JP5649649B2 - 溶融したプラスティック材料を選択的に投入する装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融したプラスチック材料を選択的に投入（堆積）する装置に関し、特に、プラスチック材料を、固体状態で提供し装置から放出（投入）する直前に、溶融する装置に関する。

溶融したプラスチック材料を放出（投入）する装置は公知である。

特許文献１は、プラスチック材料を放出する直前の溶融する特性を改善した装置を開示する。ここに開示された装置は、フローパスと超音波振動装置とを有する。このフローパス内を注入すべき材料が通過する。超音波振動装置はソノトロードを有する。このソノトロードは、フローパス内を流れる材料に直接接触し、この材料が注入あるいは押し出される間、この材料に振動を与える。

ＷＯ２００４／０２４４１５号明細書 米国特許第６０３６４６７号公報 米国特許出願第２００２０１９６８３号明細書 日本特許第４９１１６５１号（国際公開２００９／０３０７９１号公報） ドイツ特許第４１０３７４０号公報 ＳＵ５７０４９６号公報

特許文献２は、熱可塑性ポリマーの溶融放出装置を開示する。この装置においては、超音波エネルギーが溶融放出プロセスで用いられる。この装置は、ダイ・ハウジングと、超音波エネルギーを溶融した熱可塑性ポリマーの一部に当てる手段を有する。ダイ・ハウジングが、溶融した熱可塑性ポリマーを入れるチェンバと、溶融した熱可塑性ポリマーをチェンバに入れる入口オリフィスと、溶融した熱可塑性ポリマーを放出する出口オリフィスとを有する。
上記に開示した両方の装置とも、溶融した熱可塑性ポリマーを出発材料として用いる欠点がある。従来技術では、装置に供給しその後チェンバに入るプラスチック材料は、既に注入あるいは放出に適した溶融状態にある。

特許文献３は、超音波対象統合装置を具備した材料添加装置と、高精度の最終製品を得るサブトラクト技術を組み合わせたマシン・ツールを開示する。

本出願人は特許文献４を出願し特許されている。この装置は、溶融したプラスチック材料を放出（堆積）する装置であり、プラスチック材料は固体状態で供給される。この装置は、溶融室を具備した中空ケースと、前記ケースの中空部分に配置され溶融室に接触するソノトロードと、固体状態のプラスチック材料が通過する入口通路と、溶融状態のプラスチック材料を放出する出口開口とを有する。プラスチック材料は、溶融室に、中空ケースを介して、プラスチック材料を押し出すスクリュー・バレル手段で供給される。

しかし特許文献４に開示された装置は、以下の欠点を有する。
プラスチック材料は、例え固体状態であっても、ケースの長さ方向に渡ってスクリュー・バレルで圧力をかける必要がある。このことは、前記ハウジングに雌ねじを有する必要があり、更に内部通路が存在することによりソノトロードの振動中に剛性が低くなる。
スクリューバレルをチェンバ内に挿入することは、構造が複雑となり製造コストが上がる。
溶融室が、ハウジング内に形成され、しかもソノトロードの周囲のチェンバの軸に沿って伸びて広くなり、全ての材料を最大振幅の振動に晒すことができない。
溶融室は、振動に耐える材料で形成されているが、溶融したプラスチック材料を放出する様な開口に直接接触はしていない。
溶融室は、溶融したプラスチック材料を放出する開口近くには存在せず、溶融したプラスチック材料の固体化が、材料が出口から放出する前に始まってしまうことがある。

他の装置は、特許文献５，６に開示されている。これらは、請求項１の公知の部分の特徴を具備する。本発明は、上記の欠点を解決することであり、これは請求項１記載の熱可塑性材料の溶融放出装置により得られる。本発明は、支持部材と超音波トランデューサと、ソノトロードと、ノズルと、溶融室とを有し、これらは放出出口と連通している。

本発明によれば、ソノトロードは、その全長を貫通する内部チャネルを有する。この内部チャネルの直径は、プラスティック材料が、溶融室に達するまで、その周囲との摩擦なしに通過できる大きさである。

プラスチック材料はフィラメント、ペレット等の形態を取るが、ソノトロードの内部チャネル内を通過し、溶融室に到達する材料のガイドとして機能する。

固体状態のプラスチック材料が、本発明の装置に、入口から、モーターを具備したインペラ（羽根車）の手段により与えられる。このインペラにより、プラスチック材料に力をかけて、プラスチック材料が溶融室に連続的に到達するまで、ソノトロードのチャネル内を通過できるよう押す。

溶融室内においては、最大の摩擦力がフィラメント等のプラスチック材料と溶融室の壁との間に生成され、プラスチック材料が溶融する。

超音波トランデューサによりソノトロードが振動するために、この振動は、ソノトロードの最後の部分で最大振幅を取る。即ち溶融室内で最大振幅を有する。

フィラメント状のプラスチック材料が、インペラの手段により、ソノトロードの内部チャネル内に押し出されて溶融室に達すると、このフィラメント状の材料は、溶融室の壁に押し当てられる。これは溶融室の断面がその入口開口から出口開口の方向に向かって減少していることにより発生する。同時に、前記溶融室内のプラスチック材料は、超音波の最大振幅に晒される。

その為、インペラのモーターにより加えられる力と、ソノトロードの振動振幅は、プロセスを制御し溶融温度に影響を及ぼす２つのパラメータとなる。かくして、様々な材料を様々な溶融温度で使用できる。

プロセスの立ち上がり時間を最小にするために、出口の温度を制御するシステムが具備される。この様な温度制御システムは、外付けあるいは内蔵のいずれでもよい。

外付けの温度制御システムは、一群の加熱用抵抗体を利用する。この加熱用抵抗体と装置は、装置の出口を加熱するためにプロセスの開始時のみ、接触する。

内蔵型の温度制御システムは、装置に一体に形成された抵抗体、好ましくはソノトロードの最終部分に一体に形成された抵抗体を有し、装置の温度を自動的に制御する。

装置が過熱し停止するのを回避するために、内蔵型あるいは外付けの冷却システムが具備される。内蔵型冷却システムは、プラスチック材料を溶融室に供給するのに用いられる内蔵チャネルを介して供給される圧縮空気により実行される。

溶融したプラスチック材料を選択的に放出する装置は、支持部材と、超音波トランデューサと、ソノトロードと、ノズルと、溶融室と、内部チャネルを有する。前記ノズルは、前記ソノトロードの端部で前記超音波トランデューサの反対側に、前記ソノトロードと一体に形成される。
前記溶融室は、放出チャネルを介して放出出口と連通し、
前記溶融室は、前記ソノトロードの端部に配置され、
前記内部チャネルは、前記ソノトロードの少なくとも一部を貫通し、固体状態のプラスチック材料が、前記内部チャネルを介して、前記溶融室の方向に移動できる。
（ａ）前記内部チャネルは、前記固体状態のプラスチック材料が通過できる断面を有する。
（ｂ）前記内部チャネルは、台形の断面で間隙が順次減るよう伸び、これにより、前記放出出口に繋がる放出チャネルを提供し、前記溶融室を含む。
（ｃ）前記台形断面の角度は、前記固体状態のプラスチック材料が、前記放出出口近傍の台形の断面の内側壁に達するよう、選択される。
（ｄ）前記台形の溶融室は、前記固体状態プラスチック材料と前記台形の内側壁との接点から、前記放出出口方向に伸びる。
（ｅ）複数個のリブを更に有する。前記リブは、台形形成部分として配置され、角度は、前記溶融室に対応する台形の内側壁から伸び、前記溶融室の入口に対向する多面構造を有する。

本発明の一実施例の溶融室内の長手方向に突起したリブの数は、等間隔に離間した４個の部材である。この部材の数は４個以外でもよい。

前記の長手方向に突起したリブの多面体の端部は、本発明の一実施例によれば、多面構造である。その一例は、ピラミッド構造であり、その少なくとも一端は固体状態のプラスチック材料の溶融室への入口に直接対向している。

取り外し可能なノズルがネジ手段によりソノトロードに連結された状態を示す本発明の一実施例の断面図。 取り外し可能なノズルがネジ手段によりソノトロードに連結された状態を示す本発明の一実施例の側面図。 固体状態のプラスチック材料の一部が円錐断面の内壁と接触している状態を示す溶融室と一体に形成されたソノトロードのノズルの一部の断面。 長手方向の突起した複数のリブが等間隔に配置されている状態を示す溶融室と一体に形成されたソノトロードのノズルの図２ａの端面図。 取り外し可能なノズルがネジ手段によりソノトロードに連結された状態を示す本発明の第２実施例の断面図。 取り外し可能なノズルがネジ手段によりソノトロードに連結された状態を示す本発明の第２実施例の断面図。 取り外し可能なノズルがネジ手段によりソノトロードに連結された状態を示す本発明の第２実施例の側面図。

図１ａ，１ｂにおいて、本発明の装置は、モーターを搭載したインペラと、個体状のプラスチック材料Ｆが投入される開口７と、支持部材３と、超音波トランデューサ１と、ソノトロード２と、ノズル４と、溶融室５とを有する。ノズル４は、ソノトロード２の超音波トランデューサ１とは反対側の端部に一体に形成される。溶融室５は、放出チャネル６ａ内に形成されて、放出出口４ａに繋がている。

第１実施例において、支持部材３はソノトロード２を有し、超音波トランデューサ１は動作中である。フィラメントあるいはペレットの形態（固体状態）のプラスチック材料Ｆは、装置内に開口７から導入される。プラスチック材料Ｆの装置内の導入は、内部チャネル６を介して動作するモーターを具備したインペラ・システムで行われる。

プラスチック材料Ｆは、その後、内部チャネル６に沿って押し出される。内部チャネル６は、装置の内部、即ち、超音波トランデューサ１と、ソノトロード２と、ノズル４とを貫通し、溶融室５まで達する。溶融室５は、ソノトロード２の端部に配置され、溶融室５でプラスチック材料が溶融される。

この第１実施例において、内部チャネル６は、装置の全長に渡って伸び、その断面直径は、１−５ｍｍの範囲内、好ましくは、２．２−３．１ｍｍの範囲内にある。

他の実施例において、内部チャネル６は、ソノトロード２の一部のみに沿って伸びてもよい。超音波トランデューサ１とソノトロード２の全長に渡って伸びてもよい。

内部チャネル６は、ソノトロード２の長さ方向に対しその中心に形成される。図２ａ，２ｂにおいて、本発明の特徴は、溶融室５の構造にある。
図２ａにおいて、内部チャネル６は、固体状態のプラスチック材料Ｆが通過できる断面を有する。例えばこの実施例では１−５ｍｍの直径を有する。そしてプラスチック材料Ｆが、超音波トランデューサ１の機能を実行するインペラにより、内部チャネル６の端部部分に押し当てられる。
内部チャネル６は、プラスチック材料Ｆとの隙間が順次減るような断面で伸びる。内部チャネル６は、放出出口４ａに繋がる放出チャネル６ａを提供するような断面が順次減少する切頭円錐形の貫通孔を有する。放出チャネル６ａは溶融室５に含まれる。

図２ａにおいて、放出チャネル６ａを提供する台形の角度の選択は、固体状態のプラスティック材料Ｆが、放出出口４ａの近傍（１−３ｍｍ）にある台形状の内壁の点に達するように、且つ切頭台形の溶融室５が、固体状態のプラスチック材料Ｆと円錐形状の内側壁との接点から放出出口４ａに伸びるように、行われる。放出チャネル６ａの台形形状の角度は、８３°−８１°がテスト結果では良好であった。

図２ｂにおいて、長手方向に、等間隔で離間して配置された４個のリブ１０が示されている。このリブ１０は、溶融室５に対応する円錐台形の内側壁から突起するコーンを形成し、前記突起するコーンであるリブ１０の各端部は、多面構造端１１を有する。この多面構造端１１は、プラスチック材料の溶融室５の入口方向を向いて配置されている。その結果、固体状態プラスチック材料Ｆは、前記多面構造端１１に最初に接触する。これに関しては、図２ｂの円はプラスチック材料Ｆの形状を表す。多面構造端１１は、前記入口に向かい合ったエッジを具備した多面体を含む。リブ１０は、放出出口４ａの近傍にまで延びる。

長手方向に延びたリブ１０は、かくしてエネルギー生成管理機能を形成し、プラスチック材料Ｆを、圧力と振幅の最大点に動かす。圧力と振幅の最大点においては、プラスチック材料Ｆの溶融プロセスが開始し、溶融室が、プラスチック材料Ｆの完全な溶融状態を提供しながら、溶融したプラスティク材料の放出チャネル６ａ又は溶融室５内への逆方向の動きを阻止する。

前記多面構造１１は、ピラミッド形状であり、少なくともそのエッジは、固体状態のプラスチック材料の溶融室５への入口方向に向いている。

前記ノズル４とソノトロード２は、ネジ手段により連結され、前記ネジ手段の連結は、前記ソノトロードが雌ねじ（図１ａ）又は雄ねじ（図３）である。

ノズル４は、ソノトロード２にネジ手段により連結されている為に、ノズル４を取り外し、必要に応じて洗浄できる。更にノズル４により、溶融したプラスチック材料が流れる放出出口４ａ又は断面を変更できる。ノズル４の材料は、アルミ、スチール、チタン、又はそれらの合金である。アルミ製が好ましい。

図２ａ，２ｂの実施例、図４ａ，４ｂの実施例の別の実施である第３実施例においては、ソノトロード２はモノリシックである、即ち、ノズル４とソノトロード２は、一体品として形成され、その構成材料は、チタン、スチール、アルミからなるグループから選択された材料であり、好ましくはチタンである。

この第３実施例においては、ノズル４はソノトロード２と一体に形成される。即ちノズル４はソノトロード２と一体品である。その為、溶融室５はソノトロード２内に配置される。この一体型のソノトロードの材料は、チタン、スチール、アルミ、あるいはそれらの合金からなるグループから選択される。

本発明の装置の実施例には、全て温度制御システムが具備されている。この温度制御システムは、ソノトロードの温度を制御し、本発明の装置に対し、内蔵型あるいは外付け型のいずれかである。
外付けの温度制御システムは、一群の加熱用抵抗体を利用する。この加熱用抵抗体と装置は、装置の出口即ち放出口を加熱するためにプロセスの開始時のみ、接触する。
内蔵型の温度制御システムは、装置に一体に形成された抵抗体、好ましくはソノトロードの最終部分に一体に形成された抵抗体を有し、本発明の装置の温度を自動的に制御する。

本発明の装置は、内蔵型の冷却システムを具備する。この内蔵型の冷却システムは、プラスチック材料を溶融室に送る内部チャネルを介して圧縮空気を強制的に送り込む手段により形成される。更に溶融室の温度を下げてソノトロードを保護する手段が、ノズルの端部に配置され。この手段は溶融室も含む。例えば、ノズルを包囲する管状部材は、開口を具備し、この開口がノズルに対し低圧の冷却空気を吹き付ける。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１ 超音波トランデューサ
２ ソノトロード
３ 支持部材
４ ノズル
４ａ 放出出口
５ 溶融室
６ 内部チャネル
６ａ 放出チャネル
７ 開口
１０ リブ
１１ 多面構造

Claims (15)

1. 溶融したプラスチック材料を選択的に放出する装置において、
   前記装置は、支持部材（３）と、超音波トランデューサ（１）と、ソノトロード（２）と、ノズル（４）とを有し、
   前記ノズル（４）は、前記超音波トランデューサ（１）の反対側に、前記ソノトロード（２）の端部と一体に形成され、
   前記ソノトロード（２）の端部内に、溶融室（５）が形成され、
   内部チャネル（６）が、前記ソノトロード（２）の少なくとも一部を貫通して形成され、
   固体状態のプラスチック材料が、前記内部チャネル（６）を介して、前記溶融室（５）に供給され、
   （ａ）前記内部チャネル（６）は、前記固体状態のプラスチック材料が通過できる断面を有し、
   （ｂ）前記内部チャネル（６）は、その長手方向に沿って順次その断面積が減少して戴頭円錐を形成し、前記放出出口（４ａ）に繋がる放出チャネル（６ａ）を提供し、
   前記溶融室（５）は、前記放出チャネル（６ａ）内に形成されて放出出口（４ａ）に繋がっており、
   （ｃ）前記戴頭円錐の断面の角度は、前記固体状態のプラスチック材料が、前記放出出口（４ａ）近傍の内側壁に達するよう、選択され、
   （ｄ）前記溶融室（５）は、前記固体状態プラスチック材料が前記内側壁に接触する点から、前記放出出口（４ａ）方向に伸び、
   （ｅ）前記溶融室（５）内側壁に複数個のリブ（１０）を有し、
   前記リブ（１０）は、前記溶融室（５）内側壁から突起するコーンを形成し、
   前記突起するコーンであるリブ（１０）の各端部は、前記溶融室（５）の前記放出出口（４ａ）とは反対側の入口側に向いている多面構造端（１１）を有する
   ことを特徴とする溶融プラスティック材料を選択的に投入する装置。
2. 前記固体状態のプラスチック材料と前記内部チャネル（６）の内側壁との接点は、前記放出出口（４ａ）から、１−３ｍｍの距離の場所にある
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記溶融室（５）は、等角度に配置された４個のリブ（１０）を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記多面構造端（１１）は、多面体である
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記多面構造端（１１）は、ピラミッド形状であり、少なくともそのエッジは、前記溶融室（５）の前記放出出口（４ａ）とは反対側の入口方向に向いている
   ことを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記複数のリブ（１０）は、前記放出出口（４ａ）まで伸びる
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記ソノトロード（２）の内部チャネル（６）は、１−５ｍｍの範囲の直径の断面を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記ノズル（４）とソノトロード（２）は、ネジ手段により連結されており、
   前記ソノトロード（２）の内側に雌ねじ又は外側に雄ねじが切られている
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記内部チャネル（６）は、前記ソノトロード（２）の全長に渡って伸びる
   ことを特徴とする請求項１又は８記載の装置。
10. 前記内部チャネル（６）は、前記超音波トランデューサ（１）とソノトロード（２）の組立体の全長に渡って伸びる
    ことを特徴とする請求項１又は８記載の装置。
11. 前記内部チャネル（６）は、前記ソノトロード（２）の長手方向の中央部にある
    ことを特徴とする請求項９又は１０記載の装置。
12. 前記プラスチック材料は、インペラ・システムの手段により、フィラメント又はペレットの形態で、前記内部チャネル（６）を介して供給される
    ことを特徴とする請求項１記載の装置。
13. 前記ソノトロード（２）は、モノリシックであり、その材料は、チタン、スチール、アルミと、その合金からなるグループから選択された材料である
    ことを特徴とする請求項１−１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記ノズル（４）の材料は、アルミ、スチール、チタンと、その合金からなるグループから選択される
    ことを特徴とする請求項１−１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記ソノトロード（２）の温度を制御する温度制御装置を更に有し、
    前記温度制御装置は、内蔵あるいは外付けのいずれかであり、前記溶融室の温度を下げる
    ことを特徴とする請求項１−１４のいずれかに記載の装置。

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