特開 2022-51177 ３次元プリンタ用のホットエンド、３次元プリンタ、及び加熱手段

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022051177

(43)【公開日】2022-03-31

(54)【発明の名称】３次元プリンタ用のホットエンド、３次元プリンタ、及び加熱手段

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/295 20170101AFI20220324BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20220324BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20220324BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220324BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20220324BHJP

   B22F 3/115 20060101ALI20220324BHJP

   H05B 3/20 20060101ALI20220324BHJP

   H05B 3/10 20060101ALI20220324BHJP

【ＦＩ】

B29C64/295

B29C64/118

B29C64/209

B33Y10/00

B33Y30/00

B22F3/115

H05B3/20 310

H05B3/10 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020157516

(22)【出願日】2020-09-18

(71)【出願人】

【識別番号】502072374

【氏名又は名称】谷口 秀夫

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】特許業務法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷口 秀夫

【テーマコード（参考）】

3K034

3K092

4F213

4K018

【Ｆターム（参考）】

3K034AA16

3K034BA06

3K034BB06

3K034BB14

3K034BC14

3K034CA01

3K092PP18

3K092QA06

3K092QB43

3K092QC02

3K092RF03

3K092VV40

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL23

4F213WL27

4F213WL32

4F213WL74

4K018AA02

4K018AA03

4K018AA14

4K018AA40

(57)【要約】

【課題】発熱効率の良い３次元プリンタ用のホットエンド、３次元プリンタ、及び加熱手段の提供。
【解決手段】実施形態の３次元プリンタ用のホットエンド１０は、フィラメント状の造形材料が供給される供給口１１１を有する供給部１１、供給部１１から供給された造形材料を融解する加熱手段１５が取付けられた融解部１３、融解部１３で融解された造形材料を吐出する吐出口１４１を有する吐出部１４、及び、供給口１１１と吐出口１４１とを連通する通路２、を備えている。加熱手段１５は、絶縁基板１５１及び絶縁基板１５１上に設けられた発熱抵抗体層１５２を有する加熱板１５０が、複数積層されてなる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フィラメント状の造形材料が供給される供給口を有する供給部、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する加熱手段が取付けられた融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び、前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元プリンタ用のホットエンドであって、
前記加熱手段は、絶縁基板及び前記絶縁基板上に設けられた発熱抵抗体層を有する加熱板が、複数積層されてなることを特徴とする、３次元プリンタ用のホットエンド。

【請求項2】

複数積層された前記加熱板の前記発熱抵抗体層が電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の３次元プリンタ用のホットエンド。

【請求項3】

複数積層された前記加熱板のうち少なくとも一対の前記加熱板は、前記絶縁基板の前記発熱抵抗体層が形成されている側の面が対向するように配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の３次元プリンタ用のホットエンド。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の３次元プリンタ用のホットエンドと、前記加熱手段を発熱させるための前記発熱抵抗体層に電力を供給する電圧印加手段と、を備える３次元プリンタであって、
前記電圧印加手段は、前記発熱抵抗体層に極性交番電圧を印加することを特徴とする、３次元プリンタ。

【請求項5】

熱溶解積層方式の３次元プリンタ用のホットエンドにおいて、造形材料を融解するための加熱手段であって、
絶縁基板及び前記絶縁基板上に設けられた発熱抵抗体層を有する加熱板が、複数積層されてなることを特徴とする加熱手段。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱溶解積層方式を用いた３次元プリンタ用のホットエンド、これを搭載する３次元プリンタ、及び、ホットエンド用の加熱手段に関し、特に４００℃以上の作業温度での立体造形でも好適に用いることができる加熱手段、ホットエンド、及び３次元プリンタに関する。

【背景技術】

【0002】

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３次元プリンタによる主要な造形方式として、熱溶解積層方式（ＦＤＭ）がよく知られている。この種の３次元プリンタに用いられるホットエンド（吐出ヘッド）として、本出願人は、先に造形材料を融解するための加熱手段に、絶縁基板上に発熱抵抗体（層）を形成した加熱板を用いたものを提案している（特許文献１）。

【0003】

このホットエンドは、従来のヒートブロックを加熱手段に用いたホットエンドを格段に小型化かつ省エネルギー化でき、しかもオンデマンド造形をも可能とするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－６６０５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、加熱板によって例えば４００℃以上の高温に加熱を行なう場合、比較的薄い絶縁基板と発熱抵抗体で構成されている加熱板では放熱性が高く、造形材料を所望の温度に加熱するために比較的大きい電力が必要となる。また、３次元プリンタ用のホットエンドを、加熱板を用いて加熱する場合、発熱抵抗体に一般に適用される直流電圧（ＤＣ）を印加すると、加熱板を４００℃以上の高温で加熱を続けると、発熱抵抗体の抵抗値が大きく変化してしまうという現象が生じることがある。この現象は、製造工程において発熱抵抗体に異物が付着したり不純物が混入してしまったりすると、高温加熱下では、迷走電流による電蝕作用により電極金属が発熱抵抗体に移動することが原因と考えられ、傷や厚みが異なる部分などにより不適切なパターンの部分があっても発生しやすい傾向がみられる。

【0006】

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的は、造形材料の加熱手段として加熱板を用いたホットエンドを搭載した３次元プリンタにおいて、ＰＥＥＫ等の高温で融解（溶解）する造形材料を用いたときであっても、つまりは加熱板を高温に加熱する必要があるとしても、比較的小さい電力で高温に加熱可能で、しかも、耐久性に優れたホットエンド、３次元プリンタ、及び加熱手段、を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、上述の、加熱板による加熱に比較的大きい電力が必要とされる原因が、加熱板における造形材料の流路と反対側からの放熱量が比較的大きいことにあることを見出した。そして、ホットエンド用の加熱手段として加熱板を複数枚積層して構成したものを用いたときには、加熱板のサイズを小型軽量に保ちつつ、比較的小さい電力で造形材料を高温に加熱可能であり、高温加熱下においても上記抵抗値が大きく変化する現象の発生を抑制できることを見出した。また、上記の発熱抵抗体の抵抗値の変化は、高温では絶縁体は導電体に近くなり、ＤＣ印加すると絶縁体へのリーク電流が増え荷電体の移動が多くなり一方向に偏って集中する結果、発熱抵抗体が電蝕変質して抵抗値が大きく変化してしまうことに原因があると考え、高温時において絶縁体の荷電体が一方方向に移動して集中しないように、発熱抵抗体に交流電圧を印加すれば発熱抵抗体の抵抗値の変化をより一層抑制し得ることを見出した。

【0008】

すなわち、本発明の３次元プリンタ用のホットエンドは、フィラメント状の造形材料が供給される供給口を有する供給部、前記供給部から供給された前記造形材料を融解する加熱手段が取付けられた融解部、前記融解部で融解された造形材料を吐出する吐出口を有する吐出部、及び、前記供給口と前記吐出口とを連通する通路、を備える３次元プリンタ用のホットエンドであって、前記加熱手段は、絶縁基板及び前記絶縁基板上に設けられた発熱抵抗体層を有する加熱板が、複数積層されてなることを特徴とする。

【0009】

本発明において、複数積層される各加熱板は、発熱抵抗体層の形成パターンを同じとされるのが好ましい。また、同じ形成パターンの発熱抵抗体層を上下にできるだけズレなく積層するのが好ましい。さらに、発熱抵抗体層の厚みや抵抗値もできるだけ同じとなるように形成（調整）しておくのが好ましい。小型化のために小さな絶縁基板上で抵抗値が同じようになるように発熱抵抗体層を形成するためには、発熱抵抗体層の形成パターンとしては特に限定されないが、例えば、同じ厚さ、同じ幅で、つづら折りのように蛇行させて発熱抵抗体層の長さを長くして形成するのが抵抗値を調整するうえでより好ましい。

【0010】

また、加熱板の積層パターンとして、例えば２枚の加熱板を用いる場合の積層パターンとしては、例えば、下から上に（絶縁基板－発熱抵抗体層－保護層）－（絶縁基板－発熱抵抗体層－保護層）－保護絶縁基板、又は（絶縁基板－発熱抵抗体層－保護層）－中間絶縁基板－（保護層－発熱抵抗体層－絶縁基板）とすることができる。また、前者の積層パターンの場合、下側の加熱板の絶縁基板の幅寸法を上側の加熱板の絶縁基板よりも大きくして導通用の電極層が露出するようにするのがより好ましい。また、上記保護絶縁基板及び上記中間絶縁基板は、加熱板の発熱抵抗体層の全てを覆い、電極層の一部を露出するような大きさとされて積層されるのがより好ましい。

【0011】

また、本発明の３次元プリンタ用のホットエンドは、複数積層された前記加熱板の前記発熱抵抗体層が電気的に並列接続されていることを特徴とする。

【0012】

さらに、本発明の３次元プリンタ用のホットエンドは、複数積層された前記加熱板のうち少なくとも一対の前記加熱板は、前記絶縁基板の前記発熱抵抗体層が形成されている側の面が対向するように配置されることを特徴とする。

【0013】

本発明の３次元プリンタは、上記ホットエンドと、前記加熱手段を発熱させるための前記発熱抵抗体層に電力を供給する電圧印加手段と、を備える３次元プリンタであって、前記電圧印加手段は、前記発熱抵抗体層に極性交番電圧を印加することを特徴とする。

【0014】

本発明の加熱手段は、熱溶解積層方式の３次元プリンタ用のホットエンドにおいて、造形材料を融解するための加熱手段であって、絶縁基板及び前記絶縁基板上に設けられた発熱抵抗体層を有する加熱板が、複数積層されてなることを特徴とする。

【0015】

本発明の３次元プリンタにおいて極性交番電圧とは、正負の極性が周期的もしくは非周期的に変化する電圧のことを意味する。極性交番電圧は正弦波に限らず、パルス波、矩形波、三角波、鋸歯状波などを含み得る。このような極性交番電圧は、例えば、直流電圧をＤＣ／ＡＣインバータで交流化することで印加することができる。交流化された電圧はＰＦＭ（パルス周波数変調）又はＰＷＭ（パルス幅変調）などによって変調され、発熱抵抗体層に供給される電力が調整され得る。上記本発明の３次元プリンタによれば、発熱抵抗体層に交流電圧を印加するようにしているので、たとえ４００℃以上への発熱を繰り返したとしても、発熱抵抗体層の抵抗値が大きく変化することを軽減でき、ホットエンドの耐久性を格段に向上することができる。

【0016】

また、本発明の加熱手段において、加熱板の絶縁基板上に設けられた発熱抵抗体層上には、これを覆う保護層（例えば、ガラス層）を設けておくのが、製造工程中などに発熱抵抗体層に異物が付着したり、傷が付いたりするのを防止できる点で好ましい。さらに、加熱板を積層したときに最上層又は最下層に発熱抵抗体層（保護層を含む場合を含む）が位置する場合には、保護絶縁基板（保護板）を設けることが好ましい。

【0017】

本発明において上記保護絶縁基板としては、上記絶縁基板と同等の厚みのものを用いるのが好ましく、また、上記絶縁基板と同等の熱膨張率を有するものとするのが好ましい。また、一対の加熱板を、その発熱抵抗体層が形成されている側を対向させて積層するために上記保護絶縁基板を上記のように中間絶縁基板として用いるのが好ましい。したがって、複数の加熱板の発熱抵抗体層間の絶縁、及び、一層の発熱特性の安定化を図ることができ、ホットエンドの耐久性をより一層向上させることができる。

【0018】

また、本発明の３次元プリンタにおいて、前記電圧印加手段は、発熱抵抗体層に極性交番電圧を印加することで加熱板を４００℃以上といった高温での造形作業を安定して行うことができるので、例えば、ＰＥＥＫ、フィラー含有ＰＥＥＫなどの高融点の熱可塑性樹脂、Ｐｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、アルミニウム合金、亜鉛合金などの金属類、低融点ガラスなどを造形材料に用いることができる。また、例えば、高低温材料の同時使用が可能となるといったように、融解温度が異なる複数種類の造形材料を用いた立体造形を行うことができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、加熱手段及びホットエンドの、造形材料を加熱して融解させる効率及び耐久性を向上させることが可能であり、高温での造形作業を繰り返し行うことができる３次元プリンタを提供することができる。特に、本発明の３次元プリンタのように、交流電圧を用いて本発明の加熱手段を加熱する場合には、６５０℃に加熱した場合であっても劣化現象が発生せず、加熱手段の高温動作での耐久性を一段と向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態の３次元プリンタにおけるホットエンドの（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図である。

【図2】本発明の一実施形態の３次元プリンタにおけるホットエンドの（Ａ）ヘッド本体の正面図及び（Ｂ）側面図である。

【図3】本発明の一実施形態の加熱手段の一例を説明する（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図である。

【図4】本発明の一実施形態の加熱手段の別の例を説明する（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図である。

【図5】本発明の一実施形態の加熱手段の他の例を説明する（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図である

【図6】本発明の一実施形態の３次元プリンタを説明する模式図である。

【図7】電圧印加手段による電圧印加の制御を説明する回路ブロック図である。

【図8】図７の回路ブロック図における調整部に含まれる変換装置の具体的構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に、図面を参照しながら本発明の一実施形態の、加熱手段（加熱板）を備える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（Ａ）には本発明の３次元プリンタに用いられるホットエンドの一例であるホットエンド１０の正面図が、図１（Ｂ）にはホットエンド１０の側面図が示されている。図２（Ａ）にはホットエンド１０を構成するヘッド本体１の正面図が示され、図２（Ｂ）にはヘッド本体１の底面図が示されている。なお、以下、参照される図面において、各構成要素の寸法の正確な比率を示すことは意図されておらず、本発明の特徴が理解され易いように強調されて描かれている。

【0022】

ホットエンド１０は、フィラメント状の造形材料が供給される供給口１１１を有する供給部１１、供給部１１から供給された造形材料を融解する加熱手段１５が取付けられた融解部１３、融解部１３で融解された造形材料を吐出する吐出口１４１を有する吐出部１４、及び、供給口１１１と吐出口１４１とを連通する通路２、を備えている。また、ホットエンド１０は、供給部１１と融解部１３との間であって融解部１３の熱が供給部１１へ伝導するのを抑制する断熱部１２を有している。そして、融解部１３と断熱部１２との間の境界部又は境界部近傍に温度調整部１６が設けられている。

【0023】

本実施形態におけるホットエンド１０の融解部１３に備えられている加熱手段１５は、絶縁基板１５１、及び、絶縁基板１５１上に設けられた発熱抵抗体層１５２を有する加熱板１５０が、複数積層されることで構成されている。図示される例では、加熱手段１５が２つの加熱板１５０が重ね合わされる（積層される）ことで構成され、加熱板１５０の表面には発熱抵抗体層１５２を保護する保護基板１５４が貼着されている。図示の例では、一対の加熱手段１５がヘッド本体１における融解部１３の対向する両面に接してヘッド本体１を挟むように設けられている。しかし、融解部１３のいずれか一つの面にのみ加熱手段１５が設けられる構成が採用されてもよい。

【0024】

続いて、ヘッド本体１について詳しく説明する。図２（Ａ）にはヘッド本体１の正面図、図２（Ｂ）にはヘッド本体１の底面図が示されている。ヘッド本体１は、供給部１１、断熱部１２、融解部１３及び吐出部１４が、金属やセラミックスなどの耐熱材料から一体的に形成されているものであってもよいし、一部又は全部が独立可能に形成されていてもよいし、各部の間のいずれか或いはすべてに他の部材を介在させるなど非連続的なものであってもよい。図示される例では、ヘッド本体１は、全長が例えば３２ｍｍで、直径が例えば４ｍｍφの、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）からなる円柱状の金属棒を、例えば切削加工してなるものである。

【0025】

ヘッド本体１には、一端側のフィラメントの供給口１１１から他端側の融解された造形材料を吐出する吐出口１４１へ一直線に延びる、直径が例えば２ｍｍφの通路（貫通孔）２が形成されている。なお、ヘッド本体１及び通路２のサイズは、フィラメントのサイズに応じて適宜変更され得る。

【0026】

ヘッド本体１の供給部１１は、例えば長さ５ｍｍ、直径４ｍｍφの円柱形状（円筒形状）とされている。供給部１１は、先端に供給口１１１が形成され、例えば２ｍｍφの通路２が供給口１１１近傍において供給口１１１側に向けて、例えば３ｍｍφまで拡がるようにテーパ状に形成されている。供給部１１は、３次元プリンタに取付けるためのアダプター（図示せず）への取付部としての役割も兼ねている。

【0027】

断熱部１２は、融解部１３よりも熱抵抗が大きくなるように形成されており、図示される例では、断熱部１２は、供給部１１と融解部１３との間に位置し、例えば長さ１１ｍｍ、直径３ｍｍφの円柱形状（円筒形状）とされている。断熱部１２は、上述のように直径３ｍｍφとされ、その中心部を貫通する直径２ｍｍφの通路２が形成されることから、外壁の肉厚が０．５ｍｍの肉薄部とされている。また、断熱部１２の中央部には、断熱部１２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８ｍｍ、幅１．８ｍｍの開口部１２１が、通路２に対向して一対で形成され得る。開口部１２１は、ヘッド本体１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、サイズも適宜決定すればよい。熱抵抗との関係で断面積を、強度が保証される範囲内で適宜決定することができる。

【0028】

融解部１３は、例えば長さ１３ｍｍ、直径４ｍｍφとされている。融解部１３には、平面側（図２（Ａ）における紙面の表面側）と背面側（図２（Ａ）における紙面の裏面側）が切削されて２つの平面部が、例えば３ｍｍ隔てて対向するように形成されている。平面部の中央部には、例えば長さ８ｍｍ、幅１ｍｍの開口部１３１が、通路２を露出するように形成されている。開口部１３１は、長さ方向に複数並設するようにしてもよい。なお、加えて、平面部の表面を粗面化してもよいし、開口部１３１を形成せずに粗面化のみしてもよい。なお、開口部１３１を設けることなく、融解部１３の平面部と加熱板１５０の絶縁基板１５１との接着（融着）面積を大きくしたほうが、加熱手段１５をヘッド本体１の融解部１３により強固に接着できる点で好ましい場合もある。また、融解部１３の吐出部１４近傍において、通路２は吐出部１４に向かってテーパ状に狭くされ、吐出部１４内で例えば直径０．６ｍｍφ程度とされる。

【0029】

吐出部１４は、例えば長さ３ｍｍとされ、正面側と背面側から切削されて、例えば幅３ｍｍとされ、吐出部１４の長さ方向の途中まで、吐出口１４１に向かってテーパ状に細められ、吐出口１４１が形成された先端部は、例えば直径１．５ｍｍφとされ、吐出口１４１は、例えば直径０．６ｍｍφとされる。

【0030】

ホットエンド１０において、ヘッド本体１の断熱部１２と融解部１３との境界部付近に設けられる温度調整部１６は、リング状の部材である。温度調整部１６は、そのリング形状の中空部にヘッド本体１が嵌め込まれ、融解部１３と断熱部１２との境界部付近の外周部を覆うように設けられる。温度調整部１６は、融解部１３と断熱部１２との境界部付近の熱容量を増大させ温度上昇を抑制する。この境界部付近の温度上昇が抑制されることで、通路２内における造形材料の高い流動性を有する部分（例えば融解状態）と、流動性が低い部分（例えば固体状態）との境界が断熱部１２側へ移動することが抑制され、ホットエンド１０の通路２内の造形材料の詰まりが抑制され得る。

【0031】

図３（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ正面図及び側面図が一例として示されるように、本実施形態におけるホットエンド１０における融解部１３が備える加熱手段１５としては、絶縁基板１５１上に例えば２０μｍ程度の厚膜の発熱抵抗体層１５２を形成した加熱板１５０が、複数積層されたものが用いられる。図示される例の加熱手段１５は、第１の加熱板１５０ａと第２の加熱板１５０ｂとによって構成されている。加熱板１５０ａ、１５０ｂのそれぞれは、絶縁基板１５１ａ、１５１ｂと、絶縁基板１５１ａ、１５１ｂの一方の表面に形成された帯状の発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂと、絶縁基板１５１ａ、１５１ｂの表面において発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂの両端部のそれぞれに接続するように形成された電極１５３ａ、１５３ｂと、を有している。

【0032】

図示される加熱手段１５では、加熱板１５０ａ、１５０ｂが積層された状態で最も表面に露出する発熱抵抗体層１５２ｂの露出する面に、絶縁性の保護基板（保護絶縁基板）１５４が貼着されている。なお、図示しないが、発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂ上には、ガラスなどからなる絶縁性の保護層が形成されている。図３（Ｂ）に示されるように、積層される加熱板１５０ａ、１５０ｂのうち、第２の加熱板１５０ｂの発熱抵抗体層１５２ｂ上に保護基板１５４が貼着されている。なお、図３（Ａ）の平面図においては、加熱板１５０ｂの発熱抵抗体層１５２ｂの表面に貼着され得る絶縁性の保護基板１５４が、説明のために省略されて描かれている。発熱抵抗体層１５２ｂ上に貼着され得る保護基板１５４は、絶縁基板１５１ａ、１５１ｂと同じものを用いることができ、例えば厚さ０．３ｍｍの矩形板状の電気絶縁性の基板である。

【0033】

絶縁基板１５１ａ、１５１ｂは、良好な電気絶縁性を有する材料を用いて形成される基板であって、例えば、アルミナ、ジルコニア、又はそれらの複合材料などのセラミック基板である。発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂ、及び、電極１５３ａ、１５３ｂは、例えば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔなどの合金粉末や酸化ルテニウムを含む厚膜用ペーストなどを、絶縁基板１５１ａ、１５１ｂの表面に、所定のパターンで印刷、乾燥後、所定温度で焼成することで形成され得る。保護基板１５４は絶縁基板１５１ａ、１５１ｂと同様のセラミック基板を用いて形成され得る。

【0034】

図示の例では、第１の加熱板１５０ａの発熱抵抗体層１５２ａが設けられている側に、第２の加熱板１５０ｂが取り付けられ（積層され）ており、第２の加熱板１５０ｂの外形寸法は、第１の加熱板１５０ａの外形寸法よりも小さい。具体的には、第２の加熱板１５０ｂを構成する絶縁基板１５１ｂの寸法は、第１の加熱板１５０ａを構成する絶縁基板１５１ａの寸法よりも小とされている。第１の加熱板１５０ａを構成する絶縁基板１５１ａは、例えば、厚さ０．３ｍｍ、長さ１２ｍｍ、幅８ｍｍの矩形板状とされ、第２の加熱板１５０ｂを構成する絶縁基板１５１ｂは、例えば厚さ０．３ｍｍ、長さ１２ｍｍ、幅６ｍｍとされ得る。第２の加熱板１５０ｂは、第１の加熱板１５０ａが備える電極１５３ａが露出するように、絶縁基板１５１ｂの発熱抵抗体層１５２ｂが形成されている面と反対側の面を、第１の加熱板１５０ａ側に向けて取り付けられる。

【0035】

第２の加熱板１５０ｂの絶縁基板１５１ｂは、第１の加熱板１５０ａの発熱抵抗体層１５２ａを被覆して発熱抵抗体層１５２ｂとの絶縁を図るとともに保護層として機能し、接着剤としても機能し得るシール材（図示せず）を介して接着され得る。例えば、ガラスなどからなるペースト状のシール材が発熱抵抗体層１５２ａ上に塗布され、第２の加熱板１５０ｂ、具体的には絶縁基板１５１ｂで覆ったのちに加熱処理されることでシール材が固化し、第１の加熱板１５０ａと第２の加熱板１５０ｂとが貼着される。そして、第２の加熱板１５０ｂの発熱抵抗体層１５２ｂ上に貼着され得る保護基板１５４も、同様のシール材を介して発熱抵抗体層１５２ｂに貼着され得る。

【0036】

実施形態の加熱手段においては、発熱抵抗体層に電力を供給するリード線が、複数積層された加熱板を構成している複数の発熱抵抗体層を、電気的に並列に接続されるように取り付けられ得る。具体的には、図示される例の加熱手段１５において露出している、２つの電極１５３ａ及び２つの電極１５３ｂのうち、１組の電極１５３ａ、１５３ｂに共通の１本のリードＬＷが接続されている。リードＬＷは例えば銅などの良導電性の金属から形成されている。リードＬＷは、接続発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂに電力を供給する電力供給源に接続されている。リードＬＷは電極１５３ａと電極１５３ｂとを一体的に接続しており、従って、一対の電極１５３ａ、１５３ａ間、及び、一対の電極１５３ｂ、１５３ｂ間には同電位が印加され得る。換言すれば、発熱抵抗体層１５２ａと発熱抵抗体層１５２ｂとは電気的に並列に接続される。

【0037】

電極１５３ａと電極１５３ｂへのリードＬＷの接続は、導電性の接合剤を用いて実現され得る。図示の例では、電極１５３ａと電極１５３ｂとの上に載置された１本のリードＬＷが、導電性の接合剤ＬＢによって電極１５３ａ及び電極１５３ｂに接合されている。導電性の接合剤ＬＢには、例えば、ナノレベルの銀粒子などの微細金属粉末粒子を有機溶剤中に分散させた導電性のペーストが使用され得る。電極１５３ａ、１５３ｂ上に載置されたリードＬＷを被覆するようにペーストが塗布され、その金属微粒子が焼結する温度以上に加熱されて焼結されることにより、リードＬＷは電極１５３ａ、１５３ｂに接続される。

【0038】

ヘッド本体１に加熱手段１５が取付けられた、ホットエンド１０としての状態では、加熱手段１５は、加熱板１５０ａを構成する絶縁基板１５１ａの発熱抵抗体層１５２ａが形成されていない側の面を、ヘッド本体１の融解部１３の平面部に向けて接合されている。ヘッド本体１への加熱手段１５の接合（接着、融着）は、例えば、電極を形成するのに用いたのと同様の厚膜用ペースト、耐熱性接着剤などにより実現され得る。あるいはネジ止めなどにより接合されてもよい。図１（Ｂ）に示されるように、ヘッド本体１の融解部１３の外壁面に対向するように研削して設けられた平面部に、一対の加熱手段１５が対向して配置され得る。しかしながら、ヘッド本体１に取り付けられる加熱手段１５は、１つであってもよく、また、融解部の外壁面に３以上の平面部が設けられて、そのそれぞれに加熱手段１５が設けられてもよい。加熱手段１５を構成する絶縁基板１５１ａは、ヘッド本体１の融解部１３の平面部に形成される開口部１３１を覆うように配置される。これにより、開口部１３１から流路２内に露出する加熱手段１５の表面（絶縁基板１５１ａの表面）によりフィラメント（造形材料）が直接的に加熱され得る。

【0039】

加熱手段１５が、上述したような、加熱板１５０ａ、１５０ｂが積層された構成を有することにより、発熱抵抗体層１５２ａの一方の面側には絶縁基板１５１ｂを介して発熱抵抗体層１５２ａが配置されている構成となる。この構成により、特に発熱抵抗体層１５２ａから発せられる熱は、ヘッド本体１と反対側へ放熱されにくく、効率的にヘッド本体１に、具体的には流路２内の造形材料に熱を加えることが可能となる。換言すれば、同一の消費電力に対する、流路２内の造形材料の加熱に供される熱量が増大し得る。造形材料を融解させる効率が向上し、省電力化が実現され得る。加えて、複数の重ねられた加熱板１５０が有する発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂが並列に接続される場合には、個別に電力を供給するためのリードを接続する必要がなく、配線構造は単純化され、したがって、断線などの不良が発生する虞も低減され得る。

【0040】

図４には、加熱手段１５の異なる構成例が示される。図示される加熱手段１５においては、積層される複数の加熱板１５０ａ、１５０ｂが、その発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂが形成された側を対向させて取り付けられている。対向して配置される加熱板１５０ａ、１５０ｂの発熱抵抗体層１５２ａと発熱抵抗体層１５２ｂとの間には、絶縁性の保護基板１５４が中間絶縁基板として配置される。図示の例では、第１の加熱板１５０ａと第２の加熱板１５０ｂは同型、同寸法に形成されている。なお、図４（Ａ）に示される平面図では、第２の加熱板１５０ｂの一部が透過され、また、保護基板１５４の一部も透過され、第１の加熱板１５０ａが露出するように描かれている。

【0041】

第１の加熱板１５０ａと第２の加熱板１５０ｂとが、発熱抵抗体層１５２ａと発熱抵抗体層１５２ｂとを対向させて積層される場合、２つの加熱板１５０ａ、１５０ｂの電極１５３ａと電極１５３ｂは、積層方向において一致するように配置される。そして、発熱抵抗体層１５２ａと発熱抵抗体層１５２ｂとの電気的並列接続を実現するように、リードＬＷが電極１５３ａと電極１５３ｂとの間に配され、導電性の接合剤ＬＢで固定される。複数の加熱板１５０で加熱手段１５を構成する場合、少なくとも一対の加熱基板１５０ａ、１５０ｂを発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂを対向させて配置することで、上述のしたように、造形材料の融解させる効率を向上させ得る。なお、本実施形態の加熱手段１５においては、積層される加熱板１５の枚数は２枚に限定されず、任意の数の加熱板１５が積層され得る。

【0042】

図５（Ａ）及び（Ｂ）には、加熱手段１５の他の構成例の正面図及び側面図が示されている。この構成例では、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示される例と同様に、第１の加熱板１５０ａの発熱抵抗体層１５２ａが設けられている側に、第２の加熱板１５０ｂが積層されており、第２の加熱板１５０ｂの外形寸法は、第１の加熱板１５０ａの外形寸法よりも小さい。図５に示される加熱手段１５においては、図３の例と比較して、加熱板１５０ａ、１５０ｂの発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂのパターンが、異なっている。具体的には、加熱板１５０ａ、１５０ｂのそれぞれにおいて、２つの電極１５３ａ、１５３ｂの間に延在する帯状の発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂはミアンダ状（つづら折り状）に形成されている。発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂがこのようなパターンを有していることで、発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂは比較的長い長さを有し、その長さ調整による抵抗値の調整が簡易になり得る。

【0043】

図示の例では、第２の加熱板１５０ｂの発熱抵抗体１５２ｂにおける、２つの電極１５３ｂの中間部には、中間端子１５３ｃが設けられている。この中間端子１５３ｃは発熱抵抗体１５２における部分的な電圧印加を可能にするために設けられ、これにより加熱板１５の部位によって温度を異ならせる（温度勾配形成する）ことが可能となる。例えば、加熱手段１５の吐出部１４に近い側の温度が、断熱部１２に近い側の温度よりも高い状態にする温度制御が可能となる。なお、図５（Ａ）に示される正面図では、図３（Ａ）に示される正面図と同様に、保護基板１５４は、説明のために省略されている。

【0044】

図３～５を参照して上述した加熱手段１５における、複数積層された加熱板１５０ａ、１５０ｂでは、その発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂのパターンは同型、同寸法とされ、その厚さ、幅も等しい寸法を有していることが、加熱ムラを抑制する観点から好ましい。同様の観点から、加熱板１５０ａ、１５０ｂの積層方向において発熱抵抗体層１５２ａ、１５２ｂのパターンが一致することがさらに好ましい。

【0045】

本発明の実施形態のホットエンドは、３次元プリンタに例えばアダプター（図示せず）を介して取付けられ得る。アダプターに設けられた開口にホットエンド１０の供給部１１が挿入され、押しネジなどによって固定され得る。アダプターには供給口１１１に連通する通路が設けられ、フィラメント状の造形材料がこの通路を通じて、ホットエンド１０の流路（通路）２に挿通される。供給部１１の外周にネジ溝を切って螺合によってアダプターに取付けることもできる。

【0046】

図６を参照して、本発明による実施形態のホットエンド１０が取り付けられる３次元プリンタについて説明される。図６には、ホットエンド１０が取り付けられた、熱溶解積層方式（ＦＤＭ）の３次元プリンタの構成の一例が模式的に示されている。図示される例の３次元プリンタ１００においては、Ｙ軸方向に可動な造形ステージ１０１に、ホットエンド１０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。ホットエンド１０の上側には、エクストルーダーが内蔵されたヘッド部１０３が取り付けられている。ヘッド部１０３は、Ｘ軸方向に可動なＸ軸ベルト１０４によって、ホットエンド１０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１０４が設置されているＸ軸フレーム１０５は、２本のＺ軸移動機構１０６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１０１にはＹ軸方向に移動可能とするＹ軸ベルト１０７が取り付けられ、造形ステージ１０１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。

【0047】

ヘッド部１０３が備えるエクストルーダーにはフィラメントリール１０８からフィラメント状の造形材料（フィラメント）が供給され、エクストルーダーは、その内部に備えるローラの駆動によって、フィラメントをホットエンド１０の流路２内へと送り出す。ホットエンド１０の流路２内へと送り込まれたフィラメントは、ホットエンド１０が有する加熱手段１５から与えられる熱によって融解される。図示の例ではホットエンド１０の加熱手段１５取り付けられた部分を覆うようにカバー１０２が設けられている。なお、図６に示されている３次元プリンタ１００では、ホットエンド１０がＸ軸方向及びＺ軸方向で移動し、造形ステージ１０１がＹ軸方向で移動するが、本発明のホットエンド１０が取り付けられる３次元プリンタは、ヘッド部１０３がＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向で３次元に移動し、造形ステージが固定されている、例えばデルタ式の３次元プリンタであってもよい。

【0048】

本実施形態のホットエンド１０が取り付けられた３次元プリンタは、ホットエンド１０に設けられている加熱手段１５に、具体的には、加熱手段１５を構成する加熱板１５０に設けられている発熱抵抗体層１５２に、電力の供給を行う電力供給手段（電圧印加手段）３００が備えられている。図７には、電圧印加手段３００から発熱抵抗体層１５２への電力を供給する構成の一例が、駆動回路のブロック図として示されている。この駆動回路は、電源２１及び調整部から構成される電圧印加手段３００により、加熱手段１５を構成する発熱抵抗体層１５２に電力を供給する例で、電源２１としては、例えば、６０Ｈｚ又は５０Ｈｚの商用の交流電圧、又は、商用の交流電圧をトランスで変圧した交流電圧が用いられる。

【0049】

実施形態の３次元プリンタにおいては、温度測定手段２２によって測定される発熱抵抗体層１５２付近の温度に応じて、制御手段から制御信号が調整部に送信され、電源２１から発熱抵抗体層１５２に供給される電力が調整部で制御される。これにより、発熱抵抗体層１５２からの発熱が調整され、融解部１３の温度、具体的には、ホットエンド１０内の造形材料に供給される熱量が制御される。温度測定手段２２は、例えば、測温点が発熱抵抗体層１５２近傍の絶縁基板１５１に設置された熱電対である。熱電対に替えてサーミスタが用いられてもよい。

【0050】

発熱抵抗体層１５２には、極性交番電圧が印加される。電源２１から入力された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ、変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ、及び、平滑化された直流電圧をパルス化して変調（例えば、周波数変調、又は、パルス幅変調）し交流化するＤＣ／ＡＣインバータを含む変換装置Ｃを備える調整部により、印加電圧や印加時間が調整された電力（交番電圧）が、発熱抵抗体層１５２に供給される。また、電源２１を直流電圧としてもよく、この場合、直流電圧をパルス化して変調し得るＤＣ／ＡＣインバータである変換装置Ｃを備える調整部で交流（交番）電圧化した電力（交番電圧）が発熱抵抗体層１５２に供給される。

【0051】

図８に、電源２１が交流電圧である場合の、変換装置Ｃの具体的な構成を示す。ＡＣ／ＤＣコンバータＣ１は入力された交流電圧Ｖ_INを全波整流し極性を一方向にして平滑コンデンサＣ２に提供する。平滑コンデンサＣ２は整流された入力電圧を平滑化し直流電圧をＤＣ／ＡＣインバータに供給する。ＤＣ／ＡＣインバータＣ３は直流電圧をパルス化すると共にパルス幅、又は、パルス周波数の変調を行い、変調された交番電圧Ｖ_OUTを出力する。すなわち、調整部はＰＦＭ（パルス周波数変調）又はＰＷＭ（パルス幅変調）などによって、発熱抵抗体層１５２に供給される実効印加電力を制御し得る。

【0052】

加熱手段１５の使用において、発熱抵抗体層１５２に直流電圧を印加して４００℃以上の高温に加熱すると、発熱抵抗体層１５２の抵抗値が大きく変化し、所定の印加電圧に対して理論上得られるはず昇温が実現できないという現象が生じることがある。この発熱抵抗体層１５２の抵抗値の変化は、高温において絶縁基板１５１及び保護基板１５４に用いられる絶縁体が導電性を有するようになり、直流電圧を印加すると発熱抵抗体層から絶縁体へのリーク電流が増加し、絶縁体中における荷電体の移動が多くなり一方方向に偏って集中する結果、発熱抵抗体層１５２が電蝕変質することに原因があると考えられる。従って、本実施形態の３次元プリンタにおいては、高温時において絶縁体の荷電体が一方方向に移動して集中しないように、発熱抵抗体層１５２に極性交番電圧を印加している。従って、たとえ４００℃以上への発熱を繰り返したとしても、発熱抵抗体層１５２の電蝕に起因する抵抗値の変化が抑制される。加熱手段１５において加熱板１５０が複数積層されていることにより効率的な加熱が可能で、さらに、ホットエンド１０の耐久性が向上された３次元プリンタが提供される。

【0053】

上述した実施形態のホットエンド１０、加熱手段１５、３次元プリンタ１００は、４００～５００℃、或いはそれ以上の高温に比較的小さい電力で迅速昇温可能で、造形材料としてＰＥＥＫやカーボンファイバーなどの混合物を含有するＰＥＥＫなどの樹脂類の他、低融点金属類や低融点ガラス類にも使用することができる。しかも、３次元プリンタにおいては交流電圧が印加されることによってホットエンド１０の耐久性に優れていることから、４００℃以上に加熱融解される造形材料を用いる３次元造形に好適に使用され得る。

【0054】

加熱板１５０に直流電圧を印加して６５０℃に加熱した場合には、発熱抵抗体層１５２の電蝕による抵抗値の増加に起因すると考えられる２０℃程度の温度低下が確認されたのに対し、交流電圧を用いる本実施形態の３次元プリンタでは、加熱板１５０を６５０℃の高温に繰り返し昇温させても、発熱抵抗体層１５２の電蝕に起因すると考えられる抵抗値の増大は確認されず、本実施形態の３次元プリンタの有用性が確認されている。

【0055】

なお、実施形態の加熱板１５０が複数積層された加熱手段１５においては、複数の加熱板１５０のうちの任意の加熱板１５０を構成する発熱抵抗体層１５２の抵抗値を他の加熱板１５０の発熱抵抗体層１５２の抵抗値と異ならせる構成とし得る。他の加熱板１５０の発熱抵抗体層１５２のものよりも低い抵抗値を有する発熱抵抗体層１５２がより早く所定の温度に到達することで、加熱手段１５の熱応答性が向上し得る。また、他の発熱抵抗体層１５２による加熱との相互作用で、加熱手段１５全体として、より安定的に所望の温度に維持することも可能となり得る。

【0056】

加熱手段１５を構成する複数の加熱板１５０のうちの、任意の加熱板１５を構成する発熱抵抗体層１５２のサイズ（厚さ及び幅）などを調整することによって、発熱抵抗体層１５２がその焼結温度（例えば７００℃）近くの高温に過熱された場合に、瞬時に断線される構成とすることも可能である。異常電流などに起因する加熱手段１５の過剰な発熱が継続することが予防され得る。この過熱時の発熱抵抗体層１５２の断線は、直流電圧を印加する場合では瞬時の断線とならず、時間的になだらかな抵抗値上昇を伴って継続するのに対し、交流電圧を印加する場合では瞬時の断線となり得る。この点においても、発熱抵抗体層１５２に交流電圧を印加することに利点がある。

【符号の説明】

【0057】

１ ヘッド本体
２ 通路
１０ ホットエンド
１１ 供給部
１１１ 供給口
１２ 断熱部
１２１ 開口部
１３ 融解部
１３１ 開口部
１４ 吐出部
１４１ 吐出口
１５ 加熱手段
１５０ 加熱板
１５０ａ 第１の加熱板
１５０ｂ 第２の加熱板
１５１、１５１ａ、１５１ｂ 絶縁基板
１５２、１５２ａ、１５２ｂ 発熱抵抗体層
１５３、１５３ａ、１５３ｂ 電極
１５４ 保護基板
１６ 温度調整部
２１ 電源
２２ 温度測定手段
１００ ３次元プリンタ
３００ 電圧印加手段
１０１ 造形ステージ
１０２ カバー
１０３ ヘッド部
ＬＷ リード
ＬＢ 接合剤

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】