JP7322035B2 - 溶融金属の３ｄ印刷のためのヘッド - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドに関する。

特別の印刷装置で組み立てられる、３Ｄ印刷のためのヘッドの使用が知られている。これらのヘッドは、型を使用することなく様々な形状の３Ｄ対象物を作り出すことができる。

多くのケースで、３Ｄプリンタは、目的の対象物を作るために設計された３Ｄデジタルモデルに従って、特別のヘッドによって溶融状態で供給されるポリマー材料を使用するが、３Ｄ印刷に使用される材料は多い。

しかし製造において、金属などポリマー以外の材料を使用する必要があり、近年は、金属の使用のために設計された３Ｄ印刷のための設備が、より広まっている。

詳細には、このような設備には特定のヘッドが装備され、溶融金属を、事前に確立したデジタルモデルに追随する支持面に供給するのを可能にする。

溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドの例が、米国特許第９６１６４９４号明細書に説明されており、そこでは、磁気コイルで囲まれた液体導電材料を包含する収納チャンバを含む、印刷ヘッドを示している。

この磁気コイルは帯電され、チャンバの内側に向けて導かれた導電性材料の径方向の力を決定する。

加えられた力は、孔から液滴を放出させ、プログラムされたモデルに従って、連続したパルスに対応して多量の液滴が放出され、対象物の形成をもたらす。

しかし、このタイプのデジタル印刷の金属ヘッドには多くの欠点がある。

主な欠点は、公知のヘッドの複雑な構造に関連する。

実際、上述のヘッドは、溶融金属を供給するために、相助作用的に協働する様々な構成要素を組み立てることによって作られるため、かなり複雑な構造を特徴としている。

しかし、構造の複雑性は、組み立て及び定期点検のために必要な時間に悪影響を及ぼし、それによるコストの増加を伴う。

さらに、上述の溶融金属のためのヘッドの、構造及び動作の複雑性は、より大きい故障の恐れを伴うので、特別な点検またはヘッドの交換の準備を必要とする。

さらに、使用する金属の溶融温度よりも高い温度が必要となるので、作動温度は非常に高い。したがって、特に耐高温材料で作られる様々なガスケット及び封止手段を用いることが必要となる。

しかし、ガスケットの劣化は早く、それはガスケットの頻繁な交換をもたらし、ヘッドの分解及び再組み立てが必要となり、点検作業の時間及びコストを増加させる。

さらに、公知のタイプのヘッドは、低流量の制御及び供給ができないので、溶融金属を堆積させる精度は制限される。

米国特許第９６１６４９４号明細書

本発明の主な目的は、溶融金属を３Ｄ印刷するための、簡単な構造のヘッドを提供することである。

例示する目的の内で、本発明の１つの目標は、公知のタイプのヘッドと比較して故障の発生を減少させ、それによって、関連する特定の点検コストを減少させる、溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドを実現することである。

さらに、本発明の１つの目標は、組み立て、及び組み立てられたプリンタの定期点検に関連付けられたコストを軽減させる、３Ｄ印刷のためのヘッドを作ることである。

本発明の別の目標は、高い精細度及び精度を有する３Ｄ対象物を作ることができる、溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドを実現することである。

本発明の別の目標は、使用が容易、合理的、簡単、効率的で、かつコスト効率の良い解決策の範囲内で、従来技術の前述の欠点を克服する、溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドを提供することである。

前述の目標は、特許請求項１による溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドによって実現される。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図の表示によって非限定の例を図示した、好ましいが排他的ではない、溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドの実施形態の説明から、より明確になる。

ホーム構成における、本発明によるヘッドの概略断面図である。 第１の構成における、本発明によるヘッドの概略断面図である。 第２の構成における、本発明によるヘッドの概略断面図である。

これらの図を詳細に参照する際、参照番号１は、溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドを全体的に示す。

溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッド１は、少なくとも１つの溶融金属４を含むよう適合された、少なくとも第１のチャンバ３を含んだ、少なくとも１つの中空の本体２を備える。中空の本体２には、少なくとも１つの供給開口部５が、溶融金属自体を供給するために形成される。

ヘッド１は、３Ｄデジタルモデルに追随する少なくとも１つの支持部６上に溶融金属４を分配するために、３Ｄ対象物またはその一部を作るように、３Ｄ印刷のための図示されていない少なくとも１つの装備に組み立てられるよう適合される。

例で示された好ましい実施形態において、ヘッド１は溶融手段７を備える。溶融手段７は、固形状態の金属から溶融金属４を、加熱することによって生成するよう適合され、溶融金属自体を搬送するために、少なくとも１本のアダクション管によって第１のチャンバ３に接続される。

しかし、ヘッド１の本体２に一体化された特定の溶融手段７によって、固形金属を第１のチャンバ３内で溶融させる可能性も排除できない。

好ましくは、第１のチャンバ３内に含まれる溶融金属４はアルミニウムである。アルミニウムは、多くの製品を製造するために使用されるが、異なるタイプの溶融金属または合金を使用する可能性も排除できない。

有用には、第１のチャンバ３には、簡略のために図示しないが、溶融金属４の温度を所定の値と実質的に等しく保つよう適合された加熱手段が装備される。

詳細には、第１のチャンバ３内の温度は、使用される金属の溶融温度よりも高くなければならず、それはアルミニウムの場合、溶融状態に維持するため、かつ供給前にヘッド１の内側で固化するのを防止するために、約６６０℃と等しい。

本発明の好ましい実施形態において、使用される加熱手段は、少なくとも１つの電気加熱要素を備える。電気加熱要素は本体２に関連付けられ、第１のチャンバ３及びその中に含まれる溶融金属を加熱するよう適合される。

しかし、例えば本体２の外側に設置されたライニングを使用し、本体２の内側で、例えば要求される作動温度と合致した過飽和蒸気などの加熱流体が搬送されるようなものなど、別のタイプの加熱装置の使用は排除できない。

必要とされる高温を考慮すると、本体２は、例えば特殊鋼のような耐高温材料で作られる。

有利には、第１のチャンバ３は、溶融金属４に接触する不活性雰囲気８を含み、第１のチャンバ自体の自由容積を占める。

本説明の範囲内で、「不活性雰囲気」は、溶融金属４と化学反応しないか、またはいかなる場合もごく僅かな反応しかしない雰囲気を意味し、したがって溶融金属４の化学物理特性を変えないことに留意されたい。

好ましくは、溶融金属４がアルミニウムである特定の場合において、不活性雰囲気８は、アルゴン及び窒素のうちの少なくとも１つから構成される。なぜなら、アルミニウムは空気中の酸素の存在で容易に酸化する傾向にあり、その結果、化学物理特性が不可逆的な変更を伴うからである。しかし、異なるタイプの不活性雰囲気８の構成要素を準備することも排除されない。

さらに本発明によると、ヘッド１の本体２は、少なくとも１つの第２のチャンバ９を備える。第２のチャンバ９は、少なくとも１つの作動流体１０を含むよう適合され、かつ第１のチャンバ３と第２のチャンバ９との間の圧力差を定めるよう適合された圧力変更手段１１に接続される。

好ましくは、作動流体１０は空気であるが、液体など別の作動流体１０を使用する可能性も排除できない。

さらに、使用される圧力変更手段１１のタイプは、第１のチャンバ３に対する第２のチャンバ９内の圧力を正確に変化させるよう、準備される作動流体１０のタイプに依存する。

好ましくは、作動流体１０が空気の場合、圧力変更手段１１は、真空ポンプ及び圧縮機のうちの少なくとも１つを備えるが、異なるタイプの圧力変更手段１１を設ける可能性も排除できない。

詳細には、作動流体１０の圧力を、大気より低い値に減少させる必要がある場合は、真空ポンプを設けることが望ましい。一方で、この圧力値が大気の値よりも高い場合は、圧縮機の使用が有用である。

好ましい実施形態において、圧力変更手段１１は真空ポンプを備える。

さらに、第１のチャンバ３と第２のチャンバ９との間の定められた圧力差は、正、すなわち第２のチャンバ９内の圧力は、第１のチャンバ３内の圧力よりも低くすることができる。または、負、すなわち第２のチャンバ９内の圧力は、第１のチャンバ３内の圧力よりも高くすることができる。

好ましくは、チャンバ３、９の間で定められた圧力差は正であるが、負の圧力差を提供する可能性も排除できない。

さらに、本発明によると、ヘッド１の本体２は、少なくとも１つの供給アセンブリ１２、１３を備える。供給アセンブリ１２、１３は、第１のチャンバ３と第２のチャンバ９とを分ける、少なくとも１つの可撓性の薄片要素１２を備える。

詳細には、薄片要素１２は、第２のチャンバ９における圧力変化によって変形可能であり、薄片要素１２の変形は、溶融金属４を供給開口部５から流出させるのを促す。

有利には、薄片要素１２は、第１のチャンバ３に面した第１の面１４、及び第１の面１４の反対側かつ第２のチャンバ９に面した、少なくとも第２の面１５を備える。薄片要素１２は、溶接によって本体２の少なくとも１つの側壁１６と、動かないように周辺部で関連付けられる。

有用には、溶接手段によって側壁１６に関連付けられた薄片要素１２を提供することで、必要な作動温度に耐えられそうにないガスケット、または他の封止手段を必要としなくなる。

さらに、第１のチャンバ３及び第２のチャンバ９は、２つのチャンバ３、９間の圧力差を保証するため、ならびに、作動流体１０及び不活性雰囲気８が互いに接触しないことを保証するために、薄片要素１２のために流体作動する方法で、互いに分離される。

上述のように、ヘッド１の作動温度は高く、ゴム製ガスケットは高温に適切に抵抗しないので、ゴム製ガスケットの介在によって本体２の組み立てを続けることはできない。

したがって好ましくは、本体２は、ガスケットまたは他の封止手段を必要としない単一ブロックを実現するために、供給アセンブリ１２、１３を組み立てた後で、共に組み立てて溶接される少なくとも２つの部分によって、単一の本体片として作られる。

さらに本発明によると、供給アセンブリ１２、１３は、第１のチャンバ３に収容された少なくとも１つの供給要素１３を備える。この供給要素１３は、薄片要素１２と関連付けられ、溶融金属４の中に浸された少なくとも１つの突出部１９を備え、供給開口部５に近接して配置される。薄片要素１２の変形は、突出部１９が供給開口部５から離れて配置される第１の構成と、突出部１９が供給開口部５に接近する第２の構成との間で生じる。

詳細には、突出部１９の供給開口部５への接近は、溶融金属４が供給開口部自体から流出するのを促す。

実際、第１のチャンバ３内に含まれる溶融金属４は、非常に高い粘性を有するので、溶融金属を、重力だけで供給開口部を通して供給することはできず、ヘッド１から流出させるよう溶融金属４を押し込む力を加えることが必要である。

したがって、供給アセンブリ１２、１３の変形によって、突出部１９を用いて溶融金属４に推進力が加えられ、溶融金属４は供給開口部５を通して押し込まれて放出される。

好ましい実施形態において、第２の構成では、突出部９は供給開口部５を閉じるよう配置されるが、第２の構成における突出部自体が、供給開口部自体から離されたままで設けられる可能性も排除できない。

換言すると、図に示された実施形態において、表示された構成間の動きの間で、突出部１９は供給開口部５に当接する。

換言すると、第１のチャンバ３に対する第２のチャンバ９の内側の圧力変化は、可撓性である薄片要素１２の変形を生じさせ、その構成を変化させて、薄片要素１２に関連付けられた供給要素１３を引っ張る。

さらに、供給要素１３の移動は、その後の突出部１９の動きに関わる。第１の構成と第２の構成との間の交互の動きにおいて、供給開口部５に近接する溶融金属４の薄層を、同じ供給開口部５を通して押し出す。

上述のように、好ましい実施形態において、第２のチャンバ９内の圧力変化は、圧力低下によって生じるが、第２のチャンバ自体の内側において圧力の増加をもたらす可能性も排除できない。

図に示された好ましい実施形態において、第２の構成では、薄片要素１２は実質的に平坦であり、一方で第１の構成では、薄片要素自体は変形され、実質的に湾曲された形状である。

第１の構成における薄片要素１２が実質的に平坦であり、その一方で第２の構成における薄片要素１２が実質的に湾曲された形状である、図に示されない代替の実施形態を提供する可能性も排除できない。

図に示されたように、供給要素１３は、第２の構成の薄片要素１２によって画定された、少なくとも１つの主面Ａ－Ａに対して実質的に垂直である、少なくとも１つの主方向Ａに沿って延びる。供給要素１３には、薄片要素１２の第１の面１４に関連付けられた少なくとも１つの近位部１３ｂと、突出部１９を画定する少なくとも１つの遠位部１３ａとが提供される。

しかし、供給要素１３に、示したものとは異なる形状を提供する可能性も排除できない。

常に図に示されるように、第１の構成の薄片要素１２は実質的の凸状で、第２のチャンバ９の側から主面Ａ－Ａで隆起するが、薄片要素１２は、示した構成のうちの少なくとも１つにおいて、実質的に凸状で、第１のチャンバ３の側から主面Ａ－Ａで隆起する可能性も排除できない。

供給アセンブリ１２、１３が変形している間、供給要素１３は、第１の構成における薄片要素１２の変形のために主方向Ａに沿って並進して移動され、突出部を供給開口部５から離すように動かす。

印刷作動中、供給アセンブリ１２、１３は、デジタルモデルによって提供された印刷指示のみに従い、変形される。

有用には、溶融金属４の堆積が提供されない箇所において、装備停止段階中に意図せず溶融金属４を供給する恐れがないように、供給アセンブリ１２、１３は、突出部１９が供給開口部５に当接して閉じるよう配置されたホーム構成に維持される。

有利には、第１の構成から第２の構成への薄片要素１２の動き、及びその逆は、実質的に周期的なタイプの動きである。なぜなら、圧力変更手段１１は、所定の頻度で実質的に周期的に、第２のチャンバ９内の圧力を変化させるよう適合されるからである。

薄片要素１２の周期的な動きは、小さい液滴１７で供給開口部５を通して溶融金属４を供給するのを可能にする。小さい液滴１７は、所望の対象物を形成するよう、所定の３Ｄデジタル設計に追随する適切な支持部６の上に堆積される。

有用には、供給開口部５は、１～５０μｍから成る横幅１８の断面を有し、それによって、高い精度で３Ｄ対象物を作ることを保証する、溶融金属４の非常に小さい径の液滴１７を堆積させる。

詳細には、横幅１８は、１０～３０μｍから成る。好ましい実施形態において、横幅１８は２０μｍと等しいが、異なる値の横幅１８を提供する可能性も排除できない。

好ましくは、供給開口部５の断面は、縁部のない実質的に円形を有し、それによって溶融金属４が横切る際の摩擦を最小限に抑えることが可能となる。この場合、横幅１８は、その断面自体の径に対応するが、異なる形状の供給開口部５を作る可能性も排除できない。

実際、説明した本発明は、意図した目標を実現することが判明した。

これに関し、説明したような溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッドを提供する特定の解決策は、公知のタイプのヘッドと比較すると、ヘッド自体の構築構造を大幅に簡略化することが可能となる事実が強調される。

その結果、ヘッド構造の簡易さにより、金属で作られる３Ｄ対象物を作る作業を大幅に簡略化できる。

さらに、３Ｄ印刷のための簡単な形態のヘッドを提供する特定の解決策は、公知のタイプのヘッドと比較して、故障の発生を減少させ、その結果関連する特別な点検コストも減少させる。

さらに、簡略化された構造を伴う３Ｄ印刷のヘッドを提供する特定の解決策は、機械の停止時間及び関連のコストを軽減することを伴い、定期点検のために必要な分解及び組み立て作業を合理化することを可能にする。

さらに、供給アセンブリが中に溶接される単一の本体片を形成するために、２つの部材を溶接することによって作られるヘッド本体を準備する特定の解決策は、高い作動温度には実質的に不適合な封止手段を準備する必要をなくすことができる。

さらに、極めて小さい横幅を有する開口部を提供する特定の解決策は、非常に小さい量の溶融金属を供給でき、高精細度で精確な３Ｄ対象物を得る。

Claims (12)

1. 溶融金属の３Ｄ印刷のためのヘッド（１）であって、
   少なくとも１つの溶融金属（４）を含むよう適合され、その中で少なくとも１つの供給開口部（５）が前記溶融金属（４）の供給のために形成された、少なくとも第１のチャンバ（３）と、
   少なくとも１つの作動流体（１０）を含むよう適合され、前記第１のチャンバ（３）との間の圧力差を定めるよう適合された圧力変更手段（１１）に接続された、少なくとも第２のチャンバ（９）と、
   前記第１のチャンバ（３）と前記第２のチャンバ（９）とを分ける、少なくとも１つの可撓性の薄片要素（１２）を備える、少なくとも１つの供給アセンブリであって、前記薄片要素（１２）は前記第２のチャンバ（９）内の圧力変化によって変形可能であり、前記薄片要素（１２）の変形は前記溶融金属（４）を前記供給開口部（５）から流出させるのを促す、少なくとも１つの供給アセンブリと
   を含む少なくとも１つの中空の本体（２）を備えることを特徴とする、ヘッド（１）。
2. 前記供給アセンブリは、前記第１のチャンバ（３）に収容され、前記薄片要素（１２）と関連付けられ、かつ前記溶融金属（４）の中に浸されて前記供給開口部（５）に近接して配置された少なくとも１つの突出部（１９）を含む、少なくとも１つの供給要素（１３）を備え、前記薄片要素（１２）の変形は、前記突出部（１９）が前記供給開口部（５）から離されて配置される第１の構成と、前記突出部（１９）が前記供給開口部（５）に接近する第２の構成との間で生じ、前記突出部（１９）の前記供給開口部（５）への接近は、前記溶融金属（４）を前記供給開口部（５）から流出させるのを促すことを特徴とする、請求項１に記載のヘッド（１）。
3. 前記薄片要素（１２）は、前記第１のチャンバ（３）に面した少なくとも第１の面（１４）と、前記第１の面（１４）の反対側かつ前記第２のチャンバ（９）に面した少なくとも第２の面（１５）とを備え、溶接によって前記本体（２）の少なくとも１つの側壁（１６）に、動かないよう周辺部で関連付けられ、前記第１のチャンバ（３）及び前記第２のチャンバ（９）は、流体作動する方法で互いから分離されることを特徴とする、請求項１または２に記載のヘッド（１）。
4. 前記第１の構成と前記第２の構成との間の前記薄片要素（１２）の動きは、実質的に周期的なタイプの動きであり、前記圧力変更手段（１１）は、前記第２のチャンバ（９）内の圧力を、実質的に周期的に所定の頻度で変化させるよう適合されることを特徴とする、請求項２に記載のヘッド（１）。
5. 前記第２の構成において、前記薄片要素（１２）は実質的に平坦であり、前記第１の構成において、前記薄片要素（１２）は実質的に湾曲された形状となるよう変形されることを特徴とする、請求項２に記載のヘッド（１）。
6. 前記供給要素（１３）は、前記第２の構成における前記薄片要素（１２）によって画定された、少なくとも１つの主面（Ａ－Ａ）に対して実質的に垂直である、少なくとも１つの主方向（Ａ）に沿って延び、前記供給要素（１３）には、第１の面（１４）に関連付けられた少なくとも１つの近位部（１３ｂ）と、前記突出部（１９）を画定する少なくとも１つの遠位部（１３ａ）とが提供されることを特徴とする、請求項２に記載のヘッド（１）。
7. 前記第１の構成における前記薄片要素（１２）は実質的に凸状であり、前記第２のチャンバ（９）の側へ主面（Ａ－Ａ）で隆起し、前記供給要素（１３）は、前記第１の構成における前記薄片要素（１２）の変形のために主方向（Ａ）に沿って並進して移動されることを特徴とする、請求項２に記載のヘッド（１）。
8. 前記第１のチャンバ（３）には、前記溶融金属（４）の温度を所定の値に実質的に等しく保つよう適合された、加熱手段が設けられることを特徴とする、請求項１～７のうちいずれか一項に記載のヘッド（１）。
9. 前記第１のチャンバ（３）は不活性雰囲気（８）を含むことを特徴とする、請求項１～８のうちいずれか一項に記載のヘッド（１）。
10. 前記供給開口部（５）は、１～５０μｍの横幅（１８）から成る断面を有することを特徴とする、請求項１～９のうちいずれか一項に記載のヘッド（１）。
11. 前記横幅（１８）は１０～３０μｍであることを特徴とする、請求項１０に記載のヘッド（１）。
12. 前記横幅（１８）は２０μｍと等しいことを特徴とする、請求項１０に記載のヘッド（１）。

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