JP4368208B2 - 成形型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬化性材料から形成される成形型を、光造形により造形した光造形型を用いて製造する方法に関し、特に、パルプモールド成型品用の成形型を製造する方法に関する。

従来より、例えば、カップラーメンの容器のような、薄肉円筒状の容器をパルプモールド成形する際、抄紙するための成形型（コア）と、キャビティを形成する金属製の雌型とが用いられる。この成形型は、通常、金属やシリコーンゴムのような弾性体で形成され、容器の中空部形状に対応した円錐台コアからなり、この内部には、中心軸方向に延びる中心通路と、該中心通路から放射状に延びて外表面で開口する複数の放射通路とが形成されている。そして、このような成形型と雌型との間にパルプスラリーを充填した後、前記中心通路及び放射通路を通して前記成形型を吸引することにより、成形型の外表面にパルプ繊維を付着させると共に、付着したパルプ繊維の水分を、前記中心通路と放射通路とを通して除去するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

このような成形型の成形には、通常は金型が用いられる。この金型は、成形型における円錐台コア、中心通路、放射通路それぞれの形状に対応して、上方に開口した本体中子と、蓋付きの軸中子と、複数の放射ピンとを備えている。本体中子及び軸中子は、切削加工により形成され、放射ピンは、本体中子に抜き差し可能になっている。

しかしながら、このような金型の製作においては、多様な薄肉形状に対応した加工、傾斜した放射ピンや密に配列した放射ピンの突き当て面の加工等が困難であり、また、ＮＣ加工用のプログラミングの作成に手間がかかるという問題がある。さらに、このような金型では、成形型の放射通路の位置、形状、向き、配列パターン等を変更する場合は、その都度、新たに金型の設計とその製造を行うことになるので、迅速な金型製造ができず、且つ金型製造費用が高くつくという問題もある。

近年、成型用のマスターモデルや、金型に替わるダイレクト型を成形する際、試作品等の実体モデルを容易に入手する観点から、積層造形法が採用されるようになっている。この積層造形法には、例えば、光造形法、紙積層法、溶融物積層法、粉末焼結法、粉末接着法等があり、この中で、特に、光造形法に関する技術は、次に示す特許文献２、３に示されているが、本願発明に係る光造形型はこの方法によって製造することができる。

特許文献２は、シリコーンゴムを母型に用いた真空注型法において、母型のキャビティに光硬化性液状樹脂を充填し、母型の外側から光を照射して、光照射を受けた部分のみの母型の内部の光硬化性液状樹脂を硬化させ、複製品を短時間で形成する技術である。
特許文献３は、光硬化性樹脂を用いた真空注型用の型において、その型を、光造形物の曲げ弾性率が極めて低い値を示すようにし、型の離型性、耐久性等を向上させる技術である。

特開２００３−２０５９９号公報 特開平１０−１００１６６号公報 特開平１０−３４６７９号公報

ところで、成形型を、成型用金型を用いずに、光造形法により直接造形することが考えられるが、この場合には、光硬化性及び弾性の双方を発現する材料を選定しなければならない。特に、パルプモールド成形品用の成形型では、表面粗さ、硬度等の物性値が特定の範囲にある材料が必要とされ、このような材料は光造形法に適していない場合が多い。
また、成形型を成形する型を、金型の代わりに、光造形法により造形した光造形型とし、これを金型と同様に繰り返し使用することも考えられる。この場合、光硬化性液中にガラスやシリカ粉末等の添加剤を混入することにより、光造形型にある程度の硬度や耐熱性をもたせ、このような光造形型を製作する際に、切削加工の困難性やプログラミング作成の手間を解消できる。
しかし、このように、硬度や耐熱性の点で金型の性能に近づけた光造形型であっても、例えば、成形型の放射通路の形状等を変更したい場合は、その変更に対応した新たな成形型の試作が早急に必要になり、時間やコストがかかって、迅速且つ安価に成形型を製造できないという問題があり、この点では従来の金型と同様である。

従って、本発明の目的は、硬化性材料から形成される成形型を、光造形型を用いて迅速且つ安価に製造する方法を提供することにある。

本発明者等は、光造形型を造形するにあたって、その光造形型に金型同様の硬度や耐熱性を発揮させるため、光硬化性液や添加剤の選定について、種々の試行段階を重ねていく中で、光造形型の物性を金型に近づけようとするよりも、光造形型が本来的に有する脆性を寧ろ利用すれば、迅速且つ安価に成形型製造用の光造形型を入手できるのではないかという逆転の発想に至り、使い捨ての光造形型を用いた成形型の製造方法を見出した。

本発明は、硬化性材料から形成される成形型を、光造形法によって造形された光造形型を用いて製造する方法であって、前記光造形型に硬化性材料を充填し、前記光造形型内で前記硬化性材料を硬化させて前記成形型を形成する第１工程と、前記光造形型を除去して前記成形型を取り出す第２工程とを具備する成形型の製造方法を提供することにより上記目的を達成したものである。

なお、本発明の「硬化性材料」とは、当初は流動性を有するが、時間の経過と共に化学反応が進行して流動性を失い、最終的には固化する物質を言い、例えば、液状又はペースト状のリコーンＲＴＶゴム又はシリコーンＬＴＶゴム、ウレタンプレポリマー等が挙げられる。

本発明によれば、もともとコスト高の金型は使用せず、光造形型の本来的な脆性をそのまま利用して種々の形状や大きさに対応する使い捨ての光造詣型を使用するので、成形型を迅速且つ安価に製造することができる。

以下、本発明の成形型の製造方法の最も好ましい一実施形態を図１、図２を参照して詳細に説明する。
本実施形態の成形型の製造方法は、薄肉円筒状の容器をパルプモールド成形する際に用いられるシリコーン成形型（弾性体からなる成形型）を、光造形法によって造形された光造形型１０を用いて製造する方法であって、前記した第１、第２工程を含む方法である。
光造形型の製造方法としては、例えば、製造したい光造形型の仮想的な３次元モデルを形成しこの３次元モデルを切断した２次元輪郭に従って、光の照射により光硬化性液を硬化させて２次元輪郭に対応した２次元断面層を形成し、２次元断面層を順次積層して３次元モデルの実体を復元することにより、その実体からなる光造形型を造形する、という方法を挙げることができる。
以下、光造形型の製造方法を含め、成形型として弾性を有するシリコーン成形型を採用した成形型の製造方法を詳細に述べる。

まず、光造形型の製造であるが、製造したい光造形型１０を表した３次元モデルをＣＡＤ上に作成する。この３次元モデルをＸＹ平面（水平面）で作図上スライスし、１層分の２次元輪郭を作成する。そして、２次元輪郭の位置情報等に基づいて、スキャニングミラー又はＸＹプロッタ等のプロジェクタを、光硬化性液が貯溜した槽の上方で移動させる。この際、プロジェクタから紫外線又は可視光レーザ等の光を、光硬化性液の表面に照射して、その光硬化性液を硬化させ、その硬化物からなる２次元断面層を、光硬化性液中に形成する。

この２次元断面層を載せたテーブルを、槽内でＺ方向（鉛直方向）に下降させてから、次の２次元断面層を上記同様に形成して前の２次元断面槽に積層し、このような積層を順次繰り返すことにより、３次元モデルの実体、即ち、光造形型１０を槽内に造形する。なお、上下に隣接する２次元断面層の接合は、光による硬化深さを積層ピッチより大きくすることで行われる。

このような光造形型１０を第２工程で容易に除去するため、光硬化性液の硬化物に脆性を持たせる観点、及び、第１工程でシリコーン成形型を１回だけ成形するのに必要な硬度、耐熱性等を担保する観点から、光造形型１０の原料となる光硬化性液として、エポキシ系やウレタンアクリレート系樹脂を用いる。

ここで、前記の方法で得られた光造形型１０の構成等を説明する。
図１及び図２に示すように、光造形型１０は、内部に充填された硬化性材料によってシリコーン成形型を成形するための薄肉円筒状のもので、筒状の本体中子１１、本体中子の中空芯をなす芯中子１２、及び、本体中子１１と芯中子１２との間を放射状に延びて連結する複数の連結中子１３からなる。

本体中子１１は、上底１１ａ及び下底１１ｂを有する円錐台筒状に形成されている。上底１１ａには、硬化性材料の注入口１４が複数形成されている。芯中子１２は、上部が開口して下底１２ａを有する円筒状に形成され、この中心軸が本体中子１１の中心軸と一致するように配置されている。

連結中子１３は、同心状に配列されたピン列が上下方向（ｚ方向）に段階的に重ねられて構成され、本体中子１１の内面と芯中子１２の外面とを連結している。連結中子１３は、本体中子１１及び芯中子１２の中腹部分では、水平面（ｘｙ平面）上に配置されており、本体中子１１及び芯中子１２の下底部分では、本体中子１１の下底１１ｂから芯中子１２の下底１２ａに向けて傾斜して配置されている。

このような光造形型１０を第２工程で容易に除去する観点から、更には、硬化性材料の注入時の光造形型の変形防止の観点から、本体中子１１の厚さを、好ましくは１〜１０ｍｍにし、更に好ましくは２〜５ｍｍとし、芯中子１２の厚さは１〜１０ｍｍにすることが好ましく、２〜５ｍｍとするのがより好ましい。

光造形型１０内で成形されるシリコーン成形型（図示しない）は、本体中子１１と芯中子１２との間の内部形状を有し、中心通路を有する円錐台状に形成され、この内部に連結中子１３によって放射通路が形成されている。中心通路及び放射通路は、パルプモールド成形において、シリコーン成形型の外面上のパルプ繊維から脱水する際、排水経路として機能するものである。

第１工程においては、２液混合タイプの硬化性材料を攪拌脱泡した後、それを注入口１４から内部に充填し、その後、それが固化するので、光造形型１０内にシリコーン成形型が成形される。この場合、容器をパルプモールド成形する際に、シリコーン成形型をキャビティ上で弾性変形させる観点から、弾性を有する硬化性材料として、シリコーンゴムを用いる。シリコーンゴムの硬度は、２０〜５０であることが好ましい。なお、本願の硬度は、ＪＩＳ Ｋ ６２５３（デュロメータ タイプＡ採用）に準拠した硬度である。

第２工程においては、離型の際、ハンマー等の破壊手段を用いて光造形型１０に加重を加えて光造形型１０を除去し、シリコーン成形型を取り出す。この場合、シリコーン成形型の放射通路には、光造形型１０の連結中子１３が、光硬化性液の硬化物として残存している。この硬化物を、例えば、低級アルコール類のような溶剤を用いて溶解させ、シリコーン成形型から取り除く。

以上述べたように、本実施形態によれば、光造形型１０を用いてシリコーン成形型を成形し、離型の際、光造形型１０を除去するようにしたため、金型の製作に伴って発生する切削加工の困難性やプログラミング作成の手間等の問題を解消しつつ、光造形型１０の本来的な脆性をそのまま利用して、製造が容易で安価な成形型を得ることができる。この点について、具体的には、（１）成形型を一回だけ形成するのに必要な程度の硬度、耐熱性を満たす光硬化性液を選択すればよいので、選択の自由度が広くなる、（２）光造形型をコアとキャビティとに分離させずに一体にすることができる、等のように、成形条件に付帯した制限の緩和を図ることができる。従って、このような製造方法によれば、例えば外形が同じでも細部構造が異なる種々のシリコーン成形型を、迅速且つ安価に、しかも簡便に製造でき、急な試作等の要請にもタイムリーに応じることができる。

また、本実施形態によれば、シリコーン成形型の放射通路に残存した、光硬化性液の硬化物を、溶剤で溶解するようにしたため、かかる通路を持つ内部構造が複雑なシリコーン成形型であっても、極めて容易に光造形型から離脱することができる。

本発明は、上記実施形態に限られることなく、種々の変更等を行うことができる。
上記実施形態においては、第２工程で光造形型を破壊するようにしたが、光造形型をすべて溶解するようにしてもよく、また、成形型の内部にある光硬化溶液の硬化物を、エアーにより吹き飛ばしてもよい。

本実施形態の製造方法によって造形された光造形型の外観を示す斜視図である。 本実施形態の製造方法（第１工程）によって造形された光造形型の内部構成を一部断面で示す斜視図である。

符号の説明

１０ 光造形型
１１ 本体中子
１２ 芯中子
１３ 連結中子

Claims (3)

1. 硬化性材料から形成される成形型を、光造形法によって造形された光造形型を用いて製造する方法であって、
   前記光造形型をエポキシ系樹脂又はウレタンアクリレート系樹脂で形成し、前記光造形型に硬化性材料を充填し、前記光造形型内で前記硬化性材料を硬化させて前記成形型を形成する第１工程と、
   前記光造形型に破壊手段を用いて加重を加えることにより、前記光造形型を除去して前記成形型を取り出す第２工程とを具備し、
   前記第１工程において、前記光造形型が本体中子、該本体中子の中空芯をなす芯中子、及び、該本体中子と該芯中子との間を連結する複数の連結中子を備えた構造であり、
   前記第２工程において、前記成形型内に取り込まれた前記光造形型の前記連結中子を、溶剤を用いて溶解させる成形型の製造方法。
2. 前記成形型がパルプモールド成形品用の成形型である請求項１記載の成形型の製造方法。
3. 前記第１工程において、硬化後の硬度が２０〜５０となる前記硬化性材料を用いる請求項１又は２に記載の成形型の製造方法。

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