JP2005349583A - 部材成形装置及び部材成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層体の削減代を少なく設定することが可能な部材成形装置を提供する。
【解決手段】部材成形装置１は、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１を作業テーブル２０に対して相対移動させながら、当該押出ヘッド１１から作業テーブル２０上に流動化した成形材料Ｓを押し出し、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体となるように成形材料Ｓを積層して固化させた後に、当該成形材料Ｓから削減代ＴをＮＣ加工機により削減することにより部材Ｕを成形する装置であり、前記積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面３１ａが形成された一対の簡易型３１と、当該一対の簡易型３１を相互に接近及び離遠させることが可能なエアシリンダ３２と、を有する押圧機３０をさらに備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動化された成形材料を押し出し、積層して固化した後に当該成形材料を削減することにより部材を成形する部材成形装置及び部材成形方法に関する。

既存設備を有効に活用して安価で容易な部材の成形を実現したものとして、流動化した成形材料を押出機から作業テーブル上に押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時に当該部材の外形に近似する容積の積層体となるように成形材料を積層し固化させた後に、当該成形材料をＮＣ工作機の加工ヘッドにより切削加工等を行って削減することにより前記部材を成形する部材成形装置が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような部材成形装置では、高温で溶融している成形材料を積層するので、当該積層された成形材料に垂れが生じたり、冷却後の成形材料に予測困難な収縮が発生したりする。そのため、成形材料を積層する際に、部材の最終目的形状を確保するために、上記のような垂れや収縮を考慮して、部材に対する積層体の削除代が多く（１０〜２０ｍｍ程度）設定されている。

しかしながら、部材に対する積層体の削除代を多く設定すると、押出・積層工程の次工程である削減工程での加工時間が長くなると共に、その削除代の分だけ成形材料が無駄になる。
国際公開第９７／２４２１７号パンフレット

本発明は、部材に対する積層体の削減代を少なく設定することが可能な部材成形装置及び部材成形方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、流動化した成形材料を押し出し可能な押出手段と、前記押出手段より押し出された前記成形材料を受ける作業テーブルと、固化した前記成形材料を削減可能な削減手段と、を少なくとも備え、前記押出手段を前記作業テーブルに対して相対移動させながら、流動化した前記成形材料を前記押出手段から前記作業テーブル上に押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体となるように前記成形材料を積層して固化させた後に、当該成形材料を前記削減手段により削減することにより前記部材を成形する部材成形装置であって、前記作業テーブル上に押し出された前記成形材料を、前記積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面により押圧可能な押圧手段をさらに備えた部材成形装置が提供される。

また、上記目的を達成するために、本発明によれば、流動化した成形材料を移動させながら押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体となるように前記成形材料を積層して固化させた後に、当該成形材料を削減することにより前記部材を成形する部材成形方法であって、所定量の前記成形材料を押出した後に、当該押し出された成形材料を、前記積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面で押圧する押圧ステップと、当該押圧を解除した後に、再度、所定量の前記成形材料を押し出す押出ステップと、を交互に繰り返して、前記成形材料を積層する部材成形方法が提供される。

本発明では、所定量の成形材料が押出手段から作業テーブル上に押し出される毎に、押圧手段が、当該押し出された成形材料を、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面により押圧する動作を行って成形材料を積層する。

このように、積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面で成形材料を押圧することにより、積層体により近似した形状で成形材料を積層することが出来るので、部材に対する積層体の削除代を少なく設定することが可能となる。これにより、削減工程の加工時間を短縮出来ると共に、成形材料の無駄を少なくすることが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る部材成形装置の樹脂押出機及び作業テーブルを示す概略図、図２は本発明の実施形態に係る部材成形装置のＮＣ加工機及び作業テーブルを示す概略図、図３（Ａ）は本発明の実施形態に係る部材成形方法により積層された成形材料を示す図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す成形材料を削除した最終目的形状である部材を示す図である。

本発明の実施形態に係る部材成形装置１は、図１及び図２に示すように、溶融した成形材料Ｓを押し出し可能な押出ヘッド１１を有する樹脂押出機１０（押出手段）と、押出ヘッド１１より押し出された成形材料Ｓを受ける作業テーブル２０と、当該作業テーブル２０上で固化した成形材料Ｓを削減可能なＮＣ加工機４０（削減手段）と、を備えており、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１を作業テーブル２０に対して相対移動させながら、当該押出ヘッド１１から作業テーブル２０上に流動化した成形材料Ｓを押し出し、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体となるように成形材料Ｓを積層して固化させた後に、図３（Ａ）に示す積層された成形材料Ｓから削減代ＴをＮＣ加工機４０により削減することにより、図３（Ｂ）に示す部材Ｕを成形する装置である。

この部材成形装置１に用いられる成形材料としては、例えば、ＡＢＳ樹脂材料等の熱可塑性合成樹脂材料を例示することが出来る。また、本実施形態では、説明の便宜のため、部材成形装置１により成形される部材Ｕを、図３（Ｂ）に示すような円錐状の外形形状の部材としているが、本発明においては特にこれに限定されず、例えば、自動車に用いられるインテークマニホールドやシリンダカバーヘッド等の車輌用部品を例示することが出来、本実施形態に係る部材成形装置１は、当該車輌用部品の試作品の製作のみならず多品種少量生産に適用することも可能である。

この部材成形装置１の樹脂押出機１０は、図１に示すように、溶融した成形材料Ｓを押し出し可能な押出ヘッド１１と、この押出ヘッド１１を支持する架台１８と、を備えている。この架台１８は、特に図示しないアクチュエータにより、作業テーブル２０に対して実質的に平行な平面方向（図１におけるＸ−Ｙ平面方向）、及び、当該作業テーブル２０に対して実質的に直交する方向（図１におけるＺ軸方向）に、押出ヘッド１１を移動させることが可能となっている。

この樹脂押出機１０の押出ヘッド１１は、成形材料が投入されるホッパ１２と、当該投入された成形材料を溶融（流動化）させる加熱シリンダ１３と、当該加熱シリンダ１３内に回転可能に配置され、溶融した成形材料Ｓを押し出すスクリュ１４と、当該スクリュ１４により押し出される成形材料Ｓを作業テーブル２０に向かって吐出するノズル１５と、ベルト１７を介してスクリュ１４に回転力を供給するモータ１６と、を有しており、ホッパ１２から供給された成形材料を加熱シリンダ１３内で溶融し、当該溶融した成形材料Ｓをスクリュ１４の回転によりノズル１５から作業テーブル２０上に押し出すことが可能となっている。

架台１８に支持された押出ヘッド１１の下方には、押出ヘッド１１のノズル１５から溶融した成形材料Ｓが押し出されて積層されるプレート状の作業テーブル２０が設けられている。この作業テーブル２０は、特に図示しないアクチュエータにより、樹脂押出機１０の作業領域と、後述するＮＣ加工機４０の作業領域との間を、Ｘ軸方向に往復移動可能に設けられている。

また、本実施形態に係る樹脂押出装置１では、この押出ヘッド１１の下方に位置する作業プレート２０を間に挟むように対向して配置された一対の簡易型３１と、当該一対の簡易型３１を相互に接近及び離遠させることが可能なエアシリンダ３２と、を有する押圧機３０が設けられている。

この押圧機３０の一対の簡易型３１は、例えば、エポキシ系樹脂材料を主成分とした造型材等から構成されており、当該一対の簡易型３１には、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面３１ａがそれぞれ形成されている。なお、本実施形態に係る部材成形方法では成形材料Ｓを積層した後に削減工程が存在するため、各簡易型３１の押圧面３１ａには、例えば射出成形用金型のキャビティのような高精度な形状は要求されない。

この一対の簡易型３１は、エアシリンダ３２のピストンロッド３２ａの先端にそれぞれ支持されており、エアシリンダ３２がピストンロッド３２ａを伸長させると、各簡易型３１にそれぞれ形成された押圧面３１ａにより、作業テーブル２０上に押し出された成形材料Ｓを両側方から包み込むように押圧することが可能となっている。

部材成形装置１のＮＣ加工機４０は、図２に示すように、固化した成形材料Ｓに対して例えば切削加工や孔加工等の所定の加工を行うエンドミルやドリル等の工具４２を有する加工ヘッド４１と、この加工ヘッド４１を支持する架台４３と、を備えている。このＮＣ加工機４０の架台４３は、上述の樹脂押出機１０が備える架台１８と同様に、特に図示しないアクチュエータにより、作業テーブル２０に対して実質的に平行な平面方向（図２におけるＸ−Ｙ平面方向）、及び、当該作業テーブル２０に対して実質的に直交する方向（図２におけるＺ軸方向）に、加工ヘッド４１を移動させることが可能となっている。このＮＣ加工機４０は、特に図示しないが、上述の樹脂押出機１０のＸ軸方向（図１及び図２参照）側方に併設されており、Ｘ軸方向に移動可能に設けられた作業テーブル２０が、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１の下方、及び、ＮＣ加工機４０の加工ヘッド４１の下方に位置することが可能となっている。

次に本実施形態に係る部材成形方法について説明する。

図４（Ａ）〜（Ｇ）は本発明の実施形態に係る部材成形方法を示す模式図であり、図４（Ａ）は第１層目の成形材料を押し出している状態を示す図、図４（Ｂ）は当該第１層目の成形材料を押圧している状態を示す図、図４（Ｃ）は第２層目の成形材料を押し出している状態を示す図、図４（Ｄ）は当該第２層目の成形材料を押圧している状態を示す図、図４（Ｅ）は第３層目の成形材料を押し出している状態を示す図、図４（Ｆ）は当該第３層目の成形材料を押圧している状態を示す図、図４（Ｇ）は成形材料の積層が完了した状態を示す図である。

先ず、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１の下方に作業テーブル２０が位置した状態で、押出ヘッド１１のホッパ１２に成形材料が供給されると、当該成形材料は加熱シリンダ１３で加熱されて溶融した後、スクリュ１４の回転により押し出されてノズル１５から作業テーブル２０に向かって吐出される。この状態において、図４（Ａ）に示すように、押圧機３０のエアシリンダ３２のピストンロッド３２ａが十分に縮んでいると共に、押出ヘッド１１が作業テーブル２０に対して十分に接近している。

樹脂押出機１０による成形材料Ｓの押出が開始されたら、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体の外形に従った制御データに基づいて、架台１８が押出ヘッド１１を作業テーブル２０に対して走査させ、同図に示すように、作業テーブル２０上に成形材料Ｓの第１層目を形成する。

当該第１層目が形成されると、図４（Ｂ）に示すように、押出ヘッド１１からの押出を一旦停止させると共に当該押出ヘッド１１が作業テーブル２０から離遠した後、押圧機３０のエアシリンダ３２が駆動してピストンロッド３２ａが伸長し、作業テーブル２０上の第１層目の成形材料Ｓを一対の簡易型３１が両側方から挟み込んで押圧する。

この第１層目の押圧が終了すると、図４（Ｃ）に示すように、押圧機３０のエアシリンダ３２が駆動してピストンロッド３２ａが縮んで、作業テーブル２０上の成形材料Ｓから一対の簡易型３１が離遠した後、架台１８が押出ヘッド１１を第１層目の成形材料Ｓに対して接近させ、当該押出ヘッド１１からの押出を再開し、前記制御データに基づいて走査し、作業テーブル２０上に成形材料Ｓの第２層目を形成する。

当該第２層目が形成されると、図４（Ｄ）に示すように、押出ヘッド１１からの押出を一旦停止させると共に当該押出ヘッド１１が作業テーブル２０から離遠した後、押圧機３０の簡易型３１により第２層目の成形材料Ｓを押圧する。

この第２層目の押圧が終了すると、第２層目と同様の要領により、図４（Ｅ）に示すように、簡易型３１が離遠した後に、押出ヘッド１１により作業テーブル２０上に成形材料Ｓの第３層目を形成する。この第３層目が形成されたら、図４（Ｆ）に示すように、押出ヘッド１１が押出を停止すると共に離遠した後に、押圧機３０の簡易型３１により第３層目の成形材料Ｓを押圧する。

以上のような、押出ヘッド１１による成形材料Ｓの押出と、簡易型３１による成形材料Ｓの押圧とを交互に繰り返し、図４（Ｅ）に示すように成形材料Ｓの積層が完了したら、作業テーブル２０が樹脂押出機１０の作業領域からＮＣ加工機４０の作業領域に移動し、当該作業テーブル２０上に積層された成形材料Ｓが加工ヘッド４１の下方に位置する。

ＮＣ加工機４０は、積層された成形材料Ｓが十分に固化したら、成形しようとする部材Ｕの外形に従った加工データに基づいて、図３（Ａ）に示す削除代Ｔを工具３２で切削加工等により削減し、積層された成形材料Ｓを図４（Ｂ）に示す部材Ｕに成形する。因みに、押圧せずに積層した場合に１０〜２０ｍｍ程度の削減代を必要としていたものと同様の構成の部材を、本実施形態に係る部材成形方法に従って押出と押圧とを交互に繰り返して積層したら削除代が３〜５ｍｍ程度に減少した。

以上のように本実施形態に係る部材成形装置１及び部材成形方法では、所定量の成形材料Ｓが樹脂押出機１０から作業テーブル２０上に押し出される毎に、押圧機３０が、当該押し出された成形材料Ｓを、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面３１ａにより押圧する動作を行って成形材料Ｓを積層する。このように、積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面３１ａで成形材料Ｓを押圧することにより、積層体により近い形状で成形材料Ｓを積層することが出来るので、積層体の部材Ｕに対する削除代Ｔを少なく設定することが可能となる。これにより、削減工程におけるＮＣ加工機４０の加工時間を短縮出来ると共に、成形材料Ｓの無駄を少なくすることが出来る。

また、本実施形態に係る部材成形装置１及び部材成形方法では、積層中の成形材料Ｓを押圧面３１ａで押圧することにより、当該成形材料Ｓに対して圧力が印加されるので、積層された成形材料Ｓの垂れを防止することが可能になると共に、積層された成形材料Ｓ内にボイド（空隙）が形成されるのを抑制することが可能となる。

従来の部材成形装置では、積層される成形材料Ｓの外形を規制する手段がないため、例えば多品種少量生産等により同一物を複数個成形した場合に、成形材料Ｓの固化後の外形にバラツキが生じる。そのため、削減工程でこのバラツキを考慮して加工を行う必要があり、結果として削減工程における加工時間の長期化を招来することとなる。これに対し、本実施形態に係る部材成形装置１及び部材成形方法では、押圧面３１ａで成形材料Ｓを押圧することにより、積層された成形材料Ｓの外形が規制されるので、当該成形材料Ｓの固化後の外形のバラツキを抑制することが可能となり、削減工程における加工時間の長期化を防止することが出来る。特にこの効果は、成形材料Ｓの積層数が増加するに従って顕著となる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、本実施形態に係る部材成形装置１では、架台１８により押出ヘッド１１を移動可能に樹脂押出機１０を構成することにより、押出手段を作業テーブルに対して相対移動させるように説明したが、本発明では特にこれに限定されず、例えば、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１を固定すると共に作業テーブル２０をＸＹＺ方向に移動可能に構成することにより、押出手段を作業テーブルに対して相対移動させても良い。

図１は、本発明の実施形態に係る部材成形装置の樹脂押出機及び作業テーブルを示す概略図である。 図２は、本発明の実施形態に係る部材成形装置のＮＣ加工機及び作業テーブルを示す概略図である。 図３（Ａ）は、本発明の実施形態に係る部材成形方法により積層された成形材料を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す成形材料を削除した最終目的形状である部材を示す図である。 図４（Ａ）〜（Ｇ）は、本発明の実施形態に係る部材成形方法を示す模式図であり、図４（Ａ）は第１層目の成形材料を押し出している状態を示す図、図４（Ｂ）は当該第１層目の成形材料を押圧している状態を示す図、図４（Ｃ）は第２層目の成形材料を押し出している状態を示す図、図４（Ｄ）は当該第２層目の成形材料を押圧している状態を示す図、図４（Ｅ）は第３層目の成形材料を押し出している状態を示す図、図４（Ｆ）は当該第３層目の成形材料を押圧している状態を示す図、図４（Ｇ）は成形材料の積層が完了した状態を示す図である。

符号の説明

１…部材成形装置
１０…樹脂押出機
１１…押出ヘッド
１２…ホッパ
１３…加熱シリンダ
１４…スクリュ
１５…ノズル
１６…モータ
１７…ベルト
１８…架台
２０…作業テーブル
３０…押圧機
３１…簡易型
３１ａ…押圧面
３２…エアシリンダ
３２ａ…ピストンロッド
４０…ＮＣ加工機
４１…加工ヘッド
４２…工具
４３…架台
Ｓ…成形材料
Ｔ…削除代
Ｕ…部材

Claims (4)

1. 流動化した成形材料を押し出し可能な押出手段と、
   前記押出手段より押し出された前記成形材料を受ける作業テーブルと、
   固化した前記成形材料を削減可能な削減手段と、を少なくとも備え、
   前記押出手段を前記作業テーブルに対して相対移動させながら、流動化した前記成形材料を前記押出手段から前記作業テーブル上に押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体となるように前記成形材料を積層して固化させた後に、当該成形材料を前記削減手段により削減することにより前記部材を成形する部材成形装置であって、
   前記作業テーブル上に押し出された前記成形材料を、前記積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面により押圧可能な押圧手段をさらに備えた部材成形装置。
2. 前記押圧手段は、前記押圧面が形成された簡易型を有し、
   前記簡易型は、合成樹脂材料を含む材料から構成されている請求項１記載の部材成形装置。
3. 前記押圧手段は、前記作業テーブル上に押し出された前記成形材料に対して前記押圧面を接近及び離遠させることが可能な移動手段を有する請求項１又は２記載の部材成形装置。
4. 流動化した成形材料を移動させながら押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の積層体となるように前記成形材料を積層して固化させた後に、当該成形材料を削減することにより前記部材を成形する部材成形方法であって、
   所定量の前記成形材料を押出した後に、当該押し出された成形材料を、前記積層体の外形に対応した形状を持つ押圧面で押圧する押圧ステップと、
   当該押圧を解除した後に、再度、所定量の前記成形材料を押し出す押出ステップと、を交互に繰り返して、前記成形材料を積層する部材成形方法。

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