JP7308240B2 - ３ｄプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄ（３次元）の印刷が可能なプリンタである３Ｄプリンタに関する。

従来の３Ｄプリンタとして、下記特許文献１の図４に記載のものが知られている。この３Ｄプリンタのプリントヘッドは、６つの軸線を中心にして可動である工業ロボットによって動かされる。

特表２０１９－５３３５９３号公報

このような３Ｄプリンタは、１種類の素材を吐出可能なプリントヘッドを１個搭載した１台の工業ロボットを有している。
よって、３Ｄ印刷の速度に向上の余地がある。
又、複数の素材の３Ｄ印刷による、複数の材料から成る印刷対象物（製品）の造形に手間がかかる。

そこで、本発明の主な目的は、３Ｄ印刷の速度が向上した３Ｄプリンタを提供することである。
又、本発明の別の主な目的は、複数の素材の３Ｄ印刷による、複数の材料から成る製品の造形がより容易である３Ｄプリンタを提供することである。

請求項１に記載の発明は、互いに異なる素材を供給する複数のチューブと、各前記チューブの先端部に設けられており前記素材を吐出可能なノズルと、各前記ノズルが進退可能に入るヘッドと、一部の前記ノズルであって他のノズルに対して進行する前記ノズルを切り替えて、進行した前記ノズルから前記素材を吐出させる制御部と、を備えていることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、上記発明において、前記ヘッドはヘッド孔を有しており、進行した前記ノズルは、前記ヘッド孔から突出することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、上記発明において、複数の前記チューブ、複数の前記ノズル、及び前記ヘッドのセットであるヘッドセットが、複数設けられており、各前記ヘッドセットが、互いに異なるロボットアームに設けられることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、上記発明において、前記ノズルは、前記素材を通すノズル孔を有しており、前記ノズル孔の最大寸法は、１０００ｎｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明の主な効果は、３Ｄ印刷の速度が向上した３Ｄプリンタが提供されることである。
又、本発明の別の主な効果は、複数の素材の３Ｄ印刷による、複数の材料から成る製品の造形がより容易である３Ｄプリンタが提供されることである。

本発明に係る３Ｄプリンタの模式的な中央縦断面図である。 本発明に係る３Ｄプリンタ（タンク及び制御装置を除く）の模式的な天井付近横断面図である。 本発明に係る３Ｄプリンタにおけるロボットアームのヘッド及びその隣接部の模式的な中央縦断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態、及びその変更例が、適宜図面に基づいて説明される。当該形態及び変更例における前後上下左右等は、説明の便宜上定められたものであり、全体又は部材若しくは部分の移動及び印刷状況の少なくとも一方等により変化することがある。又、本発明は、当該形態及び変更例に限定されない。

図１は、当該形態に係る３Ｄプリンタ１の模式的な中央縦断面図である。
３Ｄプリンタ１は、ハウジング２と、昇降テーブル４と、タンク６と、複数のヘッドセット７と、複数のロボットアーム８と、制御部としての制御装置９を有する。
図２は、３Ｄプリンタ１（タンク６及び制御装置９を除く）の模式的な天井付近横断面図である。

ハウジング２は、箱状であり、床Ｆに設置されている。
ハウジング２は、天井２Ｆ、及び複数（４つ）の壁２Ｗを有する。
尚、ハウジング２は、フレーム状等であっても良い。

昇降テーブル４は、昇降部４Ｅと、複数の支持部４Ｂと、を有する。
昇降部４Ｅは、各支持部４Ｂに、水平な状態で昇降可能に支持される。
尚、昇降部４Ｅは、水平以外の姿勢を保持可能とされ、姿勢変化可能とされても良い。

タンク６は、複数（１０種）の素材をそれぞれ貯留する。素材は、吐出可能であり、液体状である。尚、素材は、粉末状あるいはゲル状であっても良い。
タンク６は、ハウジング２外に設けられる。尚、タンク６は、ハウジング２内に設けられても良い。

各ヘッドセット７は、ヘッド７Ｈと、複数のチューブ７Ｔと、複数のノズル７Ｎと、を有する。
各ヘッドセット７は、互いに異なるロボットアーム８毎に搭載される。
図３は、ヘッド７Ｈ及びその隣接部の模式的な中央縦断面図である。

ロボットアーム８は、複数の関節８Ｊを有しており、物理的なあるいは仮想的な複数の回転軸を中心にして可動である。ロボットアーム８は、中空部を有する。尚、関節８Ｊは、ロボットアーム８毎に１個であっても良い。又、ロボットアーム８は、関節８Ｊ以外の手段で可動であっても良い。

ヘッド７Ｈは、中空円錐状であり、ロボットアーム８の先端に配置されている。ヘッド７Ｈは、先細であり、先端部にヘッド孔７Ｅを有している。

各チューブ７Ｔは、管状であり、タンク６における対応する素材の貯留部に接続されている。チューブ７Ｔは、図３では５本描かれているところ、素材の種類数に応じ１０本設けられている。各チューブ７Ｔは、対応する素材を受け入れ、対応する素材を供給可能である。各チューブ７Ｔは、ロボットアーム８及びヘッド７Ｈ内を通る。
尚、チューブ７Ｔは、１つの素材に対し２本以上設けられても良い。素材毎にチューブ７Ｔの本数が変えられても良い。又、チューブ７Ｔは、９本以下であっても良いし、１１本以上であっても良い。

各ノズル７Ｎは、チューブ７Ｔの先端部に設けられる。各ノズル７Ｎは、ヘッド７Ｈ内に配置されている。各ノズル７Ｎは、先細の中空円錐状であり、先端部に円状のノズル孔７Ｊを有している。ノズル孔７Ｊの直径は、１μｍ（マイクロメートル）以下即ち１０００ｎｍ（ナノメートル）以下である。尚、ノズル孔７Ｊの形状は円状以外であっても良い。この場合、ノズル孔７Ｊの最大寸法が、１０００ｎｍ以下とされる。又、ノズル孔７Ｊの直径（最大寸法）は、１０００ｎｍを超えても良い。ノズル孔７Ｊの直径（最大寸法）は、８００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、あるいは５ｎｍ以下であっても良い。
各ノズル７Ｎは、対応するチューブ７Ｔを介した押し引きにより、進退可能である。かようなチューブ７Ｔを介した押し引きは、チューブ７Ｔをアクチュエータで押すことにより行える。進行したノズル７Ｎの先端部は、ヘッド孔７Ｅから突出し、素材を噴射する位置となる。退行したノズル７Ｎは、ヘッド孔７Ｅに没入し、素材を噴射する位置から退く。ヘッド孔７Ｅからは、１つのノズル７Ｎが突出し、他のノズル７Ｎはヘッド孔７Ｅに没入する。ヘッド孔７Ｅから突出するノズル７Ｎは、切替可能である。何れか１つのノズル７Ｎがアクチュエータの押し出しにより進出する場合、既に進出している１つのノズル７Ｎは、アクチュエータを用いた引き込みにより退行し、ヘッド孔７Ｅに没入する。又、各ノズル７Ｎは、対応するチューブ７Ｔを通過した素材を受け入れる。ヘッド孔７Ｅから突出したノズル７Ｎは、素材を、ノズル孔７Ｊから噴射する。ノズル孔７Ｊは、素材を通す。素材の噴射は、ピストン及びポンプの少なくとも一方により行える。
尚、ノズル７Ｎの進退は、ノズル７Ｎの押し引きに変えて、あるいはノズル７Ｎの押し引きと共に、ヘッド７Ｈの移動（回転移動及び姿勢変化を含む）により行われても良い。進行したノズル７Ｎは、先端部のみヘッド孔７Ｅから突出するものに限られず、全体的にヘッド孔７Ｅから突出しても良いし、ヘッド孔７Ｅから突出せず、ヘッド孔７Ｅ内における、他のノズル７Ｎよりヘッド孔７Ｅに最も近い位置（ヘッド孔７Ｅを通じて素材を噴射する位置）に進行しても良い。更に、何れか１つのノズル７Ｎがヘッド孔７Ｅから突出せず、複数のノズル７Ｎがヘッド孔７Ｅから突出しても良いし、一部又は全部のノズル７Ｎがヘッド７Ｈの先端部において並べられていても良い。各ノズル７Ｎがヘッド孔７Ｅから常に出ており、素材を噴射するノズル７Ｎが他のノズル７Ｎに対して進行しても良い。各ノズル７Ｎからの素材の吐出は、素材の噴射に代えて、あるいは素材の噴射と共に、素材の滴下等とされても良い。一部のノズル７Ｎにおいて素材が噴射され、他のノズル７Ｎにおいて素材が滴下されても良い。

ヘッドセット７付きのロボットアーム８の一部（９台）は、それぞれハウジング２の天井２Ｆから下方へ延びる状態で設けられる。これらのロボットアーム８は、仮想的な升目の頂点に配置され、３行３列で配置される。尚、天井２Ｆに設けられるロボットアーム８の台数は、８台以下（０台を含む）であっても良いし、１０台以上であっても良い。又、天井２Ｆにおけるロボットアーム８の配置は、他のものであっても良い。
ヘッドセット７付きのロボットアーム８の他の一部（８台）は、それぞれハウジング２の内側面から内方へ延びる状態で設けられる。これらのロボットアーム８は、各側面毎に２台ずつ、側面への接続部（基端部）が水平に並ぶ状態で配置される。これらのロボットアーム８の基端部は、上方からみて、これらのロボットアーム８が設置される側面に最も近い天井２Ｆからの３台のロボットアーム８における各基端部の間に配置される。尚、側面に設けられるロボットアーム８の台数は、７台以下（０台を含む）であっても良いし、９台以上であっても良い。又、各側面におけるロボットアーム８の配置は、他のものであっても良い。

制御装置９は、コンピュータであり、ハウジング２外に設けられる。制御装置９は、演算手段（例えばＣＰＵ）と、記憶手段（例えばメモリ）と、入力手段（例えばキーボード及びポインティングデバイスの少なくとも一方）と、出力手段（例えばモニタ）と、を有する。尚、制御装置９は、ハウジング２内に設けられても良い。又、制御装置９は、複数、協調動作可能に設けられても良く、この場合、例えば昇降テーブル４及び各ロボットアーム８の少なくとも何れかに分散して設けられても良い。
制御装置９は、昇降テーブル４に接続され、昇降部４Ｅの上下方向の位置を制御する。
又、制御装置９は、各ヘッドセット７に接続され、ヘッド孔７Ｅから突出するノズル７Ｎの選択状態、及び各ノズル７Ｎからの素材の噴射状態を制御する。
更に、制御装置９は、各ロボットアーム８に接続され、ロボットアーム８の各関節８Ｊの状態（ヘッド７Ｈの位置及び向き）を制御する。

制御装置９（記憶手段）は、製作しようとする製品の３Ｄデータを記憶している。３Ｄデータには、所定の解像度（例えば１μｍ）の３Ｄ座標空間における各座標での製品形状の占有の有無、及び製品形状の占有がある場合の素材の種類が含まれる。又、制御装置９（記憶手段）は、３Ｄデータから演算した、昇降部４Ｅの位置の遷移（昇降部遷移情報）、ロボットアーム８毎の素材注入座標の遷移（アーム遷移情報）、及びヘッドセット７毎の素材注入座標の遷移に対応した素材の種類の遷移（素材注入座標と素材の種類との関係；ノズル遷移情報）を記憶している。
尚、制御装置９（記憶手段）は、昇降部遷移情報、アーム遷移情報及びノズル遷移情報のみを記憶し、３Ｄデータを記憶していなくても良い。昇降部遷移情報、アーム遷移情報及びノズル遷移情報の少なくとも何れかの３Ｄデータからの演算は、制御装置９以外（例えば外部のコンピュータ）で行われても良い。又、昇降テーブル４が省略され、昇降部遷移情報が省略されても良い。

かような３Ｄプリンタ１は、例えば次のように動作する。
まず、制御装置９は、昇降部４Ｅを初期位置（ここでは最上位置）とする。又、制御装置９は、各ロボットアーム８によりヘッド７Ｈを初期位置とすると共に、ヘッド孔７Ｅから突出するノズル７Ｎの種類を初期のものとする。尚、初期状態では、制御装置９は、各ノズル７Ｎからの素材の噴射を停止（オフ）させている。

次に、制御装置９は、昇降部遷移情報に基づき、昇降部４Ｅの位置を適宜制御すると共に、ノズル遷移情報に基づき、各ヘッドセット７に係るヘッド孔７Ｅから突出するノズル７Ｎの種類を適宜切り替え、各ロボットアーム８よってヘッド７Ｈを移動し、選択されたノズル７Ｎに係る素材を所定の座標値で所定量噴射する。噴射された素材は、そのまま固化される。
ノズル７Ｎのヘッド孔７Ｅからの突出により、素材の種類が変わってもヘッド７Ｈにおけるノズル孔７Ｊの位置が不変となることから、制御装置９によるロボットアーム８を介したヘッド７Ｈの位置決め制御は容易である。

例えば、制御装置９は、まず、製品（３Ｄデータ）を解像度の厚み毎に仮想的な水平面で輪切りして把握された製品の層構造における最下層（下から数えて第１層）を、各ノズル７Ｎからの素材の噴射（オン）により、昇降部４Ｅ上に形成する。
アーム遷移情報は、当該第１層を１７のエリアに分け、エリア毎に異なるロボットアーム８を当てて作成されている。よって、各ロボットアーム８は、第１層のうちの対応するエリアを、座標に対応して適宜切り替えられるノズル７Ｎに係る素材の噴射により形成する。各ヘッドセット７及び各ロボットアーム８によるエリア内の製品部分の形成は、適宜併行される。

次に、制御装置９は、解像度分だけ昇降部４Ｅを下げ、第２層を、第１層上に、第１層と同様に、各ロボットアーム８に同時形成させる。
同様に、制御装置９は、更に解像度分だけ昇降部４Ｅを下げ、第ｋ＋１層を、第ｋ層上に、各ロボットアーム８に同時形成させ、製品完成まで繰り返す。
尚、制御装置９は、製品形状（３Ｄデータ）に応じ、一部又は全部の層の形成において一部のヘッドセット７及び一部のロボットアーム８の少なくとも何れかを作動させなくても良い。又、制御装置９は、所定の昇降部４Ｅの位置で複数層（例えば１０層）形成させ、その複数層の形成後、その複数層の分（例えば解像度の１０倍）、昇降部４Ｅを下降させても良い。当該複数層の層数は、段階毎に相違しても良い。制御装置９は、昇降部４Ｅを一旦上昇させても良い。解像度は、上下方向と水平方向（前後左右方向）とで異なっていても良い。解像度は、前後方向と左右方向とで異なっていても良い。各ヘッド７Ｈの向きは、ヘッド孔７Ｅ（ノズル孔７Ｊ）が下側となる向きに限られず、ヘッド孔７Ｅ（ノズル孔７Ｊ）が左側あるいは右側となる向き等であっても良い。即ち、素材は、上方からの噴射に限定されず、側方等からの噴射がなされても良い。素材の一部又は全部は、ＵＶ（紫外線）等の電磁波により固化しあるいは固化が促進されるものであっても良い。この場合、３Ｄプリンタ１は、噴射された素材（固化前の素材）に電磁波を照射するランプを備えていても良い。ランプは、電磁波により固化する素材の噴射時のみに電磁波を照射しても良いし、素材の種類にかかわらず噴射時にのみに電磁波を照射しても良いし、製品の形成中に常時電磁波を照射しても良い。

このようにして、３Ｄプリンタ１では、複数の素材（材質）から成る製品が形成される。
製品の形成時、素材毎に設けられるノズル７Ｎの群から素材を実際に噴射するノズル７Ｎが選択され、ノズル７Ｎ（噴射する素材の種類）が切替可能であることから、３Ｄプリンタ１は、４Ｄプリンタと捉え得る。
又、３Ｄプリンタ１では、ノズル孔７Ｊの直径が１０００ｎｍ以下であることから、ナノオーダーの解像度において精緻に製品が形成されることから、３Ｄプリンタ１は、ナノ３Ｄプリンタと捉え得る。
更に、これらの点を組み合わせれば、３Ｄプリンタ１は、４Ｄナノプリンタと捉え得る。

以上の３Ｄプリンタ１は、互いに異なる素材を供給する複数のチューブ７Ｔと、各チューブ７Ｔの先端部に設けられており素材を吐出可能なノズル７Ｎと、各ノズル７Ｎが進退可能に入るヘッド７Ｈと、１つのノズル７Ｎであって他のノズル７Ｎに対して進行しヘッド孔７Ｅから突出するノズル７Ｎを切り替えて、進行したノズル７Ｎから素材を噴射により吐出させる制御装置９と、を備えている。よって、複数の素材の３Ｄ印刷による、複数の材料から成る製品の造形がより容易である３Ｄプリンタが提供される。
又、ヘッド７Ｈはヘッド孔７Ｅを有しており、進行したノズル７Ｎは、ヘッド孔７Ｅから突出する。よって、複数の材料から成る製品の造形のための位置制御が、より容易となる。
更に、複数のチューブ７Ｔ、複数のノズル７Ｎ、及びヘッド７Ｈのセットであるヘッドセット７が、複数設けられており、各ヘッドセット７が、互いに異なるロボットアーム８に設けられる。よって、３Ｄ印刷の速度が向上した３Ｄプリンタが提供される。
加えて、ノズル７Ｎは、素材を通すノズル孔７Ｊを有しており、ノズル孔７Ｊの最大寸法は、１０００ｎｍ以下である。よって、素子付き回路基板等の高い精度が要求される製品が作製可能となり、又極小電子部品等の小さい製品が作製可能となる。

１・・３Ｄプリンタ、７・・ヘッドセット、７Ｅ・・ヘッド孔、７Ｈ・・ヘッド、７Ｊ・・ノズル孔、７Ｎ・・ノズル、７Ｔ・・チューブ、８・・ロボットアーム、９・・制御装置（制御部）。

Claims (4)

1. 互いに異なる素材を供給する複数のチューブと、
   各前記チューブの先端部に設けられており前記素材を吐出可能なノズルと、
   各前記ノズルが進退可能に入るヘッドと、
   一部の前記ノズルであって他のノズルに対して進行する前記ノズルを切り替えて、進行した前記ノズルから前記素材を吐出させる制御部と、
   を備えている
   ことを特徴とする３Ｄプリンタ。
2. 前記ヘッドはヘッド孔を有しており、
   進行した前記ノズルは、前記ヘッド孔から突出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
3. 複数の前記チューブ、複数の前記ノズル、及び前記ヘッドのセットであるヘッドセットが、複数設けられており、
   各前記ヘッドセットが、互いに異なるロボットアームに設けられる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３Ｄプリンタ。
4. 前記ノズルは、前記素材を通すノズル孔を有しており、
   前記ノズル孔の最大寸法は、１０００ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の３Ｄプリンタ。

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