JP2019038157A - Three-dimensional molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元造形装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus.
特許文献1には、樹脂材料(フィラメント)と炭素繊維とをヘッドから射出する三次元造形装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a three-dimensional modeling apparatus that injects a resin material (filament) and carbon fiber from a head.
特許文献1に記載された装置では、樹脂材料をヘッドに供給する材料フィード装置と、炭素繊維をヘッドに供給する繊維導入装置とを制御することによって、ヘッドへの材料の供給を停止している。しかし、材料フィード装置および繊維導入装置と、ヘッドとの間が比較的離れているため、材料の射出を応答よく停止させることは困難である。 In the apparatus described in Patent Document 1, the supply of the material to the head is stopped by controlling the material feed apparatus that supplies the resin material to the head and the fiber introduction apparatus that supplies the carbon fiber to the head. . However, since the material feed device and the fiber introduction device are relatively far from the head, it is difficult to stop the injection of the material with good response.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の第一の形態によれば、熱可塑性の材料を用いて三次元造形物を製造する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、前記材料を可塑化して溶融材料に転化させる可塑化部と;前記可塑化部から前記溶融材料が供給される第1流路と;前記第1流路と連通可能な第2流路と、前記第2流路に連通した射出口とを有する回転体と;を備え、前記回転体が第1回転位置にある場合に、前記第1流路と前記第2流路とが連通した状態となって前記射出口から前記溶融材料が射出され、前記回転体が前記第1回転位置から予め定められた角度以上回転した第2回転位置にある場合に、前記第1流路と前記第2流路とが非連通の状態となって前記射出口からの前記溶融材料の射出が停止されることを特徴とする。この形態の三次元造形装置によれば、射出口を有する回転体を回転させることにより溶融材料の射出を停止させることができるので、材料の射出を応答よく停止させることができる。 (1) According to the first aspect of the present invention, a three-dimensional modeling apparatus for manufacturing a three-dimensional modeled object using a thermoplastic material is provided. The three-dimensional modeling apparatus includes: a plasticizing unit that plasticizes the material and converts the material into a molten material; a first channel that is supplied with the molten material from the plasticizing unit; and a communication with the first channel. A rotary body having a second flow path and an injection port communicating with the second flow path, and the first flow path and the second flow path when the rotary body is in the first rotation position. The molten material is injected from the injection port, and the rotating body is in a second rotational position rotated by a predetermined angle or more from the first rotational position. The path and the second flow path are not in communication with each other, and injection of the molten material from the injection port is stopped. According to the three-dimensional modeling apparatus of this embodiment, since the injection of the molten material can be stopped by rotating the rotating body having the injection port, the injection of the material can be stopped with good response.
(2)上記形態の三次元造形装置は、更に、前記回転体が前記第1回転位置にある場合における前記射出口の位置よりも、前記回転体が前記第1回転位置から前記第2回転位置に回転する際に前記射出口が移動する方向側に切断部を備え、前記射出口から射出される前記溶融材料は、前記回転体が前記第1回転位置から前記第2回転位置に回転することによって、前記切断部によって切断されてもよい。このような形態であれば、溶融材料の末端の形状を一定の形状に揃えることができるので、三次元造形物の造形精度を高めることができる。 (2) In the three-dimensional modeling apparatus of the above aspect, the rotating body is further moved from the first rotating position to the second rotating position than the position of the injection port when the rotating body is in the first rotating position. The molten material injected from the injection port has a rotating body that rotates from the first rotation position to the second rotation position. May be cut by the cutting portion. If it is such a form, since the shape of the terminal of molten material can be arrange | equalized to a fixed shape, the modeling precision of a three-dimensional structure can be improved.
(3)上記形態の三次元造形装置において、前記切断部は、前記溶融材料を切断するための刃またはワイヤーを有してもよい。このような形態であれば、簡易な構成により溶融材料を切断することができる。 (3) In the three-dimensional modeling apparatus of the above aspect, the cutting unit may include a blade or a wire for cutting the molten material. With such a form, the molten material can be cut with a simple configuration.
(4)上記形態の三次元造形装置において、前記可塑化部は、スクロール溝が形成されたスクロール溝形成面を有し、駆動モーターにより回転するフラットスクリューと、前記スクロール溝形成面に対面し、中心に前記第1流路に連通する連通孔が形成され、ヒーターを有するスクリュー対面部と、を有し、前記フラットスクリューの回転と前記ヒーターによる加熱により前記フラットスクリューと前記スクリュー対面部との間に供給された前記材料を可塑化して溶融材料に転化させてもよい。このような形態であれば、フラットスクリューによって材料を可塑化するため、装置全体の大きさを小さくすることができる。 (4) In the three-dimensional modeling apparatus of the above aspect, the plasticizing portion has a scroll groove forming surface on which a scroll groove is formed, and faces the flat screw that is rotated by a drive motor, and the scroll groove forming surface, A communication hole that communicates with the first flow path at the center, and a screw facing portion having a heater, and between the flat screw and the screw facing portion by rotation of the flat screw and heating by the heater The material supplied to the substrate may be plasticized and converted into a molten material. If it is such a form, in order to plasticize material with a flat screw, the magnitude | size of the whole apparatus can be made small.
本発明は、上述した三次元造形装置としての形態のほか、種々の形態で実現することも可能である。例えば、三次元造形装置による三次元造形方法や、三次元造形装置を制御するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムが記録された一時的でない有形な記録媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms in addition to the above-described three-dimensional modeling apparatus. For example, it can be realized in the form of a three-dimensional modeling method using a three-dimensional modeling apparatus, a computer program for controlling the three-dimensional modeling apparatus, a non-temporary tangible recording medium on which the computer program is recorded, and the like.
A.第1実施形態:
図1は、第1実施形態における三次元造形装置1の概念図である。この三次元造形装置1は、射出ユニット100と、移動機構200と、制御部300とを備える。図1には、互いに垂直な3つの方向X,Y,Zが示されている。X方向とY方向は水平方向であり、Z方向は鉛直方向である。他の図においても必要に応じてこれらの方向を図示している。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a conceptual diagram of a three-dimensional modeling apparatus 1 in the first embodiment. The three-dimensional modeling apparatus 1 includes an
射出ユニット100は、駆動モーター30と、可塑化部90と、射出部60とを有する。可塑化部90は、フラットスクリュー40とスクリュー対面部50とを有する。フラットスクリュー40は、スクリューケース10内に収納されており、駆動モーター30により回転する。フラットスクリュー40は、スクロール溝42(図2参照)が形成されたスクロール溝形成面48を有する。スクリュー対面部50は、スクロール溝形成面48に対面しており、中心に連通孔56が形成されている。スクリュー対面部50は、内部にヒーター58を有する。可塑化部90は、フラットスクリュー40の回転とヒーター58による加熱によりフラットスクリュー40とスクリュー対面部50との間に供給された材料を可塑化して溶融材料に転化させる。「可塑化」とは、材料に熱が加わり溶融することを意味する。溶融材料は、連通孔56から射出部60に供給される。射出部60は、その先端に設けられた射出口61から溶融材料を移動機構200に備えられた造形台220に向けて射出する。射出部60は、溶融材料の射出を停止するための回転体63を備える。この回転体63は、回転エアーシリンダーや電動モーター等のアクチュエーター70によって駆動される。回転体63の詳細については後述する。
The
可塑化部90には、連通路22を介して、ホッパー20から材料が供給される。ホッパー20には、熱可塑性の材料が投入される。材料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリエチレン樹脂(PE)、ポリアセタール樹脂(POM)、ポリ塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリアミド樹脂(PA)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS)、ポリ乳酸樹脂(PLA)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリカーボネート(PC)等を使用可能である。また、材料の形状としては、ペレットや粉末等の固体材料を使用可能である。また、熱可塑性の材料とは、熱可塑性の材料とその他の成分を含む組成物であってもよい。
The
移動機構200は、テーブル210上に載置された造形台220を、X方向とY方向とZ方向の3軸方向に移動させることが可能な3軸ポジショナーである。移動機構200は、射出部60と造形台220との相対的な位置関係を変更する機能を有する。移動機構200を用いて射出部60と造形台220との相対的な位置関係を変更することにより、任意の形状の三次元造形物を製造できる。本実施形態では、移動機構200は、造形台220を三次元的に移動させているが、移動機構200としては、射出部60(すなわち射出ユニット100)を三次元的に移動させる機構を採用してもよい。或いは、射出部60(すなわち射出ユニット100)と造形台220の一方を1軸又は2軸方向に移動させ、他方を残りの軸方向に移動させる移動機構を採用してもよい。
The
制御部300は、駆動モーター30と、ヒーター58と、アクチュエーター70と、移動機構200の制御を行う。制御部300は、例えば、CPUとメモリーとを含むコンピューターにより構成される。CPUは、メモリーに記憶されたコンピュータープログラムを実行することにより三次元造形装置1を制御する。コンピュータープログラムは、一時的でない有形な記録媒体に記録されていてもよい。
The
図2は、フラットスクリュー40の斜視図である。フラットスクリュー40は、軸線方向の高さが直径よりも小さい略円柱状のスクリューである。フラットスクリュー40は、スクリュー対面部50(図1)に対向する面に、複数のスクロール溝42を有する。スクロール溝42が形成されている面を、「スクロール溝形成面48」と呼ぶ。スクロール溝42は、スクロール溝形成面48の中央部46に向かって、フラットスクリュー40の外周から渦巻状又は螺旋状に形成されている。フラットスクリュー40の側面43には、フラットスクリュー40とスクリュー対面部50との間に材料を受け入れるための材料流入口44が複数形成されている。材料流入口44は、スクロール溝42に連続している。材料流入口44には、ホッパー20から連通路22を介して材料が供給される。
FIG. 2 is a perspective view of the
スクロール溝42は、径方向内側に位置する内側壁421と、径方向外側に位置する外側壁422と、底壁423とにより画定されている。内側壁421および外側壁422は、例えば、フラットスクリュー40の回転中心と同心の円を基準とするインボリュート曲線に基づいてそれぞれの形状が設定されている。スクロール溝42内に供給された材料は、フラットスクリュー40が回転することにより、外側壁422側から内側壁421側に向かって誘導される。また、フラットスクリュー40が回転すると、材料は、スクロール溝42とスクリュー対面部50との間において混練されるとともにヒーター58によって加熱されることにより可塑化され、溶融材料に転化される。
The
図3は、スクリュー対面部50の平面図である。スクリュー対面部50は、フラットスクリュー40のスクロール溝形成面48に対向するスクリュー対向面52を有する。スクリュー対向面52には、渦巻状又は螺旋状に形成された複数の案内溝54が形成されている。スクリュー対向面52の中心には、溶融材料を射出部60に供給するための連通孔56が形成されている。複数の案内溝54は、溶融材料を連通孔56に導く機能を有する。図1に示したように、スクリュー対面部50には、材料を加熱するためのヒーター58が埋め込まれている。
FIG. 3 is a plan view of the
図4は、三次元造形物OBと射出部60との位置関係を示す説明図である。造形台220の上には、製造中の三次元造形物OBが載置されている。射出部60に備えられた射出口61と、三次元造形物OBの上面OBtとの間には、ギャップGが保持されている。ここで、「三次元造形物OBの上面OBt」とは、射出口61の直下の位置の近傍において射出口61から射出された溶融材料が着地する予定部位を意味する。本実施形態では、ギャップGの大きさは、射出口61の孔径よりも大きい。そのため、射出口61から射出される溶融材料は、製造中の三次元造形物OBの上面OBtに押しつけられない自由な状態で三次元造形物OBの上面OBtに堆積される。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a positional relationship between the three-dimensional structure OB and the
図5は、射出部60を下面側から見た斜視図である。図6は、図5におけるVI−VI断面図である。図6に示すように、射出部60は、第1流路62と回転体63とを備えている。第1流路62は、連通孔56(図1)に連通している。そのため、第1流路62には、可塑化部90から溶融材料が供給される。
FIG. 5 is a perspective view of the
回転体63は、水平方向に沿った中心軸Oを有する略円柱状の形状を有している。回転体63は、射出部60内で、中心軸Oを中心に、予め定められた角度範囲内で回転可能に構成されている。回転体63の回転は、制御部300がアクチュエーター70を駆動することによって制御される。
The rotating
回転体63は、第1流路62と連通可能な第2流路64と、第2流路64に連通した射出口61とを有する。射出口61の孔径は、第2流路64の射出口61を除く部分の孔径よりも小さい。本実施形態では、回転体63の基準位置である第1回転位置(図6に示される位置)において、第2流路64は、鉛直方向に沿った直線状の流路として構成されている。この第1回転位置では、第2流路64の上端は第1流路62に接続され、第2流路64の下端に位置する射出口61は鉛直下方を向く。つまり、本実施形態では、回転体63が第1回転位置にある場合に、第1流路62と第2流路64とが連通した状態となって射出口61から溶融材料が射出される。なお、本実施形態では、第2流路64の内径(射出口61を除く部分の内径)は、第1流路62の内径に等しい。
The rotating
本実施形態では、回転体63は、平坦部65を備えている。平坦部65は、回転体63の外周の一部を、第2流路64が延びる方向に沿って平坦状に形成することにより構成されている。第1回転位置では、この平坦部65の下端部に、水平方向から平坦部65に向かって延びるピン66の先端部が接触する。この平坦部65とピン66との接触により、回転体63の回転角度が規制される。なお、ピン66の平坦部65側への突出量を調整することにより、回転体63の回転角度を調整することが可能である。これにより、射出口61からの溶融材料の吐出方向を微調整することが可能である。
In the present embodiment, the rotating
図7は、回転体63が回転した様子を示す図である。図7には、回転体63が、第1回転位置から予め定められた角度以上回転した第2回転位置にある状態を示している。この第2回転位置では、第1流路62と第2流路64とが非連通の状態となる。つまり、第2回転位置とは、第1回転位置から、第1流路62と第2流路64とが非連通の状態となる角度以上に回転した位置である。この第2回転位置では、第1流路62と第2流路64とが連通しない状態になるため、射出口61からの溶融材料の射出が停止される。つまり、制御部300は、アクチュエーター70を駆動して回転体63を第2回転位置に回転させることによって、溶融材料の射出を停止させることができる。なお、第1回転位置から第2回転位置までの回転角度は、第2流路64の長さや、第1流路62および第2流路64の孔径に応じて決定されるが、例えば、30度以下に設定することが可能である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a state where the rotating
図6および図7に示すように、本実施形態では、射出部60は、切断部67を備えている。切断部67は、回転体63が第1回転位置にある場合における射出口61の位置よりも、回転体63が第1回転位置から第2回転位置に回転する際に射出口61が移動する方向側に配置されている。切断部67は、溶融材料を切断するための刃68を備える。この刃68の刃先は、射出口61側を向いている。そのため、射出口61から射出される溶融材料は、回転体63が第1回転位置から第2回転位置に回転することによって、切断部67によって切断される。切断された溶融材料は、三次元造形物OBの上面OBtに堆積する。第2回転位置では、射出口61は、刃68の内面によって閉塞される。制御部300は、溶融材料の射出を再開する場合には、アクチュエーター70を駆動して、回転体63を、第2回転位置から第1回転位置に回転させる。こうすることにより、第1流路62と第2流路64とが再び連通状態となり、射出口61からの溶融材料の射出が再開される。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the present embodiment, the
以上で説明した本実施形態の三次元造形装置1によれば、射出口61を有する回転体63を回転させることにより溶融材料の射出を停止させることができるので、材料の射出を応答よく停止させることができる。また、回転体63を回転させることにより、射出の再開も行うことができるので、射出開始の応答性も高めることができる。従って本実施形態によれば、溶融材料の射出過多や射出遅れが抑制され、三次元造形物OBの造形精度および造形速度を高めることができる。
According to the three-dimensional modeling apparatus 1 of the present embodiment described above, since the injection of the molten material can be stopped by rotating the
また、本実施形態では、切断部67によって射出口61から射出された溶融材料を切断することができるので、溶融材料の末端の形状を一定の形状に揃えることができる。そのため、三次元造形物OBの造形精度をより高めることができる。さらに、溶融材料の射出が停止された際には、切断部67によって射出口61が閉塞されるので、第2流路64内に残存した溶融材料が射出口61から漏洩することを抑制できる。従って、三次元造形物OBの造形精度をより一層高めることができる。
In the present embodiment, since the molten material injected from the
また、本実施形態では、フラットスクリュー40を有する可塑化部90によって材料を可塑化するため、装置全体の大きさを小さくすることができる。
Moreover, in this embodiment, since a material is plasticized by the
B.他の実施形態:
上記実施形態では、三次元造形装置1は切断部67を備えている。これに対して、三次元造形装置1は、切断部67を備えていなくてもよい。切断部67を備えていなくても、回転体63を回転させれば、第1流路62と第2流路64とが非連通の状態になるため、溶融材料の吐出を応答よく停止させることができる。
B. Other embodiments:
In the above embodiment, the three-dimensional modeling apparatus 1 includes the cutting
上記実施形態では、切断部67は、溶融材料を切断するための刃68を備えている。これに対して、切断部67は、溶融材料を切断するためのワイヤーを備えていてもよい。刃68やワイヤーによって切断を行えば、簡易な構成によって溶融材料を切断することができる。
In the above embodiment, the cutting
上記実施形態では、可塑化部90は、フラットスクリュー40を備えており、このフラットスクリュー40を用いて材料の可塑化を行う。これに対して、可塑化部90は、フラットスクリュー以外の手段によって材料の可塑化を行ってもよい。例えば、可塑化部90(射出ユニット100)は、シリンダーと、シリンダー内に収容された長尺状のスクリューと、シリンダーの周囲に配置されたヒーターとを備えた一般的な射出装置として構成されていてもよい。
In the said embodiment, the
上記実施形態では、回転体63に平坦部65が設けられているが、平坦部65およびピン66は省略してもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、三次元造形装置1は、切断部67を冷却する冷却機構を備えてもよい。例えば、このような冷却機構として、切断部67に向けて気流を生じさせるファンや気体噴射装置を備えてもよい。切断部67を冷却すれば、溶融材料の切断面の形状を安定させることができる。
In the above embodiment, the three-dimensional modeling apparatus 1 may include a cooling mechanism that cools the cutting
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are intended to solve part or all of the above-described problems, or one of the above-described effects. In order to achieve part or all, replacement or combination can be appropriately performed. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
1…三次元造形装置、10…スクリューケース、20…ホッパー、22…連通路、30…駆動モーター、40…フラットスクリュー、42…スクロール溝、43…側面、44…材料流入口、46…中央部、48…スクロール溝形成面、50…スクリュー対面部、52…スクリュー対向面、54…案内溝、56…連通孔、58…ヒーター、60…射出部、61…射出口、62…第1流路、63…回転体、64…第2流路、65…平坦部、66…ピン、67…切断部、68…刃、70…アクチュエーター、90…可塑化部、100…射出ユニット、200…移動機構、210…テーブル、220…造形台、300…制御部、421…内側壁、422…外側壁、423…底壁、G…ギャップ、O…中心軸、OB…三次元造形物、OBt…上面。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Three-dimensional modeling apparatus, 10 ... Screw case, 20 ... Hopper, 22 ... Communication path, 30 ... Drive motor, 40 ... Flat screw, 42 ... Scroll groove, 43 ... Side surface, 44 ... Material inlet, 46 ...
Claims (4)
前記材料を可塑化して溶融材料に転化させる可塑化部と、
前記可塑化部から前記溶融材料が供給される第1流路と、
前記第1流路と連通可能な第2流路と、前記第2流路に連通した射出口とを有する回転体と、を備え、
前記回転体が第1回転位置にある場合に、前記第1流路と前記第2流路とが連通した状態となって前記射出口から前記溶融材料が射出され、
前記回転体が前記第1回転位置から予め定められた角度以上回転した第2回転位置にある場合に、前記第1流路と前記第2流路とが非連通の状態となって前記射出口からの前記溶融材料の射出が停止される、
三次元造形装置。 A three-dimensional modeling apparatus for manufacturing a three-dimensional structure using a thermoplastic material,
A plasticizing part that plasticizes the material and converts it into a molten material;
A first flow path to which the molten material is supplied from the plasticizing section;
A rotating body having a second flow path capable of communicating with the first flow path and an injection port communicating with the second flow path;
When the rotating body is in the first rotation position, the molten material is injected from the injection port in a state where the first flow path and the second flow path are in communication with each other,
When the rotating body is at a second rotation position rotated by a predetermined angle or more from the first rotation position, the first flow path and the second flow path are not in communication and the injection port The injection of the molten material from is stopped,
3D modeling equipment.
更に、前記回転体が前記第1回転位置にある場合における前記射出口の位置よりも、前記回転体が前記第1回転位置から前記第2回転位置に回転する際に前記射出口が移動する方向側に切断部を備え、
前記射出口から射出される前記溶融材料は、前記回転体が前記第1回転位置から前記第2回転位置に回転することによって、前記切断部によって切断される、三次元造形装置。 The three-dimensional modeling apparatus according to claim 1,
Furthermore, the direction in which the injection port moves when the rotary body rotates from the first rotation position to the second rotation position, rather than the position of the injection port when the rotary body is in the first rotation position. With a cutting part on the side,
The three-dimensional modeling apparatus, wherein the molten material injected from the injection port is cut by the cutting unit when the rotating body rotates from the first rotation position to the second rotation position.
前記切断部は、前記溶融材料を切断するための刃またはワイヤーを有する、三次元造形装置。 The three-dimensional modeling apparatus according to claim 2,
The three-dimensional modeling apparatus, wherein the cutting unit includes a blade or a wire for cutting the molten material.
前記可塑化部は、
スクロール溝が形成されたスクロール溝形成面を有し、駆動モーターにより回転するフラットスクリューと、
前記スクロール溝形成面に対面し、中心に前記第1流路に連通する連通孔が形成され、ヒーターを有するスクリュー対面部と、を有し、
前記フラットスクリューの回転と前記ヒーターによる加熱により前記フラットスクリューと前記スクリュー対面部との間に供給された前記材料を可塑化して前記溶融材料に転化させる、
三次元造形装置。 The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The plasticizing part is
A flat screw having a scroll groove forming surface formed with a scroll groove and rotated by a drive motor;
Facing the scroll groove forming surface, a communication hole communicating with the first flow path is formed at the center, and a screw facing portion having a heater,
Plasticizing the material supplied between the flat screw and the screw facing portion by rotation of the flat screw and heating by the heater to convert it into the molten material;
3D modeling equipment.
Priority Applications (7)
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