JP2023170177A

JP2023170177A - ゴム製品の造形方法およびゴム製品の造形装置

Info

Publication number: JP2023170177A
Application number: JP2022081726A
Authority: JP
Inventors: 涼河合; Ryo Kawai
Original assignee: Uchiyama Manufacturing Corp
Current assignee: Uchiyama Manufacturing Corp
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-12-01

Abstract

【課題】造形の過程において意図せぬゴムの変形を低減させ、所望の形状のゴム製品を得ることができる。
【解決手段】ゴム製品の造形方法は、複数のゴム層（Ｒ１、Ｒ２、・・・Ｒｎ）を積層させてゴム製品を得る、ゴム製品の造形方法であって、前記複数のゴム層を、ステージ（２）または他のゴム層の上に未加硫状態のゴムを積層する積層ステップと、前記積層ステップにて積層されたゴムを加熱する加熱ステップと、を繰り返し実施することにより形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ゴム製品の造形方法およびゴム製品の造形装置に関する。

従来、造形物の材料をステージに堆積させて層を形成し、複数の当該層を積層することにより立体的な造形物を造形する技術が知られている。特に、特許文献１には、未加硫ゴム組成物を材料とする造形物を造形する技術が開示されている。具体的には、特許文献１には、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、吐出孔からステージ（造形シート）上に未加硫ゴム組成物を吐出させることで、流動性が低い未加硫ゴム組成物をステージ上に積層させ、造形物を造形する造形装置が開示されている。

特許第６３２３８２３号公報

特許文献１では、複数のゴム層を積層させ造形物を形成した後、当該造形物に加熱処理を行うことで、ゴム層を構成する未加硫ゴム組成物を加硫し、ゴム製品を製造している。

しかしながら、未加硫ゴム組成物から構成されるゴム層は加熱加硫後に収縮する。そのため、上述の造形物を加熱加硫すると、ステージ側のゴム層はステージに拘束されているため変形しない一方、ステージから離れている層は収縮する。そのため、造形物全体の形状が変形してしまう場合がある。

本発明の一態様は、造形の過程において意図せぬゴムの変形を低減させ、所望の形状のゴム製品を得ることができるゴム製品の造形方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るゴム製品の造形方法は、複数のゴム層を積層させてゴム製品を得る、ゴム製品の造形方法であって、前記複数のゴム層を、ステージまたは他のゴム層の上に未加硫状態のゴムを積層する積層ステップと、前記積層ステップにて積層されたゴムを加熱する加熱ステップと、を繰り返し実施することにより形成する。

上記の構成によれば、ゴム製品の造形方法において、未加硫状態のゴムを（１回または複数回）積層するごとに、積層ゴムを加熱加硫している。そのため、複数のゴム層のそれぞれは、ステージまたは既に形成されている他のゴム層の上で加熱される。これらの工程を繰り返して、造形物を構成する複数のゴム層が形成される。したがって、複数の未加硫状態のゴム層を積層させ造形物を形成した後、当該造形物を加熱加硫する場合と比較し、加熱により造形物全体の形状が変形することを抑制することができる。すなわち、造形の過程において意図せぬゴムの変形を低減させ、所望の形状のゴム製品を得ることができる。

また、前記加熱ステップにおいて、前記積層ステップにて積層されたゴムに前記加熱部材を当接させることにより当該ゴムを加熱してもよい。

上記の構成によれば、積層されたゴムを上下面（加熱部材の当接面、およびステージの表面あるいは既に形成されている他のゴム層）に拘束させることができるため、所望の形状のゴム製品をより得やすくなる。また、積層ステップにて積層されたゴムの表面形状を所望の形状に形成することができる。例えば、当接面が平坦な加熱部材を当該ゴムに当接させることにより、切断面が丸みを帯びた形状である当該ゴムの表面を平坦にすることができる。これにより、ゴム造形物におけるゴム層同士の接着性を向上させることもできる。また、加熱部材を当該ゴムに当接させて最上層のゴム層を形成することにより、加熱部材の当接面の表面形状をゴム造形物の上面に転写させることができる。さらに、加熱部材とステージとでゴム造形物を挟み込むように加熱部材を当該ゴムに当接させることにより、ステージの表面形状をゴム造形物の下面に転写させることができる。

また、前記加熱部材として、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いてもよい。

上記の構成によれば、熱源から受けた熱を加熱部材を介して積層ステップにて積層されたゴムに適切に伝えることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るゴム製品の造形装置は、複数のゴム層を積層させてゴム製品を得る、ゴム製品の造形装置であって、ノズルおよび加熱部材を備え、前記ノズルは、ステージまたは他のゴム層の上に未加硫状態のゴムを積層するものであり、前記加熱部材は、前記ノズルにより積層されたゴムを加熱するものであり、前記ノズルによる積層と、前記加熱部材による加熱とにより形成されるゴム層を積層させてゴム製品を得る。

本発明の一態様によれば、造形の過程において意図せぬゴムの変形を低減させ、所望の形状のゴム製品を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るゴム製品の造形装置の概略構成を示すブロック図である。上記ゴム製品の造形方法を示す工程図である。上記ゴム製品の造形方法を示すフローチャートである。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の一実施形態に係るゴム製品ＲＰの造形装置１００を示すブロック図である。まず、図１を参照し、ゴム製品ＲＰの造形装置１００について以下に説明する。

図１に示すように、造形装置１００は、ステージ２、ノズル３および加熱部材４を備える。造形装置１００は、未加硫ゴム組成物を含む複数のゴム層Ｒ１、Ｒ２、・・・Ｒｎをステージ２の表面に積層することにより、ゴム造形物ＲＳを造形する（図２参照）。ゴム造形物ＲＳは、加熱炉等においてその全体を加熱されることによりゴム製品ＲＰとなる。すなわち、ゴム造形物ＲＳは、完成品としてのゴム製品ＲＰに対して最終的な加熱処理がまだ行われていない中間品である。以下、ステージ２からｋ層目のゴム層をゴム層Ｒｋ（１≦ｋ≦ｎ）と称する。また、複数のゴム層Ｒ１、Ｒ２、・・・Ｒｎを特に区別する必要がない場合は、単にゴム層Ｒと称する。

また、図１に示すように、造形装置１００は、ステージ２、ノズル３および加熱部材４をそれぞれ駆動するステージ駆動装置１２、ノズル駆動装置１３および加熱部材駆動装置１４を備える。さらに、造形装置１００は、ステージ駆動装置１２、ノズル駆動装置１３および加熱部材駆動装置１４をそれぞれ制御する制御装置１５を備える。

ステージ２は、ゴム造形物ＲＳの材料である未加硫ゴム組成物が積層される領域を規定する。ステージ２は、図示しない支持台の上に設けられる。ステージ２は、少なくとも未加硫ゴム組成物と化学変化を起こさない材質で形成される。例えば、ステージ２は、金属板である。ステージ２は、支持台に内蔵されるヒータにより加熱されてもよい。ステージ２は、ゴム造形物ＲＳの下面Ｒａに転写するための表面形状を有してもよい。例えば、ステージ２は、ゴム造形物ＲＳの下面Ｒａにシボ面を転写する（シボ加工を施す）ための表面形状を有する。ステージ駆動装置１２により、異なる表面形状を有するステージ２が支持台の上で切り替えられてもよい。

ノズル３は、ステージ２の上方からステージ２に向かって未加硫ゴム組成物を吐出する。ここで、ノズル３は、ノズル駆動装置１３により、未加硫ゴム組成物を吐出しながらステージ２の表面に沿って移動する。これにより、ステージ２または既に形成されている他のゴム層Ｒに未加硫状態のゴムを積層する。ノズル３の位置、吐出タイミング、吐出量等は、ゴム製品ＲＰの三次元構造に応じて制御装置１５により制御されてもよい。なお、ノズル３の代わりにステージ２が移動してもよい。また、ステージ２又はノズル３は、平面方向及び積層方向に移動してもよい。ステージ２及びノズル３のいずれか一方は平面方向にだけ移動し、ステージ２及びノズル３のいずれか他方は積層方向に移動してもよい。なお、平面方向とは、ステージ２又はノズル３がノズル３とステージ２との距離を一定に保ちつつ移動する方向（ステージ２の表面に平行な方向）を意味する。また、積層方向とは、ステージ２又はノズル３がステージ２とノズル３とを接近及び離間させる方向（ステージの表面に垂直な方向）を意味する。

例えば、ノズル３が吐出する未加硫ゴム組成物は、表１に示される組成を有する。すなわち、ノズル３が吐出する未加硫ゴム組成物は、硫黄加硫により造形されるニトリルゴム（ＮＢＲ）を含む。なお、未加硫ゴム組成物が含むゴム基材としてはこれらに限定されず、加熱により加硫するものであればよい。例えば、ゴム基材は、硫黄加硫により造形される天然ゴムまたはスチレン・ブタジエンゴム、アミン加硫により造形されるアクリルゴム、またはパーオキサイド加硫により造形されるシリコーンゴム等であってもよい。

ノズル３により積層されたゴムの、ノズル３の移動方向に直交する断面による切断面は、ノズル３の吐出孔に対応する形状をとる。ノズル３の吐出孔は典型的には円状である。このとき、ノズル３により積層されたゴムの上記切断面は丸みを帯びた形状となる。

加熱部材４は、ノズル３により積層されたゴム（以下、積層ゴムと称する）を加熱する。これにより、ゴム層Ｒが形成される。すなわち、複数のゴム層のそれぞれは、ノズル３によりステージ２または他のゴム層の上に未加硫状態のゴムを積層し、ノズル３により積層されたゴムを加熱部材４により加熱することにより形成される。加熱部材４は、少なくとも未加硫ゴム組成物の組成に応じた、未加硫ゴム組成物の加硫反応が開始する温度（例えば９０℃以上）まで積層ゴムを加熱する。加熱部材４は、積層ゴムの形状が変化しない程度まで加硫を進める（すなわち未加硫ゴム組成物の一次加硫を実施する）。なお、未加硫ゴム組成物の加硫反応は後述する二次加硫により完了する。加熱部材４は、図示しない熱源（例えば、ヒーター等）から熱が伝えられ、積層ゴムに当接するまでに、少なくとも、未加硫ゴム組成物の加硫反応が開始する温度以上に昇温される。このように、加熱部材４を介して積層ゴムを加熱することにより、積層ゴムに熱源から直接、熱を加える場合に比べて、積層ゴムに対する加熱ムラが小さくなり、積層ゴムの加硫反応を安定化させ易い。

加熱部材４は、積層ゴムに当接することにより積層ゴムを加熱してもよい。また、加熱部材４は、積層ゴムを所定の押圧力で押圧してもよい。加熱部材４の押圧力、加熱温度および加熱時間は、例えばゴム製品ＲＰの硬度および／または粘度等のゴム製品ＲＰの特性に応じて決定される。

また、加熱部材４として、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いてもよい。熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の加熱部材４であれば、熱源から受けた熱を加熱部材４を介して積層ゴムに適切に伝えることができる。好ましくは、加熱部材４として、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のもの（例えば炭素鋼）を用いてもよい。熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の加熱部材４であれば、熱源から受けた熱が、加熱部材４全体に均一に伝わる。そのため、加熱部材４の温度が均一になりやすい。よって、加熱部材４によって積層ゴムを加熱することで、積層ゴムに対して短時間で、かつ均一に加熱を行うことができる。

加熱部材４の（積層ゴムとの）当接面は、平坦であってもよい。これにより、加熱部材４を積層ゴムに当接させることで、積層ゴムの表面を平坦にすることができる。加熱部材４の当接面は、ゴム造形物ＲＳの上面Ｒｂに転写するための表面形状を有してもよい。例えば、加熱部材４の当接面は、ゴム造形物ＲＳの上面Ｒｂにシボ面を転写するための表面形状を有する。加熱部材４は、積層ゴムを加熱して最上層のゴム層Ｒｎを形成するとき、加熱部材駆動装置１４により、ゴム造形物ＲＳの上面Ｒｂに転写するための表面形状を有するものに切り替えられてもよい。

図２は、ゴム製品ＲＰの造形方法を示す工程図である。図３は、ゴム製品ＲＰの造形方法を示すフローチャートである。次に、図２および図３を参照し、ゴム製品ＲＰの造形装置１００によるゴム製品ＲＰの造形方法について以下に説明する。

まず、図２の符号Ｐ１に示すように、ノズル３をステージ２の上方に配置し、ノズル３の吐出孔からステージ２に向かって未加硫ゴム組成物を吐出する。ここで、ノズル３は、未加硫ゴム組成物の吐出と共にステージ２の表面に沿って（平面方向に）移動する。ノズル３は、例えば、円を描くように移動し、最初に吐出された未加硫ゴム組成物の始端に、未加硫ゴム組成物の終端を合流させる。これにより、ステージ２の上に未加硫状態のゴムが、例えば平面視円形状となるように、積層される（図３の積層ステップＳ１）。

次に、図２の符号Ｐ２に示すように、ノズル３を外部へ移動させた後、平坦な当接面を有する加熱部材４をステージ２の上方に移動させる。そして、加熱部材４を下方に向かって（積層方向に）移動させる。その後、積層ステップＳ１にてステージ２の上に積層されたゴムに加熱部材４の当接面を当接させ加熱する。これにより、ステージ２の上に積層されたゴムを加硫し、一層目のゴム層Ｒ１を形成する（図３の一次加硫ステップＳ２（加熱ステップ））。一次加硫ステップＳ２では、形状が変化しない程度にゴムが加硫するまで、所定期間、加熱部材４の当接面が積層ゴムに当接した状態が維持される。また、一次加硫ステップＳ２では、加熱部材４の当接面がステージ２の表面に平行な状態が維持される。

次に、ゴム造形物ＲＳの造形は完了していないため、再び、ノズル３による積層ステップＳ１に戻る（図３のＳ３におけるＮＯ）。すなわち、図２の符号Ｐ３に示すように、加熱部材４を外部へ移動させた後、ノズル３をステージ２の上方に移動させる。そして、再びノズル３の吐出孔からステージ２に向かって未加硫ゴム組成物を吐出する。これにより、一層目のゴム層Ｒ１の上に未加硫状態のゴムを積層する（図３の積層ステップＳ１）。

次に、図２の符号Ｐ４に示すように、ノズル３を外部へ移動させた後、平坦な当接面を有する加熱部材４をステージ２の上方に移動させる。そして、加熱部材４を下方に向かって移動させる。その後、積層ステップＳ１にて一層目のゴム層Ｒ１の上に積層されたゴムに加熱部材４の当接面を当接させ加熱する。これにより、一層目のゴム層Ｒ１の上に積層されたゴムを加硫し、二層目のゴム層Ｒ２を形成する（図３の一次加硫ステップＳ２）。

ゴム造形物ＲＳの造形が完了するまで積層ステップＳ１と一次加硫ステップＳ２とを繰り返す。積層ステップＳ１と一次加硫ステップＳ２とは時間を空けずに実施される。ここで、最上層のゴム層Ｒｎを形成するときのみ、ゴム造形物ＲＳの上面Ｒｂに転写するための表面形状を有する加熱部材４に切り替えられてもよい。このような加熱部材４の当接により、ゴムを加硫すると共にゴム造形物ＲＳの上面Ｒｂに加熱部材４の表面形状を転写させる。

図２の符号Ｐ５，Ｐ６に示すように、加熱部材４の当接により最上層のゴム層Ｒｎを形成したとき、ゴム造形物ＲＳの造形が完了する（図３のＳ３におけるＹＥＳ）。次に、造形が完了したゴム造形物ＲＳをステージ２とともに支持台から取り外し、ゴム造形物ＲＳを加熱炉内で加熱する。これにより、ゴム造形物ＲＳに含まれる未加硫ゴム組成物の加硫を完了させ、ゴム製品ＰＲを生成する（図３の二次加硫ステップＳ４）。加熱炉内の温度は、加硫反応が進むように９０℃以上に設定されるとよい。

以上のように、ゴム製品ＲＰの造形方法において、ノズル３により未加硫状態のゴムを積層するごとに、加熱部材４により積層ゴムを加熱している。そのため、複数のゴム層のそれぞれは、ステージ２または既に形成されている（硬化している）他のゴム層Ｒの上で拘束されながら加熱される。したがって、加熱により造形物全体の形状が変形するのを抑制することができる。

また、加熱部材４を積層ゴムに当接させることにより積層ゴムを加熱している。これにより、積層ゴムの表面形状を所望の形状に形成することができる。例えば、当接面が平坦な加熱部材４を積層ゴムに当接させることにより、丸みを帯びた形状である積層ゴムの表面を平坦にすることができる。これにより、ゴム造形物ＲＳにおけるゴム層同士の接着性を向上させることができる。また、加熱部材４を積層ゴムに当接させて最上層のゴム層Ｒｎを形成することにより、加熱部材４の当接面の表面形状をゴム造形物ＲＳの上面Ｒｂに転写させることができる。また、加熱部材４とステージ２とでゴム造形物ＲＳを挟み込むように加熱部材４を積層ゴムに当接させることにより、ステージ２の表面形状をゴム造形物ＲＳの下面Ｒａに転写させることができる。

また、加熱部材４を積層ゴムに押圧させながら積層ゴムを加熱してもよい。これにより、積層ゴムを速やかに加硫することができる。

また、ゴム造形物ＲＳの造形後に、ゴム造形物ＲＳを加熱炉内で加熱することにより二次加硫を実施している。これにより、一次加硫においてゴム層ごとに加硫の進み具合にムラがあったとしても、二次加硫により当該ムラを低減することができる。

（変形例）
なお、異なる組成のゴム層を積層させてもよい。例えば、図２における一層目のゴム層Ｒ１を形成する未加硫ゴム組成物と二層目のゴム層Ｒ２を形成する未加硫ゴム組成物とを異ならせてもよい。これにより種々の特性を有するゴム製品ＲＳを得ることができる。

加熱部材４は、種々の材質の部材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼または鋳鉄でもよい。

一次加硫ステップＳ２では、積層ゴムを加熱できればよいため、必ずしも加熱部材４を積層ゴムに当接させなくともよい。例えば、加熱部材４を積層ゴムに近接させて加熱してもよいし、熱風発生装置（空気をヒータで加熱し、加熱した空気をファンの回転によって送り出す装置）を加熱部材４として構成し、熱風を吹き付けて積層ゴムを加熱してもよい。

加熱部材４は、熱源によって熱が伝えられ昇温する形態に限らず、加熱部材４の内部にヒータ等の熱源を埋め込んで、加熱部材と熱源とを一つの部材に構成してもよい。

一次加硫ステップＳ２は、図３に示すように積層ステップＳ１を１回行うごとに実施する必要はなく、例えば、積層ステップＳ１を複数回行うごとに実施してもよい。このようなゴム製品の造形方法により、積層したゴム層の変形が小さく、最終的に所望の形状のゴム製品ＲＰを得られるため、当該方法についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の各実施形態に係るゴム製品の造形方法は、ゴム製品の製造方法としてもとらえることができ、本発明の各実施形態に係るゴム製品の造形方法により得られたゴム製品についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔ソフトウェアによる実現例〕
制御装置１５（以下、「装置」と呼ぶ）の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロックとしてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。

上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

２ステージ
３ノズル
４加熱部材
１００造形装置
Ｒ１、Ｒ２、・・・Ｒｎ複数のゴム層

Claims

複数のゴム層を積層させてゴム製品を得る、ゴム製品の造形方法であって、
前記複数のゴム層を、
ステージまたは他のゴム層の上に未加硫状態のゴムを積層する積層ステップと、
前記積層ステップにて積層されたゴムを加熱する加熱ステップと、を繰り返し実施することにより形成することを特徴とする、ゴム製品の造形方法。
前記加熱ステップにおいて、前記積層ステップにて積層されたゴムに加熱部材を当接させることにより当該ゴムを加熱する、請求項１に記載のゴム製品の造形方法。
前記加熱部材として、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いることを特徴とする、請求項２に記載のゴム製品の造形方法。
複数のゴム層を積層させてゴム製品を得る、ゴム製品の造形装置であって、
ノズルおよび加熱部材を備え、
前記ノズルは、ステージまたは他のゴム層の上に未加硫状態のゴムを積層するものであり、
前記加熱部材は、前記ノズルにより積層されたゴムを加熱するものであり、
前記ノズルによる積層と、前記加熱部材による加熱とにより形成されるゴム層を積層させてゴム製品を得る、ゴム製品の造形装置。