JP7204245B2 - ３次元プリンタ、３次元プリンタ用のホットエンドモジュール、吐出ヘッド、及びフィラメントの送り方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱溶解積層方式（ＦＦＦ（ＦＤＭ）方式）の３次元プリンタにおけるフィラメントの送り方法、並びに３次元プリンタ用のホットエンドモジュール、吐出ヘッド、及びこれらを搭載した３次元プリンタに関する。

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造形装置として、フィラメント（フィラメント状の造形材料）を、フィラメントを融解させるためのヒーターを備えたヘッドに送り込み、融解（溶解）した造形材料を積層することで造形物を形成する、ＦＦＦ（ＦＤＭ）方式の３次元プリンタが知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている造形装置では、フィラメントリールとヘッドとの間に、フィラメントに接触するギア（回転部材）を有するモーター（エクストルーダ）が配置され、フィラメントリールから導き出されたフィラメントは、モーターの回転によってヘッドに向かって送り出される。ヘッドに送り込まれたフィラメントは、造形材であるフィラメントを加熱するヒーターから与えられる熱によって融解され、融解したフィラメントはヘッド先端に設けられたノズルの吐出口から造形ステージに向けて押し出される。ヘッドは造形ステージに対して２方向に相対的に移動しながら吐出を行い、造形ステージに融解したフィラメントを堆積させる。

このような３次元プリンタにおいては、造形動作における融解した造形材料の吐出速度は、フィラメントがヘッドに送り込まれる速度によって、すなわちモーターの回転速度によって制御される。モーターの回転速度は制御部から与えられる回転駆動信号によって、所望の回転速度となるように制御される。

特開２０１８－８９９２３号公報

しかしながら、従来の３次元プリンタにおけるフィラメントの送り方向（移動方向）は、モーターの回転軸（送りギア（送りローラ）の回転軸）に対して垂直方向となっているために、送り機構が横方向に大型となり、しかもモーターの回転速度がそのままフィラメントの移動速度（送り速度）となり、フィラメントの送り速度を微少精密制御しすることに適しているとは言えないものである。例えば、送りギアの直径を５ｍｍにした場合、１回転で１５．７ｍｍのフィラメントが送られることになり、フィラメントを０．７ｍｍ送りたい場合には送りギアを約１／２２．４回転させることなり、高解像送りには不適であり、減速比１／２２．４の減速ギアボックスが必要となり、フィラメント送り機構が大きなものとなってしまう。

また、上述の特許文献１に示されているような３次元プリンタでは、エクストルーダ（フィラメントをヘッドに送り込むギア、ギアを回転させるモーター、及びモーターの駆動をギアに伝達する軸部材などの送り機構）はヘッドから、フィラメントの上流側の離れた位置に配置されているため、ヘッドの移動に伴って、エクストルーダとヘッドとの間のフィラメントに、撓みや捻じれなどが生じ、フィラメントをヘッドへ正確な速度で送り込み難い状況が生じ得ると考えられる。このような状況は、造形材料の吐出量の精密な調整を阻害する要因となり、正確な造形動作の支障となり得る。さらに、エクストルーダが比較的大型であるために、ヘッドにエクストルーダを組み付けてモジュール化するとホットエンドモジュールの大型化を招くことになる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、微少精密にフィラメントを送ることで、より精密な造形物の形成が可能なフィラメントの送り方法、小型のホットエンドモジュール、ホットエンドモジュールを搭載した３次元プリンタ、及びホットエンドモジュールに備えられる吐出ヘッド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、ウォームギアのウォームをフィラメントに当接してフィラメントを送るようにすることで、ウォームの回転速度に加えてウォームのネジ部のネジ山の間隔（ピッチ）によってもフィラメントの送り速度を制御することができ、より微少、より精密なフィラメント送りを行うことができることを見出した。また、ウォーム（駆動軸）をフィラメントの送り方向、すなわち吐出ヘッド（の通路）に沿って（例えば、略平行）配置でき、減速ギアボックスをなくすことができ部品点数が削減でき、フィラメント送り機構を小型軽量化でき、少ないトルクで回転制御ができ、結果としてホットエンドモジュールの小型化、軽量化、製造コスト削減、造形速度の高速化を図ることができることを見出した。

さらに、ウォームを用いることで、吐出ヘッドの融解部により近い位置又は吐出ヘッドの通路内にフィラメントを押し込む力の伝達部を配置することができ、吐出ヘッドの融解部により正確かつ微少にフィラメントを送り出す（押し込む）ことができ、造形物を精度よく製造し得ることを見出した。つまり、吐出ヘッドの融解部及び吐出口に比較的近い位置でフィラメントを送り込む（押し込む）ようにしたことで、融解した造形材料の吐出量の制御をより正確かつ精密に行い得ることを見出した。

すなわち本発明は、３次元プリンタにおけるフィラメントの送り方法であって、前記フィラメントに、ネジ部を有するウォームの前記ネジ部を当接させ、前記ウォームを回転させることで前記フィラメントを送り出すようにしたことを特徴とする。

本発明において、ネジ部が当接させるフィラメントの当接部の温度は、好ましくはフィラメントの融解温度の約４０％以下の温度、より好ましくは約３０％以下の温度である。例えば、フィラメントとしてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を用いる場合の融解温度を５００℃とした場合、当接部の温度を、例えば１４０℃とされるのが好ましい。これは、当接部においてフィラメントが軟化していると、ウォームのネジ溝にフィラメントのカスが溜まるのを軽減するためである。

本発明のフィラメントの送り方法において、吐出ヘッド内（供給部内（バレル部内））において前記ネジ部を前記フィラメントに当接させて当該フィラメントを送り出すようにしてもよい。また、前記フィラメントの送り方向に沿う駆動軸によって前記ウォームを回転させるようにしてもよい。

また、本発明は、造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し、前記導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給する供給部（バレル部）、前記供給部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、前記融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び、前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り機構と、を備えた３次元プリンタ用のホットエンドモジュールであって、前記吐出ヘッドの前記供給部は、前記通路を露出させる開口部を有し、前記フィラメント送り機構は、前記開口部から前記通路内に臨んで配置されたネジ部を有するウォームと、前記ウォームを駆動させる駆動手段と、を有し、前記ウォームの前記ネジ部を前記通路内の前記フィラメントに当接させた状態で前記ウォームを回転させることによって前記フィラメントを前記下流側へ送り出すようにしたことを特徴とする。

本発明において吐出ヘッドは、供給部、融解部及び吐出部が一体的に形成されたものであってもよいし、供給部（バレル部）と融解部及び吐出部（ノズル部）とを別体としてもよいし、供給部及び融解部と吐出部とを別体としてもよい。供給部は、熱伝導性の低い金属、例えば鉄合金（ステンレス）、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の金属材料、セラミック等の無機材料を好ましく使用することができる。また、融解部及び吐出部、又は吐出部を供給部とは別体とする場合には、必ずしも供給部と同じ材質とする必要はなく、特に限定されることなく、上記金属材料、無機材料の他に、例えば黄銅（真鍮）等の従来公知の金属材料を広く用いることができる。このとき、融解部及び吐出部、又は吐出部を、供給部よりも熱伝導率が高い材料で形成するのが好ましい。好ましい一例として、供給部を６４チタンとし、吐出部をＳＵＳ３０４又は真鍮とすることが挙げられる。

本発明のホットエンドモジュールは、前記吐出ヘッドの前記供給部の前記開口部から露出する前記通路の内壁に、前記ウォームと対向する凸部が形成されるのが好ましい。また、前記吐出ヘッドの前記供給部は、前記通路を介して前記開口部と対向するように設けられた対向開口部を有し、前記フィラメント送り機構は、前記対向開口部から前記通路内に臨んで配置され、前記ウォームと対向する位置に配置されるバックアップ部材を有し、前記ウォームと前記バックアップ部材との間に前記フィラメントを挟持した状態で、前記ウォームを回転させることによって前記フィラメントが前記下流側へ送り出すようにしてもよい。本発明において、バックアップ部材及び／又はウォームは、相手方に向かってバネなどによって付勢されるのが好ましい。

また、本発明の３次元プリンタは、上述のホットエンドモジュールを搭載している。

また、本発明の吐出ヘッドは、造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し、前記導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給する供給部、前記供給部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、前記融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び、前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドであって、前記供給部は前記通路を露出させる開口部を有し、前記開口部と対向する前記通路の内壁に凸部を設けたことを特徴とする。

本発明の吐出ヘッドでは、前記凸部は、前記内壁における前記凸部が形成されるべき位置の上側及び下側の部分に凹部を形成することで設けられ得る。また、前記供給部と前記融解部と前記吐出部とは一体的に形成されるのが好ましい。

本発明によれば、造形材料であるフィラメントにウォームのネジ部を当接させ、ウォームの回転によってフィラメントを送り出すので、フィラメントをより微少且つ精密に送ることが可能となる。例えば、ウォーム（ネジ部）の最大径を約３～５ｍｍとし、ネジ山間のピッチを約０．５～１．０ｍｍとした場合、ウォームを１回転（回転軸を１回転）させることで、ピッチ分の約０．５～１．０ｍｍフィラメント送りができ、小径のウォームにおいて微細送りが可能となる。また、ウォームを用いることで、これを回転させるためのモーターのトルクが小さくてすみ、減速ギアボックスが不要となって部品点数を減らすことができ、フィラメント送り機構の小型化、軽量化、省エネルギー化を図ることができ、造形速度の高速化に寄与できる。また、吐出ヘッドの供給部に形成された開口内にフィラメント送り機構のウォームを配置するようにしたので、装置の小型化を図ることができる。また、融解部及び吐出口に比較的近い位置でフィラメントを送り込む（押し込む）ことができるので、フィラメントの送り込み速度（すなわち融解した造形材料の吐出量）の制御をより正確に行うことができる。その結果、より緻密な精度の高い造形物を形成することが可能なフィラメントの送り方法、ホットエンドモジュール、３次元プリンタ及び吐出ヘッドを提供することができる。

本発明の一実施形態のホットエンドモジュールを備える３次元プリンタの一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態のホットエンドモジュールの一例の一部断面図である。 本発明の一実施形態のホットエンドモジュールに用いられる吐出ヘッドの（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モジュールの別の例の一部断面図である。 本発明の一実施形態のホットエンドモジュールのさらに別の例の一部断面図である。 本発明の一実施形態のホットエンドモジュールのさらに別の例の一部断面図である。

先ず、図面を参照しながら、一実施形態の、ホットエンドモジュールを備える３次元造形装置（３Ｄプリンタ）について説明する。図１は、実施形態のホットエンドモジュールを備える、熱溶解積層方式の３Ｄプリンタの一例を模式的に示している。図示される３ＤプリンタＰにおいては、Ｙ軸方向に可動な造形ステージＳに、ノズル（吐出ヘッド）１００から吐出される融解した造形材料が積層されて、立体造形物が形成される。

吐出ヘッド１００には、吐出ヘッド１００の内部の造形材料を加熱して融解させる、加熱手段６０が取り付けられている。吐出ヘッド１００の上部はヘッド部Ｈに取り付けられている。ヘッド部Ｈは、Ｘ軸方向に可動なＸ軸ベルトＢｘによって、吐出ヘッド１００とともにＸ軸方向における任意の位置に移動可能とされている。Ｘ軸ベルトＢｘが設置されているＸ軸フレームＦｘは、２本のＺ軸移動機構ＢｚによってＺ軸方向に移動可能とされている。造形ステージＳにはＹ軸方向に移動可能とするＹ軸ベルトＢｙが取り付けられ、造形ステージＳはＹ軸方向における任意の位置に移動可能とされている。これにより、吐出ヘッド１００と造形ステージＳとの相対的な位置関係が３次元で調整され得る。

ヘッド部Ｈには、詳しくは後述する、吐出ヘッド１００及び加熱手段６０と共にフィラメント送り機構を一体的に備えるホットエンドモジュールが、ホルダー部を介して取り付けられている。ホットエンドモジュールが備える吐出ヘッド１００にはフィラメントリールＦＴからフィラメント状の造形材料（フィラメント）３ａが供給される。ホットエンドモジュールが備えるフィラメント送り機構は、フィラメント３ａを吐出ヘッド１００の先端側へと送り出す。送り出されたフィラメント３ａは、加熱手段６０から与えられる熱によって融解された後、吐出ヘッド１００の下端に設けられている吐出口から吐出され、造形ステージ上に積層される。

次に、図２を参照しながら、上述された３ＤプリンタＰに搭載され得る、一実施形態の３次元プリンタ用のホットエンドモジュールが説明される。図２は、一実施形態のホットエンドモジュールの一例であるホットエンドモジュール１の一部断面図である。ホットエンドモジュール１は、供給部１０、融解部２０、吐出部３０を備える吐出ヘッド１００を有している。供給部１０は、フィラメント状の造形材料である、固体の状態のフィラメント３ａを吐出ヘッド１００内に導入する導入口１１を有している。供給部１０のフィラメント下流側（導入口１１と反対側）に設けられる融解部２０は、固体の状態のフィラメント３ａを加熱して、融解した状態のフィラメント３ｂに変化させる。融解部２０の下流側に設けられている吐出部３０の下端には、融解した状態のフィラメント３ｂを吐出する吐出口３１が設けられている。吐出ヘッド１００の内部には、導入口１１から吐出口３１までを連通する、通路１２が形成されている。

吐出ヘッド１００の導入口１１が設けられている上端部には、吐出ヘッド１００を支持し、ホットエンドモジュール１が取り付けられる３次元プリンタとの連結部分（アダプター）ともなり得る、ホルダー部Ａが取り付けられている。ホットエンドモジュール１が上述された３ＤプリンタＰに取り付けられる場合、ホルダー部Ａを介してヘッド部Ｈに取り付けられ得る。ホルダー部Ａは吐出ヘッド１００の導入口１１側の熱を、吐出ヘッドから外部へ放熱させるヒートシンク部としても機能し得る。図示の例においてホルダー部Ａは円筒状であり、供給部１０の一部の外周を覆って嵌合することで吐出ヘッド１００に接続されている。なお、図示の例では、詳しくは後述されるように、ホルダー部Ａには、例えば円筒形のフィラメント送り機構４０のパルスモータ（駆動手段（駆動部））４４が吐出ヘッド１００とともに固定されて支持されている。

供給部１０の通路１２を画定する周壁には開口部１０ａが形成され、開口部１０ａからは通路１２が露出している。供給部１０に形成されている開口部１０ａには、詳しくは後述されるフィラメント送り機構４０を構成する回転部材（ウォーム）４１の一部が入り込み、フィラメント３ａに当接する。図示の例では、通路１２を挟んで開口部１０ａに対向して設けられている対向開口部１０ｂには、ウォーム４１に対向するバックアップ部材としてバックアップローラー４２の一部が入り込んで、フィラメント３ａに当接している。ウォーム４１及びバックアップローラー４２は、後述する駆動手段（駆動部）４４及び駆動軸（駆動シャフト）４３とともにフィラメント送り機構４０を構成している。なお、バックアップローラー４２は、例えば、板バネ等バネ、ゴム等の弾性体等の付勢手段により回転軸のシャフトを押圧するなどして、ウォーム４１の方向に適度に付勢されているのが好ましい。

なお、開口部１０ａは、パイプ状の吐出ヘッド１００を長さ方向に外側から通路１２が現れるまで平面切削することで形成することができる。

実施形態のホットエンドモジュールにおけるフィラメント送り機構４０は、フィラメント３ａに接して回転することによってフィラメントを下流側（融解部２０側）へ送り出す回転部材として、ウォーム（ネジ部）４１を備えている。ウォーム４１には、連続的な螺旋状のネジ溝（ネジ山）が切られており、ネジ部（ウォーム４１）はフィラメント３ａに当接する。ウォーム４１が先端に取り付けられる駆動シャフト４３は、通路１２の長さ方向（フィラメント３ａの送り方向）に延在している。ウォーム４１は駆動シャフト４３を中心に回転することによって、フィラメント３ａを供給部１０から下流側（融解部２０側）へと送り出す。ネジ部（ウォーム４１）は、バックアップローラー４２により、フィラメント３ａに適度に圧接されるのが好ましい。

駆動シャフト４３は駆動部４４が発生させる回転力により回転する。駆動部４４の発生させる回転方向とウォーム４１の回転方向とは一致している。一方、通路１２内において、ウォーム４１と対向する位置でフィラメント３ａを挟むバックアップ部材（バックアップローラー）４２は独立した駆動源を有しておらず、ウォーム４１の回転によってフィラメント３ａが融解部２０に押し込まれる動きに応じて受動的に回転する。駆動シャフト４３は、吐出ヘッド１００（通路１２）に対して僅かに傾けて配置されている。この場合、ウォーム４１（ネジ部）は、フィラメント３ａとの当接面積（当接距離）が大きくなるようにフィラメント３ａに平行に当接乃至圧接されるよう、略円錐形状とされるのが好ましい。なお、フィラメント送り機構４０の各パーツ、吐出ヘッド１００のサイズ、開口部１０ａのサイズ等によって、駆動シャフト４３を吐出ヘッド１００（通路１２）に対して平行に配置するようにできる。この場合、ウォーム４１（ネジ部）は略円柱形状とするのが好ましい。

実施形態のホットエンドモジュールは、ウォーム４１の回転によってフィラメント３ａの送りを実施する構成を有することで、比較的高い精度のフィラメント３ａの送り出しを実現している。具体的には、ウォーム４１は、ネジ山を、ネジ山が伸びる方向に沿ってフィラメント３ａに食い込ませながらネジ部をフィラメント３ａに当接させて回転することにより、フィラメント３ａを送り出す構成とされている。このとき、ネジ部のネジ山を尖らせるなどフィラメント３ａに食い込みやすい形状としたり、ネジ山が摩耗しにくい材質でウォーム４１（ネジ部）を形成したりしておくことで、フィラメント３ａとウォーム４１との間に滑りが発生するのを長期に亘って軽減でき、より確実なフィラメント３ａの送り出しが実現され得る。なお、ウォーム４１のネジ部の溝の底部（谷部）は、鋭角にも平坦にも形成され得る。

加えて、吐出ヘッド１００の開口部１０ａにウォーム４１が入り込む構成にして、送り機構４０と吐出ヘッド１００とを一体的な構成としていることで、ホットエンドモジュールの小型化が実現されている。従って、ウォーム４１からフィラメント３ａが融解する融解部２０までの距離は比較的短く、ウォーム４１からフィラメント３ａに掛かる送り出しの力によりフィラメント３ａが撓む可能性は小さい。よって、高い精度のフィラメントの送り速度の調整が可能とされ、吐出口３１からの造形材料の吐出量は正確に制御され得る。柔軟なフィラメントを用いて造形を行う場合であっても、フィラメントの撓みや捻じれなどが抑制され、良好に造形物を製造することができると考えられる。

換言すれば、本発明の一実施形態であるフィラメントの送り方法においては、フィラメント送り機構４０を構成するウォーム４１のネジ部をフィラメント３ａに当接させた状態で、ウォーム４１を回転させることによって、フィラメント３ａが送り出される。吐出ヘッド１００の供給部１０の開口部１０ａから露出する通路１２内において、ウォーム４１のネジ部はフィラメント３ａに当接し、ウォーム４１の回転によって、フィラメント３ａは下流側へと送り出される。フィラメントの送り方向（フィラメント３ａの延在方向）に沿って延在する駆動シャフト４３を駆動部４４によって回転させることで、フィラメント３ａが下流側へと送り出される。駆動部４４の回転速度の制御により、フィラメント３ａの融解部２０へ送り込まれる速度が制御され、吐出口３１から吐出される造形材料の吐出速度が制御され得る。

ウォーム４１は、駆動シャフト４３に取り外し可能に取り付けられ得る。ウォーム４１（ネジ部）のネジ山の寸法（高さ、ピッチ、進み角、等）が異なるウォーム４１が、解像度や造形において使用されるフィラメント３ａの寸法、形状、材質などに合わせて取り換えられ得る。ホットエンドモジュール１を使用して製造されるべき造形物のサイズや要求される精度に応じて、適宜、フィラメント３ａ並びにウォーム４１及びネジ山の寸法が選択され得る。また、ウォーム４１は駆動シャフト４３の先端部がウォームの形状に加工されたものであってもよい。この場合には、駆動シャフト４３が駆動部４４に対して交換可能に取り付けられる構成を有し得る。

ウォーム４１、及び、バックアップローラー４２は、フィラメント３ａに当接することによってフィラメント３ａを冷却する機能も有し得る。融解部２０から伝わる熱によるフィラメント３ａの軟化（融解）が予防され、従って、通路１２内でのフィラメントの詰まりが予防され得る。従って、ウォーム４１、及び、バックアップローラー４２は、熱伝導率の高い材質を用いて形成されることが好ましく、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属材料が用いられ得る。熱伝導率の高いセラミック、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどが用いられてもよく、高熱伝導率を有する樹脂材料が用いられてもよい。

フィラメント送り機構４０の駆動シャフト４３は、フィラメント３ａの長さ方向（通路１２の長さ方向）に沿って延び、ホルダー部Ａに一体的に固定されている駆動部４４に取り付けられ得る。駆動シャフト４３が吐出ヘッド１００の延在方向と垂直な横方向に延在する構成（例えば、フィラメント３ａの延在方向に沿って回転する回転部材が開口部１０ａ内でフィラメント３ａを送る構成）と比較すると、ホットエンドモジュール１の横方向における寸法は比較的小型とされ得る。ホットエンドモジュール１の横方向の寸法が拡大すると好ましくない場合がある。３ＤプリンタＰのヘッド部Ｈの横方向における寸法の拡大につながり、造形動作において形ステージ上の造形材料を吐出することができる領域が制限され、造形に支障を来たす場合がある。このような支障を回避する観点から、横方向の寸法が比較的小型であることが好ましい場合がある。

駆動シャフト４３は、図示されるように、フィラメント３ａの延在方向に対して、所定の角度を有するように構成され得る。これにより、駆動シャフト４３の先端に位置するウォーム４１は、フィラメント３ａに対して比較的強い力で当接され得る。この構成によって、ウォーム４１の回転によるフィラメント３ａの送り出しは、より確実に実施され得る。

駆動部４４は、例えば、パルス信号によって回転動作を制御することができるステッピングモーター（パルスモーター）である。駆動部４４がステッピングモーターである場合には、予め定められた造形プログラムに従って、造形材料の吐出を制御する駆動パルス信号が駆動パルス発生回路（図示せず）によって生成され、モーターコイル電流を供給するドライバ（図示せず）に入力される。駆動パルス信号に基づいてドライバから与えられる電流により、ステッピングモーターは回転し、その回転力は駆動シャフト４３を介してウォーム４１へと伝わり、フィラメント３ａを融解部２０へと送り込む。

図示される例では、駆動部４４は、ホルダー部Ａに固定されている。具体的には、例えばホルダー部Ａが有する開孔に略円筒形の駆動部４４が嵌合して組付けられ、ホルダー部Ａによって駆動部４４が支持されている。しかしながら、駆動部４４の構成はこれに限定されない。駆動部４４は、ホルダー部Ａの上方にこれと離間して配置することもできる。

ホルダー部Ａは、３ＤプリンタＰのヘッド部Ｈに固定されるとともにガイドシャフトに熱的に接触し、Ｘ軸ベルトＢｘによりＸ軸フレームＦｘに沿って動き回り、ヘッド部Ｈとともに熱放散する。このようなことから、ホルダー部Ａ、ヘッド部Ｈ、及び／又はガイドシャフトの熱放散性を向上するために、例えば外表面にフィンを形成したり黒色としたりする等、形状、色等を変更したり付加するようにしてもよい。

供給部１０に形成される開口部１０ａ、１０ｂは、供給部１０の断面積を小さくして、供給部１０の熱抵抗を高くし得る。開口部１０ａ、１０ｂは供給部１０における融解部２０から導入口１１への伝熱を抑制する効果をもたらし得る。すなわち、開口部１０ａ、１０ｂを有する供給部１０は、融解部２０から導入口１１への伝熱を抑制する断熱部として機能し得る。

融解部２０には加熱手段（加熱ヘッド）６０が取り付けられている。加熱手段６０から与えられる熱によって、融解部２０における通路１２内のフィラメントは融解され、バレル部１０と融解部２０との境界部下流側において固体と液体の混合した状態のフィラメント３ｃを経て、融解した状態のフィラメント３ｂに変化する。図１に示される例では２つの加熱手段６０が吐出ヘッド１００の融解部２０を挟むように設けられている。

加熱手段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、ヒートブロックなど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。図示されている例の加熱ヘッド６０は、例えば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、を有する。図１の例では、発熱抵抗体６２の絶縁基板６１と反対側には別の絶縁基板であるカバー基板６３が設けられている。

吐出ヘッド１００に加熱ヘッド６０が取付けられた状態では、加熱ヘッド６０は、その絶縁基板６１側を吐出ヘッド１００の融解部２０の平面部に、例えば銀系の厚膜ペーストを接合材料として塗布、焼成して、接合されている。なお、図２に示される例では、吐出ヘッド１００を挟んで２つの加熱ヘッド６０が取り付けられているが、例えば、吐出ヘッド１００の融解部２０が四角柱状で４つの平面部を有する場合には、その全ての平面に加熱ヘッド６０が設けられて、ホットエンド１が４つの加熱ヘッド６０を備える構成としてもよい。加熱ヘッド６０が小型のものである場合には、１つの平面部における長さ方向に、複数の加熱ヘッド６０を設けることも可能である。

加熱ヘッド６０は発熱抵抗体６２に印加される電圧の制御により融解部２０の温度を所望の温度に加熱する。融解部２０の温度は、例えば発熱抵抗体６２の抵抗値変化に基づいて検出され得る。別途センサなどの温度監視手段が設けられ融解部２０の温度が検出されてもよい。検出された融解部２０の温度に応じて発熱抵抗体６２に印加される電圧が調整され、造形物を形成する造形動作の最中には、融解部２０における通路１２内における温度分布が、造形材料が融解した状態で安定するように温度が制御される。加熱ヘッド６０の構成によって融解部２０が温度勾配を持つように加熱してもよい。例えば、融解部２０のフィラメント上流側の加熱温度が、融解部２０のフィラメント下流側の加熱温度よりも低くなるように発熱抵抗体６２を構成することで、供給部１０への伝熱量を抑制し通路１２内での造形材料の詰まりの原因となり得る、供給部１０における通路１２内でのフィラメント３ａの軟化や融解を抑制し得る。

通路１２内の供給部１０の下端部には、加熱手段６０により融解部２０で融解された造形材料が供給部１０側（導入口１１側）に逆流するのを防止する、逆流防止部材５０が必要に応じて配置され得る。図２に示される例において、逆流防止部材５０は、通路１２の内部の融解部２０の造形材料が供給される入口（供給部１０と融解部２０の境界部）に設けられた段部２１の上面に接して設けられている。逆流防止部材５０は、逆流防止部材５０よりも大きい内径を有する環状の固定部材（抜け止め部材５１）と段部２１とによって挟まれるようにして固定され得る。

図２に示される例では、逆流防止部材５０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接して保持し得るリング状に形成されている。逆流防止部材５０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のが好ましい。逆流防止部材５０に使用される材料は、フィラメントが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。逆流防止部材５０によって通路１２において融解部２０と供給部１０とが隔離されることにより、融解した状態のフィラメント３ｃ、３ｂが逆流した後に供給部１０内で固化して通路１２に詰まり、フィラメント３ａの送り出し不能の状態が発生することが予防され得る。

ホットエンドモジュール１は、図２に示されるように、逆流防止部材５０が配置されている部分（供給部１０と融解部２０との境界部分）における、吐出ヘッド１００の外周を取り囲むように設けられる温度調整部７０を有し得る。温度調整部７０は、例えば、アルミニウム、ステンレスなどの所定の厚みを有する金属ブロックのように、供給部１０と融解部２０の境界付近の熱容量を増加させる手段であり得る。すなわち、温度調整部７０は、供給部１０と融解部２０の境界付近に接して取り囲むように設けられることによって、供給部１０と融解部２０の境界部分の熱容量を増大させ得る。従って、供給部１０と融解部２０の境界付近は、所望の温度で安定して維持され得る。温度調整部７０のサイズ、形状及び寸法などは、造形材料の種類、造形動作中の造形材料の送り出し速度などに応じて適宜決定され得る。例えば、形状の具体例としては、リング状、円筒状、多角柱状などを挙げることができる。

上述した、加熱部６０によって加熱される融解部２０の温度は、例えば、フィラメント３ａに比較的高融点のスーパーエンジニアリングプラスチック材料であるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：融点３４３℃）を用いる場合には、その融点より高い４００℃～４５０℃程度とされ得る。また、逆流防止部材５０が配置され得る、供給部１０と融解部２０との境界近傍は、フィラメントの融点より低い温度とされ、３００℃～３３０℃程度に維持され得る。供給部１０と融解部２０との境界近傍は温度調整部７０が取り付けられていることにより比較的安定して、フィラメントの融解温度以下に維持され得る。

図示の例においては、温度調整部７０には、融解部２０及び吐出部３０の一部をカバーして、加熱手段６０から発生する熱を融解部２０及び吐出部３０の近傍に抑留させるカバー部材８０が取り付けられている。カバー部材８０は、熱伝導率の高いアルミニウム、ステンレスなどの金属材料を用いて形成され得る。カバー部材８０が設けられていることにより、融解部２０の入口付近から吐出部３０にかけての所定幅の領域の温度分布（温度勾配）を、フィラメントの種類に応じて、通路１２の詰まりが生じ難く安定した温度分布とすることができる場合がある。ケース部材８０と、ケース部材８０がカバーする吐出ヘッド１００との間の空間には、ガラス繊維などの耐熱性の絶縁材料が充填されてもよい。温度調整部７０及びカバー部材８０は、供給部１０（吐出ヘッド１００）よりも高い熱伝導率材料とされ、融解部２０で加熱された熱が供給部１０側へ伝わるのを抑制する。

開口部１０ａ、１０ｂが形成されていることで融解部２０から導入口１１への伝熱を抑制し得る供給部１０においては、その導入口１１で比較的低温とされ、６０℃程度に維持され得る。導入口１１の外周に取り付けられているホルダー部Ａは、導入口１１付近の熱を外部に放熱させる機能をも有しており、供給部１０の導入口１１側は比較的低い温度に維持され得る。また、開口部１０ａに入り込むウォーム４１とフィラメント３ａとの接触部においては、フィラメント３ａのガラス転移点以下とされることが好ましく、例えば１４０℃以下とされ得る。

図２に示されるホットエンド１に使用される吐出ヘッド１００の、開口部１０ａが形成されている側から見た正面図が図３（Ａ）に示され、吐出口３１側から見た底面図が図３（Ｂ）に示される。吐出ヘッド１００は、供給部１０、融解部２０、及び吐出部３０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を用いて一体的に形成されているものであってよい。吐出ヘッド１００は独立した部材を組み合わせて形成されたものでもよく、各部材の間のいずれか或いはすべてに他の部材が介在してもよい。この場合、例えば、供給部１０、融解部２０、及び吐出部３０をそれぞれ別部材として組み合わせて吐出ヘッド１００が構成され得る。

独立した部材を組み合わせて吐出ヘッド１００を形成する場合には、融解部２０及び吐出部３０に使用される部材の材料の熱伝導率が供給部１０に使用される部材の材料の熱伝導率より高いことが、導入口１１側への伝熱を抑制しつつ加熱手段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。また、供給部１０と融解部２０とを別部材とする場合には、供給部１０と融解部２０との接続において、供給部１０と融解部２０との間に逆流防止部材５０を挟み込む配置を構成することができる。

図３に示される吐出ヘッド１００は、例えば円柱状の金属棒を切削加工してなるものである。図３（Ａ）に図示される吐出ヘッド１００の全長は、例えば３３ｍｍである。吐出ヘッド１００は、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）を用いて形成される。図示の例では、供給部１０は直径が例えば３ｍｍの円柱形状（円筒形状）とされ、その長さは例えば１７．５ｍｍとされる。供給部１０の中心部には、直径が例えば２．３ｍｍの通路１２が形成されている。

供給部１０の周壁には、供給部１０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９ｍｍ、幅２．１ｍｍの開口部１０ａ、長さ９ｍｍ、幅２ｍｍの開口部１０ｂが、通路１２に対向して一対で形成されている。この開口部１０ａ、１０ｂの幅及び長さは、供給部１０の剛性を保ちながら熱抵抗を高くすることを考慮しつつ、供給部１０の通路１２の直径、又は、開口部１０ａ内に入り込むもしくは開口部１０ａから露出するフィラメント３ａと当接するフィラメント送り機構４０のウォーム４１、及び、対向開口部１０ｂに入り込むもしくは開口部１０ａから露出するフィラメント３ａと当接するバックアップローラー４２の配置やサイズとの兼ね合いで適宜決定され得る。例えば、開口部１０ａは、直径が３ｍｍのパイプ状の供給部１０を約１ｍｍ平面切削することでフィラメント３ａが露出する程度開口させられ、この開口から露出するフィラメント３ａにウォーム４１（ネジ部）が圧接する。また、例えば、開口部１０ｂは、開口幅約２ｍｍとなるまで平面切削することで開口され、開口から露出するフィラメント３ａには幅２ｍｍ未満のバックアップローラー４２が圧接する。

図示の例では、融解部２０は、角部がＣ面に形成された、例えば一辺３．２ｍｍの矩形の断面形状を有する四角柱状に形成され、その長さは例えば１２．５ｍｍである。四角柱状の融解部２０の４つの側面（平面部）のそれぞれには、加熱手段６０が取り付けられ得る。融解部２０に取り付けられる加熱手段６０のサイズ、数、位置などに応じて、融解部２０は四角柱以外の角柱状（例えば三角柱状、又は五角柱状）に形成されてもよい。融解部２０の中心には、直径が例えば１．８ｍｍの通路１２が、供給部１０の通路１２と連通して形成されている。

融解部２０における通路１２の径は、供給部１０における通路１２の径よりも小さく形成され、通路径が変化する融解部２０と供給部１０との境目には逆流防止部材５０を固定し得る段部２１が形成され得る。すなわち、融解部２０における通路１２の周壁の厚さより、供給部１０における通路１２の周壁の厚さが、薄く形成され得る。なお、融解部２０の４つの側面には、その内部の造形材料をより効率的に加熱して融解させるために、通路１２を露出させる開口が形成されてもよい。加熱手段６０が開口を塞ぐように取り付けられることで、造形材料が加熱手段６０により直接加熱されることとなり、より効率的に造形材料の融解がなされ得る。

吐出部３０は、例えば長さ３ｍｍの略円錐状とされ、融解部２０から吐出部３０の先端部（吐出口３１）側に向けて先細る形状を有している。吐出部３０は融解部２０との境界においては例えば直径３ｍｍに形成され、吐出口３１が形成されている先端部では、例えば直径１．５ｍｍに形成され、吐出口３１は例えば直径０．４ｍｍに形成される。なお、上述した吐出ヘッド１００の各部及び通路１２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。

本実施形態のホットエンドモジュールにおいては、フィラメント３ａを介してウォーム４１と対向するバックアップ部材として、バックアップローラー４２とは異なる部材が用いられ得る。図４に示される例のホットエンドモジュール１ａにおいては、バックアップ部材として、押し付け部材４２ａが採用されている。押し付け部材４２ａの一部は、対向開口部１０ｂに入り込み、ウォーム４１がフィラメント３ａと当接する部分に対応する位置においてフィラメント３ａに当接している。

押し付け部材４２ａは、板状の部材ＰＬと部材ＰＬの先端に形成される突起部ＰＲとを有している。部材ＰＬの突起部ＰＲと反対側の端部はホルダー部Ａに取り付けられている。すなわち、押し付け部材４２ａは、その一方の端がホルダー部Ａに取り付けられたカンチレバー型の部材である。突起部ＰＲは対向開口部１０ｂ内に入り込んでフィラメント３ａに当接する。ウォーム４１の回転によりフィラメント３ａが融解部２０側に送り出されるのに従って、フィラメント３ａは突起部ＰＲに対して摺動する。板状の部材ＰＬは、外力に起因する変形に対して復元力を有しており、例えばバネ性を有するステンレス鋼板などを用いて形成され得る。部材ＰＬは、その先端に配置されている突起部ＰＲを、そのバネ性によって、フィラメント３ａに対して弾性的に付勢し得る。

突起部ＰＲの表面は、高い摺動性及び耐摩耗性を有する材料で構成され得る。例えば、ポリフェニレンサルファイド(ＰＰＳ)樹脂、アセタール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などの高摺動性を有する樹脂が突起部ＰＲの表面にコーティングされ得る。押し付け部材４２ａは、部材ＰＬの先端に、これらの樹脂からなる部材を突起部ＰＲとして接合させることにより形成され得る。また、押し付け部材４２ａは、一方の端部にバンプ状の突起を有する板状の部材ＰＬを用いて、突起を上述の樹脂材料で被覆することによっても形成され得る。バックアップ部材として、バックアップローラー４２に替えて押し付け部材４２ａが使用されることにより、バックアップローラー４２の軸受けとなる部材を配置する必要がなくなる。従って、ホットエンドモジュールの横方向の寸法はさらに小型化され得る。

また、ウォーム４１と対向してフィラメント３ａを挟持する構成として、バックアップ部材（バックアップローラー４２、押し付け部材４２ａ）に替えて、通路１２の内壁に設けられる凸部が採用され得る。凸部が通路１２の内壁に設けられている構成が採用される例として、図５には、ホットエンドモジュール１ｂが示されている。この場合、ウォーム４１が入り込む開口部１０ａに対向する位置の周壁には開口部は設けられず、周壁の一部が通路１２の中心に向かって突出する凸部４２ｂが形成される。凸部４２ｂは、ウォーム４１のフィラメント３ａに当接する部分に対向して、フィラメント３ａに当接し得るように形成される。

凸部４２ｂは、吐出ヘッド１００の開口部１０ａから通路１２の内壁の凸部４２ｂ形成位置の上側（導入口１１側）及び下側（融解部２０側）を部分的に、例えば切削又は研磨することにより凹部（通路１２における凸部４２ｂが形成されている部分よりも径の広い部分）を形成することで、形成することができる。また、本実施形態では、凸部４２ｂが形成されるべき位置（フィラメント３ａを挟んでウォーム４１と対向する位置）に硬質の部材（例えば、金属又はセラミック）を接合又は蒸着することによって形成しているが、必ずしも必要ではない。つまり、ウォーム（ネジ部）４１の幅サイズ、バネによりネジ部４１を凸部４２ｂ（硬質の部材が形成されていない凸部）に押し付けるように付勢させることで、ネジ部４１をフィラメント３ａに良好に圧接することができる。本実施形態において、例えば、凸部４２ｂが形成されている部分においては、通路１２の内径は２．３ｍｍ程度とされ、凸部４２ｂの導入口１１側及び融解部２０側の凹部に対応する部分の通路１２の内径は２．５ｍｍとされ得る。凸部４２ｂの形成は、開口部１０ａから適切な工具を挿入しての通路１２の内壁への研磨、及び、硬質の部材の付与によって形成され得る。凸部４２ｂの表面は、バックアップ部材（押し付け部材）４２ａの突起部ＰＲと同様に、摺動性及び耐摩耗性の樹脂材料又は金属材料で被覆され得る。

ウォーム４１に対向してフィラメント３ａを挟持する部材として、バックアップ部材（押し付け部材）４２、４２ａに替えて凸部４２ｂを採用することにより、フィラメント送り機構４０を備えるホットエンドモジュールはさらに小型化され得る。特に、供給部１０の近傍における、横方向の寸法が比較的小さく抑制され得る。凸部４２ｂの形成は、供給部１０において同径（例えば２．３ｍｍ径）の通路１２が形成された後に、ウォーム４１と対向する位置への金属バンプの形成、又は樹脂材料のスポット溶着により実現されてもよい。

実施形態のホットエンドモジュールは、各図面に例示される構造、並びに、本明細書において例示される構造、形状、及び材料を備えるものに限定されない。実施形態のホットエンドモジュールは、その取り付けられ得る３Ｄプリンタのヘッド部Ｈの構成に応じて、ホルダー部Ａ、フィラメント送り機構４０の構成は修正され得る。実施形態のホットエンドモジュールは、図６にホットエンドモジュール１ｃとして示されるように、駆動部４４がホルダー部Ａから離間する構成を有し得る。図示の例では、駆動シャフト４３は、ホルダー部Ａと別体としてホルダー部Ａのさらに上側（フィラメント３ａの上流側）に配置されている駆動部４４まで延びている。ホルダー部Ａは導入口１１近傍を部分的に被覆して吐出ヘッド１００に取り付けられており、駆動シャフト４３の延在する部分にはホルダー部Ａは設けられていない。従って、ホットエンドモジュール１ｃでは導入口１１近傍における横方向の寸法の増大が抑制され得る。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ ホットエンドモジュール
３ａ、３ｂ、３ｃ フィラメント
１０ 供給部
１０ａ 開口部
１０ｂ 対向開口部
１１ 導入口
１２ 通路
２０ 融解部
２１ 段部
３０ 吐出部
３１ 吐出口
４０ フィラメント送り機構
４１ ウォーム
４２ バックアップローラー
４２ａ 押し付け部材
４２ｂ 凸部
４３ 駆動シャフト
４４ 駆動部
５０ 逆流防止部材
５１ 抜け止め部材
６０ 加熱手段（加熱ヘッド）
６１ 絶縁基板
６２ 発熱抵抗体
７０ 温度調整部
１００ 吐出ヘッド
ＰＬ 部材
ＰＲ 突起部
Ｐ ３Ｄプリンタ
Ｈ ヘッド部
Ａ ホルダー部
Ｓ 造形ステージ

Claims (7)

1. 造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し、前記導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給する供給部、前記供給部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、前記融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び、前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、
   前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り機構と、
   前記吐出ヘッドと前記フィラメント送り機構とを結合するホルダー部と、を備えた３次元プリンタ用のホットエンドモジュールであって、
   前記吐出ヘッドの前記供給部は、前記通路を露出させる開口部を有し、
   前記フィラメント送り機構は、前記開口部から前記通路内に臨んで配置されたネジ部を有するウォームと、前記ウォームを駆動させる駆動手段と、を有し、
   前記ウォームの前記ネジ部を前記通路内の前記フィラメントに当接させた状態で前記ウォームを回転させることによって前記フィラメントを前記下流側へ送り出すようにしたことを特徴とする３次元プリンタ用のホットエンドモジュール。
2. 前記通路は前記導入口から前記吐出口にかけて直線状に連通しており、前記吐出ヘッドの前記供給部の前記開口部から露出する前記通路の内壁に、前記ウォームと対向する凸部を形成したことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリンタ用のホットエンドモジュール。
3. 前記吐出ヘッドの前記供給部は、前記通路を介して前記開口部と対向するように設けられた対向開口部を有し、
   前記フィラメント送り機構は、前記対向開口部から前記通路内に臨んで配置され、前記ウォームと対向する位置に配置されるバックアップ部材を有し、
   前記ウォームと前記バックアップ部材との間に前記フィラメントを挟持した状態で、前記ウォームを回転させることによって前記フィラメントを前記下流側へ送り出すようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリンタ用のホットエンドモジュール。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のホットエンドモジュールを搭載していることを特徴とする３次元プリンタ。
5. 造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し、前記導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給する供給部、前記供給部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、前記融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び
   前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドであって、
   前記供給部は前記通路を露出させる縦長の開口部を有し、前記開口部の前記導入口側に寄った位置と対向する前記通路の内壁に凸部を設けたことを特徴とする、吐出ヘッド。
6. 前記凸部は、前記内壁における前記凸部が形成されるべき位置の上側及び下側の部分に凹部を形成することで設けたことを特徴とする、請求項５に記載の吐出ヘッド。
7. 前記供給部と前記融解部と前記吐出部とが一体的に形成されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の吐出ヘッド。

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