JP6949187B1 - ３ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄプリンタの大きさにかかわらず所望の大きさの造形物や、オーバーハング部を有する造形物を簡単に製造することができる３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法を提供する。【解決手段】接合されて造形物となる複数の部分造形物を設計するステップと、シリコーンゴムを素材として複数の部分造形物を３Ｄプリンタで製造するステップと、製造された複数の部分造形物を設計に従って配置し、両部分造形物の接合面の間に部分造形物と同一素材であり未架橋である接合用シリコーンゴムを配置するステップと、接合用シリコーンゴムを架橋して複数の部分造形物を接合するステップと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法に関する。

従来、シリコーンゴムを素材として、３Ｄプリンタによって立体物を造形することは公知である（例えば特許文献１参照）。

特許文献１には、シリコーンゴム造形物を製造するための方法が記載されている。すなわち、特許文献１は、押出３Ｄプリンタや材料噴射３Ｄプリンタである３Ｄプリンタを使用して、少なくとも１種のオルガノポリシロキサン・ポリオキシアルキレン共重合体を含む付加反応により架橋可能なシリコーン組成物を印刷することによって、シリコーンゴム造形物を層ごとに構築する方法を開示する。

特表２０２０−５１９５０１号公報

しかし、３Ｄプリンタを用いて造形できる造形物の大きさは、当該３Ｄプリンタの大きさにより制限される。すなわち、造形物の大きさは、３Ｄプリンタの樹脂噴射ノズルの駆動可能範囲や、当該３Ｄプリンタのステージ、筐体の大きさに限定されてしまう。このため、それ以上の大きさの造形物を製造することはできない。

また、３Ｄプリンタで下位造形層より大きい上位造形層を造形してオーバーハング部を形成する場合には、上位造形層を支持するサポート部材を成形する必要がある。このため、造形が完了したのちサポート部材を除去等の後処理をする必要がある。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、３Ｄプリンタの大きさにかかわらず所望の大きさや、オーバーハング部等を有する複雑な形状の造形物を簡単に製造することができる３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決する請求項１に記載の発明は、シリコーンゴムを素材として、接合されて造形物となる複数の部分造形物を３Ｄプリンタで製造するステップと、製造された複数の前記部分造形物を所定の位置に配置し、部分造形物の接合面の間に前記部分造形物と同一素材であり未架橋である接合用シリコーンゴムを配置するステップと、前記接合用シリコーンゴムを架橋して前記複数の部分造形物を接合するステップと、を備え、前記接合用シリコーンゴムは液体の主剤と、液体の硬化剤とからなる２液性のものであることを特徴とする３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法である。

同じく請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において、前記接合用シリコーンゴムは固体であることを特徴とする。

同じく請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において、前記接合用シリコーンゴムを加熱して架橋することを特徴とする。

同じく請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において、前記接合用シリコーンゴムの前記加熱は、前記３Ｄプリンタの造形ステージ上で行うことを特徴とする。

同じく請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において、前記接合用シリコーンゴムの前記加熱は、予め加熱された板材に複数の前記部分造形物を載置することにより行うことを特徴とする。

本発明によれば、３Ｄプリンタの大きさにかかわらず所望の大きさにかかわらず、所望の大きさの造形物を製造できる。また、本発明によれば、オーバーハング部等を有する複雑な形状の造形物を簡単に製造することができる。また、複数の部分造形物を、接合用シリコーンゴムを架橋して接合することから、部分造形物の接合ではあるが、各部分造形物間の接合強度を他の造形箇所の強度と同等にすることができ、造形物全体としての強度も確保できる。

すなわち、請求項１に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法によれば、接合されて造形物となる複数の部分造形物を、シリコーンゴムを素材として複数製造し、この複数の部分造形物を所定の位置に配置し、部分造形物の接合面の間に部分造形物と同一素材であり未架橋である接合用シリコーンゴムを配置して架橋する。これより、複数の部分造形物が接合された造形物を製品として製造できる。

このため、部分造形物を製造した３Ｄプリンタの性能や大きさにかかわらず、３Ｄプリンが一度の造形で製造できる大きさを超える所望の大きさを備えた造形物や、オーバーハング部や一度の成形では造形できない複雑な立体形状を備えた所望の形状の造形物を製造することができる。

また、請求項１に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法によれば、接合用シリコーンゴムは液体の主剤と、液体の硬化剤とで構成される２液性のものである。よって、部分造形物の接合面への塗布が容易である。また、接合用シリコーンゴムは粘性があるので、接合すべき部分造形物を仮止めすることができる。

また、請求項２に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法によれば、接合用シリコーンゴムは固体である。よって、接合用シリコーンゴムの取り扱いが容易である。

また、請求項３に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法によれば、接合用シリコーンゴムは加熱により架橋する。よって、部分造形物の接合のための設備が加熱装置だけですみ、加圧装置等の大がかりな装置が不要である。

更に、請求項４に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法によれば、接合用シリコーンゴムの加熱は、３Ｄプリンタの造形ステージ上で行う。このため、加熱用の場所を容易する必要がない。

そして、請求項５に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法によれば、接合用シリコーンゴムの加熱を予め加熱された板材に複数の前記部分造形物を載置することにより行う。このため、３Ｄプリンタを接合のために占有することなく効率良く使用できる他、架橋に最適な加熱状態を設定できれば、接合用シリコーンゴムの架橋条件を常に最適なものとして部分造形物を接合でき、接合用シリコーンゴムの架橋時における温度管理が容易となる。

本発明の実施形態に係る３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法の処理の流れを示すフローチャートである。 同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法における複数の部分造形物の接合状態を示す模式図である。 同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法で使用した３Ｄプリンタを造形した部分造形物をステージ上に仮組した状態を示す写真である。 同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において接合用シリコーンゴムをステージ上で加熱架橋している状態を示す３Ｄプリンタの写真である。 同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法で製造した製品を示すものであり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ異なる方向から撮影した写真である。 同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法で接合した部分造形物の接合部の強度試験の結果を示す表である。

本発明を実施するための形態に係る３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法について説明する。

本実施形態では、シリコーンゴムを素材として３Ｄプリンタにより製造すべき製品を複数に分割した複数の部分造形物を製造し、これらの部分造形物を接合用シリコーンゴムで接合して製品とする。

＜製造するシリコーン造形物の例＞
本実施形態に係る３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において、製品となるシリコーンゴム造形物は、様々である。一例として図５（ａ）、（ｂ）に示すシリコーンゴム製のバッグ１０を示す。このバッグ１０は、例えば持ち帰り弁当を収納するために使用する。バッグ１０の大きさは通常の３Ｄプリンタで一度に成形するには大きく、また形状が複雑であり積層による製造が困難である。

本例に係るバッグ１０は、それぞれ所定形状を備えたメッシュ状の部分造形物として、２枚の底部１１ａ、１１ｂ、４枚の横側部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、２枚の持手部１４ａ、１４ａを備える。これらの部分造形物は、接合部２１、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂで接合されてバッグ１０が製造される。各部の形状等については後述する。

なお、本発明に係る３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法では、他の製品、例えば大型のドアサッシュ用パッキン、長寸法チューブ、その他の形状のシリコーンゴム造形物を製造できる。

＜製造の手順＞
次に３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法の概略手順を説明する。図１は本発明の実施形態に係る３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法の処理の流れを示すフローチャートである。まず、接合されて造形物となる複数の部分造形物を設計する（ステップＳ１）。この設計は、３ＤＣＡＤソフトを使用しコンピュータで行う。

例えば造形物である上述したバッグ１０、バッグ１０を構成する部分造形物である底部１１ａ、１１ｂ、横側部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、持手部１４ａ、１４ａの３Ｄ設計データを作成する。この場合、同形の部分造形物については一つの３Ｄ設計データを作成すれば足りる。そしてこれらの３Ｄ設計データを３Ｄプリンタでシリコーンゴムを積層するために使用するスライスデータに変換する。

次いで準備したスライスデータに基づいて３Ｄプリンタにより各部分造形物を製造する（ステップＳ２）。この例では、３Ｄプリンタは、主剤と硬化剤とからなるシリコーンゴムを素材とし、このシリコーンゴムを吐出ヘッドから吐出してステージ上に積層していく。このとき、吐出ヘッドとステージとは、スライスデータに基づいてＸ，Ｙ、Ｚ方向に相対的に移動し、順次部分造形物を積層し、すべて必要な部分造形物を形成していく（ステップＳ２、ステップＳ３）。

この技術として、液体の物質を積層造形する技術である液体積層方式（ＬＡＭ）が公知である。ＬＡＭはＧｅｒｍａｎ ＲｅｐＲａｐ社の積層造形技術であり、シリコーンゴムを含む液状ゴムなどの液体材料を積層可能である。

積層するシリコーンゴムとしては、ザ・ダウケミカル・カンパニーの「ＤＯＷＳＩＬＡＳＴＩＣ ３Ｄ ３３３５ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ」を使用できる。このシリコーンゴムは２液性の白金触媒による熱硬化性の液状シリコーンゴムであり、柔軟性、耐熱・耐寒性、加工性などの特徴と、積層造形技術による少量多品種生産、複雑形状のカスタマイズ、最適なプロトタイプ作成などの特徴を持つ。

すべての部分造形物を造形したのち、製造された複数の部分造形物を設計に従って配置して仮組みする。仮組には耐熱テープなどを使用することができる。そして、隣り合う部分造形物の接合面の間に部分造形物と同一素材であり未架橋である接合用シリコーンゴムを配置する（ステップＳ４）。この接合用シリコーンゴムは、各部分造形物の素材と同じものを使用できる。これにより、他の接着剤を使用するのに比べて部分造形物間の接着力を強固なものとできる。

次いで、接合用シリコーンゴムを架橋して前記複数の部分造形物を接合する（ステップＳ５）。加熱温度は例えば摂氏２００度程度であり。これは、３Ｄプリンタのステージ上で行うことができる。この場合、ステージ上部に配置したハロゲンランプ等で加熱することができる。この加熱は別途用意した加熱炉で行うことができる。

ここで、複数の部分造形物の接合は一時に行うことの他、適宜、例えば接合し易い順に順次行うことができる。すべての部分造形物を接合することによりシリコーンゴム造形物の接合は完了する（ステップＳ６）。

＜接合部分の構造＞
次に部分造形物の接合部分について説明する。図２は同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法の接合状態を示す模式図である。一方の部分造形物３１と、他方の部分造形物３２との間に接合用シリコーンゴム３３が配置されている。部分造形物３１、及び部分造形物３２は、架橋状態である。そして、部分造形物３１と部分造形物３２とは架橋された同一材料である接合用シリコーンゴム３３が配置されている。このため、結合面の強度が、積層造形部と同等であり、かつ異なる材料を必要としない。

図６は同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法で接合した部分造形物の接合部の強度試験の結果を示す表である。図６に示すように、接合用シリコーンゴムは、型整形されたシリコーンゴムと同等の延び、引き裂き強さ、引張強さを有する。これらの値は上述したシリコーンゴムの製造元であるザ・ダウケミカル・カンパニーの資料に基づく。

＜加熱の例＞
次に加熱処理の例について説明する。図３は同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法で使用した３Ｄプリンタを造形した部分造形物を示す写真、図４は同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法において接合用シリコーンゴムを加熱架橋している状態を示す３Ｄプリンタの写真である。

図３では、３Ｄプリンタ４０のステージ４１上に底部１１ａ、持手部１４ａを仮組みした状態を示している。持手部１４ａは持ち手１５ａを備えている。底部１１ａと、持手部１４ａとは接合部２２ａで接合され、接合部２２ａには接合用シリコーンゴムが配置されている。

図４では、ステージ４１上で仮組みされた底部１１ａと持手部１４ａとの接合部２２ａがハロゲンランプ４２、４２で加熱されている状態を示している。これにより、接合部２２ａは摂氏約２００度に加熱され、接合用シリコーンゴムが架橋される。

図３、及び図４では、底部１１ａ及び持手部１４ａの接合について示しているが、他の部分造形物同士も同様に仮組み、加熱、架橋される。

＜バッグの構造＞
バッグ１０の構造について説明する。図５は同３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法で製造した製品を示すものであり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ異なる方向から撮影した写真である。

上述したように、バッグ１０は、２枚の底部１１ａ、１１ｂ、４枚の横側部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、２枚の持手部１４ａ、１４ａを接合して形成される。これらは一辺１０ｍｍ程度の蜂の巣状六角形穴部を多数形成した厚さ寸法１．５ｍｍ程度の部分形成物をなす。

バッグ１０は、これらを接合部２１、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂにおいて接合用シリコーンゴムで接合して形成される。バッグ１０は、底辺寸法２３ｃｍ×１８ｃｍ、横側部１２ａ、１２ｂの最大高さ寸法１０ｃｍ、持手部１４ａ、１４ａの高さ寸法８ｃｍ程度の大きさである。

底部１１ａ、１１ｂは、略長方形をなし長辺同士が接合部２１で接合される。横側部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、二等辺直角三角形状であり、横側部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの下側の一辺と底部１１ａ、１１ｂの短辺とが、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂと接合される。

持手部１４ａ、１４ｂは長方形状であり、その長辺と底部１１ａ、１１ｂの長辺が接合部２２ａ、２２ｂで接合される。更に、持手部１４ａ、１４ｂの両側短辺と横側部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの長辺が接合部２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂで接合される。なお、持手部１４ａ、１４ｂには持ち手１５ａ、１５ｂが、一体に形成されている。

このバッグ１０は、充分な強度と、耐熱性を備えており、持ち帰り弁当を入れて運搬するのに最適である。

なお、上記実施形態では、シリコーンゴム造形物としてバッグを例として説明したが、シリコーンゴム造形物としては、他の造形物であってもよい。また、上記実施形態では、接合用シリコーンゴムとして液体のものを例として説明したが、接合用シリコーンゴムは固体であってもよい。この場合接合用シリコーンゴムの取り扱いが容易である。

また、上記実施形態では、接合用シリコーンゴムの加熱を３Ｄプリンタのステージ上で行うものとしたが、接合用シリコーンゴムの仮組み及び加熱を予め加熱された板材に複数の前記部分造形物を載置することにより行うようにできる。この場合、３Ｄプリンタを接合のために占有することなく効率良く使用できる他、架橋に最適な加熱状態を設定でき、接合用シリコーンゴムの架橋条件を常に最適なものとして部分造形物を接合でき、接合用シリコーンゴムの架橋時における温度管理が容易となる。

本発明に係る３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法は、３Ｄプリンタの大きさにかかわらず所望の大きさの造形物や、オーバーハング部を有する造形物を簡単に製造することができ、また、部分造形物を、接合用シリコーンゴムを架橋して接合することから、部分造形物の接合ではあるが各部分造形物間の接合強度は非常に大きいものとでき、造形物全体としての強度も確保できるので産業上の利用可能性がある。

１０：バッグ
１１ａ、１１ｂ：底部
１２ａ、１２ｂ：横側部
１３ａ、１３ｂ：横側部
１４ａ、１４ｂ：持手部
１５ａ、１５ｂ：持ち手
２１、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ：接合部
３１、３２：部分造形物
３３：接合用シリコーンゴム
４０：３Ｄプリンタ
４１：ステージ
４２：ハロゲンランプ

Claims (5)

1. シリコーンゴムを素材として、接合されて造形物となる複数の部分造形物を３Ｄプリンタで製造するステップと、
   製造された複数の前記部分造形物を所定の位置に配置し、部分造形物の接合面の間に前記部分造形物と同一素材であり未架橋である接合用シリコーンゴムを配置するステップと、
   前記接合用シリコーンゴムを架橋して前記複数の部分造形物を接合するステップと、
   を備え、
   前記接合用シリコーンゴムは液体の主剤と、液体の硬化剤とからなる２液性のものであることを特徴とする３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法。
2. 前記接合用シリコーンゴムは固体であることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法。
3. 前記接合用シリコーンゴムを加熱して架橋することを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法。
4. 前記接合用シリコーンゴムの前記加熱は、前記３Ｄプリンタの造形ステージ上で行うことを特徴とする請求項３に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法。
5. 前記接合用シリコーンゴムの前記加熱は、予め加熱された板材に複数の前記部分造形物を載置することにより行うことを特徴とする請求項４に記載の３Ｄプリンタによるシリコーンゴム造形物の製造方法。

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