JP6566042B2 - 三次元造形装置、造形材料排出部材及び造形材料の移送方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置、造形材料排出部材及び造形材料の移送方法に関するものである。

従来、造形ヘッド（造形材料排出部材）のノズル（排出部）から処理空間内に排出される造形材料によって、所望の三次元形状をもった立体物（三次元造形物）を造形する三次元造形装置が知られている。

例えば、特許文献１には、ヒータによって加熱された製作チャンバー内（処理空間）で、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置が開示されている。この三次元造形装置は、製作チャンバー内に位置する押出しヘッド（造形材料排出部材）の出口ノズル（排出部）において熱可塑性材料（造形材料）を加熱しながら押し出す。そして、熱可塑性材料を押し出しながら押出しヘッドを水平面に沿って二次元方向へ移動することで、プラットホーム上に層状の造形構造物を順次積層し、最終的に三次元造形物を造形する。また、この三次元造形装置では、押出しヘッドの出口ノズルを冷却するために、製作チャンバー内の空気フローを出口ノズルの領域へ案内する空気偏向機が設けられている。

一般に、造形材料排出部材内で造形材料を排出部まで移送する移送路中の造形材料を加熱部によって加熱する三次元造形装置においては、造形材料の移送性等の観点から、加熱部による造形材料の加熱範囲が造形材料の移送方向上流側へ拡がらないようにすることが望まれる。

上述した課題を解決するために、本発明は、造形材料を導入する導入部と、造形材料を排出する排出部と、該導入部から導入された造形材料を該排出部まで移送するための移送路と、該移送路内の造形材料を加熱する加熱部とを備えた造形材料排出部材を用いて、該排出部から処理空間内に排出される造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記造形材料排出部材は、前記導入部と前記加熱部との間の移送路部分に隣接して設けられる冷却部を有し、前記冷却部の内部には冷媒通路が形成されており、前記冷媒通路内に冷媒を流す冷媒流し手段を有し、前記冷媒通路は、前記冷却部における造形材料の移送方向に沿う側面と前記移送路部分との間に少なくとも一部が設けられ、前記移送方向と交差する平面上を蛇行することを特徴とする。

本発明によれば、造形材料排出部材の加熱部による造形材料の加熱範囲が造形材料の移送方向上流側へ拡がるのを抑制できるという優れた効果が奏される。

図１は、実施形態における三次元造形装置の構成を模式的に示す説明図である。 図２は、同三次元造形装置の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。 図３は、同三次元造形装置の前方部分を切断して除外した状態の斜視図である。 図４は、同三次元造形装置の制御ブロック図である。 図５は、同三次元造形装置における造形ヘッドの先端部分を模式的に示す斜視図である。 図６は、同造形ヘッドにおける１つの射出ノズルに対応する造形ヘッドの部分断面図である。 図７は、同造形ヘッドにおける冷却部の内部構成を水平方向からみた説明図である。 図８は、同冷却部の内部構成を鉛直方向上方からみた説明図である。 図９は、同冷却部の冷却機構を示す模式図である。 図１０は、同冷却部の冷媒入口と送りチューブとの接続部の構成を示す模式図である。 図１１は、変形例１における冷却部の内部構成を水平方向からみた説明図である。 図１２は、変形例１における冷却部の内部構成を鉛直方向上方からみた説明図である。 図１３は、変形例２における冷却部の内部構成を水平方向からみた説明図である。 図１４は、変形例２における冷却部の内部構成を鉛直方向上方からみた説明図である。 図１５は、変形例３における１つの射出ノズルに対応する造形ヘッドの部分断面図である。 図１６は、変形例３における冷却部を下方（射出ノズル側）から見たときの斜視図である。 図１７は、変形例３における同冷却部を上方（射出ノズルとは反対側）から見たときの斜視図である。 図１８は、変形例３における同冷却部を、冷媒通路を通るように水平に切断したときの水平断面図である。 図１９は、変形例３における同冷却部を、貫通孔を通るように垂直に切断したときの垂直断面図である。 図２０は、変形例３における同冷却部を２つ積み重ねた例を示す造形ヘッドの断面図である。

以下、本発明を、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置に適用した一実施形態について説明する。
なお、本発明は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）に限定されるものではなく、載置台の載置面に対向する位置に配置される造形手段により載置面上に三次元造形物を造形するものであれば、他の造形方法で三次元造形物を造形する三次元造形装置にも適用可能である。

図１は、本実施形態における三次元造形装置１の構成を模式的に示す説明図である。
図２は、本実施形態における三次元造形装置１の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。
図３は、本実施形態における三次元造形装置１の前方部分を切断して除外した状態の斜視図である。

三次元造形装置１は、本体フレーム２の内部にチャンバー３を備えている。チャンバー３の内部は、三次元造形物を造形するための処理空間となっており、その処理空間内すなわちチャンバー３の内部には、載置台としてのステージ４が設けられている。このステージ４上に三次元造形物が造形される。

チャンバー３の内部におけるステージ４の上方には、造形材料排出部材としての造形ヘッド１０が設けられている。造形ヘッド１０は、その下方（先端）に造形材料であるフィラメントを射出する射出ノズル１１を有する。本実施形態では、造形ヘッド１０上に４つの射出ノズル１１が設けられ、４つの造形ヘッド１０がユニット化されたものであるが、射出ノズル１１の数は任意である。また、造形ヘッド１０には、各射出ノズル１１に供給されるフィラメントを加熱するヘッド加熱部１２が設けられている。

フィラメントは、細長いワイヤー形状の固体であり、巻き回された状態で三次元造形装置１にセットされており、フィラメント供給部６により造形ヘッド１０上の各射出ノズル１１へそれぞれ供給される。なお、フィラメントは、射出ノズル１１ごとに異なるものであってもよいし、同じものであってもよい。本実施形態においては、フィラメント供給部６により供給されるフィラメントをヘッド加熱部１２で加熱溶融し、溶融状態のフィラメントを所定の射出ノズル１１から押し出すようにして射出することにより、ステージ４上に層状の造形構造物を順次積層して、三次元造形物を造形する。

なお、造形ヘッド１０上の射出ノズル１１から射出する造形材料には、三次元造形物を構成するフィラメントではなく、三次元造形物を構成しないサポート材も含まれる。このサポート材は、通常、三次元造形物を構成するフィラメントとは異なる材料で形成され、最終的にはフィラメントで形成された三次元造形物から除去される。このサポート材も、ヘッド加熱部１２で加熱溶融され、溶融状態のサポート材が所定の射出ノズル１１から押し出されるように射出されて、層状に順次積層される。

造形ヘッド１０は、装置左右方向（図２及び図３中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動機構２１に対し、連結部材２１ａを介して、そのＸ軸駆動機構２１の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。造形ヘッド１０は、Ｘ軸駆動機構２１の駆動力により、装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。造形ヘッド１０は、ヘッド加熱部１２によって加熱されて高温になるため、その熱がＸ軸駆動機構２１に伝わりにくいように、連結部材２１ａを低伝熱性のものとするのが好ましい。

Ｘ軸駆動機構２１の両端は、それぞれ、装置前後方向（図２及び図３中の前後方向＝Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動機構２２に対し、そのＹ軸駆動機構２２の長手方向（Ｙ軸方向）に沿ってスライド移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動機構２１がＹ軸駆動機構２２の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、造形ヘッド１０はＹ軸方向に沿って移動することができる。

一方、ステージ４は、本体フレーム２に固定され、装置上下方向（図２及び図３中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動機構２３に対し、そのＺ軸駆動機構２３の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。ステージ４は、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動することができる。

また、本実施形態においては、チャンバー３の内部（処理空間）に、チャンバー３内を加熱する処理空間加熱手段としてのチャンバー用ヒータ７が設けられている。本実施形態においては、熱溶解積層法（ＦＤＭ）で三次元造形物を造形するため、チャンバー３内の温度を目標温度に維持した状態で、造形処理を行うことが望ましい。そのため、本実施形態では、造形処理を開始する前に、予めチャンバー３内の温度を目標温度（例えば２００℃程度）まで昇温させる予熱処理を行う。チャンバー用ヒータ７は、この予熱処理中には、チャンバー３内を目標温度まで昇温させるためにチャンバー３内を加熱するとともに、造形処理中には、チャンバー３内の温度を目標温度に維持するためにチャンバー３内を加熱する。チャンバー用ヒータ７の動作は、制御部１００によって制御される。

また、チャンバー３は、断熱材料によって構成されており、あるいは、断熱材が設けられた部材によって構成されており、チャンバー３内の熱が外部へ逃げることが抑制された構成となっている。

ここで、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２の移動対象物は造形ヘッド１０であり、その造形ヘッド１０の一部（射出ノズル１１及びヘッド加熱部１２を含む造形ヘッド１０の先端部分）がチャンバー３内に配置されている。本実施形態では、造形ヘッド１０をＸ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー３の上面は、図２及び図３に示すように、Ｙ軸方向に長尺な複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがＸ軸方向へ並べて配設された構成となっており、隣接するＸ軸スライド断熱部材３Ａ間は互いにＸ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｘ軸駆動機構２１により造形ヘッド１０をＸ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがそれぞれＸ軸方向へスライド移動し、チャンバー３の上面が常にＸ軸スライド断熱部材３Ａによって覆われる。

また、造形ヘッド１０が貫通するチャンバー３の上面部分においては、図２及び図３に示すように、複数のＹ軸スライド断熱部材３ＢがＹ軸方向へ並べて配設された構成となっている。隣接するＹ軸スライド断熱部材３Ｂ間は互いにＹ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｙ軸駆動機構２２によりＸ軸駆動機構２１上の造形ヘッド１０をＹ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＹ軸スライド断熱部材３ＢがそれぞれＹ軸方向へスライド移動し、チャンバー３の上面が常にＹ軸スライド断熱部材３Ｂによって覆われる。

また、Ｚ軸駆動機構２３の移動対象物はステージ４であり、その移動対象物がチャンバー３内に配置されている。本実施形態では、ステージ４をＺ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー３の外側壁面には、図２及び図３に示すように、Ｚ軸駆動機構２３とステージ４との連結部を貫通させるスライド孔３ＣがＺ軸方向に延びるように形成されている。このスライド孔３Ｃは、断熱材料からなる可撓性のシール部材３Ｄによってシールされている。Ｚ軸駆動機構２３によりステージ４をＺ軸方向へ移動させる際、Ｚ軸駆動機構２３とステージ４との連結部は、可撓性のシール部材３Ｄを弾性変形させながらスライド孔３Ｃに沿ってＺ軸方向へ移動する。よって、チャンバー３の側面に形成されたスライド孔３Ｃは、常にシール部材３Ｄによって覆われる。

そのほか、本実施形態においては、チャンバー３の外部であって三次元造形装置１の内部の空間を冷却させるための装置内冷却装置８、造形ヘッド１０の射出ノズル１１を清掃するためのノズル清掃部９、造形ヘッド１０を冷却するためのヘッド冷却装置３０などが設けられている。

図４は、本実施形態の三次元造形装置１」の制御ブロック図である。
本実施形態においては、造形ヘッド１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸ポジション検知機構２４が設けられている。Ｘ軸ポジション検知機構２４の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動機構２１を制御して、造形ヘッド１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

また、本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構２１のＹ軸方向位置（造形ヘッド１０のＹ軸方向位置）を検知するＹ軸ポジション検知機構２５が設けられている。Ｙ軸ポジション検知機構２５の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動機構２２を制御することにより、Ｘ軸駆動機構２１上の造形ヘッド１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

また、本実施形態においては、ステージ４のＺ軸方向位置を検知するＺ軸ポジション検知機構２６が設けられている。Ｚ軸ポジション検知機構２６の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動機構２３を制御して、ステージ４を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

制御部１００は、このようにして造形ヘッド１０及びステージ４の移動制御を行うことにより、チャンバー３内における造形ヘッド１０とステージ４との相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に位置させることができる。

次に、造形ヘッド１０の構成及び動作について詳しく説明する。
図５は、本実施形態における造形ヘッド１０の先端部分を模式的に示す斜視図である。図６は、１つの射出ノズル１１に対応する造形ヘッド１０の部分断面図である。
本実施形態の造形ヘッド１０は、図５に示すように、４つの射出ノズル１１が２×２で配置されている（なお、図１では、説明の便宜上、４つの射出ノズル１１が横並びで図示されている。）。４つの射出ノズル１１は、それぞれ個別のヘッド加熱部１２に覆われ（囲まれ）ており、制御部１００は各ヘッド加熱部１２を個別に制御することができる。これにより、射出ノズル１１ごとにフィラメント４０あるいはサポート材をヘッド加熱部１２で個別に加熱することができる。以下の説明では、フィラメント４０に限定して説明する。

ヘッド加熱部１２は、図５に示すように、断熱材料からなる断熱部１４に取り付けられており、各ヘッド加熱部１２の間に断熱部１４の断熱材料が介在している。これにより、加熱処理中のヘッド加熱部１２の熱が他のヘッド加熱部１２に伝搬して、他の射出ノズル１１のフィラメント４０が加熱されるのを抑制している。

また、ヘッド加熱部１２に対して射出ノズル１１の反対側、すなわち、ヘッド加熱部１２に対してフィラメント４０の移送方向上流側には、冷却部１３が設けられている。冷却部１３は、図５に示すように、アルミニウムなどの伝熱性の高い吸熱材料からなる単一のブロック形状であり、４つのヘッド加熱部１２で共通のものである。ただし、４つのヘッド加熱部１２ごとに個別の冷却部１３を設ける構成としてもよい。

冷却部１３には、ヘッド加熱部１２の反対側の端部、すなわち、フィラメント４０の移送方向上流側の端部に、フィラメント４０を導入するための導入部１３ｂが射出ノズル１１ごとに設けられている。ヘッド加熱部１２及び冷却部１３には、導入部１３ｂから導入されたフィラメント４０を射出ノズル１１まで移送するための移送路となる貫通孔１２ａ，１３ａがそれぞれ形成されている。ヘッド加熱部１２は、貫通孔１２ａ内のフィラメント４０を加熱して溶融状態にし、溶融状態のフィラメント４０’が射出ノズル１１へ移送される。

このとき、ヘッド加熱部１２からの熱は、貫通孔１２ａ内のフィラメント４０だけでなく、そのフィラメント４０の移送方向上流側にも伝搬する。ただし、ヘッド加熱部１２内の貫通孔１２ａから移送方向上流側に離れた箇所のフィラメント４０が加熱されて溶融すると、ヘッド加熱部１２による加熱処理を停止又は中断したときに、その箇所でフィラメントが固化する。これにより、その後にヘッド加熱部１２による加熱処理を再開しても、その箇所のフィラメントが再溶融するまでに時間がかかる。この場合、フィラメント供給部６により送り込まれるフィラメント４０を造形ヘッド１０内で移送することができずに詰まってしまう。したがって、ヘッド加熱部１２によるフィラメント４０の加熱範囲がフィラメント移送方向上流側へ可能な限り拡がらないようにして、ヘッド加熱部１２による加熱処理の再開後に固着したフィラメントを迅速に再溶融できるようにすることが重要である。

そのため、本実施形態では、ヘッド加熱部１２のフィラメント移送方向上流側に、冷却部１３が設けられている。冷却部１３を構成する吸熱材料は、フィラメント４０が通る貫通孔１３ａに隣接しており、冷却部１３は、その貫通孔１３ａ内のフィラメント４０の熱を吸収して冷却する。これにより、ヘッド加熱部１２による造形材料の加熱範囲が造形材料移送方向上流側へ拡がるのを抑制している。

ただし、ヘッド加熱部１２によるフィラメント４０の加熱範囲をフィラメント移送方向上流側へ拡がるのを有効に制限するためには、冷却部１３において高い冷却効果が求められる。冷却部１３での冷却方法としては、その冷却部１３に対して外部から空気を当てて冷却する空冷方式が考えられるが、これでは十分な冷却効果が得られない。なぜなら、空冷方式では、冷却部１３の外表面の温度を下げられても、フィラメント４０が通る貫通孔１３ａに隣接する冷却部１３の内部の温度を下げることが難しく、貫通孔１３ａ内のフィラメント４０を十分に冷却することが困難だからである。

しかも、本実施形態では、チャンバー３内が加熱されて高温状態になっており、造形ヘッド１０のヘッド加熱部１２はその全体がチャンバー３内に配置することが求められる。そのため、ヘッド加熱部１２のフィラメント移送方向上流側に隣接して設けられる冷却部１３も、その一部又は全部が高温状態のチャンバー３内に配置される。このような構成においては、空冷方式を採用してチャンバー３内における高温の空気を冷却部１３に当てるようにしても、十分な冷却効果が得られない。

また、冷却部１３の一部（フィラメント移送方向上流側の冷却部１３の部分）をチャンバー３の外部に位置するようにし、そのチャンバー３の外部に位置した冷却部１３の部分を空冷方式により冷却することも考えられる。しかしながら、この場合でも、その冷却箇所は、ヘッド加熱部１２の近傍に位置する冷却部１３の部分（フィラメント移送方向下流側の冷却部１３の部分）から離れている。そのため、ヘッド加熱部１２によるフィラメント４０の加熱範囲をフィラメント移送方向上流側へ拡がらないように冷却することは困難である。

図７は、本実施形態における冷却部１３の内部構成を水平方向からみた説明図である。図８は、本実施形態における冷却部１３の内部構成を鉛直方向上方からみた説明図である。
図９は、本実施形態における冷却部１３の冷却機構を示す模式図である。

本実施形態において、冷却部１３の内部には、図７及び図８に示すように、冷媒通路１５が形成されている。冷媒通路１５の冷媒入口１５ａには、冷媒流し手段としてのヘッド冷却装置３０から送り出される冷媒としての冷却水を搬送するための送りチューブ３１が接続されており、冷媒通路１５の冷媒出口１５ｂには、ヘッド冷却装置３０へ戻す冷却水を搬送するための戻しチューブ３２が接続されている。ヘッド冷却装置３０から送り出された冷却水は、送りチューブ３１を通って冷媒入口１５ａから冷却部１３の内部の冷媒通路１５へ流れ込み、冷媒通路１５を通って冷媒出口１５ｂから戻しチューブ３２を通ってヘッド冷却装置３０へ戻される。ヘッド冷却装置３０は、冷媒循環手段として機能し、戻しチューブ３２からの冷却水を冷却した後、再び送りチューブ３１から送り出す冷媒循環式であるが、冷媒を循環させない方式であってもよい。

本実施形態では、冷却部１３に設けられる貫通孔１３ａの近傍を通るように、冷却部１３の内部に冷媒通路１５が形成されている。具体的には、本実施形態では、図８に示すように、貫通孔１３ａの周囲を少なくとも１周するように冷媒通路１５が形成されている。これにより、貫通孔１３ａの周囲から貫通孔１３ａ内のフィラメント４０の熱を冷却水へ除熱できるので、より高い冷却効率を得ることができる。また、本実施形態では、図９に示すように、冷却部１３のフィラメント移送方向の大部分にわたって冷媒通路１５が形成されているので、冷却部１３の全体の熱を冷却水へ除熱でき、より高い冷却効率を得ることができる。

また、本実施形態においては、各射出ノズル１１に対応するそれぞれの貫通孔１３ａに隣接して配置される各冷媒通路１５における冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂが共通化されている。共通化の方法としては、各射出ノズル１１に対応する貫通孔１３ａに隣接した各冷媒通路１５を、冷媒入口１５ａから分岐して形成するとともに、冷媒出口１５ｂに向けて合流させる方法が挙げられるが、本実施形態では、各射出ノズル１１に対応するそれぞれの貫通孔１３ａに隣接して配置される各冷媒通路１５を単一の冷媒通路で形成している。

また、本実施形態では、造形ヘッド１０がＸ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２によって移動する構成であるため、造形ヘッド１０の冷却部１３内とヘッド冷却装置３０との間の送りチューブ３１や戻しチューブ３２は、造形ヘッド１０の移動を阻害しないように、樹脂等の可撓性のある材料で形成するのが好ましい。このような可撓性材料からなる送りチューブ３１や戻しチューブ３２は、一般に高い耐熱性を得ることが困難である。そのため、本実施形態のような高温環境となるチャンバー３の内部に送りチューブ３１や戻しチューブ３２を配置する構成を採用することはできるだけ避けたい。

そこで、本実施形態における冷却部１３は、図９に示すように、冷媒通路１５の冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂがチャンバー３の外側に位置するように構成されている。より詳しくは、冷却部１３の上部（フィラメント移送方向上流側の冷却部１３の部分）をチャンバー３の外部に位置するようにし、その冷却部１３の上部に冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂが位置するように構成されている。これにより、その冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂに接続される送りチューブ３１や戻しチューブ３２は、チャンバー３内の高温環境に耐えられるほどの高い耐熱性を必要とせず、一般的な可撓性材料で形成することができる。

図１０は、冷媒入口１５ａと送りチューブ３１との接続部の構成を示す模式図である。本実施形態では、図１０に示すように、冷却部１３の冷媒入口１５ａに継ぎ手３３を嵌め込んで固定し、その継ぎ手３３のネジ孔に対して送りチューブ３１の先端３１ａに取り付けられているネジ部を取り付ける構成となっているが、これに限られない。

本実施形態では、冷媒通路１５に流す冷媒として、水を用いているが、その他の液体、気体などを適宜選択して使用することができる。

〔変形例１〕
次に、本実施形態における一変形例（本変形例を「変形例１」という。）について説明する。
図１１は、本変形例１における冷却部１３の内部構成を水平方向からみた説明図である。
図１２は、本変形例１における冷却部１３の内部構成を鉛直方向上方からみた説明図である。

上述した実施形態の冷却部１３に形成される冷媒通路１５は、各射出ノズル１１に対応する各貫通孔１３ａの周囲を、各貫通孔１３ａの長手方向（フィラメント移送方向）に沿って螺旋状に取り巻くように形成されていた。これに対し、本変形例１では、各貫通孔１３ａの周囲を、各貫通孔１３ａの周方向に向けて蛇行して取り巻くように形成されている。具体的には、本変形例１における各貫通孔１３ａに対応した各冷媒通路１５は、入口から貫通孔１３ａに沿って下方へ延び、下折り返し部１５ｃで上方へ折り返されて上方へ延び、上折り返し部１５ｄで下方へ折り返されて下方へ延びるという蛇行を各貫通孔１３ａの周方向へ向かって繰り返し、最終的に、上方へ延びる冷媒通路１５の上端の出口へと続いている。

本変形例１では、各貫通孔１３ａに対応した４つの冷媒通路１５のうちの２つの冷媒通路１５は、一方の出口１５ｂ’と他方の入口１５ａ’とが連絡路３４によって接続され、これらの２つの冷媒通路１５間では、送りチューブ３１に接続される冷媒入口１５ａと、戻しチューブ３２に接続される冷媒出口１５ｂとが共通化されている。すなわち、本変形例１における冷却部１３には、２つの送りチューブ３１と、２つの戻しチューブ３２とが接続され、冷却水を循環させる２つの循環経路が形成されている。

本変形例１によれば、冷却部１３の内部に形成される冷媒通路１５が、上述した実施形態における螺旋状のものよりも形成しやすく、比較的容易な加工処理によって冷却部１３の内部に冷媒通路１５を形成することができる。

〔変形例２〕
次に、本実施形態における他の変形例（本変形例を「変形例２」という。）について説明する。
図１３は、本変形例２における冷却部１３の内部構成を水平方向からみた説明図である。
図１４は、本変形例２における冷却部１３の内部構成を鉛直方向上方からみた説明図である。

本変形例２も、上述した変形例１と同様、各貫通孔１３ａの周囲を、各貫通孔１３ａの周方向に向けて蛇行して取り巻くように形成されている。ただし、各貫通孔１３ａに対応した４つの冷媒通路１５には、それぞれ個別の送りチューブ３１及び戻しチューブ３２が接続されている。本変形例２においても、上述した変形例１と同様、冷却部１３の内部に形成される冷媒通路１５が、上述した実施形態における螺旋状のものよりも形成しやすく、比較的容易な加工処理によって冷却部１３の内部に冷媒通路１５を形成することができる。

〔変形例３〕
次に、本実施形態における更に他の変形例（本変形例を「変形例３」という。）について説明する。
図１５は、本変形例３における１つの射出ノズル１１に対応する造形ヘッド１０の部分断面図である。
図１６は、本変形例３における冷却部１３を下方（射出ノズル１１側）から見たときの斜視図である。
図１７は、本変形例３における冷却部１３を上方（射出ノズル１１とは反対側）から見たときの斜視図である。
図１８は、本変形例３における冷却部１３を、冷媒通路１５Ａ〜１５Ｇを通るように水平に切断したときの水平断面図である。
図１９は、本変形例３における冷却部１３を、貫通孔１３−１ａ，１３−３ａを通るように垂直に切断したときの垂直断面図である。

本変形例３における冷却部１３は、その製造を容易化するために構成を簡素化したものである。詳しくは、本変形例３における冷却部１３に形成される冷媒通路１５Ａ〜１５Ｇは、各射出ノズル１１に対応する各貫通孔１３−１ａ，１３−２ａ，１３−３ａ，１３−４ａの近傍を通るように、図１８に示すように、同一平面（水平面）上を蛇行するように形成されている。具体的には、本変形例３の冷媒通路１５Ａ〜１５Ｇは、冷却部１３の側面に設けられる冷媒入口１５ａから貫通孔１３−１ａの側方を通って水平方向（図１８中下方）へ延び、貫通孔１３−２ａの周囲を通るように１８０度折り返されて再び貫通孔１３−１ａの側方を通って水平方向（図１８中上方）へ延びた後、貫通孔１３−３ａ側へ９０度折れて延び、その後９０度折れて貫通孔１３−３ａの側方を通って水平方向（図１８中下方）へ延び、貫通孔１３−４ａの周囲を通るように１８０度折り返されて再び貫通孔１３−３ａの側方を通って水平方向（図１８中上方）へ延びて冷媒出口１５ｂへと続いている。

本変形例３のような構成をもつ冷却部１３であれば、冷却部１３の側面からドリル等を用いて穿孔するなどして各冷媒通路１５Ａ〜１５Ｇを形成した後、冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂとなる開口を除いた不要な開口をシール付きネジ等によって蓋をするという更に容易な加工工程により、冷媒通路を形成することができる。

また、本変形例３の冷却部１３は、上述したとおり、冷媒通路１５Ａ〜１５Ｇが同一平面（水平面）上を蛇行するように形成されているため、上述した実施形態や変形例１や変形例２の構成よりも高さを低くすることができる。これにより、冷却部１３の容積を小さくして軽量化を図ることができ、造形ヘッド１０全体の軽量化を実現できる。

なお、本変形例３の冷却部１３は、上述した実施形態や変形例１や変形例２の構成と比べて、各貫通孔１３−１ａ，１３−２ａ，１３−３ａ，１３−４ａが冷媒通路１５Ａ〜１５Ｇと近接する総面積が少ないため、冷却能力は低いものとなる。しかしながら、本変形例３の冷却部１３であれば、図２０に示すように、これを高さ方向に複数積み重ねることにより冷却能力を増大することが可能である。すなわち、本変形例３の冷却部１３であれば、必要な冷却能力に応じて、冷却部１３の積み重ね数を増やしたり減らしたりすることができる。その結果、必要な冷却能力が低い場合には、冷却部１３の積み重ね数を減らして造形ヘッド１０の軽量化を図る一方、必要な冷却能力が高い場合には、冷却部１３の積み重ね数を増やして十分な冷却能力を確保することができる。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
フィラメント４０やサポート材などの造形材料を導入する導入部１３ｂと、造形材料を排出する射出ノズル１１等の排出部と、該導入部１３ｂから導入された造形材料を該排出部まで移送するための貫通孔１２ａ，１３ａ等の移送路と、該移送路内の造形材料を加熱するヘッド加熱部１２等の加熱部とを備えた造形ヘッド１０等の造形材料排出部材を用いて、該排出部からチャンバー３内等の処理空間内に排出される造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置１において、該造形材料排出部材は、導入部１３ｂとヘッド加熱部１２との間の移送路部分（貫通孔１３ａ）に隣接して設けられる冷却部１３を有し、冷却部１３の内部には冷媒通路１５が形成されており、冷媒通路１５内に冷却水等の冷媒を流すヘッド冷却装置３０等の冷媒流し手段を有することを特徴とする。
本態様における造形材料排出部材は、導入部１３ｂとヘッド加熱部１２との間の移送路部分に隣接して冷却部１３が設けられている。そのため、ヘッド加熱部１２による造形材料の加熱範囲が造形材料移送方向上流側へ拡がるのを抑制することができる。ただし、移送路部分内の造形材料から熱を吸収した冷却部１３を冷却する方法が、その冷却部１３に対して外部から空気を当てて冷却するいわゆる空冷方式では、冷却効率が不十分になりやすい。これは、空冷方式では、冷却部１３の外表面の温度を下げられても、造形材料が通る移送路部分に隣接している部分の温度を下げることが難しく、冷却対象である造形材料を十分に冷却することが困難だからである。
本態様においては、冷却部１３の内部に冷媒通路１５を設け、冷媒流し手段によってその冷媒通路１５に冷媒を流すことにより冷却する冷媒方式を採用する。これによれば、移送路部分と隣接している部分の近傍を通るように冷媒通路１５を設けることが可能であり、当該移送路部分と隣接している部分の温度を下げて、その移送路部分を通る造形材料を十分に冷却することが可能となる。したがって、導入部１３ｂとヘッド加熱部１２との間の移送路部分内の造形材料を有効に冷却することが可能なので、ヘッド加熱部１２による造形材料の加熱範囲が造形材料の移送方向上流側へ拡がるのを抑制することができる。

（態様Ｂ）
態様Ａにおいて、冷却部１３は、熱伝導性部材で構成されていることを特徴とする。
これによれば、移送路部分内の造形材料の熱を冷却部１３の熱伝導性部材により冷媒通路１５内の冷媒へ効率よく伝達させることが可能となる。

（態様Ｃ）
態様Ａ又はＢにおいて、導入部１３ｂ、排出部及び移送路がそれぞれ設けられ、かつ、冷却部１３が共通化された複数の造形材料排出部材を有することを特徴とする。
本態様によれば、複数の造形材料排出部材を有する構成において、各造形材料排出部材に対して個別の冷却部１３を設ける場合よりも、構成を簡素化できる。

（態様Ｄ）
態様Ａ〜Ｃのいずれかの態様において、導入部１３ｂ、排出部及び移送路がそれぞれ設けられた複数の造形材料排出部材を有し、各造形材料排出部材の移送路部分にそれぞれ隣接して設けられる冷却部１３内部の各冷媒通路１５における冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂは、共通化されていることを特徴とする。
本態様によれば、複数の造形材料排出部材を有する構成において、各造形材料排出部材に対して冷媒通路１５の冷媒入口１５ａ及び冷媒出口１５ｂが個別化されている場合よりも、構成を簡素化できる。

（態様Ｅ）
態様Ａ〜Ｄのいずれかの態様において、冷媒は冷却水等の液体であることを特徴とする。
これによれば、液体冷媒を使った冷媒方式を採用することができる。

（態様Ｆ）
態様Ａ〜Ｅのいずれかの態様において、冷媒流し手段として、冷媒通路１５内を通過するように冷媒を循環させる冷媒循環手段を用いたことを特徴とする。
これによれば、冷媒が排出されない構成を実現できる。

（態様Ｇ）
態様Ａ〜Ｆのいずれかの態様において、処理空間内を加熱するチャンバー用ヒータ７等の処理空間加熱手段を有し、冷却部１３は、冷媒通路１５へ冷媒を流入させる冷媒入口１５ａ及び該冷媒通路１５から冷媒を流出させる冷媒出口１５ｂが処理空間の外側に位置するように構成されていることを特徴とする。
これによれば、冷媒入口１５ａや冷媒出口１５ｂに接続される送りチューブ３１や戻しチューブ３２等の冷媒搬送部材を、高温状態になる処理空間内に配置しない構成を実現できる。その結果、冷媒搬送部材には高い耐熱性が要求されないため、低耐熱性の材料で冷媒搬送部材を形成できる。

（態様Ｈ）
態様Ｇにおいて、造形材料排出部材を移動させるＸ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２等の移動手段を有することを特徴とする。
本態様のように造形材料排出部材が移動する構成においては、造形材料排出部材の移動を妨げないように、その造形材料排出部材の冷却部１３内の冷媒通路１５に接続される冷媒搬送部材を、可撓性のある材料で形成することが好ましい。本態様では、上述したように低耐熱性の材料で冷媒搬送部材を形成できるため、可撓性のある材料で冷媒搬送部材を形成しやすい。

（態様Ｉ）
フィラメント４０やサポート材などの造形材料を導入する導入部１３ｂと、造形材料を排出する射出ノズル１１等の排出部と、該導入部１３ｂから導入された造形材料を該排出部まで移送するための貫通孔１２ａ，１３ａ等の移送路と、該移送路内の造形材料を加熱するヘッド加熱部１２とを備えた造形ヘッド１０等の造形材料排出部材において、導入部１３ｂと前記ヘッド加熱部１２との間の移送路部分（貫通孔１３ａ）に隣接して設けられる冷却部１３を有し、冷却部１３の内部には冷媒通路１５が形成されていることを特徴とする。
本態様によれば、ヘッド加熱部１２による造形材料の加熱範囲が造形材料の移送方向上流側へ拡がるのを抑制することができる。

１ 三次元造形装置
２ 本体フレーム
３ チャンバー
４ ステージ
６ フィラメント供給部
７ チャンバー用ヒータ
１０ 造形ヘッド
１１ 射出ノズル
１２ ヘッド加熱部
１３ 冷却部
１２ａ，１３ａ 貫通孔
１３ｂ 導入部
１４ 断熱部
１５ 冷媒通路
１５ａ 冷媒入口
１５ｂ 冷媒出口
１５ｃ 下折り返し部
１５ｄ 上折り返し部
２１ Ｘ軸駆動機構
２２ Ｙ軸駆動機構
２３ Ｚ軸駆動機構
３０ ヘッド冷却装置
３１ 送りチューブ
３２ 戻しチューブ
３３ 継ぎ手
３４ 連絡路
４０，４０’ フィラメント
１００ 制御部

特許第３９９５９３３号公報

Claims (10)

1. 造形材料を導入する導入部と、造形材料を排出する排出部と、該導入部から導入された造形材料を該排出部まで移送するための移送路と、該移送路内の造形材料を加熱する加熱部とを備えた造形材料排出部材を用いて、該排出部から処理空間内に排出される造形材料によって三次元造形物を造形する三次元造形装置において、
   前記造形材料排出部材は、前記導入部と前記加熱部との間の移送路部分に隣接して設けられる冷却部を有し、
   前記冷却部の内部には冷媒通路が形成されており、前記冷媒通路内に冷媒を流す冷媒流し手段を有し、
   前記冷媒通路は、前記冷却部における造形材料の移送方向に沿う側面と前記移送路部分との間に少なくとも一部が設けられ、前記移送方向と交差する平面上を蛇行することを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記冷却部は、熱伝導性部材で構成されていることを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
   複数の前記造形材料排出部材を有し、
   複数の前記造形材料排出部材は、前記導入部、前記排出部、及び前記移送路部分がそれぞれ設けられ、かつ、前記冷却部が共通化されていることを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項３に記載の三次元造形装置において、
   複数の前記造形材料排出部材は、前記冷却部の内部に形成された前記冷媒通路における冷媒入口及び冷媒出口が共通化されていることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記冷媒は液体であることを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記冷媒流し手段として、前記冷媒通路内を通過するように冷媒を循環させる冷媒循環手段を用いたことを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記処理空間内を加熱する処理空間加熱手段を有し、
   前記冷却部は、前記冷媒通路へ冷媒を流入させる冷媒入口及び該冷媒通路から冷媒を流出させる冷媒出口が前記処理空間の外側に位置するように構成されていることを特徴とする三次元造形装置。
8. 請求項７に記載の三次元造形装置において、
   前記造形材料排出部材を移動させる移動手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
9. 造形材料を導入する導入部と、造形材料を排出する排出部と、該導入部から導入された造形材料を該排出部まで移送するための移送路と、該移送路内の造形材料を加熱する加熱部とを備えた造形材料排出部材において、
   前記導入部と前記加熱部との間の移送路部分に隣接して設けられる冷却部を有し、
   前記冷却部の内部には冷媒通路が形成されており、
   前記冷媒通路は、前記冷却部における造形材料の移送方向に沿う側面と前記移送路部分との間に少なくとも一部が設けられ、前記移送方向と交差する平面上を蛇行することを特徴とする造形材料排出部材。
10. 造形材料を導入する導入部と、造形材料を排出する排出部と、該導入部から導入された造形材料を該排出部まで移送するための移送路と、該移送路内の造形材料を加熱する加熱部と、前記導入部と前記加熱部との間の移送路部分に隣接して設けられる冷却部と、前記冷却部の内部に形成された冷媒通路内に冷媒を流す冷媒流し手段と、を備えた造形材料排出部材における造形材料の移送方法であって、
    前記冷却部における造形材料の移送方向に沿う側面と前記移送路部分との間に少なくとも一部が設けられていて前記移送方向と交差する平面上を蛇行する前記冷媒通路を形成して、造形材料を冷却して移送する工程を含む、
    ことを特徴とする造形材料の移送方法。

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