JP6942373B2 - Hot end for 3D modeling equipment, and 3D printer equipped with hot end - Google Patents
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Description
本発明は、熱融解積層方式(FFF方式、又は、FDM方式)の3次元造形装置(3次元プリンタ)用のホットエンド、及びホットエンドを搭載した3次元プリンタに関する。 The present invention relates to a hot end for a fused deposition modeling method (FFF method or FDM method) three-dimensional modeling apparatus (three-dimensional printer), and a three-dimensional printer equipped with the hot end.
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、融解した造形材料を積層することで造形物を形成する、熱融解積層方式の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。 In recent years, it has been actively carried out to manufacture a three-dimensional model by a three-dimensional printer using a computer. As a modeling device for producing such a three-dimensional model, a filament (filament-like modeling material) is sent to a head equipped with a heater for melting the filament, and the molten modeling material is laminated to form the model. A three-dimensional printer of the heat-melting lamination method is known (see, for example, Patent Document 1). In the modeling apparatus disclosed in Patent Document 1, a motor (extruder) having a gear (rotating member) in contact with the filament is arranged between the filament reel and the head, and the filament derived from the filament reel is a motor. Is sent out toward the head by the rotation of. The filament fed to the head is melted by the heat given from the heater that heats the filament, which is a modeling material, and the melted filament is pushed out toward the modeling stage from the discharge port of the nozzle provided at the tip of the head. The head discharges while moving relative to the modeling stage in two directions, and deposits the melted filament on the modeling stage.
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。 In such a three-dimensional printer, the ejection speed of the melted modeling material in the modeling operation is controlled by the speed at which the filament is fed to the head, that is, the rotation speed of the motor. The rotation speed of the motor is controlled to a desired rotation speed by a rotation drive signal given from the control unit.
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、モーターの駆動をギアに伝達する軸部材など)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。このような状況は正確な造形動作の支障となり、製造される造形物の不良をもたらすと考えられる。また、ヘッドとエクストルーダとが別体として取付けられるために、造形時の駆動部分が大型化してしまっていた。 In a three-dimensional printer as shown in Patent Document 1 described above, an extruder (a gear that sends a filament to a head, a motor that rotates the gear, a shaft member that transmits the drive of the motor to the gear, etc.) is transferred from the head to the filament. Since it is located at a remote position on the upstream side, the filament between the extruder and the head may bend or twist as the head moves, making it difficult to feed the filament to the head at an accurate speed. It is thought that it can occur. It is considered that such a situation hinders accurate modeling operation and causes defects in the manufactured model. In addition, since the head and the extruder are attached as separate bodies, the drive portion at the time of modeling has become large.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、フィラメントの送り込み動作によって、正確に造形材料の吐出を制御し得る、信頼性の高いホットエンド、及びホットエンドを搭載した3次元プリンタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and is a three-dimensional printer equipped with a highly reliable hot end and a hot end capable of accurately controlling the ejection of a molding material by a filament feeding operation. The purpose is to provide.
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、吐出ヘッドとフィラメント送り機構(エクストルーダ)とを一体化して設けることにより、フィラメントの送り速度の制御によって、融解した造形材料を正確に吐出させることができ、造形物を精度よく製造し得ることを見出した。特に、吐出ヘッドの通路内に導入されたフィラメントを、当該通路内でフィラメント送り回転部材(ギア、ローラなど)により送り出すようにすることで、つまりホットエンドにエクストルーダを搭載したことで、装置の小型化を図ることができるとともに、融解部又は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、フィラメントの送り込み速度、融解した造形材料の吐出量の制御をより正確に行い得ることを見出した。 As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventor has integrated the discharge head and the filament feeding mechanism (extruder) to accurately control the molten molding material by controlling the feeding speed of the filament. It was found that it can be discharged to the machine and the modeled object can be manufactured with high accuracy. In particular, the filament introduced into the passage of the discharge head is fed out by the filament feed rotating member (gear, roller, etc.) in the passage, that is, the extruder is mounted on the hot end, so that the device is compact. By feeding (pushing) the filament at a position relatively close to the melting part or the discharge port, the filament feeding speed and the discharge amount of the melted molding material can be controlled more accurately. Found to get.
すなわち本発明は、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当該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バレル部、前記バレル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、該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回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、前記吐出ヘッドの上端部及び前記駆動部を支持するホルダー部と、を備えた3次元プリンタ用のホットエンドであって、
前記バレル部は、前記通路が露出する開口部を有し、前記フィラメント送り回転部材は、前記開口部に一部が入り込んで設置されて前記フィラメントを前記下流側へ送り出せるようにされていることを特徴とする。
That is, the present invention has an introduction port for introducing a filament as a modeling material, a barrel portion for supplying the filament introduced from the introduction port to the downstream side, and the filament supplied from the barrel portion by heating and melting. A discharge head having a melting portion on the downstream side, a discharge portion having a discharge port for discharging the filament melted in the melting portion, and a passage communicating from the introduction port to the discharge port, and the filament. A filament feed mechanism including a filament feed rotation member for feeding to the downstream side and a drive unit for driving the filament feed rotation member, and a holder portion for supporting the upper end portion of the discharge head and the drive portion are provided. It's a hot end for 3D printers
The barrel portion has an opening in which the passage is exposed, the filament feeding rotary member, that the installed by partially enters the opening being adapted Okuridaseru the filament to the downstream It is characterized by.
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当該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バレル部、前記バレル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、該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回転部材、該フィラメント送り回転部材と対向して配置されることで当該フィラメント送り回転部材との間で前記フィラメントを挟持する押しつけ回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、前記吐出ヘッドの上端部及び前記駆動部を支持するホルダー部と、を備えた3次元プリンタ用のホットエンドであって、前記バレル部は、前記通路が露出する一対の開口部を有し、該一対の開口部は対向するように設けられ、前記フィラメント送り回転部材は、前記一対の開口部のうち一方の開口部に一部が入り込んで設置され、前記押しつけ回転部材は、他方の開口部に一部が入り込んで配置されていることを特徴とする。 Further, the present invention has an introduction port for introducing a filament, which is a modeling material, and heats a barrel portion that supplies the filament introduced from the introduction port to the downstream side and the filament supplied from the barrel portion. A discharge head having a melting portion on the downstream side to be melted, a discharge portion having a discharge port for discharging the filament melted in the melting portion, and a passage communicating from the introduction port to the discharge port, and the filament. A filament feed rotation member for feeding the filament to the downstream side, a pressing rotation member that sandwiches the filament between the filament feed rotation member and the filament feed rotation member, and the filament feed rotation member. A hot end for a three-dimensional printer including a filament feed mechanism including a drive unit for driving a member, an upper end portion of the discharge head, and a holder portion for supporting the drive unit, wherein the barrel portion is a hot end. The passage has a pair of exposed openings, the pair of openings are provided so as to face each other, and the filament feed rotating member is partially inserted into one of the pair of openings. The pressing rotating member, which is installed, is characterized in that a part of the pressing rotating member is inserted into the other opening.
本発明の3次元プリンタ用のホットエンドは、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当該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バレル部、前記バレル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、該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回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備える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であって、前記バレル部は、前記通路が露出する開口部を有し、前記フィラメント送り回転部材は、前記開口部に一部が入り込んで設置されて前記フィラメントを前記下流側へ送り出せるようにされ、前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする。 The hot end for a three-dimensional printer of the present invention has an introduction port for introducing a filament, which is a modeling material, and supplies the filament introduced from the introduction port to a downstream side, a barrel portion, and the barrel portion. It is provided with a melting portion on the downstream side for heating and melting the filament, a discharge portion having a discharge port for discharging the filament melted at the melting portion, and a passage communicating from the introduction port to the discharge port. A hot end for a three-dimensional printer including a discharge head, a filament feed rotating member for feeding the filament to the downstream side, and a filament feed mechanism including a drive unit for driving the filament feed rotating member. The barrel portion has an opening in which the passage is exposed, and the filament feed rotating member is installed so as to partially enter the opening so that the filament can be fed to the downstream side. By feeding the filament from the barrel portion to the melting portion by the filament feed rotating member, it is possible to prevent the filament melted in the melting portion from flowing back in the passage from the melting portion to the barrel portion side. wherein the ring-like backflow preventing member for being disposed in the passageway.
本発明の3次元プリンタ用のホットエンドは、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当該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バレル部、前記バレル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、該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回転部材、該フィラメント送り回転部材と対向して配置されることで当該フィラメント送り回転部材との間で前記フィラメントを挟持する押しつけ回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備える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であって、前記バレル部は、前記通路が露出する一対の開口部を有し、該一対の開口部は対向するように設けられ、前記フィラメント送り回転部材は、前記一対の開口部のうち一方の開口部に一部が入り込んで設置され、前記押しつけ回転部材は、他方の開口部に一部が入り込んで配置されており、前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする。The hot end for a three-dimensional printer of the present invention has an introduction port for introducing a filament, which is a modeling material, and supplies the filament introduced from the introduction port to a downstream side, a barrel portion, and the barrel portion. It is provided with a melting portion on the downstream side for heating and melting the filament, a discharge portion having a discharge port for discharging the filament melted at the melting portion, and a passage communicating from the introduction port to the discharge port. The discharge head, the filament feed rotating member for feeding the filament to the downstream side, and the pressing rotating member that sandwiches the filament between the filament feed rotating member and the filament feed rotating member. A hot end for a three-dimensional printer comprising a filament feed mechanism comprising, and a drive unit for driving the filament feed rotating member, the barrel portion having a pair of openings exposed to the passage. The pair of openings are provided so as to face each other, the filament feed rotating member is installed so that a part of the filament feed rotating member is inserted into one of the pair of openings, and the pressing rotating member is installed on the other. A part of the filament is arranged in the opening, and the filament is fed from the barrel portion to the melting portion by the filament feed rotating member, so that the filament melted in the melting portion melts in the passage. A ring-shaped backflow prevention member for preventing backflow from the portion to the barrel portion side is arranged in the passage.
本発明の3次元プリンタは上述のホットエンドを搭載していることを特徴とする。 The three-dimensional printer of the present invention is characterized by being equipped with the above-mentioned hot end.
本発明によれば、吐出ヘッドの融解部の上流側のバレル部に形成された開口部に、フィラメント送り機構のフィラメント送り回転部材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、融解部又は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、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、フィラメント送り機構によるフィラメント送り動作の制御により、融解した造形材料の吐出動作を正確に制御できる、造形不良が少なく信頼性の高い3次元プリンタを提供することができる。 According to the present invention, since the filament feed rotating member of the filament feed mechanism is arranged in the opening formed in the barrel portion on the upstream side of the melting portion of the discharge head, the device can be miniaturized. .. Further, since the filament can be fed (pushed) at a position relatively close to the melting portion or the discharging port, the feeding speed of the filament and the discharging amount of the melted modeling material can be controlled more accurately. As a result, it is possible to provide a highly reliable three-dimensional printer with few molding defects, which can accurately control the ejection operation of the melted modeling material by controlling the filament feeding operation by the filament feeding mechanism.
以下に、図面を参照しながら本発明の一実施形態の3次元造形装置(3次元プリンタ)用のホットエンドを説明する。図1は、本発明の一実施形態の一例であるホットエンド1の一部断面図である。ホットエンド1は、バレル部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。バレル部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。バレル部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の先端には、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。
Hereinafter, a hot end for a three-dimensional modeling apparatus (three-dimensional printer) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a hot end 1 which is an example of an embodiment of the present invention. The hot end 1 has a
吐出ヘッド100のバレル部10の導入口11が設けられているフィラメント上流側の先端の上端部には、吐出ヘッド100とフィラメント送り機構40とを支持し、ホットエンド1が取り付けられる3次元プリンタとの連結部分ともなり得る、ホルダー部Aが取り付けられている。ホルダー部Aはバレル部10に嵌合して吐出ヘッド100に接続されている。
A three-dimensional printer that supports the
バレル部10の通路12を画定する周壁には開口部10aが形成されている。バレル部10に形成されている開口部10aには、フィラメント送り機構40を構成するフィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42の一部が入り込み、フィラメント3aに当接している。図示の例では、通路12を挟んで対向して一対設けられている開口部10a、10aの一方には送りローラ41の、もう一方には押しつけローラ42の、それぞれの一部が開口部10a内に入り込み、フィラメント3aを挟んで当接している。バレル部10に形成される開口部10aは、バレル部10の断面積を小さくしてその熱抵抗を高くし得る。バレル部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する。
An
ホットエンド1の融解部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。
A heating means (heating head) 60 is attached to the
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手段(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63が設けられている。
As the heating means 60, for example, a heating head having a thick film resistor layer formed on an insulating substrate, a heat block, or the like can be widely used, but the heating head is used in terms of responsiveness and size. Is preferable. The heating means (heating head) 60 of the illustrated example includes, for example, a rectangular plate-shaped ceramic substrate (insulating substrate) 61 such as alumina or zirconia, and a band-shaped
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1の例では、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。
In a state where the
加熱ヘッド60は発熱抵抗体62に印加される電圧により融解部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、バレル部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、バレル部10における通路12内でのフィラメントの軟化、融解を抑制し得る。
The
加熱手段60と導入口11との間の通路12内、ここではバレル部10の下端部の通路12内には、加熱手段60により融解部20で融解された造形材料がバレル部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が配置されている。図1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(バレル部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ている。
In the
通路12の径は、融解部20の入口において、バレル部10側よりも融解部20側で小さくなるように形成されている。この通路12の径が変化する段差の部分(段部21)に当接して逆流防止部材50は配置され、融解部20の通路12内に入り込まないようにされている。逆流防止部材50は、抜け止め部材51と通路12の段部21とで挟まれるようにして固定されているが、抜け止め部材51は設けられずに、逆流防止部材50が通路12内に圧入されることで固定されてもよい。
The diameter of the
図1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。超弾性合金であるNi−Ti系合金はその超弾性により8%程度の回復ひずみを有しており、フィラメントの径の変動に対して充分に追従し得る。また、耐熱性の弾性を有する樹脂が用いられてもよく、例えば300℃近くの高温でもゴムとしての物性を保ち得るパーフルオロエラストマー(FFKM)が使用され得る。更に、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金も用いられ得る。超弾塑性合金は、室温で99.9%以上の冷間加工が可能である超塑性的性質から成形がきわめて容易であり、加工性も優れていることから好ましい。超弾塑性型合金の一例としては、β型チタン合金に属する、豊通マテリアル(株)製「ゴムメタル」(登録商標)が挙げられる。
In the example shown in FIG. 1, the
逆流防止部材50の形状は、その内側が固体の状態のフィラメントに密着して保持し得るリング状に形成されている。ここでリング状とは、フィラメントの外周を取り囲んで保持し得る、例えば、螺旋状、コイル状、コイルばね状、管状、筒状、ワッシャ状(平ワッシャ状、皿ワッシャ状、丸ワッシャ状)、オーリング状、テーパ付管状などを含む広義の意味である。螺旋状、コイル状又はコイルばね状の逆流防止部材50が用いられる場合にはコイルの巻き数は例えば2〜3周にされるのが好ましい。図1に示される例では、通路12内にはひとつの逆流防止部材50が設けられているが、複数個の逆流防止部材50が設けられてもよい。すなわち、複数個のリング状の部材が重ねられて通路12内に配置され得る。
The shape of the
図1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、加熱手段60が取り付けられる面の側から見た正面図が図2(A)に示され、吐出口31側から見た底面図が図2(B)に示される。吐出ヘッド100は、バレル部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。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バレル部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、バレル部10と融解部20(及び吐出部30)とを別部材とする場合には、バレル部10と融解部20との間に逆流防止部材50を挟み込んで配置することができる。
A front view of the
図2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。吐出ヘッド100の図2(A)に図示される部分の全長は例えば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、バレル部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。バレル部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。バレル部10は、融解部20よりも熱抵抗が大きくなるように形成されている。バレル部10の周壁には、バレル部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6mm、幅1.8mmの開口部10aが、通路12に対向して一対で形成されている。開口部10aは、吐出ヘッド100の長さ方向及び/又は幅方向に1つ又は複数設けてもよく、そのサイズは適宜決定され得る。この開口部10aの幅、長さ、及び数は、バレル部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、開口部10a内に入り込むフィラメント送り機構40の送りローラ41、及び、押しつけローラ42の配置やサイズとの兼ね合いで適宜決定され得る。
The
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、バレル部10の通路12と連通して形成されている。上述したように、融解部20における通路12の径は、バレル部10における通路12の径よりも小さく形成されており、通路径が変化する融解部20とバレル部10との境目には逆流防止部材50を固定し得る段部21が形成されている。すなわち、融解部20における通路12の周壁の厚さより、バレル部10における通路12の周壁の厚さが、薄く形成されている。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。
In the illustrated example, the melting
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。
The
次いで、図1及び図2を参照して、フィラメント送り機構40について詳述する。図3には、図1に示されるホットエンド1を、送りローラ41が設けられている側、すなわち図1における紙面右側から見た側面図が示されている。ホットエンド1に備えられるフィラメント送り機構40は、フィラメント送りローラ41及び押し付けローラ42を有している。フィラメント送りローラ41と押しつけローラ42とは、その外周においてフィラメント3aと接触するように配置されている。フィラメント送り機構40は、フィラメント送りローラ41の回転によって所定の速度でフィラメント3aを融解部20へと送り込むように構成されている。フィラメント送りローラ41には、回転力を発生させる動力源である駆動部43から、駆動軸41aを通じて回転力が与えられる。送りローラ41の回転速度の制御により、融解部20へ送り込まれるフィラメントの速度が制御され、それによって吐出口31から吐出される造形材料3bの吐出速度が制御される。
Next, the
押しつけローラ42は、フィラメント送りローラ41に対向する位置に、フィラメント送りローラ41とともにフィラメント3aを挟むように配置され、フィラメント3aを、送りローラ41に付勢する。押しつけローラ42は独立した駆動源を有しておらず、送りローラ41の回転によるフィラメント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。その結果、図1において矢印で示すように、フィラメント送りローラ41とは反対方向に回転する。押しつけローラ42は、例えば、バネ及びガイドを介してホルダー部Aに取付けられることで、フィラメント送りローラ41に付勢され押し付けられ得る。
The
図3に示される例では、フィラメント送り機構40の駆動部43は、ホットエンド1のホルダー部Aの一方に張り出した部分の下側に支持され、バレル部10の付近に配置されている。駆動部43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43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、その回転力は駆動軸41aを介してフィラメント送りローラ41へと伝わり、フィラメント3aを融解部20へと送り込む。
In the example shown in FIG. 3, the driving
図示の例では、駆動軸41aはフィラメント送りローラ41の回転軸と一致しており、駆動軸41aの回転方向とフィラメント送りローラ41の回転方向とが一致し、駆動軸41aの回転速度がそのままフィラメント送りローラ41の回転速度となる構成とされている。しかし、駆動部43によって与えられる駆動軸41aの回転速度を減じて、フィラメント送りローラ41に伝えるために、別のさらなるローラ(回転部材)を介して、駆動部43から駆動軸41aに与えられる回転をフィラメント送りローラ41に伝えてもよい。例えば、送りローラ41の外周に、フィラメント送りローラ41よりも小型の(径の小さい)回転部材を接するように設け、駆動軸41aからこの小型の回転部材に直接回転を伝達し、この小型の回転部材の回転によって、フィラメント送りローラ41が回転する構成としてもよい。また、フィラメント送りローラ41を内歯歯車状に形成し、駆動軸41aには、内歯歯車状のフィラメント送りローラ41の内側に配され、フィラメント送りローラ41に駆動軸41aから与えられる回転を伝達する外歯歯車状の回転部材が取り付けられる構成としてもよい。
In the illustrated example, the
駆動部43は、図示の例においては、ホットエンド1の長さ方向と垂直に張り出すホルダー部Aに支持され、フィラメント送り機構40と吐出ヘッド100とは一体化されてホットエンド1を構成している。しかし、ホットエンド1はその長さ方向と垂直方向にサイズが広がると好ましくない場合がある。造形動作においてホットエンド1が移動する際に、造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。このようなことを考慮して、フィラメント送り機構40の駆動部43は、図4に示されるように、駆動軸41aをホットエンドの長さ方向に向けて、ホルダー部Aの上部に取り付けられてもよい。この場合、駆動軸41aの回転を、送りローラ41に伝達するために、駆動軸41aと、駆動軸41bとの間に、かさ歯車、ねじ歯車、又はウォームギアなどが設けられ得る。図示の例では、駆動軸41aの回転は、かさ歯車を介して駆動軸41bに伝達されるように構成されている。
In the illustrated example, the
フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42の、フィラメント3aに接する外周の表面には、フィラメント送りローラ41の回転をフィラメント3aに確実に伝えるために、フィラメント3aの表面との摩擦力を高めるための適切な表面処理が施され得る。フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42の、フィラメント3aに接する外周の形状は、歯車状の凹凸が形成されたもの(ギア)であってよい。例えば、凸部の先端(歯先)が鋭利に形成され、フィラメント3aを確実に押し出すようにされていてもよい。
To increase the frictional force with the surface of the
フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42のサイズは、バレル部10の開口部10aに入り込み、フィラメント3aに接し得るサイズとされる。バレル部の径が3mm、通路12の径が2.3mm、フィラメントの径が1.75mm、開口10aの幅が1.8mm、開口10aの長さが6mmの場合には、フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42は、例えば、直径5mm、厚さ1.5mmに形成され得る。フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42は異なるサイズに形成されてもよい。
The size of the
フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ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する。すなわち、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)を防ぎ、通路12内でのフィラメントの詰まりを予防し得る。従って、フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ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。
The
フィラメント送り機構40が融解部20の直上に設けられてホットエンド1に一体化され、フィラメント送りローラ41、及び、押しつけローラ42が、吐出ヘッド100のバレル部10に設けられる開口部10a内に入り込んでいることによって、フィラメント送り機構40と吐出ヘッド100との間でのフィラメントの撓みや捻じれなどが発し難く、予め定められた造形プログラムに従って、フィラメントを正確に融解部20へと送り込むことが可能となる。すなわち、吐出口31からの造形材料の吐出速度を正確に制御し得る。剛性が低く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。
The
フィラメント送り機構40は、押しつけローラ42を含まず、フィラメント送りローラ41のみの構成とされてもよい。フィラメント送り機構40がフィラメント送りローラ41のみの構成とされた場合の例が図5に示される。図5に示されるホットエンド1aにおいては、図1に示されるホットエンド1と異なり、バレル部10の開口部10aは通路12の一方にのみ形成され、この開口部10a内にフィラメント3aに当接するように、フィラメント送りローラ41が入り込んでいる。フィラメント3aはフィラメント送りローラ41によって通路12の周壁に押しつけられるように付勢される。フィラメント送り機構40のローラが、フィラメント送りローラ41のみの構成とされていることによって、ホットエンド1aは小型化され得る。
The
図1に示されるホットエンド1及び図5に示されるホットエンド1aは、吐出ヘッド100の外周に取り付けられる金属部材(金属ブロック)71とケース部材(カバー部材)72とを備えている。金属部材71、及び、ケース部材72は、比較的、熱容量が大きく、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る。金属部材71は、上部に鍔状に拡がる部分を有する、略円筒形の部材であり、その中央には吐出ヘッド100の外形に適合した貫通孔が設けられている。この貫通孔に吐出ヘッド100が挿通され、金属部材71は、吐出ヘッド100の逆流防止部材50が配置されている領域の外周に接して取り付けられる。金属部材71の側面には取付用孔71aが形成されている。金属部材71はこの取付用孔71aに挿通される押しネジなどの固定手段によって、吐出ヘッド100に固定される。また、金属部材71を固定するに際して、吐出ヘッド100の融解部20の上方のバレル部10との境界の外周の一部に下側が僅かに張り出す段部22が設けられ、金属部材71は、吐出ヘッド100の上端の供給口11側から嵌入され、その下端部が段部22の上面に当接するようにして位置決めされる。なお、金属部材71の吐出ヘッド100に対する取り付け位置は、吐出ヘッド100の長さ方向に沿って移動可能とされている。
The hot end 1 shown in FIG. 1 and the
金属部材71が吐出ヘッド100の逆流防止部材50が設けられている領域付近に取り付けられることにより、吐出ヘッド100の融解部20とバレル部10との境界付近の熱容量が増大し、当該領域における温度は上昇しがたくなる。また、金属部材71の特に鍔状の部分など表面積が大きくなることで放熱効果が得られる。従って、フィラメントを溶解するために加熱手段60から吐出ヘッド100の融解部20に加えられる下流側の熱を、上流側のバレル部10に伝わるのを抑制でき、バレル部10の導入口11にかけて適切な温度にすることができる。フィラメントの固体の部分と溶融状態の部分との境目が逆流防止部材50の配置されている領域にまでシフトして、逆流防止部材50が保持している部分のフィラメントが融解し、逆流防止部材50によるフィラメントの逆流防止の機能が損われる虞が抑制される。すなわち、金属部材71は、バレル部10におけるフィラメントが固体である状態をより確実に維持することを可能にする、放熱部として機能する。
By attaching the
ケース部材72は略円筒形の形状を有しており、その上部が金属部材71の外周と嵌合するように取り付けられ、固定される。ケース部材72の上部には、切込み(溝部)72aが形成されており、上述の金属部材71の側面に形成されている取付用孔71aと当該溝部72aの位置を一致させ、押しネジなどの固定手段を溝部72a及び取付用孔71aに挿通することによって、ケース部材72と金属部材71とが一体的に吐出ヘッド100に固定される。ケース部材72は、吐出ヘッド100の加熱手段60が取り付けられた融解部20の周囲全体をカバーしている。金属部材71と嵌合されている側と反対側(吐出部30側)には、吐出口31を突出させる孔72bが設けられている。
The
ケース部材72は、吐出ヘッド100から金属部材71に伝達した熱を、融解部20側に還流させて再利用する機能を有する。金属部材71に加えてカバー部材72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。また、ケース部材72の表面による放熱効果も期待でき、フィラメントを融解するために加熱手段60から吐出ヘッド100の融解部20に加えられる下流側の熱を、上流側のバレル部10に伝わるのを更に抑制でき、バレル部10の導入口11にかけてより適切な温度にすることができる。すなわち、金属部材71に加えてケース部材72が取り付けられている場合には、ケース部材72も放熱部として機能し得る。ケース部材72と、ケース部材72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。なお、ケース部材72の上部に形成されている溝部72aは縦方向に所定の長さを有しているため、ケース部材72の金属部材71に対する取り付け位置を縦方向に移動させることが可能である。すなわち、ケース部材72が被覆する範囲は、金属部材71及びケース部材72の吐出ヘッド100に対する取り付け位置によって、任意に調整され得る。
The
上述の吐出ヘッド100は、全体として長さ33mm程度とされ、ホルダー部A、フィラメント送り機構40、金属部材71、加熱手段60、及びケース部材72が一体化されたホットエンド1、1aとしても、現存のホットエンドと比較して小型である。また、吐出ヘッド100を64チタン合金で形成する場合には、小型と相俟って極めて軽量化されている。よって、ホットエンド1、1aを2次元又は3次元に移動させて造形を行うようにした場合であっても、駆動エネルギーの省力化ができる。
The
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明において、フィラメント送りローラ41及び押しつけローラ42は、両方又は一方がギア(歯車)であってもよい。また、駆動部43としてステッピングモーターを用いた例を示したが、これに代えてリニアアクチュエータを用いることで、より小型化を図ることができる。例えば、リニアアクチュエータを用いて、ウォームギアのウォーム(回転軸)を駆動し、フィラメント送り回転部材に相当するウォームホイルを回転させることでフィラメントを送るようにすることができる。このようにリニアアクチュエータ(駆動部)とウォームギア(回転部材)とを用いることにより、ホットエンドの幅を小さくしてエクストルーダを搭載することができる。
Although the embodiment of the present invention has been described above, in the present invention, both or one of the
1、1a ホットエンド
3a 固体の状態のフィラメント
3b 融解した状態のフィラメント
3c 固体と液体の混合した状態のフィラメント
A ホルダー部
10 バレル部(断熱部)
10a 開口部
11 導入口
12 通路
20 融解部
21、22 段部
30 吐出部
31 吐出口
40 フィラメント送り機構
41 フィラメント送りローラ
41a、41b 駆動軸
42 押しつけローラ
43 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、63 絶縁基板
62 発熱抵抗体
71 金属部材
71a 取付用孔
72 ケース部材
72a 溝部
72b 孔
100 吐出ヘッド
1,
61, 63
Claims (3)
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回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備える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であって、
前記バレル部は、前記通路が露出する開口部を有し、
前記フィラメント送り回転部材は、前記開口部に一部が入り込んで設置されて前記フィラメントを前記下流側へ送り出せるようにされ、
前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする3次元プリンタ用のホットエンド。 A barrel portion having an introduction port for introducing a filament as a modeling material and supplying the filament introduced from the introduction port to the downstream side, and a downstream side of the downstream side for heating and melting the filament supplied from the barrel portion. A discharge head including a melting portion, a discharge portion having a discharge port for discharging the filament melted in the melting portion, and a passage communicating from the introduction port to the discharge port.
A filament feeding mechanism including a filament feeding rotating member for feeding the filament to the downstream side and a driving unit for driving the filament feeding rotating member.
It is a hot end for 3D printers equipped with
The barrel portion has an opening through which the passage is exposed.
The filament feed rotating member is installed so that a part of the filament feed rotating member is inserted into the opening so that the filament can be fed to the downstream side.
By feeding the filament from the barrel portion to the melting portion by the filament feed rotating member, it is possible to prevent the filament melted in the melting portion from flowing back in the passage from the melting portion to the barrel portion side. A hot end for a three-dimensional printer, characterized in that a ring-shaped backflow prevention member for the purpose is arranged in the passage.
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回転部材、該フィラメント送り回転部材と対向して配置されることで当該フィラメント送り回転部材との間で前記フィラメントを挟持する押しつけ回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備える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であって、
前記バレル部は、前記通路が露出する一対の開口部を有し、該一対の開口部は対向するように設けられ、
前記フィラメント送り回転部材は、前記一対の開口部のうち一方の開口部に一部が入り込んで設置され、前記押しつけ回転部材は、他方の開口部に一部が入り込んで配置されており、
前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする3次元プリンタ用のホットエンド。 A barrel portion having an introduction port for introducing a filament as a modeling material and supplying the filament introduced from the introduction port to the downstream side, and a downstream side of the downstream side for heating and melting the filament supplied from the barrel portion. A discharge head including a melting portion, a discharge portion having a discharge port for discharging the filament melted in the melting portion, and a passage communicating from the introduction port to the discharge port.
A filament feed rotating member for feeding the filament to the downstream side, a pressing rotating member that sandwiches the filament with the filament feed rotating member by being arranged so as to face the filament feed rotating member, and the filament. A filament feed mechanism including a drive unit for driving a feed rotation member,
It is a hot end for 3D printers equipped with
The barrel portion has a pair of openings from which the passage is exposed, and the pair of openings are provided so as to face each other.
The filament feed rotating member is installed with a part inserted into one of the pair of openings, and the pressing rotating member is arranged with a part inserted into the other opening.
By feeding the filament from the barrel portion to the melting portion by the filament feed rotating member, it is possible to prevent the filament melted in the melting portion from flowing back in the passage from the melting portion to the barrel portion side. A hot end for a three-dimensional printer, characterized in that a ring-shaped backflow prevention member for the purpose is arranged in the passage.
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