JP7158787B1 - ３ｄプリンタ及び３ｄプリンタ用材料カートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】製品を高品質且つ高効率に製造可能な３Ｄプリンタを提供する。【解決手段】３Ｄプリンタ１０は、紫外線硬化材料を収容した材料カートリッジ２１と、材料カートリッジ２１を交換可能に保持するカートリッジ保持部２２と、カートリッジ保持部２２に保持された材料カートリッジ２１から紫外線硬化材料を射出させる材料射出部２３と、材料カートリッジ２１から射出された紫外線硬化材料Ｍが積層されるステージ部３０と、カートリッジ保持部２２とステージ部３０とを互いに移動させる移動機構部４０と、ステージ部３０に射出された紫外線硬化材料Ｍに紫外線ＵＶを照射する紫外線照射部５０とを有する。材料カートリッジ２１は、紫外線遮蔽材料により形成されたシリンジ状の材料容器部と、材料容器部に挿入されたピストン部と、を有し、材料射出部２３は、紫外線硬化材料Ｍを材料容器部から射出させるべくピストン部を駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線硬化材料を積層しつつ紫外線により硬化させて造形物を製造する３Ｄプリンタの技術分野に属する。

この種の３Ｄプリンタは、ディスペンサ部に充填する紫外線硬化材料を所望のものに入れ替えることで、所望の材質の製品（造形物）を製造することができる（特許文献１）。

しかし、従来の３Ｄプリンタのディスペンサ部は、粘性を有する紫外線硬化材料が容易には排出され難い複雑な構造になっていたため、前回使用した材料の残滓が次回使用する材料に混入することによる製品の品質低下の問題、及び、ディスペンサ部内の洗浄のために長時間要することによる製品の製造効率低下の問題があった。

特許第６９４９１９１号公報

そこで、本発明は、製品を高品質且つ高効率に製造可能な３Ｄプリンタ及び３Ｄプリンタ用材料カートリッジを提供する。

請求項１記載の３Ｄプリンタは、紫外線硬化材料を積層しつつ紫外線により硬化させて造形物を製造する３Ｄプリンタであって、前記紫外線硬化材料を収容した材料カートリッジと、前記材料カートリッジを交換可能に保持するカートリッジ保持部と、前記カートリッジ保持手段に保持された前記材料カートリッジから前記紫外線硬化材料を射出させる材料射出手段と、前記材料カートリッジから射出された前記紫外線硬化材料が積層されるステージ部と、前記カートリッジ保持部と前記ステージ部とを互いに移動させる移動手段と、前記ステージ部に射出された前記紫外線硬化材料に紫外線を照射する紫外線照射部とを有し、前記材料カートリッジは、紫外線遮蔽材料により形成されたシリンジ状の材料容器部と、当該材料容器部に挿入されたピストン部とを有し、前記材料射出手段は、前記紫外線硬化材料を前記材料容器部から射出させるべく圧縮空気により前記ピストン部を駆動するピストン駆動機構を有し、前記材料カートリッジは、収容している前記紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類のものが用意されており、前記材料容器部の上端には圧縮空気入口が設けられ、供給される圧縮空気により、前記ピストン部が押圧駆動されて、材料容器部の下端に設けられた吐出口から紫外線硬化材料を前記ステージ上に吐出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の３Ｄプリンタである。

請求項１記載の３Ｄプリンタは、カートリッジ保持部とステージ部とを相対移動させつつ、紫外線硬化材料を材料カートリッジからステージ部に射出するとともに、ステージ部上の紫外線硬化材料に紫外線を照射することにより、紫外線硬化材料を硬化させて造形物を製造する。
紫外線硬化材料は、材料カートリッジのシリンジ状の材料容器部に予め収容されており、材料射出手段が材料カートリッジのピストン部を駆動することによりステージ部に射出される。材料容器部は紫外線遮蔽材料により形成されているので、材料カートリッジ内の紫外線硬化材料は劣化することなく高品質に保たれる。
そして、この３Ｄプリンタは、材料カートリッジが交換可能であることにより、材料カートリッジを別の材料を収容している材料カートリッジに交換するだけで、使用する材料を別の材料に変えることができるので、従来のようなディスペンサ部の洗浄作業が不要である。よって、この３Ｄプリンタによれば、製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

請求項１記載の３Ｄプリンタは、請求項１記載の３Ｄプリンタにおいて、前記材料カートリッジは、収容している前記紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類のものが用意されていることを特徴とする。このように、収容している紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類の材料カートリッジが用意されていることにより、材料カートリッジを交換するだけで、紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類の製品を高品質且つ高効率に製造可能である。また部分ごとに、異なる数種の材料で、１つの造形物を作成することも可能となる。

請求項１記載の３Ｄプリンタは、前記ピストン駆動機構は、圧縮空気によりピストン部を駆動することを特徴とする。圧縮空気によりピストン部を駆動するピストン駆動機構を採用することで、比較的簡単な構成でピストン駆動機構を実現できるので、３Ｄプリンタの製造コスト及びメンテナンスコストを低減できる。

請求項２記載の３Ｄプリンタは、前記材料カートリッジ、前記カートリッジ保持部、前記材料射出手段、前記ステージ部、前記移動手段及び前記紫外線照射部を覆う紫外線遮蔽体を有することを特徴とする。

請求項２記載の３Ｄプリンタによれば、外部からの紫外線の入射を紫外線遮蔽体により防止して、紫外線硬化材料からなる造形物を高品質に製造することができる。そして、材料容器部が紫外線遮蔽材料により形成されているので、紫外線遮蔽体と材料容器部とによる二重の紫外線遮蔽効果により、材料カートリッジに収容された紫外線硬化材料を外部からの紫外線から強力に保護することができる。

請求項３記載の３Ｄプリンタ用材料カートリッジは、紫外線硬化材料を積層しつつ紫外線照射により硬化させて造形物を製造する３Ｄプリンタのカートリッジ保持部に交換可能に装着される材料カートリッジであって、紫外線遮蔽材料により形成されたシリンジ状の材料容器部と、前記状材料容器に挿入されたピストン部とを有し、前記紫外線硬化材料を前記材料容器部から射出させるべく、前記ピストン部が前記３Ｄプリンタのピストン駆動機構により駆動され、前記材料容器部の上端には圧縮空気入口が設けられ、供給される圧縮空気により前記ピストン部が押圧駆動されて、材料容器部の下端に設けられた吐出口から紫外線硬化材料を前記ステージ上に吐出するように構成されていることを特徴とする３Ｄプリンタ用材料カートリッジである。

請求項３記載の３Ｄプリンタ用材料カートリッジによれば、材料容器部は紫外線遮蔽材料により形成されているので、材料カートリッジ内の紫外線硬化材料は劣化することなく高品質に保たれる。そして、この３Ｄプリンタ用材料カートリッジは、予め紫外線硬化材料を収容しており、３Ｄプリンタのカートリッジ保持部に交換可能に装着されるので、３Ｄプリンタのディスペンサ部の洗浄作業を不要にする。よって、この３Ｄプリンタ用材料カートリッジを使用可能な３Ｄプリンタによれば、製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

請求項１記載の３Ｄプリンタによれば、材料カートリッジに収容した紫外線硬化材料を高品質に保つことができ且つ材料カートリッジが交換可能であるので、製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

請求項１記載の３Ｄプリンタによれば、収容している紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類のものが用意されているので、紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類の製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

請求項１記載の３Ｄプリンタによれば、圧縮空気によりピストン部を駆動するという比較的簡単な構成でピストン駆動機構を実現できるので、３Ｄプリンタの製造コスト及びメンテナンスコストを低減できる。

請求項２記載の３Ｄプリンタによれば、外部からの紫外線の入射を紫外線遮蔽体により防止して、紫外線硬化材料からなる造形物を高品質に製造することができる。材料容器部が紫外線遮蔽材料により形成されているので、紫外線遮蔽体と材料容器部とによる二重の紫外線遮蔽効果により、材料カートリッジに収容された紫外線硬化材料を外部からの紫外線から強力に保護しつつ、紫外線照射により高品質の製品を製造することができる。

請求項３記載の３Ｄプリンタ用材料カートリッジは、予め紫外線硬化材料を収容しており、且つ、３Ｄプリンタのカートリッジ保持部に交換可能に装着されるので、これを使用可能な３Ｄプリンタによれば、製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

一実施形態の３Ｄプリンタの全体の構造の概念図である。 一実施形態の３Ｄプリンタの要部の構造の概念図である。 一実施形態の３Ｄプリンタ用材料カートリッジの概念図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［構成］

［３Ｄプリンタ］
図１及び図２に示すように、一実施形態の３Ｄプリンタ１０は、紫外線硬化材料Ｍを射出するディスペンサ部２０と、ディスペンサ部２０から射出された紫外線硬化材料Ｍが積層されるステージ部３０と、ディスペンサ部２０とステージ部３０とを互いに相対的に移動させる移動機構部４０と、ステージ部３０に射出された紫外線硬化材料Ｍに紫外線ＵＶを照射する紫外線照射部５０と、プリンタ本体６０と、これら全てを覆う筐体７０と、を有する。筐体７０は紫外線を遮蔽するように構成されている。

プリンタ本体６０は、３Ｄプリンタ１０の底部を構成する基部６１と、基部６１から上方に延びる二つの支持部６２、６３とを有する。ディスペンサ部２０は一方の支持部６２に支持されており、紫外線照射部５０は他方の支持部６３に支持されている。ステージ部３０は、基部６１上に設けられている。

ディスペンサ部２０は、紫外線硬化材料Ｍを収容した材料カートリッジ２１と、材料カートリッジ２１を交換可能に保持するカートリッジ保持部２２と、カートリッジ保持部２２に保持（装着）された材料カートリッジ２１から紫外線硬化材料Ｍを射出させる圧縮空気供給部（材料射出手段）２３と、を有する。

カートリッジ保持部２２は、昇降機構４１を介して支持部６２に支持されている。昇降機構４１は、カートリッジ保持部２２を上下方向（矢印Ｚで示す方向）に移動させる。

圧縮空気供給部２３は、支持部６２に固定して設けられている。圧縮空気供給部２３は、圧縮空気を吐出する圧縮空気吐出機構２３ａと、圧縮空気吐出機構２３ａから吐出された圧縮空気を、カートリッジ保持部２２に装着された材料カートリッジ２１に供給するための圧縮空気供給管２３ｂと、を有している。

図２に示すように、材料カートリッジ２１は、シリンジ状の材料容器部２１ａと、材料容器部２１ａに挿入されたピストン部２１ｂと、を有する。材料容器部２１ａの基端（上端）には、圧縮空気供給管２３ｂが接続される圧縮空気入口２１ｃが設けられている。材料カートリッジ２１は、圧縮空気吐出機構２３ａから圧縮空気供給管２３ｂを通して供給される圧縮空気Ａにより、ピストン部２１ｂが押圧されることにより、材料容器部２１ａの先端（下端）に設けられた吐出口２１ｄから紫外線硬化材料Ｍを吐出する。材料容器部２１ａ及びピストン部２１ｂは紫外線遮蔽性の合成樹脂材料により形成されている。

図１及び図２に示すように、ステージ部３０は、水平移動機構４２を介して基部６１に支持されている。水平移動機構４２は、ステージ部３０を左右方向（矢印Ｘで示す方向）及び前後方向（矢印Ｙで示す方向）に移動させる。

移動機構部４０は、昇降機構４１及び水平移動機構４２により構成される。すなわち、移動機構部４０は、ディスペンサ部２０とステージ部３０とを互いに直交する３軸方向（上下、左右及び前後）に移動させ得る。

紫外線照射部５０は、光源としてＵＶランプ又はＵＶ－ＬＥＤを備える。紫外線照射部５０は、ステージ部３０の中央部を含むワーク製造領域に積層された紫外線硬化材料Ｍに紫外線を均一に照射し得るように構成されている。この例では、一層分の紫外線硬化材料Ｍがステージ部３０に吐出される毎に、ステージ部３０のワーク製造領域が紫外線照射部５０の紫外線照射範囲に入るようにステージ部３０がＹ方向に沿って移動され、ステージ部３０上の紫外線硬化材料Ｍに紫外線ＵＶが照射される。

３Ｄプリンタ１０は図示しない制御装置を備える。制御装置は、製造すべき製品の３Ｄデータに基づいて、圧縮空気供給部２３、移動機構部４０及び紫外線照射部５０を制御する。

［３Ｄプリンタ用材料カートリッジ］
図３に示すように、材料カートリッジ２１は、収容している紫外線硬化材料Ｍの種類が異なる複数種類の材料カートリッジ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、・・・が用意されている。紫外線硬化材料Ｍは、予め一又は複数種類の硬化材料成分を含有させた溶液である。未使用の材料カートリッジ２１の圧縮空気入口２１ｃ及び吐出口２１ｄは、図示しない閉塞部材で塞がれている。閉塞部材は紫外線遮蔽性の合成樹脂材料により形成されている。

［作用］

上記のように構成された一実施形態の３Ｄプリンタ１０は、カートリッジ保持部２２とステージ部３０とを互いに直交する３軸方向（上下、左右及び前後）に相対的に移動させつつ、紫外線硬化材料Ｍを材料カートリッジ２１からステージ部３０に射出するとともに、ステージ部３０上の紫外線硬化材料Ｍに紫外線を照射することにより、紫外線硬化材料Ｍを硬化させて造形物を製造する。
紫外線硬化材料Ｍは、材料カートリッジ２１のシリンジ状の材料容器部２１ａに予め収容されており、圧縮空気供給部２３が材料カートリッジ２１のピストン部２１ｂを駆動することによりステージ部３０に射出される。材料カートリッジ２１は紫外線遮蔽材により形成されているので、材料カートリッジ２１内の紫外線硬化材料Ｍは劣化することなく高品質に保たれる。
そして、この３Ｄプリンタ１０は、材料カートリッジ２１が交換可能であることにより、材料カートリッジ２１を別の材料を収容している材料カートリッジ２１に交換するだけで、使用する紫外線硬化材料Ｍを別の紫外線硬化材料Ｍに変えることができるので、従来のようなディスペンサ部の洗浄作業が不要である。
よって、この３Ｄプリンタ１０によれば、製品を高品質且つ高効率に製造可能である。また、この３Ｄプリンタ１０は、ディスペンサ部として、合成樹脂製の材料カートリッジ２１を使用するので、金属製のディスペンサ部を備える従来の３Ｄプリンタと比較して安価に製造可能である。

また、一実施形態の３Ｄプリンタ１０は、材料カートリッジ２１として、収容している紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類の材料カートリッジ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、・・・が用意されているので、材料カートリッジ２１を交換するだけで、紫外線硬化材料Ｍの種類が異なる複数種類の製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

また、一実施形態の３Ｄプリンタ１０は、ピストン駆動機構として、圧縮空気によりピストン部２１ｂを駆動する圧縮空気供給部２３を採用したことにより、比較的簡単な構成でピストン駆動機構を実現できるので、３Ｄプリンタ１０の製造コスト及びメンテナンスコストを低減できる。

また、一実施形態の３Ｄプリンタ１０は、外部からの紫外線の入射を紫外線遮蔽体である筐体７０により防止して、紫外線硬化材料Ｍからなる造形物を高品質に製造することができる。そして、材料カートリッジ２１の材料容器部２１ａ及びピストン部２１ｂが紫外線遮蔽材料により形成されているので、筐体７０と材料容器部２１ａ及びピストン部２１ｂとによる二重の紫外線遮蔽効果により、材料カートリッジ２１に収容された紫外線硬化材料Ｍを外部の紫外線から強力に保護しつつ、紫外線照射により高品質の製品を製造することができる。

また、一実施形態の材料カートリッジ２１は、紫外線遮蔽材により形成されているので、材料カートリッジ２１内の紫外線硬化材料Ｍは劣化することなく高品質に保たれる。そして、この材料カートリッジ２１は、予め紫外線硬化材料Ｍを収容しており、３Ｄプリンタ１０のカートリッジ保持部２２に交換可能に装着されるので、３Ｄプリンタ１０のディスペンサ部２０の洗浄作業を不要にする。よって、この材料カートリッジ２１を使用可能な３Ｄプリンタ１０によれば、製品を高品質且つ高効率に製造可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、材料カートリッジ２１の材料容器部２１ａ及びピストン部２１ｂが紫外線遮蔽材料により形成されているが、材料カートリッジ２１に収容された紫外線硬化材料Ｍを外部の紫外線から保護することが可能であれば、必ずしもピストン部２１ｂは紫外線遮蔽材料で形成される必要はない。

また、上記実施形態では、移動機構部４０は、ディスペンサ部２０をステージ部３０に対して上下に移動させる昇降機構４１と、ステージ部３０をディスペンサ部２０に対して水平方向に移動させる水平移動機構４２とを備えているが、昇降機構４１を省略するとともに、水平移動機構４２に代えて、ステージ部３０をディスペンサ部２０に対して３軸方向（上下、左右及び前後）に移動させる移動機構を採用してもよい。

また、上記実施形態では、紫外線照射部５０がプリンタ本体６０に固定されているが、紫外線照射部５０はディスペンサ部２０に固定されてもよい。

本発明は３Ｄプリンタ及び３Ｄプリンタ用材料カートリッジに適用することができることから、広く産業上の利用可能性を有している。

１０ ３Ｄプリンタ
２０ ディスペンサ部
２１ 材料カートリッジ（３Ｄプリンタ用材料カートリッジ）
２１Ａ 材料カートリッジ（３Ｄプリンタ用材料カートリッジ）
２１Ｂ 材料カートリッジ（３Ｄプリンタ用材料カートリッジ）
２１Ｃ 材料カートリッジ（３Ｄプリンタ用材料カートリッジ）
２１ａ 材料容器部
２１ｂ ピストン部
２１ｃ 圧縮空気入口
２１ｄ 吐出口
２２ カートリッジ保持部
２３ 圧縮空気供給部（材料射出手段）
２３ａ 圧縮空気吐出機構
２３ｂ 圧縮空気供給管
３０ ステージ部
４０ 移動機構部
４１ 昇降機構
４２ 水平移動機構
５０ 紫外線照射部
６０ プリンタ本体
６１ 基部
６２ 支持部
６３ 支持部
７０ 筐体（紫外線遮蔽体）
Ａ 圧縮空気
Ｍ 紫外線硬化材料
ＵＶ 紫外線

Claims (3)

1. 紫外線硬化材料を積層しつつ紫外線により硬化させて造形物を製造する３Ｄプリンタであって、
   前記紫外線硬化材料を収容した単一の材料カートリッジと、
   前記材料カートリッジを交換可能に保持するカートリッジ保持部と、
   前記カートリッジ保持手段に保持された前記材料カートリッジから前記紫外線硬化材料を射出させる材料射出手段と、
   前記材料カートリッジから射出された前記紫外線硬化材料が積層されるステージ部と、
   前記カートリッジ保持部と前記ステージ部とを互いに移動させる移動手段と、
   前記ステージ部に射出された前記紫外線硬化材料に紫外線を照射する紫外線照射部と、を有し、
   前記材料カートリッジは、
   紫外線遮蔽材料により形成されたシリンジ状の材料容器部と、当該材料容器部に挿入されたピストン部と、を有し、
   前記材料射出手段は、
   前記紫外線硬化材料を前記材料容器部から射出させるべく圧縮空気により前記ピストン部を駆動するピストン駆動機構を有し、
   前記材料カートリッジは、収容している前記紫外線硬化材料の種類が異なる複数種類のものが用意されており、前記材料容器部の上端には圧縮空気入口が設けられ、供給される圧縮空気により、前記ピストン部が押圧駆動されて、材料容器部の下端に設けられた吐出口から紫外線硬化材料を前記ステージ上に吐出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の３Ｄプリンタ。
2. 前記材料カートリッジ、前記カートリッジ保持部、前記材料射出手段、前記ステージ部、前記移動手段及び前記紫外線照射部を覆う紫外線遮蔽体を有することを特徴とする請求項１記載の３Ｄプリンタ。
   
3. 紫外線硬化材料を積層しつつ紫外線照射により硬化させて造形物を製造する３Ｄプリンタのカートリッジ保持部に交換可能に装着される材料カートリッジであって、
   紫外線遮蔽材料により形成されたシリンジ状の材料容器部と、
   前記状材料容器に挿入されたピストン部と、を有し、
   前記紫外線硬化材料を前記材料容器部から射出させるべく、前記ピストン部が前記３Ｄプリンタのピストン駆動機構により駆動され、
   前記材料容器部の上端には圧縮空気入口が設けられ、供給される圧縮空気により前記ピストン部が押圧駆動されて、材料容器部の下端に設けられた吐出口から紫外線硬化材料を前記ステージ上に吐出するように構成されていることを特徴とする、３Ｄプリンタ用材料カートリッジ。

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