JP7411292B1 - ３ｄプリンタ用シリンジの温調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンジに充填されている液状シリコーンゴムの温度を調節し、材料の良好な吐出性を確保する。【解決手段】シリンジ１２に充填された液状シリコーンゴムをステージＳ上に吐出し、吐出された液状シリコーンゴムを硬化させることにより、積層造形を実施する３Ｄプリンタ１に装着され、シリンジ１２に充填されている液状シリコーンゴムの温度を調節する３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置１０１であって、シリンジ１２を収容するシリンジ保持部１１１と、シリンジ保持部１１１に装着され、シリンジ保持部１１１に収容されているシリンジ１２を介して液状シリコーンゴムを加熱または冷却する温度調節部１１２とを備える。【選択図】図２

Description

特許法第３０条第２項適用 〔展示日〕 証明書記載の一覧のとおり 〔展示会名、開催場所〕 証明書記載の一覧のとおり 〔ウェブサイトの掲載日、アドレス〕 証明書記載の一覧のとおり 〔発行日、配布開始日〕 令和４年１１月８日 〔配布物〕 別紙のとおり

本発明は、３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置に関する。

３Ｄプリンタとして、ＬＡＭ（液体積層造形）方式のものが存在する。

ＬＡＭ方式の３Ｄプリンタは、シリンジに充填された液状造形材料を、圧力をかけてノズルからステージ上に吐出し、吐出された液状造形材料を適宜の方法により硬化させることで、積層造形を実施するものである。

特許文献１には、２種以上の異種樹脂材料を別個のノズルから吐出して、積層造形を実施する３Ｄプリンタが開示されている。

特許第６７３４５１７号公報

ところで、液状シリコーンゴムを材料とするＬＡＭ方式の３Ｄプリンタにより、造形材料として２液混合型の液状シリコーンゴムにより造形を行う場合に、混合後、シリンジに貯留されている間に室温下で硬化が進行し、液状シリコーンゴムの粘度が増大する場合がある。
粘度が増大すると、混合後の材料をノズルにより吐出することが困難となるため、混合後の材料を低温環境下に保管し、粘度の増大を抑制する措置が必要となり、造形が困難である、という不具合があった。

他方で、室温下で硬化が進行する液状シリコーンゴムは、２液混合型以外にも存在する。例えば、ＲＴＶシリコーンゴムは、１液型であっても室温下で硬化が進行するものもあるため、低温環境下での管理が必要となる。

このような実情に鑑み、本発明は、シリンジに充填されている液状シリコーンゴムの温度を調節し、粘度を適切な範囲に維持することで、材料の良好な吐出性を確保することのできる３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置を提供する。

請求項１に記載の発明にあっては、 シリンジに充填された液状シリコーンゴムをステージ上に吐出し、吐出された前記液状シリコーンゴムを硬化させることにより、積層造形を実施する３Ｄプリンタに装着され、前記シリンジに充填されている前記液状シリコーンゴムの温度を調節する３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置であって、前記シリンジを収容するシリンジ保持部と、前記シリンジ保持部に装着され、前記シリンジ保持部に収容されている前記シリンジを介して前記液状シリコーンゴムを１０℃以下マイナス１０℃以上に冷却する温度調節部とを備え、前記液状シリコーンゴムは、２液混合型の液状シリコーンゴムであり、混合後の前記液状シリコーンゴムが前記シリンジに充填されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明にあっては、前記液状シリコーンゴムは、紫外線硬化液状シリコーンゴムであり、前記３Ｄプリンタは、紫外線照射部を備え、前記ステージ上に吐出された前記紫外線硬化液状シリコーンゴムは、前記紫外線照射部からの紫外線により硬化することを特徴とする。

請求項３に記載の発明にあっては、前記液状シリコーンゴムは、熱硬化液状シリコーンゴムであり、前記３Ｄプリンタは、加熱部を備え、前記ステージ上に吐出された前記熱硬化液状シリコーンゴムは、前記加熱部からの熱により硬化することを特徴とする。

請求項４に記載の発明にあっては、前記液状シリコーンゴムは、ＲＴＶ液状シリコーンゴムであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明にあっては、前記温度調節部は、前記シリンジに向かう空気の流れを形成する送風ファンと、前記送風ファンにより形成される前記空気の流れの途中に配置され、前記空気を冷却する温調部本体とを備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明にあっては、前記温調部本体は、ペルチェ素子を備え、前記ペルチェ素子に流れる電流に応じて発熱または吸熱するサーモモジュールと、前記サーモモジュールに付設され、前記サーモモジュールと前記空気との間における熱の移動を促進する伝熱器と、前記シリンジまたはこれに充填されている前記液状シリコーンゴムの実際の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度の、前記シリンジまたは前記液状シリコーンゴムの目標温度に対する乖離量に基づき、前記乖離量を減少させるように前記温度調節部に対する操作量を設定する制御部とを備え、前記制御部は、前記乖離量に基づくＰＩＤ制御により、前記操作量を設定することを特徴とする。

請求項１及び５に記載の発明によれば、２液型液状シリコーンゴムが充填されたシリンジは、シリンジ保持部に収容され、シリンジに充填されている液状シリコーンゴムは、シリンジ保持部に装着された温度調節部により、シリンジを介して冷却される。

これにより、材料である２液型液状シリコーンゴムの温度を管理し、材料の粘度を適切な範囲に維持することが可能となる。よって、シリンジに充填されている２液型液状シリコーンゴムの粘度が増大して、ノズルによる吐出が困難となる事態を回避することができる。

造形材料として２液混合型の液状シリコーンゴムを使用した場合には、シリンジに充填された状態で室温環境下において硬化が進行する場合があり、加圧した場合であってもノズルから円滑に吐出せず、吐出量が低下し、安定した造形ができなくなる、という問題があったが、本発明に係る温調装置によりシリンジ内の２液混合型シリコーンゴムを所定温度（１０℃以下、例えば、４℃）に冷却することにより、ノズルからの円滑な吐出を可能とし、安定した造形作業を可能とすることができる。

さらに、一般的に、３Ｄプリンターによる造形作業は、インジェクション成型やプレス成型の場合とは異なり、液状の造形材料を積層して硬化させることにより造形することから所定の時間を要するという欠点を有しているところ、本発明に係る温調装置を使用することにより、造形材料に応じた適切な温度調節を行うことにより、造形材料のいかんにかかわらずノズルからの吐出量を向上、増大させ、造形作業に要する作業時間を低減し、高速で造形作業を行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、紫外線硬化液状シリコーンゴムを材料とする３Ｄプリンタにおいて、材料の温度管理を適切に行うことにより、ノズルからの円滑な吐出を確保することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、熱硬化液状シリコーンゴムを材料とする３Ｄプリンタにおいて、材料に応じた適切な温度管理により、ノズルからの円滑な吐出を確保することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、ＲＴＶ（常温硬化型）液状シリコーンゴムを材料とする３Ｄプリンタにおいて、ＲＴＶ液状シリコーンゴムは、常温硬化型であることから、室内温度環境下においてシリンジ内で硬化が開始する場合もあるが、本発明に係る温調装置を使用して適切に冷却することにより、ＲＴＶ液状シリコーンゴムの常温環境下における硬化を防止し、円滑にノズルから吐出させて造形作業を行うことが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、温調部本体および送風ファンを備える温度調節部により、シリンジに向かう冷風が形成され、シリンジに充填されている２液型液状シリコーンゴムは、この冷風により温度が調節される。これにより、２液型液状シリコーンゴムの温度を良好に調節し、ノズルからの円滑な吐出性を確保することが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、サーモモジュールに生じた熱が伝熱器を介して伝達され、周囲の空気に放出される一方、空気の有する熱が伝熱器を介して伝達され、サーモモジュールに吸収される。これにより、シリンジに向かう流れを形成する空気を効率よく冷却し、液状シリコーンゴムの温度を迅速に調節することが可能となる。ペルチェ素子を備えるサーモモジュールを採用することで、液状シリコーンゴムの温度管理を細かく調節することが可能となる。

さらに、シリンジまたは液状シリコーンゴムの実際の温度が検出され、実際の温度の目標温度に対する乖離量に基づき、これを減少させるように温度調節部に対する操作量が設定される。これにより、液状シリコーンゴムの温度を目標温度に近付け、ノズルからのより良好な吐出性を確保することが可能となる。操作量の設定にＰＩＤ制御を採用することで、操作量をより良好に設定することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタの概略図である。 本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタに使用されるシリンジ及び、シリンジの温調に使用される温調装置を概略的に示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタに使用される温調装置を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタに使用される温調装置の正面図である。 本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタに使用される温調装置の平面図である。 図６（ａ）は同上温調装置の内部構造を示す概略図であり、図６（ｂ）は伝熱器及びサーモモジュールを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る３Ｄプリンタに使用される温調装置の制御系の構成図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

本実施形態に係る３Ｄプリンタ１０は、造形材料に液状シリコーンゴムを用い、ＬＡＭ（液体積層造形）方式により三次元造形物を作成するように構成されている。

図１に示すように、本実施形態に係る３Ｄプリンタ１０の基本構成は、液状シリコーンゴムＭを射出するディスペンサ部２０と、ディスペンサ部２０から射出された液状シリコーンゴム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に射出された液状シリコーンゴム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とを有しており、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、液状シリコーンゴムＭを収容したシリンジ１２と、シリンジ１２を交換可能に保持しうるシリンジ固定部２２と、シリンジ固定部２２に保持（装着）されたシリンジ２１から液状シリコーンゴム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。

本実施の形態にあっては、液状シリコーンゴムＭは、いわゆる２液混合型のシリコーンゴムであって、予め２液が混合された状態でシリンジ２１に充填されている。

シリンジ固定部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、シリンジ固定部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、シリンジ固定部２２に配置されたシリンジ２１に供給するための圧縮空気供給管２３ｂと、を有している。

本実施の形態にあっては、図１に示すように、上記構成に係る３Ｄプリンタ１０において、シリンジ１２に充填されている液状シリコーンゴムの温度を調整する温調装置１０１がシリンジ固定部２２に固定された状態で配置されており、シリンジ１２は温調装置１０１内部に収納される形で配設されている。

図２～５に示すように、温調装置１０１は全体略直方体箱状に形成され、シリンジ固定部２２に固定されるシリンジ保持部１１１と、シリンジ保持部１１１の前面部に設けられた温度調節部１１２を備えている。

本実施の形態にあっては、通常室温２５℃において、１０℃からマイナス１０℃の間で冷却することにより、シリンジ内の液状シリコーンゴムの温度調節を行うことができるように構成されている。

温調装置１０１は、本実施の形態にあっては、幅寸法１１０ｍｍ、高さ寸法１５５ｍｍに形成され、支持部１１１の内部には、上下方向に沿って貫通して設けられたシリンジ収納空隙部１１１ａが設けられており、内部に５０ｍｌ容量のシリンジ１２を、上方より挿入して収納固定できるように構成されている。

支持部１１１の前面部に設けられた温度調節部１１２は、シリンジ保持部１１１を減温し、その結果、シリンジ収納空隙部１１１ａ内に固定され、液状シリコーンゴムが充填されたシリンジ１２を冷却するように構成されている。

温度調節部１１２は空冷式電子冷却方式であり、冷却により発生する熱を、適宜、放熱するための送風ファン１１２ｂを備えている。

温調部本体１１２ａは、サーモモジュール１１２１および伝熱器１１２２を備えている。サーモモジュール１１２１は、ペルチェ素子を備え、ペルチェ素子に流れる電流に応じて発熱または吸熱する。

伝熱器１１２２は、サーモモジュール１１２１に付設され、サーモモジュール１１２１と空気との間における熱の移動を促進する。伝熱器１１２２は、厚さ方向に互いに隙間を空けて配置された複数の薄型放熱板を備える。

送風ファン１１２ｂは、図示しないモータにより駆動される羽根１１２３を備える。

温調装置１０１は、コントローラ２０１を備えるとともに、シリンジ１２に充填されている液状シリコーンゴムの実際の温度を検出する温度センサ２１１を備える。本実施形態では、温度センサ２１１によりシリンジ１２の温度を検出し、シリンジ１２の温度を液状シリコーンゴムの温度として代用する。

図６に示すように、コントローラ２０１は、温度センサ２１１により検出された温度を帰還させ、ＰＩＤ制御により温調装置１０１に対する入力量ｕを設定する。

具体的には、液状シリコーンゴムの目標温度Ｔｒが設定され、減算部２０１ａは、温調装置１０１の出力量である液状シリコーンゴムの温度Ｔｙの、目標温度Ｔｒに対する乖離量ｅを算出する。

ＰＩＤ制御器２０１ｂは、乖離量ｅをもとに、温調装置１０１に対する入力量ｕ、つまり、温調部本体１１２ａまたは送風ファン１１２ｂに対する操作量として設定される。

この制御により得られる出力量Ｔｙは、再度減算部２０１ａへ戻され、同様の制御が繰り返し実行される。本実施の形態にあっては、目標温度Ｔｒは、材料である液状シリコーンゴムの種類や実際の室温等に応じて０℃～８０℃の範囲で設定可能である。

このように、本実施形態では、液状シリコーンゴムが充填されたシリンジ１２は、シリンジ保持部１１１に収容され、シリンジ１２に充填されている液状シリコーンゴムは、シリンジ保持部１１１に装着された温度調節部１１２により、シリンジ１２を介して冷却される。

これにより、材料である２液混合型の液状シリコーンゴムの室温における硬化を防止し、液状シリコーンゴムの粘度を適切な範囲に維持し、ノズルから円滑に吐出させることが可能となる。

即ち、造形材料として２液混合型の液状シリコーンゴムを使用した場合には、シリンジに充填された状態で室温環境下において硬化が進行する場合があり、加圧した場合であってもノズルから円滑に吐出せず、吐出量が低下し、安定した造形ができなくなる、という問題があったが、本実施の形態に係る温調装置１０１によりシリンジ内の２液混合型シリコーンゴムを所定温度（１０℃以下、例えば、４℃）に冷却することにより、ノズルからの円滑な吐出を可能とし、安定した造形作業を可能とすることができる。

さらに、一般的に、３Ｄプリンタによる造形作業は、インジェクション成型やプレス成型の場合とは異なり、液状の造形材料を積層して硬化させることにより造形することから所定の時間を要するという欠点を有しているところ、本発明に係る温調装置を使用することにより、造形材料に応じた適切な温度調節を行うことにより、造形材料のいかんにかかわらずノズルからの吐出量を向上、増大させ、造形作業に要する作業時間を低減し、高速で造形作業を行うことが可能となる。

以上の説明では、材料に２液混合型の液状シリコーンゴムを採用したが、１液型の液状シリコーンゴムを採用することも可能である。特に、ＲＴＶシリコーンゴムの場合には、本実施の形態に係る温調装置１０１を利用して冷却することにより硬化を防止し、円滑にノズルから吐出させ、造形作業を行うことが可能となる。

本願発明の要旨の範囲内において適宜構成を変更することは可能であり、上記実施の形態には限定されない。例えば、シリンジの容積が５０ｍｌよりも大きくなる場合には、適宜、大型の温調装置を構成することができ、シリンジの大きさに適合させて形で温度調節を行うことができる。

１０…３Ｄプリンタ
１２…シリンジ
１３…ノズル
２０ ディスペンサ部
２２ シリンジ固定部
２３ 圧縮空気供給部
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
５０ 紫外線照射部
６０ プリンタ本体
６２ 支持部
６３ 支持部
７０ 筐体
１０１…温調装置
１１１…支持部
１１１ａ…シリンジ収納空隙部
１１２…温度調節部
１１２ａ…温調部本体
１１２ｂ…送風ファン
１１２１…サーモモジュール
１１２２…伝熱器
１１２３…羽根
２０１…コントローラ（制御部）
２１１…温度センサ（温度検出部）
Ｍ…液状シリコーンゴム

Claims (6)

1. シリンジに充填された液状シリコーンゴムをステージ上に吐出し、吐出された前記液状シリコーンゴムを硬化させることにより、積層造形を実施する３Ｄプリンタに装着され、前記シリンジに充填されている前記液状シリコーンゴムの温度を調節する３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置であって、
   前記シリンジを収容するシリンジ保持部と、
   前記シリンジ保持部に装着され、前記シリンジ保持部に収容されている前記シリンジを介して前記液状シリコーンゴムを１０℃以下マイナス１０℃以上に冷却する温度調節部とを備え、
   前記液状シリコーンゴムは、２液混合型の液状シリコーンゴムであり、混合後の前記液状シリコーンゴムが前記シリンジに充填されることを特徴とする３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置。
2. 前記液状シリコーンゴムは、紫外線硬化液状シリコーンゴムであり、
   前記３Ｄプリンタは、紫外線照射部を備え、
   前記ステージ上に吐出された前記紫外線硬化液状シリコーンゴムは、前記紫外線照射部からの紫外線により硬化することを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置。
3. 前記液状シリコーンゴムは、熱硬化液状シリコーンゴムであり、
   前記３Ｄプリンタは、加熱部を備え、
   前記ステージ上に吐出された前記熱硬化液状シリコーンゴムは、前記加熱部からの熱により硬化することを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置。
4. 前記液状シリコーンゴムは、ＲＴＶ液状シリコーンゴムであることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置。
5. 前記温度調節部は、
   前記シリンジに向かう空気の流れを形成する送風ファンと、
   前記送風ファンにより形成される前記空気の流れの途中に配置され、前記空気を冷却する温調部本体とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置。
6. 前記温調部本体は、
   ペルチェ素子を備え、前記ペルチェ素子に流れる電流に応じて発熱または吸熱するサーモモジュールと、
   前記サーモモジュールに付設され、前記サーモモジュールと前記空気との間における熱の移動を促進する伝熱器と、
   前記シリンジまたはこれに充填されている前記液状シリコーンゴムの実際の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された温度の、前記シリンジまたは前記液状シリコーンゴムの目標温度に対する乖離量に基づき、前記乖離量を減少させるように前記温度調節部に対する操作量を設定する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記乖離量に基づくＰＩＤ制御により、前記操作量を設定することを特徴とする、請求項５に記載の３Ｄプリンタ用シリンジの温調装置。