特許 7608311 三次元積層造形用ホットエンド

(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】2024-12-20

(45)【発行日】2025-01-06

(54)【発明の名称】三次元積層造形用ホットエンド

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20241223BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20241223BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241223BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20241223BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B29C64/118

B33Y30/00

B29C64/295

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021166856

(22)【出願日】2021-10-11

(65)【公開番号】P2023057361

(43)【公開日】2023-04-21

【審査請求日】2023-12-14

(73)【特許権者】

【識別番号】505142964

【氏名又は名称】株式会社クボタケミックス

(74)【代理人】

【識別番号】110001438

【氏名又は名称】弁理士法人 丸山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷川 伸一

(72)【発明者】

【氏名】柿田 明伸

(72)【発明者】

【氏名】氏家 光晴

(72)【発明者】

【氏名】鎗水 隆良

(72)【発明者】

【氏名】清田 和希

【審査官】羽鳥 公一

(56)【参考文献】

【文献】韓国登録特許第１０－２１０６２０９（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１６／０１１２５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２３６４０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２９９９４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－００１５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６９５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３０３２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ２９Ｃ ６７／００－６７／０８

Ｂ２９Ｃ ６７／２４－６９／０２

Ｂ２９Ｃ ７３／００－７３／３４

Ｂ２９Ｄ １／００－２９／１０

Ｂ２９Ｄ ３３／００

Ｂ２９Ｄ ９９／００

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フィラメントが送給されるガイド孔を有するガイドと、
前記ガイド孔に連通するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズルに装着されるヒーターを具える三次元積層造形用ホットエンドであって、
前記ノズルは、
前記ノズル孔が開設され、樹脂製のノズル内筒部と、
前記ノズル内筒部の外周を包囲し、前記ヒーターが装着された金属製のノズル外筒部と、
を有し、
前記ノズル孔内で前記フィラメントが加熱を受けて溶融するフィラメント溶融部の高さＬ０は、前記ノズル内筒部の高さＬ２よりも低い、
三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項2】

前記ガイドは、
前記ガイド孔が開設され、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のノズルキャップと、
前記ノズルキャップの外周を包囲し、前記ノズル外筒部と係合されるガイド外筒部と、
を有する、
請求項１に記載の三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項3】

フィラメントが送給されるガイド孔を有するガイドと、
前記ガイド孔に連通するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズルに装着されるヒーターを具える三次元積層造形用ホットエンドであって、
前記ノズルは、
前記ノズル孔が開設され、樹脂製のノズル内筒部と、
前記ノズル内筒部の外周を包囲し、前記ヒーターが装着された金属製のノズル外筒部と、
を有し、
前記ガイドは、
前記ガイド孔が開設され、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のノズルキャップと、
前記ノズルキャップの外周を包囲し、前記ノズル外筒部と係合されるガイド外筒部と、
を有する、
三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項4】

前記ノズル内筒部の前記ノズル孔及び前記ノズルキャップの前記ガイド孔の直径Ｄと、前記フィラメントの直径ｄは、
０．２２５ｍｍ≧（Ｄ－ｄ）／２≧０．０７５ｍｍ
である、
請求項３に記載の三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項5】

前記ノズル内筒部と前記ノズルキャップは、単一部品として形成されている、
請求項３又は請求項４に記載の三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項6】

前記ノズル内筒部は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製である、
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項7】

前記ノズル孔は、表面粗さＲａが０．８μｍ以下である、
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の三次元積層造形用ホットエンド。

【請求項8】

請求項１乃至請求項７の何れかに記載の三次元積層造形用ホットエンドを具える三次元積層造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元積層造形装置、所謂三次元プリンタで立体構造物を造形する際に、焦げ付き易いためフィラメント材質として不向きとされるＰＶＣ（ポリ塩化ビニル：polyvinyl chloride）等を材質とするフィラメントの使用を可能にする技術についてのものであり、それらの技術のうちフィラメントを押し出すホットエンドに関するものである。

【背景技術】

【0002】

三次元プリンタの積層方式として、熱融解積層（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）方式の三次元積層造形が知られている。ＦＤＭ方式の三次元積層造形装置では、平面内で移動可能なホットエンドから、溶融した熱可塑性樹脂製のフィラメントをプリントベッド上に順次積層して立体構造物を作製している。

【0003】

ホットエンドは、一般にガイド、ノズル及びヒーターを具えた構成である。ガイドは、フィラメントを案内するガイド孔を有し、フィラメント送り装置から送給されたフィラメントはガイド孔を通過してノズルに進入する。ノズルには、ガイド孔と連通するノズル孔が形成される。ヒーターの装着方法は、（１）ノズルに設けられた孔に挿入、あるいは（２）ガイド－ノズル間にヒーターブロックとして外装、の２通りがある。以下の説明は上記（１）について述べるが、本発明は上記（１）・（２）の何れの場合でも適用可能である。

【0004】

然して、フィラメント送り装置は、所定の送り込み力でフィラメントをガイド孔に送給する。ガイド孔に送給されたフィラメントは、ノズル孔に達し、ノズル孔内でヒーターによる加熱を受けて溶融する。そして、溶融フィラメントは、ノズル孔に順次送り込まれる未溶融のフィラメントの押し出し力によって、ノズル孔の先端から下方に向けて吐出される。

【0005】

たとえば、特許文献１参照では、ノズルは、熱伝達率にすぐれるアルミ合金で作製している。

【0006】

フィラメントは、ＡＢＳ樹脂（acrylonitrile butadiene styrene copolymer）やＰＬＡ（ポリ乳酸：poly（lactic acid））が一般的に使用されている。また、出願人は、特許文献２において、ＰＶＣをフィラメントの材料として提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－１０７４５６号公報

【文献】特開２０２０－１０４３７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記したフィラメントの材料のうち、とくにＰＶＣは、溶融すると金属表面に付着し易い。加熱溶融されたフィラメントがノズル孔内面に付着すると、摩擦抵抗が増加してフィラメントの流速が低下し、フィラメントの一部がノズル孔内で滞留を引き起こす。そして、滞留したフィラメントがノズル孔に焦げ付いて、ノズル詰まりが発生する虞がある。

【0009】

また、フィラメントの未溶融部と溶融部との境界はノズル孔内にあるが、ノズルの温度が高い、または、造形速度が遅いなどの原因で、フィラメントへのヒーターによる加熱量が多くなると、この境界が上方に移動し、ガイドに達することがある。ノズルとガイドはネジ接続されているため、接続部には空隙が存在し、ガイドに達したフィラメント溶融部の一部はこの空隙に滞留する。ガイドの大部分はヒーターによる加熱の影響を受け難いため低温であるが、ノズルとの接続部は高温となるため、空隙に滞留したフィラメントは焦付きを生じる。空隙で発生した焦付きはノズル孔内にまで広がり、ノズル詰まりを生じさせることがある。

【0010】

また、フィラメントがガイド孔を通過する間、上記のように未溶融のフィラメントには送り込み力と、溶融フィラメントを吐出させるための押し出し力に対する反力が作用する。これらによる圧縮荷重が、フィラメントの座屈許容荷重を越えると、フィラメントは波状に変形して座屈してしまう。

【0011】

フィラメントの座屈を抑えるには、フィラメントを直線状に保っておく必要があるが、ガイド孔の直径Ｄは、一般的に直径４ｍｍ程度であり、一般的なフィラメントの直径ｄ（１．７５ｍｍ）に比べて大きい。すなわち、フィラメントとガイド孔とのクリアランスは１．１２５ｍｍと大きいため、フィラメントを直線状に維持することは困難であった。

【0012】

本発明の目的は、ＰＶＣのように焦げ付き易い材料をフィラメントとして用いても、ノズル詰まりを低減できる三次元積層造形用ホットエンドを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の三次元積層造形用ホットエンドは、
フィラメントが送給されるガイド孔を有するガイドと、
前記ガイド孔に連通するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズルに装着されるヒーターを具える三次元積層造形用ホットエンドであって、
前記ノズルは、
前記ノズル孔が開設され、樹脂製のノズル内筒部と、
前記ノズル内筒部の外周を包囲し、前記ヒーターが装着された金属製のノズル外筒部と、
を有する。

【0014】

前記ノズル内筒部は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製とすることが望ましい。

【0015】

前記ノズル孔は、表面粗さＲａが０．８μｍ以下にすることが望ましい。

【0016】

前記ノズル孔内で前記フィラメントが加熱を受けて溶融するフィラメント溶融部の高さＬ０は、前記ノズル内筒部の高さＬ２よりも低くすることが望ましい。

【0017】

前記ガイドは、
前記ガイド孔が開設され、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のノズルキャップと、
前記ノズルキャップの外周を包囲し、前記ノズル外筒部と係合されるガイド外筒部と、
を有する構成とすることができる。

【0018】

前記ノズル内筒部の前記ノズル孔及び前記ノズルキャップの前記ガイド孔の直径Ｄと、前記フィラメントの直径ｄは、
０．２２５ｍｍ≧（Ｄ－ｄ）／２≧０．０７５ｍｍ
とすることが望ましい。

【0019】

前記ノズル内筒部と前記ノズルキャップは、単一部品として形成することができる。

【0020】

また、本発明の三次元積層造形装置は、上記三次元積層造形用ホットエンドを具える。

【発明の効果】

【0021】

本発明の三次元積層造形用ホットエンドによれば、ノズルを樹脂製のノズル内筒部と金属製のノズル外筒部から形成している。ノズル内筒部を樹脂製としたことで、ノズル孔への溶融フィラメントの付着を低減できる。一方、ヒーターが装着されたノズル外筒部は熱伝導率のよい金属製としているため、熱伝導を好適に維持でき、フィラメントを溶融させることができる。

【0022】

また、本発明の三次元積層造形用ホットエンドは、ノズル孔及びガイド孔の直径Ｄを、フィラメントの直径ｄに対して上記のように設定することで、これらのクリアランスを小さくし、フィラメントを直線状に維持できる。これにより、フィラメントの座屈を低減できる。

【0023】

本発明の三次元積層造形装置は、上記三次元積層造形用ホットエンドを用いたことで、ノズル孔への溶融フィラメントの付着を低減、フィラメントの座屈を低減できるから、長時間の造形が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る熱融解積層方式の三次元積層造形装置の概略図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係るホットエンドの側面図である。

【図3】図３は、図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩに沿う断面図である。

【図4】図４は、ホットエンドの各部品の分解断面図である。

【図5】図５は、フィラメントを供給及び溶融させた作動状態のホットエンドの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明のホットエンド２０について、図面を参照しながら説明を行なう。

【0026】

＜三次元積層造形装置１０＞
図１は、ＦＤＭ方式の三次元積層造形装置１０の一実施形態を示している。三次元積層造形装置１０は、フィラメント８０をホットエンド２０に供給し、加熱により溶融した溶融フィラメント８１をプリントベッド１１の上に順次積層７１，７２することで、立体構造物７０を作製する。

【0027】

フィラメント８０は、ＰＶＣ（塩化ビニル）やＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ（ポリ乳酸）を例示できる。ＰＶＣは、汎用性が高く安定性にすぐれ、ＡＢＳ樹脂やＰＬＡに比べて安価であり、製造コストの低減に有効である。フィラメント８０には、所望の特性を得るために、所謂フィラー（充填剤）や安定剤、可塑剤、着色剤の添加剤を配合することもできる。添加剤として鉛系安定剤、錫系安定剤を例示できる。

【0028】

フィラメント８０は、図示しないフィラメント供給装置から、ガイドチューブ１２を通り、送りローラー１３により引き出されて、押出手段となるホットエンド２０に供給される。ホットエンド２０は、ホルダー１４を介して、ホットエンド２０の移動手段（図示せず）に連繋されており、水平方向に移動可能となっている。なお、三次元積層造形装置１０の形態は、これに限定されるものではない。

【0029】

ホットエンド２０には、加熱手段としてヒーター５６や（図３参照）、温度センサー（図示せず）として熱電対が装着されており、図１に示すように、これらの配線１５，１６が配設されている。

【0030】

そして、ホットエンド２０をプリントベッド１１に対して平行な面内で移動させつつ、フィラメント８０を供給する。これにより、先端のノズル２２から溶融フィラメント８１が吐出され、プリントベッド１１に立体構造物７０の第１層７１が形成される。第１層７１が形成された後、プリントベッド１１を降下させて第２層７２、第３層…が順次形成されて、立体構造物７０が作製される。

【0031】

＜ホットエンド２０の全体構成＞
図２は、本発明の一実施形態に係るホットエンド２０の側面図、図３は断面図である。ホットエンド２０は、図２に示すようにガイド２１の先端にノズル２２を装着して構成される。

【0032】

図３は、図２のホットエンド２０の軸心に沿う断面図、図４は、分解断面図である。図示の実施形態では、ホットエンド２０を構成するガイド２１とノズル２２を夫々、２つの部材３０，４０と、５０，６０から作製している。

【0033】

ガイド２１は、ホルダー１４（図１参照）を装着可能なガイド外筒部３０と、ガイド外筒部３０に嵌まるノズルキャップ４０を具える。ノズルキャップ４０には、フィラメント８０が挿通するガイド孔４１が形成されている。

【0034】

また、ノズル２２は、下端側にヒーター５６や温度センサー（図示せず）が装着されたノズル外筒部５０と、ノズル外筒部５０に嵌まるノズル内筒部６０を具える。ノズル内筒部６０には、先端が縮径したノズル孔６１が形成されている。そして、ヒーター５６によるノズル外筒部５０の加熱を受け、ノズル内筒部６０が加熱されて、ノズル孔６１内でフィラメント８０を溶融させて、先端の縮径部から溶融フィラメント８１を吐出する。

【0035】

以下、各部材の詳細な構成、材料について説明する。

【0036】

＜ガイド２１：ガイド外筒部３０＞
ガイド外筒部３０は、筒状であり、上端にフィラメント導入孔３２、その下方にノズルキャップ挿入孔３３、先端となる下端にノズル取付孔３５が形成されている。

【0037】

より詳細には、フィラメント導入孔３２とノズルキャップ挿入孔３３の境界部分は、位置決め段部３４が内向きに突出している。また、ノズル取付孔３５は、ノズルキャップ挿入孔３３よりも拡径した孔であり、内面にはノズル取付ネジ３６が切られており、ノズル２２が取り付けられる。

【0038】

上記ガイド外筒部３０は、ヒーター５６により加熱されるノズル外筒部５０と直接接する構成であるため、耐熱性が要求される。このため、ポリイミドなどの耐熱樹脂、または、ステンレスなど熱伝導率が小さい金属から作製することができる。

【0039】

＜ガイド２１：ノズルキャップ４０＞
ノズルキャップ４０は、ガイド外筒部３０のノズルキャップ挿入孔３３に装着される筒状の部材である。ノズルキャップ４０には、フィラメント８０が挿通されるガイド孔４１が中央に開設されている。ガイド孔４１の直径Ｄは、フィラメント８０の直径ｄ（図５参照）によって設定することができる。ガイド孔４１は、フィラメント８０の座屈を抑えて直線状のまま案内できるようにするために、０．２２５ｍｍ≧（Ｄ－ｄ）／２≧０．０７５ｍｍ、望ましくは、０．１７５ｍｍ≧（Ｄ－ｄ）／２≧０．１２５ｍｍを満たすように設定することが好適である。（Ｄ－ｄ）／２は、ガイド孔４１とフィラメント８０のクリアランスを意味し、この上限と下限を上記のとおり設定することで、フィラメント８０は、ガイド孔４１内で波打つことなく直線状に案内され、座屈を抑えることができる。

【0040】

ノズルキャップ４０の先端は、後述するノズル内筒部６０が嵌まる嵌合凹部４２が形成されている。

【0041】

ノズルキャップ４０には、フィラメント８０を低摩擦でノズル２２まで案内するため、摩擦係数の小さい材料で作製することが望まれる。一方で、ノズルキャップ４０が温度上昇すると、フィラメント８０がガイド孔４１内で溶融し、フィラメント８０の軟化を招く。このため、ノズルキャップ４０は、断熱効果の高い材料から作製することが望まれる。この種の材料として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を例示できる。ＰＴＦＥは、動摩擦係数が０．０３～０．０８（測定方法：ＪＩＳ Ｋ ６９３５）と極めて小さい材料であり、熱伝達率も０．２３Ｗ／ｍ・Ｋ（測定方法：ＪＩＳ Ａ １４１２）と低いため、ノズルキャップ４０の材料として好適である。

【0042】

ノズルキャップ４０は、図４に示すように、ガイド外筒部３０に下方から挿入される構成であり、ノズルキャップ４０の上面が、位置決め段部３４と当接してガイド２１を構成する。

【0043】

＜ノズル２２：ノズル外筒部５０＞
上記ガイド２１の先端に装着されるノズル２２は、ノズル外筒部５０とノズル内筒部６０の二重構造としている。

【0044】

ノズル外筒部５０は、先端が円錐状に縮径した円柱状の胴部５１と、胴部５１の上端から円筒状の軸部５２が突設された形状である。なお、胴部５１の形状は、六角柱状など、ガイド２１とノズル２２のネジ接合を行い易いものとすることが可能である。

【0045】

ノズル外筒部５０は、胴部５１及び軸部５２を貫通するノズル内筒挿入孔５３が中央に開設されている。ノズル内筒挿入孔５３は、先端近傍で段差をもって縮径した位置決め孔５４を有し、ノズル内筒挿入孔５３と位置決め孔５４との段部でノズル内筒部６０が位置決め可能となっている。

【0046】

胴部５１には、ノズル内筒挿入孔５３の外側にヒーター挿入孔が設けられ、ヒーター５６はその孔に挿入して装着されると共に、図示しない温度センサー（たとえば、熱電対）が配置される。ヒーター５６及び温度センサーには、配線１５，１６（図１参照）が接続される。

【0047】

なお、装着するヒーター５６の個数は１個でよいが、ノズル孔６１内のフィラメントが均一に加熱されるようにするため、装着する個数を２個、すなわち、ヒーター挿入孔をノズル孔６１を挟むように２か所に設け、夫々にヒーター５６を挿入して装着することが望ましい。

【0048】

軸部５２には、外周に取付ネジ５５が切られており、ガイド外筒部３０のノズル取付ネジ３６に螺合可能となっている。

【0049】

ノズル外筒部５０は、ヒーター５６を装着して加熱されるため、耐熱性を有し、かつ熱伝導率のよい材料から構成する。たとえば、アルミ合金や真鍮を例示できる。

【0050】

＜ノズル２２：ノズル内筒部６０＞
ノズル外筒部５０に装着されるノズル内筒部６０は、図３、図４に示すように筒状の形態とすることができる。ノズル内筒部６０は、中央にフィラメント８０が挿通すると共に、内部でフィラメント８０を溶融させて吐出するノズル孔６１が形成されている。

【0051】

ノズル孔６１は、上記したノズルキャップ４０のガイド孔４１と連通して、フィラメント８０の供給を受ける孔であり、先端が縮径している。ノズル孔６１の直径については、後述する。

【0052】

ノズル内筒部６０は、上端にノズルキャップ４０の嵌合凹部４２に嵌まる嵌合凸部６２が形成されている。また、ノズル内筒部６０の下端は、外面が縮径しており、ノズル外筒部５０の位置決め孔５４に嵌まる先端縮径部６３を有する。

【0053】

ノズル孔６１内は、未溶融のフィラメント８０が進入する領域となるフィラメント未溶融部６４と、溶融したフィラメント８１が溜まる領域となるフィラメント溶融部６５が存在する。フィラメント未溶融部６４は、ノズル孔６１の上方領域であり、フィラメント溶融部６５は、ノズル孔６１の下方領域である。

【0054】

フィラメント未溶融部６４について、フィラメント８０を抵抗なく導入し、直線状のままフィラメント溶融部６５までスムーズに案内することが望まれる。また、フィラメント溶融部６５では、溶融フィラメント８１をガイド孔４１の内面に付着や滞留させることなく、ノズル孔６１の先端から吐出させる必要がある。そこで、ノズル孔６１及びこれを構成するノズル内筒部６０は、以下のとおり規定する。

【0055】

まず、ノズル孔６１の直径は、ガイド孔４１と略同一の直径Ｄに設定することが望ましい。ノズル孔６１とガイド孔４１の直径を略同一にすることで、ノズル孔６１とガイド孔４１を段差なく接続することができ、フィラメント８０をスムーズに挿通させることができる。

【0056】

また、ノズル孔６１は、フィラメント未溶融部６４でフィラメント８０を抵抗なく導入し、フィラメント溶融部６５で溶融フィラメント８１の付着や滞留を抑制するため、ノズル孔６１の内面、すなわち、ノズル内筒部６０は、低摩擦の材料で構成することが望まれる。一方で、ノズル内筒部６０は、ノズル外筒部５０のヒーター５６による加熱を受け、ノズル孔６１内のフィラメント８０を溶融させるため、耐熱性が求められる。

【0057】

そこで、ノズル内筒部６０は、摩耗係数が低く、且つ、耐熱性を具備する樹脂材料の採用が求められる。その種の材料として、ＰＴＦＥを例示できる。ＰＴＦＥは、動摩擦係数が０．０３～０．０８と極めて小さく、また、融点が３２７℃と極めて高い材料であり、ノズル内筒部６０の材料として好適である。

【0058】

ノズル孔６１の低摩擦化を促進するため、ガイド孔４１の内面は、表面粗さＲａが０．８μｍ以下となるように研磨等を行なって表面を平滑化することが望ましい。ノズル孔６１の表面粗さＲａを調整することで、フィラメント未溶融部６４でフィラメント８０を抵抗なく導入し、また、フィラメント溶融部６５で溶融フィラメント８１の付着や滞留を抑制することができる。なお、ドリル加工によりノズル孔を開け、研磨やコーティングを施すことで、ノズル孔の表面粗さＲａが０．８μｍ以下となる金属製ノズルを作製することは可能であるが、このような金属製ノズルをノズル内筒部６０として使用しても、ＰＴＦＥ等の樹脂製ノズルに比べると、溶融フィラメント８１の付着や滞留が発生しやすいため、ノズル内筒部６０を金属製とすることは困難である。

【0059】

ノズル孔６１内では、上記のとおり、フィラメント溶融部６５でフィラメント８０が溶融する。ガイド孔４１とノズル孔６１は、略同一の直径Ｄとして、ほとんど段差なく接続しているが、実際には微小ではあるが継ぎ目６６に段差が生じる。この段差が、フィラメント溶融部６５に存在すると、継ぎ目６６に溶融フィラメント８１が滞留し、分解や焦げ付きを生じさせる虞がある。このため、フィラメント溶融部６５は、ノズル孔６１内にフィラメント溶融部６５が収まるように設定する。具体的には、図５に示すように、ノズル内筒部６０の先端からフィラメント溶融部６５の上端までの長さＬ０に対し、ノズル孔６１の長さＬ２は、Ｌ０＜Ｌ２を満たすように設定する。

【0060】

なお、フィラメント溶融部６５の高さは、造形条件により上下する。ノズルの温度が高い、または、造形速度が遅いなどの原因で、フィラメントへのヒーター５６による加熱量が多くなると、ノズル外筒部５０よりも高い位置までフィラメント溶融部６５が到達することがある。このため、ノズル外筒部５０の高さを図５に示すようにＬ１としたときに、Ｌ２＞Ｌ１となるように設定する必要がある。たとえば、ヒーター温度２２０℃、ノズル吐出径０．５ｍｍ、フィラメント平均送り速度２０～４０ｍｍ／分の場合、Ｌ２≧Ｌ１＋５ｍｍとすれば、Ｌ０＜Ｌ２を満たすことができる。

【0061】

＜ホットエンド２０の組立＞
ガイド外筒部３０、ノズルキャップ４０、ノズル外筒部５０、ノズル内筒部６０を準備し、ホットエンド２０を組み立てる。

【0062】

詳細には、図４に示すように、まず、ノズルキャップ４０をガイド外筒部３０のノズル取付孔３５から差し込んで、ノズルキャップ挿入孔３３に挿入し、ガイド２１を構成する。また、ノズル２２は、ノズル内筒部６０をノズル外筒部５０のノズル内筒挿入孔５３から挿入し、先端縮径部６３を位置決め孔５４に嵌める。そして、ノズル外筒部５０の取付ネジ５５をガイド２１の取付ネジ３６に螺合する。

【0063】

これにより、図３に示すように、ノズル外筒部５０は、ガイド外筒部３０に固定される。また、ノズル内筒部６０は、先端縮径部６３がノズル外筒部５０の位置決め孔５４に嵌まって位置決めされる。ノズルキャップ４０は、上端がガイド外筒部３０の位置決め段部３４により位置決めされる。そして、ノズル内筒部６０の上端は、嵌合凸部６２がノズルキャップ４０の嵌合凹部４２に嵌まり、ガイド孔４１とノズル孔６１が連通される。

【0064】

ノズルキャップ４０とノズル内筒部６０は、ガイド孔４１とノズル孔６１の継ぎ目６６に隙間が生じないように密着させる必要がある。このため、ガイド外筒部３０とノズル外筒部５０は、取付ネジ５５を締め付けたときに、軸部５２の上端とノズル取付孔３５の上端の間、及び、ガイド外筒部３０の下端とノズル外筒部５０の胴部５１との間に、図３に示すように空隙Ｓが生じる寸法とすることが望ましい。これにより、取付ネジ５５を締め付けることで、ガイド外筒部３０とノズル外筒部５０は、ノズルキャップ４０とノズル内筒部６０を押し込んで、継ぎ目６６を密着できる。

【0065】

＜三次元積層造形装置１０の動作＞
然して、上記したホットエンド２０は、図１に示すように、配線１５，１６を接続し、ホルダー１４を介して三次元積層造形装置１０に取り付けられる。ホットエンド２０は、ヒーター５６を作動させることで、ノズル外筒部５０が加熱され、これによりノズル内筒部６０も加熱される。

【0066】

この状態で、送りローラー１３を回転させることで、フィラメント８０がホットエンド２０に供給される。

【0067】

ホットエンド２０に送り込まれたフィラメント８０は、ガイド孔４１を通ってノズル孔６１に到達する。ガイド孔４１は、直径Ｄが、フィラメント８０の直径ｄに対して、０．２２５ｍｍ≧（Ｄ－ｄ）／２≧０．０７５ｍｍとなるように設定することで、フィラメント８０とガイド孔４１のクリアランスを小さくすることができ、フィラメント８０を波状に変形することなく、直線状に保つことができる。このため、フィラメント８０の送り込み力と、フィラメント未溶融部６４からの反力が、ガイド孔４１内のフィラメント８０に作用しても、フィラメント８０が座屈してしまうことを防止できる。

【0068】

ガイド孔４１とノズル孔６１は共に、略同一直径Ｄとしている。従って、ガイド孔４１とノズル孔６１の継ぎ目６６には殆んど段差は生じない。従って、ガイド孔４１を通過したフィラメント８０はノズル孔６１内にスムーズに案内される。なお、上記のとおり、フィラメント溶融部６５は、継ぎ目６６よりも低い位置（Ｌ０＜Ｌ２）としているから、継ぎ目６６に溶融フィラメント８１が到達することはない。

【0069】

ノズル内筒部６０は、低摩擦係数のＰＴＦＥから作製している。また、ノズル孔６１は表面粗さＲａが０．８μｍ以下となるように調整されている。従って、ノズル孔６１内に進入したフィラメント８０は、フィラメント未溶融部６４では、摩擦抵抗を略受けずに進行する。また、フィラメント溶融部６５では、ヒーター５６からの加熱を受けて溶融し、溶融フィラメント８１は、ノズル孔６１の内面に付着や滞留することはない。

【0070】

そして、フィラメント溶融部６５内の溶融フィラメント８１は、順次ノズル孔６１に送り込まれる未溶融フィラメント８０の押し出し力によって、ノズル孔６１の先端から下方に向けて、流速低下が抑えられたまま吐出することができる。従って、溶融フィラメント８１を吐出させるための押し出し力も小さくて済み、その反力により未溶融フィラメント８０が座屈することも防止できる。

【0071】

ノズル孔６１の先端から吐出された溶融フィラメント８０は、図１に示すように、プリントベッド１１に立体構造物７０の第１層７１、第２層７２、第３層…が順次形成されて、立体構造物７０が作製される。

【実施例】

【0072】

ＰＶＣのフィラメント８０（直径１．７５ｍｍ）を使用し、本発明のホットエンド２０を用いた三次元積層造形装置１０を用いて立体構造物７０を作製した。

【0073】

ホットエンド２０は、ガイド２１について、ガイド外筒部３０をポリイミド製、ノズルキャップ４０はＰＴＦＥ製、また、ノズル２２は、ノズル外筒部５０をアルミ合金製、ノズル内筒部６０をＰＴＦＥ製とした。ガイド孔４１及びノズル孔６１の直径Ｄは２ｍｍ、ノズル孔６１の先端吐出径を０．５ｍｍとした。ノズル孔６１の表面粗さＲａは０．８以下に仕上げた。また、ヒーター５６によりノズル外筒部５０を２２０℃に加熱した。フィラメント８０の平均送り速度は２０～４０ｍｍ／分である。

【0074】

ＰＶＣは、溶融すると付着して焦げ付き易い材料であるから、三次元積層造形には不向きな材料であるが、本発明のホットエンド２０を用いたところ、１０時間以上の長時間造形を行なうことができた。これは、本発明のホットエンド２０を用いたことで、ノズル孔への溶融フィラメントの付着を低減、フィラメントの座屈を低減でき、フィラメント８０の焦付きも抑えることができたためである。

【0075】

比較用に、ノズル外筒部とノズル内筒部を金属の単一部品から作製したホットエンドを用いて、同様に造形を行なった。ただし、ノズル孔は、ドリル加工によって開設し、研磨等は施していない。

【0076】

結果、比較例の金属製のホットエンドでは、溶融したＰＶＣがノズル孔に焦げ付き、造形は１時間未満しか行なうことができなかった。

【0077】

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

【0078】

たとえば、上記実施形態では、ノズルキャップ４０とノズル内筒部６０を別部材から構成しているが、これらを一体化して継ぎ目なしの単一部品としても構わない。

【0079】

また、図５に示すように、ノズルキャップ４０とノズル内筒部６０を加えた長さＬ３は、ガイド外筒部３０のフィラメント導入孔３２の近くまで長く採ることが望ましい。Ｌ３を長く採ることで、フィラメント８０のぶれを抑えて、ガイド孔４１内の早い段階でフィラメント８０を安定して直線状に保持できる。

【符号の説明】

【0080】

１０ 三次元積層造形装置
２０ ホットエンド
２１ ガイド
２２ ノズル
３０ ガイド外筒部
４０ ノズルキャップ
４１ ガイド孔
５０ ノズル外筒部
６０ ノズル内筒部
６１ ノズル孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】