられるアダプターに設けられた開口に、ホットエンドの造形材料が供給される側を挿し込み、横から、例えば押しネジを用いて固定することができる。

上述の本発明のホットエンド１、１ａは、耐熱温度が高いスーパーエンジニアリングプラスチックとして知られるＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）をフィラメントに用いて良好に造形できることが確認されている。このとき、逆流防止部材５０によって融解した造形材料の逆流が抑止され、通路１２内での造形材料の詰まりによる造形動作の不良が発生することもなく、良好に動作することが確認されている。また、ホットエンド１、１ａは５００℃の高温に迅速昇温可能であることから、低融点金属類のフィラメントも使用され得る。

また、上述の吐出ヘッド１００は、全体として長さ３３ｍｍ程度とされ、ホットエンド１は現存するホットエンドに比べて格段に小型となっている。また、吐出ヘッド１００を６４チタン合金で形成する場合には、小型と相俟って極めて軽量化されている。よって、ホットエンド１を２次元又は３次元に移動させて造形を行うようにした場合であっても、駆動エネルギーの省力化ができる。上述のホットエンド１ａは、供給部１０及び断熱部２０の一部が不要であることから、ホットエンド１よりも更に小型化されている。更に、ホットエンド１、１ａは、金属部材７１及びケース部材７２により、吐出ヘッド１００、１００ａに加えられた熱を効率的にフィラメントの融解に再利用していることから、融解エネルギーの省力化がなされている。

また、吐出ヘッド１００、１００ａの材料としてチタン合金（例えば、６４チタン）を用い、加熱手段６０の絶縁基板６１としてセラミック基板（例えば、アルミナジルコニア基板）を用いた場合には、チタン合金とセラミックとの熱膨張率が近いこともあって、造形動作による加熱、冷却のサイクルによる接合不良を効果的に防止することができる。また、アルミナジルコニア基板は、アルミナ基板に比して機械的強度が高いことから薄くでき、加熱ヘッドの小型軽量化をより一層図ることができる。

また、吐出ヘッド１００、１００ａの四角柱形状の融解部３０は４面の平面部を有していることから、融解部３０に取り付けられる加熱手段６０の数、及び、加熱手段６０の取り付け位置を自由度が高く選択し得る。更に、必要に応じて温度監視手段（温度センサ）を平面部に取り付ける場合には、その平面部に容易に取り付けることが可能である。

また、逆流防止部材５０は、逆流が生じないように、フィラメントに密着しつつフィラメントの送り込みを阻害しない程度の適切な力でフィラメントを保持する観点から、その材料の弾性等を加味して形状を適宜決定することができる。

１、１ａ ホットエンド
３ａ 個体の状態のフィラメント
３ｂ 融解した状態のフィラメント
３ｃ 固体と液体の混合した状態のフィラメント
Ａ 取付治具
１０ 供給部
１１ 供給口
１２ 通路
２０ 断熱部
２０ａ 開口
２１、２２ 段部
３０ 融解部
４０ 吐出部
４１ 吐出口
５０ 逆流防止部材
６０ 加熱手段（加熱ヘッド）
６１、６６ 絶縁基板
６２ 発熱抵抗体
６３ 電極
６４ 電源
６５ シャント抵抗
５１ 抜け止め部材
７１ 金属部材
７１ａ 取付用孔
７２ ケース部材
７２ａ 溝部
７２ｂ 孔
１００、１００ａ 吐出ヘッド

Claims (8)

1. フィラメント状の造形材料を供給する供給口、融解された前記造形材料を吐出する吐出口、及び前記供給口と前記吐出口とを直線的に連通する通路を有する吐出ヘッドと、
   前記通路内の前記造形材料を融解するための加熱手段と、
   を備える３次元造形装置用のホットエンドであって、
   前記加熱手段と前記供給口との間の前記通路内に、前記加熱手段により融解された前記造形材料が前記供給口側に前記通路を逆流するのを防止する、前記造形材料が接して挿通されるリング状の逆流防止部材が配置され、
   前記通路の前記逆流防止部材が配置されている領域を囲むように取り付けられる金属部材を備え、
   前記金属部材に固定され、前記加熱手段を覆うケース部材を備えること特徴とするホットエンド。
2. 前記逆流防止部材は、前記通路内の段部に当接して配置されていることを特徴とする請求項１記載のホットエンド。
3. 前記吐出ヘッドは筒状を有し、前記通路の前記逆流防止部材が配置されている領域の周壁の厚さが、前記加熱手段が配置されている領域の周壁の厚さよりも薄くされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のホットエンド。
4. 前記逆流防止部材よりも前記供給口側の前記通路内に、前記逆流防止部材が前記供給口側に移動するのを防止するための、前記逆流防止部材よりも内径の大きい環状の抜け止め部材を配置したことを特徴とする請求項２又は３に記載のホットエンド。
5. 前記逆流防止部材は、耐熱性を有する弾性体、超弾性合金、又は超弾塑性型合金からなる請求項１～４のいずれか１項に記載のホットエンド。
6. 前記リング状とは、螺旋状、コイル状又はコイルばね状である請求項１～５のいずれか１項に記載のホットエンド。
7. 前記逆流防止部材の内周にＣ面又はＲ面が形成されている請求項１～５のいずれか１項に記載のホットエンド。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載のホットエンドを搭載したことを特徴とする３次元造形装置。

Images