(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し当該導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給するバレル部、前記バレル部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、該融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、
前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、
を備えた３次元プリンタ用のホットエンドであって、
前記バレル部は、前記通路が露出する開口部を有し、
前記フィラメント送り回転部材は、前記開口部に一部が入り込んで設置されて前記フィラメントを前記下流側へ送り出せるようにされ、
前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする３次元プリンタ用のホットエンド。
【請求項２】
造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し当該導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給するバレル部、前記バレル部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、該融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、
前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り回転部材、該フィラメント送り回転部材と対向して配置されることで当該フィラメント送り回転部材との間で前記フィラメントを挟持する押しつけ回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、
を備えた３次元プリンタ用のホットエンドであって、
前記バレル部は、前記通路が露出する一対の開口部を有し、該一対の開口部は対向するように設けられ、
前記フィラメント送り回転部材は、前記一対の開口部のうち一方の開口部に一部が入り込んで設置され、前記押しつけ回転部材は、他方の開口部に一部が入り込んで配置されており、
前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする３次元プリンタ用のホットエンド。
【請求項３】
請求項１または２に記載のホットエンドを搭載していることを特徴とする３次元プリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱融解積層方式（ＦＦＦ方式、又は、ＦＤＭ方式）の３次元造形装置（３次元プリンタ）用のホットエンド、及びホットエンドを搭載した３次元プリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータを利用して３次元プリンタにより立体造形物を製造することが盛んに行われている。このような立体造形物を製造する造形装置として、フィラメント（フィラメント状の造形材料）を、フィラメントを融解させるためのヒーターを備えたヘッドに送り込み、融解した造形材料を積層することで造形物を形成する、熱融解積層方式の３次元プリンタが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示されている造形装置では、フィラメントリールとヘッドとの間に、フィラメントに接触するギア（回転部材）を有するモーター（エクストルーダ）が配置され、フィラメントリールから導き出されたフィラメントは、モーターの回転によってヘッドに向かって送り出される。ヘッドに送り込まれたフィラメントは、造形材であるフィラメントを加熱するヒーターから与えられる熱によって融解され、融解したフィラメントはヘッド先端に設けられたノズルの吐出口から造形ステージに向けて押し出される。ヘッドは造形ステージに対して２方向に相対的に移動しながら吐出を行い、造形ステージに融解したフィラメントを堆積させる。
【０００３】
このような３次元プリンタにおいては、造形動作における融解した造形材料の吐出速度は、フィラメントがヘッドに送り込まれる速度によって、すなわちモーターの回転速度によって制御される。モーターの回転速度は制御部から与えられる回転駆動信号によって、所望の回転速度となるように制御される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−８９９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１に示されているような３次元プリンタでは、エクストルーダ（フィラメントをヘッドに送り込むギア、ギアを回転させるモーター、モーターの駆動をギアに伝達する軸部材など）はヘッドから、フィラメントの上流側の離れた位置に配置されているため、ヘッドの移動に伴って、エクストルーダとヘッドとの間のフィラメントに、撓みや捻じれなどが生じ、フィラメントをヘッドへ正確な速度で送り込み難い状況が生じ得ると考えられる。このような状況は正確な造形動作の支障となり、製造される造形物の不良をもたらすと考えられる。また、ヘッドとエクストルーダとが別体として取付けられるために、造形時の駆動部分が大型化してしまっていた。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、フィラメントの送り込み動作によって、正確に造形材料の吐出を制御し得る、信頼性の高いホットエンド、及びホットエンドを搭載した３次元プリンタ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】
【０００７】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、吐出ヘッドとフィラメント送り機構（エクストルーダ）とを一体化して設けることにより、フィラメントの送り速度の制御によって、融解した造形材料を正確に吐出させることができ、造形物を精度よく製造し得ることを見出した。特に、吐出ヘッドの通路内に導入されたフィラメントを、当該通路内でフィラメント送り回転部材（ギア、ローラなど）により送り出すようにすることで、つまりホットエンドにエクストルーダを搭載したことで、装置の小型化を図ることができるとともに、融解部又は吐出口に比較的近い位置でフィラメントを送り込む（押し込む）ようにしたことで、フィラメントの送り込み速度、融解した造形材料の吐出量の制御をより正確に行い得ることを見出した。
【０００８】
すなわち本発明は、造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し当該導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給するバレル部、前記バレル部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、該融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、前記吐出ヘッドの上端部及び前記駆動部を支持するホルダー部と、を備えた３次元プリンタ用のホットエンドであって、
前記バレル部は、前記通路が露出する開口部を有し、前記フィラメント送り回転部材は、前記開口部に一部が入り込んで設置されて前記フィラメントを前記下流側へ送り出せるようにされていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し当該導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給するバレル部、前記バレル部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、該融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り回転部材、該フィラメント送り回転部材と対向して配置されることで当該フィラメント送り回転部材との間で前記フィラメントを挟持する押しつけ回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、前記吐出ヘッドの上端部及び前記駆動部を支持するホルダー部と、を備えた３次元プリンタ用のホットエンドであって、前記バレル部は、前記通路が露出する一対の開口部を有し、該一対の開口部は対向するように設けられ、前記フィラメント送り回転部材は、前記一対の開口部のうち一方の開口部に一部が入り込んで設置され、前記押しつけ回転部材は、他方の開口部に一部が入り込んで配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の３次元プリンタ用のホットエンドは、造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し当該導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給するバレル部、前記バレル部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、該融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、を備えた３次元プリンタ用のホットエンドであって、前記バレル部は、前記通路が露出する開口部を有し、前記フィラメント送り回転部材は、前記開口部に一部が入り込んで設置されて前記フィラメントを前記下流側へ送り出せるようにされ、前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の３次元プリンタ用のホットエンドは、造形材料であるフィラメントを導入するための導入口を有し当該導入口から導入された前記フィラメントを下流側へ供給するバレル部、前記バレル部から供給された前記フィラメントを加熱融解する前記下流側の融解部、該融解部で融解された前記フィラメントを吐出する吐出口を有する吐出部、及び前記導入口から前記吐出口へと連通する通路、を備える吐出ヘッドと、前記フィラメントを前記下流側へ送り出すためのフィラメント送り回転部材、該フィラメント送り回転部材と対向して配置されることで当該フィラメント送り回転部材との間で前記フィラメントを挟持する押しつけ回転部材、及び該フィラメント送り回転部材を駆動する駆動部、を備えるフィラメント送り機構と、を備えた３次元プリンタ用のホットエンドであって、前記バレル部は、前記通路が露出する一対の開口部を有し、該一対の開口部は対向するように設けられ、前記フィラメント送り回転部材は、前記一対の開口部のうち一方の開口部に一部が入り込んで設置され、前記押しつけ回転部材は、他方の開口部に一部が入り込んで配置されており、前記フィラメント送り回転部材により前記フィラメントを前記バレル部から前記融解部へ送り出したことによって、前記融解部で融解した前記フィラメントが前記通路内を当該融解部から前記バレル部側へ逆流するのを防止するためのリング状の逆流防止部材が前記通路内に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の３次元プリンタは上述のホットエンドを搭載していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、吐出ヘッドの融解部の上流側のバレル部に形成された開口部に、フィラメント送り機構のフィラメント送り回転部材を配置するようにしたので、装置の小型化を図ることができる。また、融解部又は吐出口に比較的近い位置でフィラメントを送り込む（押し込む）ことができるので、フィラメントの送り込み速度、融解した造形材料の吐出量の制御をより正確に行うことができる。その結果、フィラメント送り機構によるフィラメント送り動作の制御により、融解した造形材料の吐出動作を正確に制御できる、造形不良が少なく信頼性の高い３次元プリンタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態のホットエンドの一例の一部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態のホットエンドに用いられる吐出ヘッドの（Ａ）正面図、及び（Ｂ）底面図である。
【図３】図１に示されるホットエンドの側面図である。
【図４】本発明の一実施形態のホットエンドの別の例の側面図である。
【図５】本発明の一実施形態のホットエンドのさらに別の例の一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照しながら本発明の一実施形態の３次元造形装置（３次元プリンタ）用のホットエンドを説明する。図１は、本発明の一実施形態の一例であるホットエンド１の一部断面図である。ホットエンド１は、バレル部１０、融解部２０、吐出部３０を備える吐出ヘッド１００を有している。バレル部１０は、フィラメント状の造形材料である、固体の状態のフィラメント３ａを吐出ヘッド１００内に導入する導入口１１を有している。バレル部１０のフィラメント下流側（導入口１１と反対側）に設けられる融解部２０は、固体の状態のフィラメント３ａを加熱して、融解した状態のフィラメント３ｂに変化させる。融解部２０の下流側に設けられている吐出部３０の先端には、融解した状態のフィラメント３ｂを吐出する吐出口３１が設けられている。吐出ヘッド１００の内部には、導入口１１から吐出口３１までを連通する、通路１２が形成されている。
【００１６】
吐出ヘッド１００のバレル部１０の導入口１１が設けられているフィラメント上流側の先端の上端部には、吐出ヘッド１００とフィラメント送り機構４０とを支持し、ホットエンド１が取り付けられる３次元プリンタとの連結部分ともなり得る、ホルダー部Ａが取り付けられている。ホルダー部Ａはバレル部１０に嵌合して吐出ヘッド１００に接続されている。
【００１７】
バレル部１０の通路１２を画定する周壁には開口部１０ａが形成されている。バレル部１０に形成されている開口部１０ａには、フィラメント送り機構４０を構成するフィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２の一部が入り込み、フィラメント３ａに当接している。図示の例では、通路１２を挟んで対向して一対設けられている開口部１０ａ、１０ａの一方には送りローラ４１の、もう一方には押しつけローラ４２の、それぞれの一部が開口部１０ａ内に入り込み、フィラメント３ａを挟んで当接している。バレル部１０に形成される開口部１０ａは、バレル部１０の断面積を小さくしてその熱抵抗を高くし得る。バレル部１０は融解部２０から導入口１１への伝熱を抑制する断熱部として機能する。
【００１８】
ホットエンド１の融解部２０には加熱手段（加熱ヘッド）６０が取り付けられている。加熱手段６０から与えられる熱によって、融解部２０における通路１２内のフィラメントは融解され、バレル部１０と融解部２０との境界部下流側において固体と液体の混合した状態のフィラメント３ｃを経て、融解した状態のフィラメント３ｂに変化する。図１に示される例では２つの加熱手段６０が吐出ヘッド１００の融解部２０を挟むように設けられている。
【００１９】
加熱手段６０としては、例えば、絶縁基板上に厚膜抵抗体層を形成した加熱ヘッド、ヒートブロックなど公知のものを広く使用することができるが、応答性やサイズの点において加熱ヘッドを用いるのが好ましい。図示されている例の加熱手段（加熱ヘッド）６０は、例えば矩形板状のアルミナ又はジルコニアなどのセラミック基板（絶縁基板）６１と、絶縁基板６１の表面に形成された帯状の発熱抵抗体６２と、を有する。図１の例では、発熱抵抗体６２の絶縁基板６１と反対側には別の絶縁基板６３が設けられている。
【００２０】
吐出ヘッド１００に加熱ヘッド６０が取付けられた状態では、加熱ヘッド６０は、その絶縁基板６１側を吐出ヘッド１００の融解部２０の平面部に、例えば銀系の厚膜ペーストを接合材料として塗布、焼成して、接合されている。なお、図１の例では、吐出ヘッド１００を挟んで２つの加熱ヘッド６０が取り付けられているが、例えば、吐出ヘッド１００の融解部２０が四角柱状で４つの平面部を有する場合には、その全ての平面に加熱ヘッド６０が設けられて、ホットエンド１が４つの加熱ヘッド６０を備える構成としてもよい。加熱ヘッド６０が小型のものである場合には、１つの平面部における長さ方向に、複数の加熱ヘッド６０を設けることも可能である。
【００２１】
加熱ヘッド６０は発熱抵抗体６２に印加される電圧により融解部２０の温度を所望の温度に加熱する。融解部２０の温度は、例えば発熱抵抗体６２の抵抗値変化に基づいて検出され得る。別途センサなどの温度監視手段が設けられ融解部２０の温度が検出されてもよい。検出された融解部２０の温度に応じて発熱抵抗体６２に印加される電圧が調整され、造形物を形成する造形動作の最中には、融解部２０における通路１２内における温度分布が、造形材料が融解した状態で安定するように温度が制御される。加熱ヘッド６０の構成によって融解部２０が温度勾配を持つように加熱してもよい。例えば、融解部２０のフィラメント上流側の加熱温度が、融解部２０のフィラメント下流側の加熱温度よりも低くなるように発熱抵抗体６２を構成することで、バレル部１０への伝熱量を抑制し通路１２内での造形材料の詰まりの原因となり得る、バレル部１０における通路１２内でのフィラメントの軟化、融解を抑制し得る。
【００２２】
加熱手段６０と導入口１１との間の通路１２内、ここではバレル部１０の下端部の通路１２内には、加熱手段６０により融解部２０で融解された造形材料がバレル部１０側（導入口１１側）に逆流するのを防止する、逆流防止部材５０が配置されている。図１に示される例において逆流防止部材５０は、通路１２の内部の融解部２０の造形材料が供給される入口（バレル部１０と融解部２０の境界部）に設けられた段部２１の上面に接して設けられる。逆流防止部材５０は、逆流防止部材５０よりも大きい内径を有する環状の固定部材（抜け止め部材）５１と段部２１とによって挟まれるようにして固定されている。
【００２３】
通路１２の径は、融解部２０の入口において、バレル部１０側よりも融解部２０側で小さくなるように形成されている。この通路１２の径が変化する段差の部分（段部２１）に当接して逆流防止部材５０は配置され、融解部２０の通路１２内に入り込まないようにされている。逆流防止部材５０は、抜け止め部材５１と通路１２の段部２１とで挟まれるようにして固定されているが、抜け止め部材５１は設けられずに、逆流防止部材５０が通路１２内に圧入されることで固定されてもよい。
【００２４】
図１に示される例では、逆流防止部材５０は、フィラメントの長さ方向における一部の周縁を取り囲んで接して保持し得るリング状に形成されている。逆流防止部材５０は、その内径がフィラメントの線径の公差内の変動に追従し密着して保持した状態が維持され得る弾性を有する材料で形成されるのが好ましい。逆流防止部材５０に使用される材料は、フィラメントが融解する温度に対する耐熱性を有することが好ましく、一例として超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金が使用され得る。超弾性合金であるＮｉ−Ｔｉ系合金はその超弾性により８％程度の回復ひずみを有しており、フィラメントの径の変動に対して充分に追従し得る。また、耐熱性の弾性を有する樹脂が用いられてもよく、例えば３００℃近くの高温でもゴムとしての物性を保ち得るパーフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）が使用され得る。更に、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持った超弾塑性型合金も用いられ得る。超弾塑性合金は、室温で９９．９％以上の冷間加工が可能である超塑性的性質から成形がきわめて容易であり、加工性も優れていることから好ましい。超弾塑性型合金の一例としては、β型チタン合金に属する、豊通マテリアル（株）製「ゴムメタル」（登録商標）が挙げられる。
【００２５】
逆流防止部材５０の形状は、その内側が固体の状態のフィラメントに密着して保持し得るリング状に形成されている。ここでリング状とは、フィラメントの外周を取り囲んで保持し得る、例えば、螺旋状、コイル状、コイルばね状、管状、筒状、ワッシャ状（平ワッシャ状、皿ワッシャ状、丸ワッシャ状）、オーリング状、テーパ付管状などを含む広義の意味である。螺旋状、コイル状又はコイルばね状の逆流防止部材５０が用いられる場合にはコイルの巻き数は例えば２〜３周にされるのが好ましい。図１に示される例では、通路１２内にはひとつの逆流防止部材５０が設けられているが、複数個の逆流防止部材５０が設けられてもよい。すなわち、複数個のリング状の部材が重ねられて通路１２内に配置され得る。
【００２６】
図１に示されるホットエンド１に使用される吐出ヘッド１００の、加熱手段６０が取り付けられる面の側から見た正面図が図２（Ａ）に示され、吐出口３１側から見た底面図が図２（Ｂ）に示される。吐出ヘッド１００は、バレル部１０、融解部２０、及び吐出部３０が、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン、チタン合金、セラミックスのいずれかを用いて一体的に形成されているものであってよい。吐出ヘッド１００は独立した部材を組み合わせて形成されたものでもよく、各部材の間のいずれか或いはすべてに他の部材が介在してもよい。独立した部材を組み合わせて吐出ヘッド１００を形成する場合には、融解部２０及び吐出部３０に使用される部材の材料の熱伝導率がバレル部１０に使用される部材の材料の熱伝導率より高いことが、導入口１１側への伝熱を抑制しつつ加熱手段６０の熱を効果的に造形材料の融解に利用する観点から好ましい。また、バレル部１０と融解部２０（及び吐出部３０）とを別部材とする場合には、バレル部１０と融解部２０との間に逆流防止部材５０を挟み込んで配置することができる。
【００２７】
図２に示される吐出ヘッド１００は、例えば円柱状の金属棒を切削加工してなるものである。吐出ヘッド１００の図２（Ａ）に図示される部分の全長は例えば３３ｍｍである。吐出ヘッド１００は、例えば６４チタン（チタンにアルミニウム６質量％、バナジウム４質量％を混ぜた合金）を用いて形成される。図示の例では、バレル部１０は直径が例えば３ｍｍの円柱形状（円筒形状）とされ、その長さは例えば１７．５ｍｍとされる。バレル部１０の中心部には、直径が例えば２．３ｍｍの通路１２が形成されている。バレル部１０は、融解部２０よりも熱抵抗が大きくなるように形成されている。バレル部１０の周壁には、バレル部１０の断面積を小さくしてその熱抵抗を高くし得る、例えば長さ６ｍｍ、幅１．８ｍｍの開口部１０ａが、通路１２に対向して一対で形成されている。開口部１０ａは、吐出ヘッド１００の長さ方向及び／又は幅方向に１つ又は複数設けてもよく、そのサイズは適宜決定され得る。この開口部１０ａの幅、長さ、及び数は、バレル部１０の剛性を保ちながら熱抵抗を高くすることを考慮しつつ、開口部１０ａ内に入り込むフィラメント送り機構４０の送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２の配置やサイズとの兼ね合いで適宜決定され得る。
【００２８】
図示の例では、融解部２０は、角部がＣ面に形成された、例えば一辺３．２ｍｍの矩形の断面形状を有する四角柱状に形成され、その長さは例えば１２．５ｍｍである。四角柱状の融解部２０の４つの側面（平面部）のそれぞれには、加熱手段６０が取り付けられ得る。融解部２０に取り付けられる加熱手段６０のサイズ、数、位置などに応じて、融解部２０は四角柱以外の角柱状（例えば三角柱状、又は五角柱状）に形成されてもよい。融解部２０の中心には、直径が例えば１．８ｍｍの通路１２が、バレル部１０の通路１２と連通して形成されている。上述したように、融解部２０における通路１２の径は、バレル部１０における通路１２の径よりも小さく形成されており、通路径が変化する融解部２０とバレル部１０との境目には逆流防止部材５０を固定し得る段部２１が形成されている。すなわち、融解部２０における通路１２の周壁の厚さより、バレル部１０における通路１２の周壁の厚さが、薄く形成されている。なお、融解部２０の４つの側面には、その内部の造形材料をより効率的に加熱して融解させるために、通路１２を露出させる開口が形成されてもよい。加熱手段６０が開口を塞ぐように取り付けられることで、造形材料が加熱手段６０により直接加熱されることとなり、より効率的に造形材料の融解がなされ得る。
【００２９】
吐出部３０は、例えば長さ３ｍｍの略円錐状とされ、融解部２０から吐出部３０の先端部（吐出口３１）側に向けて先細る形状を有している。吐出部３０は融解部２０との境界においては例えば直径３ｍｍに形成され、吐出口３１が形成されている先端部では、例えば直径１．５ｍｍに形成され、吐出口３１は例えば直径０．４ｍｍに形成される。なお、上述した吐出ヘッド１００の各部及び通路１２のサイズは、フィラメントのサイズなどに応じて適宜変更され得る。
【００３０】
次いで、図１及び図２を参照して、フィラメント送り機構４０について詳述する。図３には、図１に示されるホットエンド１を、送りローラ４１が設けられている側、すなわち図１における紙面右側から見た側面図が示されている。ホットエンド１に備えられるフィラメント送り機構４０は、フィラメント送りローラ４１及び押し付けローラ４２を有している。フィラメント送りローラ４１と押しつけローラ４２とは、その外周においてフィラメント３ａと接触するように配置されている。フィラメント送り機構４０は、フィラメント送りローラ４１の回転によって所定の速度でフィラメント３ａを融解部２０へと送り込むように構成されている。フィラメント送りローラ４１には、回転力を発生させる動力源である駆動部４３から、駆動軸４１ａを通じて回転力が与えられる。送りローラ４１の回転速度の制御により、融解部２０へ送り込まれるフィラメントの速度が制御され、それによって吐出口３１から吐出される造形材料３ｂの吐出速度が制御される。
【００３１】
押しつけローラ４２は、フィラメント送りローラ４１に対向する位置に、フィラメント送りローラ４１とともにフィラメント３ａを挟むように配置され、フィラメント３ａを、送りローラ４１に付勢する。押しつけローラ４２は独立した駆動源を有しておらず、送りローラ４１の回転によるフィラメント３ａが融解部２０に押し込まれる動きに応じて受動的に回転する。その結果、図１において矢印で示すように、フィラメント送りローラ４１とは反対方向に回転する。押しつけローラ４２は、例えば、バネ及びガイドを介してホルダー部Ａに取付けられることで、フィラメント送りローラ４１に付勢され押し付けられ得る。
【００３２】
図３に示される例では、フィラメント送り機構４０の駆動部４３は、ホットエンド１のホルダー部Ａの一方に張り出した部分の下側に支持され、バレル部１０の付近に配置されている。駆動部４３は、例えば、パルス信号によって回転動作を制御することができるステッピングモーター（パルスモーター）である。駆動部４３がステッピングモーターである場合には、予め定められた造形プログラムに従って、造形材料の吐出を制御する駆動パルス信号が駆動パルス発生回路（図示せず）によって生成され、モーターコイル電流を供給するドライバ（図示せず）に入力される。駆動パルス信号に基づいてドライバから与えられる電流により、ステッピングモーターは回転し、その回転力は駆動軸４１ａを介してフィラメント送りローラ４１へと伝わり、フィラメント３ａを融解部２０へと送り込む。
【００３３】
図示の例では、駆動軸４１ａはフィラメント送りローラ４１の回転軸と一致しており、駆動軸４１ａの回転方向とフィラメント送りローラ４１の回転方向とが一致し、駆動軸４１ａの回転速度がそのままフィラメント送りローラ４１の回転速度となる構成とされている。しかし、駆動部４３によって与えられる駆動軸４１ａの回転速度を減じて、フィラメント送りローラ４１に伝えるために、別のさらなるローラ（回転部材）を介して、駆動部４３から駆動軸４１ａに与えられる回転をフィラメント送りローラ４１に伝えてもよい。例えば、送りローラ４１の外周に、フィラメント送りローラ４１よりも小型の（径の小さい）回転部材を接するように設け、駆動軸４１ａからこの小型の回転部材に直接回転を伝達し、この小型の回転部材の回転によって、フィラメント送りローラ４１が回転する構成としてもよい。また、フィラメント送りローラ４１を内歯歯車状に形成し、駆動軸４１ａには、内歯歯車状のフィラメント送りローラ４１の内側に配され、フィラメント送りローラ４１に駆動軸４１ａから与えられる回転を伝達する外歯歯車状の回転部材が取り付けられる構成としてもよい。
【００３４】
駆動部４３は、図示の例においては、ホットエンド１の長さ方向と垂直に張り出すホルダー部Ａに支持され、フィラメント送り機構４０と吐出ヘッド１００とは一体化されてホットエンド１を構成している。しかし、ホットエンド１はその長さ方向と垂直方向にサイズが広がると好ましくない場合がある。造形動作においてホットエンド１が移動する際に、造形ステージ上の造形材料を吐出することができる領域が制限され、造形に支障を来たす場合がある。このようなことを考慮して、フィラメント送り機構４０の駆動部４３は、図４に示されるように、駆動軸４１ａをホットエンドの長さ方向に向けて、ホルダー部Ａの上部に取り付けられてもよい。この場合、駆動軸４１ａの回転を、送りローラ４１に伝達するために、駆動軸４１ａと、駆動軸４１ｂとの間に、かさ歯車、ねじ歯車、又はウォームギアなどが設けられ得る。図示の例では、駆動軸４１ａの回転は、かさ歯車を介して駆動軸４１ｂに伝達されるように構成されている。
【００３５】
フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２の、フィラメント３ａに接する外周の表面には、フィラメント送りローラ４１の回転をフィラメント３ａに確実に伝えるために、フィラメント３ａの表面との摩擦力を高めるための適切な表面処理が施され得る。フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２の、フィラメント３ａに接する外周の形状は、歯車状の凹凸が形成されたもの（ギア）であってよい。例えば、凸部の先端（歯先）が鋭利に形成され、フィラメント３ａを確実に押し出すようにされていてもよい。
【００３６】
フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２のサイズは、バレル部１０の開口部１０ａに入り込み、フィラメント３ａに接し得るサイズとされる。バレル部の径が３ｍｍ、通路１２の径が２．３ｍｍ、フィラメントの径が１．７５ｍｍ、開口１０ａの幅が１．８ｍｍ、開口１０ａの長さが６ｍｍの場合には、フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２は、例えば、直径５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍに形成され得る。フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２は異なるサイズに形成されてもよい。
【００３７】
フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２は、フィラメント３ａに当接することによってフィラメント３ａを冷却する機能も有する。すなわち、融解部２０から伝わる熱によるフィラメント３ａの軟化（融解）を防ぎ、通路１２内でのフィラメントの詰まりを予防し得る。従って、フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２は、熱伝導率の高い材質を用いて形成されることが好ましく、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属材料が用いられ得る。熱伝導率の高いセラミック、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどが用いられてもよく、高熱伝導率を有する樹脂材料が用いられてもよい。
【００３８】
フィラメント送り機構４０が融解部２０の直上に設けられてホットエンド１に一体化され、フィラメント送りローラ４１、及び、押しつけローラ４２が、吐出ヘッド１００のバレル部１０に設けられる開口部１０ａ内に入り込んでいることによって、フィラメント送り機構４０と吐出ヘッド１００との間でのフィラメントの撓みや捻じれなどが発し難く、予め定められた造形プログラムに従って、フィラメントを正確に融解部２０へと送り込むことが可能となる。すなわち、吐出口３１からの造形材料の吐出速度を正確に制御し得る。剛性が低く柔軟なフィラメントを用いて造形を行う場合であっても、フィラメントの撓みや捻じれなどが抑制され、良好に造形物を製造することができる。
【００３９】
フィラメント送り機構４０は、押しつけローラ４２を含まず、フィラメント送りローラ４１のみの構成とされてもよい。フィラメント送り機構４０がフィラメント送りローラ４１のみの構成とされた場合の例が図５に示される。図５に示されるホットエンド１ａにおいては、図１に示されるホットエンド１と異なり、バレル部１０の開口部１０ａは通路１２の一方にのみ形成され、この開口部１０ａ内にフィラメント３ａに当接するように、フィラメント送りローラ４１が入り込んでいる。フィラメント３ａはフィラメント送りローラ４１によって通路１２の周壁に押しつけられるように付勢される。フィラメント送り機構４０のローラが、フィラメント送りローラ４１のみの構成とされていることによって、ホットエンド１ａは小型化され得る。
【００４０】
図１に示されるホットエンド１及び図５に示されるホットエンド１ａは、吐出ヘッド１００の外周に取り付けられる金属部材（金属ブロック）７１とケース部材（カバー部材）７２とを備えている。金属部材７１、及び、ケース部材７２は、比較的、熱容量が大きく、熱伝導率の高いアルミニウム、ステンレスなどの金属材料を用いて形成される。金属部材７１は、上部に鍔状に拡がる部分を有する、略円筒形の部材であり、その中央には吐出ヘッド１００の外形に適合した貫通孔が設けられている。この貫通孔に吐出ヘッド１００が挿通され、金属部材７１は、吐出ヘッド１００の逆流防止部材５０が配置されている領域の外周に接して取り付けられる。金属部材７１の側面には取付用孔７１ａが形成されている。金属部材７１はこの取付用孔７１ａに挿通される押しネジなどの固定手段によって、吐出ヘッド１００に固定される。また、金属部材７１を固定するに際して、吐出ヘッド１００の融解部２０の上方のバレル部１０との境界の外周の一部に下側が僅かに張り出す段部２２が設けられ、金属部材７１は、吐出ヘッド１００の上端の供給口１１側から嵌入され、その下端部が段部２２の上面に当接するようにして位置決めされる。なお、金属部材７１の吐出ヘッド１００に対する取り付け位置は、吐出ヘッド１００の長さ方向に沿って移動可能とされている。
【００４１】
金属部材７１が吐出ヘッド１００の逆流防止部材５０が設けられている領域付近に取り付けられることにより、吐出ヘッド１００の融解部２０とバレル部１０との境界付近の熱容量が増大し、当該領域における温度は上昇しがたくなる。また、金属部材７１の特に鍔状の部分など表面積が大きくなることで放熱効果が得られる。従って、フィラメントを溶解するために加熱手段６０から吐出ヘッド１００の融解部２０に加えられる下流側の熱を、上流側のバレル部１０に伝わるのを抑制でき、バレル部１０の導入口１１にかけて適切な温度にすることができる。フィラメントの固体の部分と溶融状態の部分との境目が逆流防止部材５０の配置されている領域にまでシフトして、逆流防止部材５０が保持している部分のフィラメントが融解し、逆流防止部材５０によるフィラメントの逆流防止の機能が損われる虞が抑制される。すなわち、金属部材７１は、バレル部１０におけるフィラメントが固体である状態をより確実に維持することを可能にする、放熱部として機能する。
【００４２】
ケース部材７２は略円筒形の形状を有しており、その上部が金属部材７１の外周と嵌合するように取り付けられ、固定される。ケース部材７２の上部には、切込み（溝部）７２ａが形成されており、上述の金属部材７１の側面に形成されている取付用孔７１ａと当該溝部７２ａの位置を一致させ、押しネジなどの固定手段を溝部７２ａ及び取付用孔７１ａに挿通することによって、ケース部材７２と金属部材７１とが一体的に吐出ヘッド１００に固定される。ケース部材７２は、吐出ヘッド１００の加熱手段６０が取り付けられた融解部２０の周囲全体をカバーしている。金属部材７１と嵌合されている側と反対側（吐出部３０側）には、吐出口３１を突出させる孔７２ｂが設けられている。
【００４３】
ケース部材７２は、吐出ヘッド１００から金属部材７１に伝達した熱を、融解部２０側に還流させて再利用する機能を有する。金属部材７１に加えてカバー部材７２が設けられていることにより、融解部２０の入口付近から吐出部３０にかけての所定幅の領域の温度分布（温度勾配）を、フィラメントの種類に応じて、通路１２の詰まりが生じ難く安定した温度分布とすることができる。また、ケース部材７２の表面による放熱効果も期待でき、フィラメントを融解するために加熱手段６０から吐出ヘッド１００の融解部２０に加えられる下流側の熱を、上流側のバレル部１０に伝わるのを更に抑制でき、バレル部１０の導入口１１にかけてより適切な温度にすることができる。すなわち、金属部材７１に加えてケース部材７２が取り付けられている場合には、ケース部材７２も放熱部として機能し得る。ケース部材７２と、ケース部材７２がカバーする吐出ヘッド１００との間の空間には、ガラス繊維などの耐熱性の絶縁材料が充填されてもよい。なお、ケース部材７２の上部に形成されている溝部７２ａは縦方向に所定の長さを有しているため、ケース部材７２の金属部材７１に対する取り付け位置を縦方向に移動させることが可能である。すなわち、ケース部材７２が被覆する範囲は、金属部材７１及びケース部材７２の吐出ヘッド１００に対する取り付け位置によって、任意に調整され得る。
【００４４】
上述の吐出ヘッド１００は、全体として長さ３３ｍｍ程度とされ、ホルダー部Ａ、フィラメント送り機構４０、金属部材７１、加熱手段６０、及びケース部材７２が一体化されたホットエンド１、１ａとしても、現存のホットエンドと比較して小型である。また、吐出ヘッド１００を６４チタン合金で形成する場合には、小型と相俟って極めて軽量化されている。よって、ホットエンド１、１ａを２次元又は３次元に移動させて造形を行うようにした場合であっても、駆動エネルギーの省力化ができる。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明において、フィラメント送りローラ４１及び押しつけローラ４２は、両方又は一方がギア（歯車）であってもよい。また、駆動部４３としてステッピングモーターを用いた例を示したが、これに代えてリニアアクチュエータを用いることで、より小型化を図ることができる。例えば、リニアアクチュエータを用いて、ウォームギアのウォーム（回転軸）を駆動し、フィラメント送り回転部材に相当するウォームホイルを回転させることでフィラメントを送るようにすることができる。このようにリニアアクチュエータ（駆動部）とウォームギア（回転部材）とを用いることにより、ホットエンドの幅を小さくしてエクストルーダを搭載することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１ａ          ホットエンド
３ａ              固体の状態のフィラメント
３ｂ              融解した状態のフィラメント
３ｃ              固体と液体の混合した状態のフィラメント
Ａ                ホルダー部
１０              バレル部（断熱部）
１０ａ            開口部
１１              導入口
１２              通路
２０              融解部
２１、２２        段部
３０              吐出部
３１              吐出口
４０              フィラメント送り機構
４１              フィラメント送りローラ
４１ａ、４１ｂ    駆動軸
４２              押しつけローラ
４３              駆動部
５０              逆流防止部材
５１              抜け止め部材
６０              加熱手段（加熱ヘッド）
６１、６３        絶縁基板
６２              発熱抵抗体
７１              金属部材
７１ａ            取付用孔
７２              ケース部材
７２ａ            溝部
７２ｂ            孔
１００            吐出ヘッド
【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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