JP6669748B2 - 粒体及び／又は液体を供給される３ｄプリンタヘッドのための粒体／液体流量調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載の粒体及び／又は液体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体／液体流量調節装置に関する。

米国特許出願２０１２０２３７６３１号により、粒体が供給される３Ｄプリンタに対するスクリュー供給システムが知られている。プリンタの運転中にしばしばプリンタヘッドから供給された粒体への熱伝達の問題が生じる。このことは粒体がプリンタヘッドの供給路内及び／又は供給スクリュー内に付着することに寄与する。この粒体の付着は、特にプラスチックからなる粒体において不規則な材料の流れを引き起こすことがある。プリンタヘッドに向かう不規則な材料の流れにおいて不規則な層を形成する結果、適用された材料の厚さが種々異なるという問題が生じる。例えばある部分では厚さが不足しているが、第２の部分では過剰であるということが起こり得る。

本発明の課題は、粒体及び／又は液体を供給される、特にプラスチックからなる粒体用の３Ｄプリンタヘッドのための粒体／液体流量調節装置を実施することである。

上記の課題は請求項１の特徴部に記載の装置によって解決される。

本発明による装置は、粒体及び／又は液体を供給される３Ｄプリンタヘッド内に設けられている。３Ｄプリンタヘッドは流路を通して例えばプラスチックからなる粒体及び／又はプラスチックからなる液体が供給される。供給路は粒体及び／又は液体をチャンバ内に誘導し、チャンバは下側に加熱プレートを有することができ、加熱プレートの開口部から溶融材料又は液状材料が流出できる。本発明によりコンベヤ又は半径方向搬送コンベヤが実質的に開口部の中心に配置されてプレート上に当接している。このコンベヤは駆動装置、例えば電動モータであってよい駆動装置と接続している駆動輪によって操作される。駆動装置と半径方向コンベヤとの間には、好ましくは相対回動不能なカップリングが接続されている。更に半径方向コンベヤと駆動装置との間には、ばね要素が接続されていて、半径方向コンベヤに対して力を及ぼすことができるようになっている。このばね要素は、例えば１個のばねであってよい。別の実施形態において力はおもり及び／又は駆動装置の自重によって生み出すことができる。別の実施形態では、力は磁石、例えば電磁石によって生み出される。

それゆえ正面側の半径方向コンベヤは、材料を開口部に向かって誘導し、又は材料を再び開口部と反対の方向に誘導する。加熱プレートと半径方向コンベヤとの間の圧力が大きくなり過ぎ、それゆえ過剰な材料が開口部を通して吐き出されると、ばね要素が圧縮されて半径方向コンベヤが上昇する。このようにして半径方向コンベヤは圧力に依存して加熱プレートから離れ、コンベヤの効率は圧力に依存して減少する。

別の実施形態では加熱プレートが回転し、半径方向コンベヤは静止している。

この場合、正面側プレートは駆動装置と接続されている。

別の実施形態において圧力が検知され、一定の材料の流れを達成するために半径方向コンベヤ及び／又は正面側加熱プレートの速度が圧力に依存して調整される。

粒体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体流量調節装置の特徴及び詳細は、図面に示された本発明の好適な実施形態の以下の説明から明らかになる。

本発明による粒体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体流量調節装置（参照符号１）の断面図である。 本発明による粒体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体流量調節装置の断面図である。 スパイラルコンベヤの正面図である。 別のスパイラルコンベヤの正面図である。 本発明による粒体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体流量調節装置（参照符号３００）の別の実施形態の断面図である。 別のスパイラルコンベヤの下面図である。 図６のスパイラルコンベヤの３次元図である。 加熱プレートの３次元図である。 別のスパイラルコンベヤの側面図である。 別のスパイラルコンベヤの正面図である。 別のスパイラルコンベヤの上面図である。 別のスパイラルコンベヤの側面図である。 別のスパイラルコンベヤの正面図である。 別のスパイラルコンベヤの上面図である。 本発明による粒体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体流量調節装置（参照符号４００）の別の実施形態の断面図である。

この押出しユニットの場合、押し出されるプラスチックの搬送及び混合のためシリンダオーガーは設けられておらず、螺旋状流路で材料を搬送するスパイラルコンベヤが設けられている。このスパイラルコンベヤ１０は半径方向にディスク１２から引っ込められている。このディスク１２はカップリング１４と接続されており、カップリング１４はディスク１２の歯１６と軸方向凹部との間で係合して、ディスク１２はカップリング１４と相対回動不能に、しかし軸方向に移動可能に接続されている。カップリング１４とディスクの端面との間にはコイルばね２４が緊定されている。カップリング１４は模式的に示された駆動装置６０の駆動軸１８と固く接続されている。更にカップリング１４は滑り継手２２を介してハウジング２０で移動でき、滑り継手２２は軸方向荷重を吸収して熱をハウジング２０に流れるようにする。

ばね２４はディスク１２を、それゆえコンベヤ１０を加熱プレート２６に押し付け、加熱プレート２６は公知の仕方で熱源によって加熱され、その温度は温度計によって監視される。コンベヤ１０が回転すると、プラスチックが移動する。プラスチックは回転方向に応じて流出口２８に向かい、又は流出口２８から離れる方向に押しのけられる。ばね力は、材料の出口３４における振動を減衰し、出口３４は好ましくは慣用的な押し出し機の分野で知られているノズルによって形成される。コンベヤ１０及びそのディスク１２と加熱プレート２６との間の圧力が高すぎて過剰なプラスチック３２が吐き出されると、コンベヤ１０はそのディスク１２によって持ち上げられて、コンベヤ１０の効率が低下する。コンベヤ１０がそのディスク１２によって持ち上げられると、プラスチックは一番外側にある流路部分３０に流れ、その結果として圧力が低下する。弾性圧力、回転速度及び流出口２８の寸法は、平均的な圧力の存在下でコンベヤ１０がそのディスク１２と共に容易に対向面から浮き上がり、圧力が低下するに連れて効率の上昇が可能になるように選択すべきである。コンベヤ１０とそのディスク１２及び加熱プレート２６は円錐形であってもよい。

プラスチック３２は既にコンベヤ１０とディスク１２の上側３６及び／又は側方で溶融し、そこから流路の入口３８に向かって流れる。コンベヤ１０の扁平な構造は、溶融したプラスチックが集まる流路の外側入口３８の領域で、シリンダスクリューよりはるかに大きい外径を有しており、このことはプラスチック３２が事前に溶融する場合に、プラスチックの供給を改善する。

射出成形又は３Ｄプリンタヘッドの標準的構成において、プラスチックは搬送コンベヤとシリンダとの間で溶融する。コンベヤに進入する前に比較的大きい面で溶融することは、プラスチック内に含まれている水が容易に流出でき、それにより気泡形成が減少する利点がある。

溶融槽の上方では冷却流４０が流れて湿気を運び去ると同時に粒体を溶融槽４２に沈降する前に冷却し、それにより粒体は塊状にならず、プラスチックの粒体４４の補給を危うくすることはない。

空気流は溶融槽の上方のハウジング又はチャンバも冷却し、それによって加熱プレート２６とプラスチック３２の熱は、加熱されると不利であり得る構成部材に完全に伝えられることはない。この効果は内側に設けた冷却リブ４６によって高めることができる。空気流４０がハウジングから流出する領域は、プラスチック粒体４４がハウジング２０内に、例えば格子４８の形で留まるように構成されている。

プラスチック粒体４４は直接ハウジング４０から取り込むことができる。繊維などの材料、例えばガラス繊維が、プラスチック粒体４４に混ぜられてもよい。このようにすることによって最終製品の強度又はその他の特徴を増すことができる。

空気流４０がハウジング２０から出る領域（空気流５０の出口）は、プラスチック粒体４４を戻すことができるように構成することもできる。溶融槽４２の上方のハウジング２０内には所望の量のプラスチック粒体４４が留まり、残りは再び吹き飛ばされて粒体貯蔵器に搬送され、そこで以前粒体４４をハウジング２０に向かって搬送した空気流に再び捕捉されることができる。その利点は、粒体貯蔵器から押出し機までの大きい間隔を橋渡しできることであり、その際にプラスチック４４粒体及び冷却空気５２に粒体供給の大きい振動が生じることはないが、これは例えばプラスチック粒体４４が停滞することにより自然に格子４８で発生し得る。

冷却されるハウジング２０と加熱される加熱プレート２６は、熱伝導性の高い材料からなるが、熱絶縁体５４によって互いに熱的に絶縁されている。ハウジング２０の内側の領域でハウジング２０と加熱プレート２４は互いに近づけられており、それによってプラスチック３２は液状で接触し、又は溶融によって固まらないので溶着を避けることができる。熱絶縁材料が絶縁のために十分広くなることができるように、ハウジング２０と加熱プレート２６を内側でリブによって一緒にまとめることができる。

プラスチックフィラメントからなる材料を用いるプリンタヘッドと比べた利点として、プラスチックは調達価格がはるかに安く、また粒体だと種々異なるプラスチックの選択の幅がはるかに広いという事実が挙げられる。例えばガラス繊維強化ポリアミドは非常に安定しており、冷却直後の収縮が著しく少なく、より良好なダイカスト結果をもたらす。原料は予備乾燥できるが、これはフィラメントの場合は破断を来すことがあり、それらが駆動輪に達すると印刷中断を招く。プラスチックを乾燥させると加工時の気泡形成が減少する。印刷工程はわずか数ｋｇしかないフィラメントの全長に限られていない。工業顆粒を加工するプリンタはほとんど入手できない。なぜならプリンタは主として内製品であり、原則としてプラスチックを低い温度で加工し、機械的特性は弱い。断熱に関する問題があり、それが粒体の望ましくない接着を来すことがある。これは材料供給の中断を招く可能性がある。別の問題は、とりわけ加工温度が比較的高いプラスチックで材料が不規則に吐き出されることであり、これは溶融領域における多くの要因によって引き起こされ、原則として有用でない結果をもたらす。

好適な実施形態３００においてプリンタヘッド内に触覚センサ２００が挿入される。この触覚センサ３００はプリンタヘッド内の材料の高さを検知して、所定の材料の高さを超えると材料供給を絞る。例えば供給ユニット２０１の速度が抑えられるか、又は完全に停止される。

有利な実施形態において、気体の流出を減らすために、材料供給ユニット２０１における少なくとも１個の閉鎖部材２９９がチャンバに取り付けられている。

有利な実施形態において、この触覚センサ２００はプリンタヘッドに回転可能に支持されたＬ字形部材である。

別の実施形態において、供給ユニット１００を通して気体、例えばアルゴンをプリンタヘッドに導入できる。加熱される粒体は周囲空気と接触する前はこの気体供給によって絶縁されている。この絶縁により空気との反応が妨げられる。更に、この気体は熱伝導に関して有利な特性を有することができる。

好適な実施形態３００において、材料供給部における１個以上の閉鎖部材２９９がプリンタヘッド内に取り付けられている。これらの閉鎖部材２９９は、空気がプリンタヘッドのチャンバ内に流入するのを防ぐために直列に取り付けることができる。

図５ではディスク１１２は中央に向かって持ち上がるのではなく、側面に向かって持ち上がるように実現されている。ディスク１１２の回転により連続的な流れが生み出されて、プラスチックがチャンバの側壁と接触することが妨げられる。外壁と材料が接触すると軟骨質の形成を来し、又はガラス繊維のように粒体に添加される材料が分離する。

ディスクは回転運動も垂直運動も実行できる。本発明によりこの垂直運動は、液状プラスチックに過大な圧力がかかり、それゆえ過剰な材料１３４がプリンタヘッドから流出すると加熱プレート１２６から離れる方向に行われ、液状プラスチックにかかる圧力が低下すると、ディスクは加熱プレート１２６に接近する。

図６及び図７に特に有利なディスク１１２が示されている。隆起部１１２ａにより材料は流出口１２８に向かって連続的に押しやられる。

図８では加熱プレート内に凹部１２６ａが示されている。凹部１２６ａは、有利には流出口への材料の流れを改善することを可能にする。

図９ａ、図９ｂ、図９ｃ及び図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃには、別の有利なディスク１１２が示されている。これらのディスクは所定の流路を通って流出口に向かう材料の流れを最適化し、流路はそれらの螺旋状配置により流出材料の量の調整を助長する。

図１１には本発明による別のプリンタヘッド４００が示されている。このプリンタヘッドは、材料の高さを確認し、それによって供給を調節するために、例えば超音波装置又は赤外線装置４５０を含んでいる。プリンタヘッド４００は吸引ユニット４６０を有している。吸引ユニット４６０は流出口４３４の直上に配置されている。吸引ユニット４６０はチャンバ４６１を含んでおり、チャンバ４６１は流出路４６２によりプリンタヘッド４００の内室と流出口４３４を接続している。

チャンバ４６１内にはピストン４６３が移動可能に配置されている。このピストンはアクチュエータと接続されている。印刷工程が終了すると材料の滴下を妨げるためにアクチュエータが作動して、ピストンが移動し、チャンバ４６１が材料を収容できるようにする。印刷工程が再開すると材料は再び流路内に押しやられる。チャンバ４６１が加熱プレート４２６と接触していることによって材料は液状に留まる。

本発明の別の有利な実施形態において、流出口４３４は固有の軸の周りを回転できるように構成されている。このようにすることによって流出口４３４から出る材料は回転させられる。それにより材料噴射は、例えばアーチ状の印刷形態でより良好に使用できる。

更に回転によって材料は紐状に束ねられ、糸の形成が妨げられる。印刷工程の終了時には流出口が回転することによって所定の切取り箇所が形成される。

図示されていない実施形態において、粒体に代えて液状の２成分系プラスチックが使用される。これもコンベヤを通して流出口に供給される。好適な実施形態において紫外線放射器がプリンタヘッドに取り付けられている。プリンタヘッドを通って流出するプラスチックをこの紫外線放射器により硬化させることができる。

最後に、以上説明した粒体及び／又は液体のための粒体／液体流量調節装置に、添付の特許請求の範囲によって確定される保護範囲を逸脱することなく、追加、変更、又は当業者には自明の改変を加えることができるのは言うまでもない。

１ プリンタヘッド
２ 気体供給
３ 内室
１０ スパイラルコンベヤ
１２ ディスク
１４ カップリング
１６ 歯
１８ 駆動軸
２０ ハウジング
２２ 滑り継手
２４ ばね
２６ 加熱プレート
２８ 流出口
３０ 流路部分
３２ プラスチック
３４ 出口
３６ 上側ディスク
３８ 流路の入口
４０ 冷却流
４２ 溶融槽
４４ プラスチック粒体
４６ 冷却リブ
４８ 格子
５０ 空気流
５２ 冷却空気
５４ 熱絶縁体
６０ 駆動装置
１００ 気体の供給ユニット
１１２ ディスク
１１２ａ 上昇
１２６ 加熱プレート
１２６ａ 凹部
１２８ 流出口
１３４ 材料
２００ 触覚センサ
２０１ 材料供給ユニット
２９９ 閉鎖部材
３００ プリンタヘッド
４００ プリンタヘッド
４１２ コンベヤ
４２６ 加熱プレート
４３４ 流出口
４５０ 超音波装置／赤外線装置
４６０ 吸引ユニット
４６１ チャンバ
４６２ 流出路
４６３ ピストン

Claims (15)

1. 粒体及び／又は液体を供給される３Ｄプリンタヘッドのための粒体／液体流量調節装置であって、前記装置は流路（２）を通して供給される３Ｄプリンタヘッド（１）内に配置されており、
   前記プリンタヘッドはチャンバ（３）を含んでおり、
   前記チャンバ（３）は面（２６）を有しており、
   前記面（２６）は少なくとも１個の流出口（２８、１２８，４３４）を有する、
   装置において、
   少なくとも１個のスパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）が、前記チャンバ（３）の内部に配置されており、且つ、材料（３２、３４）、好ましくはプラスチックを前記少なくとも１個の流出口（２８、１２８、４３４）に供給するように構成されており、
   力発生機が、前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）に面（２６）に向かう力を付与するように設けられ且つ構成されており、
   前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）と前記面（２６）との間隔は、供給される前記材料（３２，３４）の圧力が過剰な際には、前記スパイラルコンベヤの効率を低減するように調整されるように構成されていることを特徴とする、装置。
2. 前記材料は粒体であり、前記面（２６）は加熱されるように構成されている、又は、前記材料は液状の２成分系プラスチックであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記力発生機が、前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）に作用するばねとして設計されている、又は、前記力発生機が、おもり及び／又は前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）の駆動装置（６０）の装置重量として設計されている、ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記力発生機が、前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）に作用する磁石又は電磁石として設計されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記下部面（２６）と前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）との間の相対速度は材料（３２、１５、３４）の圧力に依存して調整されるように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記プリンタヘッドにプラスチックを硬化させるための紫外線ランプが取り付けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. ディスク（１２）を伴う前記スパイラルコンベヤと、前記チャンバ（３）の前記面（２６）とが、円錐形であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 少なくとも１台の吸引ユニット（４６０）が、前記流出口の上方に配置されており、前記吸引ユニット（４６０）が、チャンバ（４６１）を有しており、前記チャンバ（４６１）が、前記スパイラルコンベヤ（１０、１２、１１２、４１２）を収容する前記プリンタヘッドの内室を流出路（４６２）により前記流出口に接続しており、前記チャンバ（４６１）内では駆動装置に接続されたピストン（４６３）が移動するように配置されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記装置は、材料高さを測定するための少なくとも１個のセンサを前記内室（３）内に有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記センサは触覚センサ（２００）であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記センサは超音波装置又は赤外線装置（４５０）であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
12. 前記内室（３）内に気体を供給するための気体のための供給ユニットにより特徴付けられる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 気体の流出を減らすために、材料供給ユニット（２０１）において少なくとも１個の閉鎖部材（２９９）が前記チャンバ（３）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
14. 前記流出口（２８、１２８、４３４）が回転するように構成されていることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. ３Ｄプリンタヘッドに粉体及び／又は液体を供給するための方法であって、
    前記粉体及び／又は液体を、供給路により、開口を有するプレートを伴うチャンバ内に誘導するステップであって、前記粉体及び／又は液体から得られる溶融又は液体材料が、前記開口を通して流出可能である、ステップと、
    前記チャンバ内に配置されたスパイラルコンベヤに軸方向の力を付与するステップと、
    前記スパイラルコンベヤを前記プレートに対して回転させることにより、前記材料を前記開口に向かう方向に誘導する、又は、前記材料を前記開口から離れる方向に再び誘導するステップであって、前記材料の圧力が過剰な際には、前記スパイラルコンベヤが、付与された前記力に抗して上昇し、前記スパイラルコンベヤの効率が低減する、ステップと、
    を備える、方法。

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