JP2011020357A - ゲル製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物を精度良く微細に形成する。
【解決手段】第２溶剤Ｌ２へ向けて、第１溶剤Ｌ１をインクジェットヘッド１２により連続して液滴吐出法により吐出しても、第２溶剤Ｌ２が流動しているので、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが反応して生成されるゲルＧが、重なることなく、一つ一つのゲルＧを得ることができる。そして、立体造形回収機構３において、ゲルＧが渦巻き流動されることにより、回収部３１の表面に寄り集まらせ巻き付かせて立体造形物５０を造形させることができる。そして、回収部３１の太さ（外径）を微細に精度良くすることで、立体造形物５０の内径精度を良くすることができる。また、液滴吐出法により微細に吐出される第１溶剤Ｌ１は大きさ（外径）の精度がよいので、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが反応して生成されるゲルＧの大きさ（外径）は微細で精度が良いため、立体造形物５０の外径を微細に精度良くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゲル製造装置に関する。

従来技術として、２種類の溶剤（第１溶剤および第２溶剤）を合わせて、化学反応により、ゲルを生成する方法が知られている。たとえば、ビーカーなどの容器に第２溶剤を入れて、静止状態にした第２溶剤に向けて、第１溶剤をインクジェット法などの液滴吐出法により吐出することで、ゲルを生成している。そして、第１溶剤を吐出するインクジェットヘッドを、ステッピングモーターなどを用いて３次元的に動かしながら、第１溶剤を第２溶剤に向けて吐出することにより、３次元構造の立体造形物を形成する方法が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００８−１２６４５９号公報（１０頁〜１１頁、図１〜図２）

しかしながら、ステッピングモーターの精度、吐出された第１溶剤による第２溶剤の液面の揺れなどの影響を考慮するとともに、インクジェットヘッドの３次元的動作と、第１溶剤の吐出とのタイミングを制御して、立体造形物を精度良く微細に形成することは困難である。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものである。以下の形態または適用例により実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかるゲル製造装置は、第１溶剤と第２溶剤とを反応させゲルを生成するゲル製造装置であって、前記第２溶剤を渦巻き流動させる流動機構と、渦巻き流動されている前記第２溶剤に、前記第１溶剤を液滴吐出法により吐出する吐出機構と、前記流動機構に連通され、前記第２溶剤および前記ゲルが渦巻き流動される立体造形回収機構とを備え、前記立体造形回収機構は、造形部を有し、渦巻き流動される前記ゲルを前記造形部に凝集させることを要旨とする。

これによれば、第２溶剤へ向けて、第１溶剤をインクジェットヘッドにより連続して液滴吐出法により吐出しても、第２溶剤が流動しているため、第１溶剤と第２溶剤とが反応して生成されるゲルが、密着することなく、個々のゲルを得ることができる。そして、立体造形回収機構において、ゲルが渦巻き流動されることにより、回収部の表面に凝集させて立体造形物を造形させることができる。そして、回収部の太さ（外径）を所望の寸法で設置することで、立体造形物の内径を所望の寸法とすることができる。また、第１溶剤と第２溶剤とが反応して生成されるゲルの大きさ（外径）は液滴吐出法により吐出されているため微細で精度が良く、立体造形物の外径も精度良くすることができる。

第１実施形態のゲル製造装置を示す概略側面図。 第１実施形態のゲル製造装置を示す概略平面図。 第１実施形態のゲル製造装置の流動機構を示す概略断面図。 第２実施形態のゲル製造装置を示す概略構成図。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１および図２に示すように、第１実施形態のゲル製造装置１０は、吐出機構１と、２個の流動機構２と、立体造形回収機構３と、吐出計測機構４とを備えている。

ゲル製造装置１０は、流動機構２で流動され、渦巻部２２で渦巻き流動されている第２溶剤Ｌ２に向けて、吐出機構１から第１溶剤Ｌ１を液滴吐出法により微細に吐出させることで、渦巻部２２において、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが化学反応して生成されたゲルＧを得る。具体的には、第１溶剤Ｌ１としてアルギン酸ナトリウム水溶液を用い、第２溶剤Ｌ２として塩化カルシウム水溶液を用いる。アルギン酸ナトリウム水溶液を塩化カルシウム水溶液に向けて吐出させることで、アルギン酸ナトリウムと塩化カルシウムとが化学反応し、アルギン酸ナトリウム水溶液の表面にアルギン酸カルシウムの膜が形成されたゲルＧが生成される。そして、立体造形回収機構３で、複数のゲルＧを凝集させて造形された立体造形物５０を得る。

吐出機構１は、第１溶剤Ｌ１を液滴吐出法により吐出させる。
吐出機構１は、第１溶剤Ｌ１を収納する第１タンク１１と、インクジェットヘッド１２と、第１タンク１１からインクジェットヘッド１２へ第１溶剤Ｌ１を供給させる供給配管１４と、ギャッププレート１６とを備えている。

インクジェットヘッド１２には、ノズル１３が形成されたノズルプレート１３ａが備えられている。ノズル１３は、たとえば直径１００μｍであり、吐出周波数１０Ｈｚ以上でノズル１３から吐出される第１溶剤Ｌ１は、流速１ｍ／ｓとする。
ノズル１３は、インクジェットヘッド１２に１個形成されていると図示したが、これに限るものではなく、複数形成されていてもよい。また、インクジェットヘッド１２は、吐出機構１に１個配置していると図示したが、これに限るものではなく、吐出機構１に複数配置している構成としてもよい。

ギャッププレート１６は、貫通孔１７と溝１８とを備えている。ギャッププレート１６は、たとえば透明なアクリルなどからなる。透明なギャッププレート１６を用いることにより、顕微鏡などを用いて、目視により確認してノズル１３と貫通孔１７との位置合わせを容易にする。貫通孔１７とノズル１３とは連通されるように配置されている。これにより、ノズル１３から吐出される第１溶剤Ｌ１が、貫通孔１７を通り抜ける構成となっている。そして、ギャッププレート１６と、インクジェットヘッド１２とは、接着剤などにより固定されている。

貫通孔１７には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。同様に、ギャッププレート１６には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。ノズル１３と面する側の貫通孔１７の直径は、ノズル１３の直径と同等またはそれ以上とする。そして、貫通孔１７のもう一方側の直径は、ノズル１３と面する側の貫通孔１７の直径と同等またはそれ以上とする。つまり、貫通孔１７は、同一直径または、ノズル１３と面する側からもう一方側へ大きくなるテーパー形状である。このテーパー形状の角度は、９０度から１８０度の範囲で適宜決定される。そして、貫通孔１７の流動部２１側は、Ｒ形状に加工されている。

溝１８は、ギャッププレート１６のインクジェットヘッド１２側に形成されている。そして、貫通孔１７と接続して、四方に延長して形成されている。インクジェットヘッド１２をギャッププレート１６に重ねた状態で、ギャッププレート１６の溝１８は、全てがインクジェットヘッド１２により覆い隠されることなく、少なくとも一部が露出している。そして、溝１８の深さは、ギャッププレート１６の厚みの半分程度である。溝１８には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。

流動機構２は、第２溶剤Ｌ２を流動させる。
流動機構２は、第２溶剤Ｌ２を収納する第２タンク２０と、第２溶剤Ｌ２が流動される流動部２１と、第２溶剤Ｌ２が渦巻き流動される渦巻部２２とを備えている。第２タンク２０は、流動部２１に連通されている。渦巻部２２は、流動部２１と連通されている。第２タンク２０と流動部２１とは、それぞれ２個備えられている。第２タンク２０に収納された第２溶剤Ｌ２は、流動部２１へ流動される。
図３に示すように、流動部２１を流動した第２溶剤Ｌ２は、渦巻部２２において、渦巻き流動される。そして、渦巻部２２において、渦巻き流動されている第２溶剤Ｌ２と、吐出機構１から吐出された第１溶剤Ｌ１とを化学反応させて生成されたゲルＧを得る。

第２タンク２０は、たとえば透明または半透明なポリエチレンなどからなる。流動部２１および渦巻部２２は、たとえば透明なアクリルなどの視認可能な材質からなり、管状に形成され、第２溶剤Ｌ２およびゲルＧの流動状態を目視により確認することができる。

そして、渦巻部２２の一方の開口部２６には、防水ゴムまたはＯリングなどのシール部２７が形成されている。
開口部２６に、吐出機構１のギャッププレート１６が配置されて、流動部２１を流動する第２溶剤Ｌ２が渦巻部２２から流れ出ないように、シール部２７により密閉されている。また、シール部２７は、接着剤などにより、渦巻部２２と吐出機構１のギャッププレート１６とに固定されていてもよい。

渦巻部２２の他方の開口部２８には、たとえば雄ねじ加工が施されている。そして、渦巻部２２と立体造形回収機構３とを着脱可能な構成となっている。

流動部２１とギャッププレート１６との間に、第２溶剤Ｌ２を流動させることにより、ギャッププレート１６の貫通孔１７内部は負圧になるため、溝１８から貫通孔１７へ空気（気体）の流れを生じさせることができる。これにより、第２溶剤Ｌ２が、流動機構２からギャッププレート１６の貫通孔１７へ流入することを防止することができる。さらには、インクジェットヘッド１２のノズル１３から吐出される第１溶剤Ｌ１の吐出速度を維持または補助させる役割をもつこともできる。
また、吐出機構１において、貫通孔１７の流動部２１側は、Ｒ形状に加工されているので、流体に対して抵抗がなくなり、第２溶剤Ｌ２が、ギャッププレート１６の貫通孔１７から、インクジェットヘッド１２のノズル１３へ入り込んでしまうことを抑制するため、第２溶剤Ｌ２によりノズル１３が塞がれることを防ぐ。

インクジェットヘッド１２のノズル１３と、流動機構２により流動される第２溶剤Ｌ２の液面との距離（間隔）を規定するために、ギャッププレート１６の厚みを決定する。本実施形態では、厚みは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下で、適宜決定される。

立体造形回収機構３は、造形部３０と、ワイヤー状または糸状の回収部３１と、ワイヤー固定部３２と、端部３３とを備える。立体造形回収機構３において、複数のゲルＧを凝集させて造形された立体造形物５０を得る。

造形部３０は、たとえば透明なアクリルなど視認可能な材質からなり、管状に形成されている。透明なので、造形部３０において、ゲルＧが凝集されて、立体造形物５０が造形されていく状態を、目視により確認することができる。
造形部３０の一端には、雌ねじ加工が施されている。渦巻部２２の他方の開口部２８の雄ねじに、造形部３０をねじ締めすることにより固定する。これにより、造形部３０と渦巻部２２とは、着脱可能な構成となっている。このようにして、立体造形回収機構３は、渦巻部２２の他方の開口部２８、つまり一方の開口部２６とは異なる側に、配置されている。ここでは、渦巻部２２の他方の開口部２８には、雄ねじ加工が施され、立体造形回収機構３の造形部３０には、雌ねじ加工が施されているとしたが、これに限るものではなく、開口部２８に雌ねじ加工が、立体造形回収機構３に雄ねじ加工が施されて着脱可能な構成としてもよい。また、着脱可能な構成としては、たとえば磁石を用いた構成などを適用してもよい。

ワイヤー固定部３２は、造形部３０の管状内部に配置されている。ワイヤー固定部３２は、たとえばゼムクリップなどのように挟みこみ機構を備えたクリップである。

回収部３１は、たとえばナイロン製からなり、図１（ｂ）に示すように、ワイヤー固定部３２に挟み込まれることにより固定され、図１（ａ）に示すように、吊り下げられている。また、回収部３１は、インクジェットまたはディスペンサーにより、ナイロンなどの樹脂を微細に吐出させることで、微細に製造されるとしてもよい。
回収部３１の表面には、凝集剤がコーティングされている。また、回収部３１を凝集剤で製造されたものでもよい。この凝集剤は、たとえばフィブリノーゲン、デキストラン、およびポリエチレングリコールなどにより構成されている。

端部３３は、回収部３１に設置されている。端部３３は、樹脂または金属などのプレートからなり、流動する第２溶剤Ｌ２との抵抗を少なくするために網目状に形成されている。端部３３は、回収部３１の一方の先端部に設置されると図示したが、これに限るものではなく、図示した位置よりも上方に設置されていてもよい。また、端部３３は、回収部３１により結び目を作ることにより形成されていてもよい。

渦巻部２２において、ゲルＧが第２溶剤Ｌ２とともに渦巻き流動されることにより、立体造形回収機構３において、回収部３１の表面に寄り集まって巻き付き立体造形物５０を造形させる。立体造形回収機構３の造形部３０は視認可能な材質で構成されているので、回収部３１の表面の状態、および造形される立体造形物５０の状態を、目視により確認することができる。また、凝集剤により、ゲルＧが凝集され、効率的な造形を実現させる。その後、立体造形回収機構３を、流動機構２の渦巻部２２から外し、クエン酸やＥＤＴＡ（Ethylenediamine tetraacetic acid：エチレンジアミン四酢酸）などにより、回収部３１または凝集剤を溶かすことにより、立体造形物５０を得る。

吐出計測機構４は、吐出機構１の第１タンク１１の重量を計測する。第１溶剤Ｌ１を収納する第１タンク１１の重量を計測することにより、吐出される前後の重量差から、ノズル１３から吐出される第１溶剤Ｌ１の重さを計測する。

したがって、本実施形態によれば、第２溶剤Ｌ２へ向けて、第１溶剤Ｌ１をインクジェットヘッド１２により連続して液滴吐出法により吐出しても、第２溶剤Ｌ２が流動しているため、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが反応して生成されるゲルＧが、密着することなく、個々のゲルＧを得ることができる。そして、渦巻部２２において、第２溶剤Ｌ２とともにゲルＧが渦巻き流動されるので、立体造形回収機構３においてもゲルＧが渦巻き流動されることにより、回収部３１の表面に寄り集まらせ巻き付かせて立体造形物５０を造形させることができる。そして、回収部３１の太さ（外径）を所望の寸法で設置することで、立体造形物５０の内径を所望の寸法とすることができる。また、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが反応して生成されるゲルＧの大きさ（外径）は液滴吐出法により吐出されているため微細で精度が良く、立体造形物５０の外径も精度良くすることができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、図４を参照して説明する。
第２実施形態のゲル製造装置１０は、図１〜図３に示した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付与し、構成の説明を省略する。
第２実施形態によるゲル製造装置１０が、第１実施形態によるゲル製造装置１０に対して相違する点は、回収部３１がワイヤー固定部３２に固定して立てられている点である。そして、端部３３は設置されない。

図４に示すように、ワイヤー固定部３２が、雄ねじ加工が施されている造形部３０の一端とは反対側に、形成されている。そして、金属製の回収部３１がワイヤー固定部３２に固定されている。ワイヤー固定部３２は、樹脂または金属などのプレートからなり、流動する第２溶剤Ｌ２との抵抗を少なくするために網目状に形成されている。

したがって、本実施形態によれば、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、上記課題の少なくとも一部を解決できる範囲での変形、改良などは前述の実施形態に含まれるものである。

たとえば、前述の実施形態では、渦巻部２２および立体造形回収機構３を通過した第２溶剤Ｌ２を回収する方法については記述を省略したが、第２溶剤Ｌ２を回収する回収タンクを備えていてもよい。また、これに限るものではなく、立体造形回収機構３と連通する溶剤循環部を備え、渦巻部２２、および立体造形回収機構３を通過した第２溶剤Ｌ２を、この溶剤循環部で回収し、その後ポンプにより第２タンク２０へ循環させるとしてもよい。また、溶剤循環部は、渦巻部２２を通過した第２溶剤Ｌ２を第２タンク２０に回収し、ポンプにより流動部２１へ循環させるとしてもよい。そして、第２溶剤Ｌ２を循環させる場合、溶剤循環部、渦巻部２２、および立体造形回収機構３を通過した第２溶剤Ｌ２を濾過するために、立体造形回収機構３と溶剤循環部との間、または溶剤循環部と第２タンク２０との間に、フィルターを備えていてもよい。また、流動部２１にバルブを配置して、流動部２１から渦巻部２２への流速または流量などを制御してもよい。

そして、第２タンク２０と流動部２１とは、それぞれ２個備えているとしたが、これに限るものではなく、１個または３個以上備えていてもよく、流動部２１から流動される第２溶剤Ｌ２が、渦巻部２２において、渦巻き流動されていればいずれでもよい。

また、ゲル製造装置１０は、透明なアクリル、または透明もしくは半透明なポリプロピレンなどからなるとしたが、これに限るものではなく、不透明な材質でもよく、第１溶剤、第２溶剤、および生成されるゲルを変質または化学反応させない材質であれば、ガラスまたは金属などからなるとしてもよい。

さらに、インクジェットヘッド１２を複数備える場合、第１溶剤Ｌ１を収納する第１タンク１１と、第１溶剤Ｌ１以外の別の溶剤を収納する別タンクとを備えて、インクジェットヘッド１２から第１溶剤Ｌ１が吐出され、インクジェットヘッド１２から別の溶剤が吐出される構成にすることができる。この構成にすることで、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが化学反応して生成されたゲルＧと、別の溶剤と第２溶剤Ｌ２とが化学反応して生成された別のゲルとを、凝集させて造形された立体造形物５０を得ることが可能となる。

１…吐出機構、２…流動機構、３…立体造形回収機構、４…吐出計測機構、１０…ゲル製造装置、１１…第１タンク、１２…インクジェットヘッド、１３…ノズル、１３ａ…ノズルプレート、１４…供給配管、１６…ギャッププレート、１７…貫通孔、１８…溝、２０…第２タンク、２１…流動部、２２…渦巻部、２６…開口部、２７…シール部、２８…開口部、３０…造形部、３１…回収部、３２…ワイヤー固定部、３３…端部、５０…立体造形物。

Claims (1)

1. 第１溶剤と第２溶剤とを反応させゲルを生成するゲル製造装置であって、
   前記第２溶剤を渦巻き流動させる流動機構と、
   渦巻き流動されている前記第２溶剤に、前記第１溶剤を液滴吐出法により吐出する吐出機構と、
   前記流動機構に連通され、前記第２溶剤および前記ゲルが渦巻き流動される立体造形回収機構とを備え、
   前記立体造形回収機構は、造形部を有し、
   渦巻き流動される前記ゲルを前記造形部に寄り集まらせ巻き付かせることを特徴とするゲル製造装置。

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