JP7397149B1 - 機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システム - Google Patents

Abstract

【課題】毛細管現象を利用して不凍液または熱伝導液などの機能性液体を放出するモジュールのセットを開発し、交換型付加製造装置システムに含まれる３D付加製造装置及びロータリー付加製造装置に、交換型付加製造装置システムの本来の機能を損なうことなく統合した交換型付加製造装置システムを提供する。【解決手段】機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システムは、熱伝導モジュールと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ３２１～３２４及び前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを形成する造形プラットフォーム３４０と、少なくとも前記熱伝導モジュール上に配置され、前記熱伝導モジュールと前記造形プラットフォームとの間に含まれる間隙に機能性液体６９０を放出する機能性液体毛細放出モジュールと、を含む。【選択図】図１４

Description

本発明は、交換型付加製造装置システムに関し、特に機能性液体を機械の組立継ぎ目や微小間隙に放出するための特殊設計の機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システムに関する。

従来の技術において、バイオプリンターによるバイオプリンティングの工程では、特殊なバイオプリンティング材料の特性に合わせるため、通常、低温環境下で印刷作業を行う必要があり、例えば－２０℃から－４０℃の低温で積層したバイオプリンティング材料が即座に凝固して、材料の積み重ねができる。異なるバイオプリンティング材料に必要な異なる作業温度に応じて、バイオプリンティングは多くの場合、－４０℃から+３7℃の間で実施する必要があるため、作業温度を常に切り替えて制御する必要がある。

しかし、従来のバイオプリンターで低温印刷を行う場合、機械自体の組み立ての継ぎ目や、可動部分とベースの隙間に、空気中の湿気が侵入して着霜する問題が発生する。その結果、機械の衝突、ジッター、針詰まり、さらにはシャットダウンなど、印刷プロセス中にさまざまな異常状態が発生し、印刷品質と速度に深刻な影響を与え、機械にある程度の損傷を与える。常温印刷時において、機械の組み立て継ぎ目や隙間に空気が充満し熱伝導効率が悪化する。

従来の解決方法は、不凍液を組み立て継ぎ目や隙間に手動で注入して氷霜を溶かし異常状態を解消するか、隙間に熱伝導液を手動で注入して熱伝導効率を向上させていた。しかし、さまざまな手作業は、印刷を一時中断する必要があり、印刷時間が長くなるだけでなく、手作業により印刷中の半製品が汚染される可能性もある。

本発明は、毛細管現象を利用して不凍液または熱伝導液などの機能性液体を放出するモジュールのセットを開発し、交換型付加製造装置システムに含まれる３D付加製造装置及びロータリー付加製造装置に、交換型付加製造装置システムの本来の機能を損なうことなく、統合することができる。

熱伝導モジュールと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ、及び前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを形成する造形プラットフォームと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の曲面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内で回転するように選択的に配置され且つ前記作業坑とともに前記造形エリアを形成する造形スピンドルと、少なくとも前記熱伝導モジュール上に配置され、前記熱伝導モジュールと前記造形プラットフォームとの間に含まれる間隙、または前記熱伝導モジュールと前記造形スピンドルとの間に含まれる第１間隙、第２間隙及び第３間隙のうちの一つに機能性液体を放出する機能性液体毛細放出モジュールと、を含む機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システムであって、前記交換型付加製造装置システムは、前記造形プラットフォームと前記複数の平面付加製造アセンブリを選択的に配置して３D付加製造装置を構成する、または前記造形スピンドルと前記複数の曲面付加製造アセンブリを選択的に配置してロータリー付加製造装置を構成することを特徴とする機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システム。

低温動作時に機械の小さな隙間や組み立て継ぎ目などに、例えば、これに限定されないが、不凍液が放出される。霜を取り除くだけでなく、隙間に含まれる空気を置き換えることができ、空気は断熱性に優れた媒体であので、不凍液を入れることでエネルギーの伝達効率を高めることができる。常温以上で操作する場合、機械の隙間や組み立て継ぎ目に、例えば、これに限定されないが、潤滑油などを放出することで、摩擦抵抗を効果的に低減できるほか、隙間の空気を置き替えて熱伝導効率を向上させることができる。

本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えた３D付加製造装置のシステム全体の概略図を開示する。 本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる熱伝導ベースの構造を示す概略図である。 本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる平面付加製造アセンブリの構造を示す概略図である。 本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる昇降式造形プラットフォームの構造を示す概略図である。 本発明で提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の構造組み立てを示す概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構造の側断面を示す概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構成を示す概略図である。 本発明が提案する熱伝導ベースの内部の媒体流路の構造配置を示す側断面概略図である。 本発明が提案する熱伝導ベース内部の媒体流路の構造配置を示す俯瞰概略図である。 本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えたロータリー付加製造装置の概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む熱伝導ベースの構造の概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む曲面付加製造アセンブリの構造を示す模式図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む造形スピンドルの構造を示す概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の構造の組み立て概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す側断面概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す概略図である。 本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態に含まれる造形スピンドルの２段式構造を示す側断面概略図である。 本発明の機能性液体毛細放出が含む汎用部品を開示する概略図である。 ３D付加製造装置上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路の側断面分解図である。 ３D付加製造装置状に配置された機能性液体毛細放出モジュールに含まれる搬送流路の側断面組立概略図である。 平面付加製造アセンブリ上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む放出孔および毛細放出溝の前面概略図である。 平面付加製造装置アセンブリに配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路及び放出孔の搬送流路の側断面概略である。 本発明の機能性液体毛細放出モジュールの俯瞰平面の作業概略図である。 ロータリー付加製造装置上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路の側断面分解概略図である。 ロータリー付加製造装置上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路の側断面組み立て概略図である。 本発明の３D付加製造装置の低温造形工程中に造形プラットフォームに着霜した写真である。 本発明の機能性液体毛細放出モジュールが３D付加製造装置で実施した後、低温造形工程において造形プラットフォームの着霜を実際に除去した写真である。

図１から図５は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムの第１実施例の概略図を開示する。図１は本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置のシステム全体の概略図を開示する。本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、コンポーネントの簡単な交換により第１実施形態の３D付加製造装置、または第２実施形態のロータリー付加製造装置として設定または構成(configured)することができる。３D付加製造装置は、好ましくは１台の３Dバイオプリンターであり、３D直角座標運動に基づく平面付加製造作業を実行するために使用され、ロータリー付加製造装置は、好ましくは１台の回転バイオプリンターであり、３D直角座標運動に基づいて回転運動を組み合わせた曲面付加製造作業を実行するために使用される。

第１実施形態において、図１に示すように、本発明の交換型付加製造装置システムは、好ましくは、一組の３Dモーション機構１００を含む一組の３D付加製造装置システム１０として構成される。３Dモーション機構１００は、好ましくは一組のガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０であり、好ましくは、ベース１２０上に設置された２つのX軸ガイドレール１１１および１１３、Y軸ガイドレール１１５、Z軸ガイドレール１１７、およびロードマウンタ１１９から構成され、Y軸ガイドレール１１５は、X軸ガイドレール１１１、１１３に移動可能に架設され、X軸リニアモータ（図示せず）により駆動されてX軸ガイドレール１１１、１１３に沿ってX方向に線性運動し、Z軸ガイドレール１１７は、Y軸ガイドレール１１５に移動可能に架設され、Y軸リニアモータ（図示せず）により駆動されてX軸ガイドレール１１１、１１３に沿ってY方向に線性運動する。マウンタ１１９はノズル２１０を取り付け、ノズル２１０は、マウンタ１１９に取り付けられると、予め計画され設定された経路に従って、X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の三軸移動を行う。

ある実施形態において、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の最大移動範囲は４8６×４8６×１９６mmが好ましく、X軸ガイドレール１１１、１１３と、Y軸ガイドレール１１５と、Z軸ガイドレール１１７など各軸ガイドレールはいずれも、外部に光学スケールフィードバックモジュールとレベル補正モジュールが装備されており、プラットフォームの全体的な位置決め精度が±１μmに達することができる。

また、３D付加製造装置１０は、付加製造モジュール２００を含み、付加製造モジュール２００は、造形材料供給ユニット（図示せず）とノズル２１０を含む。造形材料供給ユニットは、材料管路を介してノズル２１０に造形材料を供給する。ノズル２１０は、マウンタ１１９によってガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０に取り付けられ、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の３軸移動を行う。ノズル２１０としては、３D付加製造用の造形材料を吐出するための押出ノズルやインクジェットノズル等が好適であるが、これらに限定されない。造形材料は、例えば、生分解性ポリウレタン（biodegradable polyurethane, Bio-PU）材料が好ましいが、これに限定されない。

３D付加製造装置１０は、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の可動範囲の下方に構成された一組の熱伝導モジュール３００と、熱伝導モジュール３００の上方に構成された一組機能性液体毛細放出モジュール６００。

図２（ａ）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる熱伝導ベースの構造を示す概略図である。図２（ｂ）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる平面付加製造アセンブリの構造を示す概略図である。図２（c）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる昇降式造形プラットフォームの構造を示す概略図である。図３は、本発明で提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の構造組み立てを示す概略図である。図４（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構造の側断面を示す概略図である。図４（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構成を示す概略図である。

また、３D付加製造装置１０は、熱伝導ベース３１０、複数の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４、昇降式造形プラットフォーム３４０等からなる熱伝導モジュール３００を更に含み、熱伝導ベース３１０の構造形状は、好ましくは枠型構造体であり、枠型構造体は中央に矩形チャネル３１１を形成する。構造体の内部は、熱伝導媒体３8０が内部を流れるように複数の媒体流路３１３を含み、矩形チャネル３１１は、内側表面上に、複数の位置決め溝３１５及び組立孔３１７を含む一連の位置決め部材を含み、位置決め溝３１５及び組立孔３１７に従って平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３及び３２４を熱伝導ベース３１０に組み合わせることができる。

熱伝導ベース３１０の構造形状は、例えば、矩形、円形、楕円形などの幾何学形状が好ましいが、これらに限定されず、また熱伝導ベース３１０の材質は、ステンレス鋼が好ましく、耐腐食性が高く、滅菌しやすい。

複数の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４は、主に熱伝導ベース３１０の矩形チャネル３１１の内側表面に取り付けられ、共に作業坑（work well）３６０を構成する。４つの平坦付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４は、造形プラットフォーム３４０が作業坑３６０内に嵌入し、作業坑３６０に沿って移動するように、作業坑３６０の４つの内壁に平坦な表面を提供することができ、例えば、上昇又は下降させて造形プラットフォーム３４０の高さをz軸方向に変更でき、作業坑３６０と造形プラットフォーム３４０が、深さ／高さ可変の造形エリア３７０を共に構成する。

本発明が提案する３D付加製造装置１０は、造形プラットフォームモーション制御モジュール４００を更に含む。造形プラットフォームモーション制御モジュール４００は、リニアモータ（図示せず）と１または複数の駆動軸４１０とを含み、駆動軸４１０は造形プラットフォーム３４０の下方に配置され、リニアモータは駆動軸４１０を駆動することにより造形プラットフォーム３４０を作業坑３６０に沿って移動するように駆動する。

本発明が提案する３D付加製造装置１０では、付加製造は昇降型造形プラットフォーム３４０の上方の造形エリア３７０で行われ、ノズル２１０は、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０によって制御され、造形エリア３７０の範囲内に位置決めされ付加製造が行われ、造形プラットフォーム３４０は、作業坑３６０に沿ってＺ軸方向に昇降可能である。従って、同一層の積層構造又は全ての付加製造を造形する工程において、ノズル２１０がＺ軸方向上の高さを固定することができ、ＸＹ平面内でＸ軸およびＹ軸方向のみを移動させることが可能である。更に造形プラットフォーム３４０のＺ軸方向の高さを変えることにより、レイヤーバイレイヤー造形の効果が得られる。

３D付加製造装置１０は、循環冷却ユニットと循環加熱ユニットとを含む温度循環制御モジュールを更に含む。循環冷却ユニットは、好ましくは、例えばこれに限定されないが、循環冷却装置(refrigerated circulator)であり、熱伝導媒体３８０を予め設定された温度まで能動的に冷却し、冷却された熱伝導媒体３８０を循環管路を通して熱伝導ベース３１０内の媒体流路３１３にポンピングし、循環管路を介して熱伝導媒体３8０を回収して再度冷却して、このサイクルを連続的に繰り返すことで、熱伝導ベース３１０を予め設定された動作温度まで冷却する。また、循環加熱ユニットは、例えば、循環加熱装置(heating circulator)であることが好ましいが、これに限定されず、熱伝導媒体３8０を予め設定された温度に能動的に加熱し、加熱された熱伝導媒体３8０を循環管路を介して熱伝導ベース３１０内の媒体流路３１３にポンピングし、循環管路を介して熱伝導媒体３8０を回収して再度加熱し、このサイクルを連続的に繰り返すことにより、熱伝導ベース３１０を予め設定された動作温度まで加熱する。熱伝導媒体３８０は、冷却剤(coolant)または循環液体であることが好ましく、本実施形態では、冷却剤は、濃度９９．５％のエタノール(Ethanol, ECOH)であることが好ましい。

図５（ａ）は、本発明が提案する熱伝導ベースの内部の媒体流路の構造配置を示す側断面概略図である。図５（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導ベース内部の媒体流路の構造配置を示す俯瞰概略図である。熱伝導ベース３１０の内部構造配置において、媒体流路３１３は、一定の高さごとに媒体流路３１３を１周配置する多層配置を採用し、造形プラットフォーム３４０が作業坑３６０を昇降する過程で温度分布をより均一にすることができ、媒体流路３１３の入口３１３１は熱伝導ベース３１０の下層に配置され、出口３１３２は熱伝導ベース３１０の上層に配置され、造形スケジュールが比較的高い層の構造の造形に進むと、例えば、これに限定されないが、比較的高い層のバイオスキャフォールド構造は、造形プラットフォーム３４０の高度が下降した後、入口３１３１に近づくほど、入口３１３１に近い熱伝導媒体３8０はエネルギー散逸が小さいため、低温または高温状態になり、これにより熱伝導効率を高めることができる。

付加製造プロセス中、熱伝導媒体３8０は温度循環制御モジュールによって供給され、加熱または冷却された熱伝導媒体３8０は温度循環制御モジュールのポンピングによって、媒体流路３１３の入口３１３１に輸送される。媒体流路３１３に進み、熱伝導ベース３１０の内部を循環し、熱伝導ベース３１０を冷却または加熱する。エネルギーは、熱伝導ベース３１０を介して作業坑３６０の周囲の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３および３２４に伝達され、接触伝導を介して中央の造形プラットフォーム３４０に伝達され、造形プラットフォーム３４０が冷却または加熱されるとともに、造形プラットフォーム３４０上に積層された造形材料に伝達される。

図６から図１０は本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システムの第２実施形態の概略図である。図６は、本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えたロータリー付加製造装置の概略図である。第２実施形態において、本発明交換型付加製造装置システムは、第１実施形態、及び第１実施形態に開示された少なくとも３Dモーション機構１００と付加製造モジュール２００と熱伝導モジュール３００と温度循環制御モジュールと機能性液体毛細放出モジュール６００等をふくむ一組のロータリー付加製造装置２０として構成されることが好ましい。

図７（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む熱伝導ベースの構造の概略図である。図７（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む曲面付加製造アセンブリの構造を示す模式図である。図７（ｃ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む造形スピンドルの構造を示す概略図である。図８は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の構造の組み立て概略図である。図９（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す側断面概略図である。図９（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す概略図である。

ロータリー付加製造装置２０は、第１実施形態で開示した熱伝導モジュール３００をさらに含み、熱伝導モジュール３００は、熱伝導ベース３１０、複数の曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４、造形スピンドル等を含む。熱伝導ベース３１０の内部は、熱伝導媒体３８０が流れる媒体流路３１３を含み、熱伝導ベース３１０は、複数の位置決め溝３１５と組立孔３１７を含み、位置決め溝３１５と組立孔３１７に従って曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４の各々が熱伝導ベース３１０に組み付けられて作業坑３６０を形成する。

着脱を容易にするために、造形スピンドル３５０の取付けは片側挿入方式を採用し、造形スピンドル３５０は、熱伝導ベース３１０に開設された第１軸受孔３９１と、対応する曲面付加製造アセンブリ３３２上の第２軸受孔３９３を順次貫通し、対向する曲面付加製造アセンブリ３３４上の第３軸受孔３９５に挿入される。第３軸受孔３９５に挿入された造形スピンドル３５０は、回転時の摩擦を減らすために曲面付加製造アセンブリ３３３の後部の熱伝導ベース３１０に接触せず、エネルギーは、造形スピンドル３５０に接触した第１軸受孔３９１、第２軸受孔３９３及び第３軸受孔３９５を介して造形スピンドル３５０に伝達される。熱伝導ベース３１０の下方に底板３６３がさらに含まれ、作業坑３６０の底を遮蔽し、造形エリア３７０が５つの面を有する遮蔽空間を形成する。

本発明が提案するロータリー付加製造装置２０は、回転モーション制御モジュール４５０をさらに含み、回転モーション制御モジュール４５０は、ステッピングモータ４６０を含み、造形スピンドル３５０は、回転モーション制御モジュール４５０のステッピングモータ４６０によって駆動されることが好ましい。

本発明が提案するロータリー付加製造装置２０において、造形スピンドル３５０上方の造形エリア３７０で付加製造が行われ、ノズル２１０が造形エリア３７０の範囲内で作動して付加製造が行われ、ロータリー付加製造装置２０は、主に例えば三次元管状構造を製造するために使用されるが、これに限定されない。

図１０は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態に含まれる造形スピンドルの２段式構造を示す側断面概略図である。造形スピンドル３５０上で付加製造が行われるので、付加製造が完了した後、完成品は、造形スピンドル３５０に取付いているので、造形スピンドル３５０は第１軸受孔３９１、第２軸受孔３９３、および第３軸受孔３９５から直接抜き取ることができない。

したがって、本発明が提案するロータリー付加製造装置２０では、造形スピンドル３５０を２段式構造として設計し、造形スピンドル３５０は、螺合(screwing)された連結部３５１と造形部３５３とを備えているため、本発明が提案する造形スピンドル３５０は、曲面付加製造の完了後、完成品を傷つけないように、造形部３５３を直接作業坑３６０内部から直接取り出すことができる。

本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、第１実施形態の３D付加製造装置１０と、第２実施形態のロータリー付加製造装置２０とを少なくとも含み、設計コンセプトは、付加製造プロセスの温度制御範囲を、作業坑３６０の４つの内壁と造形プラットフォーム３４０または造形スピンドル３５０によって形成される５面の遮蔽空間または半遮蔽空間のみ、すなわち造形エリア３７０に限定することである。これにより、付加製造プロセスの温度制御範囲が大幅に縮小され、熱伝導効率が非常に向上し、機械全体の効率とエネルギー消費量が大幅に改善される。

本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、３Dモーション機構１００、付加製造モジュール２００、温度循環制御モジュール５００及び機能性液体毛細放出モジュール６００が変更されなくてもよい状況下でも、熱伝導ベース３１０上の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４及び曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４を簡単に交換するだけで、３D付加製造装置１０及びロータリー付加製造装置２０の２種類の作業モードを非常に簡単に切り替えることができる。

しかし、３D付加製造装置１０及びロータリー付加製造装置２０にとって、動作温度が０℃以下の必要がある場合、機械に含まれる低温の部品と空気中の水分が接触すると着霜しやすい。造形作業プロセスにおいて、造形プラットフォームがある高さ位置である程度一時停止する必要があるか、または造形スピンドルの回転をある程度一時停止する必要があると、作業坑またはアセンブリと造形プラットフォームまたは造形スピンドルとの間に含まれる組み立て継ぎ目は氷結しやすいので、造形プラットフォームが移動する際に、振動やスタック等が発生する又は造形スピンドルはスムーズに回転しないことがある。深刻な場合、造形プラットフォームが作業坑に引っかかって動かなくなったり、造形スピンドルが回転できなくなったりする。 造形作業の中断に加えて、機械の損傷も発生する可能性がある。

従来、不凍液を手作業で添加して発生した氷霜を軽減または溶解する方法がとられてきたが、不凍液を手作業で添加すると、造形作業を一時停止する必要があり、造形時間が長くなるだけでなく、人為的ミスによって造形中の半製品が汚染されることもある。

さらに、３D付加製造装置１０であろうと、ロータリー付加製造装置２０であろうと、作業坑と造形プラットフォームや造形スピンドルなどの可動部分(movable parts)との間には、わずかな隙間(gap)があり、これら隙間は、動作温度が０℃以下では凍結しやすいほか、動作温度が室温(room temperature)以上の場合、隙間に含まれる空気により熱伝導効率が低下する可能性がある。付加製造プロセスの動作温度は、多くの場合、水の凝固点０℃以下またはそれ以上の間で変化させる必要がある。

上記の問題を解決するために、本発明は、毛細管現象を利用して不凍液または熱伝導液などの機能性液体を放出するモジュールを開発し、これを３D付加製造装置１０及びロータリー付加製造装置２０からなる交換型付加製造装置システムに、交換型付加製造装置システムの本来の機能を損なうことなく組み込むことができる。低温動作時には、機械の隙間に例えばこれに限定されないが、不凍液などを放出して、氷霜を取り除くだけでなく、隙間に含まれる空気を置き換えることもでき、空気は断熱性に優れた媒体であるため、不凍液の添加によりエネルギー伝達効率が向上する。室温以上で作業する場合、これに限定されないが、潤滑油を機械の隙間に放出して、これにより摩擦抵抗が減少するほか、隙間内の空気も置換され、熱伝導効率が向上する。

図１１は、本発明の機能性液体毛細放出が含む汎用部品を開示する概略図である。図１２（ａ）は、３D付加製造装置上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路の側断面分解図である。図１２（ｂ）は、３D付加製造装置状に配置された機能性液体毛細放出モジュールに含まれる搬送流路の側断面組立概略図である。図１３（ａ）は、平面付加製造アセンブリ上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む放出孔および毛細放出溝の前面概略図である。図１３（ｂ）は、平面付加製造装置アセンブリに配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路及び放出孔の搬送流路の側断面概略である。

本発明が提案する機能性液体毛細放出モジュール６００は、蠕動ポンプ(peristaltic pump)６１０、搬送管路６２０、機能性液体貯留容器６３０及びコントローラ６４０等の汎用部材、及び熱伝導モジュール３００及び平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４上に配置された搬送流路、放出孔及び毛細放出溝を含み、汎用部材は、熱伝導モジュール３００下方の機械空間５０に配置されることが好ましい。

各平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４上のいずれにも以下で述べる構造が配置されるが、以下において平面付加製造アセンブリ３２２を例に説明する。３D付加製造装置において、第１段搬送流路６５１が熱伝導ベース３１０内部に開設され、第１段搬送流路６５１の流入口６５２は熱伝導ベース３１０の底部に設置される。第２段搬送流路６５５は、例えばこれに限定されないが平面付加製造アセンブリ３２２内部に開設され、第１段搬送流路６５１の流出口６５３と第２段搬送流路６５５の流入口６５６は、位置において相互に対応し、平面付加製造アセンブリ３２２は、熱伝導ベース３１０に組合された後、第１段搬送流路６５１と第２段搬送流路６５５は互いに連通し、第２段搬送流路６５５の流出口が毛細放出溝６8０の放出孔６7０に連接される。流入口６５２は搬送管路６２０に連通する。

平面付加製造アセンブリ３２２は、作業坑３６０の内壁である作業面３２５に２つの毛細放出溝６8０及び中間に開設された放出孔６7０を設置し、各毛細放出溝６8０はいずれも放出孔６7０に連通し、放出孔６7０を流入口として放出孔６7０から流れる機能性液体６9０を受容することができる。

毛細放出溝６8０の流出口６8１は作業面３２５の両側に位置し、且つ熱伝導ベース３１０の四隅にほぼ近接している。流出口６8１の高さは放出孔６7０より低く、毛細放出溝６8０に一定の傾斜を与える。毛細放出溝６8０の構造形状は深さ及び幅が０.２mm未満の細長い開放流路(open channel)が好ましく、従って、毛細放出溝６8０に流入した機能性液体６9０は、主に毛細管現象と重力によって駆動され、放出孔６7０から流出口６8１に移動して平面付加製造アセンブリ３２２と造形プラットフォーム３４０との間の間隙Gに排出され進入する。

各平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４はいずれも毛細放出溝６8０が開設され、つまり作業坑３６０の四辺内壁にいずれも毛細放出溝６8０が設けられる。各平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４にいずれも以上で述べた構造が配置されるが、上述は平面付加製造アセンブリ３２２を例として説明したものである。

図１４は本発明の機能性液体毛細放出モジュールの俯瞰平面の作業概略図である。本発明の機能性液体毛細放出モジュールが３D付加製造装置上で動作するとき、コントローラ６４０は蠕動ポンプ６１０の動作を開始し、機能性液体貯留容器６３０から機能性液体６９０を引き込み、搬送管路６２０を介して熱伝導ベース３１０の第１段搬送流路６５１の流入口６５２にポンピングし、次いで、熱伝導ベース３１０内の第１段搬送流路６５１を通過し、平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４内部の第２段搬送流路６５５に進入し、放出孔６7０に到達する。

放出孔６7０は、機能性液体６9０を放出し毛細放出溝６8０に進入し、機能性液体６9０は最終のに流出口６8１から流出するとともに作業坑３６０の四隅に流れ、最後に平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４と造形プラットフォーム３４０との間の微小間隙Gに注入する。間隙Gは非常に小さなスリットであり、その間隔は通常１mm未満である。従って、間隙Gに流入した機能性液体６9０は、その流動が毛細管力により支配され、毛細管現象により間隙G全体に無差別に四周に拡散し、最終的に大部分の間隙G中に充填される。

機能性液体６9０は、不凍液、例えば凝固点が－１１４℃の高純度エタノール溶液であることが好ましく、間隙Gに注入した後、作動温度が０℃以下の時、水分が間隙Gにとどまり着霜または氷結するのを防止するとともに近くの氷霜を溶解でき、且つエタノールにより細菌細胞を脱水して、消毒殺菌効果が得られる。機能性液体６9０は、熱伝導液であってもよく、例えば、潤滑油または摩擦油であることが好ましく、作動温度が０℃以上の時、間隙Gに充填された後、熱伝導効率を直接向上させることができ、熱伝導ベース３１０のエネルギーを造形プラットフォーム３４０に有効に伝達し、機械は常温(room temperature)造形またはより高温の造形作業時に熱伝導媒体として使用することができる。

機能性液体６9０の添加量は造形品質に影響を与えないように、過剰であってはならない。蠕動ポンプ６１０は好ましくは毎分０.５mlの流量を圧送でき、コントローラ６４０の複合制御により蠕動ポンプ６１０の精度を±１%にできる。機能性液体６9０が高純度のエタノール溶液である場合、エタノールは揮発速度が速い高揮発性溶液であるので、低温造形中は、氷霜の再生成を避けるために、例えばこれに限定されないが１５分ごとのように一定時間ごとに再注入する必要があり、これにより造形プラットフォーム３４０と作業坑３６０との間で、霜により固着してスタックせず、正常に上下移動が行える。機能性液体６9０が間隙Gに注入されると、作業坑３６０から造形プラットフォーム３４０への低温伝導効率も向上できる。

図１５(ａ)は、ロータリー付加製造装置上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路の側断面分解概略図である。図１５(ｂ)は、ロータリー付加製造装置上に配置された機能性液体毛細放出モジュールが含む搬送流路の側断面組み立て概略図である。ロータリー付加製造装置２０において、好ましくは、第１段搬送流路６６１は３D付加製造装置１０の第１段搬送流路６５１と共用してもよく、または独立して別個に設置してもよい。第１段搬送流路６６１は、熱伝導ベース３１０内部に開設され、第１段搬送流路６６１の流入口６６２は熱伝導ベース３１０の底部に配置される。

第２段搬送流路６６５は、曲面付加製造アセンブリ３３２、３３４内部に開設され、第１段搬送流路６６１の流出口６６３と第２段搬送流路６６５の流入口６６６は位置において相互に対応し、曲面付加製造アセンブリ３３２、３３４は、熱伝導ベース３１０に組み立てられた後、第１段搬送流路６６１と搬送流路６６５が相互に連通し、搬送流路６６５の流出口は放出孔６7１である。流入口６６２は搬送管路６２０に連通する。

ロータリー付加製造装置２０において、放出孔６7１は、第２軸受孔３9３と第３軸受孔３9５と直接連通するように配置し、即ち、放出孔６7１は、機能性液体６9０を第２軸受孔３9３及び第３軸受孔３9５と造形スピンドル３５０との間に含む第２間隙G２と第３間隙G３に直接注入することができ、第２間隙G２と第３間隙G３に流入した機能性液体６9０が毛細管力により牽引され、第２間隙G２と第３間隙G３全体に無差別に周囲に拡散され、最終的に大部分の第２間隙G２と第３間隙G３中に充填され、造形スピンドル３５０の着霜が防止でき、または造形スピンドル３５０の熱伝導効率を向上させることができる。第２軸受孔３9３中に流入した機能性液体６9０は毛細管力により牽引され第１軸受孔３9１と造形スピンドル３５０間に含まれる第１間隙G１にも流入する。

本発明の機能性液体毛細放出モジュールが３D付加製造装置で作動される場合、機能性液体６9０の流動経路は機能性液体貯留容器６３０から開始され、蠕動ポンプ６１０の駆動により搬送管路６２０を介して熱伝導ベース３１０内部の第１段搬送流路６６１に圧送され、次いで、曲面付加製造アセンブリ３３２と３３４内部の第２段搬送流路６６５に進入して放出孔６7１に到達する。そして、第１軸受孔３9１、第２軸受孔３9３、第３軸受孔３9５に流入して、第１間隙G１、第２間隙G２、第３間隙G３に注入される。

図１６（ａ）は、本発明の３D付加製造装置の低温造形工程中に造形プラットフォームに着霜した写真である。図１６(ｂ)は、本発明の機能性液体毛細放出モジュールが３D付加製造装置で実施した後、低温造形工程において造形プラットフォームの着霜を実際に除去した写真である。図１６(ａ)からわかるように、３D付加製造装置の低温造形工程中に造形プラットフォームがしばしば着霜することで、機械のクラッシュまたはスタックが発生する。

図１６（ｂ）は、本発明の機能性液体毛細放出モジュールが－２０℃の作業温度において、放出孔を介して造形プラットフォームの四辺と四隅の間隙に不凍液を放出した效果を示す。視覚効果を向上させるため、図１６（ｂ）が示す例は、間隙中に注入した不凍液の量を多くしたため、造形プラットフォームの四辺の隙間から不凍液が溢れているのがよくわかり、且つ隙間付近の氷霜も溶けていることが明らかである。図１６（ｂ）からわかるように、－２０℃の低温下では、造形プラットフォーム上、平面付加製造アセンブリ上及び熱伝導ベース上に薄い霜が形成されている。しかし、造形プラットフォームの周囲隅と四辺の間隙に不凍液がほぼ充満しているので、氷結着霜現象は発生していない。

本発明提出の交換型付加製造装置システムは、３Dモーション機構１００、付加製造モジュール２００、温度循環制御モジュール及び機能性液体毛細放出モジュール６００を交換しない状況で、熱伝導ベース３１０上の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４と曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４を簡単に交換するだけで、３D付加製造装置１０及びロータリー付加製造装置２０の２つの作業モードを簡単に切り替えることができる。

本発明の機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システムは、更に、少なくとも以下の特徴を含む。(１) Z軸方向に昇降する造形プラットフォームを介して付加製造分層堆積作業を実行し、ガントリー型多軸モーションプラットフォームのZ軸方向の移動を低減する。(２) 主要コンポーネントのほとんどを交換することなく、異なるアセンブリを簡単に交換するだけで、３D付加製造装置とロータリー付加製造装置を切り替えることができる。（３）機能性液体毛細放出モジュールを備えることにより、機械の着霜を除去するとともに機械のエネルギー伝達効率を向上させて、高、低温動作のいずれにおいても使用可能である。

Claims (3)

1. 熱伝導モジュールと、
   前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ、及び前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを画定する造形プラットフォームと、
   前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の曲面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内で回転するように選択的に配置され且つ前記作業坑とともに前記造形エリアを画定する造形スピンドルと、
   少なくとも前記熱伝導モジュール上に配置され、前記熱伝導モジュールと前記造形プラットフォームとの間に含まれる間隙、または前記熱伝導モジュールと前記造形スピンドルとの間に含まれる第１間隙、第２間隙及び第３間隙のうちの一つに機能性液体を放出する機能性液体毛細放出モジュールと、
   を含む機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システムであって、
   前記交換型付加製造装置システムは、前記造形プラットフォームと前記複数の平面付加製造アセンブリを選択的に配置して３D付加製造装置を構成する、または前記造形スピンドルと前記複数の曲面付加製造アセンブリを選択的に配置してロータリー付加製造装置を構成することを特徴とする機能性液体毛細放出モジュールを備えた交換型付加製造装置システム。
2. 前記機能性液体毛細放出モジュールは、更に、
   位置決め部材と、
   前記複数の平面付加製造アセンブリは、前記位置決め部材に従って、前記熱伝導モジュール上に組み合わされ、前記熱伝導モジュールの中央に配置され前記作業坑の内壁を形成し、前記交換型付加製造装置システムが３D付加製造装置を構成することと、
   のうち一つを更に含み、
   前記複数の平面付加製造アセンブリのうちの一から選択された第１平面付加製造アセンブリと前記造形プラットフォームとの間に前記間隙を含むことを特徴とする請求項１記載の交換型付加製造装置システム。
3. 前記機能性液体毛細放出モジュールは、更に、
   機能性液体を貯留する機能性液体貯留容器と、
   前記機能性液体貯留容器に連通して前記機能性液体の搬送経路とする搬送管路と、
   前記機能性液体の搬送経路として選択された前記第１平面付加製造アセンブリ内部に設置される少なくとも一の搬送流路と、
   前記第１平面付加製造アセンブリに開設されるとともに、前記少なくとも一の搬送流路と連通する放出孔と、
   流入口と流出口を含み、前記第１平面付加製造アセンブリ設置され、且つ傾斜と１mm未満の幅を有し、毛細力と重力により前記機能性液体を駆動する毛細放出溝であって、前記放出孔と連通するとともに前記放出孔を前記流入口とし、前記流出口の位置は前記間隙にガイドするように配置される毛細放出溝と、
   機能性液体貯留容器から前記機能性液体を抽出し、前記搬送管路を介して前記放出孔に圧送し、前記機能性液体を前記毛細放出溝に搬送し、前記毛細力と前記重力を介して前記機能性液体を前記流出口に駆動し、最終的に前記機能性液体が前記間隙に流入するとともに前記間隙が毛細管現象の駆動を受けて前記間隙中に無差別に拡散する蠕動ポンプと、
   前記蠕動ポンプを定期的にまたは不定期に起動して、前記機能性液体を前記放出孔に流動するように駆動するコントローラと、
   のうち一つを含む、
   ことを特徴とする請求項２記載の交換型付加製造装置システム。