JP2022083026A - 可塑化装置、射出成形装置、および三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定化した可塑化を実現することができる可塑化装置を提供する。【解決手段】材料を可塑化する可塑化装置であって、駆動モーターと、前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、前記バレルは、第１部材と、前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、を有し、前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている、可塑化装置。【選択図】図５

Description

本発明は、可塑化装置、射出成形装置、および三次元造形装置に関する。

可塑化装置によって可塑化された材料を、一対の金型で形成されたキャビティーに供給し、ノズルから射出させる射出成形装置が知られている。

例えば特許文献１には、材料流入通路が一端面に開口するバレルと、バレルの一端面に対して摺接する端面を有するローターと、ローターの端面に形成された螺旋溝と、を備えた可塑化送出装置が記載されている。螺旋溝は、径方向外側端部から材料が供給されるとともに、径方向内側端部がバレルの材料流入通路の開口端に連通している。

特開２０１０－２４１０１６号公報

上記のようなローターを備えた可塑化送出装置では、材料の搬送と材料の溶融とのバランスによって、安定して材料を可塑化することができる。理想的には、螺旋溝の径方向外側端部である材料の供給部では、材料が固体の状態であり、螺旋溝の径方向内側端部に向かうにつれて、材料が溶融した状態となっていることが望ましい。供給部で材料が溶融した状態であると、材料を径方向内側端部に搬送するための搬送力が得られず吐出が安定しない上に、新たな材料が供給されないブリッジ現象が生じる。

本発明に係る可塑化装置の一態様は、
材料を可塑化する可塑化装置であって、
駆動モーターと、
前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
前記バレルは、
第１部材と、
前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
を有し、
前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている。

本発明に係る射出成形装置の一態様は、
材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置と、
前記可塑化装置から供給された前記溶融材料を成形型に射出するノズルと、
を含み、
前記可塑化装置は、
駆動モーターと、
前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
前記バレルは、
第１部材と、
前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
を有し、
前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている。

本発明に係る三次元造形装置の一態様は、
材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置と、
前記可塑化装置から供給された前記溶融材料をステージに向かって吐出させるノズルと、
を含み、
前記可塑化装置は、
駆動モーターと、
前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
前記バレルは、
第１部材と、
前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
を有し、
前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている。

第１実施形態に係る射出成形装置を模式的に示す図。 第１実施形態に係る射出成形装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る射出成形装置のフラットスクリューを模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る射出成形装置のバレルを模式的に示す図。 第１実施形態に係る射出成形装置のバレルを模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る射出成形装置のフラットスクリューを模式的に示す図。 第２実施形態に係る射出成形装置のバレルを模式的に示す断面図。 第２実施形態の変形例に係る射出成形装置のバレルを模式的に示す断面図。 第３実施形態の変形例に係る三次元造形装置を模式的に示す断面図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 射出成形装置
１．１．１． 全体の構成
まず、第１実施形態に係る射出成形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る射出成形装置１００を模式的に示す図である。なお、図１では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、例えば、水平方向である。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向である。

射出成形装置１００は、図１に示すように、材料供給部１０と、射出部２０と、型部３０と、型締部４０と、制御部５０と、を含む。

材料供給部１０は、射出部２０に原料となる材料を供給する。材料供給部１０は、例えば、ホッパーによって構成されている。材料供給部１０には、ペレット状や粉末状の材料が供給される。

射出部２０は、材料供給部１０から供給された材料を可塑化して、溶融材料にする。そして、射出部２０は、溶融材料を型部３０に向けて射出する。

なお、可塑化とは、溶融を含む概念であり、固体から流動性を有する状態に変化させることである。具体的には、ガラス転移が起こる材料の場合、可塑化とは、材料の温度をガラス転移点以上にすることである。ガラス転移が起こらない材料の場合、可塑化とは、材料の温度を融点以上にすることである。

型部３０には、成形品の形状に相当するキャビティーが形成される。射出部２０から射出された溶融材料は、キャビティーに流れ込む。そして、溶融材料が冷却されて固化され、成形品が生成される。

型締部４０は、型部３０の開閉を行う。型締部４０は、溶融材料が冷却された固化された後に、型部３０を開く。これにより、成形品が外部に排出される。

制御部５０は、例えば、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、を有するコンピューターによって構成されている。制御部５０は、例えば、主記憶装置に読み込んだプログラムをプロセッサーが実行することによって、種々の機能を発揮する。具体的には、制御部５０は、射出部２０および型締部４０を制御する。なお、制御部５０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。

１．１．２． 具体的な構成
図２は、射出成形装置１００を模式的に示す図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。射出部２０は、図２に示すように、例えば、可塑化装置６０と、射出機構７０と、ノズル８０と、を有している。

可塑化装置６０は、材料供給部１０から供給された材料を可塑化し、流動性を有するペースト状の溶融材料を生成して射出機構７０へと導くように構成されている。可塑化装置６０は、例えば、スクリューケース６２と、駆動モーター６４と、フラットスクリュー１１０と、バレル１２０と、ヒーター１３０と、逆止弁１４０と、を有している。

スクリューケース６２は、フラットスクリュー１１０を収容する筐体である。スクリューケース６２とバレル１２０とによって囲まれた空間に、フラットスクリュー１１０が収容されている。

駆動モーター６４は、スクリューケース６２に設けられている。駆動モーター６４は、フラットスクリュー１１０を回転させる。駆動モーター６４は、制御部５０によって制御される。

フラットスクリュー１１０は、回転軸ＲＡ方向の大きさが、回転軸ＲＡ方向と直交する方向の大きさよりも小さい略円柱形状を有している。図示の例では、回転軸ＲＡは、Ｙ軸と平行である。駆動モーター６４が発生させるトルクによって、フラットスクリュー１１０は、回転軸ＲＡを中心に回転する。フラットスクリュー１１０は、主面１１１と、主面１１１とは反対側の溝形成面１１２と、主面１１１と溝形成面１１２とを接続する接続面
１１３と、を有している。ここで、図３は、フラットスクリュー１１０を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、図３では、図２に示した状態とは上下の位置関係を逆向きとした状態を示している。また、図２では、フラットスクリュー１１０を簡略化して図示している。

フラットスクリュー１１０の溝形成面１１２には、図３に示すように、第１溝１１４が形成されている。第１溝１１４は、例えば、溝中央部１１５と、溝接続部１１６と、材料導入部１１７と、を有している。溝中央部１１５は、バレル１２０に設けられた連通孔１２６と対向している。溝中央部１１５は、連通孔１２６と連通している。溝接続部１１６は、溝中央部１１５と材料導入部１１７とを接続している。図示の例では、溝接続部１１６は、溝中央部１１５から溝形成面１１２の外周に向かって渦状に設けられている。材料導入部１１７は、溝形成面１１２の外周に設けられている。すなわち、材料導入部１１７は、フラットスクリュー１１０の接続面１１３に設けられている。材料供給部１０から供給された材料は、材料導入部１１７から第１溝１１４に導入され、溝接続部１１６および溝中央部１１５を通って、バレル１２０に設けられた連通孔１２６に搬送される。図示の例では、第１溝１１４は、２つ設けられている。

なお、第１溝１１４の数は、特に限定されない。図示はしないが、第１溝１１４は、３つ以上設けられていてもよいし、１つだけ設けられていてもよい。

バレル１２０は、図２に示すように、フラットスクリュー１１０に対向して設けられている。バレル１２０は、フラットスクリュー１１０の溝形成面１１２に対向する対向面１２２を有している。対向面１２２の中心には、連通孔１２６が設けられている。ここで、図４は、バレル１２０を模式的に示す図である。なお、便宜上、図２では、バレル１２０を簡略化して図示している。

バレル１２０の対向面１２２には、図４に示すように、第２溝１２４と、連通孔１２６と、が設けられている。第２溝１２４は、複数設けられている。図示の例では、６つの第２溝１２４が設けられているが、その数は、特に限定されない。複数の第２溝１２４は、Ｙ軸方向からみて、連通孔１２６の周りに設けられている。第２溝１２４は、一端が連通孔１２６に接続され、連通孔１２６から対向面１２２の外周に向かって渦状に延びている。第２溝１２４は、溶融材料を連通孔１２６に導く機能を有している。

なお、第２溝１２４の形状は、特に限定されず、例えば、直線状であってもよい。また、第２溝１２４の一端は、連通孔１２６に接続されていなくてもよい。さらに、第２溝１２４は、対向面１２２に設けられていなくてもよい。ただし、連通孔１２６に溶融材料を効率よく導くことを考慮すると、第２溝１２４は、対向面１２２に設けられていることが好ましい。

ヒーター１３０は、図２に示すように、バレル１２０に設けられている。図示の例では、ヒーター１３０は、バレル１２０に設けられた４本の棒ヒーターによって構成されている。ヒーター１３０は、フラットスクリュー１１０とバレル１２０との間に供給された材料を加熱する。ヒーター１３０の出力は、制御部５０によって制御される。可塑化装置６０は、フラットスクリュー１１０、バレル１２０、およびヒーター１３０によって、材料を連通孔１２６に向かって搬送しながら加熱して溶融材料を生成し、生成された溶融材料を、連通孔１２６から射出機構７０へと流出させる。

逆止弁１４０は、連通孔１２６に設けられている。逆止弁１４０は、連通孔１２６からフラットスクリュー１１０に設けられた第１溝１１４へ溶融材料が逆流することを抑制することができる。

射出機構７０は、例えば、シリンダー７２と、プランジャー７４と、プランジャー駆動部７６と、を有している。シリンダー７２は、連通孔１２６に接続された略円筒状の部材である。プランジャー７４は、シリンダー７２の内部を移動する。プランジャー７４は、モーターやギア等によって構成されたプランジャー駆動部７６によって駆動される。プランジャー駆動部７６は、制御部５０によって制御される。

射出機構７０は、プランジャー７４をシリンダー７２内で摺動させることによって、計量操作および射出操作を実行する。計量操作とは、連通孔１２６から離れる－Ｘ軸方向にプランジャー７４を移動させることによって、連通孔１２６に位置する溶融材料をシリンダー７２内へと導いて、シリンダー７２内において計量する操作を指す。射出操作とは、連通孔１２６へ近付く＋Ｘ軸方向にプランジャー７４を移動させることによって、シリンダー７２内の溶融材料を、ノズル８０を介して型部３０に射出する操作を指す。

ノズル８０には、連通孔１２６と連通しているノズル孔８２が設けられている。ノズル孔８２は、可塑化装置６０から供給された溶融材料を型部３０の成形型３２に射出する。具体的には、上述した計量操作および射出操作が実行されることによって、シリンダー７２内で計量された溶融材料が、射出機構７０から連通孔１２６を介してノズル孔８２へと送られる。そして、溶融材料は、ノズル孔８２から型部３０へと射出される。

型部３０は、成形型３２を有している。成形型３２は、金型である。ノズル孔８２に送られた溶融材料は、ノズル孔８２から成形型３２のキャビティー３４に射出される。具体的には、成形型３２は、互いに対向する可動型３６および固定型３８を有し、可動型３６と固定型３８との間にキャビティー３４を有している。キャビティー３４は、成形品の形状に相当する空間である。可動型３６および固定型３８の材質は、金属である。なお、可動型３６および固定型３８の材質は、セラミック、樹脂であってもよい。

型締部４０は、例えば、型駆動部４２と、ボールねじ部４４と、を有している。型駆動部４２は、例えば、モーター、ギアなどによって構成されている。型駆動部４２は、ボールねじ部４４を介して可動型３６に接続されている。型駆動部４２の駆動は、制御部５０によって制御される。ボールねじ部４４は、型駆動部４２の駆動による動力を可動型３６に伝達する。型締部４０は、型駆動部４２およびボールねじ部４４によって可動型３６を移動させることによって、型部３０の開閉を行う。

１．１．３． バレルの第１部材および第２部材
図５は、バレル１２０を模式的に示す図４のＶ－Ｖ線断面図である。バレル１２０は、図４および図５に示すように、第１部材１５０と、第２部材１５２と、を有している。

第１部材１５０は、連通孔１２６と離間して設けられている。第１部材１５０は、バレル１２０の対向面１２２が表面処理されて形成されている。例えば、金属からなる円盤状の第２部材１５２の一部を削り、削られた部分に第１部材１５０を嵌め込むことにより、第１部材１５０が形成されている。第１部材１５０は、Ｙ軸方向からみて、連通孔１２６を囲む形状を有している。図４に示す例では、第１部材１５０の形状は、リング状である。

なお、例えば、第１部材１５０は、第２部材１５２の一部をコーティングすることによって形成されていてもよい。このように、「表面処理」とは、ある部材を削ることや、ある部材にコーティングをすることなどを含む。

第１部材１５０の材質は、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＢＩ
（ポリベンゾイミダゾール）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）樹脂などの樹脂である。第１部材１５０の融点は、材料供給部１０から供給される材料の融点より高い。例えば、材料供給部１０から供給された材料がＡＢＳの場合、第１部材１５０の材質は、ＰＥＥＫ、ＰＢＩなどである。例えば、材料供給部１０から供給された材料がＰＥＥＫの場合、第１部材１５０の材質は、ＰＢＩなどである。

第２部材１５２は、第１部材１５０と連通孔１２６との間に設けられている。第１部材１５０よりも連通孔１２６の近くに第２部材１５２が設けられている。図４および図５に示す例では、第２部材１５２は、第１部材１５０の内側、第１部材１５０の外側、および第１部材１５０の＋Ｙ軸方向に設けられている。連通孔１２６は、第２部材１５２に設けられている。第２部材１５２は、Ｙ軸方向からみて、連通孔１２６を囲む形状を有している。

第２部材１５２の熱伝導率は、第１部材１５０の熱伝導率と異なる。具体的には、第１部材１５０の熱伝導率は、第２部材１５２の熱伝導率よりも低い。第２部材１５２の材質は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）などの金属である。

第１部材１５０の熱伝導率と第２部材１５２の熱伝導率との差は、例えば、材料供給部１０から供給される材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さい。換言すると、供給される材料が非晶性の場合は、第１部材１５０の熱伝導率と第２部材１５２の熱伝導率との差が第１差Δ１となるように、部材１５０，１５２の材質を選択する。供給される材料が結晶性の場合は、第１部材１５０の熱伝導率と第２部材１５２の熱伝導率との差が第１差Δ１よりも小さい第２差Δ２となるように、部材１５０，１５２の材質を選択する。非晶性の材料としては、例えば、ＡＢＳ樹脂が挙げられる。結晶性の樹脂としては、例えば、ＰＥＥＫが挙げられる。

Ｙ軸方向からみて、第１部材１５０の面積は、例えば、材料供給部１０から供給される材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さい。換言すると、供給される材料が非晶性の場合は、第１部材１５０の面積が第１面積Ｓ１となるように、第１部材１５０を設ける。供給される材料が結晶性の場合は、第１部材１５０の面積が第１面積Ｓ１よりも小さい第２面積Ｓ２となるように、第１部材１５０を設ける。

なお、Ｙ軸方向からみて、第２部材１５２の面積は、例えば、材料供給部１０から供給される材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、大きくてもよい。また、供給される材料が非晶性の場合、第１部材１５０の面積は、第２部材１５２の面積より大きくてもよく、供給される材料が結晶性の場合、第１部材１５０の面積は、第２部材１５２の面積より小さくてもよい。

第２部材１５２には、第２溝１２４が設けられている。第１部材１５０には、第２溝１２４は、設けられていない。第１部材１５０は熱伝導率が低いため、ヒーター１３０の熱を供給された材料に伝達し難く、材料が溶融し難い。そのため、第１部材１５０に第２溝１２４を設けても、連通孔１２６に溶融材料を導き難い。第１部材１５０は、ヒーター１３０と離間している。第２部材１５２は、例えば、ヒーター１３０と接している。第１部材１５０とヒーター１３０との間には、第２部材１５２が設けられている。

図示の例では、第１部材１５０の外側に、第２部材１５２が設けられている。図示はしないが、バレル１２０の外周側には、冷却管が設けられている。そのため、第１部材１５０の外側に熱伝導率の高い第２部材１５２を設けることにより、第１部材１５０の外側の部分の温度を下げることができる。

１．１．４． フラットスクリューの表面粗さ
図６は、フラットスクリュー１１０を模式的に示す図である。フラットスクリュー１１０は、図６に示すように、外周部１１０ａと、中央部１１０ｂと、を有している。外周部１１０ａは、フラットスクリュー１１０に設けられた第１溝１１４の材料導入部１１７を含む部分である。図示の例では、外周部１１０ａの形状は、リング状である。中央部１１０ｂは、第１溝１１４の溝中央部１１５を含む部分である。図示の例では、中央部１１０ｂの形状は、円である。図示の例では、外周部１１０ａと中央部１１０ｂとの境界線Ｂは、Ｙ軸方向からみて、フラットスクリュー１１０の外周と、フラットスクリュー１１０の中心と、の中点を結んで形成される曲線である。

第１溝１１４の内面１１８の表面粗さＲａは、フラットスクリュー１１０の外周部１１０ａの方が中央部１１０ｂよりも大きい。内面１１８は、第１溝１１４を規定するフラットスクリュー１１０の面である。内面１１８は、底面１１８ａと、側面１１８ｂと、を有している。ここで、「内面１１８の表面粗さＲａは、外周部１１０ａの方が中央部１１０ｂよりも大きい」とは、底面１１８ａおよび側面１１８ｂの少なくとも一方の表面粗さＲａにおいて、外周部１１０ａの方が中央部１１０ｂよりも大きいことをいう。底面１１８ａおよび側面１１８ｂは、例えば、互いに直交している。

外周部１１０ａにおける内面１１８の表面粗さＲａは、例えば、１．０μｍよりも大きい。中央部１１０ｂにおける内面１１８の表面粗さＲａは、例えば、０．５μｍよりも小さい。表面粗さＲａは、例えば、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）によって測定することができる。

上記のような表面粗さＲａを有するフラットスクリュー１１０は、例えば、以下のようにして形成される。フラットスクリュー１１０を加工して第１溝１１４を形成した後、中央部１１０ｂを磨き、外周部１１０ａを磨かないことにより、外周部１１０ａと中央部１１０ｂとで表面粗さＲａに差をつけることができる。または、フラットスクリュー１１０を加工して第１溝１１４を形成した後、中央部１１０ｂをマスク層で覆い、外周部１１０ａをブラスト加工することによって、外周部１１０ａと中央部１１０ｂとで表面粗さＲａに差をつけることができる。フラットスクリュー１１０の材質は、例えば、ＳＵＳである。

１．１．５． 作用効果
可塑化装置６０では、バレル１２０は、第１部材１５０と、第１部材１５０と熱伝導率が異なる第２部材１５２と、を有し、第１部材１５０よりも連通孔１２６の近くに第２部材１５２が設けられている。そのため、可塑化装置６０では、例えば第１部分の熱伝導率と第２部分の熱伝導率とが同じ場合に比べて、連通孔１２６の温度とバレル１２０の外周の温度との差をつけ易い。これにより、可塑化装置６０では、バレル１２０の外周から連通孔１２６に向けて温度勾配を適切に制御することができ、安定化した可塑化を実現することができる。

可塑化装置６０では、第１部材１５０の熱伝導率は、第２部材１５２の熱伝導率よりも低い。そのため、可塑化装置６０では、バレル１２０の外周から連通孔１２６に向けて温度が高くなる温度勾配を形成し易い。

可塑化装置６０では、第１部材１５０および第２部材１５２は、連通孔１２６を囲む形状を有する。そのため、可塑化装置６０では、第１部材および第２部材が連通孔を囲む形状を有さない場合に比べて、バレル１２０の外周から連通孔１２６に向けて温度勾配を形成し易い。

可塑化装置６０では、第１部材１５０は、対向面１２２が表面処理されて形成されている。そのため、可塑化装置６０では、例えば第１部材を他の部材に溶接することなく、第１部材１５０および第２部材１５２を有するバレル１２０を形成することができる。

なお、図示はしないが、第１部材１５０の代わりに第２部材１５２が表面処理されて形成されていてもよいし、第１部材１５０および第２部材１５２の両方が表面処理されて形成されていてもよい。

可塑化装置６０では、第１部材１５０の熱伝導率と第２部材１５２の熱伝導率との差は、材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さい。材料が結晶性の場合は、材料が非晶性の場合よりも可塑化し難い。そのため、可塑化装置６０では、材料が結晶性の場合は、材料が非晶性の場合よりも第１部材１５０の熱伝導率を第２部材１５２の熱伝導率に近づけて、バレル１２０の外周でも材料に熱を伝わり易くすることにより、可塑化の促進を図ることができる。このように、可塑化装置６０では、第１部材１５０および第２部材１５２の少なくとも一方の材質を変更することで、材料に適した温度勾配を形成することができる。例えば、供給される材料がエラストマーであっても、容易に温度制御することができる。そのため、射出量を増大させることができる。

可塑化装置６０では、駆動モーター６４の回転軸ＲＡ方向からみて、第１部材１５０の面積は、材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さい。上記のとおり、材料が結晶性の場合は、材料が非晶性の場合よりも可塑化し難い。そのため、可塑化装置６０では、材料が結晶性の場合は、材料が非晶性の場合よりも第１部材１５０の面積を小さくして、バレル１２０の外周でも材料に熱を伝わり易くすることにより、可塑化の促進を図ることができる。このように、可塑化装置６０では、第１部材１５０の面積を変更することで、材料に適した温度勾配を形成することができる。

可塑化装置６０では、第１溝１１４の内面１１８の表面粗さＲａは、フラットスクリュー１１０の外周部１１０ａの方が中央部１１０ｂよりも大きい。例えば、フラットスクリューの外周部の表面粗さＲａが中央部以下であると、外周部において材料がフラットスクリューに吸着し、連通孔に材料を搬送できない場合がある。特に、材料がエラストマーやＭＩＭ（Multilayer Instruction Model）材の場合は、このような現象が起きやすい。

上記のような問題に対し、可塑化装置６０では、外周部１１０ａの内面１１８の表面粗さＲａを、中央部１１０ｂの内面１１８の表面粗さＲａよりも大きくすることにより、材料とフラットスクリュー１１０との接触面積を小さくして材料の吸着を抑制し、材料を連通孔１２６に搬送することができる。表面粗さＲａが大きいと、例えば、材料は、内面１１８の表面を構成する２つの凸部の間に位置する凹部に入り込まないので、材料とフラットスクリュー１１０との接触面積を小さくすることができる。さらに、材料のフラットスクリュー１１０に対する吸着を抑制できるので、射出量のばらつきを抑制することができる。

さらに、可塑化装置６０では、中央部１１０ｂの内面１１８の表面粗さＲａを、外周部１１０ａの内面１１８の表面粗さＲａよりも小さくすることにより、溶融された状態の材料を、スムーズに連通孔１２６に搬送することができる。

２． 第２実施形態
２．１． 射出成形装置
次に、第２実施形態に係る射出成形装置について、図面を参照しながら説明する。図７は、第２実施形態に係る射出成形装置２００のバレル１２０を模式的に示す断面図である。

以下、第２実施形態に係る射出成形装置２００において、上述した第１実施形態に係る射出成形装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した射出成形装置１００では、図５に示すように、第１部材１５０は、対向面１２２が表面処理されて形成されていた。

これに対し、射出成形装置２００では、図７に示すように、第１部材１５０は、表面処理によって形成されていない。第１部材１５０は、例えば、他の部材に溶接されることによって形成されている。

射出成形装置２００では、バレル１２０は、第１部材１５０と、第２部材１５２と、第３部材１５４と、を有している。図示の例では、第３部材１５４は、Ｙ軸方向からみて、第１部材１５０と第２部材１５２との間に設けられた第１部分１５４ａと、第２部材１５２と連通孔１２６との間に設けられた第２部分１５４ｂと、を有している。第１部分１５４ａの熱伝導率は、例えば、第１部材１５０の熱伝導率よりも高く、かつ、第２部材１５２の熱伝導率よりも低い。第２部分１５４ｂの熱伝導率は、例えば、第２部材１５２の熱伝導率よりも高い。第１部分１５４ａおよび第２部分１５４ｂの材質は、特に限定されない。

２．２． 変形例
次に、第２実施形態の変形例に係る射出成形装置について、図面を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態の変形例に係る射出成形装置２１０のバレル１２０を模式的に示す断面図である。以下、第２実施形態の変形例に係る射出成形装置２１０において、上述した第２実施形態に係る射出成形装置２００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した射出成形装置２００では、図７に示すように、第１部材１５０は、バレル１２０の対向面１２２を形成していた。

これに対し、射出成形装置２１０では、図８に示すように、第１部材１５０は、対向面１２２を形成しておらず、第３部材１５４に囲まれて設けられている。第１部材１５０は、第３部材１５４に挟まれている。第１部材１５０は、対向面１２２とヒーター１３０との間に設けられている。第２部材１５２は、対向面１２２とヒーター１３０との間に設けられている。

なお、材料供給部１０から供給される材料としては、熱可塑性を有する材料、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料とした材料を挙げることができる。ここで、「主材料」とは、成形品の形状を形作っている中心となる材料を意味し、成形品において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。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、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、ＰＥＥＫなどのエンジニアリングプラスチックが挙げられる。

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、可塑化装置６０において、フラットスクリュー１１０の回転と、ヒーター１３０の加熱と、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溶融材料は、ノズル８０から射出された後、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８０から射出されることが望ましい。

可塑化装置６０では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、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、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、可塑化装置６０に投入されることが望ましい。

金属材料としては、例えば、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、また、マルエージング鋼、ステンレス鋼、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が挙げられる。

可塑化装置６０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や、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックなどが挙げられる。

材料供給部１０から供給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、上述の熱可塑性樹脂、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、可塑化装置６０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１０から供給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、溶剤を添加することもできる。溶剤としては、例えば、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が挙げられる。

その他に、材料供給部１０から供給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、バインダーが添加されていてもよい。バインダーとしては、例えば、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または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、あるいはその他の熱可塑性樹脂が挙げられる。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態に係る三次元造形装置３００を模式的に示す断面図である。

三次元造形装置３００は、例えば、図９に示すように、材料供給部１０と、制御部５０と、可塑化装置６０と、ノズル８０と、ステージ３１０と、移動機構３２０と、を含む。可塑化装置６０は、例えば、スクリューケース６２と、駆動モーター６４と、フラットスクリュー１１０と、バレル１２０と、ヒーター１３０と、を有している。

ノズル８０は、可塑化装置６０から供給された溶融材料をステージ３１０に向かって吐出させる。具体的には、三次元造形装置３００は、ノズル８０からステージ３１０に溶融材料を吐出させつつ、移動機構３２０を駆動して、ノズル８０とステージ３１０との相対的な位置を変化させる。これにより、三次元造形装置３００は、ステージ３１０上に所望の形状の三次元造形物を造形する。

ステージ３１０は、移動機構３２０によって移動される。三次元造形物は、ステージ３１０の造形面３１２に形成される。なお、ステージ３１０上に直接的に溶融材料が積層されてもよいが、ステージ３１０上に試料プレートを設け、試料プレート上に三次元造形物が形成されてもよい。

移動機構３２０は、ノズル８０とステージ３１０との相対的な位置を変化させる。図示の例では、移動機構３２０は、ノズル８０に対して、ステージ３１０を移動させる。移動機構３２０は、例えば、３つのモーター３２２の駆動力によって、ステージ３１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ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。モーター３２２は、制御部５０によって制御される。

なお、移動機構３２０は、ステージ３１０を移動させずに、ノズル８０を移動させる構成であってもよい。または、移動機構３２０は、ノズル８０およびステージ３１０の両方を移動させる構成であってもよい。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

上述した実施形態から以下の内容が導き出される。

可塑化装置の一態様は、
材料を可塑化する可塑化装置であって、
駆動モーターと、
前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
前記バレルは、
第１部材と、
前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
を有し、
前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている。

この可塑化装置によれば、安定化した可塑化を実現することができる。

前記可塑化装置の一態様において、
前記第１部材の熱伝導率は、前記第２部材の熱伝導率よりも低くてもよい。

この可塑化装置によれば、バレルの外周から連通孔に向けて温度が高くなる温度勾配を形成し易い。

前記可塑化装置の一態様において、
前記第１部材および前記第２部材は、前記連通孔を囲む形状を有してもよい。

この可塑化装置によれば、第１部材および第２部材が連通孔を囲む形状を有さない場合に比べて、バレルの外周から連通孔に向けて温度勾配を形成し易い。

前記可塑化装置の一態様において、
前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方は、前記対向面が表面処理されて形成されていてもよい。

この可塑化装置では、例えば第１部材を他の部材に溶接することなく、第１部材および第２部材を有するバレルを形成することができる。

前記可塑化装置の一態様において、
前記第１部材の熱伝導率と前記第２部材の熱伝導率との差は、前記材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さくてもよい。

この可塑化装置によれば、材料に適した温度勾配を形成することができる。

前記可塑化装置の一態様において、
前記駆動モーターの回転軸方向からみて、前記第１部材の面積は、前記材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さくてもよい。

この可塑化装置によれば、材料に適した温度勾配を形成することができる。

前記可塑化装置の一態様において、
前記溝の内面の表面粗さは、前記スクリューの外周部の方が中央部よりも大きくてもよい。

この可塑化装置によれば、材料のスクリューに対する吸着を抑制し、材料を連通孔に搬送することができる。

射出成形装置の一態様は、
材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置と、
前記可塑化装置から供給された前記溶融材料を成形型に射出するノズルと、
を含み、
前記可塑化装置は、
駆動モーターと、
前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
前記バレルは、
第１部材と、
前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
を有し、
前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている。

三次元造形装置の一態様は、
材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置と、
前記可塑化装置から供給された前記溶融材料をステージに向かって吐出させるノズルと、
を含み、
前記可塑化装置は、
駆動モーターと、
前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
前記バレルは、
第１部材と、
前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
を有し、
前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている。

１０…材料供給部、２０…射出部、３０…型部、３２…成形型、３４…キャビティー、３６…可動型、３８…固定型、４０…型締部、４２…型駆動部、４４…ボールねじ部、５０…制御部、６０…可塑化装置、６２…スクリューケース、６４…駆動モーター、７０…射出機構、７２…シリンダー、７４…プランジャー、７６…プランジャー駆動部、８０…ノズル、８２…ノズル孔、１００…射出成形装置、１１０…フラットスクリュー、１１１…主面、１１２…溝形成面、１１３…接続面、１１４…第１溝、１１５…溝中央部、１１６…溝接続部、１１７…材料導入部、１１８…内面、１１８ａ…底面、１１８ｂ…側面、１２０…バレル、１２２…対向面、１２４…第２溝、１２６…連通孔、１３０…ヒーター、１４０…逆止弁、１５０…第１部材、１５２…第２部材、１５４…第３部材、１５４ａ…第１部分、１５４ｂ…第２部分、２００…射出成形装置、３００…三次元造形装置、３１０…ステージ、３１２…造形面、３２０…移動機構、３２２…モーター

Claims (9)

1. 材料を可塑化する可塑化装置であって、
   駆動モーターと、
   前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
   前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
   前記バレルは、
   第１部材と、
   前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
   を有し、
   前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている、可塑化装置。
2. 請求項１において、
   前記第１部材の熱伝導率は、前記第２部材の熱伝導率よりも低い、可塑化装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第１部材および前記第２部材は、前記連通孔を囲む形状を有する、可塑化装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方は、前記対向面が表面処理されて形成されている、可塑化装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記第１部材の熱伝導率と前記第２部材の熱伝導率との差は、前記材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さい、可塑化装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記駆動モーターの回転軸方向からみて、前記第１部材の面積は、前記材料が非晶性の場合よりも結晶性の場合の方が、小さい、可塑化装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記溝の内面の表面粗さは、前記スクリューの外周部の方が中央部よりも大きい、可塑化装置。
8. 材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置と、
   前記可塑化装置から供給された前記溶融材料を成形型に射出するノズルと、
   を含み、
   前記可塑化装置は、
   駆動モーターと、
   前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
   前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
   前記バレルは、
   第１部材と、
   前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
   を有し、
   前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている、射出成形装置。
9. 材料を可塑化して溶融材料にする可塑化装置と、
   前記可塑化装置から供給された前記溶融材料をステージに向かって吐出させるノズルと、
   を含み、
   前記可塑化装置は、
   駆動モーターと、
   前記駆動モーターによって回転し、溝が形成された溝形成面を有するスクリューと、
   前記溝形成面に対向する対向面を有し、ヒーターおよび連通孔が設けられたバレルと、を含み、
   前記バレルは、
   第１部材と、
   前記第１部材と熱伝導率が異なる第２部材と、
   を有し、
   前記第１部材よりも前記連通孔の近くに前記第２部材が設けられている、三次元造形装置。

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