JP6635560B1 - ３次元造形装置用の造形材料のホットエンド、及びホットエンドを搭載した３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形材料の詰まりを防止した信頼性の高い３次元造形装置用の造形材料のホットエンドを提供する。【解決手段】３次元造形装置用の造形材料のホットエンドが、フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、加熱部材が取付けられ前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備え、前記通路内に前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材が設けられている。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、３次元造形装置（３次元プリンタ）用の造形材料の吐出ヘッド（ホットエンド）、及びホットエンドを搭載した３次元造形装置に関する。

近年、コンピュータを利用して３次元プリンタにより立体造形物を製造することが盛んに行われている。このような立体造形物を製造するホットエンドとして、例えば図６に示されるような構造のものが知られている（例えば非特許文献１参照）。このホットエンドは、ヒータブロック１０３の一端側に吐出部１０１ａを突出するようにノズル１０１がねじ込まれ、ヒータブロック１０３の他端側に造形材料の供給部を有するバレル１０２がねじ込まれた構造を備えている。このバレル１０２にワイヤ状の造形材料（フィラメント）が挿入され、送り込まれることによって、ヒータブロック１０３により造形材料が加熱融解されて吐出部１０１ａに流動し、吐出部１０１ａから吐出されるようになっている。このとき、フィラメントは、制御信号によって、バレル１０２に必要に応じた量が送り込まれることで、吐出部１０１ａから必要な量が吐出され、この吐出部１０１ａの位置が、造形物を形成する造形テーブル（図示せず）とｘｙｚ方向に相対的に移動することにより、吐出された造形材料を積層していき所望の３次元造形物が形成される。

また、このようなホットエンドにおいて、バレル１０２内においてフィラメントが溶けないように、バレル１０２の上部に放熱フィン（図示せず）を設けたり、ファンや水冷によってバレル１０２を強制的に冷却することが行われている。

「３Ｄプリンタではじめるデジタルモノづくり」（門田和雄著、日刊工業新聞社、１０３頁）

しかしながら従来のホットエンドでは、よくバレル１０２の通路内にフィラメントによる詰りが生じ造形に支障を来たすという課題がある。本発明者は、この課題の原因が、連続造形時にバレル１０２側でのフィラメントの融解を予防するために放熱フィンなどによって冷却しバレル１０２のフィラメントの通路（流路）内においてフィラメントを固体の状態に維持できたとしても、フィラメントが押圧されて送り込まれる際にノズル１０１側で融解したフィラメントが、通路の内径とフィラメントの線径との差異による通路内壁とフィラメントとの間の隙間（クリアランス）、すなわち固体の状態のフィラメントと通路の内壁との隙間からバレル１０２側に侵入（逆流）することであることを見出した。つまり、ノズル１０１側で融解させられたフィラメントが、前記クリアランスからバレル１０２側に侵入し、バレル１０２側の通路内で固着してしまい、バレル１０２内の通路でフィラメントの詰まりが生じ、フィラメントの送り込みを阻害することから、吐出（積層）ができず、造形に支障が生じることになる。そこで、通路の内径をフィラメントの線径に近づけて前記クリアランスを極力小さくすることで融解したフィラメントの逆流を防止することを試みようとしても、元来フィラメントの線径は一定ではなく公差を含んでいることから、効果的な逆流防止とはならない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、融解した造形材料がバレル１０２側へ逆流することを防ぐことで、通路内でのフィラメントの詰まりを防止して、良好に連続造形可能な信頼性の高いホットエンド及びホットエンドを搭載した３元造形装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、３次元造形装置用のホットエンドにおいて、融解された造形材料の造形材料を供給する側への逆流を防止する逆流防止部材を、フィラメントが融解される融解部とフィラメントが供給される供給部との間に設けることで、融解した造形材料の逆流は抑制され、ホットエンドの通路の詰まりが生じにくくなることを見出した。

すなわち、本発明は、フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、及び前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、前記融解部よりも前記供給部側の前記通路の径が前記融解部の入口部の通路径よりも大きくされ、前記通路内に、前記融解部の入口部の前記通路径よりも大きい外径を有する前記リング状の逆流防止部材が、前記供給部の前記供給口から前記融解部へ向かって前記通路内に挿通されて固定されていることを特徴とするホットエンドに係る。

本発明のホットエンドによれば、フィラメント状の造形材料が逆流防止部材によって実質的に隙間なく密着して保持されることよって、融解部で融解した造形材料が供給部側へ逆流することが防止される。これにより、造形材料を供給する通路の詰まりを防止して良好に連続造形可能な信頼性の高いホットエンドを実現することができる。

前記供給部と前記融解部との間に、前記融解部の熱が前記供給部へ伝導するのを抑制する断熱部が設けられてもよい。

また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、前記逆流防止部材は、超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金からなることを特徴とする。また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、前記逆流防止部材は、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金からなることを特徴とする。また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、前記リング状とは、コイル状又はコイルばね状であることを特徴とする。また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、前記逆流防止部材の内周にＣ面又はＲ面が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、前記逆流防止部材は、超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金からなることを特徴とする。また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、前記逆流防止部材は、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金からなることを特徴とする。また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、前記リング状とは、コイル状又はコイルばね状であることを特徴とする。また、本発明の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドは、加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、前記逆流防止部材の内周にＣ面又はＲ面が形成されていることを特徴とする。

本発明の３次元造形装置は、上述の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドを搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、造形材料（フィラメント）の固体の部分が逆流防止部材によって実質的な隙間なく保持されつつ融解部の通路内に送り込まれる。これにより、融解した造形材料は逆流防止部材によって融解部側から供給部側の通路内に侵入することが抑制されるようになる。その結果、造形材料の吐出（造形動作）に支障を来たす通路の詰りの発生を予防しつつホットエンドを使用することが可能となり、良好で連続的な造形動作を実現できる信頼性の高いホットエンド、及びこれを搭載した３次元造形装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の一例のホットエンドの断面説明図である。 本発明の一実施形態の他の例のホットエンドの断面説明図である。 本発明の一実施形態のホットエンドの、ヘッド本体の（Ａ）正面図、及び（Ｂ）底面図、である。 本発明の一実施形態のホットエンドの、加熱部材を説明する図である。 加熱部材による加熱量の制御の一例を説明するブロック図である。 本発明の他の実施形態のホットエンドの断面説明図である。 従来のホットエンドの一例を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の一実施形態の３次元造形装置用の造形材料のホットエンドを説明する。図１Ａ及び１Ｂは、本発明のホットエンド１０の断面説明図である。ホットエンド１０は、造形材料の供給口２１を有する供給部２０、供給部２０への熱の伝導を抑制する断熱部３０、供給された造形材料を融解する融解部４０、融解された造形材料を吐出する吐出口５１を有する吐出部５０、及び供給口２１と吐出口５１とを連通する通路２を有するヘッド本体１に、融解部４０を加熱する加熱部材６０、及び造形材料（フィラメント）の逆流を防止する逆流防止部材７０が設けられている。

図１Ａに示される例において、逆流防止部材７０は、ヘッド本体１の通路２の内部に、融解部４０の造形材料が供給される入口に接して設けられ、固定部材７１によって、融解部４０のフィラメントが供給される入口と挟まれるようにして固定されている。フィラメントは固体の状態で供給口２１から通路２に挿入され逆流防止部材７０を介して融解部４０に送り込まれ、加熱部材６０から与えられる熱によって融解し、吐出部５０に設けられた吐出口５１から吐出される。固体の状態のフィラメントは２３ａ、融解した状態のフィラメントは２３ｂとして示されている。

図１Ｂに示される例は、固定部材７１の代わりに円筒状の内管２２が供給口２１から断熱部３０にかけてのヘッド本体１の内側に設けられた２重管構造となっている。内管２２の融解部４０側の先端部は逆流防止部材７０に当接し、逆流防止部材７０を融解部４０のフィラメントが供給される入口とで挟むように固定している。図１Ａ及び１Ｂにおける固定部材７１又は内管２２は設けられずに、逆流防止部材７０が通路２内に圧入されることで固定されてもよい。

前述のように、ホットエンド（３次元造形材料用の吐出ヘッド）を用いて造形を行う際に、造形材料が通路内で詰まることがある。本発明者がこの詰まりの原因について鋭意検討を重ねて調べた結果、図６に示されるホットエンドにおいて、造形材料が供給される側（バレル１０２側）に、造形材料が吐出される側（ノズル１０１側）で一旦融解した造形材料が逆流して固化し、その固化した部分が再融解しないために詰まりになることを見出した。

すなわち、前述のように、従来構造ではバレル１０２に放熱フィンを設けてファンや水冷によって強制的に冷却して温度の上昇を抑制し、バレル１０２側の造形材料が融解しないようにしても、固体の状態のフィラメントと通路の内壁との隙間に、ノズル１０１側で融解した造形材料が侵入することが詰まりの原因となることを見出した。

そこで、本発明者は、融解部４０の造形材料が供給される入口側に、融解部４０の通路内で融解した造形材料が供給口２０側へ逆流しないように逆流防止部材７０を設けることが、融解した造形材料２３ｂの供給口２０側への逆流をし難くし、結果として通路の詰まりを予防し得ることを見出した。すなわち、逆流防止部材７０は、融解部４０の上流側（造形材料の供給側）で、固体のフィラメント２３ａの長さ方向における一部分の外周を、造形動作に必要な造形材料の送り込みが可能な程度の力で実質的に隙間なく密着して保持するように設けられる。固体の状態のフィラメントと通路２の内壁との間に、融解した造形材料２３ｂが侵入し難くなる。

図１Ａ及び１Ｂに示される例では、逆流防止部材７０は、フィラメントの長さ方向における一部の周縁を取り囲んで密着して保持し得るリング状（円筒状）に形成されている。逆流防止部材７０は、その内径がフィラメントの線径の公差内の変動に追従し密着して保持した状態が維持され得る弾性を有する材料で形成される。例えば直径が１．７５ｍｍのフィラメントで線径の公差が±０．０５ｍｍのものが用いられる場合であれば、逆流防止部材７０の内径は１．７０ｍｍに形成され、１．７０ｍｍ〜１．８０ｍｍの範囲の径の変動に追従し得るように形成される。

ホットエンド１０に使用されるヘッド本体１を加熱部材６０が取り付けられる面の側から見た正面図が図２（Ａ）に示され、吐出口５１側から見た底面図が図２（Ｂ）に示される。ヘッド本体１は、供給部２０、断熱部３０、融解部４０及び吐出部５０が、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン、チタン合金、セラミックスのいずれかから一体的に形成されているものであってもよいし、別部材を組み合わせて形成されたものでもよく、一部又は全部が独立可能にされていてもよいし、各部の間のいずれか或いはすべてに他の部材を介在させるなど非連続的なものであってもよい。図示される例では、ヘッド本体１は円柱状の金属棒を例えば切削加工してなるものであり、全長が例えば３２ｍｍで、直径が例えば４ｍｍφの、例えば６４チタン（チタンにアルミニウム６質量％、バナジウム４質量％を混ぜた合金）からなっている。別部材を組み合わせてヘッド本体１を形成する場合には、融解部４０及び吐出部５０に使用される部材の材料の熱伝導率が断熱部３０及び供給部２０に使用される部材の材料の熱伝導率より高いことが、供給部２０側への伝熱を抑制し、加熱部材６０の熱を効果的に造形材料の融解に利用する観点から好ましい。

ヘッド本体１には、一端側の供給口２１から他端側の吐出口５１へ延びる、通路（貫通孔）２が形成されている。ヘッド本体１及び通路２のサイズは、フィラメントのサイズなどに応じて適宜変更され得る。

ヘッド本体１の供給部２０は、例えば長さ５ｍｍ、直径４ｍｍφの円柱形状（円筒形状）とされている。供給部２０は、３次元造形装置本体に取り付けるためのアダプターへの取付部としての役割も兼ねている。

断熱部３０は、融解部４０よりも熱抵抗が大きくなるように形成されており、例えば、構造的に融解部４０よりも肉厚を薄くしたり開口を設けたりするなどして断面積を小さくしたり、物性的に融解部４０よりも熱伝導率の低い材料を用いたり、或いは放熱フィン等を設けるなどすることで形成することもできる。図示される例では、断熱部３０は、供給部２０と融解部４０との間に位置し、例えば長さ１１ｍｍ、直径３ｍｍφの円柱形状（円筒形状）とされている。断熱部３０は、上述のように直径３ｍｍφとされ、その中心部を貫通する通路２が形成される。また、断熱部３０の中央部には、断熱部３０の断面積を小さくしてその熱抵抗を高くし得る、例えば長さ８ｍｍ、幅１．８ｍｍの開口３１が、通路２に対向して一対で形成されている。開口３１は、ヘッド本体１の長さ方向及び／又は幅方向に１つ又は複数設けてもよく、サイズも適宜決定される。熱抵抗との関係で断面積を、強度が保証される範囲内で適宜決定することができる。低熱伝導率であることに加えて、必要な強度が得られる範囲内で小型化（小断面積化することで高熱抵抗化）されることが好ましい。

融解部４０は、例えば長さ１３ｍｍ、直径４ｍｍφとされている。融解部４０には、正面側（図２（Ａ）における紙面の表面側）と背面側（図２（Ａ）における紙面の裏面側）が切削されて２つの平面部が、例えば３ｍｍ隔てて対向するように形成されている。平面部の中央部には、例えば長さ８ｍｍ、幅１ｍｍの開口４１が、通路２を露出するように形成されている。開口４１は、長さ方向に複数並設するようにしてもよい。なお、加えて、平面部の表面を粗面化してもよいし、開口部４１を形成せずに粗面化のみしてもよい。開口４１が形成されない場合には、平面部がさらに切削されることにより通路２の側壁が肉薄になるように形成されてもよい。なお、融解部４０における通路２の径は、後述する逆流防止部材７０を、断熱部３０の通路２内の融解部４０側（融解部４０のフィラメントの入口）で固定し得るように、断熱部３０における通路２の径より小さく形成されている。

吐出部５０は、例えば長さ３ｍｍとされ、正面側と背面側から切削されて、例えば幅３ｍｍとされ、両側面側は吐出部５０の長さ方向の途中まで、吐出口５１に向かってテーパ状に細められ、吐出口５１が形成された先端部は、例えば直径１．５ｍｍφとされ、吐出口５１は、例えば直径０．６ｍｍφとされる。

ホットエンド１０における加熱部材６０としては、例えば、絶縁基板上に厚膜抵抗体層を形成した加熱ヘッド、ヒートブロック等公知のものを広く使用することができるが、応答性やサイズの点において加熱ヘッドを用いるのが好ましい。加熱部材（加熱ヘッド）６０の構造の一例を図３に示す。ヘッド本体１の融解部４０に取付けられる加熱部材６０は、例えば厚さ０．３ｍｍ、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍの矩形板状のアルミナ又はジルコニアなどのセラミック基板（絶縁基板）６１と、絶縁基板６１の表面に形成された帯状の発熱抵抗体６２と、絶縁基板６１の表面において発熱抵抗体６２の両端部のそれぞれに接続するように形成された電極６３を有する。なお、発熱抵抗体６２の表面を、例えばフィラーを含むガラス等の保護層（誘電体層）でコートしてもよい。

加熱部材６０は、絶縁基板６１に、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ等の合金粉末や酸化ルテニウムを含む厚膜用ペースト等を所定のパターンに印刷、乾燥後、所定温度で焼成することで発熱抵抗体６２、電極６３を形成することができる。

また、絶縁基板６１の電極６３の形成部に、電極６３とリード（図示せず）との接続強度を向上させるために切欠部が形成される。図３に示される例では切欠部は１つの電極６３に対して２つずつ設けるようにしたが、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。さらに、切欠部に代えて貫通孔（スルーホール）を１つ若しくは複数設けてもよいし、切欠部と貫通孔とを組み合わせて用いるようにしてもよい。つまり、切欠部や貫通孔を設けるのは、電極６３とリードとの接続強度を向上させるために、接続面積を増やしたり、アンカー効果等機械的係合が得られる対策をとることで、高温に加熱したり、２次元的又は３次元的に移動操作させた場合であっても接続不良が生じないようにしている。

図１Ａ及び１Ｂに示されているように、ヘッド本体１に加熱部材６０が取付けられた状態では、加熱部材６０は、その裏面（絶縁基板６１の裏面、発熱抵抗体６２が形成されていない面）側をヘッド本体１の融解部４０の平面部に、開口部４１を覆うように、例えば銀系の厚膜ペースト（Ａｇに例えばガラス、Ｃｕが含有されたもの）を接合材料として塗布、焼成して、接合されている。このとき、接合材料が開口部４１に入り込み、アンカー効果が得られることで、加熱部材をヘッド本体１の融解部４０に強固に接合して取付けることができる。

本実施の形態では、加熱部材６０の幅（５ｍｍ）を、ヘッド本体１の融解部４０の平面部の幅よりも僅かに広くし、加熱部材６０とリードとの接続部をヘッド本体１の融解部４０の平面部の一方側の側縁から外方へ飛び出させて、ヘッド本体１に加熱部材６０を接合させるようにしている。

図４は、ホットエンド１０で加熱部材６０の発熱抵抗体６２によって基板の温度測定をもおこない、測定された温度に応じて発熱抵抗体６２による加熱量を調整することで融解部４０の温度制御をする場合の制御回路の一例を示すブロック図である。すなわち、この駆動回路は直流又は交流の電源６４で駆動する例で、電源６４としては、電池、商用電源又は商用電源をトランスなどにより電圧や印加時間を調整して、印加電力を調整する調整部を介して発熱抵抗体６２に接続されている。

商用の交流電源６４により供給される電圧は、電力の調整部により調整され、所望の温度になるように調整される。その結果、直流電源が不要で、電源冷却ファンも不要になる。しかし、電池による直流電源が用いられてもよい。また、図示されていないが、パルスを印加するパルス駆動により加熱がされてもよい。その場合、電圧を変える以外にもデューティサイクルを変えたり、位相制御などで発熱に関する実行印加電力が調整され得る。

温度は、発熱抵抗体６２を利用して、その抵抗値の変化によって検出することができる。発熱抵抗体６２の抵抗値の変化は、図４に示されるように、発熱抵抗体６２と直列にシャント抵抗６５が接続され、その両端の電圧を測定することによって、電流の変化を検出できる。発熱抵抗体６２に印加する電圧が一定のとき、電流の変化が分かれば、抵抗値の変化を知ることができる。すなわち、発熱抵抗体６２の抵抗値は温度によって変る温度特性を有している。そのため、その温度特性（温度係数）を予め検出しておくことによって、抵抗値が分かれば、発熱抵抗体６２、すなわち絶縁基板６１の温度を知ることができる。この温度検出は、制御手段によってなされる。また、シャント抵抗６５は、発熱の影響を避けるため温度検知が可能な限り抵抗値の低い方がよい。また、できるだけ温度係数の小さい抵抗が好ましく、電流による発熱を避けるため、電流が小さくなるように設定される。

この温度測定によって測定された温度に応じて、発熱抵抗体６２に印加される電圧が調整部で調整されるように制御手段から制御信号が出され、発熱抵抗体６２、すなわち絶縁基板６１の温度が所望の温度に調整される。加熱部材６０によって造形材料を軟化させて造形物を形成する造形動作の最中には、通路２内における温度分布が安定するように、発熱抵抗体６２の温度が制御される。

本発明のホットエンド１０における逆流防止部材７０は、上述のように融解した造形材料が供給部２０側へ逆流することを防止するために設けられる。フィラメントの一部における外周に逆流防止部材７０が実質的に隙間なく密着して、造形動作に伴うフィラメントの送り込みを阻害しない程度の力で保持される。３次元造形に使用されるフィラメントはその長さ方向で径が変動し得る。直径１．７５ｍｍのフィラメントであれば、例えば±０．０５ｍｍの公差を有し得るので、逆流防止弁７０はこの径の変動に追従してフィラメントに密着し得る弾性を有する材料で形成される。

逆流防止部材７０に使用される弾性材料は、フィラメントの融解する温度に対する耐熱性を有することが好ましく、一例として超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金が使用され得る。超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金はその超弾性により８％程度の回復ひずみを有しており、フィラメントの径の変動に対して充分に追従し得る。また、耐熱性の弾性を有する樹脂が用いられてもよく、例えば３００℃近くの高温でもゴムとしての物性を保ち得るパーフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）が使用され得る。さらに、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金も用いられ得る。超弾塑性合金は、室温で９９．９％以上の冷間加工が可能である超組成的性質から成形がきわめて容易であり、加工性も優れていることから好ましい。超弾塑性型合金の一例としては、β型チタン合金に属する、豊通マテリアル（株）製「ゴムメタル」（登録商標）が挙げられる。

逆流防止部材７０の形状は、その内側が固体の状態のフィラメントに密着して保持し得るリング状に形成されている。ここでリング状とは、フィラメントの外周を取り囲んで保持し得る、例えば、コイル状、コイルばね状、管状、筒状、ワッシャ状、テーパ付管状等を含む広義の意味である。コイルばね状の逆流防止弁７０が用いられる場合にはコイルの巻き数は例えば２〜３周にされ、フィラメントの線径の変化に対する追従において、ばねの変形も寄与することになり、より良好に追従し得ることになり好ましい。逆流防止部材７０の内周にはＣ面又はＲ面が形成されてよく、フィラメントと逆流防止部材７０との接触面積が調整され、フィラメントを保持する力が適切に調整され得る。

リング状の逆流防止部材７０が通路２内に圧入されることによって固定される場合には、その外径は、融解部４０の通路２の径より大きくされ、融解部４０より供給部２０側の通路２に圧入されて固定され得るサイズに形成される。

逆流防止部材７０は、供給口２１から通路２内に圧入されることで通路２内に固定されるが、例えば金属ペーストや無機接着剤といった耐熱性の接着剤を使用した通路２内への接合によって固定されてもよい。また、図１Ａに示されるようにリング状の固定部材７１が逆流防止部材７０の供給口２１側に通路２内に圧入して固定されるように設けられ、固定部材７１が逆流防止部材７０を融解部４０との間に挟むように固定してもよい。固定部材７１には、通路２内で逆流防止部材７０を安定して固定する観点から、例えば金属が好ましく、形状記憶合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金がより好ましく使用される。

逆流防止部材７０の固定は、図１Ｂに示されるように、固定部材７１に代えて、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチックからなる円筒状の内管２２を設け、その先端部分で逆流防止部材７０を融解部４０との間に挟み込むように固定してもよい。内管２２にはステンレス、ニッケル合金、チタン、又はチタン合金等の金属が使用されてもよく、セラミックス又はガラスも使用され得る。

逆流防止部材７０は、融解したフィラメントの逆流を防止する観点から、保持する部分のフィラメントが固体である必要がある。すなわち、逆流防止部材７０が設けられている部分（融解部４０と断熱部３０の境界近傍）においては、フィラメントが融解しない温度に温度制御されている必要がある。加熱部材６０から融解部４０に与えられて融解部４０のフィラメントが供給される入口側へ伝わる熱による、逆流防止部材７０が設けられる部位の温度上昇を抑制するために、熱容量を増加させる手段である、例えばアルミニウム又はステンレス等からなる金属ブロック（キャップ）がヘッド本体１の融解部４０と断熱部３０の境界付近の外周に設けられ得る。放熱量を増加させる手段である放熱板が設けられてもよい。センサなどの手段によって、逆流防止部材７０が設けられる部位の温度が測定されてもよく、この場合には、測定温度に基づいた制御信号によって加熱部材６０の発熱抵抗体６２に印加される電圧が制御され、逆流防止部材７０が設けられる部位の温度が制御され得る。また、融解部４０を加熱部材６０によって温度勾配を持たせて加熱するようにしてもよい。つまり、融解部４０の下部側（吐出部５０側）の加熱温度を、融解部４０の上部側（断熱部３０側）の加熱温度よりも高くし、逆流防止部材７０へ伝導する熱量を軽減して、加熱走査時の逆流防止部材７０が設けられる部位の温度を所望の温度に保つこともできる。要は、必要に応じて、逆流防止部材７０の上下側で通路２内の温度を異ならせ、下側では造形材料が融解する温度に、逆流防止部材７０及びその上側では造形材料が融解しない温度にするための手段を講じればよい。

次に、本発明の他の実施形態におけるホットエンドが、図５を参照して説明される。図５に示されるホットエンド１１０は、図１Ａ及び１Ｂの例におけるホットエンド１０とは異なり、供給部及び断熱部は設けられておらず、ヘッド本体１１が融解部４０及び吐出部５０から構成されている。この実施形態では、融解部４０の造形材料が送り込まれる入口に逆流防止部材７０が圧入固定され得るように通路２の径を広くした部分が設けられ、逆流防止部材７０が固定されている。フィラメントは逆流防止部材７０の開口に直接挿入されて融解部４０に送り込まれる構造になっている。このような構成にすることで、ヘッド本体１１０と逆流防止部材７０とで同一の材料を用いて、一体的に形成することも可能となる。この実施形態においても、逆流防止部材７０で保持されるフィラメントが融解しないように、温度を制御するために、上述のホットエンド１０の逆流防止部材７０が設けられる部位の温度制御と同様の手段が、ヘッド本体１１の融解部４０のフィラメントの入口近傍の外周に設けられ得る。

本発明のホットエンド１０、１１０が３次元造形装置に取付けられる際には、３次元造形装置本体側に取付けられるアダプターに設けられた開口にホットエンドの造形材料が供給される側を挿し込み、横から、例えば押しネジを用いて固定することができるし、ヘッド本体１、１１の外周にネジ溝を切って螺合によってアダプターに取付けることもできる。

上述の本発明のホットエンド１０、１１０は、耐熱温度が高いスーパーエンジニアリングプラスチックとして知られるＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）をフィラメントに用いて良好に造形できることを確認している。このとき、逆流防止部材７０によって融解した造形材料の逆流が抑止され、通路２内での造形材料の詰まりによる造形動作の不良が発生することもなく、ヘッド本体１と加熱ヘッド６０、加熱ヘッド６０とリード６との結合部、接続部において一切の不良も見られず、良好に動作することも確認している。また、ホットエンド１０、１１０は５００℃の高温に迅速昇温可能であることから、低融点金属類のフィラメントも使用され得る。

また、上述のホットエンド１０は、全体として長さ３２ｍｍ、幅５ｍｍとされ、現存するホットエンドに比べて格段に小型となっている。また、ヘッド本体１を６４チタン合金で形成する場合には、小型と相俟って極めて軽量化されている。よって、ホットエンド１０を２次元又は３次元に移動させて造形を行うようにした場合であっても、駆動エネルギーの省力化ができる。さらに、上述のホットエンド１１０は断熱部及び供給部が不要であることから、ホットエンド１０よりもさらに小型化されている。小型であることから、複数のホットエンドを取付治具（アダプター）等により、各々のホットエンドの吐出口５１を近接して配置して束ねることができるので、マルチノズルヘッド、マルチノズルラインヘッドとして使用することもできる。これらマルチノズルヘッド又はマルチノズルラインヘッドを用いてマルチマテリアルの高速造形用として好適に使用することもできる。

また、ヘッド本体の材料としてチタン合金（例えば、６４チタン）及び加熱部材６０の絶縁基板６１としてセラミック基板（例えば、アルミナジルコニア基板）を用いた場合には、チタン合金とセラミックとの熱膨張率が近いこともあって、造形動作による加熱、冷却のサイクルによる接合不良を効果的に防止することができる。また、アルミナジルコニア基板は、アルミナ基板に比して機械的強度が高いことから薄くでき、加熱ヘッドの小型軽量化をより一層図ることができる。

しかも、ヘッド本体１と加熱部材６０とリードとの接合、接続を同金属系の厚膜ペースト（例えば、銀系ペースト）を用いて行うことができ、ヘッド本体１と加熱部材６０との接合、加熱部材６０の電極とリードとの接続において良好とし得、加熱部材６０を高温に加熱した場合であっても、接合不良、接続不良を防止することができる。また、厚膜技術により加熱部材６０をヘッド本体１に接合することができるので、電子素子の特性変化を防止することもできる。

本発明では、ヘッド本体１、１１を一体形成（一体成形）とすることができる。さらに、ヘッド本体１１と逆流防止部材７０を一体形成とし、部品の接合箇所を少なくして、一段と信頼性を向上することができる。

また、逆流防止部材７０は、逆流が生じないように、フィラメントに密着しつつフィラメントの送り込みを阻害しない程度の適切な力でフィラメントを保持する観点から、その材料の弾性等を加味して形状を決定することができる。

１、１１ ヘッド本体
２ 通路
１０、１１０ ホットエンド
２０ 供給部
２１ 供給口
２２ 内管
３０ 断熱部
３１ 開口
４０ 融解部
４１ 開口
５０ 吐出部
５１ 吐出口
６０ 加熱部材
６１ 絶縁基板
６２ 発熱抵抗体
６３ 電極
６４ 電源
６５ シャント抵抗
７０ 逆流防止部材
７１ 固定部材

Claims (10)

1. フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、
   加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、
   前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、及び
   前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、
   を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、
   前記融解部よりも前記供給部側の前記通路の径が前記融解部の入口部の通路径よりも大きくされ、
   前記通路内に、前記融解部の入口部の前記通路径よりも大きい外径を有する前記リング状の逆流防止部材が、前記供給部の前記供給口から前記融解部へ向かって前記通路内に挿通されて固定されていることを特徴とするホットエンド。
2. 前記供給部と前記融解部との間に、前記融解部の熱が前記供給部へ伝導するのを抑制する断熱部を備えた請求項１に記載のホットエンド。
3. フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、
   加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び
   前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、
   前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、
   前記逆流防止部材は、超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金からなることを特徴とするホットエンド。
4. フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、
   加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び
   前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、
   前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、
   前記逆流防止部材は、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金からなることを特徴とするホットエンド。
5. フィラメント状の造形材料の供給口を有する供給部、
   加熱部材が取付けられ、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び
   前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元造形装置用の造形材料のホットエンドであって、
   前記通路内に、前記融解部において融解された造形材料が前記供給部側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材を備え、
   前記リング状とは、コイル状又はコイルばね状であることを特徴とするホットエンド。
6. 加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、
   前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び
   前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、
   前記逆流防止部材は、超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金からなることを特徴とする３次元造形装置用の造形材料のホットエンド。
7. 加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、
   前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び
   前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、
   前記逆流防止部材は、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金からなることを特徴とする３次元造形装置用の造形材料のホットエンド。
8. 加熱部材が取付けられ、融解部入口から供給されたフィラメント状の造形材料を融解する融解部、
   前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、
   前記融解部入口と前記吐出口とを連通する通路、及び
   前記融解部において融解された造形材料が前記融解部入口側に逆流するのを防止するリング状の逆流防止部材、を備え、
   前記リング状とは、コイル状又はコイルばね状であることを特徴とする３次元造形装置用の造形材料のホットエンド。
9. 前記逆流防止部材の内周にＣ面又はＲ面が形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の３次元造形装置用の造形材料のホットエンド。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のホットエンドを搭載したことを特徴とする３次元造形装置。

Images