JP2020116910A - 可塑化装置、可塑化方法および三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の変質を抑制しつつ、材料を溶融して、安定して送出可能な技術を提供する。【解決手段】材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置は、材料が供給される溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、溝形成面に対向する面であり、中央に溶融材料を送出するための送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、材料の加熱を行う加熱部を有するバレルと、を備える。材料流通路は、溝形成面の中央に設けられた窪みと、窪みから溝形成面の外周に向かって渦状に延びる溝部とを有し、スクリューにおける窪みを含む内周部分の少なくとも一部には、スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部が設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、可塑化装置、可塑化方法および三次元造形装置に関する。

例えば、特許文献１には、ヒーターが埋設されたバレルと、バレル上で回転するスクリューとを備えた装置が開示されている。この装置では、バレルとスクリューとの間に材料が供給され、ヒーターを用いて、供給された材料を加熱して溶融させる。

特開２０１０−０００７５２号公報

上述した装置では、バレルにヒーターが設けられているため、スクリュー近傍の材料を適切に溶融させるために、ヒーターの温度を高く設定すると、バレル近傍の温度が高くなり過ぎて、バレル近傍の材料が変質して、装置から送出された材料の変色や強度低下を招く可能性がある。一方、バレル近傍の温度を適切に保つために、ヒーターの温度を低く設定すると、スクリュー近傍の温度が低くなり過ぎて、スクリュー近傍の材料を適切に溶融させることができず、装置からの材料の送出が不安定になる可能性がある。そこで、材料の変質を抑制しつつ、材料を溶融して、安定して送出可能な技術を提供する。

本開示の一形態によれば、材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置が提供される。この可塑化装置は、前記材料が供給される溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記溶融材料を送出するための送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料の加熱を行う加熱部を有するバレルと、を備える。前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部には、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部が設けられている。

第１実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図。 第１実施形態におけるフラットスクリューの溝形成面の構成を示す斜視図。 第１実施形態におけるバレルのスクリュー対向面の構成を示す上面図。 温度とノズルからの造形材料の吐出特性に関する試験結果を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が表されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向に沿った方向であり、Ｚ方向は、鉛直方向に沿った方向である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

本実施形態における三次元造形装置１００は、吐出ユニット２００と、造形テーブル３００と、移動機構４００と、制御部５００とを備えている。吐出ユニット２００は、材料供給部２０と可塑化部９０とノズル６０とを備えている。本実施形態における三次元造形装置１００では、制御部５００の制御下において、材料供給部２０から供給された材料が、可塑化部９０によって可塑化される。可塑化部９０によって可塑化された材料は、造形材料として可塑化部９０から送出されて、ノズル６０に供給される。ノズル６０に供給された造形材料は、ノズル６０の先端部に設けられたノズル孔６１から造形テーブル３００上に向かって吐出される。ノズル孔６１から吐出された造形材料が造形テーブル３００上に積層されることによって、三次元造形物が造形される。尚、造形材料のことを溶融材料と呼ぶこともある。可塑化部９０のことを可塑化装置と呼ぶこともある。

移動機構４００は、造形テーブル３００と吐出ユニット２００との相対的な位置を変化させる。本実施形態では、移動機構４００は、吐出ユニット２００に対して、造形テーブル３００を移動させる。本実施形態における移動機構４００は、３つのモーターの駆動力によって、造形テーブル３００をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。各モーターは、制御部５００の制御下にて駆動する。尚、移動機構４００は、造形テーブル３００を移動させる構成ではなく、造形テーブル３００を移動させずに、吐出ユニット２００を移動させる構成であってもよい。また、移動機構４００は、造形テーブル３００と吐出ユニット２００との両方を移動させる構成であってもよい。

制御部５００は、１以上のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、制御部５００は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、吐出ユニット２００と、移動機構４００との動作を制御して、三次元造形物を造形する造形処理を実行する。動作には、造形テーブル３００に対する吐出ユニット２００との三次元の相対的な位置の移動が含まれる。尚、制御部５００は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

材料供給部２０には、ペレットや粉末等の状態の材料が収容されている。本実施形態では、ペレット状のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が材料として用いられる。ポリエーテルエーテルケトンは、結晶性の熱可塑性樹脂である。本実施形態における材料供給部２０は、ホッパーによって構成されている。材料供給部２０に収容された材料は、材料供給部２０の下方に設けられた供給路２２を介して、可塑化部９０に供給される。

可塑化部９０は、駆動モーター３０と、フラットスクリュー４０と、バレル５０と、スクリューケース９１とを備えている。可塑化部９０は、材料供給部２０から供給された固体状態の材料の少なくとも一部を溶融させてペースト状にした造形材料をノズル６０に供給する。尚、フラットスクリュー４０のことを単にスクリューと呼ぶこともある。スクリューケース９１のことを単にケースと呼ぶこともある。

スクリューケース９１は、フラットスクリュー４０を収容している。スクリューケース９１の上面には、駆動モーター３０が固定されている。駆動モーター３０の回転軸３１は、フラットスクリュー４０の上面４１に接続されている。

フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸに沿った方向の高さが直径よりも小さい略円柱形状を有している。フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸがＺ方向に平行になるように、スクリューケース９１内に配置されている。駆動モーター３０が発生させるトルクによって、フラットスクリュー４０は、スクリューケース９１内にて、中心軸ＲＸを中心に回転する。

フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸに沿った方向における上面４１とは反対側に溝形成面４２を有している。溝形成面４２には、材料流通路４５が形成されている。尚、フラットスクリュー４０の溝形成面４２の詳細な構成は、図２を用いて後述する。

フラットスクリュー４０の内周部分の表面には、断熱部４４が設けられている。内周部分とは、フラットスクリュー４０における半径の１／３以内の円柱状の部分のことを意味する。本実施形態では、材料流通路４５の表面に断熱部４４が設けられている。断熱部４４の熱伝導率は、フラットスクリュー４０本体の熱伝導率よりも低い。尚、フラットスクリュー４０の外周部分には、断熱部４４が設けられていない。外周部分とは、フラットスクリュー４０における内周部分よりも外側の円筒状の部分のことを意味する。断熱部４４の詳細な構成は、図２を用いて後述する。

本実施形態では、フラットスクリュー４０の本体は、ステンレス鋼によって形成されている。フラットスクリュー４０の表面に、ステンレス鋼に比べて熱伝導率の小さなジルコニア被膜が形成されることによって、断熱部４４が設けられている。ジルコニア被膜は、例えば、溶射によってフラットスクリュー４０の表面に形成される。尚、フラットスクリュー４０の本体は、例えば、チタン合金等の他の金属材料や、樹脂材料や、セラミック材料によって形成されてもよい。断熱部４４は、フラットスクリュー４０の本体に比べて熱伝導率が低い材料であれば、ジルコニア以外の材料によって形成されてもよい。フラットスクリュー４０の材料や、断熱部４４の材料は、材料供給部２０から供給された材料を可塑化可能な耐熱性や硬度を有する材料であればよい。

本実施形態では、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸにおける材料流通路４５の表面に、スクリュー温度センサー７１０が設けられている。スクリュー温度センサー７１０は、フラットスクリュー４０における材料流通路４５の表面温度であるスクリュー表面温度Ｔｓを取得する。スクリュー温度センサー７１０には、例えば、熱電対を用いることができる。スクリュー温度センサー７１０によって取得されたスクリュー表面温度Ｔｓに関する情報は、制御部５００に送信される。

バレル５０は、スクリューケース９１内におけるフラットスクリュー４０よりも下方に固定されている。バレル５０は、フラットスクリュー４０の溝形成面４２に対向するスクリュー対向面５２を有している。スクリュー対向面５２には、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸ上の位置に、ノズル孔６１に連通する送出孔５６が設けられている。尚、バレル５０のスクリュー対向面５２の詳細な構成については、図３を用いて後述する。

バレル５０には、フラットスクリュー４０の材料流通路４５に対向する位置にヒーター５８が内蔵されている。ヒーター５８の温度は、制御部５００によって制御される。尚、ヒーター５８のことを加熱部と呼ぶこともある。

本実施形態では、バレル５０のスクリュー対向面５２における送出孔５６の外周部分に、バレル温度センサー７２０が設けられている。バレル温度センサー７２０は、バレル５０におけるスクリュー対向面５２の表面温度であるバレル表面温度Ｔｂを取得する。バレル温度センサー７２０には、例えば、熱電対を用いることができる。バレル温度センサー７２０によって取得されたバレル表面温度Ｔｂに関する情報は、制御部５００に送信される。

本実施形態では、バレル５０内におけるヒーター５８よりも外周側に、冷却水流路５９が設けられている。バレル５０の温度が高くなりすぎないように、冷却水流路５９には、図示しないポンプによって、冷却水が循環する。尚、冷却水流路５９は、バレル５０内ではなくスクリューケース９１内におけるバレル５０の近傍に設けられてもよい。冷却水流路５９は、設けられなくてもよい。

ノズル６０内には、ノズル流路６２と、ノズル孔６１とが設けられている。ノズル流路６２には、可塑化部９０の送出孔５６から造形材料が供給される。ノズル孔６１は、ノズル流路６２の大気に連通する側の端部に設けられた流路断面が縮小された部分である。ノズル流路６２に供給された造形材料は、ノズル孔６１から吐出される。本実施形態では、ノズル６０には、円形のノズル孔６１が設けられている。ノズル孔６１の径のことをノズル径Ｄｎと呼ぶ。尚、ノズル孔６１の形状は、円形に限られず、四角形等であってもよい。

図２は、本実施形態におけるフラットスクリュー４０の溝形成面４２の構成を示す斜視図である。図２に示したフラットスクリュー４０は、技術の理解を容易にするために、図１に示した上下の位置関係を逆向きとした状態で示されている。図２に示したフラットスクリュー４０には、断熱部４４にハッチングが施されている。フラットスクリュー４０の溝形成面４２には、上述したとおり、材料流通路４５が形成されている。材料流通路４５は、中央部４６と、渦状部４７と、材料導入部４８とを有している。

中央部４６は、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸの周りに形成された円形の窪みである。中央部４６は、バレル５０に設けられた送出孔５６に対向する。

渦状部４７は、中央部４６を中心として、溝形成面４２の外周に向かって弧を描くように渦状に延びる溝である。渦状部４７は、インボリュート曲線状や螺旋状に延びるように構成されてもよい。渦状部４７の一端は、中央部４６に接続されている。渦状部４７の他端は、材料導入部４８に接続されている。

材料導入部４８は、溝形成面４２の外周縁に設けられた渦状部４７よりも幅広な溝である。材料導入部４８は、フラットスクリュー４０の側面４３まで連続している。材料導入部４８は、供給路２２を介して材料供給部２０から供給された材料を、渦状部４７に導入する。尚、図２には、フラットスクリュー４０の中央部４６から外周に向かって、１条の渦状部４７および材料導入部４８が設けられた形態を表したが、フラットスクリュー４０の中央部４６から外周に向かって、複数条の渦状部４７および材料導入部４８が設けられてもよい。渦状部４７および材料導入部４８のことを溝部と呼ぶこともある。

フラットスクリュー４０の内周部分には、中央部４６と、渦状部４７の一部が含まれる。本実施形態では、内周部分に含まれる中央部４６の表面と渦状部４７の一部の表面に断熱部４４が設けられている。

図３は、本実施形態におけるバレル５０のスクリュー対向面５２の構成を示す上面図である。上述したとおり、スクリュー対向面５２の中央には、ノズル６０に連通する送出孔５６が形成されている。スクリュー対向面５２における送出孔５６の周りには、複数の案内溝５４が形成されている。それぞれの案内溝５４は、一端が送出孔５６に接続され、送出孔５６からスクリュー対向面５２の外周に向かって渦状に延びている。それぞれの案内溝５４は、造形材料を送出孔５６に導く機能を有している。

上述した三次元造形装置１００の構成によれば、制御部５００によって、三次元造形物を造形する造形処理が実行されると、材料供給部２０内の材料が、供給路２２を通って、回転しているフラットスクリュー４０の側面４３から材料導入部４８に供給される。材料導入部４８内に供給された材料は、フラットスクリュー４０の回転によって、渦状部４７内へと搬送される。

渦状部４７内に搬送された材料は、フラットスクリュー４０の回転と、バレル５０に内蔵されたヒーター５８による加熱とによって、少なくとも一部が溶融されて、流動性を有するペースト状の造形材料となる。

フラットスクリュー４０の回転によって、渦状部４７内を中央部４６に向かって造形材料が搬送されて、中央部４６から送出孔５６に造形材料が送出される。送出孔５６を介してノズル６０に供給された造形材料は、ノズル孔６１から造形テーブル３００上に向かって吐出される。尚、ノズル孔６１から吐出される造形材料の流量のことを吐出量と呼ぶ。

本実施形態では、造形処理において、制御部５００は、以下の条件（Ａ）から条件（Ｄ）までの条件を全て満たすように、ヒーター５８の温度を制御する。条件（Ａ）スクリュー表面温度Ｔｓが材料のガラス転移点Ｔｇよりも高い。条件（Ｂ）スクリュー表面温度Ｔｓと、材料のガラス転移点Ｔｇと、材料の融点Ｔｍとの関係が下式（１）を満たす。
Ｔｓ≧Ｔｇ＋０．１８７×（Ｔｍ−Ｔｇ） ・・・（１）
条件（Ｃ）バレル表面温度Ｔｂが材料の熱分解温度Ｔｄよりも低い。条件（Ｄ）スクリュー表面温度Ｔｓがバレル表面温度Ｔｂよりも低い。上述した条件（Ａ）から条件（Ｄ）までの条件を全て満たすために、制御部５００は、例えば、スクリュー温度センサー７１０によって取得したスクリュー表面温度Ｔｓと、バレル温度センサー７２０によって取得したバレル表面温度Ｔｂとを用いたフィードバック制御によって、ヒーター５８の温度を制御する。尚、制御部５００は、ヒーター５８の温度と、スクリュー表面温度Ｔｓと、バレル表面温度Ｔｂとの関係が表されたマップを参照して、ヒーター５８の温度を制御してもよいし、予め定められた関数に基づいてヒーター５８の温度を制御してもよい。

図４は、バレル表面温度Ｔｂとスクリュー表面温度Ｔｓとノズル６０からの造形材料の吐出特性との関係について調べた試験結果を示す説明図である。図４には、それぞれ異なる条件で行われたサンプル１からサンプル５までの試験結果が表されている。この試験では、バレル温度センサー７２０を用いて測定されたバレル表面温度Ｔｂと、スクリュー温度センサー７１０を用いて測定されたスクリュー表面温度Ｔｓと、ノズル６０からの造形材料の吐出特性との関係について調べた。図４には、試験結果として、吐出特性が良好な順に「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」の符号を付した。ノズル６０から吐出された造形材料に変質がなく、かつ、ノズル６０からの造形材料の吐出量が安定している場合には、吐出特性が良好であるとした。尚、造形材料に変質がないとは、変色や強度低下を招くような造形材料の性質の変化がないことを意味する。造形材料の吐出量が安定しているとは、ノズル６０から所期の吐出量が連続的に得られていることを意味する。

サンプル１では、ペレット状のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が材料として用いられた。ポリエーテルエーテルケトンは、結晶性の熱可塑性樹脂である。ポリエーテルエーテルケトンの熱分解温度Ｔｄは摂氏４５０度であり、融点Ｔｍは摂氏３４１度であり、ガラス転移点Ｔｇは摂氏１４３度である。バレル表面温度Ｔｂを摂氏４００度に設定し、スクリュー表面温度Ｔｓを摂氏１８０度に設定して、ノズル６０からの造形材料の吐出特性を調べた結果、良好な吐出特性が得られた。サンプル１では、スクリュー表面温度Ｔｓと、材料のガラス転移点Ｔｇと、材料の融点Ｔｍとの関係は、（Ｔｓ−Ｔｇ）／（Ｔｍ−Ｔｇ）＝０．１８７であった。

サンプル２では、サンプル１と同じペレット状のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が材料として用いられた。バレル表面温度Ｔｂを摂氏３５０度に設定し、スクリュー表面温度Ｔｓを摂氏１６０度に設定して、ノズル６０からの造形材料の吐出特性を調べた結果、フラットスクリュー４０の材料流通路４５内の材料が十分に溶融せず、ノズル６０からの造形材料の吐出が不安定であった。サンプル２では、スクリュー表面温度Ｔｓと、材料のガラス転移点Ｔｇと、材料の融点Ｔｍとの関係は、（Ｔｓ−Ｔｇ）／（Ｔｍ−Ｔｇ）＝０．０８６であった。

サンプル３では、サンプル１と同じペレット状のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が材料として用いられた。バレル表面温度Ｔｂを摂氏３８３度に設定し、スクリュー表面温度Ｔｓを摂氏１７０度に設定して、ノズル６０からの造形材料の吐出特性を調べた結果、サンプル２の場合よりも良好な吐出特性が得られたが、フラットスクリュー４０の材料流通路４５内の材料が十分に溶融せず、ノズル６０からの造形材料の吐出が不安定であった。サンプル３では、スクリュー表面温度Ｔｓと、材料のガラス転移点Ｔｇと、材料の融点Ｔｍとの関係は、（Ｔｓ−Ｔｇ）／（Ｔｍ−Ｔｇ）＝０．１３６であった。

サンプル４では、ペレット状のポリプロピレン樹脂（ＰＰ）が材料として用いられた。ポリプロピレン樹脂は、結晶性の熱可塑性樹脂である。ポリプロピレン樹脂の熱分解温度Ｔｄは摂氏３００度であり、融点Ｔｍは摂氏１６５度であり、ガラス転移点Ｔｇは摂氏０度である。バレル表面温度Ｔｂを摂氏２１０度に設定し、スクリュー表面温度Ｔｓを摂氏８７度に設定して、ノズル６０からの造形材料の吐出特性を調べた結果、良好な吐出特性が得られた。サンプル４では、スクリュー表面温度Ｔｓと、材料のガラス転移点Ｔｇと、材料の融点Ｔｍとの関係は、（Ｔｓ−Ｔｇ）／（Ｔｍ−Ｔｇ）＝０．５２７であった。

サンプル５では、ペレット状のアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）が材料として用いられた。アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂は、非晶性の熱可塑性樹脂である。アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂の熱分解温度Ｔｄは摂氏２６０度であり、ガラス転移点Ｔｇは摂氏８０度である。バレル表面温度Ｔｂを摂氏２１０度に設定し、スクリュー表面温度Ｔｓを摂氏８７度に設定して、ノズル６０からの造形材料の吐出特性を調べた結果、良好な吐出特性が得られた。尚、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂は、非晶性の熱可塑性樹脂であるため、明確な融点Ｔｍを有さない。

したがって、材料に結晶性の熱可塑性樹脂が用いられる場合には、ノズル６０から吐出される造形材料の良好な吐出特性を実現するためには、スクリュー表面温度Ｔｓが上式（１）を満たすことが好ましい。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、フラットスクリュー４０の内周部分の表面に、断熱部４４が設けられているので、バレル５０のヒーター５８からの熱を、フラットスクリュー４０の内周部分の近傍に留めやすくできる。そのため、ヒーター５８の温度を材料の熱分解温度よりも小さく設定した場合であっても、フラットスクリュー４０の内周部分の近傍の材料を適切に溶融させることができる。したがって、造形材料の変質を抑制しつつ、バレル５０の送出孔５６からノズル６０に造形材料を安定して供給できるので、ノズル６０から安定して造形材料を吐出できる。特に、本実施形態では、バレル５０のヒーター５８からの熱を、フラットスクリュー４０の内周部分の近傍に留めやすくでき、フラットスクリュー４０の内周部分よりも外周部分を低温とすることができるため、外周部分における材料の搬送を阻害せず、内周部分において材料を適切に溶融させることができる。

また、本実施形態では、バレル表面温度Ｔｂが材料の熱分解温度Ｔｄよりも低く、かつ、スクリュー表面温度Ｔｓが材料のガラス転移点Ｔｇよりも高くなるように、制御部５００によってヒーター５８の温度が制御される。そのため、バレル５０近傍の材料の変質をより確実に抑制しつつ、フラットスクリュー４０近傍の材料をより確実に溶融させることができる。

また、本実施形態では、材料として結晶性の熱可塑性樹脂が用いられ、スクリュー表面温度Ｔｓが上式（１）を満たすようにヒーター５８の温度が制御される。そのため、結晶性の熱可塑性樹脂について、フラットスクリュー４０近傍の材料をより確実に溶融させることができる。

また、本実施形態では、スクリュー温度センサー７１０がフラットスクリュー４０の周方向における中央に設けられ、制御部５００は、スクリュー温度センサー７１０によって取得したスクリュー表面温度Ｔｓを用いてヒーター５８の温度を制御する。そのため、送出孔５６に近い、フラットスクリュー４０の中央において材料を適切に溶融させることができるため、送出孔５６からの造形材料の送出不良をより確実に抑制できる。

尚、本実施形態では、ペレット状のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の材料が用いられたが、吐出ユニット２００において用いられる材料としては、例えば、熱可塑性を有する材料や、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料として三次元造形物を造形する材料を採用することもできる。ここで、「主材料」とは、三次元造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、三次元造形物において５０重量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した造形材料には、それらの主材料を単体で溶融したものや、主材料とともに含有される一部の成分が溶融してペースト状にされたものが含まれる。

主材料として熱可塑性を有する材料を用いる場合には、可塑化部９０において、当該材料が可塑化することによって造形材料が生成される。「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。また、「溶融」とは、熱可塑性を有する材料がガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性が発現することをも意味する。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、下記のいずれか一つまたは２以上を組み合わせた熱可塑性樹脂材料を用いることができる。
＜熱可塑性樹脂材料の例＞
ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック。

熱可塑性を有する材料には、顔料や、金属、セラミック、その他に、ワックス、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤などの添加剤等が混入されていてもよい。熱可塑性を有する材料は、可塑化部９０において、フラットスクリュー４０の回転とヒーター５８の加熱によって可塑化されて溶融した状態に転化される。また、そのように生成された造形材料は、ノズル孔６１から吐出された後、温度の低下によって硬化する。

熱可塑性を有する材料は、そのガラス転移点以上に加熱されて完全に溶融した状態でノズル孔６１から射出されることが望ましい。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１２０℃であり、ノズル孔６１からの射出時には約２００℃であることが望ましい。このように高温の状態で造形材料を射出するために、ノズル孔６１の周囲にはヒーターが設けられてもよい。尚、「完全に溶融した状態」とは、未溶融の熱可塑性を有する材料が存在しない状態を意味し、例えばペレット状の熱可塑性樹脂を材料に用いた場合、ペレット状の固形物が残存しない状態のことを意味する。

吐出ユニット２００では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、以下の金属材料が主材料として用いられてもよい。この場合には、下記の金属材料を粉末状にした粉末材料に、造形材料の生成の際に溶融する成分が混合されて、可塑化部９０に投入されることが望ましい。
＜金属材料の例＞
マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金。
＜合金の例＞
マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金。

吐出ユニット２００においては、上記の金属材料の代わりに、セラミック材料を主材料として用いることが可能である。セラミック材料としては、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが使用可能である。主材料として、上述したような金属材料やセラミック材料を用いる場合には、造形テーブル３００に配置された造形材料は、例えばレーザーの照射や温風などによる焼結によって硬化されてもよい。

材料供給部２０に投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料は、単一の金属の粉末や合金の粉末、セラミック材料の粉末を、複数種類、混合した混合材料であってもよい。また、金属材料やセラミック材料の粉末材料は、例えば、上で例示したような熱可塑性樹脂、あるいは、それ以外の熱可塑性樹脂によってコーティングされていてもよい。この場合には、可塑化部９０において、その熱可塑性樹脂が溶融して流動性が発現されるものとしてもよい。

材料供給部２０に投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、以下のような溶剤を添加することもできる。溶剤は、下記の中から選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
＜溶剤の例＞
水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）；ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等。

その他に、材料供給部２０に投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、以下のようなバインダーを添加することもできる。
＜バインダーの例＞
アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）或いはその他の熱可塑性樹脂。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した各実施形態の三次元造形装置１００において、材料として、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）のように、非晶性の熱可塑性樹脂が用いられる場合には、制御部５００は、上述した条件（Ｂ）を除いた、条件（Ａ）と条件（Ｃ）と条件（Ｄ）との全てを満たすように、ヒーター５８の温度を制御してもよい。この場合、融点Ｔｍを有さない非晶性の熱可塑性樹脂であっても、バレル５０近傍における材料の変質を抑制しつつ、フラットスクリュー４０の内周部分の近傍の材料を適切に溶融して、造形材料をノズル６０に供給できる。

（Ｂ２）上述した各実施形態の三次元造形装置１００において、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸ上の材料流通路４５の表面温度がスクリュー表面温度Ｔｓとして用いられている。これに対して、スクリュー表面温度Ｔｓは、フラットスクリュー４０の内周部分に含まれる材料流通路４５の表面温度であればよく、例えば、内周部分に含まれる渦状部４７の表面温度であってもよい。この場合であっても、ヒーター５８からの加熱によって、バレル５０近傍における材料の変質を抑制しつつ、フラットスクリュー４０の内周部分の近傍の材料を適切に溶融して、造形材料をノズル６０に供給できる。

（Ｂ３）上述した各実施形態の三次元造形装置１００において、断熱部４４は、フラットスクリュー４０の内周部分に含まれる材料流通路４５の表面に断熱部４４が設けられている。これに対して、断熱部４４は、フラットスクリュー４０の内周部分に含まれる、フラットスクリュー４０の内部に設けられてもよい。この場合であっても、ヒーター５８からの加熱によって、バレル５０近傍における材料の変質を抑制しつつ、フラットスクリュー４０の内周部分の近傍の材料を適切に溶融して、造形材料をノズル６０に供給できる。尚、フラットスクリュー４０の内部に断熱部４４が設けられる場合には、フラットスクリュー４０の内部におけるバレル５０に近い位置に断熱部４４が設けられることが好ましい。

Ｃ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置が提供される。この可塑化装置は、前記材料が供給される溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記溶融材料を送出するための送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料の加熱を行う加熱部を有するバレルと、を備える。前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部には、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部が設けられている。
この形態の可塑化装置によれば、スクリューの内周部分に設けられた断熱部によって、バレルの加熱部からの熱をスクリュー近傍に留めやすくできるので、バレル近傍の材料の変質を抑制しつつ、スクリュー近傍の材料を適切に溶融させて送出孔から安定して送出できる。そのため、材料の変質を抑制しつつ、溶融材料を安定して送出孔から送出できる。

（２）上記形態の可塑化装置において、前記加熱部は、前記バレルの前記スクリュー対向面における表面温度Ｔｂが前記材料の熱分解温度Ｔｄよりも低く、かつ、前記スクリューの前記材料流通路における表面温度Ｔｓが前記材料のガラス転移点Ｔｇよりも高くなるように前記加熱を行ってもよい。
この形態の可塑化装置によれば、バレル近傍の材料の変質をより確実に抑制しつつ、スクリュー近傍の材料をより確実に溶融させることができる。

（３）上記形態の可塑化装置において、前記加熱部は、前記材料として結晶性の熱可塑性樹脂が用いられる場合には、前記バレルの前記スクリュー対向面における表面温度Ｔｂが前記材料の熱分解温度Ｔｄよりも低く、かつ、前記スクリューの前記材料流通路における表面温度Ｔｓと、前記材料のガラス転移点Ｔｇと、前記材料の融点Ｔｍとの関係が下式（１）を満たすように前記加熱を行ってもよい。
Ｔｓ≧Ｔｇ＋０．１８７×（Ｔｍ−Ｔｇ） ・・・（１）
この形態の可塑化装置によれば、結晶性の材料について、スクリュー近傍の材料をより確実に溶融させることができる。

（４）上記形態の可塑化装置において、前記スクリューの前記材料流通路における表面温度Ｔｓは、前記窪みの表面における温度であってもよい。
この形態の可塑化装置によれば、送出孔に近い、スクリューの中央部において材料を適切に溶融させることができるため、送出孔から溶融材料をより安定して送出できる。

（５）本開示の第２の形態によれば、材料を可塑化して溶融材料にする可塑化方法が提供される。この可塑化方法は、溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記溶融材料を送出するための送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料を加熱する加熱部を有するバレルとの間に前記材料を供給し、前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部に設けられた、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部によって熱の伝達を抑制しつつ、前記加熱部によって前記材料を加熱する。
この形態の可塑化方法によれば、スクリューの内周部分に設けられた断熱部によって熱の伝達を抑制しつつ加熱部による加熱を行うことによって、バレル近傍における材料の変質を抑制しつつ、スクリュー近傍の材料を適切に溶融させて送出孔から安定して送出できる。そのため、材料の変質を抑制しつつ、溶融材料を安定して送出孔から送出できる。

（６）本開示の第３の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、溶融材料を吐出するノズルと、材料が供給される溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記ノズルに連通する送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料の加熱を行う加熱部を有するバレルと、を有する可塑化部と、前記加熱部を制御する制御部と、を備える。前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部には、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部が設けられている。
この形態の三次元造形装置によれば、スクリューの内周部分に設けられた断熱部によって、バレルの加熱部からの熱をスクリュー近傍に留めやすくできるので、バレル近傍の材料の変質を抑制しつつ、スクリュー近傍の材料を適切に溶融させてノズルに安定して供給できる。そのため、材料の変質を抑制しつつ、ノズルから溶融材料を安定して吐出できる。

本開示は、可塑化装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、可塑化方法、三次元造形装置等の形態で実現することができる。

２０…材料供給部、２２…供給路、３０…駆動モーター、３１…回転軸、４０…フラットスクリュー、４１…上面、４２…溝形成面、４３…側面、４４…断熱部、４５…材料流通路、４６…中央部、４７…渦状部、４８…材料導入部、５０…バレル、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…送出孔、５８…ヒーター、５９…冷却水流路、６０…ノズル、６１…ノズル孔、６２…ノズル流路、９０…可塑化部、９１…スクリューケース、１００…三次元造形装置、２００…吐出ユニット、３００…造形テーブル、４００…移動機構、５００…制御部、７１０…スクリュー温度センサー、７２０…バレル温度センサー

Claims (6)

1. 材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置であって、
   前記材料が供給される溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、
   前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記溶融材料を送出するための送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料の加熱を行う加熱部を有するバレルと、
   を備え、
   前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、
   前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部には、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部が設けられている、
   可塑化装置。
2. 請求項１に記載の可塑化装置であって、
   前記加熱部は、前記バレルの前記スクリュー対向面における表面温度Ｔｂが前記材料の熱分解温度Ｔｄよりも低く、かつ、前記スクリューの前記材料流通路における表面温度Ｔｓが前記材料のガラス転移点Ｔｇよりも高くなるように前記加熱を行う、可塑化装置。
3. 請求項２に記載の可塑化装置であって、
   前記加熱部は、前記材料として結晶性の熱可塑性樹脂が用いられる場合には、前記バレルの前記スクリュー対向面における表面温度Ｔｂが前記材料の熱分解温度Ｔｄよりも低く、かつ、前記スクリューの前記材料流通路における表面温度Ｔｓと、前記材料のガラス転移点Ｔｇと、前記材料の融点Ｔｍとの関係が下式（１）を満たすように前記加熱を行う、可塑化装置。
   Ｔｓ≧Ｔｇ＋０．１８７×（Ｔｍ−Ｔｇ） ・・・（１）
4. 請求項２または請求項３に記載の可塑化装置であって、
   前記スクリューの前記材料流通路における表面温度Ｔｓは、前記窪みの表面における温度である、可塑化装置。
5. 材料を可塑化して溶融材料にする可塑化方法であって、
   溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記溶融材料を送出するための送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料を加熱する加熱部を有するバレルとの間に前記材料を供給し、
   前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部に設けられた、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部によって熱の伝達を抑制しつつ、前記加熱部によって前記材料を加熱する、可塑化方法。
6. 三次元造形装置であって、
   溶融材料を吐出するノズルと、
   材料が供給される溝部を含む材料流通路が形成された溝形成面を有する円柱状のスクリューと、前記溝形成面に対向する面であり、中央に前記ノズルに連通する送出孔が形成されたスクリュー対向面、および、前記材料の加熱を行う加熱部を有するバレルと、を有する可塑化部と、
   前記加熱部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記材料流通路は、前記溝形成面の中央に設けられた窪みと、前記窪みから前記溝形成面の外周に向かって渦状に延びる前記溝部とを有し、
   前記スクリューにおける前記窪みを含む内周部分の少なくとも一部には、前記スクリューにおける外周部分よりも熱伝導率の低い断熱部が設けられている、三次元造形装置。

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