JP7474534B1 - ３ｄプリンタ用プリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ボイドを減少できる３Ｄプリンタ用プリントヘッドを提供する。【解決手段】プリントヘッド３は、中心に中空孔３１ａを有し、外周にらせん溝３１ｂを有するスクリュー３１と、スクリュー３１の下部周囲に設けられたヒートブロック３２と、ヒートブロック３２の上部のスクリュー３１の周囲に設けられたバレル３４及びヒートシンク３４ａと、バレル３４の上部のスクリュー３１の周囲に設けられたホッパ３５とによって構成される。スクリュー３１の先端のヒートブロック３２の外部に同心二軸ノズル４０が設けられる。スクリュー３１の中空孔３１ａ及び同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａには長繊維を通過させるためのガイドパイプ４１を設ける。ガイドパイプ４１はスクリュー３１の中空孔３１ａの内壁に密着するが、同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａの内壁には接触しない。ガイドパイプ４１は同心二軸ノズル４０からたとえば０．２ｍｍだけ突出している。【選択図】 図２

Description

本発明は３Ｄプリンタにおいてたとえば短繊維強化樹脂及び長繊維を射出するためのプリントヘッドに関する。

３Ｄプリンタ、射出成形等によって成形される熱可塑性樹脂構造体を繊維によって強化する方法として短繊維を利用するものと、長繊維（連続繊維）を利用するものがある（参照：特許文献１）。特に、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）は比剛性、比強度の点で金属に比較して優れている（参照：非特許文献１）。

短繊維を強化材として用いると、短繊維の利点を活かした微細な成形が可能となるが、短繊維強化熱可塑性樹脂構造体の力学特性はそれ程大きくない。特に、導電性を必要とする場合、アスペクト比が小さい短炭素繊維はカーボンナノチューブに比較して導電性が低いか低体積含有率では導電性がなく、短炭素繊維強化熱可塑性樹脂構造体の導電性を確保できない。また、カーボンブラックに比較してコストが高い。

他方、長繊維を強化材として用いると、力学特性は大きいが、複雑な形状の長繊維強化熱可塑性樹脂構造体の成形は困難であり、端部では長繊維が折返されてその部分の強度が低下する。その対処方法としては、繊維切断装置を設けて、長繊維強化熱可塑性樹脂構造体を所定長さで切断する。

図１３は従来の３Ｄプリンタ用プリントヘッドを示す断面図である（参照：特許文献２）。

図１３において、プリントヘッドは、中心に中空孔１０１ａを有し外周にらせん溝１０１ｂを有するスクリュー１０１と、スクリュー１０１を囲むスクリューカバー１０２と、スクリューカバー１０２の下部に設けられたヒータ１０３と、スクリューカバー１０２から突出したスクリュー１０１の下部先端を覆うように設けられたノズル１０４とによって構成されている。この場合、スクリュー１０１の先端とノズル１０４の先端とは一致している。スクリュー１０１は、ステッピングモータ１０５、小駆動輪１０６、伝動ベルト１０７及び大駆動輪１０８によって回転駆動される。また、１０９は繊維切断装置である。

図１３においては、長繊維フィラメントＬＣＦがスクリュー１０１の中空孔１０１ａに上方から送り込まれ、同時に熱可塑性樹脂フィラメント（ワイヤ）ＲＦがスクリュー１０１の上方からスクリュー１０１のらせん溝１０１ｂに送り込まれる。この結果、熱可塑性樹脂フィラメントＲＦはスクリュー１０１の下部においてヒータ１０３によって加熱され、ノズル１０４のノズル先端領域（スクリュー先端領域でもある）Ｎにおいて、熱可塑性樹脂フィラメントＲＦの熱可塑性樹脂が長繊維フィラメントＬＣＦの長繊維を包み込むようにして溶融接合する。このようにして、長繊維強化熱可塑性樹脂構造体ＳＯが成形され、所定長さで繊維切断装置１０９によって切断される。

特開２０２２－９８０４２号公報 ＣＮ１０４１４９３３９Ａ

T.Gerngross, D. Nieberl, "Automated manufacturing of large, three-dimensional CFRP parts from dry textiles", CEAS Aeronautical Journal, 7(2), 2016, 241-257. Y. Imaeda, A. Todoroki, R. Matsuzaki，M. Ueda, Y. Hirano, Composites Part C: Open Access, 6, (2021), #100195.

しかしながら、図１３の従来の３Ｄプリンタ用プリントヘッドにおいては、スクリュー１０１の先端とノズル１０４の先端とが一致しているので、長繊維フィラメントＬＣＦの長繊維と熱可塑性樹脂Ｒとは、ノズル先端領域Ｎで溶融接合されることになる。この場合、ノズル１０４のノズル先端領域Ｎは未だ高温状態であるので、図１４に示すごとく、長繊維強化熱可塑性樹脂構造体ＳＯがプリントヘッド１１０によって印刷されると、長繊維ＬＣはノズル１０４の高温のノズル先端領域Ｎにおいて柔らかになると同時に、ノズル１０４によって配向方向に引っ張られると共に既に固化したパスにおける長繊維ＬＣによって反配向方向に引っ張られる。従って、両方向に引っ張られた長繊維ＬＣはノズル１０４のノズル先端領域Ｎにおいて反配向方向に曲がってしまい、長繊維ＬＣは上側へ移動する。この結果、長繊維強化熱可塑性樹脂構造体ＳＯに隙間（ボイド）Ｖが発生するという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る３Ｄプリンタ用プリントヘッドは、中心にスクリュー中空孔及び外周にスクリューらせん溝を有するスクリューと、中心にヒートブロック中空孔を有し、スクリューを収容するヒートブロックと、中心にノズル中空孔を有し、ヒートブロックの先端部に設けられた同心二軸ノズルと、スクリュー中空孔、ヒートブロック中空孔及びノズル中心孔を通り同心二軸ノズルから所定量だけ突出したガイドパイプとを具備し、スクリューらせん溝は、ヒートブロック中空孔とガイドパイプとの間隙及び同心二軸ノズルとガイドパイプとの間隙に通じており、
所定量ｄ _ｈ は、
０＜ｄ _ｈ ＜（ｄ _ｏ －ｄ _ｉ ）／２
但し、ｄ _ｏ は同心二軸ノズルの内径、
ｄ _ｉ はガイドパイプの外径
である。

本発明によれば、ボイドを減少させることできる。

本発明に係る３Ｄプリンタ用プリントヘッドの第１の実施の形態を含む３Ｄプリンタを示す図である。 図１のプリントヘッドの詳細を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は一部切り欠いた断面図、（Ｂ’）は（Ｂ）の部分拡大断面図である。 図２のスクリューを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は一部切り欠いた断面図である。 図２のホッパを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は横断面図、（Ｄ）はホッパに投入される樹脂ペレットを示す。 図２のプリントヘッドの動作を説明するための図であって、（Ａ）はプリントヘッドの下部断面図、（Ａ’）は（Ａ）の部分拡大断面図、（Ｂ）は成形された長繊維強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓの断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の１つのプリントパスの拡大断面図である。 プリントヘッドの第１の比較例を説明するための図であって、（Ａ）はプリントヘッドの第１の比較例としての下部断面図、（Ａ’）は（Ａ）の部分拡大断面図、（Ｂ）は成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓの１つのプリントパスの拡大断面図である。 プリントヘッドの第２の比較例を説明するための図であって、（Ａ）はプリントヘッドの第２の比較例としての下部断面図、（Ａ’）は（Ａ）の部分拡大断面図、（Ｂ）は成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓの１つのプリントパスの拡大断面図である。 図５、図７のプリントヘッド上にプリントパスを印刷する様子を示し、（Ａ）はプリントヘッドの移動方向を説明する斜視図、（Ｂ）はプリントヘッドの同心二軸ノズル、ガイドパイプのサイズを説明する図である。 図８のプリントヘッドの動作を説明するための図である。 本発明に係る３Ｄプリンタ用プリントヘッドの第２の実施の形態を示し、（Ａ）はプリントヘッドの下部断面図、（Ｂ）はノズルキャップの斜視図、（Ｃ）は装着されたノズルキャップの斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）の一部切り欠いた断面図である。 図１の３Ｄプリンタ用プリントヘッドの繊維切断機能を説明するための図である。 本発明に係る３Ｄプリンタ用プリントヘッドの第３の実施の形態を示す図である。 従来の３Ｄプリンタ用プリントヘッドを示す断面図である。 図１３のプリントヘッドの課題を説明するための図である。

図１は本発明に係るプリントヘッドの第１の実施の形態を含む３Ｄプリンタを示す図である。

図１においては、プリントボディ１の下部に左右前後方向（ＸＹ方向）に移動可能なプリントベッド２を設け、プリントボディ１に対して左右前後上下方向（ＸＹＺ方向）に移動可能なプリントヘッド３を設け、プリントボディ１に対して左右前後方向（ＸＹ方向）に移動可能な長繊維フィラメントループ４を設ける。この場合、プリントヘッド３と長繊維フィラメントループ４とは連動する。長繊維フィラメントループ４には、糸状に成形された長繊維フィラメント４ａが巻かれている。長繊維フィラメント４ａとしては、炭素繊維、ガラス繊維等の長繊維に樹脂を複合化したもので、樹脂を含まない長繊維フィラメントよりも隣接パス間の接着性がよい。

図１に示す３Ｄプリンタは熱溶解積層方式３Ｄプリンタであり、型が不要であり、複雑な形状を作れるので、部品数の削減、試作の簡易化、人件費の削減に役立つ。また、図１に示す３Ｄプリンタは力学特性が優れた長繊維と材料選択制の幅の向上が期待できる樹脂ペレットの樹脂を同心状に射出可能な３Ｄプリンタである。

図２は図１のプリントヘッド３の詳細を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は一部切り欠いた断面図、（Ｂ’）は（Ｂ）の部分拡大断面図である。

図２の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、プリントヘッド３は、中心に中空孔３１ａを有し、外周にらせん溝３１ｂを有するスクリュー３１と、スクリュー３１の下部周囲に設けられたアルミ合金（Ａ５０５２）製のヒートブロック３２と、ヒートブロック３２に備え付けられるヒータ３３と、ヒートブロック３２の上部のスクリュー３１の周囲に設けられたＡ５０５２製のバレル３４及びヒートシンク３４ａと、バレル３４の上部のスクリュー３１の周囲に設けられたホッパ３５とによって構成される。Ｈはヒートブロック３２によるヒート領域、Ｆはバレル３４、ヒートシンク３４ａによるフィード領域である。

スクリュー３１の上部はステンレス製のケーシング３６にベアリング３７によって回転支持されている。スクリュー３１はウォームホイール３８ａに固定され、ウォームホイール３８ａはウォーム３８ｂを介してステッピングモータ３９によって回転駆動される。ウォームホイール３８ａ、ウォーム３８ｂの減速比が大きい減速機構によりトルク増大を図っている。

スクリュー３１の先端のヒートブロック３２の外部に真鍮製の同心二軸ノズル４０が設けられる。

スクリュー３１の中空孔３１ａ及び同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａには、長繊維フィラメント４ａに由来する長繊維を通過させるための金属製のガイドパイプ４１を設ける。ガイドパイプ４１はスクリュー３１の中空孔３１ａの内壁に密着するが、同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａの内壁には接触しない。しかも、ガイドパイプ４１は同心二軸ノズル４０から少しだけたとえば０．２ｍｍだけ突出している。従って、長繊維はスクリュー３１の中空孔３１ａ内及び同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａ内のガイドパイプ４１内をヒートブロック３２によって加熱されながら通過するのに対し、ホッパ３５の樹脂ペレットに由来する短繊維強化可塑性樹脂（ＳＣＦＲＰ）はスクリュー３１のらせん溝３１ｂ及び同心二軸ノズル４０内の中空孔４０ａの内壁及びガイドパイプ４１に形成される通路４０ｂをヒートブロック３２によって加熱されながら通過する。この結果、樹脂ペレットに由来する短繊維強化可塑性樹脂（ＳＣＦＲＰ）は長繊維をノズル先端領域Ｎより温度が少しだけ低下したガイドパイプ４１のガイドパイプ先端領域Ｇにおいて包み込むようにして溶融接合する。このように、スクリュー３１によって長繊維及び短繊維強化樹脂の供給が可能となると共に、同心二軸ノズル４０によって長繊維及び短繊維強化樹脂の同心状の供給が可能となり、さらに、ガイドパイプ４１の先端突出によってボイドＶの低減が可能となる。

図３は図２のスクリュー３１を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は一部切り欠いた断面図である。

図３に示すように、金属製のスクリュー３１の中空孔３１ａは金属製のガイドパイプ４１を通すために１～２ｍｍの直径を有する。スクリュー３１のらせん溝３１ｂは、ホッパ３５に投入された樹脂ペレットＰをヒート領域Ｈまで供給するために、溝深さ４～５ｍｍ、スクリューピッチ１５～１７ｍｍを有し、圧縮比をつけない単純スクリューをなしている。

図４は図２のホッパ３５を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は横断面図、（Ｄ）はホッパ３５に投入される樹脂ペレットＰを示す。

図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、ホッパ３５は、図４の（Ｄ）に示す樹脂ペレットＰを十分投入できるために、前方側をなだらかに後方側を鋭角にしている。尚、樹脂ペレットＰはＰＡＮ系短炭素繊維、ピッチ系短炭素繊維のいずれを用いてもよい。フィラメントを用いない樹脂ペレットＰはフィラメント形状成形が不要となり、従って、材料選択の幅が大きくなり、材料費用を低減できる。たとえば、樹脂ペレットＰとして母材のＰＡ６に約１５％の短炭素繊維が複合されている３ＤＸＴｅｃｈ社製の短繊維強化樹脂ペレットCarbon Fiber Nylon6 Pelletsを用いる。尚、樹脂ペレットＰの温度が２３０℃未満では、樹脂ペレットＰに由来する樹脂の吐出量が著しく減少し、他方、樹脂ペレットＰの温度が２４５℃を超えると、溶融樹脂量が増加して樹脂の吐出量の制御が困難となる。

図５は図２のプリントヘッドの動作を説明するための図であって、（Ａ）はプリントヘッド３の下部断面図、（Ａ’）は（Ａ）の部分拡大断面図、（Ｂ）は成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓの断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の１つのプリントパスの拡大断面図である。

図５の（Ａ）、（Ａ’）に示すように、ガイドパイプ４１はスクリュー３１の中空孔３１ａ及び内径２．５ｍｍの同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａを通過し、同心二軸ノズル４０の先端より所定量たとえば０．２ｍｍ程度突出している。この所定量は後述するように、正の値でその最大値は後述の溝ＧＶが埋め戻される値で決定される。従って、ノズル先端領域Ｎではなくガイドパイプ先端領域Ｇにおいて、長繊維フィラメント４ａの長繊維ＬＣに樹脂ペレットＰの短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣが含侵する。この場合、ガイドパイプ先端領域Ｇの温度はノズル先端領域Ｎの温度たとえば２３５℃より低いので、図５の（Ｂ）に示すごとく、長繊維ＬＣを短繊維強化樹脂ＳＣＦＲＰで包み込んだ状態で射出される。従って、図５の（Ｃ）に示すごとく、プリント成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓにおける長繊維フィラメント４ａの長繊維ＬＣの曲がりは小さくなり、長繊維ＬＣは中間位置に位置する。この結果、長繊維ＬＣと短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰとの間及び短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰ内部にボイドＶはほとんど発生しない。

図６は図２のプリントヘッドの第１の比較例を説明するための図であって、（Ａ）はプリントヘッドの第１の比較例としての下部断面図、（Ａ’）は（Ａ）の部分拡大断面図、（Ｂ）は成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓの１つのプリントパスの拡大断面図である。

図６の（Ａ）、（Ａ’）においては、ガイドパイプ４１の先端位置が同心二軸ノズル４０の先端位置より１ｍｍ程度内側に位置する。従って、ガイドパイプ先端領域Ｇは同心二軸ノズル４０内に位置する。この結果、やはり、ノズル先端領域Ｎではなくガイドパイプ先端領域Ｇにおいて、長繊維フィラメント４ａの長繊維ＬＣに樹脂ペレットＰの短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣが含侵する。

図６の（Ａ）、（Ａ’）の場合、ガイドパイプ先端領域Ｇの温度はノズル先端領域Ｎの温度たとえば２３５℃より高いので、図６の（Ｂ）に示すごとく、長繊維ＬＣの下側のみを短繊維強化樹脂ＳＣＦＲＰで包み込んだ状態で射出される。従って、プリント成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓにおける長繊維フィラメント４ａの長繊維ＬＣの曲がりは大きくなり、長繊維ＬＣは上方位置に位置する。この結果、長繊維ＬＣと短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰとの間及び短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰ内部に大きなボイドＶは発生する。

図７は図２のプリントヘッドの第２の比較例を説明するための図であって、（Ａ）はプリントヘッドの第２の比較例としての下部断面図、（Ａ’）は（Ａ）の部分拡大断面図、（Ｂ）は成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓの１つのプリントパスの拡大断面図である。

図７の（Ａ）においては、ガイドパイプ４１の先端位置が同心二軸ノズル４０の先端位置より０．５ｍｍ程度外側に位置する。従って、ガイドパイプ先端領域Ｇは同心二軸ノズル４０の先端よりさらに遠方に位置する。つまり、積層ピッチ０．６ｍｍの半分以上になるようにした。この結果、やはり、ノズル先端領域Ｎではなくガイドパイプ先端領域Ｇにおいて、長繊維フィラメント４ａの長繊維ＬＣに樹脂ペレットＰの短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣが含侵する。

図７の（Ａ）、（Ａ’）の場合、ガイドパイプ先端領域Ｇの温度はノズル先端領域Ｎの温度たとえば２３５℃よりさらに低いので、図７の（Ｂ）に示すごとく、長繊維ＬＣの上側のみを短繊維強化樹脂ＳＣＦＲＰで包み込んだ状態で射出される。従って、プリント成形された短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体（プリントパス）Ｓにおける長繊維フィラメント４ａの長繊維ＬＣの曲がりはさらに小さくなり、長繊維ＬＣは下方位置に位置する。この結果、短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰ内部にボイドＶ又及び溝ＧＶが発生する。

図７の（Ｂ）におけるプリントパスの溝ＧＶについて詳細に説明する。

図８は図５、図７のプリントベッド２上にプリントパスＳを印刷する様子を示し、（Ａ）はプリントヘッド３の移動方向を説明する斜視図、（Ｂ）はプリントヘッド３のサイズを説明する図である。

図８の（Ａ）に示すごとく、プリントヘッド３が移動方向Ｍに移動すると、プリントパスＳには溝ＧＶが形成され、この場合、溝ＧＶの寸法は図８の（Ｂ）に示すガイドパイプ４１の幅ｄ_ｉとなる。

図８の（Ａ）の上から見た図を模式的に図９の（Ａ）に示す。図９の（Ａ）の二重円は同心二軸ノズル４０を表している。図８の（Ａ）のプリントベッド２の上から見て（図８の（Ａ）のＺ軸の上から見る）、同心二軸ノズル４０はＡ_１－Ａ_２直線状を右に動くとする。同心二軸ノズル４０の内径をｄ_ｏ、ガイドパイプ４１の外径をｄ_ｉとする。図９の（Ａ）において、実線二重丸が時刻ｔ_０における同心二軸ノズル４０のノズル位置である（中心位置ａ_０）。

同心二軸ノズル４０が距離Ｌ＝（ｄ_ｏ＋ｄ_ｉ）／２だけ左に進んだ時刻ｔ_１（ｔ_１＞ｔ_０）のノズル位置を破線二重丸で示す（中心位置ａ_３）。簡単のためにＡ_１－Ａ_２の線上だけを考える。時刻ｔ_０の時（中心位置ａ_０）にガイドパイプ４１の右端の位置ａ_１の右側で射出された溶融樹脂は、ガイドパイプ４１が右に移動することで同心二軸ノズル４０の先端からのガイドパイプ４１の突出量ｄ_ｈの深さの溝ＧＶができる。このとき、図８の（Ｂ）に示すごとく、溝ＧＶの幅はガイドパイプ４１の直径ｄ_ｉとなる。このように、同心二軸ノズル４０の先端からｄ_ｈだけ突出したガイドパイプ４１によって、ａ_１からａ_２の間の図９の（Ａ）の実線の同心二軸ノズル４０から射出される短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰは深さｄ_ｈだけ削られる。

ガイドパイプ４１から射出される長繊維ＬＣは、このｄ_ｈよりも低い位置で周囲の短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰと融合する（図８の（Ｂ）参照）。従って、ガイドパイプ４１による溝ＧＶの深さは長繊維ＬＣに無関係にｄ_ｈとなる。この溝ＧＶは、樹脂流動を考えない場合には、ガイドパイプ４１が右に移動する際の同心二軸ノズル４０からの短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰの射出（図９の（Ａ）のＡ_１－Ａ_２線上でのａ_１－ａ_２間の短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰの射出）によって埋め戻される。粒子法を用いたＩｍａｅｄａらの短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰの３Ｄプリントの解析（参照：非特許文献２）では、ガイドパイプ４１のノズル淵と接触していない部分の射出された短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰはすぐに凝固している。ガイドパイプ４１によってできた溝ＧＶは、同心二軸ノズル４０が移動すると、同心二軸ノズル４０から溶融した短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰが供給されない限り、再溶融はなく、溶融による樹脂移動は微小であると考えられる。

簡単のために同心二軸ノズル４０から射出される単位面積，単位時間当たりの射出体積を均一としてＷ（ｍｍ／ｓ）、ノズル移動速度をＶ（ｍｍ／ｓ）とする（一般的にＷ＝Ｖ）。図９の（Ａ）に示すように、Ａ_１－Ａ_２線上では、ガイドパイプ４１の右端がａ_１の位置に達したときから、パイプ移動による溝ＧＶが作成され、ガイドパイプ４１の左端がａ_２の位置に達した時に、ａ_１の位置での同心二軸ノズル４０による溝埋め戻しが終了する。ノズル移動距離はＬ＝（ｄ_ｏ＋ｄ_ｉ）／２であるので、ノズルの中心位置がａ_０からａ_３までの時間ΔｔはΔｔ＝Ｌ／Ｖで与えられる。ただし、同心二軸ノズル４０の左端部がａ_１の位置を通り過ぎるまでの時間は、ガイドパイプ４１による溝ＧＶの形成に使用されるので、この移動時間は溝埋め戻しには使用されない。これを図９の（Ｂ）に示す。図９の（Ｂ）の破線で示す位置まではａ_１の位置にガイドパイプ４１が通過しているために溝埋め戻しには使われない。この時のノズル中心は、ガイドパイプ４１の半径の２倍（パイプ直径）だけ中心がａ_０から右にずれた位置にある。従って、ノズルの移動距離Ｌから、ガイドパイプ４１の直径だけの移動する時間を引く必要があり、実際の埋め戻し時間であるΔｔ_ＴはΔｔ_Ｔ ＝（Ｌ－ｄ_ｉ）／Ｖ＝（ｄ_ｏ－ｄ_ｉ）／（２Ｖ）となる。

上述のΔｔ_Ｔの時間で単位面積当たりに射出される短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰの体積はΔｔ_ＴＷである。従って、ガイドパイプ４１によってできた溝ＧＶの部分に射出される単位面積当たりの短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰの高さはΔｔ_ＴＷとなる。これが、ガイドパイプ４１によってできた溝ＧＶの深さよりも大きければ溝ＧＶは埋められる。ガイドパイプ４１によってできた溝ＧＶの深さは、図９の（Ｂ）から、ｄ_ｈである。従って、パイプの設置条件として次式が得られる。
Δｔ_ＴＷ＞ｄ_ｈ （１）
実験では、射出速度Ｗ＝Ｖ＝１００（ｍｍ／ｍｉｎ）（１．６７（ｍｍ／ｓ）） であるので、式（１）は次式（２）となる。
（ｄ_ｏ－ｄ_ｉ）／２＞ｄ_ｈ （２）
同心二軸ノズル４０の内径は２．５（ｍｍ）であり、ガイドパイプ４１の外径は１．２（ｍｍ）である。これらを式（２）に代入すると、以下の条件が得られる。
０．６５（ｍｍ） ＞ ｄ_ｈ （３）
図５では、ｄ_ｈ＝０．２（ｍｍ）であり、式（３）を十分に満足している。図７では、ｄ_ｈ＝０．５（ｍｍ）であり、式（３）を満足しているが、溝ＧＶが埋められていない。
ｄ_ｈが深いと、短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰが押しのけられる抗力によってガイドパイプ４１に曲げ弾性変形が生じたためと考えられる。図９の（Ｃ）にこれを模式的に示す。短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰを押しのける抗力によって、ガイドパイプ４１がノズル進行方向（右）とは逆に左に曲げ変形する。この曲げ変形をｄ_ｂとする。このｄ_ｂの分だけ埋め戻し開始時刻が遅れ、ノズル移動速度は変わらないために埋め戻し終了時刻はかわらないから、埋め戻しに使用可能な時間が少なくなる。

図７の（Ｃ）の断面を見ると、溝ＧＶのすぐ下に長繊維ＬＣが観察され、全く埋め戻しされていないことがわかる。これは、図９の（Ｃ）においてガイドパイプ４１が同心二軸ノズル４０の左端に接触しているためと推察される。

図１０は本発明に係る３Ｄプリンタ用プリントヘッドの第２の実施の形態を示し、（Ａ）はプリントヘッドの下部断面図、（Ｂ）はノズルキャップの斜視図、（Ｃ）は装着されたノズルキャップの斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）の一部切り欠いた断面図である。

図１０の（Ａ）においては、図５の（Ａ）の構成要素に対してノズルキャップ４２を付加する。ノズルキャップ４２は、図１０の（Ｂ）に示すように、同心二軸ノズル４０を挿入するための孔４１ａを有する。従って、図１０の（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、ノズルキャップ４２は、同心二軸ノズル４０を覆うように装着されることにより、同心二軸ノズル４０の断面積を実質的に大きくし、同心二軸ノズル４０から射出される短繊維強化樹脂ＳＣＦＲＰの冷却を防止する。従って、短繊維強化樹脂ＳＣＦＲＰの流動性を保持することができ、射出後の短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体Ｓ内に発生するボイドを低減できると共に、短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体Ｓ間の接着性も改善できる。尚、ノズルキャップ４２の温度をプリントヘッド温度と同一とするために、ノズルキャップ４２の材質はヒートブロック３２の材質たとえばアルミ合金（Ａ５０５２）と同一とする。

尚、上述の第１、第２の実施の形態においては、長繊維を含む短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体Ｓ、特に、長繊維ＬＣを切断する必要がある場合、繊維切断機能をガイドパイプ４１に設ければよい。これについて、図１１を用いて説明する。

たとえば、図１１の（Ａ）に示すごとく、図２のガイドパイプ４１の代りに、溝付きガイドパイプ４１ａを設ける。長繊維ＬＣの切断時には、溝付きガイドパイプ４１ａを手動にて回転させて長繊維ＬＣを溝付きガイドパイプ４１ａの溝４１ａ－１に固定する。ついで、同心二軸ノズル４０又はプリントベッド２を高速に動かすことによって長繊維ＬＣを衝撃力で切断する。他方、図１１の（Ｂ）に示すごとく、ガイドパイプ４１の下端エッジを利用する。プリントベッド２の移動用モータ又はガイドパイプ４１の移動用モータを高速移動可能にしておく、つまり、大型にしておく。あるいは、プリントベッド２を上下２段とし、上段だけを高速移動させるモータを設ける。又は、ガイドパイプ４１は片持ち梁支持なので、小さな荷重で変位可能である。従って、ガイドパイプ押し出しユニット４１ｂで長繊維ＬＣを固定し、モータでプリントベッド２（あるいはその上段のみ）又はガイドパイプ４１を移動させたり、ガイドパイプ４１の上部を薄い板状のハンマでたたくことにより、ガイドパイプ４１を移動させたりし、これにより、長繊維ＬＣを切断する。このようにして、短繊維／長繊維競合強化熱可塑性樹脂構造体Ｓのガイドパイプ４１の近傍温度が切断に適する温度となることを利用する。

また、上述の実施の形態においては、スクリュー３１の中空孔３１ａには、１本のガイドパイプ４１又は溝付きガイドパイプ４１ａしか設けられていないが、スクリュー３１の中空孔３１ａには複数のガイドパイプ４１又は溝付きガイドパイプ４１ａを設けることもできる。この場合には、さらに、ガイドパイプ４１又は溝付きガイドパイプ４１ａの突出量０．２ｍｍを若干それぞれ相異ならせて長繊維ＬＣをプリントパス内で分散させることもできる。

さらに、上述の実施の形態においては、ガイドパイプ４１はスクリュー３１の中空孔３１ａ、ヒートブロック中空孔３２ａ及び同心二軸ノズル４０の中空孔４０ａを通ずるように設けたが、ガイドパイプ４１の代りに、ヒートブロック３２の下方にスクリュー３１の中空孔３１ａに通ずる長繊維用の第１のノズルを設けると共に、同心二軸ノズル４０の代りに、ヒートブロック３２の下方にスクリューらせん溝３１ｂに通ずる熱可塑性樹脂又は短繊維強化熱可塑性樹脂ＳＣＦＲＰ用の第２のノズルを設け、第１のノズルを第２のノズルより所定量突出させてもよい。この場合の所定量ｄ _ｈ は、
０＜ｄ _ｈ ＜（ｄ _ｏ －ｄ _ｉ ）／２
但し、ｄ _ｏ は第２のノズルの内径、
ｄ _ｉ は第１のノズルの外径
である。

さらに、上述の第１、第２の実施の形態においては、スクリュー３１を設けているが、スクリュー３１を設けなくともよい。これを図１２を用いて説明する。

図１２は本発明に係る３Ｄプリンタ用プリントヘッドの第３の実施の形態を示す図である。

図１２に示すように、図２、図１０のスクリュー３１の代りに、連続繊維ＬＣ又は連続繊維フィラメントを通すための中空孔３１ａを有する中空管５１及び樹脂又は短繊維樹脂フィラメントＳＣＦＲＰを通すための中空孔５２－１ａ、５２－２ａ を有する中空管５２－１、５２－２を設ける。尚、中空管５２－１、５２－２の数は１つ又は３つ以上でもよい。ヒートブロック３２は中空管５１、５２－１、５２－２に接続されたヒートブロック中空孔３２ａを有する。同心二軸ノズル４０はヒートブロック中空孔３２ａに通じたノズル中空孔４０ａを有する。ガイドパイプ４１は中空孔５１ａ、ヒートブロック中空孔３２ａ、ノズル中空孔４０ａを通り、同心二軸ノズル４０から所定量たとえば０．２ｍｍ突出している。中空管５２－１、５２－２はヒートブロック中空孔３２ａとガイドパイプ４１との間隙及び同心二軸ノズル４０とガイドパイプ４１との間隙に通じている。この場合も、所定量ｄ _ｈ は、
０＜ｄ _ｈ ＜（ｄ _ｏ －ｄ _ｉ ）／２
但し、ｄ _ｏ は同心二軸ノズル４０の内径、
ｄ _ｉ はガイドパイプ４１の外径
である。

さらに、上述の実施の形態においては、炭素繊維を用いたが、他の繊維たとえばガラス繊維、ケプラー（登録商標）繊維、ＳｉＣ繊維、アルミナ繊維等になし得る。

さらにまた、熱可塑性樹脂としては、ナイロン（登録商標）以外に、他の樹脂たとえばポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）、ＰＬＡ、ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＥＩ、ＰＥＥＫになし得る。また、光硬化型樹脂ではノズル部分に四方から紫外線を当てる必要がある。

さらにまた、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

１：プリントボディ
２：プリントベッド
３：プリントヘッド
４：長繊維フィラメントループ
４ａ：長繊維フィラメント
３１：スクリュー
３１ａ：中空孔
３１ｂ：らせん溝
３２：ヒートブロック（ヒート領域）
３３：ヒータ
３４：バレル（フィード領域）
３４：ヒートシンク
３５：ホッパ
３６：ケーシング
３７：ベアリング
３８ａ：ウォームホイール
３８ｂ：ウォームギア
３９：ステッピングモータ
ＳＣＦＲＰ：短繊維強化可塑性樹脂
４０：同心二軸ノズル
４０ａ：中空孔
４０ｂ：通路
４１：ガイドパイプ
４１ａ：溝付きガイドパイプ
４２：ノズルキャップ
４２ａ：孔
５１、５２－１、５２－２：中空管
Ｎ：ノズル先端領域
Ｇ：ガイドパイプ先端領域
ＳＣ：短繊維
ＳＣＦＲＰ：短繊維強化可塑性樹脂
ＧＶ：溝
１０１：スクリュー
１０１ａ：中空孔
１０１ｂ：らせん溝
１０２：スクリューカバー
１０３：ヒータ
１０４：ノズル
１０５：ステッピングモータ
１０６：小駆動輪
１０７：伝導ベルト
１０８：大駆動輪
１０９：繊維切断装置
ＬＣＦ：長繊維フィラメント
ＬＣ：長繊維
ＲＦ：熱可塑性樹脂フィラメント
ＳＯ：長繊維強化熱可塑性樹脂構造体
Ｎ：ノズル先端領域（スクリュー先端領域）

Claims (12)

1. 中心にスクリュー中空孔及び外周にスクリューらせん溝を有するスクリューと、
   中心にヒートブロック中空孔を有し、前記スクリューを収容するヒートブロックと、
   中心にノズル中空孔を有し、前記ヒートブロックの先端部に設けられた同心二軸ノズルと、
   前記スクリュー中空孔、前記ヒートブロック中空孔及び前記ノズル中心孔を通り前記同心二軸ノズルから所定量だけ突出したガイドパイプと
   を具備し、
   前記スクリューらせん溝は、前記ヒートブロック中空孔と前記ガイドパイプとの間隙及び前記同心二軸ノズルと前記ガイドパイプとの間隙に通じており、
   前記所定量ｄ _ｈ は、
   ０＜ｄ _ｈ ＜（ｄ _ｏ －ｄ _ｉ ）／２
   但し、ｄ _ｏ は前記同心二軸ノズルの内径、
   ｄ _ｉ は前記ガイドパイプの外径
   である３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
2. さらに、前記同心二軸ノズルの周辺を覆うように設けられたノズルキャップを具備する請求項１に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
3. 前記ヒートブロック及び前記ノズルキャップは同一熱伝導性金属よりなる請求項２に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
4. 前記ガイドパイプを上方から下方へ長繊維フィラメントを通すようにし、
   前記スクリューらせん溝、前記ヒートブロック中空孔と前記ガイドパイプとの間隙及び前記同心二軸ノズルと前記ガイドパイプとの間隙を上方から下方へ熱可塑性樹脂を通すようにした請求項１に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
5. 前記熱可塑性樹脂は短繊維強化熱可塑性樹脂である請求項４に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
6. さらに、前記ヒートブロックの上方に前記スクリューらせん溝を囲むように設けられ、前記熱可塑性樹脂として樹脂ペレットを収容するためのホッパを具備する請求項４に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
7. さらに、前記ガイドパイプの先端に前記長繊維フィラメントの切断用溝を設けた請求項４に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
8. さらに、前記ガイドパイプの先端エッジは前記長繊維フィラメントの切断用の繊維切断機能を有する請求項４に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
9. 前記ガイドパイプを複数個設けた請求項１に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
10. 前記各ガイドパイプの前記同心二軸ノズルから突出した前記所定量を相異ならせた請求項９に記載の３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
11. 中心にスクリュー中空孔及び外周にスクリューらせん溝を有するスクリューと、
    中心にヒートブロック中空孔を有し、前記スクリューを収容するヒートブロックと、
    前記ヒートブロックの下方に前記スクリュー中空孔に通ずる長繊維用の第１のノズルと、
    前記ヒートブロックの下方に前記スクリューらせん溝に通ずる熱可塑性樹脂又は短繊維強化熱可塑性樹脂用の第２のノズルと
    を具備し、前記第１のノズルは前記第２のノズルより所定量だけ突出し、
    前記所定量ｄ _ｈ は、
    ０＜ｄ _ｈ ＜（ｄ _ｏ －ｄ _ｉ ）／２
    但し、ｄ _ｏ は前記第２のノズルの内径、
    ｄ _ｉ は前記第１のノズルの外径
    である３Ｄプリンタ用プリントヘッド。
12. 中心に中空孔を有し、連続繊維又は連続繊維フィラメントを通すための第１の中空管と、
    外周側に樹脂又は短繊維樹脂フィラメントを通すための少なくとも１つの第２の中空管と、
    前記第１の中空管に接続された第１のヒートブロック中空孔及び前記第２の中空管に接続された第２のヒートブロック中空孔を有するヒートブロックと、
    前記第１、第２のヒートブロック中空孔に通じたノズル中空孔を有し、前記ヒートブロックの先端部に設けられた同心二軸ノズルと、
    前記第１の中空孔、前記ヒートブロック中空孔及び前記ノズル中心孔を通り前記同心二軸ノズルから所定量だけ突出したガイドパイプと
    を具備し、
    前記第２の中空管は、前記ヒートブロック中空孔と前記ガイドパイプとの間隙及び前記同心二軸ノズルと前記ガイドパイプとの間隙に通じており、
    前記所定量ｄ _ｈ は、
    ０＜ｄ _ｈ ＜（ｄ _ｏ －ｄ _ｉ ）／２
    但し、ｄ _ｏ は前記同心二軸ノズルの内径、
    ｄ _ｉ は前記ガイドパイプの外径
    である３Ｄプリンタ用プリントヘッド。

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