(57)【要約】【課題】材料押出型の３Dプリンターにおいて、特に２つ以上の材料射出ノズルを備える場合に問題となる、アイドル中のノズルから液状の材料が垂れる現象を、なるべく軽量かつ少ない部品構成で防止する方法の提供。【解決手段】４点の部品で構成され、ねじによる脱着が可能で平易に交換可能であり、内部にパッシブな機械式開閉弁を備え、材料の圧送機構によって液状材料が加圧されているときのみ、射出口から液状材料が射出される材料射出ノズル。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネジによる脱着が可能な材料押出型の３Dプリンターの材料射出ノズルであって、その内部に材料を射出する向きに軸が平行なシリンダーと、該シリンダーに圧縮された状態で格納されるバネと、該バネと射出口のふちに両端を挟まれ該シリンダー内を摺動できるピストン状の栓と、を備え、該バネの復元する力を受けた該栓が材料の射出口を閉塞するものであって、かつ、その内部に圧送される液状の材料の、該栓に及ぼす力が、該バネの復元する力に対向する向きに働くもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料押出型の３Dプリンターの、ツールヘッドの先端部の材料射出ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
材料押出型の3Dプリンターは、オフィス、家庭や店舗などの環境でも利用でき、家電量販店などでも手軽に求めることができるようになってきている３Dプリンターである。該３Dプリンターは、NCプログラムによって電気的に制御されたツールヘッドの材料射出ノズルが、典型的には溶融した樹脂などの液状の材料を射出しながら、輪切りにした３Dモデルの層をプラットフォーム上に順次描画して積み重ね、机上の３Dモデルを現実の空間に再現するものである。  該３Dプリンターのうち、単一の素材を取り扱うものは、オーバーハング（描画する際、下に支えとなる足場がない部分をオーバーハングという）を造形する際、サポート材と呼ばれる低密度な足場をその下部に作る。造形完了後、それを剥がすことで、３Dモデルの再現が完了する。しかし、当然ながら、同じ素材で造形されたサポート材は、造形物本体にくっつきやすい。つまり、剥離が難しくかったり、剥離の際に本体も傷がついたり、入り組んだ形状の場合、そもそも剥離ができなかったりする。そこで、材料を射出する圧送機構と、ノズルとを複数装備した、多素材射出型の該３Dプリンターが実用化されている（特許文献１）。ノズルを二本以上備えることで、親和性の低い異素材や、水溶性材料をサポート材として利用することで、サポート材の剥離が平易になる。さらに、異色材料による多色刷りをしたり、造形物を異なる物性や質感をもつ材料の複合物にできたりと、ほかにも様々な便益が発生する。
【０００３】
材料押出型の３Dプリンターにおいて、材料に使われる物質の中には、溶融状態の粘度や表面張力が非常に低いものがある。こういった材料は、材料の圧送機構による圧力がかかっていない状態で、かつノズルの先端の開口部の直径が小さい場合（たとえば、0.4ｍｍ以下）であっても、ノズルから垂れることが多々ある。したがって、多素材射出型の該３Dプリンターを設計、運用する際、単純にそのツールヘッドに二本以上の材料射出ノズルを同一水平面上に備える場合、使っていないアイドル中のノズルから液状の材料が垂れ、それが造形物に付着し、ワークが荒れてしまうことが多々ある（なお２本以上のノズルから材料を同時に射出し、造形するものは目下、見られない）。あるいは、材料が漏れ出たことにより、アイドル中だったノズルが後に再始動する時に、材料の射出不足が発生し、造形物に欠陥が発生することも多々ある。
【０００４】
そのため、アイドル中のノズルから材料が垂れることを防止する対策が取られている。たとえば、特許文献２には、アクチュエータとニードルバルブを実装した射出ノズルを含むツールヘッドが公開されており、加熱されたアイドル中のノズルから材料が垂れることへの対策がされていることがわかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2000-280354号公報
【特許文献２】欧州公開特許EP2772347 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に見られるような複雑な機構を備える３Dプリンターのツールヘッドは、材料が垂れることを防止する機構を備えないより単純なツールヘッドと比べれば、重量や部品点数は増えることは自明である。重たいツールヘッドは造形の精度や速度に悪影響を与えるため、好ましくない。さらに、部品点数が増えれば、物の原価は一般的に高くなることも自明であり、好ましくない。したがって、可能な限りの部品点数の削減、軽量化、設計の単純化が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、鋭意検討した結果、液状の材料が射出される射出口の内側に、材料を圧送する機構が圧送を行っているときのみ開放される機械式開閉弁の設計を見出し、これを射出ノズルに装備することで、殆どその重量の増加を伴うことなく、材料が射出ノズルから垂れる問題を解決することに成功した。以下に、この機械式開閉弁が閉まるメカニズムと、開くメカニズムを説明する。なお、直感的に分かり易いであろう図として、図９に本発明に材料が圧送され該機械式弁が開いて材料が射出されているときと、材料が圧送されず弁が閉まっている時のイメージを左右に並べて示した。同図の黒い塗りつぶし部は、材料が充填された空間を示し、白い矢印は、材料の流れを示す。
【０００８】
まず、弁が閉まり、ノズルの流路が閉塞されるメカニズムを細説する。本発明は図１に示すような  バレル（１）、バネ（２）、栓（３）、袋ナット型ノズル（４）と命名した4つの部品で構成される。袋ナット型ノズルは、概ね袋ナットに液状材料を射出するための穴を空けたようなものであるため、そう命名している（必ずしも袋ナットである必要はない）。バレルは袋ナット型ノズルの雌ねじに合う規格の寸切ボルトを素形材とし、図４、図６から見て取れるように、その軸の周りに溶融した材料が通り抜けるための貫通穴（７）を好ましくは複数有し（１０）、さらに図２から見て取れるように、材料の入り口側に材料の溶融ゾーン（５）が、材料射出口に近い側の底には、バネと栓を収めるシリンダー（６）が空けられる。バネと栓はその順にシリンダー（６）に格納され、その上から袋ナット型ノズルを締め込むことで、組立が完了する。栓はピストンのようにシリンダーの内部を上下に摺動することができる。図３のように、組立が終わった状態のとき、バネはシリンダー内部で圧縮され、栓は射出口のふちとバネの間に挟まれた状態となるため、材料が射出される流路は閉塞される。つまり、材料が圧送されない限り、弁は閉まっている。この閉塞状態のときの圧縮されたバネの復元しようとする力は、実用的には0.3Nから3N程度である。この力が小さすぎれば圧送機構が生ずる残圧で弁が不用意に開いてしまう恐れがあり、大きすぎればノズルが開きにくくなり、望む材料の流量が得にくくなる恐れがある。
【０００９】
弁が開き、ノズルの流路が開放されるメカニズムを細説する。栓（３）と袋ナット型ノズル（４）の接触部の拡大図を図５に示す。栓は図５の（９）に示す通り、ノズル先端側が面取りされていることに留意されたし（面取りがないと弁が開かない）。３Dプリンターの材料の圧送機構は、本発明の上部の溶融ゾーン（５）に材料を圧送する。材料は、溶融ゾーン（５）と、貫通穴（７）と、残りのノズル内の空間を充填する。さらに圧送を続けると、ノズルの内部で充填された液状の材料の圧力が上昇し、パスカルの原理からも自明であるが、栓はノズル先端部側の面取り部からも圧力を受ける。バネと栓とを挿入したシリンダーには、組立時に封入された空気が閉じ込められているため、あるところまでノズル内の液状材料を昇圧すると、栓の面取り部に作用する力  ＞（空気から栓の上部に作用する力＋圧縮バネの復元する力）となる。この結果、栓は（材料が下向きに射出されるとしたときの）上向きに動かされ、流路に液状の材料が流れ込み、ノズル先端の開口部（８）から液状の材料が射出される。材料の圧送をやめ、液状の材料にかかっている圧力が下げれば、シリンダー内のバネの復元力と空気圧によりただちに弁は閉まり、材料の射出は遮断される。弁が開く仕組みは、液状の材料より空気の方が、圧力をかけた際に体積がより小さくなり易いことを利用している。つまり、シリンダー内の密閉された空気が漏れ、液状材料と完全に交換されてしまった場合、本発明は機能しなくなる。しかし、空気は材料より軽いため、重力が図中で下向きに作用している限り、空気がシリンダーと栓の隙間から漏れ出ることは考えなくてよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、材料押出型の３Dプリンターが最初から備える材料の圧送機構のみで弁の開閉を制御できる。つまり、実装する上では、弁を開閉する動力、配線、ソフトウェア、電源などの一連の制御機構の追加を必要としない。また、部品の点数も４点しかない。ゆえに、本発明を既存の材料押出型の3Dプリンターの射出ノズルとして装着するだけで、重量の増加も殆どなく、アイドル中のノズルの射出口から材料が垂れる問題をきわめて簡単に解決できる。これにより、材料を複数用いる３Dプリントの時間の短縮、精度の向上、造形物中の欠陥の抑制が可能となり、ひいては３Dプリントの原価の削減が可能になるなど、様々な便益が発生する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施例１の組立前の正面図である。
【図２】図２は、図１の断面図である。
【図３】図３は、図２の組立済のものの正面図である。
【図４】図４は、図２の斜視図である。
【図５】図５は、図３のノズルの先端の、弁が開閉する部分の拡大図である。
【図６】図６は、図１の、樹脂を射出する方向を下としたときの、上からみた図である。
【図７】図７は、本発明を実施していない材料押出型の３Dプリンターの素のノズルと、そのカットモデルを並べた斜視図である。
【図８】図８は、本発明を実施していない一般的な熱溶解積層型の３Dプリンターの、ヒーターブロック・カートリッジヒーター・サーミスタ・素のノズルの組立図である。
【図９】図９は、本発明の動作中の様子のイメージであり、左側のノズルでは材料の圧送と、射出が行われており、右側のノズルではそれらが行われていない。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図７に、本発明にある機械式開閉弁を有さない、素のノズルの一例と、そのカットモデルの図を示した。これは、熱で材料を融かしつつ通過させ、先端の穴から一定の幅で射出するだけのものであり、可動部などは備えない単純な形をしている。既存の材料押出型の３Dプリンターに見られるこのような素のノズルと本発明を換装することで、本発明を実施したものとできる（無論、本発明を最初から備えることもできる）。
【００１３】
図７に記したような素のノズルが、典型的な材料押出型の３Dプリンターにどのように装着されるかを細説する。典型的な材料押出型の３Dプリンターは、図８に見られるような、ヒーターブロック（１４）と呼ばれる部品を備えている。これは材料を溶融させるためのカートリッジヒーター（１１）と、温度のトラッキングをするためのサーミスタ（１２）と、ノズル（１３）とを保持し、かつカートリッジヒーターの熱をノズルに伝導する役割をもっている。このヒーターブロックとノズル（１３）は、ネジで締結されている。
【００１４】
材料押出型の３Dプリンターには小型で精密なものもあれば、建造物サイズのものも存在する。したがって、そのノズルのネジ規格も様々な大きさのものがあるが、本発明は３Dプリンターのサイズに合わせ、幅広いサイズのものが製作可能である。そのノズルのネジ部の規格は最小サイズでM4程度から、大型の機種では例えばM20以上のサイズのものを利用することも可能である。実施例１は、材料押出型の３Dプリンターの一種である、一般的な卓上の熱溶解積層方式の３Dプリンターの例を示しており、そのねじ部はM6規格であるが、当然ながらこれ以外の規格での実施も可能であり、その際の寸法は、利用するねじ規格の有効径に比例する寸法などを適宜とればよい。
【００１５】
材料押出型の３Dプリンターは、プラスチックなどの熱可塑性材料を扱う熱溶解積層型のものが多いが、粘土やゲルなどの液体やコロイドを材料として取り扱うものもあり、本発明はそういった３Dプリンターに実施することも可能である。
【００１６】
本発明の構成部品は、材料への素早い熱伝導を促すため、アルミニウムやその合金、銀、銅やその合金、鉄、鋼、グラファイトなどで作成されることが望ましい。ただし、扱う素材がアブレシブである場合、あるいは腐食性がある場合には、必要に応じチタンやその合金、ステンレス、ニッケルやその合金、クロームやその合金、セラミック、ガラスなどの材料を適宜使用してもよい。材料を加熱しないタイプの材料押出型の３Dプリンターへの実施である場合、各種樹脂材料を用いても問題ない。いずれの材料も耐食性、硬度や耐摩耗性、摺動性を高めるため、表面処理を実施してもよく、例としては、DLCコーティング、フッ素樹脂コーティング、フッ素・ニッケル共析無電解めっき、潤滑アルマイト処理などが挙げられるが、特に限定はされない。
【実施例１】
【００１７】
材料押出型の３Dプリンターの一種である、一般的な卓上の熱溶解積層方式の３Dプリンターのノズルへの本発明の装着例を示す。本発明の形状は図１〜６と相似である。  M6規格の真鍮製の袋ナットと、長さ15mmの M6の真鍮の寸切（棒材にネジをきっただけのもの）と、外径0.96mm・自由高6.2mm  巻数20  バネ定数0.6N/mmのバネと、栓として片側を面取りした直径1mm  長さ8mmの平行ピンとを用意した。寸切の片側の面の芯に直径3.5mm、深さ4mmの穴を空け、その底の芯を中心とした直径2.7mmの正六角形の６つの頂点に、６つの直径0.8mmの貫通穴を空け、さらに反対側の面の芯に、直径1mm、深さ9.5mmの穴を空けたものを用意し、バレル（１）とした。袋ナットの軸に直径0.4mmの射出口をあけ、袋ナット型ノズル（４）を用意した。加工したバレル（１）にあけた直径1mmのシリンダー（６）にバネ、栓を挿入した状態で、袋ナットをその上から締め、本発明の組立を完成した。このように組み立てた本発明品２つを、２射出型の熱溶解積層方式の３Dプリンターの２つのヒーターブロックに装着し、本発明の実施を完了した。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
市販・自作されているほぼ全ての材料押出型、熱溶解積層型の３Dプリンターは、そのノズルをネジで脱着可能としていることが多い。これは、ノズルが材料との摩耗などにより消耗する上、多くのユーザーが異口径のノズルを使い分けたいことによる。したがって、本発明の実施のために専用の３Dプリンターを設計・製作する必要はなく、既に普及した公知の多くの機種に取り付けて性能を向上する部品として販売することができる。
【符号の説明】
【００１９】
1.     バレル（実施例１ではM6）
2.     圧縮バネ
3.     栓
4.     袋ナット型ノズル
5.     溶融ゾーン
6.     シリンダー
7.     貫通穴
8.     開口部
9.     栓の面取り部
10.   貫通穴
11.   カートリッジヒーター
12.   サーミスタ
13.   素のノズル
14.   ヒーターブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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