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WO2016158137A1 - 樹脂熔融型造形ヘッド及び三次元造形装置 - Google Patents

樹脂熔融型造形ヘッド及び三次元造形装置 Download PDF

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WO2016158137A1
WO2016158137A1 PCT/JP2016/055919 JP2016055919W WO2016158137A1 WO 2016158137 A1 WO2016158137 A1 WO 2016158137A1 JP 2016055919 W JP2016055919 W JP 2016055919W WO 2016158137 A1 WO2016158137 A1 WO 2016158137A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
head
heater
fold
resin
ninety
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2016/055919
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宣栄 大柏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mutoh Industries Ltd
Original Assignee
Mutoh Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mutoh Industries Ltd filed Critical Mutoh Industries Ltd
Priority to JP2017509406A priority Critical patent/JP6550455B2/ja
Publication of WO2016158137A1 publication Critical patent/WO2016158137A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the present invention relates to a resin melt molding head and a three-dimensional modeling apparatus using the molding head.
  • a three-dimensional modeling apparatus that manufactures a model based on three-dimensional design data is known from Patent Document 1, for example.
  • various methods such as an optical modeling method, a powder sintering method, an inkjet method, and a molten resin extrusion molding method have been proposed and commercialized.
  • a modeling head for discharging the molten resin that is the material of the modeled object is mounted on a three-dimensional movement mechanism, and the modeling head is moved in the three-dimensional direction. Then, the molten resin is laminated while discharging the molten resin to obtain a shaped article.
  • Such a three-dimensional modeling apparatus includes a heater for heating the head body in order to melt the resin at a high temperature and push it out from the nozzle at the tip of the modeling head.
  • An object of the present invention is to provide a resin fusion molding head that can uniformly heat the entire head and that the heater is not easily damaged, and a three-dimensional modeling apparatus using the head.
  • the resin melt molding head of the present invention is formed by a holding part that holds a resin that is a material of a modeled object and a discharge part that is formed in communication with the holding part and is discharged in a molten state.
  • a head body having a portion, a heater disposed on the outer periphery of the head, and an elastic body disposed on the outer periphery of the heater and attached in a state of being biased toward the center of the head body.
  • the structure of the “ninety-nine fold state” or the “ninety-nine fold heater” is not limited to the structure disclosed in the embodiments described later, but is a space with respect to the extension of the heater.
  • a structure having a typical receiving tray or clearance in other words, a structure having a margin for the elongation of the heater.
  • a three-dimensional modeling apparatus including such a modeling head is provided.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a 3D printer 100 included in a 3D modeling apparatus according to a first embodiment. It is a front view which shows schematic structure of the three-dimensional modeling apparatus which concerns on 1st Embodiment.
  • 2 is a perspective view showing a configuration of an XY stage 12.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating details of the structure of a driver 300.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a modeling head having a cartridge heater 39.
  • FIG. 3 is a schematic view of a modeling head having a spiral heater 48.
  • FIG. 1 is a schematic view of a resin melt molding head 25 according to a first embodiment. It is the schematic explaining the manufacturing method of the resin fusion molding head 25 which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a resin melt molding head 25 according to the first embodiment.
  • FIG. It is the schematic which shows the other example of a 99-fold heater, (a) is an example of a sine wave type, (b) is a structural example of the bending part of a heater.
  • mold modeling head 50 which concerns on 2nd Embodiment.
  • mold modeling head 50 which concerns on 2nd Embodiment.
  • mold modeling head 60 which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a 3D printer 100 used in the first embodiment.
  • the 3D printer 100 includes a frame 11, an XY stage 12, a modeling stage 13, a lifting table 14, and a guide shaft 15.
  • a computer 200 is connected to the 3D printer 100 as a control device for controlling the 3D printer 100.
  • a driver 300 for driving various mechanisms in the 3D printer 100 is also connected to the 3D printer 100.
  • the frame 11 has, for example, a rectangular parallelepiped shape and includes a frame made of a metal material such as aluminum.
  • the frame 11 has, for example, a rectangular parallelepiped shape and includes a frame made of a metal material such as aluminum.
  • four guide shafts 15 are formed at four corners of the frame 11 so as to extend in the Z direction in FIG. 1, that is, in a direction perpendicular to the plane of the modeling stage 10.
  • the guide shaft 15 is a linear member that defines a direction in which the elevating table 14 is moved in the vertical direction as will be described later.
  • the number of guide shafts 15 is not limited to four, and is set to a number that can stably maintain and move the lifting table 14.
  • the modeling stage 13 is a table on which the model S is placed, and is a table on which a thermoplastic resin discharged from a modeling head described later is deposited.
  • the lifting table 14 penetrates the guide shaft 15 at its four corners, and is configured to be movable along the longitudinal direction (Z direction) of the guide shaft 15. .
  • the elevating table 14 includes rollers 34 and 35 that come into contact with the guide shaft 15, and the elevating table 14 moves smoothly in the Z direction as the rollers 34 and 35 rotate while in contact with the guide shaft 15. It is possible to do.
  • the elevating table 14 transmits a driving force of the motor Mz by a power transmission mechanism including a timing belt, a wire, a pulley, and the like, so that a predetermined interval (for example, 0.1 mm pitch) in the vertical direction. Move with.
  • the motor Mz for example, a servo motor or a stepping motor is suitable.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of the XY stage 12.
  • the XY stage 12 includes a frame body 21, an X guide rail 22, a Y guide rail 23, a reel 24, a modeling head 25, and a modeling head holder H. Both ends of the X guide rail 22 are fitted into the Y guide rail 23 and are held slidable in the Y direction.
  • the reel 24 is fixed to the modeling head holder H, and moves in the XY directions following the movement of the modeling head 25 held by the modeling head holder H.
  • the thermoplastic resin used as the material of the shaped object S is a string-like resin (filament 43) having a diameter of about 3 to 1.75 mm, and is usually held in a state of being wound around the reel 24.
  • the molding head 25 is fed into the modeling head 25 by a motor (extruder) provided on the modeling head 25.
  • the reel 24 may be fixed to the frame body 21 or the like without being fixed to the modeling head holder H so that the movement of the modeling head 25 is not followed.
  • a guide for example, a tube, a ring guide, etc.
  • the filament 43 is fed into the modeling head 25 from the reel 24 through the tube Tb.
  • the modeling head 25 is held by a modeling head holder H and is configured to be movable along the X and Y guide rails 22 and 23 together with the reel 24.
  • an extruder motor for feeding the filament 43 downward in the Z direction is disposed in the modeling head 25.
  • the modeling head 25 only needs to be movable with the modeling head holder H while maintaining a fixed positional relationship with each other in the XY plane, but is configured so that the mutual positional relationship can be changed also in the XY plane. It may be.
  • motors Mx and My for moving the modeling head 25 relative to the XY table 12 are also provided on the XY stage 12.
  • the motors Mx and My for example, a servo motor or a stepping motor is suitable.
  • the number of modeling heads is one, but two or more modeling heads may be used.
  • the modeling head 25 will be described in more detail later.
  • the driver 300 includes a CPU 301, a filament feeding device 302, a head control device 303, a current switch 304, and a motor driver 306.
  • the CPU 301 receives various signals from the computer 200 via the input / output interface 307 and controls the entire driver 300.
  • the filament feeder 302 instructs and controls the feed amount (push amount or retract amount) of the filament 43 to the modeling head 25 with respect to the extruder motor in the modeling head 25.
  • the current switch 304 is a switch circuit for switching the amount of current flowing through the heater 31.
  • the motor driver 306 generates a pulse signal for controlling the motors Mx, My, and Mz in accordance with a control signal from the CPU 301.
  • Modeling method Next, a method for modeling the model S using the 3D printer 100 configured as described above will be described.
  • the motor driver 306 In accordance with a control signal from the CPU 301, the motor driver 306 generates a pulse signal for controlling the motors Mx, My, and Mz. In response to the pulse signal, the motor Mz transmits the driving force by a power transmission mechanism including a timing belt, a wire, a pulley, and the like, thereby moving the lifting table 14 in the Z direction (vertical direction). Further, the motors Mx and My move the modeling head 25 to a predetermined position with respect to the XY stage 12 by the pulse signal.
  • a power transmission mechanism including a timing belt, a wire, a pulley, and the like
  • the filament 43 pushed into the modeling head 25 is heated by the heater provided in the modeling head 25, the filament 43 is melted and discharged from the tip of the modeling head 25 to the outside.
  • the molten resin is discharged onto the modeling stage 13 and the molten resin is laminated, thereby obtaining the molded object S.
  • the modeling head 25 is moved in the Z direction by fixing the modeling stage 13 and moving the lifting table 14 in the Z direction (vertical direction).
  • the position of the lifting table 14 in the Z direction is changed. It can also be set as the structure which models by fixing and fixing the position of the modeling head 25 of the Z direction, and moving the modeling stage 13 to a Z direction (up-down direction).
  • modeling head 25 according to the present embodiment will be described in more detail.
  • FIG. 5 is a schematic view of a conventional modeling head 30 using a cartridge heater 39.
  • the modeling head 30 changes the temperature of the head main body 41, the resin holding portion 38 provided in the head main body 41, the discharge portion 29 formed in communication with the resin holding portion 38, and the temperature of the head main body 41.
  • a temperature sensor 42 for measuring the temperature of the head main body 41.
  • the resin holding portion 38 is a portion into which the filament 43 described above enters.
  • the filament 43 is melted and the filament 43 in the molten state is melted. Is accumulated in the resin holding portion 38 and further discharged from the discharge portion 29 to the outside.
  • the cartridge heater 39 is disposed at an asymmetrical position in the head body 41 as shown in FIG. 5, the resin inside the head cannot be heated uniformly.
  • a modeling head 40 having a structure as shown in FIG. 6 is used.
  • the modeling head 40 uses a spiral heater 48 instead of the cartridge heater 39 shown in FIG.
  • a spiral heater 48 is configured by spirally winding a heater around an outer periphery of a head body 46 via an insulating sheet 47 made of polyimide or the like.
  • the heater is arranged symmetrically with respect to the central axis of the head main body 46 by winding the heater spirally around the outer periphery of the head main body 46 as described above, the heater is heated isotropically when viewed from the central axis of the head main body 46. Can do.
  • the thermal expansion coefficient of the material differs between the heater constituting the helical heater 48 and the head main body 46, if it is securely fixed, heating and cooling are repeated each time it is used, and stress is accumulated in the heater. As a result, a problem arises in that the air gaps are easily broken.
  • FIG. 7 and 10 show the structure of the resin melt molding head 25 according to the present embodiment.
  • This resin melt molding head 25 covers the outer periphery of the head main body 28 with an insulating sheet 32 (FIG. 10), and further, a heater is placed a predetermined length in the head axial direction (vertical direction in the figure).
  • a vertical ninety-nine fold heater 31 is provided by arranging it in a ninety-nine fold state (hereinafter referred to as “vertical ninety-nine fold”) that is repeatedly folded in the opposite direction.
  • a helical fixed spring body 37 is attached to the outer periphery of the outer periphery via an insulating sheet 36 while being elastically biased.
  • the interval (p) and the like can be arbitrarily set.
  • the cross-sectional shape of the heater can be an arbitrary shape such as a perfect circle, an ellipse, or a rectangle.
  • the diameter in the case of a perfect circle and the aspect ratio in the case of a rectangle can be set to arbitrary values.
  • a ninety-nine fold heater as shown in FIG.
  • the heater 33 can have a sine wave (sine curve) shape, and the pitch of the sine wave can be set to an arbitrary value. can do. Moreover, it can also be set as the shape which combined the straight line and the semicircle, or the shape which rounded the corner
  • the fixed spring body 37 can be made of a heat-resistant spring material such as SUS304, SUS631, or Inconel (R). As shown in FIG. 7, the length (L) of the fixed spring body 37 in the head axis direction is made larger than the length (l) of the vertical axis ninety-nine fold heater 31.
  • the inner diameter d of the fixed spring body 37 is set smaller than the outer diameter D of the head body 28. Further, the inner diameter d of the fixed spring body 37 may be a constant value over the entire length (L) in the head axis direction, or may be partially changed or continuously changed. Furthermore, the diameter when the cross-sectional shape of one spring constituting the spring body is a perfect circle, the aspect ratio when the shape is rectangular, and the thickness can be set to arbitrary values.
  • the pitch interval of the fixed spring body 37 can be arbitrarily set.
  • the pitch interval may be a constant value over the entire length (L) in the head axis direction, or may be partially changed to a different value or continuously changed.
  • the angle of the spring body with respect to the head axis direction can also be set to an arbitrary value.
  • both ends of the fixed spring body 37 are open ends, and a margin in the circumferential direction is ensured, but one of them may be fixed.
  • the fixed spring body 37 can be provided on the outermost periphery of the resin melt molding head 25.
  • the insulating sheets 32 and 36 having a heat resistant temperature of about 100 ° C. or higher than the heating temperature by the heater, for example, polyimide film, mica film, fluororesin film, glass tape, silica tape, alumina tape. Those having excellent heat resistance and insulation properties such as the above can be used. Further, the insulating sheet 32 and the insulating sheet 36 may be made of the same material or different materials.
  • a resin holding portion 38 is provided in the head main body 28 so as to communicate with the discharge portion 29, and a temperature sensor 42 for measuring the temperature of the head main body 28 is provided. Yes.
  • Resin holding part 38 is a part into which filament 43 enters.
  • an extruder motor for feeding the filament 43 downward in the Z direction is disposed in the head main body 28.
  • the filament 43 is melted and the molten filament 43 is pushed into the resin holding portion 38. It is discharged from the discharge unit 29 to the outside.
  • the temperature of the head main body 28 is controlled using the vertical direction ninety-nine fold heater 31 and the temperature sensor 42.
  • the temperature sensor 42 is disposed in the vicinity of the inner wall of the resin holding portion 38.
  • the temperature sensor 42 measures the temperature of a predetermined location in the head main body 28 and feeds back the measurement result to the computer 200.
  • the computer 200 controls the vertical ninety-nine fold heater 31 according to the feedback result.
  • the head body 41 of the modeling head 25 is often made of an aluminum alloy in order to improve heat conduction.
  • the resin melt molding head 25 can be manufactured by the following procedure. First, as shown in FIG. 8, an insulating sheet 32, a vertical ninety-nine fold heater 31, and an insulating sheet 36 are prepared in order on the outside of the head body 28, and the insulating sheet 32 is coated on the outer periphery of the head body 28 The vertical ninety-nine fold heater 31 is disposed along the outer periphery thereof (see FIG. 9). Further, after covering the surface with the insulating sheet 36, a fixed spring body 37 having an inner diameter (d) smaller than the outer diameter (D) of the head body 28 is prepared.
  • the fixed spring body 37 is placed on the head body 28 covered with the insulating sheet 36 in a state where the inner diameter (d) of the fixed spring body 37 is larger than the outer diameter (D) of the head body 28.
  • biasing means a state in which a force is applied in the center direction but is not fixed and is movable.
  • the heater 9 is repeatedly extended on the outer periphery of the head main body 28 by a predetermined length in the head axial direction and folded back in the opposite direction via the insulating sheet 32. Since the nineteen-fold heater 31 is provided, even if heating is repeated every time it is used, the heater extends along the surface of the insulating sheet 32, so that a gap is hardly generated at the interface with the insulating sheet 32. And since it is urged
  • FIG. 12 shows the structure of the resin melt molding head 50 according to the second embodiment.
  • the resin melt molding head 50 is in a ninety-nine fold state (hereinafter referred to as “horizontal direction ninety-nine”) that repeats folding back in the opposite direction while extending the heater by a predetermined length in the outer circumferential direction (lateral direction in the figure) of the head. It is formed in the same manner as the resin melt molding head 25 according to the first embodiment, except that the laterally ninety-nine fold heater 51 is provided by arranging it as “Fold”.
  • the material and thickness of the heater used, the cross-sectional shape when cut at an arbitrary position in the longitudinal direction, the length in the head axis direction (l), the number of turns (n), the pitch The interval (p) and the like can be arbitrarily set.
  • the cross-sectional shape of the heater can be an arbitrary shape such as a perfect circle, an ellipse, or a rectangle.
  • the diameter in the case of a perfect circle and the aspect ratio in the case of a rectangle can be set to arbitrary values.
  • the length (l) in the head axis direction of the horizontal direction 99-fold heater 31 is set to be smaller than the length (L) in the head axis direction of the fixed spring body 37.
  • the turning points 52a and 53a are not located at the same position in the head axis direction but are arranged at positions shifted from each other.
  • the resin melt molding head 50 is provided with an insulating sheet 32, a horizontal ninety-nine fold heater 51, and an insulating sheet 36 in order on the outer side of the head body 28, and insulated on the outer periphery of the head body 28.
  • the transverse ninety-nine fold heater 51 is disposed along the outer periphery thereof.
  • a fixed spring body 37 having an inner diameter (d) smaller than the outer diameter (D) of the head body 28 is prepared, and the inner diameter (d) is set to the outer diameter of the head body 28. In the state expanded more than (D), it covers the head main body 28 covered with the insulating sheet 36.
  • the horizontal ninety-nine fold heater 51 is urged and supported by the elastic force toward the center by the fixed spring body 37.
  • the heater is extended to the outer periphery of the head body 28 by a predetermined length on the outer periphery of the head main body 28 and repeatedly folded back in the opposite direction. Since the ninety-nine fold heater 51 is provided, even if the heating is repeated every time it is used, the heater extends along the surface of the insulating sheet 32, so that a gap is hardly generated at the interface with the insulating sheet 32. And since it is pressurized by the fixed spring body 37 arrange
  • the folding point 52a of the adjacent ninety-nine folding part 52 and the folding point 53a of the ninety-nine folding part 53 are not located at the same position in the head axis direction but are shifted from each other. There is no short circuit due to contact even when extended.
  • mold modeling head and 3D modeling apparatus which concern on 3rd Embodiment are demonstrated.
  • the configuration of the resin melt molding head is different from that of the first embodiment. Since the structure of the other 3D modeling apparatus and the manufacturing method of the modeled object may be substantially the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted. 14 and 15, the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the detailed description thereof will be omitted below.
  • FIG. 14 shows the structure of a resin melt molding head 60 according to the third embodiment.
  • the resin melt molding head 60 is formed in the same manner as the resin melt molding head 25 according to the first embodiment except that the mixing ninety-nine fold heater 61 is provided.
  • the mixed ninety-nine fold heater 61 includes a part of the horizontal ninety-nine fold heater shown in the second embodiment (the horizontal ninety-nine fold portion 61a) and the vertical one shown in the first embodiment. It is configured by alternately combining a part of the direction 99-fold heater (vertical direction 99-fold portion 61b).
  • the material and thickness of the heater used, the cross-sectional shape when cut at an arbitrary position in the longitudinal direction, the length in the head axis direction (l), the number of turns (n), and the pitch interval (P) etc. can be set arbitrarily.
  • the cross-sectional shape of the heater can be an arbitrary shape such as a perfect circle, an ellipse, or a rectangle.
  • the diameter in the case of a perfect circle and the aspect ratio in the case of a rectangle can be set to arbitrary values.
  • the head axis direction length (l) of the mixing ninety-nine fold heater 61 is set to be smaller than the head axis direction length (L) of the fixed spring body 37.
  • the resin melt molding head 60 prepares an insulating sheet 32, a mixed ninety-nine fold heater 61, and an insulating sheet 36 in order on the outer side of the head main body 28, and an insulating sheet on the outer periphery of the head main body 28.
  • the mixing ninety-nine fold heater 61 is disposed along the outer periphery thereof.
  • a fixed spring body 37 having an inner diameter (d) smaller than the outer diameter (D) of the head body 28 is prepared, and the inner diameter (d) is set to the outer diameter of the head body 28. In the state expanded more than (D), it covers the head main body 28 covered with the insulating sheet 36.
  • the mixing ninety-nine fold heater 61 is urged and supported by the elastic force toward the center by the fixed spring body 37.
  • the mixing ninety-nine fold heater 61 is provided on the outer periphery of the head main body 28 via the insulating sheet 32, so that heating is repeated each time it is used.
  • the heater extends along the surface of the insulating sheet 32, a gap is hardly generated at the interface with the insulating sheet 32.
  • it is pressurized by the fixed spring body 37 arrange
  • the insulating sheets 32 and 36 are interposed between the head body 28 and the heater, and between the heater and the fixed spring body 37, respectively. If used, there is no possibility of short-circuiting with the head main body 28 or the fixed spring body 37, so that one or both of the insulating sheets 32 and 36 can be omitted.
  • examples of vertical, horizontal and mixed ninety-nine fold heaters have been shown as heaters for heating the head.
  • a wave heater 71 in which a plurality of heaters formed in a wave shape are wound in multiple layers may be used, and a fixed spring body 37 may be provided on the outer periphery thereof with an insulating sheet 36 interposed therebetween.
  • the heater is urged and supported using the fixed spring body 37 having the same inner diameter over the entire axial direction of the head body.
  • a spiral spring body 90 that minimizes may be used.
  • the inner diameter d1 of the central portion of the spring 45 constituting the spiral spring body 90, the inner diameter of the end portion is d2, and the outer diameter of the head body 28 is D the relationship is set so as to satisfy the relationship d1 ⁇ d2 ⁇ D. Is done.
  • a highly heat-resistant elastic body such as SUS304, SUS631, or Inconel (R) may be used as the spring 45.
  • the fixed spring body 37a having a spiral structure is used as the spring shape as shown in FIG. 19A, but it is needless to say that other structures may be used.
  • a fixed spring body 37b having a 99-fold structure can be used.
  • the fixed spring body 37b having a 99-fold structure is set smaller than the outer diameter D of the head body 28, where d is the natural diameter (inner diameter) of the spring. Assembling is performed by covering the head main body 28 covered with the insulating sheet 36 with the inner diameter d being larger than the outer diameter D of the head main body 28.
  • modeling head 41 ..Head body, 42 ... temperature sensor, 43 ... filament, 45 ... spring body, 46 ... head body, 47 ... insulating sheet, 48 ... spiral heater, 50 ... Resin melt-type molding head, 51... Ninety-nine fold heater, 52... Ninety-nine fold part, 52 a ... Folding point, 53 ... Ninety-nine fold part, 53 a. Folding point, 60 ... resin melt molding head, 61 ... mixed ninety-nine fold heater, 61a ... horizontal ninety-nine fold, 61b ... vertical ninety-nine fold, 63 ..Band-shaped (strip-shaped) heater, 70 ... resin melt molding head, 71 ...
  • wave heater 80 ... resin melt molding head, 81 ... slit, 90 ... spiral spring Body, 100... 3D printer, 200... Computer, 300.
  • Driver 301 ... CPU, 302 ... filament feeding device, 304 ... current switch, 306 ... motor driver, 307 ... interface.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)

Abstract

　ヘッドの全体を均一に加熱できるとともにヒータが破損しにくい樹脂熔融型造形ヘッド及びこのヘッドを用いた三次元造形装置を提供する。樹脂熔融型造形ヘッド２５は、ヘッド本体２８の外周に絶縁シート３２を被覆し、さらにその上に、ヒータをヘッド軸方向（図中縦方向）に所定長さだけ延びつつ、周方向に所定の間隔を開け反対方向に折り返すことを繰り返して九十九折り（つづらおり）の状態（縦方向九十九折り）で配置することにより縦方向九十九折りヒータ３１を設け、さらにその外周に絶縁シート３６を介して螺旋状の固定バネ３７を弾性的に付勢された状態で取り付けて構成される。

Description

樹脂熔融型造形ヘッド及び三次元造形装置
　本発明は、樹脂熔融型造形ヘッド及びこの造形ヘッドを用いた三次元造形装置に関する。
　三次元設計データに基づいて造形物を製造する三次元造形装置が、例えば、特許文献１により知られている。このような三次元造形装置の方式としては、光造形法、粉末焼結法、インクジェット法、熔融樹脂押し出し造形法など、様々な方式が提案され、製品化されている。
　例えば、熔融樹脂押し出し造形法を採用した三次元造形装置では、造形物の材料となる熔融樹脂を吐出するための造形ヘッドを三次元移動機構上に搭載し、造形ヘッドを三次元方向に移動させて熔融樹脂を吐出しつつ熔融樹脂を積層させて造形物を得る。
　このような三次元造形装置においては、樹脂を高温で熔かして造形ヘッド先端のノズルから押し出すため、ヘッド本体を加熱するヒータを備えている。
　しかしながら、上記ヒータとヘッド本体では材質の熱膨張係数が異なるため、確実に固定すると使用の度に加熱と冷却が繰り返されヒーターにストレスが溜まり、ヘッド本体とヒータの間に空隙が生じてしまう為、破損しやすくなるという問題が発生する。
特許第４８６０７６９号公報
　本発明は、ヘッドの全体を均一に加熱できるとともにヒータが破損しにくい樹脂熔融型造形ヘッド及びこのヘッドを用いた三次元造形装置を提供することを目的とする。
　上述の目的を達成するため、本発明の樹脂熔融型造形ヘッドは、造形物の材料となる樹脂を保持する保持部及び該保持部と連通して形成され前記樹脂が熔融状態で吐出される吐出部を有するヘッド本体と、前記ヘッドの外周に配置されたヒータと、前記ヒータの外周に配置され、前記ヘッド本体の中心方向に付勢した状態で取り付けられた弾性体とを備えることを特徴とする。
　また、本明細書において、「九十九折りの状態」または「九十九折りヒータ」の構造とは、後述する実施の形態で開示されている構造だけでなく、ヒータの伸びに対して空間的な受け皿や逃げ代を有する構造、言い換えれば、ヒータの伸びに対して余裕度のある構造をいう。
　また、本発明によれば、このような造形ヘッドを備えた三次元造形装置が提供される。
　本発明によれば、ヘッドの全体を均一に加熱できるとともにヒータが破損しにくい樹脂熔融型造形ヘッド及びこのヘッドを用いた三次元造形装置を提供することが可能になる。
第１の実施の形態に係る三次元造形装置に含まれる３Ｄプリンタ１００の概略構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す正面図である。 ＸＹステージ１２の構成を示す斜視図である。 ドライバ３００の構造の詳細について説明するブロック図である。 カートリッジヒータ３９を有する造形ヘッドの断面図である。 螺旋状ヒータ４８を有する造形ヘッドの概略図である。 第１の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５の概略図である。 第１の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５の製造方法を説明する概略図である。 第１の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５の製造方法を説明する概略図である。 第１の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５の一部断面図である。 九十九折りヒータの他の例を示す概略図であり、（ａ）は正弦波型の例、（ｂ）はヒータの折り曲げ部分の構造例である。 第２の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド５０の概略図である。 第２の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド５０の製造方法を説明する概略図である。 第３の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド６０の概略図である。 第３の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド６０の製造方法を説明する概略図である。 他の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド７０の概略図である。 他の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド８０の概略図である。 バネ体の他の構造を示す概略図である。 バネ体のさらに他の構造を示す概略図であり、（ａ）は螺旋構造、（ｂ）は九十九折り構造、（ｃ）は組立状態を示す。
　次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
（全体構成）
　図１は、第１の実施の形態で用いる３Ｄプリンタ１００の概略構成を示す斜視図である。３Ｄプリンタ１００は、フレーム１１と、ＸＹステージ１２と、造形ステージ１３と、昇降テーブル１４と、ガイドシャフト１５とを備えている。
　この３Ｄプリンタ１００を制御する制御装置としてコンピュータ２００が、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。また、３Ｄプリンタ１００中の各種機構を駆動するためのドライバ３００も、この３Ｄプリンタ１００に接続されている。
（フレーム１１）
　フレーム１１は、図１に示すように、例えば直方体の外形を有し、アルミニウム等の金属材料の枠組を備えている。このフレーム１１の４つの角部に、例えば４本のガイドシャフト１５が、図１のＺ方向、すなわち造形ステージ１０の平面に対し垂直な方向に延びるように形成されている。ガイドシャフト１５は、後述するように昇降テーブル１４を上下方向に移動させる方向を規定する直線状の部材である。ガイドシャフト１５の本数は４本には限られず、昇降テーブル１４を安定的に維持・移動させることができる本数に設定される。
（造形ステージ１３）
　造形ステージ１３は、造形物Ｓが載置される台であり、後述する造形ヘッドから吐出される熱可塑性樹脂が堆積される台である。
（昇降テーブル１４）
　昇降テーブル１４は、図１及び図２に示すように、その４つの角部においてガイドシャフト１５を貫通させており、ガイドシャフト１５の長手方向（Ｚ方向）に沿って移動可能に構成されている。昇降テーブル１４は、ガイドシャフト１５と接触するローラ３４，３５を備えており、このローラ３４，３５がガイドシャフト１５上と接触しつつ回動することで、昇降テーブル１４はＺ方向にスムーズに移動することが可能とされている。また、昇降テーブル１４は、図２に示すように、モータＭｚの駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、上下方向に所定間隔（例えば０．１ｍｍピッチ）で移動する。モータＭｚは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。
（ＸＹステージ１２）
　ＸＹステージ１２は、この昇降テーブル１４の上面に載置されている。図３は、このＸＹステージ１２の概略構成を示す斜視図である。ＸＹステージ１２は、枠体２１と、Ｘガイドレール２２と、Ｙガイドレール２３と、リール２４と、造形ヘッド２５と、造形ヘッドホルダＨを備えている。Ｘガイドレール２２は、その両端がＹガイドレール２３に嵌め込まれ、Ｙ方向に摺動自在に保持されている。リール２４は、造形ヘッドホルダＨに固定されており、造形ヘッドホルダＨによって保持された造形ヘッド２５の動きに追従してＸＹ方向を移動する。造形物Ｓの材料となる熱可塑性樹脂は、径が３～１．７５ｍｍ程度の紐状の樹脂（フィラメント４３）であり、通常リール２４に捲かれた状態で保持されているが、造形時には後述する造形ヘッド２５に設けられたモータ（エクストルーダ）によって造形ヘッド２５内に送り込まれる。なお、リール２４を造形ヘッドホルダＨに固定せずに枠体２１等に固定し、造形ヘッド２５の動きに追従させない構成とすることもできる。また、フィラメント４３を露出した状態で造形ヘッド２５内に送り込まれる構成としたが、ガイド（例えば、チューブ、リングガイド等）を介在させて造形ヘッド２５内に送り込むようにしても良い。
　フィラメント４３は、リール２４からチューブＴｂを介して造形ヘッド２５内に送り込まれる。造形ヘッド２５は、造形ヘッドホルダＨにより保持され、リール２４と共にＸ，Ｙのガイドレール２２，２３に沿って移動可能に構成されている。また、図２及び図３では図示を省略するが、造形ヘッド２５内には、フィラメント４３をＺ方向下方へ送り込むためのエクストルーダモータが配置される。造形ヘッド２５は、ＸＹ平面内においては互いに一定の位置関係を保って造形ヘッドホルダＨと共に移動可能とされていればよいが、ＸＹ平面においても、互いの位置関係が変更可能なように構成されていてもよい。
　なお、図２及び図３では図示を省略するが、造形ヘッド２５をＸＹテーブル１２に対し移動させるためのモータＭｘ、Ｍｙも、このＸＹステージ１２上に設けられている。モータＭｘ、Ｍｙは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。なお、この実施の形態では、説明の簡単化のため、造形ヘッドの数を１個としているが、２個以上の造形ヘッドを用いてもよい。なお、造形ヘッド２５については、後に更に詳しく説明する。
（ドライバ３００）
　次に、図４のブロック図を参照してドライバ３００の構造の詳細について説明する。ドライバ３００は、ＣＰＵ３０１、フィラメント送り装置３０２、ヘッド制御装置３０３、電流スイッチ３０４、及びモータドライバ３０６を含んでいる。
　ＣＰＵ３０１は、コンピュータ２００から入出力インタフェース３０７を介して各種信号を受信して、ドライバ３００の全体の制御を行う。フィラメント送り装置３０２は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、造形ヘッド２５内のエクストルーダモータに対して、フィラメント４３の造形ヘッド２５に対する送り量（押し込み量又は退避量）を指令し制御する。
　電流スイッチ３０４は、ヒータ３１に流れる電流量を切換えるためのスイッチ回路である。電流スイッチ３０４のスイッチング状態が切り替わることにより、ヒータ３１に流れる電流が増加又は減少し、これにより造形ヘッド２５の温度が変化する。また、モータドライバ３０６は、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、モータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを制御するためのパルス信号を発生させる。
（造形方法）
　次に、上記のように構成された３Ｄプリンタ１００を用いて造形物Ｓを造形する方法について説明する。
　まず、ＣＰＵ３０１からの制御信号に従い、モータドライバ３０６は、モータＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを制御するためのパルス信号を発生する。該パルス信号によって、モータＭｚはその駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、昇降テーブル１４をＺ方向（上下方向）に移動させる。また、該パルス信号によって、モータＭｘ、ＭｙはＸＹステージ１２に対して造形ヘッド２５を所定位置に移動させる。
　一方、造形ヘッド２５内に押し込まれたフィラメント４３が造形ヘッド２５に設けられたヒータにより加熱されると、フィラメント４３は熔融し、造形ヘッド２５の先端から外部に吐出される。
造形ヘッド２５を上記手法により三次元の所定位置に移動させつつ、造形ステージ１３に熔融樹脂を吐出し、熔融樹脂を積層させることによって、造形物Ｓを得る。
　なお、上記実施形態では、造形ステージ１３を固定し、昇降テーブル１４をＺ方向（上下方向）に移動させることによって造形ヘッド２５をＺ方向に移動させたが、昇降テーブル１４のＺ方向の位置を固定して造形ヘッド２５のＺ方向の位置を固定し、造形ステージ１３をＺ方向（上下方向）に移動させることによって、造形を行う構成とすることもできる。
以下、本実施の形態に係る造形ヘッド２５について更に詳しく説明する。
（造形ヘッド）
　図５は、カートリッジヒータ３９を使用した従来の造形ヘッド３０の概略図である。造形ヘッド３０は、ヘッド本体４１と、該ヘッド本体４１内に設けられた樹脂保持部３８と、該樹脂保持部３８と連通して形成されている吐出部２９と、ヘッド本体４１の温度を変化させるためのカートリッジヒータ３９と、ヘッド本体４１の温度を測定するための温度センサ４２とを備えている。
　樹脂保持部３８は、前述したフィラメント４３が進入する部分であり、樹脂保持部３８に進入した固体状態のフィラメント４３がカートリッジヒータ３９により加熱されると、フィラメント４３は熔融し、熔融状態のフィラメント４３が樹脂保持部３８内に溜まり、更に吐出部２９から外部に吐出される。
　しかし、カートリッジヒータ３９では、図５に示すように、ヘッド本体４１内の非対称な箇所に配置されているのでヘッド内部の樹脂を均一に加熱することができない。
　そこで、図６に示すような構造を有する造形ヘッド４０が用いられる。
　造形ヘッド４０は、図５に示すカートリッジヒータ３９の代わりに、螺旋状ヒータ４８を用いたものである。この造形ヘッド４０では、ヘッド本体４６の外周にポリイミド等からなる絶縁シート４７を介してヒータを螺旋状に巻き付けて螺旋状ヒータ４８を構成したものである。
　このようにヒータをヘッド本体４６の外周に螺旋状に巻き付けることによって、ヒータがヘッド本体４６の中心軸に対して対称に配置されるため、ヘッドの中心軸から見て等方的に加熱することができる。
　しかし、螺旋状ヒータ４８を構成するヒータとヘッド本体４６では材質の熱膨張係数が異なるため、確実に固定すると使用の度に加熱と冷却が繰り返されヒーターにストレスが溜まり、ヘッド本体とヒータの間に空隙が生じてしまう為、破損しやすくなるという問題が発生する。
（樹脂熔融型造形ヘッド２５）
　上記課題を解決すべくなされた本実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５に関して、図７～図１０に基づいて説明する。
　図７及び図１０に、本実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５の構造を示す。この樹脂熔融型造形ヘッド２５は、ヘッド本体２８の外周に絶縁シート３２（図１０）を被覆し、さらにその上に、ヒータをヘッド軸方向（図中縦方向）に所定長さだけ距離を取りつつ反対方向に折り返すことを繰り返した九十九折り（つづらおり）の状態（以下、「縦方向九十九折り」と記す）で配置することにより縦方向九十九折りヒータ３１を設け、さらにその外周に絶縁シート３６を介して螺旋状の固定バネ体３７を弾性的に付勢された状態で取り付けたものである。
　縦方向九十九折りヒータ３１において、用いられるヒータの材質、厚み、長手方向の任意の箇所で切断した場合の断面形状、ヘッド軸方向への長さ（ｌ）、折返し数（ｎ）、ピッチ間隔（ｐ）等は任意に設定することができる。例えば、ヒータの断面形状は、真円状、楕円状、矩形状等の任意の形状とすることができる。真円状の場合の径、矩形状の場合のアスペクト比も任意の値に設定することが可能である。
　また、九十九折りヒータとしては、図１１（ａ）に示すように、ヒータ３３を正弦波（サインカーブ）型の形状とすることもでき、さらに、この正弦波のピッチも任意の値とすることができる。また、直線と半円形を組み合わせた形状としたり、矩形波の角の部分を丸くした形状とすることもできる。この場合、角の部分は、図１１（ｂ）に示すように、ヒータ３３における角部のｒ１～ｒ４の径が全て同じになることが余裕度の点から最も好ましいが、それ以外の構造でも良い。さらに、ヘッド本体２８の外周にヒータを１重だけでなく多重に巻く構成であっても良い。
このような九十九折りヒータは、伸び縮みに対する余裕度があるので、熱膨張があってもストレスが溜まりづらく、ヘッド本体とヒータの間に空隙が生じることがなく、破損し辛くなる。
また、固定バネ体３７は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３１又はインコネル(Inconel（Ｒ）)等、高耐熱のバネ材を用いることができる。
　固定バネ体３７のヘッド軸方向長さ（Ｌ）は、図７に示すように、縦方向九十九折ヒータ３１のヘッド軸方向長さ（ｌ）よりも大きくする。固定バネ体３７の内径ｄは、ヘッド本体２８の外径Ｄよりも小さく設定する。また、固定バネ体３７の内径ｄは、ヘッド軸方向長さ（Ｌ）全体に渡って一定の値でも良いし、一部を異なる値にしたり、連続的に変化させたりしても良い。さらに、バネ体を構成する１本のバネの断面形状が真円状の場合の径や矩形状の場合のアスペクト比、厚みも任意の値に設定することができる。
　また、固定バネ体３７のピッチ間隔等は任意に設定することができる。ピッチ間隔は、ヘッド軸方向長さ（Ｌ）全体に渡って一定の値でも良いし、一部を異なる値にしたり、連続的に変化させたりしても良い。また、バネ体のヘッド軸方向に対する角度も任意の値に設定することが可能である。また、本実施の形態では、固定バネ体３７の両端を開放端とし周方向に対する余裕度を確保したが、一方が固定されていても良い。固定バネ体３７は、樹脂熔融型造形ヘッド２５の最外周に設けることができる。
　さらに、絶縁シート３２，３６は、ヒータによる加熱温度よりも約１００℃以上耐熱温度が高いものを用いることが好ましく、例えば、ポリイミドフィルム、マイカフィルム、フッ素樹脂フィルム、ガラステープ、シリカテープ、アルミナテープ等の耐熱性、絶縁性に優れたものを用いることができる。また、絶縁シート３２と絶縁シート３６は、同一の材料を用いても良いし、異なる材料を用いても良い。
　また、ヘッド本体２８内には、図１０に示すように、吐出部２９と連通して樹脂保持部３８が設けられ、かつ、ヘッド本体２８の温度を測定するための温度センサ４２が設置されている。
　樹脂保持部３８は、フィラメント４３が進入する部分である。また、図示していないが、ヘッド本体２８内には、フィラメント４３をＺ方向下方へ送り込むためのエクストルーダモータが配置される。樹脂保持部３８に進入した固体状態のフィラメント４３が縦方向九十九折ヒータ３１により加熱されると、フィラメント４３は熔融し、熔融状態のフィラメント４３が樹脂保持部３８内で押し込まれた状態で吐出部２９から外部に吐出される。
　また、樹脂の熔融を制御するため、ヘッド本体２８の温度が縦方向九十九折りヒータ３１及び温度センサ４２を用いて制御される。このため、温度センサ４２が樹脂保持部３８の内壁近傍に配置される。温度センサ４２は、ヘッド本体２８内の所定箇所の温度を測定し、その測定結果をコンピュータ２００に向けてフィードバックする。コンピュータ２００は、このフィードバックされた結果に従って縦方向九十九折ヒータ３１を制御する。造形ヘッド２５のヘッド本体４１は、熱伝導を良くするため、アルミ合金で作製されることが多い。
（樹脂熔融型造形ヘッド２５の製造方法）
　樹脂熔融型造形ヘッド２５は、以下の手順によって製造することができる。まず、図８に示すように、ヘッド本体２８の外側に順に、絶縁シート３２、縦方向九十九折りヒータ３１、絶縁シート３６を用意し、ヘッド本体２８の外周に絶縁シート３２を被覆した後、縦方向九十九折りヒータ３１をその外周に沿って配置する（図９参照）。さらに、その表面に絶縁シート３６を被覆した後、内径（ｄ）がヘッド本体２８の外径（Ｄ）よりも小さな固定バネ体３７を用意する。この固定バネ体３７の内径（ｄ）をヘッド本体２８の外径（Ｄ）よりも拡張した状態で、絶縁シート３６が被覆されたヘッド本体２８に被せる。これによって、縦方向九十九折りヒータ３１は、固定バネ体３７により中心に向かった弾性力で付勢され、支持される。
　ここで、本明細書において「付勢」とは、中心方向に力が掛かっているが、固定されておらず、移動可能な状態をいう。
（樹脂熔融型造形ヘッド２５の作用・効果）
　本実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５では、ヘッド本体２８の外周に、絶縁シート３２を介して、ヒータをヘッド軸方向に所定長さだけ伸ばして反対方向に折り返すことを繰り返す縦方向九十九折りヒータ３１を設けているので、使用の度に加熱が繰り返されても、ヒータが絶縁シート３２の表面に沿って伸長するため、絶縁シート３２との界面に隙間が生じにくい。しかも、その外側に配置されている固定バネ体３７によって付勢されているため、ヒータが伸長する際に隙間が生じることが防止される。
　このため、従来の螺旋状ヒータとは異なり、熱によるストレスが溜まりにくく、ヒータが破損しにくくなる。
　従って、本実施の形態によれば、ヘッドの全体を均一に加熱できるとともにヒータが破損しにくい樹脂熔融型造形ヘッド及びこのヘッドを用いた三次元造形装置を提供することが可能になる。
［第２の実施の形態］
　次に、図１２及び図１３を参照して、第２の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド及び三次元造形装置について説明する。この第２の実施の形態では、樹脂熔融型造形ヘッドの構成が第１の実施の形態とは異なっている。それ以外の三次元造形装置の構造、及び造形物の製造方法は第１の実施の形態と略同一で良いので、その説明は省略する。また、図１２及び図１３において、第１の実施の形態と同一の構成については同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
　図１２に、第２の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド５０の構造を示す。この樹脂熔融型造形ヘッド５０は、ヒータをヘッドの外周方向（図中横方向）に所定長さだけ延びつつ反対方向に折り返すことを繰り返す九十九折りの状態（以下、「横方向九十九折り」と記す）で配置することで横方向九十九折りヒータ５１を設けた以外は、第１の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５と同様に形成されている。
　横方向九十九折りヒータ５１において、用いられるヒータの材質、厚み、長手方向の任意の箇所で切断した場合の断面形状、ヘッド軸方向への長さ（ｌ）、折返し数（ｎ）、ピッチ間隔（ｐ）等は任意に設定することができる。例えば、ヒータの断面形状は、真円状、楕円状、矩形状等の任意の形状とすることができる。真円状の場合の径、矩形状の場合のアスペクト比も任意の値に設定することが可能である。また、この横方向九十九折りヒータ３１のヘッド軸方向長さ（ｌ）は、固定バネ体３７のヘッド軸方向長さ（Ｌ）よりも小さくなるように設定される。さらに、図１３に示すように、隣接する九十九折り部５２，５３において、その折返し点５２ａ及び５３ａはヘッド軸方向において同一位置ではなく、互いにずらした位置に配置される。
　樹脂熔融型造形ヘッド５０は、図１３に示すように、ヘッド本体２８の外側に順に、絶縁シート３２、横方向九十九折ヒータ５１、絶縁シート３６を用意し、ヘッド本体２８の外周に絶縁シート３２を被覆した後、横方向九十九折ヒータ５１をその外周に沿って配置する。さらに、その表面に絶縁シート３６を被覆した後、内径（ｄ）がヘッド本体２８の外径（Ｄ）よりも小さな固定バネ体３７を用意し、その内径（ｄ）をヘッド本体２８の外径（Ｄ）よりも拡張した状態で、絶縁シート３６が被覆されたヘッド本体２８に被せる。これによって、横方向九十九折りヒータ５１は、固定バネ体３７により中心に向かった弾性力で付勢され、支持される。
　本実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド５０では、ヘッド本体２８の外周に、絶縁シート３２を介して、ヒータをヘッドの外周方向に所定長さだけ延びつつ反対方向に折り返すことを繰り返す横方向九十九折りヒータ５１を設けているので、使用の度に加熱が繰り返されても、ヒータが絶縁シート３２の表面に沿って伸長するため、絶縁シート３２との界面に隙間が生じにくい。しかも、その外側に配置されている固定バネ体３７によって加圧されているため、ヒータが伸長する際に隙間が生じることが防止される。
　さらに、隣接する九十九折り部５２の折返し点５２ａと九十九折り部５３の折返し点５３ａはヘッド軸方向において同一位置ではなく、互いにずらした位置に配置されているので、ヒータが熱により伸長しても接触してショートすることがない。
　以上のことにより、従来の螺旋状ヒータとは異なり、熱によるストレスが溜まりにくく、ヒータが破損しにくくなる。
　従って、本実施の形態によれば、ヘッドの全体を均一に加熱できるとともにヒータが破損しにくい樹脂熔融型造形ヘッド及びこのヘッドを用いた三次元造形装置を提供することが可能になる。
［第３の実施の形態］
　次に、図１４及び図１５を参照して、第３の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド及び三次元造形装置について説明する。この第３の実施の形態では、樹脂熔融型造形ヘッドの構成が第１の実施の形態とは異なっている。それ以外の三次元造形装置の構造、及び造形物の製造方法は第１の実施の形態と略同一で良いので、その説明は省略する。また、図１４及び図１５において、第１の実施の形態と同一の構成については同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
　図１４に、第３の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド６０の構造を示す。この樹脂熔融型造形ヘッド６０は、混合九十九折りヒータ６１を設けた以外は、第１の実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド２５と同様に形成されている。この混合九十九折りヒータ６１は、第２の実施の形態で示した横方向九十九折りヒータの一部（横方向九十九折り部６１ａ）と第１の実施の形態で示した縦方向九十九折りヒータの一部（縦方向九十九折り部６１ｂ）とを交互に組み合わせて構成されている。
　混合九十九折りヒータ６１において、用いられるヒータの材質、厚み、長手方向の任意の箇所で切断した場合の断面形状、ヘッド軸方向への長さ（ｌ）、折返し数（ｎ）、ピッチ間隔（ｐ）等は任意に設定することができる。例えば、ヒータの断面形状は、真円状、楕円状、矩形状等の任意の形状とすることができる。真円状の場合の径、矩形状の場合のアスペクト比も任意の値に設定することが可能である。また、この混合九十九折りヒータ６１のヘッド軸方向長さ（ｌ）は、固定バネ体３７のヘッド軸方向長さ（Ｌ）よりも小さくなるように設定される。
　樹脂熔融型造形ヘッド６０は、図１５に示すように、ヘッド本体２８の外側に順に、絶縁シート３２、混合九十九折りヒータ６１、絶縁シート３６を用意し、ヘッド本体２８の外周に絶縁シート３２を被覆した後、混合九十九折りヒータ６１をその外周に沿って配置する。さらに、その表面に絶縁シート３６を被覆した後、内径（ｄ）がヘッド本体２８の外径（Ｄ）よりも小さな固定バネ体３７を用意し、その内径（ｄ）をヘッド本体２８の外径（Ｄ）よりも拡張した状態で、絶縁シート３６が被覆されたヘッド本体２８に被せる。これによって、混合九十九折りヒータ６１は、固定バネ体３７により中心に向かった弾性力で付勢され、支持される。
　本実施の形態に係る樹脂熔融型造形ヘッド６０では、ヘッド本体２８の外周に、絶縁シート３２を介して、混合九十九折りヒータ６１を設けているので、使用の度に加熱が繰り返されても、ヒータが絶縁シート３２の表面に沿って伸長するため、絶縁シート３２との界面に隙間が生じにくい。しかも、その外側に配置されている固定バネ体３７によって加圧されているため、ヒータが伸長する際に隙間が生じることが防止される。
　以上のことにより、従来の螺旋状ヒータとは異なり、熱によるストレスが溜まりにくく、ヒータが破損しにくくなる。
　従って、本実施の形態によれば、ヘッドの全体を均一に加熱できるとともにヒータが破損しにくい樹脂熔融型造形ヘッド及びこのヘッドを用いた三次元造形装置を提供することが可能になる。
［その他の実施の形態］
　以上、各種実施の形態を説明したが、これらの実施の形態において、例えば以下のような変形、置換、追加等が可能である。
（１）上記実施の形態では、ヘッド本体２８とヒータとの間、ヒータと固定バネ体３７との間にそれぞれ絶縁シート３２、３６を介在させたが、ヒータの表面が絶縁被覆されたものを用いれば、ヘッド本体２８や固定バネ体３７とショートする虞もないため、絶縁シート３２、３６の片方又は両方を省略することもできる。
（２）上記実施の形態では、ヘッドを加熱するヒータとして縦、横及び混合九十九折りヒータの例を示したが、図１６に示すように、ヘッド本体２８の外周に絶縁シート３２を介してヒータを多数の波型に形成したものを多重に巻き付けた波型ヒータ７１を用い、さらにその外周に絶縁シート３６を介して固定バネ体３７を設けても良い。
（３）また、図１７に示すように、波型ヒータ７１を用いる代わりに、スリット８１を入れて伸びに対する余裕度を持たせたバンド状（帯状）ヒータ６３を用いて加熱する構造としても良い。　
（４）上記実施の形態では、絶縁シート３２、３６の固定に接着剤を用いない例を示したが、片方又は双方の固定に際して適宜接着剤を使用しても良い。
（５）上記実施の形態では、ヘッド本体の軸方向全体に渡って内径が同一の固定バネ体３７を用いてヒータを付勢して支持したが、図１８に示すように、中央部の内径が最も小さくなるような螺旋状バネ体９０を用いても良い。この場合、螺旋状バネ体９０を構成するバネ４５の中央部の内径ｄ１、端部の内径をｄ２、ヘッド本体２８の外径をＤとすると、ｄ１＜ｄ２＜Ｄの関係を満たすように設定される。また、バネ４５として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３１又はインコネル(Inconel（Ｒ）)等の高耐熱の弾性体を用いても良い。
（６）上記実施の形態では、バネ形状として図１９（ａ）に示すように、螺旋構造を有する固定バネ体３７ａを用いたが、他の構造であっても良いことは言うまでもない。例えば、図１９（ｂ）に示すように、九十九折り構造を有する固定バネ体３７ｂを用いることもできる。九十九折り構造を有する固定バネ体３７ｂも螺旋構造を有する固定バネ体３７ａと同様に、バネの自然径（内径）をｄとすると、ヘッド本体２８の外径Ｄよりも小さく設定され、その内径ｄをヘッド本体２８の外径Ｄよりも拡張した状態で、絶縁シート３６が被覆されたヘッド本体２８に被せることによって組み立てられる。
（７）以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１・・・基礎テーブル、１１・・・フレーム、１２・・・ＸＹステージ、１３・・・造形ステージ、１４・・・昇降テーブル、１５・・・ガイドシャフト、２１・・・枠体、２２・・・Ｘガイドレール、２３・・・Ｙガイドレール、２４・・・リール、２５・・・樹脂熔融型造形ヘッド（造形ヘッド）、Ｈ・・・造形ヘッドホルダ、２８・・・ヘッド本体、２９・・・吐出部、３０・・・造形ヘッド、３１・・・縦方向九十九折りヒータ、３２・・・絶縁シート、３３・・・ヒータ、３４、３５・・・ローラ、３６・・・絶縁シート、３７・・・固定バネ体、３７ａ・・・螺旋構造を有する固定バネ体、３７ｂ・・・九十九折り構造を有する固定バネ体、３８・・・樹脂保持部、３９・・・カートリッジヒータ、４０・・・造形ヘッド、４１・・・ヘッド本体、４２・・・温度センサ、４３・・・フィラメント、４５・・・バネ体、４６・・・ヘッド本体、４７・・・絶縁シート、４８・・・螺旋状ヒータ、５０・・・樹脂熔融型造形ヘッド、５１・・・横方向九十九折りヒータ、５２・・・九十九折り部、５２ａ・・・折返し点、５３・・・九十九折り部、５３ａ・・・折返し点、６０・・・樹脂熔融型造形ヘッド、６１・・・混合九十九折りヒータ、６１ａ・・・横方向九十九折り部、６１ｂ・・・縦方向九十九折り部、６３・・・バンド状（帯状）ヒータ、７０・・・樹脂熔融型造形ヘッド、７１・・・波型ヒータ、８０・・・樹脂熔融型造形ヘッド、８１・・・スリット、９０・・・螺旋状バネ体、１００・・・３Ｄプリンタ、２００・・・コンピュータ、３００・・・ドライバ、３０１・・・ＣＰＵ、３０２・・・フィラメント送り装置、３０４・・・電流スイッチ、３０６・・・モータドライバ、３０７・・・インタフェース。

Claims (14)

  1. 　造形物の材料となる樹脂を保持する保持部及び該保持部と連通して形成され前記樹脂が熔融状態で吐出される吐出部を有するヘッド本体と、
    　前記ヘッドの外周に配置されたヒータと、
    　前記ヒータの外周に配置され、前記ヘッド本体の中心方向に付勢した状態で取り付けられた弾性体と
    　を備えることを特徴とする樹脂熔融型造形ヘッド。
  2. 　前記弾性体の前記ヘッド本体の軸方向の長さは、前記ヒータの前記軸方向の長さよりも大きい、請求項１記載の樹脂溶融型造形ヘッド。
  3. 　前記ヒータは九十九折りヒータであることを特徴とする請求項１記載の樹脂熔融型造形ヘッド。
  4. 　前記九十九折りヒータは、前記ヘッド本体の軸方向に所定の長さだけ延び、周方向に所定の間隙を開け反対方向に折り返すことを繰り返したことを特徴とする請求項３記載の樹脂熔融型造形ヘッド。
  5. 　前記九十九折りヒータは、前記ヘッド本体の周方向に所定の長さだけ延び、軸方向に所定の間隙を開け反対方向に折り返すことを繰り返したことを特徴とする請求項３記載の樹脂熔融型造形ヘッド。
  6. 　前記九十九折りヒータは、複数の九十九折り部を備え、
    　前記周方向で隣接する２つの九十九折り部は、その折り返し部の前記軸方向の位置が互いに異なる、請求項５記載の樹脂溶融型造形ヘッド。
  7. 　前記弾性体は、固定バネ体であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂熔融型造形ヘッド。
  8. 　前記固定バネ体は、らせん状の固定バネ体である、請求項７記載の樹脂溶融型造形ヘッド。
  9. 　造形物が形成される造形ステージと、
    　前記造形ステージに対し前記造形物を形成するための熔融樹脂を吐出する樹脂熔融型造形ヘッドと
    　を備え、
    　前記樹脂熔融型造形ヘッドは、
    　造形物の材料となる樹脂を保持する保持部及び該保持部と連通して形成され前記樹脂が熔融状態で吐出される吐出部を有するヘッド本体と、
    　前記ヘッドの外周に配置されたヒータと、
    　前記ヒータの外周に配置され、前記ヘッド本体の中心方向に付勢した状態で取り付けられた弾性体と
    　を備えることを特徴とする三次元造形装置。
  10. 　前記ヒータは九十九折りヒータであることを特徴とする請求項９記載の三次元造形装置。
  11. 　前記九十九折りヒータは、前記ヘッド本体の軸方向に所定の長さだけ延び、周方向に所定の間隙を開け反対方向に折り返すことを繰り返したことを特徴とする請求項１０記載の三次元造形装置。
  12. 　前記九十九折りヒータは、前記ヘッド本体の周方向に所定の長さだけ延び、軸方向に所定の間隙を開け反対方向に折り返すことを繰り返したことを特徴とする請求項１０記載の三次元造形装置。
  13. 　前記九十九折りヒータは、複数の九十九折り部を備え、
    　前記周方向で隣接する２つの九十九折り部は、その折り返し部の前記軸方向の位置が互いに異なる、請求項１２記載の三次元造形装置。
  14. 　前記弾性体は、固定バネ体であることを特徴とする請求項９に記載の三次元造形装置。
     
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