特許 7472063 ノズル及び造形装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-12

(45)【発行日】2024-04-22

(54)【発明の名称】ノズル及び造形装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20240415BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20240415BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240415BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240415BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B29C64/106

B33Y10/00

B33Y30/00

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021037429

(22)【出願日】2021-03-09

(65)【公開番号】P2022137766

(43)【公開日】2022-09-22

【審査請求日】2023-07-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】井野元 誠

(72)【発明者】

【氏名】西村 渉

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０７１１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０８７１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／１０６，６４／２０９

Ｂ３３Ｙ １０／００，３０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂材料が吐出される造形装置のノズルであって、
軸線に沿って供給部から吐出口まで延在して、樹脂材料が案内される樹脂流路と、
該樹脂流路と前記ノズルの外部とを連通して、樹脂材料に混入した気体を前記樹脂流路から前記ノズルの外部に排出するための連通流路と、
を備えているノズル。

【請求項2】

前記樹脂流路の周囲に設けられ、前記樹脂流路を案内される樹脂材料を加熱可能な加熱部を備え、
前記連通流路は、樹脂材料が進む方向において前記加熱部よりも下流側の前記樹脂流路に連通している請求項１に記載のノズル。

【請求項3】

前記軸線の方向に沿って樹脂材料が進む方向を０°としたとき、
前記連通流路は、９０°以上１３５°以下の傾斜角度とされている請求項１又は２に記載のノズル。

【請求項4】

前記樹脂流路は、上流側よりも下流側の流路面積が大きくなる流路拡大部を有し、
前記連通流路は、前記流路拡大部に連通している請求項１から３のいずれかに記載のノズル。

【請求項5】

前記流路拡大部は、樹脂材料が進む方向に沿って拡がるテーパ面を有し、
該テーパ面は、５°以上３０°以下の勾配角度とされている請求項４に記載のノズル。

【請求項6】

前記樹脂流路を画定する周壁には、前記軸線の周りに螺旋状に形成された溝が設けられている請求項１から５のいずれかに記載のノズル。

【請求項7】

請求項１から６のいずれかに記載のノズルを備えている造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ノズル及び造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂ＡＭ技術は、試作部品の製作のようなラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping）の分野から、実部品の製作のようなＤＤＭ（Direct Digital Manufacturing）まで、幅広い用途で用いられている。

【0003】

特に、溶融した樹脂材料をノズルから吐出させて積層する熱溶解積層法（ＦＦＦ：Fused Filament Fabrication）方式は、構造が簡便なうえに多様な樹脂材料を使用できるため、多岐にわたって利用されている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－１５７７５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方で、ＦＦＦ方式は、造形物の内部欠陥（例えばボイド）が発生しやすいことが知られている。
ボイドの原因としては、主に次の２つが挙げられる。第１の原因は造形ビードの隙間に由来するものであり、第２の原因は吐出された樹脂材料中に気体が混入しているものである。

【0006】

第１の原因については樹脂材料の吐出量の調整やパスの工夫によって改善することができる。しかし、第２の原因については改善が困難であり、装置に何かしらの改良が必要である。

【0007】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、吐出される樹脂材料に気体が混入する可能性を低減できるノズル及び造形装置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】

【0008】

上記課題を解決するために、本開示のノズル及び造形装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本開示の一態様に係るノズルは、樹脂材料が吐出される造形装置のノズルであって、軸線に沿って供給部から吐出口まで延在して、樹脂材料が案内される樹脂流路と、該樹脂流路と前記ノズルの外部とを連通している連通流路と、を備えている。

【0009】

また、本開示の一態様に係る造形装置は、上記ノズルを備えている。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、吐出される樹脂材料に気体が混入する可能性を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の第１実施形態に係る造形装置の構成図である。

【図2】本開示の第１実施形態に係るノズルの縦断面図である。

【図3】図２に示す切断線ＩＩＩ－ＩＩＩにおける横断面図である。

【図4】樹脂材料が案内されているノズルの縦断面図である。

【図5】本開示の第２実施形態に係るノズルの縦断面図である。

【図6】本開示の第３実施形態に係るノズルの縦断面図である。

【図7】本開示の第４実施形態に係るノズルの縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態に係るノズル及び造形装置について図面を用いて説明する。
図１に示すように、造形装置１は、造形ヘッド１１及び造形テーブル１２を備えている。造形装置１は、例えばＦＦＦ方式の三次元造形装置である。

【0013】

造形ヘッド１１には、細長い紐状の樹脂材料４１が供給される。樹脂材料４１としては、ナイロン、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ（Polylactic Acid）、ＰＥＩ（Poly Ether Imide）等が例示される。

【0014】

供給された樹脂材料４１は、造形ヘッド１１に設けられたノズル２０Ａから吐出される。ノズル２０Ａは、先端（吐出口２２ｂ）が造形テーブル１２側を向いた状態で造形ヘッド１１に設けられている。

【0015】

ノズル２０Ａから吐出した樹脂材料４１は、造形テーブル１２上に積層されていき、所望形状の造形物４２が造形される。

【0016】

造形ヘッド１１は、図１に示したＸ方向及びＹ方向に移動できるように構成されている。また、造形テーブル１２は、図１に示したＺ方向を移動できるように構成されている。これによって、造形ヘッド１１と造形テーブル１２とは、相対的に三次元で移動できるように構成されている。
なお、造形ヘッド１１と造形テーブル１２とが相対的に三次元で移動できる構成であれば、造形ヘッド１１及び造形テーブル１２の移動方向は上記の方向に限られない。

【0017】

図２に示すように、ノズル２０Ａは、ノズル本体２１、樹脂流路２２、ベント流路（連通流路）２３及びヒータ（加熱部）２４を備えている。

【0018】

ノズル本体２１は、金属製（例えば、フィラーなしの樹脂用としては真鍮、フィラー入りの樹脂用としては炭素鋼）の部材とされている。ノズル本体２１は、内部に樹脂流路２２及びベント流路２３を画定している。すなわち、樹脂流路２２及びベント流路２３は、ノズル本体２１によって形成された流路である。

【0019】

樹脂流路２２は、基端側に供給部２２ａ、先端側に吐出口２２ｂを有しており、樹脂流路軸線（軸線）Ｃ１に沿って供給部２２ａから吐出口２２ｂまで延在している。

【0020】

樹脂流路２２は、造形ヘッド１１を介して供給部２２ａに供給された樹脂材料４１を吐出口２２ｂまで案内する。

【0021】

図３に示すように、樹脂流路２２は、横断面形状が例えば円形である。また、図２に示すように、樹脂流路２２は、供給部２２ａから樹脂流路軸線Ｃ１に沿った所定範囲の内径が一定とされ、その後、吐出口２２ｂに向かって先細りしていく。

【0022】

ヒータ２４は、樹脂流路２２の周囲のノズル本体２１に設けられている。ヒータ２４は、樹脂流路２２の先細りした部分よりも供給部２２ａ側の部分（内径が一定とされた範囲）に設けられている。

【0023】

ヒータ２４は、樹脂流路２２を画定するノズル本体２１を加熱する。これによって、樹脂流路２２を案内される樹脂材料４１が加熱されることになる。

【0024】

図２及び図３に示すように、ベント流路２３は、樹脂流路２２に連通口２３ａ、ノズル本体２１の外面に開放口２３ｂを有しており、樹脂流路軸線Ｃ１の半径方向に延びたベント流路軸線Ｃ２に沿って供給部２２ａから吐出口２２ｂまで延在している。ベント流路２３は、樹脂流路２２とノズル２０Ａの外部とを連通させている。

【0025】

連通口２３ａは、樹脂材料４１が進む方向において、ヒータ２４よりも下流側、かつ、樹脂流路２２の先細りした部分よりも上流側に位置している。

【0026】

ベント流路２３は、横断面形状が例えば円形であり、ベント流路軸線Ｃ２に沿った全ての範囲に亘って内径が一定とされている。
ここで、ベント流路２３の内径は、樹脂流路２２の内径（寸法が一定とされた範囲の内径）に比べて十分に小さく、例えば０．１ｍｍ～０．３ｍｍ程度である。これによって、粘性がある樹脂材料４１（溶融した樹脂材料４１）が、連通口２３ａからベント流路２３に入り込みにくいようにしている。

【0027】

なお、図３に示す場合、ベント流路２３は１本だけ設けられているが、樹脂流路軸線Ｃ１を中心にして放射状に複数本設けてもよい。

【0028】

以上のような構成において、樹脂材料４１は、次のようにノズル２０Ａから吐出される。
すなわち、図４に示すように、供給部２２ａに供給された樹脂材料４１は、吐出口２２ｂに向かって進む。このとき、樹脂材料４１は、ヒータ２４によって溶融される。これによって、固体の状態で供給された樹脂材料４１は、溶融した状態で吐出口２２ｂから吐出される。

【0029】

ここで、樹脂材料４１には水分が含まれていることがあり、この水分は樹脂材料４１の昇温によって気化する。気化によって発生した気体は、樹脂流路２２にて、溶融した樹脂材料４１に混ざり込む。溶融した樹脂材料４１に混入した気体は、造形物４２におけるボイドの原因となる。

【0030】

そこで、本実施形態においては、ベント流路２３を設けることで、樹脂材料４１に混入した気体を樹脂流路２２からノズル２０Ａの外部に排出することとした。

【0031】

以下、樹脂材料４１に混入した気体を排出する過程について説明する。
気体は、溶融した樹脂材料４１中において拡散係数が高い。このため、樹脂材料４１に混入した気体は、樹脂流路２２を画定する内周壁に向かって移動する傾向にある（拡散による移動）。

【0032】

内周壁に向かって移動した気体は、連通口２３ａからベント流路２３に入り込んで、開放口２３ｂから排出される。

【0033】

以上の過程によって、樹脂材料４１に混入した気体は、樹脂流路２２からベント流路２３を介してノズル２０Ａの外部に排出されることになる。

【0034】

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
樹脂流路２２とノズル２０Ａの外部とを連通しているベント流路２３と、を備えているので、樹脂材料４１に混入した気体を樹脂流路２２からベント流路２３を介してノズル２０Ａの外部に排出することができる。これによって、吐出口２２ｂから吐出される樹脂材料４１中に気体が混入する可能性を低減できる。このため、造形物４２の内部にボイドが発生する可能性を低減できる。

【0035】

また、ベント流路２３は、樹脂材料４１が進む方向においてヒータ２４よりも下流側の樹脂流路２２に連通しているので、樹脂材料４１が確実に溶融した部分の樹脂流路２２とノズル２０Ａの外部とをベント流路２３を介して連通させることができる。

【0036】

［第２実施形態］
以下、本開示の第２実施形態に係るノズル及び造形装置について図面を用いて説明する。
なお、本実施形態のノズル２０Ｂは、第１実施形態のノズル２０Ａに対してベント流路２３の構成が異なり、その他の点は同一である。したがって、同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

【0037】

図５に示すように、ベント流路２３（ベント流路軸線Ｃ２）は、連通口２３ａから開放口２３ｂに向かって上向きに傾斜している。

【0038】

このとき、ベント流路２３（ベント流路軸線Ｃ２）の傾斜角度θは、樹脂流路軸線Ｃ１に沿って樹脂材料が進む方向を０°としたとき、例えば９０°以上１３５°以下とされる。

【0039】

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
ベント流路２３は、９０°以上１３５°以下の傾斜角度とされているので、樹脂材料４１の進む方向に逆らってベント流路２３を傾けることができる。このとき、樹脂材料４１には、樹脂材料４１の進む方向に向かって慣性力が作用している。すなわち、樹脂材料４１は、樹脂材料４１が進む方向に向かって流れ続けようとする。このため、ベント流路２３を上記のように傾けることで、溶融した樹脂材料４１が樹脂流路２２からベント流路２３を介してノズル２０Ｂの外部に漏出する可能性を低減できる（いわゆるベントアップの抑制になる）。

【0040】

［第３実施形態］
以下、本開示の第３実施形態に係るノズル及び造形装置について図面を用いて説明する。
なお、本実施形態のノズル２０Ｃは、第１実施形態のノズル２０Ａに対して樹脂流路２２の構成が異なり、その他の点は同一である。したがって、同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

【0041】

図６に示すように、樹脂流路２２は、流路拡大部２２ｃを有している。
流路拡大部２２ｃは、樹脂材料４１の進む方向において、上流側よりも下流側の流路面積が大きくなるように構成されている部分である。

【0042】

流路拡大部２２ｃは、例えば樹脂流路軸線Ｃ１周の全周方向に亘って形成されたテーパ面によって構成される。
テーパ面の角度勾配φは、５°以上３０°以下とされることが好ましい。すなわち、テーパ面のテーパ角度γは、１０°以上６０°以下とされることが好ましい。

【0043】

このような樹脂流路２２において、連通口２３ａは、流路拡大部２２ｃに臨むように配置されている。これによって、ベント流路２３は、流路拡大部２２ｃに連通することになる。

【0044】

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
ベント流路２３は、流路拡大部２２ｃに連通しているので、流路拡大部２２ｃで溶融した樹脂材料４１の圧力を下げるとともに流路拡大部２２ｃにベント流路２３を連通させることで、樹脂材料４１が樹脂流路２２からベント流路２３を介してノズル２０Ｃの外部に漏出する可能性を低減できる（いわゆるベントアップの抑制になる）。

【0045】

また、テーパ面の勾配角度を５°以上とすることで、溶融した樹脂材料の圧力を十分に下げることができる。また、テーパ面の勾配角度を３０°以下とすることで、樹脂材料が滞留する可能性を低減できる。仮に、テーパ面の勾配角度を３０°以上とした場合、樹脂材料４１の流れがテーパ面の始端で剥離する可能性がある。この場合、剥離渦が発生して滞留が生じる可能性がある。

【0046】

［第４実施形態］
以下、本開示の第４実施形態に係るノズル及び造形装置について図面を用いて説明する。
なお、本実施形態のノズル２０Ｄは、第１実施形態のノズル２０Ａに対して樹脂流路２２の構成が異なり、その他の点は同一である。したがって、同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

【0047】

図７に示すように、樹脂流路２２を画定する周壁には、樹脂流路軸線Ｃ１の周りに螺旋状に形成された溝２５が設けられている。溝２５は、溶融した樹脂流路２２を螺旋状に流動させる。

【0048】

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
螺旋状に形成された溝２５が設けられているので、樹脂流路２２を進む樹脂材料４１が螺旋状に流動する。これによって、拡散だけでなく樹脂材料４１の流動によっても樹脂材料４１に混入した気体が移動するようになる。このため、樹脂材料４１に混入した気体が更に排出されやすくなる。

【0049】

なお、第１実施形態から第４実施形態に係る各ノズルの構成は任意に組み合わせることができる。例えば、流路拡大部２２ｃを有している樹脂流路２２に溝２５を設けてもよいし、傾斜したベント流路２３が連通している樹脂流路２２に溝２５を設けてもよい。

【0050】

以上の通り説明した各実施形態は、例えば以下のように把握される。
すなわち、本開示の一実施形態に係るノズル（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）は、樹脂材料（４１）が吐出される造形装置（１）のノズルであって、軸線（Ｃ１）に沿って供給部（２２ａ）から吐出口（２２ｂ）まで延在して、樹脂材料が案内される樹脂流路（２２）と、該樹脂流路と前記ノズルの外部とを連通している連通流路（２３）と、を備えている。

【0051】

本態様に係るノズルによれば、軸線に沿って供給部から吐出口まで延在して、樹脂材料が案内される樹脂流路と、樹脂流路とノズルの外部とを連通している連通流路と、を備えているので、樹脂材料中に混入した気体を樹脂流路から連通流路を介してノズルの外部に排出することができる。これによって、吐出口から吐出される樹脂材料中に気体が混入する可能性を低減できる。このため、造形物の内部にボイドが発生する可能性を低減できる。

【0052】

また、本開示の一態様に係るノズル（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）は、前記樹脂流路の周囲に設けられ、前記樹脂流路を案内される樹脂材料を加熱可能な加熱部（２４）を備え、前記連通流路は、樹脂材料が進む方向において前記加熱部よりも下流側の前記樹脂流路に連通している。

【0053】

本態様に係るノズルによれば、樹脂流路の周囲に設けられ、樹脂流路を案内される樹脂材料を加熱可能な加熱部を備え、連通流路は、樹脂材料が進む方向において加熱部よりも下流側の樹脂流路に連通しているので、樹脂材料が確実に溶融した部分の樹脂流路とノズルの外部とを連通流路を介して連通させることができる。

【0054】

また、本開示の一態様に係るノズル（２０Ｂ）において、前記軸線の方向において樹脂材料が進む方向を０°としたとき、前記連通流路は、９０°以上１３５°以下の傾斜角度とされている。

【0055】

本態様に係るノズルによれば、軸線の方向において樹脂材料が進む方向を０°としたとき、連通流路は、９０°以上１３５°以下の傾斜角度とされているので、樹脂材料の進む方向に逆らって連通流路を傾けることができる。このとき、樹脂材料には、樹脂材料の進む方向に向かって慣性力が作用している。すなわち、樹脂材料は、樹脂材料が進む方向に向かって流れ続けようとする。このため、連通流路を上記のように傾けることで、溶融した樹脂材料が樹脂流路から連通流路を介してノズルの外部に漏出する可能性を低減できる。

【0056】

また、本開示の一態様に係るノズル（２０Ｃ）は、前記樹脂流路は、上流側よりも下流側の流路面積が大きくなる流路拡大部（２２ｃ）を有し、前記連通流路は、前記流路拡大部に連通している。

【0057】

本態様に係るノズルによれば、樹脂流路は、上流側よりも下流側の流路面積が大きくなる流路拡大部を有し、前記連通流路は、前記流路拡大部に連通しているので、流路拡大部で溶融した樹脂材料の圧力を下げるとともに流路拡大部に連通流路を連通させることで、樹脂材料が樹脂流路から連通流路を介してノズルの外部に漏出する可能性を低減できる。

【0058】

また、本開示の一態様に係るノズル（２０Ｃ）において、前記流路拡大部は、樹脂材料が進む方向に沿って拡がるテーパ面を有し、該テーパ面は、５°以上３０°以下の勾配角度とされている。

【0059】

本態様に係るノズルによれば、流路拡大部は、樹脂材料が進む方向に沿って拡がるテーパ面を有し、テーパ面は、５°以上勾配角度とされているので、溶融した樹脂材料の圧力を下げることができる。また、テーパ面は、３０°以下の勾配角度とされているので、樹脂材料が滞留する可能性を低減できる。

【0060】

また、本開示の一態様に係るノズル（２０Ｄ）において、前記樹脂流路を画定する周壁には、前記軸線の周りに螺旋状に形成された溝（２５）が設けられている。

【0061】

本態様に係るノズルによれば、樹脂流路を画定する周壁には、軸線の周りに螺旋状に形成された溝が設けられているので、樹脂流路を進む樹脂材料が螺旋状に流動する。これによって、拡散だけでなく樹脂材料の流動によっても樹脂材料に混入した気体が移動するようになる。このため、樹脂材料に混入した気体が更に排出されやすくなる。

【0062】

また、本開示の一態様に係る造形装置は、上記のノズルを備えている。

【符号の説明】

【0063】

１ 造形装置
１１ 造形ヘッド
１２ 造形テーブル
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ ノズル
２１ ノズル本体
２２ 樹脂流路
２２ａ 供給部
２２ｂ 吐出口
２２ｃ 流路拡大部
２３ ベント流路（連通流路）
２３ａ 連通口
２３ｂ 開放口
２４ ヒータ（加熱部）
２５ 溝
４１ 樹脂材料
４２ 造形物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】