JP7135518B2 - 三次元造形装置、および、ノズルユニット - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態におけるノズルユニット60Aを有する三次元造形装置100の構成を示す概略図である。図1には、互いに直交するX,Y,Z方向を示す矢印が示されている。X方向およびY方向は、水平面に平行な方向であり、Z方向は、鉛直方向、つまり、重力方向とは反対の方向である。X,Y,Z方向を示す矢印は、他の参照図においても、図示の方向が図1と対応するように適宜、図示してある。
<熱可塑性樹脂材料の例>
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)、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック
<金属材料の例>
マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、コバルト(Co)やクロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)の単一の金属、もしくはこれらの金属を1つ以上含む合金
<前記合金の例>
マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金
<溶剤の例>
水;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル類;酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸iso-プロピル、酢酸n-ブチル、酢酸iso-ブチル等の酢酸エステル類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル-n-ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;テトラアルキルアンモニウムアセテート類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤;ピリジン、γ-ピコリン、2,6-ルチジン等のピリジン系溶剤;テトラアルキルアンモニウムアセテート(例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等);ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等
<バインダーの例>
アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)或いはその他の熱可塑性樹脂。
図7は、第2実施形態におけるノズルユニット60Bに設けられているフィルター部80Bの構成を示す概略図である。第2実施形態のノズルユニット60Bを備える造形装置は、第1実施形態で説明した造形装置100とほぼ同じ構成を有している。第2実施形態のノズルユニット60Bの構成は、第1実施形態のフィルター部80Aの代わりに、第2実施形態のフィルター部80Bを備えている点以外は、第1実施形態のノズルユニット60Aの構成とほぼ同じである。第2実施形態のフィルター部80Bの構成は、ノズル側フィルター83と第2フィルター室87とが省略されている点以外は、第1実施形態のフィルター部80Aの構成とほぼ同じである。第2実施形態のノズルユニット60Bおよびそれを備える造形装置によれば、主フィルター81や流路側フィルター82など、第1実施形態と共通する構成によって、第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することが可能である。
図8は、第3実施形態におけるノズルユニット60Cに設けられているフィルター部80Cの構成を示す概略図である。第3実施形態のノズルユニット60Cを備える造形装置は、第1実施形態で説明した造形装置100とほぼ同じ構成を有している。第3実施形態のノズルユニット60Cの構成は、第1実施形態のフィルター部80Aの代わりに、第3
実施形態のフィルター部80Cを備えている点以外は、第1実施形態のノズルユニット60Aの構成とほぼ同じである。
図9は、第4実施形態におけるノズルユニット60Dに設けられているフィルター部80Dの構成を示す概略図である。第4実施形態のノズルユニット60Dを備える造形装置は、第1実施形態で説明した造形装置100とほぼ同じ構成を有している。第4実施形態のノズルユニット60Dの構成は、第1実施形態のフィルター部80Aの代わりに、第4実施形態のフィルター部80Dを備えている点以外は、第1実施形態のノズルユニット60Aの構成とほぼ同じである。第4実施形態のフィルター部80Dは、流路側フィルター82および第2フィルター室87が省略されている点以外は、第1実施形態のフィルター部80Aの構成とほぼ同じである。第4実施形態のノズルユニット60Dおよびそれを備える造形装置によれば、第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することが可能である。
図10は、第5実施形態におけるノズルユニット60Eに設けられているフィルター部80Eの構成を示す概略図である。第5実施形態のノズルユニット60Eを備える造形装置は、第1実施形態で説明した造形装置100とほぼ同じ構成を有している。第5実施形態のノズルユニット60Eの構成は、第1実施形態のフィルター部80Aの代わりに、第5実施形態のフィルター部80Eを備えている点以外は、第1実施形態のノズルユニット60Aの構成とほぼ同じである。
図11は、第6実施形態におけるノズルユニット60Fの構成を示す概略図である。第6実施形態のノズルユニット60Fを備える造形装置は、第1実施形態で説明した造形装置100とほぼ同じ構成を有している。第6実施形態のノズルユニット60Fの構成は、第1実施形態で説明したノズル部材68の代わりに、構成が異なるノズル部材68Fを有している点以外は、第1実施形態のノズルユニット60Aの構成とほぼ同じである。
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
上記第1実施形態、第2実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態において、主フィルター81は、第3実施形態の単層フィルター81aのように、三次元メッシュ構造を有する部材によって構成されてもよい。流路側フィルター82およびノズル側フィルター83についても同様である。上記の第5実施形態を除く各実施形態において、フィルター室85は、流路65側とノズル61側の少なくとも一方にフィルターが配置されていない空間を有していてもよい。
上記の各実施形態において、主フィルター81は、細孔の孔径が厚み方向に増大する構成を有していなくてもよい。主フィルター81は、細孔の孔径が厚み方向にほぼ一定である構成を有していてもよいし、細孔の孔径が厚み方向における中央から両面側に向かって増大する構成を有していてもよい。流路側フィルター82およびノズル側フィルター83についても同様である。また、上記の各実施形態において、主フィルター81は、流路65側からノズル61側に向かうにつれて細孔の孔径が次第に大きくなるように配置されてもよい。流路側フィルター82についても同様である。上記の各実施形態において、ノズル側フィルター83は、流路65側からノズル61側に向かうにつれて細孔の孔径が次第に小さくなるように配置されてもよい。
上記各実施形態のノズルユニット60A~60Fでは、流量制御部70は省略されてもよい。また、流量制御部70のうち、開閉機構72の一方のみを有していてもよいし、負圧発生機構75のみを有していてもよい。上記各実施形態のノズルユニット60A~60Fにおいて、開閉機構72はバタフライバルブによって構成されていなくてもよく、例えば、流路65を開閉するように駆動するシャッターやプランジャーによって構成されていてもよい。負圧発生機構75は、副流路77において移動体78を移動させて流路65に負圧を発生させる構成を有していなくてもよく、代わりに、例えば、吸引ポンプによって副流路77を通じて流路65に負圧を発生させる構成を有していてもよい。
上記の各実施形態において、フィルター81,81aはノズルユニット60A~60Fに着脱可能に固定されていなくてもよい。フィルター81,81aは、例えば、フィルター室85の壁面に外周端部が接合されて固定されていてもよい。上記の第6実施形態におけるノズル部材68Fを、上記の第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態のノズルユニット60B,60C,60D,60Eに適用してもよい。
生成部30は、フラットスクリュー40を利用している構成の代わりに、例えば、Z方向の長さが直径よりも長いインラインスクリューを回転させてノズル61から造形材料を押し出す構成を有していてもよい。また、造形装置100は、フラットスクリュー40や上述したインラインスクリューを用いる構成ではなく、通常のFDM方式(熱融解積層方式)を採用していてもよい。造形装置100では、熱可塑性樹脂からなるフィラメントが巻き回されたボビンから、ノズルへと、フィラメントを繰り出し、ノズル内に設けられたヒーターによって、そのフィラメントを溶融させ、造形材料としてノズルから吐出させる構成が採用されてもよい。
上記の各実施形態において、材料供給部20は、複数のホッパーを備える構成を有していてもよい。この場合には、各ホッパーからフラットスクリュー40へと異なる材料が供給され、フラットスクリュー40の溝部42内において混合されて、造形材料が生成されてもよい。例えば、上記実施形態で説明した主材料となる粉末材料と、それに添加される溶媒やバインダーなどが別々のホッパーから並行してフラットスクリュー40に供給されてもよい。
本発明は、上述の各実施形態や実施例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形態(aspect)によって実現することができる。例えば、本発明は以下の形態として実現可能である。以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する上記の各実施形態中の技術的特徴は、本発明の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本発明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おいて必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
この形態の三次元造形装置によれば、流路とノズルとの間に配置されているフィルターによって造形材料に混入している異物を除去できる。そのため、そうした異物によってノズルが閉塞されてしまうことや、三次元造形物に異物が混入して三次元造形物の造形精度が低下してしまうことを抑制することができる。また、フィルターの断面積が、流路の断面積より大きい分だけ、フィルターにおいて造形材料の流路として機能する部位が増えるため、フィルターを設けることによる造形材料の圧力損失の増大を抑制することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、細孔における孔径の小さい部位において、より細かいサイズの異物を除去することができる。また、細孔が孔径の大きい部位を有していることによって、フィルターにおける圧力損失の増大を抑制することができる。加えて、細孔の孔径が流路からノズルに向かう方向に小さくなるように、フィルターを配置することによって、細孔に補足された異物をフィルターから流路側へと浮動させやすくすることができ、フィルターの目詰まりの発生を抑制することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、第1フィルター室と第2フィルター室を有することによって、流路からノズルに向かう方向に見たときに流路のノズル側の端部と重なる領域の外側に位置する主フィルターの外周部位に、造形材料を導きやすくなる。よって、フィルターを設けることによる造形材料の圧力損失の増大を、さらに抑制することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、細孔の孔径が大きい流路側フィルターに主フィルターを支持させることにより、圧力損失の増大を抑制しつつ、主フィルターの耐久性を高めることができる。また、流路側フィルターにおいてサイズの大きい異物を補足させた上で、主フィルターにサイズの小さい異物を補足させることができるため、主フィルターの目詰まりの発生を抑制できる。
この形態の三次元造形装置によれば、流路側フィルターの細孔に補足された異物を、流路側フィルターから流路側へと浮動しやすい状態にすることができる。
この形態の三次元造形装置によれば、細孔の孔径が大きいノズル側フィルターに主フィルターを支持させることにより、圧力損失の増大を抑制しつつ、主フィルターの耐久性を高めることができる。また、ノズル側フィルターによって、ノズルから侵入した異物が主フィルターに到達してしまうことを抑制することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、ノズル側フィルターに補足された異物を、造形材料の圧力により除去しやすくなるため、ノズル側フィルターの目詰まりが抑制される。
を備え、前記フィルターは、前記ユニット部材と前記ノズル部材との間における前記凹部内に着脱可能に固定されてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、フィルターのメンテナンスを容易におこなうことができる。
この形態の三次元造形装置によれば、開閉機構や負圧発生機構を用いて造形材料の吐出量を制御できるため、三次元造形物の造形精度を高めることができる。また、開閉機構や負圧発生機構よりノズル側において生じた異物をフィルターによって除去することができる。
この形態の三次元造形装置によれば、フィルターの目詰まりによるノズルからの造形材料の吐出不良の発生を抑制できる。
この形態の三次元造形装置によれば、フラットスクリューの利用により、装置の小型化が可能である。また、造形材料の吐出量の制御精度を高めることができる。
この形態のノズルユニットによれば、流路とノズルとの間に配置されているフィルターによって造形材料に混入している異物を除去できる。そのため、そうした異物によってノズルが閉塞されてしまうことや、三次元造形物に異物が混入して三次元造形物の造形精度が低下してしまうことを抑制することができる。また、フィルターの断面積が、流路の断面積より大きい分だけ、フィルターにおいて造形材料の流路として機能する部位が増えるため、フィルターを設けることによる造形材料の圧力損失の増大を抑制することができる。
Claims (12)
- 三次元造形装置であって、
溶融された造形材料を生成する生成部と、
前記生成部で生成された前記造形材料を吐出するノズルと、
前記ノズルに前記造形材料を導く流路と、
前記流路と前記ノズルとの間に設けられ、前記流路から前記ノズルに向かう方向から見たときに前記流路よりも大きい断面積を有するフィルター室と、
前記造形材料が通過する細孔を有し、前記フィルター室に配置されるフィルターと、
を備え、
前記フィルターは、
前記流路から前記ノズルに向かう方向から見たときに、前記流路よりも断面積が大きく、かつ、前記流路の前記ノズル側の端部よりも外側に位置する外周部位を有し、
前記外周部位に前記細孔が設けられている、
三次元造形装置。 - 請求項1の三次元造形装置であって、
前記フィルターにおける前記細孔の孔径は、前記流路側から前記ノズル側に向かうにつれて次第に、増加、または、減少する、三次元造形装置。 - 請求項1または請求項2記載の三次元造形装置であって、
前記フィルターは、前記フィルター室を、前記流路側の第1フィルター室と、前記ノズル側の第2フィルター室と、に仕切るように配置された主フィルターである、三次元造形装置。 - 請求項3記載の三次元造形装置であって、
前記第1フィルター室には、前記造形材料を通過させる細孔を有する流路側フィルターが、前記主フィルターを覆うように配置され、
前記流路側フィルターにおける前記細孔の孔径の最小値は、前記主フィルターにおける前記細孔の孔径の最小値より大きい、三次元造形装置。 - 請求項4記載の三次元造形装置であって、
前記流路側フィルターにおける前記細孔の孔径は、前記流路側から前記ノズル側に向かうにつれて次第に小さくなる、三次元造形装置。 - 請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記第2フィルター室には、前記造形材料を通過させる細孔を有するノズル側フィルターが、前記主フィルターを覆うように配置され、
前記ノズル側フィルターにおける前記細孔の孔径の最小値は、前記主フィルターにおける前記細孔の孔径の最小値より大きい、三次元造形装置。 - 請求項6記載の三次元造形装置であって、
前記ノズル側フィルターにおける前記細孔の孔径は、前記流路側から前記ノズル側に向かうにつれて次第に大きくなる、三次元造形装置。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記フィルター室を含む凹部を有するユニット部材と、
前記ノズルを構成し、前記ユニット部材に着脱可能に取り付けられるノズル部材と、
を備え、
前記フィルターは、前記ユニット部材と前記ノズル部材との間における前記凹部内に着脱可能に固定される、三次元造形装置。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記流路には、前記流路を開閉する開閉機構と、前記流路内の前記造形材料を吸引する機構と、のうちの少なくとも一方が設けられている、三次元造形装置。 - 請求項9記載の三次元造形装置であって、
前記流路には、前記開閉機構と、前記流路内の前記造形材料を吸引する機構とが設けられており、
制御部を備え、
前記制御部は、
三次元造形物の造形処理において、前記ノズルからの前記造形材料の吐出を中断するために前記開閉機構を閉じる際に、前記流路内の前記造形材料を吸引する機構を制御して、前記流路内の前記造形材料を吸引し、また、
前記フィルターの目詰まりを解消させる処理を実行する際に、前記流路内の前記造形材料を吸引する機構を制御して、前記流路内の前記造形材料を吸引する、
三次元造形装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記生成部は、
溝部が形成された溝形成面を有し、回転可能なフラットスクリューと、
前記溝形成面に対向し、前記ノズルに連通する連通孔が形成されたスクリュー対面部と、を備え、
前記フラットスクリューの回転軸に平行な方向に沿った前記フラットスクリューの長さは、前記回転軸に垂直な方向に沿った前記フラットスクリューの長さよりも短く、
前記フラットスクリューの回転によって、前記造形材料を生成する、三次元造形装置。 - ノズルユニットであって、
三次元造形に用いられる溶融された造形材料を吐出するノズルと、
前記ノズルに前記造形材料を導く流路と、
前記流路と前記ノズルとの間に設けられ、前記流路から前記ノズルに向かう方向から見たときに前記流路よりも大きい断面積を有するフィルター室と、
前記造形材料が通過する細孔を有し、前記フィルター室に配置されるフィルターと、
を備え、
前記フィルターは、
前記流路から前記ノズルに向かう方向から見たときに、前記流路よりも断面積が大きく、かつ、前記流路の前記ノズル側の端部よりも外側に位置する外周部位を有し、
前記外周部位に前記細孔が設けられている
ノズルユニット。
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