JP6892983B2

JP6892983B2 - ３ｄプリンタ及び３次元造形方法

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Publication number: JP6892983B2
Application number: JP2016231894A
Authority: JP
Inventors: 亮平湯浅
Original assignee: Kyoraku Co Ltd
Current assignee: Kyoraku Co Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: JP2018086814A

Description

本発明は、３次元オブジェクト（立体物）を造形する３Ｄプリンタ及び３次元造形方法に関するものであり、特に熱溶融積層方式の３Ｄプリンタ及び３次元造形方法の改良に関する。

３次元オブジェクトの形成方法として、いわゆる３Ｄプリンタが注目されており、これまで実現することが難しかった複雑な形状の３次元オブジェクトも簡単に作製可能になってきている。３Ｄプリンタを用いれば、樹脂や金属等、任意の材料を積み重ねていくことにより、通常の方法では実現不可能な形状であっても加工することが可能である。

３Ｄプリンタには、いくつかの方式のものが知られており、その中で樹脂製のフィラメントを押し出して積層堆積させる方式（熱溶融積層方式）のものは、コスト面で有利であること等から、各方面で開発が進められている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。

例えば、特許文献１の積層造形システムでは、造形材料であるフィラメントを押し出しヘッドに供給し、押し出しヘッドに搭載される液化機にてフィラメントを溶融し、ノズルを通して、溶融したフィラメントをベース上に押し出す。押し出しヘッド及びベースは、３Ｄモデルを形成するために相対的に移動し、多数の線状及び層状の材料を積層していき、３Ｄモデルを製造する。

特許文献２には、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ改質ＡＢＳ材料を送出することと、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で、送出された改質ＡＢＳ材料を押出ヘッドにおいて溶融することと、３Ｄオブジェクトを形成するために、溶融された熱可塑性プラスチック材料を一層毎に堆積させることとを含む３Ｄオブジェクトを構築する方法が開示されている。

この種の方法では、樹脂材料を溶融堆積するというのが基本的な考えであり、原料素材として樹脂のフィラメントが用いられる。特許文献３や特許文献４には、原料素材として用いる樹脂フィラメントや、その供給方法等についての開示がある。

特許文献３には、３次元物体を作成するための組成物が開示されているが、造形物を作製する押出機では、押出ヘッドに可撓性フィラメントとして供給している。フィラメントは、押出ヘッドが携帯する液化機内で溶融される。液化機は凝固点よりもわずかに高い温度にフィラメントを加熱して、これを溶融状態にする。溶融材料は液化機のオリフィスを通じて台座上に押し出される。

特許文献４には、３次元堆積モデリング機械内でフィラメントを供給するフィラメントカセットおよびフィラメントカセット受器が開示されている。特許文献３では、フィラメントを簡便な様態でモデリング機械に係合および分離する方法を提供し、環境における湿気からフィラメントを保護する態様で実現され得るようにしている。

特表２００９−５００１９４号公報特表２０１０−５２１３３９号公報特許５０３９５４９号公報特許４１０７９６０号公報

ところで、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタでは、樹脂材料からなるフィラメントを加熱して溶融し、造形用ヘッドのノズルから押し出す必要がある。この時、ヒータの熱によりヒータ近傍のフィラメントが加熱され、フィラメントの円滑な供給の妨げになることがある。例えば、ヒータの熱によりフィラメントが樹脂材料のガラス転移温度以上に加熱されると、フィラメントが軟らかくなって座屈する。その結果、フィラメントがフィラメント供給路の壁面と接触して摩擦力が発生し、造形用ヘッドのノズルにフィラメントを円滑に供給できなくなる。

また、フィラメントの供給は、フィラメント送り機構において、フィラメントをギアで噛み込んで行うが、ヒータの熱の影響によりフィラメントが軟らかくなると、ギアがフィラメントを噛み込まず、押し出すことができなくなるおそれもある。

本発明は、係る従来の実情に鑑みて提案されたものであり、フィラメントの円滑な供給が可能な３Ｄプリンタを提供することを目的とし、さらには３次元造形方法を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の３Ｄプリンタは、樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、フィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するフィラメント送り機構を有するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間に少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構を有し、前記冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子が配されていることを特徴とする。あるいは、前記冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管が配されていることを特徴とする。さらには、前記フィラメントが巻回されたカートリッジが冷却庫内に収容され、供給されるフィラメントが予め冷却されることを特徴とする。

また、本発明の３次元造形方法は、樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３次元造形方法であって、フィラメント送り機構によりフィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するとともに、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子を配し、少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする。あるいは、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管を配し、少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする。さらには、前記フィラメントが巻回されたカートリッジを冷却庫内に収容し、供給されるフィラメントを予め冷却することを特徴とする。

樹脂材料からなるフィラメントを冷却することで、ヒータの熱の影響により軟化することがなくなり、フィラメントの硬度が維持される。そのため、フィラメントの座屈による摩擦力の発生が解消され、フィラメントはギアに確実に噛み込まれる。

本発明によれば、造形用ヘッドのヒータの熱の影響によるフィラメントの軟化を抑制することができ、フィラメントの円滑な供給が可能である。

３Ｄプリンタの概略構成を模式的に示す図である。造形用ヘッドの一例を模式的に示す図である。冷却機構を示す図であり、（Ａ）は放熱フィンを設けた例、（Ｂ）はペルチェ素子を設けた例、（Ｃ）は水冷機構を設けた例をそれぞれ示す。フィラメントのカートリッジを冷却庫に収容した３Ｄプリンタの一例を模式的に示す図である。装置全体を冷却庫に収容した３Ｄプリンタの一例を模式的に示す図である。造形用ヘッドを含む造形部が冷却庫内に収容され、フィラメントのカートリッジが冷却庫外に設置された３Ｄプリンタの一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の３Ｄプリンタ及び３次元造形方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の３Ｄプリンタは、造形用ヘッドに冷却機構を設け、樹脂材料からなるフィラメントを冷却するようにしたものである。

先ず、３Ｄプリンタの概要について説明する。その基本的な仕組みは、コンピュータで作成した３Ｄデータを設計図として、断面形状を積層していくことで立体物すなわち３Ｄ（三次元）オブジェクトを作成するものである。その方法としては、例えば、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていくインクジェット方式、粉末の樹脂に接着剤を吹きつけていく粉末固着方式、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく熱溶融積層方式等が知られているが、本実施形態の３Ｄプリンタは熱溶融積層方式のものであり、成形のための原料として、樹脂材料からなるフィラメントが使用される。

図１は、３Ｄプリンタの一例を示す図である。本例の３Ｄプリンタは、駆動機構１によって３次元駆動される造形用ヘッド２と、当該造形用ヘッド２に樹脂材料からなるフィラメント３を供給するカートリッジ４とを主要な構成部材とする。カートリッジ４に巻回されるフィラメント３は、前記造形用ヘッド２へと導かれ、加熱溶融されて造形用ヘッド２のノズル２Ａから押し出され、これを堆積し冷却することで基台５上に３次元造形物Ｍが成形される。

フィラメント３を構成する樹脂材料としては、加熱により軟化する熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、押し出し可能な材質であれば良く、フィラメントに付与する機能に応じて適宜選択することができる。例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）の他、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテルなどの非晶性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリビニルアルコールなどの結晶性樹脂、オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系の熱可塑性エラストマー、及びそれらの混合物が好適に用いられる。さらに、カーボンブラック、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ナノクレイ、マグネシウムなどの無機系の添加剤、酸化防止剤、滑剤、着色剤などを適宜混合することができる。

このような熱可塑性樹脂をフィラメント３の樹脂材料として使用する場合、造形用ヘッド２において熱の影響を受け、フィラメント３の円滑な供給ができなくなることがある。

図２は、造形用ヘッド２の構成例を示すものである。造形用ヘッド２は、前述の通り加熱溶融された樹脂材料を押し出すノズル２Ａを備えるものであり、さらに、ノズル２Ａの手前（フィラメント３の送り方向における上流側）には、フィラメント３を加熱するヒータ２Ｂを備える。フィラメント３はヒータ２Ｂにより加熱され、溶融状態でノズル２Ａに送り込まれる。また、フィラメント３をノズル２Ａへと送り込むフィラメント送り機構として、ヒータ２Ｂの手前位置にギア２Ｃが設けられている。加熱溶融前のフィラメント３は、これらギア２Ｃによって噛み込まれ、ギア２Ｃが回転することによりノズル２Ａへと送り込まれる。

この時、造形用ヘッド２に設けられたヒータ２Ｂからの熱により、ヒータ２Ｂの手前においてフィラメント３が軟化することがある。フィラメント３は熱可塑性樹脂により形成されており、ヒータ２Ｂの熱によりガラス転移温度Ｔｇ以上になると軟化する。フィラメント３が軟化すると、フィラメント３が座屈し易くなり、座屈したフィラメント３がヒータ２Ｂの手前のフィラメント供給路２Ｄの壁面と接触して摩擦力が発生し、造形用ヘッドのノズルにフィラメントを円滑に供給できなくなるおそれがある。

これを防ぐために、本実施形態の３Ｄプリンタの造形用ヘッド２においては、フィラメント送り機構であるギア２Ｃからヒータ２Ｂの間の経路に放熱フィン６を設置し、空冷によりフィラメント３を冷却するようにしている。放熱フィン６に風を送ることで、空冷される。冷却によりフィラメント３は硬度を保ち、座屈等による不都合が解消される。

ただし、例えばフィラメント３に使用する樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇが低い場合、ギア２Ｃにより押し出す前に軟化してしまうことがあり、ギア２Ｃがフィラメント３を噛み込まず、フィラメント３を送り出せなくなるおそれもある。フィラメント３を構成する樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇが４０℃以下であるような場合（例えばガラス転移温度Ｔｇが２５℃や３５℃である場合）にこのような課題が問題となる。

３Ｄプリンタにおいては、造形用の樹脂材料として形状記憶樹脂を用いることがある。形状記憶樹脂は、成形形状と変形形状とを熱による温度操作で使い分けることのできる樹脂である。形状記憶樹脂の成形体は、形状記憶樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度で変形を加え、その形状を保持した状態でガラス転移温度以下まで冷却することにより、変形形状を固定し、また、ガラス転移温度以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度に加熱することにより、元の成形形状を回復する。形状記憶樹脂としては、ノルボルネン系ポリマーや、トランスポリイソプレン系ポリマー、スチレン−ブタジエン系ポリマー、ウレタン系ポリマー等が知られている。

これらの形状記憶樹脂として、ガラス転移温度Ｔｇが４０℃以下のものがあり、このような低ガラス転移温度の形状記憶樹脂を造形材料として用いる場合に前記課題が大きな問題となる。

この問題を解消するためには、ギア２Ｃを通過後に冷却によりフィラメント３が座屈しない程度の硬度を保つことの他、ギア２Ｃ到達時にフィラメント３がガラス転移温度Ｔｇ以下である硬質であること、満たす必要がある。そこで、本実施形態の３Ｄプリンタでは、ギア２Ｃからヒータ２Ｂの間の経路に加えて、ギア２Ｃの手前位置にも冷却機構を設けることとする。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に、ギア２Ｃからヒータ２Ｂの間の経路に加えて、ギア２Ｃの手前位置にも冷却機構を設けた造形用ヘッド２の構成例を示す。

例えば図３（Ａ）に示す例では、ギア２Ｃからヒータ２Ｂの間の経路に空冷のための放熱フィン６を設けるとともに、ギア２Ｃの手前位置にも放熱フィン７を設けている。図３（Ｂ）に示す例では、前記放熱フィン６，７に加え、これら放熱フィン６，７に接してペルチェ素子８，９を設けている。図３（Ｃ）に示す例は、ギア２Ｃからヒータ２Ｂの間の経路、及びギア２Ｃの手前位置において、フィラメント３の周囲に水冷のための冷却管１０を配したものである。冷却管１０に水等の冷媒を流すことで、フィラメント３が冷却される。

このように、ギア２Ｃからヒータ２Ｂの間の経路に加えて、ギア２Ｃの手前位置にも冷却機構を設けることで、フィラメント３が低ガラス転移温度Ｔｇの樹脂材料で形成されている場合においても、フィラメント３はヒータ２Ｂに至るまで低温に保たれ、硬度が維持される。したがって、ギア２Ｃによる噛み込みが円滑に行われ、フィラメント３の送り出しが円滑に行われる。また、ギア２Ｃからヒータ２Ｂまでの間においてもフィラメント３の硬度が保たれ、座屈による摩擦力の増加等の不都合が生ずることもない。

なお、前述の各冷却機構は、これを設置していない場合に比べて相対的に温度を下げ得るものであれば如何なるものであってもよい。冷却温度も任意であるが、特に、冷却機構によりヒータ２ｂ近傍（あるいはギア２Ｃ近傍）におけるフィラメント３の温度が樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇ未満の温度となるように冷却することが好ましい。

（第２の実施形態）
先の実施形態においては、造形用ヘッド２に冷却機構を設ける構成としたが、この場合、造形用ヘッド２の重量が増加し、造形用ヘッド２の駆動機構１等への負荷が増加するおそれがある。

そこで、本実施形態では、造形用ヘッド２に冷却機構を設けるのではなく、フィラメント３が巻回されたカートリッジ４を冷却することで、フィラメント３の硬度を維持するようにしている。具体的には、図４に示すように、フィラメント３のカートリッジ４を冷却庫１１内に収容する構成としている。

冷却庫１１内の温度は、造形用ヘッド２のヒータ２Ｂで加熱されるまでフィラメント３が硬度を保ち得る温度に設定すればよい。供給されるフィラメント３の温度が造形用ヘッド２のヒータ２Ｂに至るまでガラス転移温度Ｔｇ以下に保たれれば、ギア２Ｃの噛み込みによる送り出しが円滑に行われ、座屈することなくヒータ２Ｂで加熱され、ノズル２Ａへと供給される。

本実施形態の３Ｄプリンタのように、フィラメント３のカートリッジ４を冷却庫１１で冷却するような構成とする場合、冷却庫１１をオプションパーツとすれば、様々な３Ｄプリンタに適用することができ、簡単に普及させることができるという利点がある。

（第３の実施形態）
本実施形態の３Ｄプリンタは、装置全体を冷却庫内に収容し、フィラメント３を冷却するようにしたものである。図５に示すように、フィラメント３のカートリッジ４から、駆動機構１、造形用ヘッド２、基台５までを含めて、装置全体が冷却庫２０内に収容されている。このような構成とすることにより、フィラメント３をヒータ２Ｂで加熱するまで確実に低温に保つことができ、フィラメント３の円滑な供給を実現することができる。なお、前記構成において、図６に示すように、フィラメント３が巻回されたカートリッジ４を冷却庫２０の外に設置し、造形用ヘッド２を含む３次元造形物Ｍの造形部が冷却庫２０内に収容されるようにすることも可能である。

本実施形態の場合、フィラメント３をヒータ２Ｂで加熱するまで確実に低温に保つことができるという効果が得られる他、造形エリア（基台５や３次元造形物Ｍ）まで冷却することができ、ノズル２Ａから出た後の樹脂材料を冷却して、造形速度を向上するという効果も得ることができる。

以上、本発明を適用した実施形態についてを説明してきたが、本発明が前述の実施形態に限られるものでないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

１駆動機構
２造形用ヘッド
２Ａノズル
２Ｂヒータ
２Ｃギア
２Ｄフィラメント供給路
３フィラメント
４カートリッジ
５基台
６，７放熱フィン
８，９ペルチェ素子
１０冷却管
１１，２０冷却庫

Claims

樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、
フィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するフィラメント送り機構を有するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間に少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構を有し、
前記冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子が配されていることを特徴とする３Ｄプリンタ。
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、
フィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するフィラメント送り機構を有するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間に少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構を有し、
前記冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管が配されていることを特徴とする３Ｄプリンタ。
前記フィラメント送り機構からヒータまでの間、及びフィラメント送り機構の手前位置に前記冷却機構が設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の３Ｄプリンタ。
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３Ｄプリンタであって、
前記フィラメントが巻回されたカートリッジのみが冷却庫内に収容され、供給されるフィラメントが予め冷却されることを特徴とする３Ｄプリンタ。
前記フィラメントを構成する樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇが４０℃以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の３Ｄプリンタ。
前記フィラメントを構成する樹脂材料が形状記憶樹脂であることを特徴とする請求項５記載の３Ｄプリンタ。
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３次元造形方法であって、
フィラメント送り機構によりフィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間において、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に放熱フィン及び放熱フィンと接するペルチェ素子を配し、
少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする三次元造形方法。
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３次元造形方法であって、
フィラメント送り機構によりフィラメントをギアで噛み込んでノズルへ供給するとともに、少なくとも前記フィラメント送り機構からヒータまでの間において、少なくとも前記フィラメントを冷却する冷却機構としてフィラメントの周囲に冷媒が流される冷却管を配し、
少なくとも前記フィラメントを冷却することを特徴とする三次元造形方法。
樹脂材料からなるフィラメントを造形用ヘッドに設けられたヒータで溶かしてノズルから押し出し、これを積層することで造形する熱溶融積層方式の３次元造形方法であって、
前記フィラメントが巻回されたカートリッジのみを冷却庫内に収容し、供給されるフィラメントを予め冷却することを特徴とする三次元造形方法。