特開 2023-169815 ３Ｄプリンターシステム

(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】P2023169815

(43)【公開日】2023-11-30

(54)【発明の名称】３Ｄプリンターシステム

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/321 20170101AFI20231122BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20231122BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20231122BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231122BHJP

【ＦＩ】

B29C64/321

B29C64/118

B29C64/295

B33Y30/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022081151

(22)【出願日】2022-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000001096

【氏名又は名称】倉敷紡績株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100167988

【弁理士】

【氏名又は名称】河原 哲郎

(72)【発明者】

【氏名】横田 克彦

(72)【発明者】

【氏名】平山 貴之

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AC01

4F213WA25

4F213WB01

4F213WF36

4F213WK03

4F213WL02

4F213WL74

4F213WL87

(57)【要約】

【課題】フィラメント状材料が不要で、かつ材料吐出部が小型で軽量であることにより材料吐出部の移動が容易な３Ｄプリンターシステムを提供する。
【解決手段】材料を加熱溶融して送出する押出機３１に接続され、前記押出機から送出される前記材料を加熱しながら通過させるヒーター付ホース２０と、前記ヒーター付ホースに接続され、先端から前記材料を吐出するノズル２１と、前記ノズルを移動させるロボット２２と、前記ロボットを制御する制御装置２３とを有する３Ｄプリンターシステム１０。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料を加熱溶融して送出する押出機に接続され、前記押出機から送出される前記材料を加熱しながら通過させるヒーター付ホースと、
前記ヒーター付ホースに接続され、先端から前記材料を吐出するノズルと、
前記ノズルを移動させるロボットと、
前記ロボットを制御する制御装置と、
を有する３Ｄプリンターシステム。

【請求項2】

前記材料が熱可塑性樹脂である、
請求項１に記載の３Ｄプリンターシステム。

【請求項3】

前記ロボットが垂直多関節型ロボットである、
請求項１または２に記載の３Ｄプリンターシステム。

【請求項4】

複数の前記押出機のそれぞれに接続される複数の前記ヒーター付ホースと、前記複数のヒーター付ホースのそれぞれに接続された複数の前記ノズルとを有する、
請求項１または２に記載の３Ｄプリンターシステム。

【請求項5】

前記ノズルがギアポンプを備える、
請求項１または２に記載の３Ｄプリンターシステム。

【請求項6】

前記ノズルと前記ヒーター付ホースの接続部に、前記材料を排出する材料排出手段を備える、
請求項１または２に記載の３Ｄプリンターシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ノズルから材料を押し出して３次元造形物を製造するための３Ｄプリンターシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂を用いた３Ｄプリンターとして、材料のフィラメントを溶融させてノズルから押し出して３次元造形物を製造するフィラメント方式のものが広く用いられている。しかし、この方式では、使用できる材料がフィラメントへの成形に適したものに限られるという問題があった。

【0003】

この問題に対して、特許文献１には、シリンダー内部にスクリューが配置された小型の押出機を溶融樹脂押出部とし、この押出機に粒状の樹脂材料を供給可能なホッパーを取り付け、押出機及び／又はテーブルを３次元方向への移動を制御可能とした三次元プリンターが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１５／１２９７３３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された三次元プリンターによれば、フィラメント状材料を用いる必要がなく、市販の各種樹脂ペレットが使用できる。しかし、押出機を小さく軽くすると、単位時間当たりの材料の吐出量が少なくなり、大型の造形物の製造に時間がかかるという問題がある。一方、押出機を大きく重くすると、これを自在に移動させることが容易でなくなる。そのため、押出機を固定し、またはガントリーロボットに取り付けて１または２方向に移動可能としても、１ないし３方向に移動可能なテーブルが必要となり、装置が大型化する。また、３次元造形を実施できる場所が制限される。

【0006】

本発明は上記を考慮してなされたものであり、フィラメント状材料が不要で、かつ材料吐出部が小型で軽量であることにより材料吐出部の移動が容易な３Ｄプリンターシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の３Ｄプリンターシステムは、材料を加熱溶融して送出する押出機に接続され、前記押出機から送出される前記材料を加熱しながら通過させるヒーター付ホースと、前記ヒーター付ホースに接続され、先端から前記材料を吐出するノズルと、前記ノズルを移動させるロボットと、前記ロボットを制御する制御装置とを有する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の３Ｄプリンターシステムによれば、フィラメント状材料が不要で、市販の各種樹脂ペレットが使用できる。また、押出機とノズルをヒーター付ホースで接続することによって、容量の大きい押出機を用いる場合でも、比較的軽量なノズルだけをロボットで移動させて３次元造形物を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態の３Ｄプリンターシステムの装置構成を示す図である。

【図2】ノズルの構造を説明するための図である。

【図3】他の実施形態の３Ｄプリンターシステムの装置構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の３Ｄプリンターシステムの一実施形態を、図１および２に基づいて説明する。

【0011】

図１を参照して、本実施形態の３Ｄプリンターシステム１０は、押出機３１に接続されたヒーター付ホース２０と、ヒーター付ホース２０に接続されたノズル２１と、ノズル２１を把持して移動させるロボット２２と、ロボット２２を制御する制御装置２３とを有する。

【0012】

材料は、例えばペレット状のものがホッパー３２に投入されて押出機３１に供給され、押出機３１で加熱溶融されて押出機から送出され、ヒーター付ホース２０を通過してノズル２１先端から吐出され、冷却されて固まる。ロボット２２が３次元造形物の形状に応じた所定の経路に沿ってノズル２１を移動させることで、３次元造形物が製造される。

【0013】

なお、図１では、テーブル３０上で造形を行う場面を描いたが、３次元造形を実施する場所は特に限定されない。例えば、製品の設置場所にその場で造形してもよい。また、テーブル３０上で造形を行う場合でも、当該テーブルは昇降または水平に移動可能である必要はない。

【0014】

材料は、押出機３１から送出可能で、ノズル２１から吐出後に硬化可能であれば、特に限定されない。材料としては、各種の熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーを好適に用いることができる。

【0015】

押出機３１は、材料を加熱溶融して送出する。押出機３１としては、公知のスクリュー式の押出機を用いることができる。これにより、市販の各種樹脂ペレットを用いることができ、スクリューの回転数を変えることで材料の送出量を制御することができる。また、異なる樹脂同士、あるいは樹脂と着色料等の添加剤を混ぜて用いる場合は、二軸の混練押出機を用いることで、より均一に混合された材料が得られる。押出機３１はロボットによって移動させる必要がないため、現場に設置されている既存の押出機を流用することも可能である。

【0016】

ヒーター付ホース２０は、一端が押出機３１に接続され、押出機から送出される材料を加熱しながら通過させる。これにより、押出機と３次元造形を行う場所が離れていても、材料が溶融した状態を維持して、３次元造形の作業場所まで移送できる。ヒーター付ホース２０としては、市販の公知のものを用いることができる。ヒーター付ホース２０は、材料が内部を通過するホースの外面にヒーターが装着され、ヒーターの外側が保温材と編組チューブ（ブレードチューブ）で覆われた構造を有する。

【0017】

ノズル２１は、ヒーター付ホース２０の押出機３１と反対の端に接続され、その先端から材料を吐出する。

【0018】

ノズル２１は、材料の流路に設置できる撹拌式のインラインミキサーやスタティックミキサー等のミキサーを内部に備えていてもよい。これにより、吐出する材料内の温度の均一性を高め、吐出された材料の硬化時の変形を抑えることができる。図２には、スタティックミキサー２４を備えるノズル２１を示した。

【0019】

また、ノズル２１は、ギアポンプを内部に備えていてもよい。材料の時間当たりの吐出量（以下「吐出速度」という）を一時的に増減させたい場合、押出機３１とノズル２１を繋ぐヒーター付ホース２０が長いと、押出機のスクリューの回転数を変えて押出機からの送出量を増減させても、ノズルからの吐出速度に反映されるまでに時間のずれが生じる。ノズルがギアポンプを備えていれば、ギアポンプの回転を制御することで、材料の吐出速度をより正確に制御することできる。

【0020】

また、３Ｄプリンターシステム１０は、ノズル２１とヒーター付ホース２０との接続部に、ノズル先端からの材料の吐出を止めて、材料を排出するための材料排出手段を備えていてもよい。ここで、ノズル２１とヒーター付ホース２０の接続部には、ノズルの基端とヒーター付ホースの先端との間の他、ノズルの基端部およびヒーター付ホースの先端部を含む。図２では、ノズル２１とヒーター付ホース２０の間に３方向の切替弁２５で、ヒーター付ホース２０、ノズル２１、排出路２６の間で流路を切り替えることができる。排出路２６は、好ましくは、他のヒーター付ホースからなり、材料を図示しない排出口へ導く。図２はヒーター付ホース２０とノズル２１の流路が接続された状態を示しており、切替弁２５のＴ字路を右に９０度回転することによって、ノズル先端からの材料の吐出を止めて、材料の流路を排出路２６へ切り替える。

【0021】

材料の吐出を一時的に停止したい場合、押出機３１とノズル２１を繋ぐヒーター付ホース２０が長いと、押出機からの送出を停止しても、ノズルから吐出が停止するまでに時間のずれが生じる。また、押出機からの送出・停止を短時間で繰り返すと、ヒーター付ホース内の材料の流量が安定しにくい。ノズルが材料排出手段を備えていれば、押出機を作動させたままで、材料の吐出の停止・再開の応答性を高めることができる。

【0022】

なお、材料排出手段は、図２に示した切替弁２５には限られない。材料排出手段を構成する他の方法として、例えば、ノズル２１の基端にヒーター付ホース２０からの流路を開閉する電磁弁を設け、排出路の入り口に圧力が高まると開く逃がし弁を設けてもよい。

【0023】

ロボット２２は、ノズル２１を把持して、３次元空間内でノズルを移動させる。ロボットの構造は特に限定されないが、好ましくは垂直多関節型のロボットを用いる。これにより、ノズル２１を把持して、３次元空間内でノズルを所望の位置に、かつ所望の姿勢で移動させることができる。例えば、ノズルを斜めにして材料を吐出することができれば、３次元造形物に斜めに枝状の突起部分を積層することが可能となり、造形する形状の自由度が広がる。

【0024】

制御装置２３は、ロボット２２の動作を制御する。また、制御装置２３は、押出機３１の作動・停止や、スクリューの回転速度を増減させて材料の送出速度を制御してもよい。また、制御装置２３は、ノズル２１が駆動部を有するミキサーまたはギアポンプを備える場合や、ノズル２１とヒーター付ホース２０の接続部に材料排出手段を備える場合は、それらの動作を制御する。また、制御装置２３はヒーター付ホースの温度を制御してもよい。

【0025】

次に、本実施形態の３Ｄプリンターシステムの使用法を説明する。

【0026】

造形しようとする製品の形状に応じて、予めノズル２１の移動経路を求めておく。押出機３１を作動して、ペレット材料をホッパー３２に投入して押出機３１に供給する。材料は押出機３１で加熱溶融されて押出機から送出され、ヒーター付ホース２０を通過してノズル２１へ送られる。制御装置２３がロボット２２の動作を制御して、ノズル２１を予定された経路に沿って移動させながら、材料を吐出する。

【0027】

材料の吐出速度の制御は、押出機３１のスクリューの回転速度を制御することによって調整できるが、好ましくは、押出機からの送出速度を一定にして、ロボット２２に把持されたノズル２１の移動速度を変えることによって、各位置での吐出量を制御する。これにより、押出機を安定した状態で運転することができる。また、ノズル２１がギアポンプを備えている場合は、ノズル先端からの材料の吐出速度をより正確に制御することができる。

【0028】

また、本実施形態の３Ｄプリンターシステム１０では、材料の吐出位置を基本的に一筆書きで移動させるが、製品の形状によっては吐出を一旦停止し、ノズルを移動させた後に吐出を再開させる必要がある。このとき、押出機３１を停止することにより吐出を停止する場合でも、ヒーター付ホース２０内に滞留する材料は加熱されているので、途中で固まることがない。また、ノズル２１とヒーター付ホース２０の接続部に材料排出手段を備える場合は、より正確なタイミングで材料の吐出を停止、再開することができる。

【0029】

次に、本発明の３Ｄプリンターシステムの他の実施形態を図３に基づいて説明する。

【0030】

図３を参照して、本実施形態の３Ｄプリンターシステム１１は、複数のヒーター付ホース２０ａ、２０ｂと、複数のノズル２１ａ、２１ｂを有する点で先の実施形態と異なる。図３の各装置は、符号の数字が一致する図１の装置と同じである。

【0031】

本実施形態では、異なる材料毎に複数の押出機３１ａ、３１ｂを用いる。ヒーター付ホース２０ａ、２０ｂは押出機３１ａ、３１ｂにそれぞれ接続され、ノズル２１ａ、２１ｂはヒーター付ホース２０ａ、２０ｂの先端にそれぞれ接続されている。ロボット２２は、複数のノズル２１ａ、２１ｂを取り替えながら３次元造形を行う。

【0032】

本実施形態の３Ｄプリンターシステム１１は、複数の材料を用いて１個の製品を造形する場合に好適に用いることができる。複数の材料とは、例えば材質の異なる複数の樹脂や、色の異なる複数の樹脂である。また、３Ｄプリンターによる造形では、作業中に造形物が崩れないために、サポート材を用いて足場を造形し、その上に製品となる部分を造形することがある。このサポート材は、造形後に簡単に除去できるように、製品部分とは異なる材料、例えば水溶性のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などが用いられる。この３Ｄプリンターシステム１１によれば、複数のノズルを取り替えながら足場部分と製品部分を造形することができる。

【0033】

本発明は、上記の実施形態や実施例に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

【0034】

例えば、複数のホースおよびノズルの束をロボットで保持した状態で、吐出するノズルを切り替えながら、または同時に吐出しながら３次元造形を行ってもよい。本発明では軽量なノズル部分のみを移動させるため、１台のロボットで複数のノズルを同時に保持することができる。これにより、ノズル取り換えの手間を省くことができる。

【符号の説明】

【0035】

１０、１１ ３Ｄプリンターシステム
２０、２０ａ、２０ｂ ヒーター付ホース
２１、２１ａ、２１ｂ ノズル
２２ ロボット
２３ 制御装置
２４ スタティックミキサー
２５ 切替弁（材料排出手段）
２６ 排出路
３０ テーブル
３１、３１ａ、３１ｂ 押出機
３２、３２ａ、３２ｂ ホッパー

【図1】

【図2】

【図3】