特開 2024-2871 エアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システム

(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】P2024002871

(43)【公開日】2024-01-11

(54)【発明の名称】エアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システム

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/364 20170101AFI20231228BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20231228BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

B29C64/364

B29C64/106

B33Y30/00

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022168787

(22)【出願日】2022-10-21

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-12-12

(31)【優先権主張番号】111123517

(32)【優先日】2022-06-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】504007741

【氏名又は名称】國立中央大學

【住所又は居所原語表記】ＮＯ．３００， Ｊｈｏｎｇｄａ Ｒｏａｄ， Ｊｈｏｎｇｌｉ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｔａｏｙｕａｎ Ｃｉｔｙ， ＴＡＩＷＡＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100169904

【弁理士】

【氏名又は名称】村井 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100217412

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 亜子

(72)【発明者】

【氏名】廖昭仰

(72)【発明者】

【氏名】陳柏任

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AM25

4F213AR06

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL73

4F213WL85

4F213WL87

4F213WL96

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本発明は、特別に設計されたエアカーテン分離機構を提案し、それは、半遮蔽交換型付加製造装置システムに増設され、交換型付加製造装置システムの造形エリアをステレス的に遮蔽するために安定した気流を生成する。
【解決手段】本発明は、エアカーテン分離機構６００を備えた交換型付加製造装置システムであって、熱伝導モジュール３００と、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑３６０を形成する複数の平面付加製造アセンブリ及び前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリア３７０を形成する造形プラットフォームと、前記熱伝導モジュールの周辺部に配置され、能動的に気流を生成し、前記気流が前記作業坑と前記造形エリアを横切り、前記造形エリアと外部環境を分離するエアカーテン分離機構と、を含む。
【選択図】図１２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱伝導モジュールと、
前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを形成する造形プラットフォームと、
前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の曲面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内で回転するように選択的に配置され且つ前記作業坑とともに前記造形エリアを形成する造形スピンドルと、
前記熱伝導モジュールの周辺部に配置され、能動的に気流を生成し、前記気流が前記作業坑と前記造形エリアを横切り、前記製造エリアと外部環境を分離するエアカーテン分離機構と、
を含むエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムであって、
前記交換型付加製造装置システムは、前記造形プラットフォームと前記複数の平面付加製造アセンブリを選択的に配置して３D付加製造装置を構成する、または前記造形スピンドルと前記複数の曲面付加製造アセンブリを選択的に配置してロータリー付加製造装置を構成することを特徴とするエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システム。

【請求項2】

熱伝導モジュール内部に媒体流路を含み、その中を熱伝導媒体が流動し、前記媒体流路の入口が前記熱伝導モジュールの底部に配置され、
ガントリー多軸モーションプラットフォームを含み、ノズルを搭載して前記ノズルをX軸方向、Y軸方向またはZ軸方向に向けて移動するように駆動する３Dモーション機構と、
前記３Dモーション機構により前記造形エリア上方に位置するノズルと、
前記熱伝導媒体を能動的に冷却するように配置される循環冷却ユニットと、
前記熱伝導媒体を能動的に加熱するように配置される循環加熱ユニットと、
前記循環冷却ユニットと前記熱伝導モジュールを連通するまたは前記循環加熱ユニットと前記熱伝導モジュールを連通し、且つ前記熱伝導媒体が内部で流動する循環管路と、
前記造形プラットフォームを前記作業坑に沿って移動させるように駆動するリニアモータを含む造形プラットフォームモーション制御モジュールと、
前記造形スピンドルを回転させるように駆動するステッピングモータを含むスピンドルモーション制御モジュールと、
のうち一つを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の交換型付加製造装置システム。

【請求項3】

前記エアカーテン分離機構は、
前記熱伝導モジュールに従属する気流生成ユニットであって、
気流生成ユニット吸入端及び気流生成ユニット吹出端と、
前記気流生成ユニット吸入端により気体を吸入して前記気流を生成するとともに、前記気流生成ユニット吹出端から前記気流を排出するクロスフローファンと、
前記クロスフローファンを回転するように駆動して前記気流を生成する第１モータと、
前記気流生成ユニット吹出端に配置され、生成された前記気流に対してガイド効果を生成する第１エアデフレクタと、
を含む気流生成ユニットと、
前記熱伝導モジュールに従属するとともに位置において前記気流生成ユニットに相対する吸気ユニットであって、
吸気ユニット吸入端及び吸気ユニット吹出端と、
前記吸気ユニット吸入端から前記気流を吸入するとともに前記吸気ユニット吹出端から前記気流を排出する軸流ファンと、
前記軸流ファンが回転して前記気流を吸入するように駆動する第２モータと、
前記吸気ユニット吸入端に配置され、吸入された前記気流に対してガイド効果を生成する第２エアデフレクタと、
を含む吸気ユニットと、
前記吸気ユニット吹出端と前記気流生成ユニット吸入端を連通して、気流循環経路を形成する気流循環管路と、
前記気流循環経路上に配置される湿度コントローラと、
前記気流循環経路上に配置される温度コントローラと、
前記気流循環経路上に配置されるエアフィルタと、
のうち一つを更に含む請求項１記載の交換型付加製造装置システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交換型付加製造（Additive Manufacturing；ＡＭ）装置システムに関し、特に特殊設計のエアカーテン分離機構を備え、造形エリアをステレス的に遮蔽した交換型付加製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の技術において、バイオプリンターによるバイオプリンティングの工程では、特殊なバイオプリンティング材料の特性に合わせるため、通常、低温環境下で印刷作業を行う必要があり、例えば機械の動作温度を－２０℃から－４０℃の低温に保つ必要があり、これにより積層したバイオプリンティング材料が即座に凝固して、材料の堆積ができる。

【0003】

従来技術の方法は、無菌室または作業室にバイオプリンティング設備一式を設置して操作し、無菌室または作業室の環境条件を制御して、機械が必要とする温度および湿度条件を満たして、バイオプリンティングを行う。しかし、このように温度制御範囲が広いため、降温や昇温の効率が悪いなど明らかに多くのデメリットがあり、外部環境が条件に達した後でも、設定した条件に機械が達するのを待つ必要があるため、準備時間は非常に長くなる。

【0004】

更に、広範囲の外部空間における環境条件の制御は、昇温、降温、乾燥空気や湿った空気の生成にかかわらず、いずれも非常にエネルギーを必要とする。特に、バイオプリント工程では、異なる種類のバイオプリント材料を応用することが多いが、異なるバイオプリント材料が必要な環境温度はそれぞれ異なる。故に、バイオプリント工程は、多くの場合、これに制限されないが、例えば、－４０℃と＋３７℃の温度間で繰り返し切り替える制御が必要とされるので、この従来技術では印刷効率が悪く、改善する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、特別に設計されたエアカーテン分離機構を提案し、それは、半遮蔽交換型付加製造装置システムに増設され、交換型付加製造装置システムの造形エリアをステレス的に遮蔽するために安定した気流を生成し、交換型付加製造装置システムは、内部コンポーネントを簡単に交換するだけで異なる構成(configuration)が形成でき、半遮蔽式３D付加製造装置とロータリー付加製造装置という異なる構成に変換することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

熱伝導モジュールと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを形成する造形プラットフォームと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の曲面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内で回転するように選択的に配置され且つ前記作業坑とともに前記造形エリアを形成する造形スピンドルと、前記熱伝導モジュールの周辺部に配置され、能動的に気流を生成し、前記気流が前記作業坑と前記造形エリアを横切り、前記製造エリアと外部環境を分離するエアカーテン分離機構と、を含むエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムであって、前記交換型付加製造装置システムは、前記造形プラットフォームと前記複数の平面付加製造アセンブリを選択的に配置して３D付加製造装置を構成する、または前記造形スピンドルと前記複数の曲面付加製造アセンブリを選択的に配置してロータリー付加製造装置を構成することを特徴とするエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システム。

【発明の効果】

【0007】

エアカーテン気流の効果により、造形エリアを外部環境から分離して省エネ効果が達成され、機械全体の動作温度範囲を少なくとも－４０℃から＋６０℃に上昇させることができ、例えば、これに限定されないが、生体適合性の温感材料などの付加製造を行うのに非常に適している。この技術により、エネルギーロスを効果的に防ぎ、わずかな範囲の温度制御で済むため、機械が迅速に温度を平衡にすることができ、製造速度を向上させ、製造歩留まりも改善させることができる。また、気流の成分や温度、湿度を制御することで、造形環境をより安定させることができ、低温造形時の着霜量を減少させ、常温時の熱エネルギーの放熱を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置のシステム全体の概略図を開示する。

【図2(a)】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる熱伝導ベースの構造を示す概略図である。

【図2(b)】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる平面付加製造アセンブリの構造を示す概略図である。

【図2(c)】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる昇降式造形プラットフォームの構造を示す概略図である。

【図3】本発明で提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の構造組み立てを示す概略図である。

【図4(a)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構造の側断面を示す概略図である。

【図4(b)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構成を示す概略図である。

【図5(a)】本発明が提案する熱伝導ベースの内部の媒体流路の構造配置を示す側断面概略図である。

【図5(b)】本発明が提案する熱伝導ベース内部の媒体流路の構造配置を示す俯瞰概略図である。

【図6】本発明のエアカーテン分離機構を備えたロータリー付加製造装置の概略図である。

【図7(a)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む熱伝導ベースの構造の概略図である。

【図7(b)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む曲面付加製造アセンブリの構造を示す模式図である。

【図7(c)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む造形スピンドルの構造を示す概略図である。

【図8】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の構造の組み立て概略図である。

【図9(a)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す側断面概略図である。

【図9(b)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す概略図である。

【図10】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態に含まれる造形スピンドルの２段式構造を示す側断面概略図である。

【図11】交換型付加製造装置システムに配置された本発明のエアカーテン分離機構の構造を示す概略図である。

【図12】本発明の交換型付加製造装置システムに含まれるエアカーテン分離機構の機構概略図である。

【図13】本発明のエアカーテン分離機構によって生成されたエアカーテン気流の流れ場の流線を示す写真である。

【図14(a)】エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、３D付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。

【図14(b)】エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、ロータリー付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１から図５は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムの第１実施例の概略図を開示する。図１は本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置のシステム全体の概略図を開示する。本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、コンポーネントの簡単な交換により第１実施形態の３D付加製造装置、または第２実施形態のロータリー付加製造装置として設定または構成(configured)することができる。３D付加製造装置は、好ましくは１台の３Dバイオプリンターであり、３D直角座標運動に基づく平面付加製造作業を実行するために使用され、ロータリー付加製造装置は、好ましくは１台の回転バイオプリンターであり、３D直角座標運動に基づいて回転運動を組み合わせた曲面付加製造作業を実行するために使用される。

【0010】

第１実施形態において、図１に示すように、本発明の交換型付加製造装置システムは、好ましくは、一組の３Dモーション機構１００を含む一組の３D付加製造装置システム１０として構成される。３Dモーション機構１００は、好ましくは一組のガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０であり、好ましくは、ベース１２０上に設置された２つのX軸ガイドレール１１１および１１３、Y軸ガイドレール１１５、Z軸ガイドレール１１７、およびロードマウンタ１１９から構成され、Y軸ガイドレール１１５は、X軸ガイドレール１１１、１１３に移動可能に架設され、X軸リニアモータ（図示せず）により駆動されてX軸ガイドレール１１１、１１３に沿ってX方向に線性運動し、Z軸ガイドレール１１７は、Y軸ガイドレール１１５に移動可能に架設され、Y軸リニアモータ（図示せず）により駆動されてX軸ガイドレール１１１、１１３に沿ってY方向に線性運動する。マウンタ１１９はノズル２１０を取り付け、ノズル２１０は、マウンタ１１９に取り付けられると、予め計画され設定された経路に従って、X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の三軸移動を行う。

【0011】

ある実施形態において、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の最大移動範囲は４8６×４8６×１９６mmが好ましく、X軸ガイドレール１１１、１１３と、Y軸ガイドレール１１５と、Z軸ガイドレール１１７など各軸ガイドレールはいずれも、外部に光学スケールフィードバックモジュールとレベル補正モジュールが装備されており、プラットフォームの全体的な位置決め精度が±１μmに達することができる。

【0012】

また、３D付加製造装置１０は、付加製造モジュール２００を含み、付加製造モジュール２００は、造形材料供給ユニット（図示せず）とノズル２１０を含む。造形材料供給ユニットは、材料管路を介してノズル２１０に造形材料を供給する。ノズル２１０は、マウンタ１１９によってガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０に取り付けられ、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の３軸移動を行う。ノズル２１０としては、３D付加製造用の造形材料を吐出するための押出ノズルやインクジェットノズル等が好適であるが、これらに限定されない。造形材料は、例えば、生分解性ポリウレタン（biodegradable polyurethane, Bio-PU）材料が好ましいが、これに限定されない。

【0013】

３D付加製造装置１０は、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の可動範囲の下方に構成された一組の熱伝導モジュール３００と、熱伝導モジュール３００の上方に構成されたエアカーテン分離機構６００及び吸気ユニット６３０等を含む。

【0014】

図２（ａ）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる熱伝導ベースの構造を示す概略図である。図２（ｂ）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる平面付加製造アセンブリの構造を示す概略図である。図２（c）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる昇降式造形プラットフォームの構造を示す概略図である。図３は、本発明で提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の構造組み立てを示す概略図である。図４（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構造の側断面を示す概略図である。図４（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構成を示す概略図である。

【0015】

また、３D付加製造装置１０は、熱伝導ベース３１０、複数の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４、昇降式造形プラットフォーム３４０等からなる熱伝導モジュール３００を更に含み、熱伝導ベース３１０の構造形状は、好ましくは枠型構造体であり、枠型構造体は中央に矩形チャネル３１１を形成する。構造体の内部は、熱伝導媒体３8０が内部を流れるように複数の媒体流路３１３を含み、矩形チャネル３１１は、内側表面上に、複数の位置決め溝３１５及び組立孔３１７を含む一連の位置決め部材を含み、位置決め溝３１５及び組立孔３１７に従って平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３及び３２４を熱伝導ベース３１０に組み合わせることができる。

【0016】

熱伝導ベース３１０の構造形状は、例えば、矩形、円形、楕円形などの幾何学形状が好ましいが、これらに限定されず、また熱伝導ベース３１０の材質は、ステンレス鋼が好ましく、耐腐食性が高く、滅菌しやすい。

【0017】

複数の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４は、主に熱伝導ベース３１０の矩形チャネル３１１の内側表面に取り付けられ、共に作業坑（work well）３６０を構成する。４つの平坦付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４は、造形プラットフォーム３４０が作業坑３６０内に嵌入し、作業坑３６０に沿って移動するように、作業坑３６０の４つの内壁に平坦な表面を提供することができ、例えば、上昇又は下降させて造形プラットフォーム３４０の高さをz軸方向に変更でき、作業坑３６０と造形プラットフォーム３４０が、深さ／高さ可変の造形エリア３７０を共に構成する。

【0018】

本発明が提案する３D付加製造装置１０は、造形プラットフォームモーション制御モジュール４００を更に含む。造形プラットフォームモーション制御モジュール４００は、リニアモータ（図示せず）と１または複数の駆動軸４１０とを含み、駆動軸４１０は造形プラットフォーム３４０の下方に配置され、リニアモータは駆動軸４１０を駆動することにより造形プラットフォーム３４０を作業坑３６０に沿って移動するように駆動する。

【0019】

本発明が提案する３D付加製造装置１０では、付加製造は昇降型造形プラットフォーム３４０の上方の造形エリア３７０で行われ、ノズル２１０は、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０によって制御され、造形エリア３７０の範囲内に位置決めされ付加製造が行われ、造形プラットフォーム３４０は、作業坑３６０に沿ってＺ軸方向に昇降可能である。従って、同一層の積層構造又は全ての付加製造を造形する工程において、ノズル２１０がＺ軸方向上の高さを固定することができ、ＸＹ平面内でＸ軸およびＹ軸方向のみを移動させることが可能である。更に造形プラットフォーム３４０のＺ軸方向の高さを変えることにより、レイヤーバイレイヤー造形の効果が得られる。

【0020】

３D付加製造装置１０は、循環冷却ユニットと循環加熱ユニットとを含む温度循環制御モジュールを更に含む。循環冷却ユニットは、好ましくは、例えばこれに限定されないが、循環冷却装置(refrigerated circulator)であり、熱伝導媒体３８０を予め設定された温度まで能動的に冷却し、冷却された熱伝導媒体３８０を循環管路を通して熱伝導ベース３１０内の媒体流路３１３にポンピングし、循環管路を介して熱伝導媒体３8０を回収して再度冷却して、このサイクルを連続的に繰り返すことで、熱伝導ベース３１０を予め設定された動作温度まで冷却する。また、循環加熱ユニットは、例えば、循環加熱装置(heating circulator)であることが好ましいが、これに限定されず、熱伝導媒体３8０を予め設定された温度に能動的に加熱し、加熱された熱伝導媒体３8０を循環管路を介して熱伝導ベース３１０内の媒体流路３１３にポンピングし、循環管路を介して熱伝導媒体３8０を回収して再度加熱し、このサイクルを連続的に繰り返すことにより、熱伝導ベース３１０を予め設定された動作温度まで加熱する。熱伝導媒体３８０は、冷却剤(coolant)または循環液体であることが好ましく、本実施形態では、冷却剤は、濃度９９．５％のエタノール(Ethanol, ECOH)であることが好ましい。

【0021】

図５（ａ）は、本発明が提案する熱伝導ベースの内部の媒体流路の構造配置を示す側断面概略図である。図５（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導ベース内部の媒体流路の構造配置を示す俯瞰概略図である。熱伝導ベース３１０の内部構造配置において、媒体流路３１３は、一定の高さごとに媒体流路３１３を１周配置する多層配置を採用し、造形プラットフォーム３４０が作業坑３６０を昇降する過程で温度分布をより均一にすることができ、媒体流路３１３の入口３１３１は熱伝導ベース３１０の下層に配置され、出口３１３２は熱伝導ベース３１０の上層に配置され、造形スケジュールが比較的高い層の構造の造形に進むと、例えば、これに限定されないが、比較的高い層のバイオスキャフォールド構造は、造形プラットフォーム３４０の高度が下降した後、入口３１３１に近づくほど、入口３１３１に近い熱伝導媒体３8０はエネルギー散逸が小さいため、低温または高温状態になり、これにより熱伝導効率を高めることができる。

【0022】

付加製造プロセス中、熱伝導媒体３8０は温度循環制御モジュールによって供給され、加熱または冷却された熱伝導媒体３8０は温度循環制御モジュールのポンピングによって、媒体流路３１３の入口３１３１に輸送される。媒体流路３１３に進み、熱伝導ベース３１０の内部を循環し、熱伝導ベース３１０を冷却または加熱する。エネルギーは、熱伝導ベース３１０を介して作業坑３６０の周囲の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３および３２４に伝達され、接触伝導を介して中央の造形プラットフォーム３４０に伝達され、造形プラットフォーム３４０が冷却または加熱されるとともに、造形プラットフォーム３４０上に積層された造形材料に伝達される。

【0023】

図６～図１０は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムの第２実施形態を示す概略図である。図６は、本発明のエアカーテン分離機構を備えたロータリー付加製造装置の概略図である。第２実施形態において、本発明の交換型付加製造装置システムは、第１実施形態と、第１実施形態で開示された少なくとも３Dモーション機構１００と、付加製造モジュール２００と、熱伝導モジュール３００と、温度循環制御モジュール及びエアカーテン分離機構６００と、吸気ユニット６３０などを含むロータリー付加製造装置２０から構成されることが好ましい。

【0024】

図７（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む熱伝導ベースの構造の概略図である。図７（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む曲面付加製造アセンブリの構造を示す模式図である。図７（ｃ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む造形スピンドルの構造を示す概略図である。図８は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の構造の組み立て概略図である。図９（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す側断面概略図である。図９（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す概略図である。

【0025】

ロータリー付加製造装置２０は、第１実施形態で開示した熱伝導モジュール３００をさらに含み、熱伝導モジュール３００は、熱伝導ベース３１０、複数の曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４、造形スピンドル等を含む。熱伝導ベース３１０の内部は、熱伝導媒体３８０が流れる媒体流路３１３を含み、熱伝導ベース３１０は、複数の位置決め溝３１５と組立孔３１７を含み、位置決め溝３１５と組立孔３１７に従って曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４の各々が熱伝導ベース３１０に組み付けられて作業坑３６０を形成する。

【0026】

着脱を容易にするために、造形スピンドル３５０の取付けは片側挿入方式を採用し、造形スピンドル３５０は、熱伝導ベース３１０に開設された第１軸受孔３９１と、対応する曲面付加製造アセンブリ３３２上の第２軸受孔３９３を順次貫通し、対向する曲面付加製造アセンブリ３３４上の第３軸受孔３９５に挿入される。第３軸受孔３９５に挿入された造形スピンドル３５０は、回転時の摩擦を減らすために曲面付加製造アセンブリ３３３の後部の熱伝導ベース３１０に接触せず、エネルギーは、造形スピンドル３５０に接触した第１軸受孔３９１、第２軸受孔３９３及び第３軸受孔３９５を介して造形スピンドル３５０に伝達される。熱伝導ベース３１０の下方に底板３６３がさらに含まれ、作業坑３６０の底を遮蔽し、造形エリア３７０が５つの面を有する遮蔽空間を形成する。

【0027】

本発明が提案するロータリー付加製造装置２０は、回転モーション制御モジュール４５０をさらに含み、回転モーション制御モジュール４５０は、ステッピングモータ４６０を含み、造形スピンドル３５０は、回転モーション制御モジュール４５０のステッピングモータ４６０によって駆動されることが好ましい。

【0028】

本発明が提案するロータリー付加製造装置２０において、造形スピンドル３５０上方の造形エリア３７０で付加製造が行われ、ノズル２１０が造形エリア３７０の範囲内で作動して付加製造が行われ、ロータリー付加製造装置２０は、主に例えば三次元管状構造を製造するために使用されるが、これに限定されない。

【0029】

図１０は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態に含まれる造形スピンドルの２段式構造を示す側断面概略図である。造形スピンドル３５０上で付加製造が行われるので、付加製造が完了した後、完成品は、造形スピンドル３５０に取付いているので、造形スピンドル３５０は第１軸受孔３９１、第２軸受孔３９３、および第３軸受孔３９５から直接抜き取ることができない。

【0030】

したがって、本発明が提案するロータリー付加製造装置２０では、造形スピンドル３５０を２段式構造として設計し、造形スピンドル３５０は、螺合(screwing)された連結部３５１と造形部３５３とを備えているため、本発明が提案する造形スピンドル３５０は、曲面付加製造の完了後、完成品を傷つけないように、造形部３５３を直接作業坑３６０内部から直接取り出すことができる。

【0031】

本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、第１実施形態の３D付加製造装置１０と、第２実施形態のロータリー付加製造装置２０とを少なくとも含み、設計コンセプトは、付加製造プロセスの温度制御範囲を、作業坑３６０の４つの内壁と造形プラットフォーム３４０または造形スピンドル３５０によって形成される５面の遮蔽空間または半遮蔽空間のみ、すなわち造形エリア３７０に限定することである。これにより、付加製造プロセスの温度制御範囲が大幅に縮小され、熱伝導効率が非常に向上し、機械全体の効率とエネルギー消費量が大幅に改善される。

【0032】

しかし、造形エリア３７０の上部は、ノズル２１０が造形エリア３７０に進入して付加製造作業を実行できるように、ノズル２１０用に開放されていなければならず、その結果、造形エリア３７０は周囲環境から完全には隔離されない。造形工程中、造形エリア３７０の内部エネルギーは外部環境に継続的に流出し、造形エリア３７０は、外部環境の湿気および水分の影響も受けやすく、機械が冷却された後、作業坑３６０の内壁と造形プラットフォーム３４０または造形スピンドル３５０は着霜しやすくなり、付加製造作業が妨げられ、機械造形環境全体の安定性は依然として不十分である。

【0033】

図１１は、交換型付加製造装置システムに配置された本発明のエアカーテン分離機構の構造を示す概略図である。本発明が提案するエアカーテン分離機構６００は、３D付加製造装置１０とロータリー付加製造装置２０とを含む付加製造装置システムの熱伝導モジュール３００の熱伝導ベース３１０の両側の周辺領域に配置される。エアカーテン分離機構６００は、製造エリア３７０上方に作業坑３６０と造形エリア３７０を横切る安定したガスジェットを発生させて、造形エリア３７０をステレス的に遮蔽し、気流６２３の成分、温度および温度を制御することによって造形環境の安定性を向上することができ、低温造形中の着霜量またはエネルギー損失を減らし、常温造形または高温造形中の熱エネルギーの散逸を防止する。

【0034】

図１２は、本発明の交換型付加製造装置システムに含まれるエアカーテン分離機構の機構概略図である。エアカーテン分離機構６００の能動部材は、能動気流生成ユニット６１０および能動吸気ユニット６３０などを含む。能動気流生成ユニット６１０は、気流生成ユニット吸入端６１１と気流生成ユニット吹出端６１３とをさらに含み、超大風量クロスフローファン６１５と、吹出端６１３と超大風量クロスフローファン６１５によって生成される気流６２３の経路上に設置される第１のエアデフレクタ６１７と、超大風量クロスフローファン６１５の駆動に対応する第１モータ６１９と、モータコントローラ６２１を配置する。

【0035】

能動吸気ユニット６３０はさらに、吸気ユニット吸入端６３１および吸気ユニット吹出端６３３を含み、また、超大風量軸流ファン６３５と、吸入端６３１に配置された第２エアデフレクタ６３７と、超大風量軸流ファン６３５の駆動に対応する第２モータ６３９とを備える。能動吸気ユニット６３０は、気流６２３の回収効率を向上させるために、２つの超大風量軸流ファン６３５および２つのモータを配置することが好ましい。

【0036】

能動気流生成ユニット６１０と能動吸気ユニット６３０とは、互いに対向する位置に相対的に配置される。能動気流生成ユニット６１０の超大風量クロスフローファン６１５がスムーズに空気を吹き出し、気流６２３を形成し、能動吸気ユニット６３０の２つの超大風量軸流ファン６３５は、能動吸気ユニット６３０の前方に負圧領域を形成して気流６２３を吸い込み、流動の拡散を避けるために造形エリア３７０の上方に気流をガイドして集中させて、空気循環システムを構成し、エアカーテンを形成して、造形エリア３７０の上方をステレス的に遮蔽する。

【0037】

低温付加製造を例として、低温作業環境下で、空気中に含まれる水分が接触隙間中で凍結すると、冷却能力の伝達が低下するだけでなく、造形プラットフォームや造形スピンドルが凍結して機械の動作に影響を与える可能性もあり、本発明が提案したエアカーテン分離機構６００が生成した気流６２３は造形エリア３７０と外部環境との接触を効果的に遮断する。

【0038】

エアカーテン分離機構６００は更に、吸気ユニット吹出端６３３と気流生成ユニット吸入端６１１を連通し、気流循環経路６５１を形成する気流循環管路６５０を含み、生成されたエアカーテン気流６２３の造形エリア３７０への影響を低減するために、モータコントローラ６２１による超大風量クロスフローファン６１５と超大風量軸流ファン６３５の回転数を適切に制御する以外に、さらに、本発明では、気流循環管路６５０の気流循環経路６５１の適切な位置に、化学ドライヤーなどの湿度コントローラ６６０と温度コントローラ６７０のセットを配置し、気流の湿度と温度を調整するようにする。例えば、造形材料がハイドロゲルである場合、湿度コントローラ６６０により相対湿度（RH）が約６０のエアカーテン気流を発生させて造形工程中のハイドロゲルの乾燥を防ぐことができ、低温造形を行う必要がある場合は湿度コントローラ６６０により乾燥空気を導入して着霜量を減らし、温度コントローラ６７０により気流温度を合わせて下げて造形環境の品質を効果的に向上することができる。

【0039】

さらに、吹き出す気流により付加製造品が汚染されるのを防止するために、能動気流生成ユニット６１０内の気流循環経路６５１上に一組のエアフィルタ６８０を選択的に配置することができる。エアフィルタ６８０は、好ましくは、多層フィルタスクリーン、高分子フィルタ層、活性炭フィルタ層、ＨＥＰＡ Ｈ１３医療用フィルタ層、またはＰＰ静電層などであり、エアカーテン気流の空気品質が確保できる。

【0040】

図１３は、本発明のエアカーテン分離機構によって生成されたエアカーテン気流の流れ場の流線を示す写真である。本発明のエアカーテン分離機構６００によって生成されたエアカーテン気流が一定で安定した(steady and stable)状態に達した後、流れ場の視覚化後に煙線によって形成される流線は、図１３に示されるようになる。図１３からわかるように、一定で安定した状態に達するエアカーテンの気流は滑らかな特性を示している。

【0041】

図１４（ａ）は、エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、３D付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。図１４（ｂ）は、エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、ロータリー付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。低温付加製造を例にすると、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示すように、３D付加製造装置またはロータリー付加製造装置の造形エリアのいずれも、エアカーテン分離機構の使用後は平均温度はどちらも早く低下し、エアカーテン分離機構を使用していない場合に比べて約３０分早く安定した作業温度に到達し、実験効率が効果的に向上し、エアカーテン分離機構が造形エリアの温度低下に有効に寄与する。

【0042】

さらに、３D付加製造装置、ロータリー付加製造装置のいずれにおいても、エアカーテン分離機構を使用した場合は、エアカーテン分離機構を使用しない場合に比べ、造形エリアの最終的に達する作業温度を少なくとも１℃低下させることができ、エアカーテン気流の遮断により、造形環境の安定性が高まり、低温エネルギーが造形エリア内に効果的に蓄えられ、また湿度コントローラ及び温度コントローラの作用の効果が顕著であることが証明された。

【0043】

エアカーテンの効果により、造形エリアを外部環境から隔離して省エネ効果が達成できるため、機械の動作温度範囲を少なくとも－４０℃から＋６０℃に上昇させることができ、例えばこれに制限されないが生体適合性感温材料の付加製造の実施に非常に適しており、またエネルギー損失を効果的に防ぐことができる。また、狭い範囲だけで温度を制御すればよいため、機械は温度バランスを迅速に達成でき、造形速度を上げることができ、更に、生産歩留まりも向上させることができる。気流成分、温度、湿度を制御することにより、造形環境の安定性が向上し、低温造形時の着霜量やエネルギー損失を低減し、常温造形または高温造形において、熱エネルギーの散逸を防止する。

【0044】

本発明のエアカーテン分離機構６００を設置しても、プリントノズル２１０やガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の動作を妨げないため、造形エリア３７０をステレス的に遮蔽するとともに、ノズル２１０が付加製造作業を自在に行うことができる。

【0045】

本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、３Dモーション機構１００、付加製造モジュール２００、温度循環制御モジュール及びエアカーテン分離機構６００を交換せずに、熱伝導ベース３１０上の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３及び３２４と曲線付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３及び３３４を簡単に交換するだけで、３D付加製造装置１０及びロータリー付加製造装置２０の２つの動作モードを切り替えることが可能である。

【0046】

本発明のエアカーテン分離機構を備える交換型付加製造装置システムは更に、少なくとも以下の特徴を有する。(１) Z軸方向に昇降する造形プラットフォームを介して付加製造分層積層作業を実行し、ガントリー型多軸モーションプラットフォームのZ軸方向の移動を低減する。(２) 主要コンポーネントのほとんどを交換することなく、異なるアセンブリを簡単に交換するだけで、３D付加製造装置とロータリー付加製造装置を切り替えることができる。（３）エアカーテン分離機構を備えることにより、造形エリア上方にスムーズな気流を発生させ、造形エリアをステレス的に遮蔽して、着霜量やエネルギー損失を大幅に低減する。

【図1】

【図2(a)】

【図2(b)】

【図2(c)】

【図3】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図5(a)】

【図5(b)】

【図6】

【図7(a)】

【図7(b)】

【図7(c)】

【図8】

【図9(a)】

【図9(b)】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14(a)】

【図14(b)】

【手続補正書】

【提出日】2023-10-12

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱伝導モジュールと、
前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを画定する造形プラットフォームと、
前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の曲面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内で回転するように選択的に配置され且つ前記作業坑とともに前記造形エリアを画定する造形スピンドルと、
前記熱伝導モジュールの周辺部に配置され、能動的に気流を生成し、前記気流が前記作業坑と前記造形エリアを横切り、前記造形エリアと外部環境を分離するエアカーテン分離機構と、
を含むエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムであって、
前記交換型付加製造装置システムは、前記造形プラットフォームと前記複数の平面付加製造アセンブリを選択的に配置して３D付加製造装置を構成する、または前記造形スピンドルと前記複数の曲面付加製造アセンブリを選択的に配置してロータリー付加製造装置を構成することを特徴とするエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システム。

【請求項2】

熱伝導モジュール内部に媒体流路を含み、その中を熱伝導媒体が流動し、前記媒体流路の入口が前記熱伝導モジュールの底部に配置され、
ガントリー多軸モーションプラットフォームを含み、ノズルを搭載して前記ノズルをX軸方向、Y軸方向またはZ軸方向に向けて移動するように駆動する３Dモーション機構と、
前記３Dモーション機構により前記造形エリア上方に位置するノズルと、
前記熱伝導媒体を能動的に冷却するように配置される循環冷却ユニットと、
前記熱伝導媒体を能動的に加熱するように配置される循環加熱ユニットと、
前記循環冷却ユニットと前記熱伝導モジュールを連通するまたは前記循環加熱ユニットと前記熱伝導モジュールを連通し、且つ前記熱伝導媒体が内部で流動する循環管路と、
前記造形プラットフォームを前記作業坑に沿って移動させるように駆動するリニアモータを含む造形プラットフォームモーション制御モジュールと、
前記造形スピンドルを回転させるように駆動するステッピングモータを含むスピンドルモーション制御モジュールと、
のうち一つを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の交換型付加製造装置システム。

【請求項3】

前記エアカーテン分離機構は、
前記熱伝導モジュールに従属する気流生成ユニットであって、
気流生成ユニット吸入端及び気流生成ユニット吹出端と、
前記気流生成ユニット吸入端により気体を吸入して前記気流を生成するとともに、前記気流生成ユニット吹出端から前記気流を排出するクロスフローファンと、
前記クロスフローファンを回転するように駆動して前記気流を生成する第１モータと、
前記気流生成ユニット吹出端に配置され、生成された前記気流に対してガイド効果を生成する第１エアデフレクタと、
を含む気流生成ユニットと、
前記熱伝導モジュールに従属するとともに位置において前記気流生成ユニットに相対する吸気ユニットであって、
吸気ユニット吸入端及び吸気ユニット吹出端と、
前記吸気ユニット吸入端から前記気流を吸入するとともに前記吸気ユニット吹出端から前記気流を排出する軸流ファンと、
前記軸流ファンが回転して前記気流を吸入するように駆動する第２モータと、
前記吸気ユニット吸入端に配置され、吸入された前記気流に対してガイド効果を生成する第２エアデフレクタと、
を含む吸気ユニットと、
前記吸気ユニット吹出端と前記気流生成ユニット吸入端を連通して、気流循環経路を形成する気流循環管路と、
前記気流循環経路上に配置される湿度コントローラと、
前記気流循環経路上に配置される温度コントローラと、
前記気流循環経路上に配置されるエアフィルタと、
のうち一つを更に含む請求項１記載の交換型付加製造装置システム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交換型付加製造（Additive Manufacturing；ＡＭ）装置システムに関し、特に特殊設計のエアカーテン分離機構を備え、造形エリアをステレス的に遮蔽した交換型付加製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の技術において、バイオプリンターによるバイオプリンティングの工程では、特殊なバイオプリンティング材料の特性に合わせるため、通常、低温環境下で印刷作業を行う必要があり、例えば機械の動作温度を－２０℃から－４０℃の低温に保つ必要があり、これにより積層したバイオプリンティング材料が即座に凝固して、材料の堆積ができる。

【0003】

従来技術の方法は、無菌室または作業室にバイオプリンティング設備一式を設置して操作し、無菌室または作業室の環境条件を制御して、機械が必要とする温度および湿度条件を満たして、バイオプリンティングを行う。しかし、このように温度制御範囲が広いため、降温や昇温の効率が悪いなど明らかに多くのデメリットがあり、外部環境が条件に達した後でも、設定した条件に機械が達するのを待つ必要があるため、準備時間は非常に長くなる。

【0004】

更に、広範囲の外部空間における環境条件の制御は、昇温、降温、乾燥空気や湿った空気の生成にかかわらず、いずれも非常にエネルギーを必要とする。特に、バイオプリント工程では、異なる種類のバイオプリント材料を応用することが多いが、異なるバイオプリント材料が必要な環境温度はそれぞれ異なる。故に、バイオプリント工程は、多くの場合、これに制限されないが、例えば、－４０℃と＋３７℃の温度間で繰り返し切り替える制御が必要とされるので、この従来技術では印刷効率が悪く、改善する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、特別に設計されたエアカーテン分離機構を提案し、それは、半遮蔽交換型付加製造装置システムに増設され、交換型付加製造装置システムの造形エリアをステレス的に遮蔽するために安定した気流を生成し、交換型付加製造装置システムは、内部コンポーネントを簡単に交換するだけで異なる構成(configuration)が形成でき、半遮蔽式３D付加製造装置とロータリー付加製造装置という異なる構成に変換することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

熱伝導モジュールと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の平面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内に選択的に配置されて前記作業坑に沿って移動し且つ前記作業坑とともに造形エリアを形成する造形プラットフォームと、前記熱伝導モジュールの中央部で選択的に組み合わせて作業坑を形成する複数の曲面付加製造アセンブリ及び、前記作業坑内で回転するように選択的に配置され且つ前記作業坑とともに前記造形エリアを形成する造形スピンドルと、前記熱伝導モジュールの周辺部に配置され、能動的に気流を生成し、前記気流が前記作業坑と前記造形エリアを横切り、前記造形エリアと外部環境を分離するエアカーテン分離機構と、を含むエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムであって、前記交換型付加製造装置システムは、前記造形プラットフォームと前記複数の平面付加製造アセンブリを選択的に配置して３D付加製造装置を構成する、または前記造形スピンドルと前記複数の曲面付加製造アセンブリを選択的に配置してロータリー付加製造装置を構成することを特徴とするエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システム。

【発明の効果】

【0007】

エアカーテン気流の効果により、造形エリアを外部環境から分離して省エネ効果が達成され、機械全体の動作温度範囲を少なくとも－４０℃から＋６０℃に上昇させることができ、例えば、これに限定されないが、生体適合性の温感材料などの付加製造を行うのに非常に適している。この技術により、エネルギーロスを効果的に防ぎ、わずかな範囲の温度制御で済むため、機械が迅速に温度を平衡にすることができ、製造速度を向上させ、製造歩留まりも改善させることができる。また、気流の成分や温度、湿度を制御することで、造形環境をより安定させることができ、低温造形時の着霜量を減少させ、常温時の熱エネルギーの放熱を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置のシステム全体の概略図を開示する。

【図2(a)】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる熱伝導ベースの構造を示す概略図である。

【図2(b)】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる平面付加製造アセンブリの構造を示す概略図である。

【図2(c)】本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる昇降式造形プラットフォームの構造を示す概略図である。

【図3】本発明で提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の構造組み立てを示す概略図である。

【図4(a)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構造の側断面を示す概略図である。

【図4(b)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構成を示す概略図である。

【図5(a)】本発明が提案する熱伝導ベースの内部の媒体流路の構造配置を示す側断面概略図である。

【図5(b)】本発明が提案する熱伝導ベース内部の媒体流路の構造配置を示す俯瞰概略図である。

【図6】本発明のエアカーテン分離機構を備えたロータリー付加製造装置の概略図である。

【図7(a)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む熱伝導ベースの構造の概略図である。

【図7(b)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む曲面付加製造アセンブリの構造を示す模式図である。

【図7(c)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む造形スピンドルの構造を示す概略図である。

【図8】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の構造の組み立て概略図である。

【図9(a)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す側断面概略図である。

【図9(b)】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す概略図である。

【図10】本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態に含まれる造形スピンドルの２段式構造を示す側断面概略図である。

【図11】交換型付加製造装置システムに配置された本発明のエアカーテン分離機構の構造を示す概略図である。

【図12】本発明の交換型付加製造装置システムに含まれるエアカーテン分離機構の機構概略図である。

【図13】本発明のエアカーテン分離機構によって生成されたエアカーテン気流の流れ場の流線を示す写真である。

【図14(a)】エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、３D付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。

【図14(b)】エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、ロータリー付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１から図５は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムの第１実施例の概略図を開示する。図１は本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置のシステム全体の概略図を開示する。本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、コンポーネントの簡単な交換により第１実施形態の３D付加製造装置、または第２実施形態のロータリー付加製造装置として設定または構成(configured)することができる。３D付加製造装置は、好ましくは１台の３Dバイオプリンターであり、３D直角座標運動に基づく平面付加製造作業を実行するために使用され、ロータリー付加製造装置は、好ましくは１台の回転バイオプリンターであり、３D直角座標運動に基づいて回転運動を組み合わせた曲面付加製造作業を実行するために使用される。

【0010】

第１実施形態において、図１に示すように、本発明の交換型付加製造装置システムは、好ましくは、一組の３Dモーション機構１００を含む一組の３D付加製造装置システム１０として構成される。３Dモーション機構１００は、好ましくは一組のガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０であり、好ましくは、ベース１２０上に設置された２つのX軸ガイドレール１１１および１１３、Y軸ガイドレール１１５、Z軸ガイドレール１１７、およびロードマウンタ１１９から構成され、Y軸ガイドレール１１５は、X軸ガイドレール１１１、１１３に移動可能に架設され、X軸リニアモータ（図示せず）により駆動されてX軸ガイドレール１１１、１１３に沿ってX方向に線性運動し、Z軸ガイドレール１１７は、Y軸ガイドレール１１５に移動可能に架設され、Y軸リニアモータ（図示せず）により駆動されてX軸ガイドレール１１１、１１３に沿ってY方向に線性運動する。マウンタ１１９はノズル２１０を取り付け、ノズル２１０は、マウンタ１１９に取り付けられると、予め計画され設定された経路に従って、X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の三軸移動を行う。

【0011】

ある実施形態において、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の最大移動範囲は４8６×４8６×１９６mmが好ましく、X軸ガイドレール１１１、１１３と、Y軸ガイドレール１１５と、Z軸ガイドレール１１７など各軸ガイドレールはいずれも、外部に光学スケールフィードバックモジュールとレベル補正モジュールが装備されており、プラットフォームの全体的な位置決め精度が±１μmに達することができる。

【0012】

また、３D付加製造装置１０は、付加製造モジュール２００を含み、付加製造モジュール２００は、造形材料供給ユニット（図示せず）とノズル２１０を含む。造形材料供給ユニットは、材料管路を介してノズル２１０に造形材料を供給する。ノズル２１０は、マウンタ１１９によってガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０に取り付けられ、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の３軸移動を行う。ノズル２１０としては、３D付加製造用の造形材料を吐出するための押出ノズルやインクジェットノズル等が好適であるが、これらに限定されない。造形材料は、例えば、生分解性ポリウレタン（biodegradable polyurethane, Bio-PU）材料が好ましいが、これに限定されない。

【0013】

３D付加製造装置１０は、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の可動範囲の下方に構成された一組の熱伝導モジュール３００と、熱伝導モジュール３００の上方に構成されたエアカーテン分離機構６００及び吸気ユニット６３０等を含む。

【0014】

図２（ａ）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる熱伝導ベースの構造を示す概略図である。図２（ｂ）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる平面付加製造アセンブリの構造を示す概略図である。図２（c）は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた３D付加製造装置に含まれる熱伝導モジュールの第１実施形態に含まれる昇降式造形プラットフォームの構造を示す概略図である。図３は、本発明で提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の構造組み立てを示す概略図である。図４（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構造の側断面を示す概略図である。図４（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第１実施形態の全体構成を示す概略図である。

【0015】

また、３D付加製造装置１０は、熱伝導ベース３１０、複数の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４、昇降式造形プラットフォーム３４０等からなる熱伝導モジュール３００を更に含み、熱伝導ベース３１０の構造形状は、好ましくは枠型構造体であり、枠型構造体は中央に矩形チャネル３１１を形成する。構造体の内部は、熱伝導媒体３8０が内部を流れるように複数の媒体流路３１３を含み、矩形チャネル３１１は、内側表面上に、複数の位置決め溝３１５及び組立孔３１７を含む一連の位置決め部材を含み、位置決め溝３１５及び組立孔３１７に従って平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３及び３２４を熱伝導ベース３１０に組み合わせることができる。

【0016】

熱伝導ベース３１０の構造形状は、例えば、矩形、円形、楕円形などの幾何学形状が好ましいが、これらに限定されず、また熱伝導ベース３１０の材質は、ステンレス鋼が好ましく、耐腐食性が高く、滅菌しやすい。

【0017】

複数の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４は、主に熱伝導ベース３１０の矩形チャネル３１１の内側表面に取り付けられ、共に作業坑（work well）３６０を構成する。４つの平坦付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３、３２４は、造形プラットフォーム３４０が作業坑３６０内に嵌入し、作業坑３６０に沿って移動するように、作業坑３６０の４つの内壁に平坦な表面を提供することができ、例えば、上昇又は下降させて造形プラットフォーム３４０の高さをz軸方向に変更でき、作業坑３６０と造形プラットフォーム３４０が、深さ／高さ可変の造形エリア３７０を共に構成する。

【0018】

本発明が提案する３D付加製造装置１０は、造形プラットフォームモーション制御モジュール４００を更に含む。造形プラットフォームモーション制御モジュール４００は、リニアモータ（図示せず）と１または複数の駆動軸４１０とを含み、駆動軸４１０は造形プラットフォーム３４０の下方に配置され、リニアモータは駆動軸４１０を駆動することにより造形プラットフォーム３４０を作業坑３６０に沿って移動するように駆動する。

【0019】

本発明が提案する３D付加製造装置１０では、付加製造は昇降型造形プラットフォーム３４０の上方の造形エリア３７０で行われ、ノズル２１０は、ガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０によって制御され、造形エリア３７０の範囲内に位置決めされ付加製造が行われ、造形プラットフォーム３４０は、作業坑３６０に沿ってＺ軸方向に昇降可能である。従って、同一層の積層構造又は全ての付加製造を造形する工程において、ノズル２１０がＺ軸方向上の高さを固定することができ、ＸＹ平面内でＸ軸およびＹ軸方向のみを移動させることが可能である。更に造形プラットフォーム３４０のＺ軸方向の高さを変えることにより、レイヤーバイレイヤー造形の効果が得られる。

【0020】

３D付加製造装置１０は、循環冷却ユニットと循環加熱ユニットとを含む温度循環制御モジュールを更に含む。循環冷却ユニットは、好ましくは、例えばこれに限定されないが、循環冷却装置(refrigerated circulator)であり、熱伝導媒体３８０を予め設定された温度まで能動的に冷却し、冷却された熱伝導媒体３８０を循環管路を通して熱伝導ベース３１０内の媒体流路３１３にポンピングし、循環管路を介して熱伝導媒体３8０を回収して再度冷却して、このサイクルを連続的に繰り返すことで、熱伝導ベース３１０を予め設定された動作温度まで冷却する。また、循環加熱ユニットは、例えば、循環加熱装置(heating circulator)であることが好ましいが、これに限定されず、熱伝導媒体３8０を予め設定された温度に能動的に加熱し、加熱された熱伝導媒体３8０を循環管路を介して熱伝導ベース３１０内の媒体流路３１３にポンピングし、循環管路を介して熱伝導媒体３8０を回収して再度加熱し、このサイクルを連続的に繰り返すことにより、熱伝導ベース３１０を予め設定された動作温度まで加熱する。熱伝導媒体３８０は、冷却剤(coolant)または循環液体であることが好ましく、本実施形態では、冷却剤は、濃度９９．５％のエタノール(Ethanol, ECOH)であることが好ましい。

【0021】

図５（ａ）は、本発明が提案する熱伝導ベースの内部の媒体流路の構造配置を示す側断面概略図である。図５（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導ベース内部の媒体流路の構造配置を示す俯瞰概略図である。熱伝導ベース３１０の内部構造配置において、媒体流路３１３は、一定の高さごとに媒体流路３１３を１周配置する多層配置を採用し、造形プラットフォーム３４０が作業坑３６０を昇降する過程で温度分布をより均一にすることができ、媒体流路３１３の入口３１３１は熱伝導ベース３１０の下層に配置され、出口３１３２は熱伝導ベース３１０の上層に配置され、造形スケジュールが比較的高い層の構造の造形に進むと、例えば、これに限定されないが、比較的高い層のバイオスキャフォールド構造は、造形プラットフォーム３４０の高度が下降した後、入口３１３１に近づくほど、入口３１３１に近い熱伝導媒体３8０はエネルギー散逸が小さいため、低温または高温状態になり、これにより熱伝導効率を高めることができる。

【0022】

付加製造プロセス中、熱伝導媒体３8０は温度循環制御モジュールによって供給され、加熱または冷却された熱伝導媒体３8０は温度循環制御モジュールのポンピングによって、媒体流路３１３の入口３１３１に輸送される。媒体流路３１３に進み、熱伝導ベース３１０の内部を循環し、熱伝導ベース３１０を冷却または加熱する。エネルギーは、熱伝導ベース３１０を介して作業坑３６０の周囲の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３および３２４に伝達され、接触伝導を介して中央の造形プラットフォーム３４０に伝達され、造形プラットフォーム３４０が冷却または加熱されるとともに、造形プラットフォーム３４０上に積層された造形材料に伝達される。

【0023】

図６～図１０は、本発明のエアカーテン分離機構を備えた交換型付加製造装置システムの第２実施形態を示す概略図である。図６は、本発明のエアカーテン分離機構を備えたロータリー付加製造装置の概略図である。第２実施形態において、本発明の交換型付加製造装置システムは、第１実施形態と、第１実施形態で開示された少なくとも３Dモーション機構１００と、付加製造モジュール２００と、熱伝導モジュール３００と、温度循環制御モジュール及びエアカーテン分離機構６００と、吸気ユニット６３０などを含むロータリー付加製造装置２０から構成されることが好ましい。

【0024】

図７（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む熱伝導ベースの構造の概略図である。図７（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む曲面付加製造アセンブリの構造を示す模式図である。図７（ｃ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態が含む造形スピンドルの構造を示す概略図である。図８は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の構造の組み立て概略図である。図９（ａ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す側断面概略図である。図９（ｂ）は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態の全体構造を示す概略図である。

【0025】

ロータリー付加製造装置２０は、第１実施形態で開示した熱伝導モジュール３００をさらに含み、熱伝導モジュール３００は、熱伝導ベース３１０、複数の曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４、造形スピンドル等を含む。熱伝導ベース３１０の内部は、熱伝導媒体３８０が流れる媒体流路３１３を含み、熱伝導ベース３１０は、複数の位置決め溝３１５と組立孔３１７を含み、位置決め溝３１５と組立孔３１７に従って曲面付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３、３３４の各々が熱伝導ベース３１０に組み付けられて作業坑３６０を形成する。

【0026】

着脱を容易にするために、造形スピンドル３５０の取付けは片側挿入方式を採用し、造形スピンドル３５０は、熱伝導ベース３１０に開設された第１軸受孔３９１と、対応する曲面付加製造アセンブリ３３２上の第２軸受孔３９３を順次貫通し、対向する曲面付加製造アセンブリ３３４上の第３軸受孔３９５に挿入される。第３軸受孔３９５に挿入された造形スピンドル３５０は、回転時の摩擦を減らすために曲面付加製造アセンブリ３３３の後部の熱伝導ベース３１０に接触せず、エネルギーは、造形スピンドル３５０に接触した第１軸受孔３９１、第２軸受孔３９３及び第３軸受孔３９５を介して造形スピンドル３５０に伝達される。熱伝導ベース３１０の下方に底板３６３がさらに含まれ、作業坑３６０の底を遮蔽し、造形エリア３７０が５つの面を有する遮蔽空間を形成する。

【0027】

本発明が提案するロータリー付加製造装置２０は、回転モーション制御モジュール４５０をさらに含み、回転モーション制御モジュール４５０は、ステッピングモータ４６０を含み、造形スピンドル３５０は、回転モーション制御モジュール４５０のステッピングモータ４６０によって駆動されることが好ましい。

【0028】

本発明が提案するロータリー付加製造装置２０において、造形スピンドル３５０上方の造形エリア３７０で付加製造が行われ、ノズル２１０が造形エリア３７０の範囲内で作動して付加製造が行われ、ロータリー付加製造装置２０は、主に例えば三次元管状構造を製造するために使用されるが、これに限定されない。

【0029】

図１０は、本発明が提案する熱伝導モジュールの第２実施形態に含まれる造形スピンドルの２段式構造を示す側断面概略図である。造形スピンドル３５０上で付加製造が行われるので、付加製造が完了した後、完成品は、造形スピンドル３５０に取付いているので、造形スピンドル３５０は第１軸受孔３９１、第２軸受孔３９３、および第３軸受孔３９５から直接抜き取ることができない。

【0030】

したがって、本発明が提案するロータリー付加製造装置２０では、造形スピンドル３５０を２段式構造として設計し、造形スピンドル３５０は、螺合(screwing)された連結部３５１と造形部３５３とを備えているため、本発明が提案する造形スピンドル３５０は、曲面付加製造の完了後、完成品を傷つけないように、造形部３５３を直接作業坑３６０内部から直接取り出すことができる。

【0031】

本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、第１実施形態の３D付加製造装置１０と、第２実施形態のロータリー付加製造装置２０とを少なくとも含み、設計コンセプトは、付加製造プロセスの温度制御範囲を、作業坑３６０の４つの内壁と造形プラットフォーム３４０または造形スピンドル３５０によって形成される５面の遮蔽空間または半遮蔽空間のみ、すなわち造形エリア３７０に限定することである。これにより、付加製造プロセスの温度制御範囲が大幅に縮小され、熱伝導効率が非常に向上し、機械全体の効率とエネルギー消費量が大幅に改善される。

【0032】

しかし、造形エリア３７０の上部は、ノズル２１０が造形エリア３７０に進入して付加製造作業を実行できるように、ノズル２１０用に開放されていなければならず、その結果、造形エリア３７０は周囲環境から完全には隔離されない。造形工程中、造形エリア３７０の内部エネルギーは外部環境に継続的に流出し、造形エリア３７０は、外部環境の湿気および水分の影響も受けやすく、機械が冷却された後、作業坑３６０の内壁と造形プラットフォーム３４０または造形スピンドル３５０は着霜しやすくなり、付加製造作業が妨げられ、機械造形環境全体の安定性は依然として不十分である。

【0033】

図１１は、交換型付加製造装置システムに配置された本発明のエアカーテン分離機構の構造を示す概略図である。本発明が提案するエアカーテン分離機構６００は、３D付加製造装置１０とロータリー付加製造装置２０とを含む付加製造装置システムの熱伝導モジュール３００の熱伝導ベース３１０の両側の周辺領域に配置される。エアカーテン分離機構６００は、造形エリア３７０上方に作業坑３６０と造形エリア３７０を横切る安定したガスジェットを発生させて、造形エリア３７０をステレス的に遮蔽し、気流６２３の成分、温度および温度を制御することによって造形環境の安定性を向上することができ、低温造形中の着霜量またはエネルギー損失を減らし、常温造形または高温造形中の熱エネルギーの散逸を防止する。

【0034】

図１２は、本発明の交換型付加製造装置システムに含まれるエアカーテン分離機構の機構概略図である。エアカーテン分離機構６００の能動部材は、能動気流生成ユニット６１０および能動吸気ユニット６３０などを含む。能動気流生成ユニット６１０は、気流生成ユニット吸入端６１１と気流生成ユニット吹出端６１３とをさらに含み、超大風量クロスフローファン６１５と、吹出端６１３と超大風量クロスフローファン６１５によって生成される気流６２３の経路上に設置される第１のエアデフレクタ６１７と、超大風量クロスフローファン６１５の駆動に対応する第１モータ６１９と、モータコントローラ６２１を配置する。

【0035】

能動吸気ユニット６３０はさらに、吸気ユニット吸入端６３１および吸気ユニット吹出端６３３を含み、また、超大風量軸流ファン６３５と、吸入端６３１に配置された第２エアデフレクタ６３７と、超大風量軸流ファン６３５の駆動に対応する第２モータ６３９とを備える。能動吸気ユニット６３０は、気流６２３の回収効率を向上させるために、２つの超大風量軸流ファン６３５および２つのモータを配置することが好ましい。

【0036】

能動気流生成ユニット６１０と能動吸気ユニット６３０とは、互いに対向する位置に相対的に配置される。能動気流生成ユニット６１０の超大風量クロスフローファン６１５がスムーズに空気を吹き出し、気流６２３を形成し、能動吸気ユニット６３０の２つの超大風量軸流ファン６３５は、能動吸気ユニット６３０の前方に負圧領域を形成して気流６２３を吸い込み、流動の拡散を避けるために造形エリア３７０の上方に気流をガイドして集中させて、空気循環システムを構成し、エアカーテンを形成して、造形エリア３７０の上方をステレス的に遮蔽する。

【0037】

低温付加製造を例として、低温作業環境下で、空気中に含まれる水分が接触隙間中で凍結すると、冷却能力の伝達が低下するだけでなく、造形プラットフォームや造形スピンドルが凍結して機械の動作に影響を与える可能性もあり、本発明が提案したエアカーテン分離機構６００が生成した気流６２３は造形エリア３７０と外部環境との接触を効果的に遮断する。

【0038】

エアカーテン分離機構６００は更に、吸気ユニット吹出端６３３と気流生成ユニット吸入端６１１を連通し、気流循環経路６５１を形成する気流循環管路６５０を含み、生成されたエアカーテン気流６２３の造形エリア３７０への影響を低減するために、モータコントローラ６２１による超大風量クロスフローファン６１５と超大風量軸流ファン６３５の回転数を適切に制御する以外に、さらに、本発明では、気流循環管路６５０の気流循環経路６５１の適切な位置に、化学ドライヤーなどの湿度コントローラ６６０と温度コントローラ６７０のセットを配置し、気流の湿度と温度を調整するようにする。例えば、造形材料がハイドロゲルである場合、湿度コントローラ６６０により相対湿度（RH）が約６０のエアカーテン気流を発生させて造形工程中のハイドロゲルの乾燥を防ぐことができ、低温造形を行う必要がある場合は湿度コントローラ６６０により乾燥空気を導入して着霜量を減らし、温度コントローラ６７０により気流温度を合わせて下げて造形環境の品質を効果的に向上することができる。

【0039】

さらに、吹き出す気流により付加製造品が汚染されるのを防止するために、能動気流生成ユニット６１０内の気流循環経路６５１上に一組のエアフィルタ６８０を選択的に配置することができる。エアフィルタ６８０は、好ましくは、多層フィルタスクリーン、高分子フィルタ層、活性炭フィルタ層、ＨＥＰＡ Ｈ１３医療用フィルタ層、またはＰＰ静電層などであり、エアカーテン気流の空気品質が確保できる。

【0040】

図１３は、本発明のエアカーテン分離機構によって生成されたエアカーテン気流の流れ場の流線を示す写真である。本発明のエアカーテン分離機構６００によって生成されたエアカーテン気流が一定で安定した(steady and stable)状態に達した後、流れ場の視覚化後に煙線によって形成される流線は、図１３に示されるようになる。図１３からわかるように、一定で安定した状態に達するエアカーテンの気流は滑らかな特性を示している。

【0041】

図１４（ａ）は、エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、３D付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。図１４（ｂ）は、エアカーテン分離機構を使用した場合とエアカーテン分離機構を使用しなかった場合の、ロータリー付加製造装置の造形エリアの平均温度と時間の関係を示すグラフである。低温付加製造を例にすると、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示すように、３D付加製造装置またはロータリー付加製造装置の造形エリアのいずれも、エアカーテン分離機構の使用後は平均温度はどちらも早く低下し、エアカーテン分離機構を使用していない場合に比べて約３０分早く安定した作業温度に到達し、実験効率が効果的に向上し、エアカーテン分離機構が造形エリアの温度低下に有効に寄与する。

【0042】

さらに、３D付加製造装置、ロータリー付加製造装置のいずれにおいても、エアカーテン分離機構を使用した場合は、エアカーテン分離機構を使用しない場合に比べ、造形エリアの最終的に達する作業温度を少なくとも１℃低下させることができ、エアカーテン気流の遮断により、造形環境の安定性が高まり、低温エネルギーが造形エリア内に効果的に蓄えられ、また湿度コントローラ及び温度コントローラの作用の効果が顕著であることが証明された。

【0043】

エアカーテンの効果により、造形エリアを外部環境から隔離して省エネ効果が達成できるため、機械の動作温度範囲を少なくとも－４０℃から＋６０℃に上昇させることができ、例えばこれに制限されないが生体適合性感温材料の付加製造の実施に非常に適しており、またエネルギー損失を効果的に防ぐことができる。また、狭い範囲だけで温度を制御すればよいため、機械は温度バランスを迅速に達成でき、造形速度を上げることができ、更に、生産歩留まりも向上させることができる。気流成分、温度、湿度を制御することにより、造形環境の安定性が向上し、低温造形時の着霜量やエネルギー損失を低減し、常温造形または高温造形において、熱エネルギーの散逸を防止する。

【0044】

本発明のエアカーテン分離機構６００を設置しても、プリントノズル２１０やガントリー多軸モーションプラットフォーム１１０の動作を妨げないため、造形エリア３７０をステレス的に遮蔽するとともに、ノズル２１０が付加製造作業を自在に行うことができる。

【0045】

本発明が提案する交換型付加製造装置システムは、３Dモーション機構１００、付加製造モジュール２００、温度循環制御モジュール及びエアカーテン分離機構６００を交換せずに、熱伝導ベース３１０上の平面付加製造アセンブリ３２１、３２２、３２３及び３２４と曲線付加製造アセンブリ３３１、３３２、３３３及び３３４を簡単に交換するだけで、３D付加製造装置１０及びロータリー付加製造装置２０の２つの動作モードを切り替えることが可能である。

【0046】

本発明のエアカーテン分離機構を備える交換型付加製造装置システムは更に、少なくとも以下の特徴を有する。(１) Z軸方向に昇降する造形プラットフォームを介して付加製造分層積層作業を実行し、ガントリー型多軸モーションプラットフォームのZ軸方向の移動を低減する。(２) 主要コンポーネントのほとんどを交換することなく、異なるアセンブリを簡単に交換するだけで、３D付加製造装置とロータリー付加製造装置を切り替えることができる。（３）エアカーテン分離機構を備えることにより、造形エリア上方にスムーズな気流を発生させ、造形エリアをステレス的に遮蔽して、着霜量やエネルギー損失を大幅に低減する。