JP6837792B2 - 三次元造形装置におけるヘッド機構 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置におけるヘッド機構に関し、さらに詳細には、熱溶解積層法（ＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）法またはＦＦＦ（Ｆｕｓｅｄ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）法とも称する。）により三次元造形物を作製する三次元造形装置におけるヘッド機構に関する。

従来より、作成する三次元造形物の形状を表す三次元データに基づいて、熱溶解積層法、即ち、線状に加工した熱可塑性樹脂（本明細書においては、「線状に加工した熱可塑性樹脂」を、「フィラメント樹脂」と適宜に称する。）を溶解して積層することにより三次元造形物を作製する三次元造形装置が知られている。

こうした三次元造形装置は、そのヘッド機構として、外部から供給されたフィラメント樹脂を送り出す送出部と、送出部から送り出されたフィラメント樹脂を溶解して溶解樹脂を生成するヒーター部と、ヒーター部で生成された溶解樹脂を吐出するノズル部とを備えている。

熱溶解積層法による三次元造形装置におけるヘッド機構の送出部は、モーターなどの駆動源により回転されるプーリー（駆動プーリー）と、モーターなどの駆動源により回転されずに単に回動自在に自由回転するプーリー（自由回転プーリー）との間にフィラメント樹脂を挟み込み、駆動プーリーを回転することによりヒーター部にフィラメント樹脂を送り出していた。

ところで、上記した三次元造形装置におけるヘッド機構の送出部では、駆動源からの駆動力を単一の駆動プーリーへ伝達して、当該駆動プーリーの回転力のみでフィラメント樹脂を送出している。

このため、フィラメント樹脂を送出する際における自由回転プーリーによるフィラメント樹脂へのグリップ力が十分でなく、フィラメント樹脂が自由回転プーリーとの間でスリップしてしまい、駆動プーリーと自由回転プーリーとの間から送出されるフィラメント樹脂が曲がって送出される場合があった。

このように、送出部からフィラメント樹脂が曲がって送出されると、ヘッド機構の作動不良を生じさせる原因となる恐れがあるという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、本願明細書に記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱溶解積層法による三次元造形装置におけるヘッド機構の送出部における駆動源の数を増やすことなく、送出部からフィラメント樹脂が曲がって送出されることがないようにした三次元造形装置におけるヘッド機構を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、熱溶解積層法によりフィラメント樹脂を溶解して吐出することにより三次元造形物を作製する三次元造形装置におけるヘッド機構において、フィラメント樹脂を引き込んで送り出す送出部と、上記送出部から送り出された上記フィラメント樹脂を溶解して溶解樹脂を生成するヒーター部と、上記ヒーター部で生成された溶解樹脂を吐出するノズル部とを有し、上記送出部は、駆動源となるモーターと、上記モーターの回転による回転力を伝達されて回転する第１回転部材と、上記第１回転部材の回転による回転力を伝達されて回転する第２回転部材とを有し、上記フィラメント樹脂は上記第１回転部材と上記第２回転部材との間に挟み込まれ、上記フィラメント樹脂は上記第１回転部材と上記第２回転部材との回転により上記ヒーター部へ送り出されるようにしたものである。

また、本発明は、上記した発明において、上記モーターは、回転軸の先端に駆動ギアを有し、上記第１回転部材は、固定系部材に回転自在に支持された第１支軸に固定的に配置され、上記駆動ギアに噛み合う第１従動ギアと上記フィラメント樹脂を挟み込む第１プーリー面を備えた第１プーリー部材とを有し、上記第２回転部材は、固定系部材に回転自在に支持された第２支軸に固定的に配置され、上記第１従動ギアに噛み合う第２従動ギアと上記フィラメント樹脂を挟み込む第２プーリー面を備えた第２プーリー部材とを有するようにしたものである。

また、本発明は、上記した発明において、上記第１プーリー面と上記第２プーリー面とには、それぞれローレット加工が施されているようにしたものである。

また、本発明は、上記した発明において、上記第１プーリー面と上記第２プーリー面とには、それぞれ上記フィラメント樹脂の周面が位置可能な溝部が形成されているようにしたものである。

また、本発明は、上記した発明において、さらに、上記送出部と上記ヒーター部とを連結するフレキシブルチューブを備え、上記送出部から送り出された上記フィラメント樹脂が上記フレキシブルチューブ内を通過して上記ヒーター部へ送られるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、熱溶解積層法による三次元造形装置におけるヘッド機構の送出部における駆動源の数を増やすことなく、送出部からフィラメント樹脂が曲がって送出されることがないようにすることができるという優れた効果を奏するものである。

図１は、本発明による三次元造形装置におけるヘッド機構の実施の形態の一例を備えた三次元造形装置の概略構成斜視説明図である。 図２は、本発明による三次元造形装置におけるヘッド機構の実施の形態の一例の詳細な構成を示す斜視説明図である。 図３は、本発明による三次元造形装置におけるヘッド機構の変形例を示す構成説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置におけるヘッド機構の実施の形態の一例を詳細に説明することとする。

図１には、本発明による三次元造形装置におけるヘッド機構の実施の形態の一例を備えた三次元造形装置が示されている。

この図１に示す三次元造形装置１０は、筐体１２内の底部に配置されたガイドレール１４上に、ＸＹＺ直交座標系におけるＹ軸方向に移動自在に配設されて三次元造形物が積層されるテーブル１６を備えている。

テーブル１６の上方側には、Ｘ軸方向に平行に延長し、筐体１２の左側面部１２ａと右側面部１２ｂにその両端部をそれぞれ係止される一対のガイドレール１８が配設されている。

一対のガイドレール１８には、移動部材２２がＸ軸方向に沿って移動可能に支持されて配設されている。

移動部材２２のＹ軸方向前方側には、左側面部１２ａに穿設された孔１２ａａから筐体１２内に引き込まれたフィラメント樹脂２００を溶解して吐出するヘッド機構１００が、ケース１００ａ内に収納されてＺ軸方向に移動自在に配設されている。

なお、この三次元造形装置１０の全体の動作は、マイクロコンピューター（図示せず。）により制御される。

図２には、ケース１００ａを取り外したヘッド機構１００の構成が示されており、ヘッド機構１００は、フィラメント樹脂２００を引き込んで送り出す送出部１１０と、送出部１１０から送り出されたフィラメント樹脂２００を溶解して溶解樹脂を生成するヒーター部１２０と、ヒーター部１２０で生成された溶解樹脂を吐出するノズル部１４０とを備えている。

送出部１１０は、駆動源となるモーター１１２と、モーター１１２の回転による回転力を伝達されて回転する第１回転部材１１４と、第１回転部材１１４の回転による回転力を伝達されて回転する第２回転部材１１６とを備えている。

フィラメント樹脂２００は、第１回転部材１１４と第２回転部材１１６との間に挟み込まれ、第１回転部材１１４と第２回転部材１１６との回転によりヒーター部１２０へ送り出される。

より詳細には、モーター１１２の回転軸１１２ａの先端には、ギア１１２ｂが配設されている。なお、本明細書においては、本発明の理解を容易にするために、モーター１１２の回転軸１１２ａの先端に配設されたギア１１２ｂを「駆動ギア１１２ｂ」と適宜に称する。

第１回転部材１１４は、駆動ギア１１２ｂに噛み合うギア１１４ａとフィラメント樹脂２００を挟み込む第１プーリー部材１１４ｂとが第１支軸１１４ｃに固定的に配設され、第１支軸１１４ｃとともに一体的に回転可能に形成されている。なお、本明細書においては、本発明の理解を容易にするために、駆動ギア１１２ｂに噛み合うギア１１４ａを「第１従動ギア１１４ａ」と適宜に称する。

第１支軸１１４ｃは、ケース１００ａの内壁などの固定系部材に公知の手法により回転自在に配設されている。

第２回転部材１１６は、第１従動ギア１１４ａに噛み合うギア１１６ａとフィラメント樹脂２００を挟み込む第２プーリー部材１１６ｂとが第２支軸１１６ｃに固定的に配設され、第２支軸１１６ｃとともに一体的に回転可能に形成されている。なお、本明細書においては、本発明の理解を容易にするために、第１従動ギア１１４ａに噛み合うギア１１６ａを「第２従動ギア１１６ａ」と適宜に称する。

第２支軸１１６ｃは、ケース１００ａの内壁などの固定系部材に公知の手法により回転自在に配設されている。

第１プーリー部材１１４ｂがフィラメント樹脂２００を挟み込む第１プーリー面１１４ｂｂ、即ち、フィラメント樹脂２００と接触する第１プーリー部材１１４ｂの第１プーリー面１１４ｂｂには、摩擦抵抗を大きくするためにローレット加工が施されている。

同様に、第２プーリー部材１１６ｂがフィラメント樹脂２００を挟み込む第２プーリー面１１６ｂｂ、即ち、フィラメント樹脂２００と接触する第２プーリー部材１１６ｂの第２プーリー面１１６ｂｂには、摩擦抵抗を大きくするためにローレット加工が施されている。

これら第１プーリー部材１１４ｂの第１プーリー面１１４ｂｂと第２プーリー部材１１６ｂの第２プーリー面１１６ｂｂとにより、フィラメント樹脂２００を挟み込む。

ヘッド機構１００における送出部１１０のモーター１１２とヒーター部１２０とノズル部１４０とについては、従来より公知の技術を用いることができるので、その構成ならびに作用の詳細な説明は省略する。

また、三次元造形装置１０においては、マイクロコンピューターの制御により駆動源（図示せず。）を駆動して、移動部材２２をＸ軸方向において左方側および右方側の任意の移動し、かつ、移動部材２２に配設されたヘッド機構１００をＺ軸方向において上方側および下方側の任意の移動し、かつ、テーブル１６をガイドレール１４上でＹ軸方向において前方側および後方側の任意の移動することにより、ヘッド機構１００のノズル部１４０とテーブル１６との相対的な位置関係が三次元で変化するような構成となっている。

以上の構成において、本発明による三次元造形装置１０においては、ヘッド機構１００のノズル部１４０とテーブル１６との相対的な位置関係を三次元で変化させて三次元造形物を作製する。

ヘッド機構１００の送出部１１０においては、モーター１１２の回転軸１１２ａを矢印Ａ方向に回転すると、駆動ギア１１２ｂと噛み合っている第１従動ギア１１４ａが矢印Ｂ方向に回転する。この第１従動ギア１１４ａの矢印Ｂ方向への回転に伴い、第１プーリー１１４ｂも矢印Ｂ方向へ回転する。

また、第１従動ギア１１４ａと第２従動ギア１１６ａとが噛み合っているので、モーター１１２の回転軸１１２ａの矢印Ａ方向の回転により第１従動ギア１１４ａが矢印Ｂ方向に回転すると、第２従動ギア１１６ａが矢印Ｃ方向に回転する。この第２従動ギア１１６ａの矢印Ｃ方向への回転に伴い、第２従動プーリー１１６ｂも矢印Ｃ方向に回転する。

従って、送出部１１０においては、モーター１１２の回転軸１１２ａの矢印Ａ方向への回転に同期して、第１プーリー１１４ｂが矢印Ｂ方向へ、第２従動プーリー１１６ｂが矢印Ｃ方向へ回転する。

このため、第１プーリー１１４ｂの第１プーリー面１１４ｂｂによるフィラメント樹脂２００に対するグリップ力と第２プーリー１１６ｂの第２プーリー面１１６ｂｂによるフィラメント樹脂２００に対するグリップ力とにより、フィラメント樹脂２００をヒーター部１２０へ送り出すことができるので、送出部１１０からフィラメント樹脂２００を送り出す際のスリップが防止され、送出部１１０から送出されるフィラメント樹脂を曲げることなく送出することができる。

以上において説明したように、本発明による三次元造形装置１０におけるヘッド機構１００によれば、送出部１１０がスリップを生じさせず従来の技術と比較すると略２倍のグリップ力でフィラメント樹脂２００を送出することができ、送出部１１０から送出されるフィラメント樹脂の曲がりが防止される。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に示すように変形するようにしてもよい。

（１）上記した実施の形態においては、ヘッド機構１００を構成する送出部１００、ヒーター部１２０およびノズル部１４０が、全て移動部材２２に配設された場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、図３に示すように、送出部１１０とヒーター部１２０とを、任意の方向に曲げ可能なフレキシブルチューブ３００で連結する。そして、移動部材２２にはヒーター部１２０とノズル１４０とのみを配設し、送出部１１０は筐体１２の任意の場所に固定しておく。このようにすると、移動部材２２に重量物である送出部１１０のモーター１１２、第１回転部材１１４および第２回転部材１１６が搭載されず、移動部材２２に配置する構成を軽量かつ小型化することができる。

（２）上記した実施の形態においては、ノズル１４０がＸ軸方向およびＺ軸方向に移動するようにし、テーブル１６がＹ軸方向に移動するようにして、ノズル１４０とテーブル１６との位置関係が三次元で変化するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、テーブル１６が固定され、ノズル１４０がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動するような構成としてもよいし、ノズル１４０が固定され、テーブル１６がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動するような構成としてもよく、要は、ノズル１４０とテーブル１６との位置関係が三次元で変化するような構成であれば、どのような構成としてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、特に記載しなかったが、第１プーリー部材１１４ｂの第１プーリー面１１４ｂｂと第２プーリー部材１１６ｂの第２プーリー面１１６ｂｂとに、フィラメント樹脂２００の周面が位置可能な溝部を形成するするようにしてもよいことは勿論である。

（４）上記した実施の形態においては、第１プーリー部材１１４ｂの第１プーリー面１１４ｂｂと第２プーリー部材１１６ｂの第２プーリー面１１６ｂｂとにローレット加工が行われているが、こうしたローレット加工を行わなくてもよいことは勿論である。

（５）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、溶解したフィラメント樹脂を積層して三次元造形物を作製する三次元造形装置に用いて好適である。

１０ 三次元造形装置、１２ 筐体、１２ａ 左側面部、１２ｂ 右側面部、１２ａａ 孔、１４ ガイドレール、１６ テーブル、１８ ガイドレール、２２ 移動部材、１００ ヘッド機構、１００ａ ケース、１１０ 送出部、１１２ モーター、１１２ａ 回転軸、１１２ｂ 駆動ギア、１１４ 第１回転部材、１１４ａ 第１従動ギア、１１４ｂ 第１プーリー部材、１１４ｂｂ 第１プーリー面、１１４ｃ 第１支軸、１１６ 第２回転部材、１１６ａ 第２従動ギア、１１６ｂ 第２プーリー部材、１１６ｂｂ 第２プーリー面、１１６ｃ 第２支軸、１２０ ヒーター部、１４０ ノズル部、２００ フィラメント樹脂、３００ フレキシブルチューブ

Claims (4)

1. 熱溶解積層法によりフィラメント樹脂を溶解して吐出することにより三次元造形物を作製する三次元造形装置におけるヘッド機構において、
   フィラメント樹脂を引き込んで送り出す送出部と、
   前記送出部から送り出された前記フィラメント樹脂を溶解して溶解樹脂を生成するヒーター部と、
   前記ヒーター部で生成された溶解樹脂を吐出するノズル部と
   を有し、
   前記送出部は、
   駆動源となるモーターと、
   前記モーターの回転による回転力を伝達されて回転する第１回転部材と、
   前記第１回転部材の回転による回転力を伝達されて回転する第２回転部材と
   を有し、
   前記フィラメント樹脂は前記第１回転部材と前記第２回転部材との間に挟み込まれ、前記フィラメント樹脂は前記第１回転部材と前記第２回転部材との回転により前記ヒーター部へ送り出される三次元造形装置におけるヘッド機構であって、
   前記モーターは、回転軸の先端に駆動ギアを有し、
   前記第１回転部材は、固定系部材に回転自在に支持された第１支軸に固定的に配置され、前記駆動ギアに噛み合う第１従動ギアと前記フィラメント樹脂を挟み込む第１プーリー面を備えた第１プーリー部材とを有し、
   前記第２回転部材は、固定系部材に回転自在に支持された第２支軸に固定的に配置され、前記第１従動ギアに噛み合う第２従動ギアと前記フィラメント樹脂を挟み込む第２プーリー面を備えた第２プーリー部材とを有する
   ことを特徴とする三次元造形装置におけるヘッド機構。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置におけるヘッド機構において、
   前記第１プーリー面と前記第２プーリー面とには、それぞれローレット加工が施されている
   ことを特徴とする三次元造形装置におけるヘッド機構。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の三次元造形装置におけるヘッド機構において、
   前記第１プーリー面と前記第２プーリー面とには、それぞれ前記フィラメント樹脂の周面が位置可能な溝部が形成されている
   ことを特徴とする三次元造形装置におけるヘッド機構。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の三次元造形装置におけるヘッド機構において、さらに、
   前記送出部と前記ヒーター部とを連結するフレキシブルチューブを備え、
   前記送出部から送り出された前記フィラメント樹脂が前記フレキシブルチューブ内を通過して前記ヒーター部へ送られる
   ことを特徴とする三次元造形装置におけるヘッド機構。