JP2017144580A - 造型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸の外周面に造形物を成型できるようにする。【解決手段】造型装置は、回転駆動機構５１と、回転駆動機構５１によって回転駆動され、回転駆動機構５１の軸と同軸となるように回転軸９０を保持する保持部５２と、回転軸９０の径方向外方に配され、硬化性材料を回転軸９０の外周面に向けて回転軸９０の径方向内方に吐出するノズル３０と、ノズル３０が回転軸９０に対して相対的に回転軸９０の軸方向に移動するようにノズル３０又は保持部５２を駆動する直動駆動機構２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、硬化性材料を回転軸の径方向内方へ吐出することによって回転軸の外周面に造型物を成型する造型装置に関する。

特許文献１には、造型テーブルの上方に配されたノズルが造型テーブルに対してＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に相対移動及び回転するように、造型テーブルの位置制御をＸＹ軸制御装置、Ｚ軸制御装置及びθ軸制御装置によって行いつつ、ノズルから下方に向けて溶融素材を吐出する技術が開示されている。特許文献１では、ノズルや造型テーブルがＸ方向（Ｘ軸）、Ｙ方向（Ｙ軸）、Ｚ方向（Ｚ軸）及びθ軸に対してどのような向きになっているか明らかにされていないものの、ノズルから吐出された溶融素材が造型テーブル上に積層されるので、造形物が造型テーブルの垂直方向に成長するように成型される。

特開２００２−１２７２５１号公報

特許文献１に記載の技術を利用して、軸の外周面に造形物を成型するには、軸を倒伏した状態で造型テーブル上に設置する必要がある。そうした場合、軸の外周面全体に溶融素材を積層することができない。一方、軸を立てた状態で造型テーブル上に設置すると、ノズルから吐出された溶融素材が軸の外周面に沿って下方に落下するので、溶融素材が軸の外周面に付着せず、軸の外周面に造形物を成型することができない。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、軸の外周面に造形物を成型できるようにすることである。

上記目的を達成するための主たる発明は、回転駆動機構と、前記回転駆動機構によって回転駆動され、前記回転駆動機構の軸と同軸となるように回転軸を保持する保持部と、前記回転軸の径方向外方に配され、硬化性材料を前記回転軸の外周面に向けて前記回転軸の径方向内方に吐出するノズルと、前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に前記回転軸の軸方向に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する直動駆動機構と、を備える造型装置である。

本発明の他の特徴については、後述する明細書及び図面の記載により明らかにする。

本発明によれば、回転軸の外周面に造形物を成型することができる。

図１は、造型装置の正面図である。 図２は、造型装置の平面図である。

後述する明細書及び図面の記載から、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

回転駆動機構と、前記回転駆動機構によって回転駆動され、前記回転駆動機構の軸と同軸となるように回転軸を保持する保持部と、前記回転軸の径方向外方に配され、硬化性材料を前記回転軸の外周面に向けて前記回転軸の径方向内方へ吐出するノズルと、前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に前記回転軸の軸方向に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する直動駆動機構と、を備える造型装置が明らかとなる。
これにより、ノズルが回転軸の径方向内方へ硬化性材料を吐出するので、ノズルから吐出された硬化性材料が回転軸の外周面又はその外周面に堆積済みの層に付着する。また、直動駆動機構によりノズルが回転軸に対して相対的に回転軸の軸方向に移動され、回転駆動機構により回転軸が回転されるので、硬化性材料を回転軸の外周面全体に積層することができる。よって、回転軸の外周面に造形物を成型することができる。

前記回転駆動機構が前記保持部を間欠的に回転駆動し、前記保持部の一時停止中に前記直動駆動機構が前記ノズル又は前記保持部を前記回転軸の軸方向に駆動することが望ましい。
また、前記ノズルの吐出方向が鉛直下方であり、前記回転軸の軸方向が水平方向であることが望ましい。
これにより、保持部及び回転軸の一時停止中にノズルが回転軸に対して相対的に回転軸の軸方向に移動する際に、ノズルが硬化性樹脂を吐出して、ノズルの先端から吐出される硬化性材料が回転軸の外周面の母線をなぞるよう堆積される。回転軸の一時停止中に硬化性材料が堆積されるので、回転軸の外周面又はその外周面に堆積済みの層に付着した硬化性樹脂が安定する。

前記造型装置が、前記回転軸の軸方向及び前記ノズルの吐出方向に対して直交する方向に前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する第二直動駆動機構を更に備えることが望ましい。
これにより、誤差により回転軸が回転駆動機構の軸に対して偏角していても、直動駆動機構による移動と第二直動駆動機構による移動との組み合わせによってノズルを回転軸の軸心や外周面の母線に沿って移動することができる。

前記造型装置が、前記ノズルの吐出方向に対して平行な方向に前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する第三直動駆動機構を更に備えることが望ましい。
これにより、硬化性材料が回転軸の外周面に積層されることによって回転軸の外周面の層の厚みが増加しても、層表面とノズルとの間隔を適切な距離に制御することができる。

前記造型装置が、前記回転軸が金属材料からなり、前記回転軸の外周面が凹凸に形成され、前記ノズルが前記硬化性材料として熱可塑性樹脂を吐出することが望ましい。
これにより、ノズルから吐出された熱可塑性樹脂が回転軸の外周面に定着しやすくなる。よって、熱可塑性樹脂からなる造型物と金属材料からなる回転軸とを一体化することができる。

＝＝＝実施形態＝＝＝
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されている。そのため、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜造形装置について＞
図１は造型装置１の正面図であり、図２は造型装置１の側面図である。
図１及び図２に示すように、造型装置１は、機枠１０と、ノズル３０と、回転駆動機構５１と、チャック（保持部）５２と、Ｘ軸方向の直動駆動機構２０と、Ｙ軸方向の直動駆動機構４０と、Ｚ軸方向の直動駆動機構（昇降部３５）とを備える。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する。

＜機枠について＞
機枠１０は板状のベース部１１、サイド部１２，１３及びリア部１４を有する。サイド部１２，１３がベース部１１の左右両側部にそれぞれ立設され、リア部１４がベース部１１の後部に立設され、リア部１４によってサイド部１２，１３の後部が連結されている。

＜Ｘ軸方向の直動駆動機構について＞
Ｘ軸方向の直動駆動機構２０は、リニアガイド部材２１，２２、キャリッジ２５、Ｘ軸方向直動伝動機構及びモーター２６を有する。
リニアガイド部材２１，２２の左右両端部がサイド部１２，１３に支持され、リニアガイド部材２１，２２が左右に延在するようにサイド部１２，１３間に架設されている。リニアガイド部材２１，２２の延びる方向がＸ軸方向である。

リニアガイド部材２１，２２には、キャリッジ２５が摺動自在に取り付けられている。キャリッジ２５はリニアガイド部材２１，２２に沿ってＸ軸方向に移動可能に設けられている。モーター２６の動力がＸ軸方向直動伝動機構によってキャリッジ２５に伝動し、モーター２６によってキャリッジ２５がＸ軸方向に移動される。Ｘ軸方向直動伝動機構は例えばベルト伝動機構、チェーン伝動機構、ボールねじ伝動機構又はピニオンラック機構である。

＜Ｚ軸方向の直動駆動機構及びノズルについて＞
キャリッジ２５には、ノズル３０及び昇降部３５が搭載されている。ノズル３０は、その先端が鉛直下方に向けられた状態で昇降部３５を介してキャリッジ２５に取り付けられている。昇降部３５はノズル３０をＺ軸方向に駆動するものである。

＜熱可塑性樹脂の供給系について＞
キャリッジ２５には、ノズル３０及び昇降部３５の他に、タンク３１、ヒータ３３及び供給部３４も搭載されている。
ノズル３０は配管を介してタンク３１に連結されている。タンク３１には熱可塑性樹脂が貯留されている。タンク３１及びノズル３０にはヒータ３３が設けられており、タンク３１内及びノズル３０内の熱可塑性樹脂がヒータ３３によって加熱されて溶融される。ヒータ３３によって溶融した樹脂が供給部３４によってタンク３１からノズル３０の先端に送られて、供給部３４の圧力によりノズル３０が溶融樹脂をその先端から鉛直下方へ吐出する。ノズル３０の吐出方向はＺ軸方向に対して平行であり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して直交する。

＜Ｙ軸方向の直動駆動機構について＞
Ｙ軸方向の直動駆動機構４０はリニアガイド部材４１、移動体４２、Ｙ軸方向直動伝動機構及びモーター４６を有する。
リニアガイド部材４１は、前後に延在するようにベース部１１上に設けられている。上から又は下から見て、リニアガイド部材４１がリニアガイド部材２１，２２に直交する。リニアガイド部材４１が延びる方向がＹ軸方向である。

リニアガイド部材４１には、移動体４２が摺動自在に取り付けられている。移動体４２はリニアガイド部材４１に沿ってＹ軸方向に移動可能に設けられている。モーター４６の動力がＹ軸方向直動伝動機構によって移動体４２に伝動し、モーター４６によって移動体４２がＹ軸方向に移動される。Ｙ軸方向直動伝動機構は例えばベルト伝動機構、チェーン伝動機構、ボールねじ伝動機構又はピニオンラック機構である。

＜回転駆動機構、チャック及び回転軸について＞
移動体４２には回転駆動機構（例えばモーター）５１が取り付けられて、回転駆動機構５１の動力出力軸がリニアガイド部材２１，２２に対して平行に設けられている。この回転駆動機構５１の動力出力軸には、回転軸９０を保持するチャック５２が取り付けられている。回転軸９０はチャック５２に対して着脱可能である。回転軸９０がチャック５２に固定された状態では、回転軸９０と回転駆動機構５１の動力出力軸が同軸状に配置される。但し、チャック５２に対する回転軸９０の取付誤差が生じずに、回転軸９０と回転駆動機構５１の動力出力軸が完全に同軸状に配置されることもあるが、チャック５２に対する回転軸９０の取付誤差が生じて、回転軸９０が回転駆動機構５１の動力出力軸に対して僅かに偏角することもある。

回転軸９０は例えば樹脂材料、セラミック材料、ガラス材料又は金属材料からなる。回転軸９０がセラミック材料、ガラス材料又は金属材料である場合、回転軸９０の外周面にはシボ加工、ローレット加工等による凹凸が形成されている。

＜制御部について＞
モーター２６，４６、回転駆動機構５１、ヒータ３３、供給部３４及び昇降部３５は制御部によって制御される。

＜造形装置の動作について＞
続いて、造型装置１の動作及び造型装置１の使用方法について説明する。
回転軸９０の端部をチャック５２に装着し、回転軸９０をＸ軸方向に延在させる。また、ヒータ３３によりタンク３１及びノズル３０内の熱可塑性樹脂を加熱して、熱可塑性樹脂を溶融する。

次に、モーター２６が作動して、キャリッジ２５がリニアガイド部材２１，２２の一端部にまで移動される。
次に、モーター４６が作動して、移動体４２、回転駆動機構５１、チャック５２及び回転軸９０がモーター４６によりＹ軸方向に移動されることによって回転軸９０の軸心がノズル３０の先端の真下に位置し、ノズル３０が回転軸９０の径方向外方、具体的には上方に位置する。このように回転軸９０及びノズル３０が位置決めされた状態では、ノズル３０の先端からＺ軸方向に延長させると、その延長線は回転軸９０の外周面に交差するとともに回転軸９０の軸心にも交差する。

その後、モーター２６によりキャリッジ２５及びノズル３０がＸ軸方向に往復移動されるとともに、回転駆動機構５１によってチャック５２及び回転軸９０が回転駆動機構５１の動力出力軸回りに回転されることによって、回転軸９０の外周面がノズル３０の先端により走査される。キャリッジ２５の移動中には、供給部３４によって溶融した熱可塑性樹脂がノズル３０へ送られて、ノズル３０の先端から回転軸９０の外周面に向けて吐出される。熱可塑性樹脂の噴射タイミング（供給部３４の作動タイミング）が三次元モデルのデータに基づいて制御部によって制御され、熱可塑性樹脂が回転軸９０の外周面に積層されることで、熱可塑性樹脂の積層体たる造形物が回転軸９０の周囲に成型される。つまり、造形物は、回転軸９０の径方向外方に成長するように成型される。なお、ノズル３０から吐出された熱可塑性樹脂は、回転軸９０の外周面又は堆積済みの熱可塑性樹脂に付着して、付着後すぐに自然空冷により硬化する。

モーター２６によるキャリッジ２５の動作タイミングと回転駆動機構５１による回転軸９０の動作タイミングとの関係について詳細に説明する。回転駆動機構５１により回転軸９０が同一方向に所定角度ずつ間欠的に回転される。そして、回転軸９０の回転が一時的に停止している間にキャリッジ２５がモーター２６によりリニアガイド部材２１，２２の一端部から他端部にまで往動し、次に回転軸９０の回転が一時的に停止している間にキャリッジ２５がモーター２６によりリニアガイド部材２１，２２の他端部から一端部にまで復動する。このような動きが繰り返される。

キャリッジ２５の移動中は、ノズル３０の先端が回転軸９０の上方において回転軸９０の外周面の母線９１に沿って移動される。従って、ノズル３０の先端から吐出される熱可塑性樹脂が回転軸９０の外周面の母線９１をなぞるように堆積されていく。

チャック５２に対する回転軸９０の取付誤差が生じ、回転軸９０が回転駆動機構５１の動力出力軸に対して偏角している場合には、以上のようなキャリッジ２５の移動に合わせて、移動体４２もモーター４６によりＹ軸方向に移動される。具体的には、回転軸９０が一時的に停止した際に、Ｘ軸を基準としてＺ軸回りの回転軸９０の偏角が検出器等によって検出され、移動体４２の移動速度とキャリッジ２５の移動速度との比が検出偏角に応じたものとなるように、モーター２６，４６の速度が制御部によって制御される。従って、回転軸９０がＸ軸からＺ軸回りに偏角しているものとしても、ノズル３０の先端が回転軸９０の上方において回転軸９０の外周面の母線９１に沿って移動される。

造形物の造型中は、回転軸９０の外周面の熱可塑性樹脂層の厚みが増加していく上、熱可塑性樹脂層の厚みが一様ではない。そのような場合でも、以上のようなキャリッジ２５の移動中に、昇降部３５が三次元モデルのデータに基づいて制御部によって制御されて、ノズル３０のＺ軸方向の位置が制御されるので、ノズル３０の先端から熱可塑性樹脂層の表面（但し、ノズル３０の先端から回転軸９０の外周面までの間に熱可塑性樹脂が存在しない場合には、回転軸９０の外周面）までの距離が一定に保たれる。

＜効果・利点について＞
以上の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。
（１） ノズル３０が熱可塑性樹脂を回転軸９０の外周面に向けて回転軸９０の径方法内側へ吐出するので、ノズル３０から吐出された硬化性材料が回転軸９０の外周面又はその外周面に堆積済みの樹脂層に確実に付着する。また、回転軸９０が間欠的に回転され、回転軸９０の一時的停止期間中にノズル３０がＸ軸方向に移動されるので、熱硬化性樹脂を回転軸９０の外周面全体に積層して、造形物を成型することができる。

（２） ノズル３０の先端から吐出される熱可塑性樹脂が回転軸９０の上方から回転軸９０の外周面の母線９１をなぞるように堆積されていくので、熱可塑性樹脂が回転軸９０の外周面又は堆積済みの樹脂層に付着した後に重力により回転軸９０の周方向に流れ落ちない。特に、回転軸９０の一時停止中に熱可塑性樹脂がノズル３０の先端から吐出されるので、その熱可塑性樹脂が付着後に遠心力又は重力により流動することがない。

（３） 回転軸９０の外周面に凹凸が形成されているから、ノズル３０の先端から吐出された熱可塑性樹脂が回転軸９０の外周面に定着しやすい。よって、熱可塑性樹脂からなる造型物と金属材料からなる回転軸９０とを一体化することができる。

（４） ノズル３０が昇降部３５によりＺ軸方向に移動されることによって、ノズル３０の先端から熱可塑性樹脂の付着箇所までの距離を適切に調整することができる。

（５） 回転軸９０の軸心が誤差により偏角していても、ノズル３０のＸ軸方向の移動と回転軸９０のＹ軸方向の移動との合成によって、ノズル３０の先端から吐出される熱可塑性樹脂が回転軸９０の上方から回転軸９０の外周面の母線９１を正確になぞるように堆積される。

＜変形例について＞
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。以上の実施形態からの変更点について以下に説明する。以下に説明する変更点は、可能な限り組み合わせて適用してもよい。

（１） 上記実施形態では、回転駆動機構５１、チャック５２及び回転軸９０がリニアガイド部材４１、移動体４２、Ｙ軸方向直動伝動機構及びモーター４６によりＹ軸方向に移動する構成であった。それに対して、回転駆動機構５１が例えばサイド部１２に取り付けられ、回転駆動機構５１、チャック５２及び回転軸９０がＹ軸方向に移動しないものとしてもよい。この場合、リニアガイド部材２１，２２、キャリッジ２５、モーター２６及びＸ軸方向直動伝動機構が、一体的にＹ軸方向の直動駆動機構によってＹ軸方向に移動するように駆動される。

（２） 上記実施形態では、ノズル３０がリニアガイド部材２１，２２、キャリッジ２５、モーター２６及びＸ方向直動伝動機構によりＸ軸方向に移動する構成であった。それに対して、キャリッジ２５が例えばリニアガイド部材２１，２２の中央部に固定された固定部であり、ノズル３０がＸ軸方向に移動しないものとしてもよい。この場合、リニアガイド部材４１、移動体４２、モーター４６及びＹ軸方向直動伝動機構が、一体的に直動駆動機構によってＸ軸方向に移動するように駆動される。

（３） 上記実施形態では、ノズル３０が昇降部３５によってＺ軸方向に移動する構成であった。それに対して、ノズル３０がキャリッジ２５に固定され、ノズル３０がＺ軸方向に移動しないものとしてもよい。この場合、リニアガイド部材４１、移動体４２、モーター４６及びＹ軸方向直動伝動機構が一体的に昇降部によってＺ軸方向に移動するように駆動される。

（４） 上記実施形態では、タンク３１に貯留された熱溶融性材料が熱可塑性樹脂であったが、低温溶融性金属（例えば、はんだ）であってもよい。

（５） 上記実施形態では、熱可塑性樹脂がヒータ３３により溶融した状態で供給部３４によりノズル３０に供給されたが、固化した状態の熱可塑性樹脂又は低温溶融性金属がノズル３０に供給されてもよい。この場合、熱可塑性樹脂製又は低温溶融性金属製の線材が例えばリア部１４にリールに巻回されており、リールから引き出された線材がローラーやプーリー等によってノズル３０の先端にまで案内され、ノズル３０の先端にヒータが設けられている。そして、ローラー又はプーリー等がモーター等によって回転駆動されることによって線材がノズル３０に送られ、ノズル３０の先端のヒータにより線材の先端部が加熱されて溶融し、溶融した材料がノズル３０の先端から吐出される。ここで、これらローラー、プーリー及びモーターの組み合わせが、線材をノズル３０に供給する供給部である。

（６） 上記実施形態では、タンク３１に貯留された材料が熱可塑性樹脂であったのに対し、紫外線硬化性樹脂がタンク３１に貯留され、ノズル３３が紫外線硬化性樹脂を吐出するものとしてもよい。この場合、ヒータ３３が設けられていない。また、回転軸９０の外周面に向けて紫外線を照射する紫外線照射器がキャリッジ２５や回転軸９０の上方に設置されており、回転軸９０の外周面又は堆積済みの樹脂に付着した紫外線硬化性樹脂が紫外線により硬化する。

１…造型装置， ２０…Ｘ軸方向の直動駆動機構， ３０…ノズル， ３５…昇降部（第三直動駆動機構）， ４０…Ｙ軸方向の直動駆動機構（第二直動駆動機構）， ５１…回転駆動機構， ５２…チャック（保持部）

Claims (6)

1. 回転駆動機構と、
   前記回転駆動機構によって回転駆動され、前記回転駆動機構の軸と同軸となるように回転軸を保持する保持部と、
   前記回転軸の径方向外方に配され、硬化性材料を前記回転軸の外周面に向けて前記回転軸の径方向内方へ吐出するノズルと、
   前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に前記回転軸の軸方向に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する直動駆動機構と、を備える造型装置。
2. 前記回転駆動機構が前記保持部を間欠的に回転駆動し、前記保持部の一時停止中に前記直動駆動機構が前記ノズル又は前記保持部を前記回転軸の軸方向に駆動する請求項１に記載の造型装置。
3. 前記ノズルの吐出方向が鉛直下方であり、前記回転軸の軸方向が水平方向である請求項１又は２に記載の造型装置。
4. 前記回転軸の軸方向及び前記ノズルの吐出方向に対して直交する方向に前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する第二直動駆動機構を更に備える請求項１から３の何れか一項に記載の造型装置。
5. 前記ノズルの吐出方向に対して平行な方向に前記ノズルが前記回転軸に対して相対的に移動するように前記ノズル又は前記保持部を駆動する第三直動駆動機構を更に備える請求項１から４の何れか一項に記載の造型装置。
6. 前記回転軸が金属製材料からなり、前記回転軸の外周面が凹凸に形成され、前記ノズルが前記硬化性材料として熱可塑性樹脂を吐出する請求項１から５の何れか一項に記載の造型装置。

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