JP2019018440A

JP2019018440A - 未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタ

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Publication number: JP2019018440A
Application number: JP2017138124A
Authority: JP
Inventors: 高宏兼吉; Takahiro Kaneyoshi; 朝博長谷; Tomohiro Hase; 雄介福地; Yusuke Fukuchi; 鶴井　孝文; Takafumi Tsurui; 孝文鶴井; 二三男南山; Fumio Minamiyama; 久美子山崎; Kumiko Yamazaki; 裕之長澤; Hiroyuki Nagasawa
Original assignee: Kobe Mat Testing Laboratory; KOBE MATERIAL TESTING LABORATORY; Hyogo Prefectural Government
Current assignee: Kobe Mat Testing Laboratory; KOBE MATERIAL TESTING LABORATORY; Hyogo Prefectural Government
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-14
Also published as: JP6323823B1

Abstract

【課題】未加硫ゴム組成物を造形原料として三次元造形プリントを行い得る装置を提供すること。【解決手段】スクリュー式押出機内で未加硫ゴム組成物を加硫温度未満に加熱しながら撹拌及び混合し、吐出孔から造形シート上に未加硫ゴム組成物を吐出させる。吐出孔と造形シート又は既に積層された未加硫ゴム組成物の最上層との距離は、吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物の直径未満に保持される。可動式テーブルを水平方向に移動させる際に、スクリュー式押出機のノズル部が造形シート上に配置される未加硫ゴム組成物を押圧しながら移動する。【選択図】図４

Description

本発明は、熱溶解積層法を利用する、未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタに関する。

三次元造形プリンタ（3Dプリンタ）は、コンピューターに入力された3次元(3D)のデータを元に、樹脂等を何層も塗り重ねたり、液状の樹脂を吹きつけてレーザ光線で固めたりして立体的な造形物を作るための装置をいう。造形物をつくりだす仕組みには、プリンターヘッドを水平に動かしながら、樹脂をノズルから噴出又は吐出して立体の断面にあたる層を形成し、固まった層を次々に積層し立体物を造形して方式が主流となっている。層を固める方法には、光によって硬化する性質を有する樹脂に紫外線を照射する方法、熱で柔らかくした樹脂をノズルから押し出し、冷やして固める方法等がある。熱可塑性樹脂であるABS樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）を使用する方法では、使用される樹脂の材質が適合すれば、実際に機能を果たす部品として、造形物をそのまま利用することも可能である。

三次元造形プリンタを利用した造形物の製造方法は、鋳型の製造及び治具の作成が不要であることから、設計段階における試作品のように頻繁に形状を変更して迅速に造形物を作成する場合、又は医療機器のように個々の患者に合わせて形状を変更するような製品の製造等に向いているとされる。

特開２０１５−２３２０５６号公報特開２０１５−１３９９１８号公報特開２０１４−２１８０８８号公報

平成25年度特許出願技術動向調査報告書（概要）3Dプリンター、平成26年3月、特許庁

一方、ゴム製品は、未加硫ゴム組成物原料を上下の金型によって挟み込むことによって成形するプレス成形か、未加硫ゴム組成物を圧力によって金型に押し込む射出成形によって成形し、その後、加硫工程を行うことによって物理的強度を向上させて最終製品とされる。いずれの方法においても、製品の形状に応じた金型が必要であるために、他品種少量生産には適さず、複雑な形状の製品を作製することも困難である。

三次元造形プリンタの造形原料としては、ゴムのような柔らかさ及び伸び率を有する合成樹脂がゴムチューブ試作品又は臓器モデル等に使用されているが、未加硫ゴム組成物を造形原料として三次元造形プリントを行い得る装置は、未だ実用化されていない。

本発明者等は、未加硫ゴム組成物をスクリュー式押出機に充填し、一定温度範囲に加熱して流動性を付与した後、スクリュー式押出機のノズルから下方へと吐出するようにすれば、溶融した樹脂組成物等と比較して流動性の低い未加硫ゴム組成物を平面上に配置し得ることを見出した。また、本発明者等は、ノズルの吐出孔と造形シート又は既に積層された未加硫ゴム組成物の最上層との距離を、吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物流動体の直径未満に保持することにより、可動式テーブルを水平方向に移動させる際に、ノズル部が造形シート上に配置される未加硫ゴム組成物を押圧しながら移動することにより、流動性が低い未加硫ゴム組成物を平面的に形成しつつ、安定して積層し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

具体的に本発明は、
スクリュー式押出機と、
前記スクリュー式押出機が内蔵するスクリューの回転軸を回転させるギアモータと、
前記スクリュー式押出機の下方に位置する可動式テーブルと、
前記可動式テーブルの動作を制御するテーブル制御装置と、
前記スクリュー式押出機を加熱するための第一ヒータと、
前記可動式テーブルの上面に設置された造形シートと、
前記造形シートを加熱するための第二ヒータと、
を備える、未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタであって、
前記スクリュー式押出機は、下部にテーパー状のノズル部を有し、
前記ノズル部は、最下部に吐出孔を有し、
前記スクリュー式押出装置内に供給され、前記第一ヒータによって加熱され、かつ、前記スクリューによって撹拌及び混合された未加硫ゴム組成物は、前記吐出孔から下方の前記造形シート上に向かって吐出されることにより順次積層され、
前記吐出孔と前記造形シート又は既に積層された未加硫ゴム組成物の最上層との距離は、前記吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物の直径未満に保持されており、
前記可動式テーブルを水平方向に移動させる際に、前記ノズル部が前記造形シート上に配置される未加硫ゴム組成物を押圧しながら移動することを特徴とする、
未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタに関する。

熱可塑性樹脂の場合には、加熱することによりノズル部から吐出（噴霧）させることが容易であるが、未加硫ゴム組成物の場合には、加熱されても粘度が高いために、ノズルから噴霧することはできない。そのため、押出機としては内部にスクリューを備えるスクリュー式押出機を使用する必要がある。押出機のノズル部から吐出された未加硫ゴム組成物は、粘度が高いために平面上にチューブ状となって配置される。そのような配置では、造形物内部に空隙ができて欠陥の原因となる。また、造形物の表面に凹凸が発生する原因ともなる。

ノズル部の吐出孔を小さくすれば、押し出される未加硫ゴム組成物を細くすることができるが、溶解した樹脂組成物と比較して未加硫ゴム組成物は粘度が高いため、吐出孔を小さくすると押し出し圧を高くしてもノズル部から押し出すことができなくなる。

本発明の三次元造形プリンタでは、ノズル部の吐出孔と造形シートとの距離が、吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物の直径未満に保持されている。そのため、造形シート上に配置された未加硫ゴム組成物は、可動式テーブルを水平方向に移動させる際に、ノズル部の先端部によって押圧され、上面をノズル部先端によって平滑化されながら配置される。２層目以上の層を積層する場合には、ノズル部の吐出孔と既に積層された未加硫ゴム組成物の最上層との距離が、吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物の直径未満に保持されている。その結果、造形物内部の空隙発生を抑制し、表面を平滑に仕上げることが可能となる。

前記スクリュー式押出機は、前記スクリューの回転軸に直交する側面に開口部及びガイドローラを有しており、
帯状に形成された未加硫ゴム組成物が前記開口部へと連続して供給されることが好ましい。

スクリュー式押出機に未加硫ゴム組成物を供給する際、スクリュー式押出機の内蔵スクリューの回転軸に直交する側面に開口部及びガイドローラを設け、帯状に形成された未加硫ゴム組成物を供給するようにすれば、造形原料である未加硫ゴム組成物を連続して供給し得る。その結果、未加硫ゴム組成物の三次元造形物を安定して長時間作製することが可能となり、三次元造形物の品質の安定化を図ることも可能となる。

前記スクリュー式押出機は、
材質がステンレスであり、
前記スクリューの回転軸が垂直方向を向いている円筒形状を有し、
側面に開口部を有し、
さらに、帯状に形成された未加硫ゴム組成物のリールを保持する部材と、
帯状に形成された未加硫ゴム組成物から剥離された剥離材を巻き取る巻き取りリールとを備えていることが好ましい。

スクリュー式押出機は、未加硫ゴム組成物を加熱し、内蔵するスクリューによって混合してノズル部の吐出孔から圧力をかけて吐出しなければならないため、物理的強度を要求される。また、未加硫ゴム組成物を加熱するための第一ヒータを外部に取り付ける必要性から、熱伝導性の高く、化学的安定性も高い材質を使用することが要求される。そのため、ステンレス製であることが好ましい。

さらに、スクリュー式押出機は、回転軸が垂直方向に向いている円筒形状であり、側面に開口部を有していることが好ましい。帯状に形成された未加硫ゴム組成物をリールとして用意し、剥離材を分離した後、開口部へと供給する構造であれば、スクリュー式押出機への未加硫ゴム組成物の供給をスムーズに行い得る。

本発明の三次元造形用プリンタは、
前記スクリュー式押出機内の未加硫ゴム組成物の温度を測定する第一温度計と、
前記造形シートの温度を測定する第二温度計と、
を備え、
前記第一温度計の測定値に基づいて前記第一ヒータの出力を調整し、
前記第二温度計の測定値に基づいて前記第二ヒータの出力を調整することが好ましい。

未加硫ゴム組成物にスクリュー式押出機から吐出できる程度の流動性を付与するためには、50℃以上100℃以下に加熱する必要がある。また、未加硫ゴム組成物の粘着性を増加させ、造形シートとの密着性を高めるためには、造形シートの温度を30℃以上100℃以下に加熱する必要がある。第一温度計及び第二温度計の測定値に基づき、第一ヒータ及び第二ヒータの出力を調整して温度を調整することが好ましい。第一温度計をスクリュー式押出機の外部に取り付け、その測定値からスクリュー式押出機内部の未加硫ゴム組成物の温度を推定することが可能である。

なお、吐出孔の孔径は、0.3mm以上3mm以下であることが好ましい。ノズル部の吐出孔が0.3mm未満であれば、未加硫ゴム組成物の流動性が低いため、押し出し圧を高めても安定して吐出孔から吐出させることが困難となる。一方、3mm超では吐出される未加硫ゴム組成物の圧力又は温度等の均一性が悪くなり、安定な吐出が困難となる。

本発明によれば、未加硫ゴム組成物を造形原料とした三次元造形物を、容易かつ安定して製造することが可能である。

本発明の三次元造形用プリンタの外観図を示す。スクリュー式押出機２の開口部４付近の構造を示す。本発明の三次元造形用プリンタの造形動作中における、吐出孔と造形シート等との位置関係を示す。本発明の未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形物の製造方法における造形プロセスフローを示す。内蔵するスクリューの回転軸が水平方向であるスクリュー式押出機の一例を示す。加硫ゴム製インナーソールの製造に使用した三次元造形プリンタの外観写真を示す。図６の三次元造形プリンタのスクリュー式押出機付近の外観写真を示す。未加硫ゴム組成物を２層積層している作業中のノズル部付近の写真（上図）と、未加硫ゴム組成物を２層積層した後、加硫処理が行われたインナーソールの外観写真（下図）を示す。造形例２又は造形例３の外観写真（下図）と、造形例３のインナーソールの踵部分の拡大写真（上図）を示す。造形例４のインナーソールのパーツを示す。図１０に示されるパーツを、他の2つのパーツと接合した後、加硫処理することにより作製されたインナーソールを示す。

本発明を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の記載に限定されない。

図１は、本発明の三次元造形用プリンタの一実施形態について、その外観図を示す。図１に示される実施形態では、スクリュー式押出機２は円筒形状であり、内部にスクリュー３を有している。スクリュー３の回転軸は、垂直方向を向いており、スクリュー式押出機２の上部に位置するギアモータ１によって回転する。スクリュー式押出機２の側面には、開口部４及びガイドローラ５が設けられている。スクリュー式押出機２の下部には、テーパー状のノズル部７が設けられており、ノズル部７の最下部には吐出孔１２が設けられている。ノズル部７の上部にあたるスクリュー式押出機２の外周部分には、ジャケット式の第一ヒータ６が設けられている。

造形原料である未加硫ゴム組成物は、帯状に形成されている。帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、供給リール８から取り出され、開口部４からスクリュー式押出機２へと供給される。供給リール８に巻き取られている帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、未加硫ゴム組成物の帯同士が接着することを防止するため、剥離材を片面に介した状態で供給リール８に巻き取られていることが好ましい。その場合、開口部４へと帯状の未加硫ゴム組成物Ｐを供給する際に、剥離材を取り外し、剥離材用の巻き取りリール（図示せず）に巻き取る構成とすることが好ましい。

開口部４へと供給された帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、スクリュー３の溝及びガイドローラ５によって挟持される。スクリュー３が回転することにより、帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、スクリュー式押出機２の内部へと引き込まれ、順次ノズル部７方向（下方）へと搬送され、第一ヒータ６によって加熱され、撹拌及び混合されると共に、流動性が付与される。

図２は、スクリュー式押出機２の開口部４付近の構造を示す。供給された帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、スクリュー２の溝１３とガイドローラ５の間へと供給される。ガイドローラ５は、ローラ固定部材１４によって保持されており、スクリュー３とガイドローラ５とが接触するように、ローラ固定部材１４によってガイドローラ５の位置が調整される。

スクリュー２の溝１３の幅は、3mm〜10mmであることが好ましい。また、スクリュー２は、溝１３のピッチが溝幅と同じく3mm〜10mmであることが好ましく、4mm〜6mmであることがより好ましい。帯状の未加硫ゴム組成物Ｐの幅は、溝１３の幅と同程度（4mm〜6mm）とし、厚みは0.5mm以上5mm以下とすることが好ましく、1mm以上3mm以下とすることがより好ましい。スクリュー２が回転することにより、溝１３及びガイドローラ５によって挟持されている帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、連続的にスクリュー３によって搬送することが可能である。

帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、スクリュー３によってノズル部７の下部に位置する吐出孔に向かって搬送される。開口部４の下方であって、ノズル部７の上部にあたるスクリュー式押出機２の外周部分には、ジャケット式の第一ヒータ６が設けられており、スクリュー式押出機２内の未加硫ゴム組成物を加硫することなく流動性を付与できる温度に加熱する。この加熱によって、未加硫ゴム組成物は、スクリュー式押出機２の内部で撹拌及び混合されて流動性を得る。

スクリュー３の回転によって、未加硫ゴム組成物は、吐出孔１２からチューブ状に吐出され、可動式テーブル１１の造形台１０上に置かれたシードベッド９表面に配置される。造形シート９は、造形台１０が内蔵する第二ヒータ（図示せず）によって30℃以上100℃以下の範囲に加熱されている。30℃未満では未加硫ゴム組成物の粘着性が低く、造形シートとの密着性が悪くなり、100℃以超では加硫が促進し、上層との密着性が悪くなるという問題がある。

吐出孔１２の孔径（内径、φ）は、後述する表１に示される組成の未加硫ゴム組成物の場合には、0.3mm以上3mm以下とすることが好ましく、0.3mm以上1.5mm以下とすることがより好ましい。吐出孔１２の孔径が小さいほど造形精度を理論上は向上し得るが、吐出孔１２から吐出される未加硫ゴム組成物は、半固形物であるため閉塞が起こりやすい。このため、実用的には、吐出孔１２の内径を0.4mm以上0.7mm以下とすることがさらにより好ましい。

造形シート９は、表面に配置される未加硫ゴム組成物と化学変化を起こさず、第二ヒータによる加熱が容易であるように、ステンレス製であることが好ましい。

ノズル部７は、吐出孔１２及びスクリュー３のメインテナンスのため、着脱可能な構造であることが好ましい。

スクリュー３は、外径（φ）8mm〜12mm、内径（φ）5mm〜9mmであることが好ましい。スクリュー式押出機２は、金属製、特にステンレス製であることが好ましい。スクリュー式押出機２の筺体は、内径（φ）はスクリュー３の外径と同様の径であり、外径（φ）は25mm〜32mm程度であることが好ましい。開口部４は、幅10mm程度、高さ15mm程度とすることが好ましい。

吐出孔１２からの未加硫ゴム組成物の吐出量は、スクリュー３を駆動するギアモータ１の回転数を制御することにより調整される。吐出量は、スクリュー式押出機２の内容積及びスクリュー３の寸法等によっても変化するが、1mm³/秒以上30mm³/秒以下とすることが好ましい。1mm³/秒未満では過熱による閉塞が起こりやすくなり、30mm³/秒超では吐出が安定せず造形不良を起こしやすくなるためである。

第一ヒータ６及び造形シート９には、それぞれ温度計を取り付けて、第一ヒータ及び第二ヒータの出力を調整することが好ましい。温度計としては、熱電対式温度計又はサーミスタ式温度計が好ましい。温度計によって温度をリアルタイムで測定し、第一ヒータ及び第二ヒータの出力を制御する構成とすることが好ましい。

図３は、本発明の三次元造形用プリンタの造形動作中における、吐出孔１２と造形シートとの位置関係を示す。図３において、線Ｓは、造形シート表面又は先に造形シート上に配置された未加硫ゴム組成物の最上層表面を示す。造形開始時、吐出孔１２から吐出された未加硫ゴム組成物は、吐出孔１２の下方に位置するシードベッド表面Ｓ上に配置される。このとき、吐出孔１２から吐出される未加硫ゴム組成物は、吐出孔１２の内径とほぼ同じ直径Ｄを有しているため、シードベッド表面Ｓ上に厚みＤで配置される。

従来の三次元造形用プリンタは、溶解させた樹脂組成物等を順次積層するために、吐出孔と造形シートとの間の距離は、積層される層の厚みよりも大きく設定される。一方、本発明の三次元造形用プリンタは、未加硫ゴム組成物という粘度の高い造形原料を積層するため、吐出された未加硫ゴム組成物は、ある程度の直径を有するチューブ状とならざるを得ない。このため、各層の厚みも従来の三次元造形プリンタよりも大きくなり、造形物の形態を調整することが困難である。

そこで、本発明の三次元造形用プリンタは、造形開始前に、吐出孔１２と造形シート９との距離が、未加硫ゴム組成物の直径Ｄ（造形シート９上に配置される１層の厚み）より小さな値「ｄ」に設定されており、吐出孔１２からが未加硫ゴム組成物を吐出しながら、可動式テーブル１１が水平方向（図１のＸ軸方向及びＹ軸方向）に移動する。このため、造形シート９上に配置される未加硫ゴム組成物は、ノズル部７の先端付近によって押圧されながら造形シート９上に配置される。可動式テーブル１１の動作は、パーソナルコンピュータに記録された造形物の三次元形状の情報に基づいて、テーブル制御装置によって制御される。

可動式テーブル１１を水平方向に移動させ、造形シート９上に未加硫ゴム組成物を１層配置した後、スクリュー３を停止し、吐出孔１２からの未加硫ゴム組成物の吐出を停止する。可動式テーブル１１を垂直方向（図１のＺ軸方向）に「ｄ」だけ降下させた後、再度スクリュー３を稼働させ、吐出孔１２から未加硫ゴム組成物を吐出させながら、可動式テーブル１１を水平方向に移動させる。このとき、吐出孔１２と、未加硫ゴム組成物の１層表面Ｓとの位置関係は、図３に示される状態となる。２層目を配置した後は、１層目を配置した後と同様に操作し、３層目以降を順次配置して三次元造形物を作製する。

Ｄは、吐出孔１２の内径（φ）と同じであるため、表１に示される組成の未加硫ゴム組成物を使用する場合には0.3mm以上3mm以下（より好ましくは0.3mm以上1.5mm以下）となる。一方、ｄは、0.1mm以上1mm以下（ただし、ｄ＜D）に調整されることが好ましい。配置された未加硫ゴム組成物を押圧するために、未加硫ゴム組成物と接触するノズル部７の下端部は、テーパー形状であることが好ましい。

1〜3層程度、未加硫ゴム組成物を配置した後は、造形シート９の加熱を停止してもよい。

表１に示される組成の未加硫ゴム組成物を使用する場合には、未加硫ゴム組成物の積層が終了した後、造形シート９を造形台１０から取り外し、乾燥機のような加熱装置内に移し、造形物を100℃以上150℃以下の温度で、30分以上90分以下の時間加熱し、加硫処理を行う。加熱する前に、造形シート９から造形物を取り外し、造形物のみを加熱装置に移してもよく、別の容器等に収納して加熱装置に移してもよい。なお、加硫処理の温度及び時間は、使用される未加硫ゴム組成物の種類によって、適宜変更することが好ましい。

図４は、本発明の未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形物の製造方法における造形プロセスフローを示す。帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、開口部４からスクリュー式押出機２へと供給され、第一ヒータ６によって加熱され、スクリュー３の回転によって混合及び撹拌される（工程Ａ）。

吐出された未加硫ゴム組成物Ｑは、吐出孔１２から可動式テーブルの造形台１０上に設置された造形シート９上へと押し出される。このとき、造形台１０は水平方向に移動しており（図４(a)においては右から左へと移動している）、吐出された未加硫ゴム組成物Ｑは、左から右へと向かって造形シート上に配置される（1回目の工程Ｂ）。未加硫ゴム組成物Ｑの吐出量は、スクリュー３の回転数によって調整し得る。

１層目の配置が終了すれば、スクリュー３を停止して、吐出孔１２からの未加硫ゴム組成物Ｑの吐出を止める。造形台１０の移動も停止する（図４(b)）。

次に、造形台１０を下方へと移動させる（図４(c)、工程Ｃ）。造形台１０を降下させるかわりに、スクリュー式押出機２を上昇させてもよい。そして、２層目の配置を始める場所まで造形台１０を水平方向に移動させる。

その後、スクリュー３を回転させる。未加硫ゴム組成物Ｑは、吐出孔１２から未加硫ゴム組成物の１層目上へと押し出される。このとき、造形台１０は水平方向に移動しており（図４(d)においては右から左へと移動している）、未加硫ゴム組成物Ｂは、左から右へと向かって未加硫ゴム組成物の１層目上に配置される（工程Ｄ）。

未加硫ゴム組成物Ｑの２層目を配置した後、スクリュー３を停止し、工程Ｃを行う。その後、造形物の造形が完成するまで、工程Ａ、工程Ｃ及び工程Ｄを繰り返す。

ここでは、造形原料である未加硫ゴム組成物は、帯状の未加硫ゴム組成物Ｐとしてスクリュー式押出機２へと連続的に供給されるため、工程Ｄを実行しながら工程Ａを同時に行い得る。しかし、スクリュー式押出機２を開閉式とし、その内部に造形原料の貯蔵スペースを設け、加硫ゴム組成物をバッチ式で供給する構造としてもよい。その場合、工程Ｂの終了時又は工程Ｄにおいて１つの層を積層した後、スクリュー３を停止しているときに、スクリュー式押出機２へと未加硫ゴム組成物を供給する。

未加硫ゴム組成物Ｑの配置（積層）が終了すれば、造形台１０から造形シート９と共に造形物Ｒを取り外し、加熱炉内で加熱し、造形物を構成する未加硫ゴム組成物を加硫処理する（図４(e)、工程Ｅ）。工程Ｅ終了後、加熱炉から造形物（加硫処理されたゴム組成物から構成される三次元造形物）を取り出す（図４(f)）。加熱炉としては、不活性雰囲気内で造形物を加熱できる加熱装置が好ましい。

なお、図１〜図４に示されるスクリュー式押出機２は、スクリュー３の回転軸が垂直方向であるが、図５に示されるスクリュー式押出機２１のように、内蔵するスクリュー３の回転軸が水平方向である押出機を使用してもよい。スクリュー式押出機２１は、本体がＬ字型であり、水平を向いている円筒部分の上面に開口部４が形成されている。開口物には、スクリュー式押出機２と同様、ガイドローラを設けることが好ましい。帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、開口部４に向けて上部から供給される。スクリュー式押出機２１は、不定形であるか、又は粘着性の高い未加硫ゴム組成物を造形原料とする場合に使用されることが好ましい。

（未加硫ゴム組成物の組成）
本発明の三次元造形用プリンタにおいては、スクリュー式押出機内では未加硫ゴム組成物を加熱しながら撹拌及び混合して粘度を低下させる。そのため、本発明において使用される未加硫ゴム組成物は、加硫が起こらない温度範囲（後述する表１に示される未加硫ゴム組成物については50℃〜100℃）で加熱された場合にスクリュー式押出機から吐出し得る程度の流動性を発揮しなければならない。また、スクリュー式押出機からチューブ状に吐出された未加硫ゴム組成物は、一定の粘着性がなければ、平面上に積層された層同士が接着されないために、加硫後にも三次元造形物の形態を固定することができない。

本発明者等は、そのような未加硫ゴム組成物の組成について種々の実験を繰り返した結果、後述する表１に示される組成の未加硫ゴム組成物を造形原料として使用すれば、スクリュー式押出機から未加硫ゴム組成物を吐出させると共に、造形された三次元造形物の形態を固定できることを確認した。

［三次元造形物の製造例］
図１〜図３に示される構造の三次元造形用プリンタを使用し、加硫ゴム製インナーソールを製造した。図６は、加硫ゴム製インナーソールの製造に使用した三次元造形プリンタの外観写真を示す。また、図７は、図６の三次元造形プリンタのスクリュー式押出機付近の外観写真を示す。図６及び図７に示される三次元造形プリンタは、ギアモータ１及びスクリュー式押出機２がフレーム１４によって固定されており、スクリュー式押出機２の下部に可動式テーブルが位置している。供給リール８から取り出された帯状の未加硫ゴム組成物Ｐは、水平に設置されている支持板１５に沿って開口部４へと供給される。冷却ファン１８は、ギアモータ１を冷却する機能を有する。

スクリュー式押出機が内蔵するスクリューは、外径φ10mm、内径7mm、ピッチ5mm、長さ64.5mmであり、材質はステンレスとした。この場合、未加硫ゴム組成物の吐出量は、143.3 mm/rev（スクリュー1回転あたりの吐出長さ）となる。スクリュー式押出機の筺体は、外径φ28mm、内径φ10mmのステンレス製であり、筺体側面には幅10mm、縦の長さ15mmであり、深さ1mmのアンダーカットとφ10mmのガイドローラを有する開口部が設けられた。ホッパー比（(幅＋長さ)/2×スクリュー径）は、1.25であった。ノズル部の最下部には、孔径φ0.6mmの吐出孔を設けた。吐出孔内面及びノズル部先端付近の外面には、潤滑性及び未加硫ゴム組成物の剥離性を向上させるために、テフロン（登録商標）加工を施した。

筺体下部には、先端がテーパー形状となるステンレス製ノズル部を取り付けた。筺体下部には、バンドヒータ（第一ヒータ）を取り付け、吐出孔付近のノズル部が90℃、開口部付近が60℃となるようにバンドヒータの出力を調整した。吐出孔付近及び開口部付近の温度は、熱電対式温度計によって測定された。

造形原料としては、幅5mm、厚さ1mmの帯状に形成され、表１に示される組成を有する未加硫ゴム組成物を使用した。この未加硫ゴム組成物は、室温においても粘着性があるため、テフロン（登録商標）製剥離シート（剥離材）に挟んでリールに巻かれた状態で用意された。リールに巻かれた帯状の未加硫ゴム組成物は、分離ローラによって剥離シートと分離された後、送りローラを介してスクリュー式押出機の開口部へと供給された。

ゴム基材としては、天然ゴム（NR；RSS#3）及びスチレン・ブタジエンゴム（SBR；旭化成株式会社製、アサプレン6500P）を使用した。カーボンブラックは、FEF（Fast Extruding Furnace、平均粒子径43nm、ASTMコード：N550／旭カーボン株式会社製）を使用した。硫黄、酸化亜鉛及び酸化カルシウムは、試薬特級品を使用した。ステアリン酸は、ミヨシ油脂株式会社製、純度98％以上の製品を使用した。

クマロン樹脂は粘着性付与剤であり、日塗化学株式会社「ニットレジンクマロン」を使用した。硬化剤としては、川口化学株式会社「グリーンDC」を使用した。老化防止剤としては、N-フェニル-N'-(1,3-ジメチルブチル)-p-フェニレンジアミン／大内新興化学工業株式会社「ノクラック6C」を使用した。潤滑油としては、JXTGエネルギー株式会社「コウモレックスH22」を使用した。加硫促進剤としては、N-オキシジエチレン-2-ベンゾチアゾリルスルフェンアミド／三新化学工業株式会社「サンセラーNOB」を使用した。

可動式造形テーブルとして、ＸＹＺ三軸方向に可動である造形テーブルを使用した。ステンレス製造形テーブルにはフィルムヒータ（第二ヒータ）が内蔵されており、その上に設置されているステンレス製造形シートを60℃に加熱した。造形シートの温度は、熱電対式温度計によって測定された。

造形テーブル及びスクリュー式押出機の動作は、造形物の三次元データを記録しているパーソナルコンピュータに接続された制御装置によって制御されるようにした。また、温度計の実測値に基づいて、制御装置がヒータ出力を制御し、設定された温度が維持されるように調整した。

作製された未加硫ゴム組成物の三次元造形物は、140℃で40分間、電気炉内で加熱され、加硫処理された。

（造形例１）
図８は、未加硫ゴム組成物を２層積層している作業中のノズル部付近の写真（上図）と、未加硫ゴム組成物を２層積層した後、加硫処理が行われたインナーソールの外観写真（下図）を示す。

（造形例２及び３）
図９は、未加硫ゴム組成物を一部７層（造形例２）又は１１層（造形例３）積層して作製された中間製品を、加硫処理して得られたインナーソールの外観写真（下図）と、１１層積層されたインナーソールの踵部分の拡大写真（上図）を示す。

（造形例４）
図１０は、２層から構成され、ハニカム構造を有するインナーソールのパーツ（加硫処理後）を示す。図１１は、図１０に示されるパーツを、他の2つのパーツと接合した後、加硫処理することにより作製された26インチサイズ、厚み2.3mmのインナーソール（加硫処理後）を示す。

本発明の未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタ、未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形物の製造方法は、医療器具又は工業製品等の製造分野において有用である。

１：ギアモータ
２：スクリュー式押出機
３：スクリュー
４：開口部
５：ガイドローラ（供給ローラ）
６：第一ヒータ
７：ノズル部
８：供給リール
９：造形シート
１０：造形台
１１：可動式テーブル
１２：吐出孔
１３：スクリューの溝
１４：フレーム
１５：支持板
１６：第一温度計
１７：第二温度計
１８：冷却ファン
Ｐ：帯状の未加硫ゴム組成物
Ｑ：吐出された未加硫ゴム組成物
Ｒ：造形物

具体的に本発明は、
前記スクリュー式押出機が内蔵するスクリューの回転軸を回転させるギアモータと、
前記スクリュー式押出機の下方に位置する可動式テーブルと、
前記スクリュー式押出機を加熱するための第一ヒータと、
前記可動式テーブルの上面に設置された造形シートと、
前記造形シートを加熱するための第二ヒータと、
前記ギアモータの回転数、前記可動式テーブルの動作、前記第一ヒータの出力、及び前記第二ヒータの出力を制御する制御手段と、
を備える、未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタであって、
前記スクリュー式押出機は、
下部にテーパー状のノズル部と、
前記スクリューの回転軸に直交する側面に開口部及びガイドローラとを有し、
帯状に形成された未加硫ゴム組成物が前記開口部へと連続して供給され、
前記ノズル部は、最下部に吐出孔を有し、
前記制御手段は、
前記スクリュー式押出装置内に供給され、前記第一ヒータによって加熱され、かつ、前記スクリューによって撹拌及び混合された未加硫ゴム組成物は、前記吐出孔から下方の前記造形シート上に向かって吐出されることにより順次積層され、
前記吐出孔と前記造形シート又は既に積層された未加硫ゴム組成物の最上層との距離を、前記吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物の直径未満に保持し、
前記可動式テーブルは、水平方向に移動する際に、前記ノズル部が前記造形シート上に配置される未加硫ゴム組成物を押圧するように、
前記ギアモータの回転数、前記可動式テーブルの動作、前記第一ヒータの出力、及び前記第二ヒータの出力を制御することを特徴とする、
未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタに関する。

前記スクリュー式押出機は、
材質がステンレスであり、
前記スクリューの回転軸が垂直方向を向いている円筒形状を有し、
さらに、帯状に形成された未加硫ゴム組成物のリールを保持する部材と、
帯状に形成された未加硫ゴム組成物から剥離された剥離材を巻き取る巻き取りリールとを備えていることが好ましい。

さらに、スクリュー式押出機は、回転軸が垂直方向に向いている円筒形状であることが好ましい。帯状に形成された未加硫ゴム組成物をリールとして用意し、剥離材を分離した後、開口部へと供給する構造であれば、スクリュー式押出機への未加硫ゴム組成物の供給をスムーズに行い得る。

Claims

スクリュー式押出機と、
前記スクリュー式押出機が内蔵するスクリューの回転軸を回転させるギアモータと、
前記スクリュー式押出機の下方に位置する可動式テーブルと、
前記可動式テーブルの動作を制御するテーブル制御装置と、
前記スクリュー式押出機を加熱するための第一ヒータと、
前記可動式テーブルの上面に設置された造形シートと、
前記造形シートを加熱するための第二ヒータと、
を備える、未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタであって、
前記スクリュー式押出機は、下部にテーパー状のノズル部を有し、
前記ノズル部は、最下部に吐出孔を有し、
前記スクリュー式押出装置内に供給され、前記第一ヒータによって加熱され、かつ、前記スクリューによって撹拌及び混合された未加硫ゴム組成物は、前記吐出孔から下方の前記造形シート上に向かって吐出されることにより順次積層され、
前記吐出孔と前記造形シート又は既に積層された未加硫ゴム組成物の最上層との距離は、前記吐出孔から吐出される未加硫ゴム組成物の直径未満に保持されており、
前記可動式テーブルを水平方向に移動させる際に、前記ノズル部が前記造形シート上に配置される未加硫ゴム組成物を押圧しながら移動することを特徴とする、
未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタ。
前記スクリュー式押出機が、前記スクリューの回転軸に直交する側面に開口部及びガイドローラを有しており、
帯状に形成された未加硫ゴム組成物が前記開口部へと連続して供給される、請求項１に記載の未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタ。
前記スクリュー式押出機が、
材質がステンレスであり、
前記スクリューの回転軸が垂直方向を向いている円筒形状を有し、
側面に開口部を有し、
さらに、帯状に形成された未加硫ゴム組成物のリールを保持する部材と、
帯状に形成された未加硫ゴム組成物から剥離された剥離材を巻き取る巻き取りリールと、
を備えている、請求項１又は２に記載の未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタ。
前記スクリュー式押出機内の未加硫ゴム組成物の温度を測定する第一温度計と、
前記造形シートの温度を測定する第二温度計と、
を備え、
前記第一温度計の測定値に基づいて前記第一ヒータの出力を調整し、
前記第二温度計の測定値に基づいて前記第二ヒータの出力を調整する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の未加硫ゴム組成物を造形原料とする三次元造形用プリンタ。