JP7238533B2 - 材料供給装置、射出成形装置及び三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、可塑化部において熱可塑性樹脂を加熱して可塑化し、溶融した樹脂を射出部によって射出し所望の製品を成形するための材料供給装置、射出成形装置及び三次元造形装置に関する。

射出成形装置は、樹脂の成形用金型に流動性を帯びた樹脂材料を供給するための材料供給装置を備える。例えば、スクロール式の射出成形装置には、熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、該バレルに当接した状態で回転することによって熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部と、該可塑化部から供給される溶融樹脂を金型のキャビティ内へ射出する射出部と、該射出部から可塑化部への溶融樹脂の逆流を防ぐための逆流防止機構とが設けられている。

斯かるスクロール式の射出成形装置に関して、例えば、特許文献１には、熱可塑性樹脂の可塑化状態や圧力値に依存することなく、溶融樹脂の逆流を防いで該溶融樹脂を金型のキャビティへと過不足なく安定して供給することを可能とする逆流防止機構を備えた射出成形装置が提案されている。

また、特許文献２には、装置全体の小型軽量化を図ることができる射出成形装置が提案されている。

特開２０１２－１３１１１５号公報 特開２００５－３０６０２８号公報

ところで、スクロール式の射出成形装置に設けられている可塑化部においては、スクロールがバレルに当接した状態で回転するため、これらのスクロールとバレルの当接面にかじりや摩耗等が生じた場合には、スクロールとバレルの双方を新しいものと交換する必要があり、不経済であるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、可塑化部においてスクロールとバレルの当接面にかじりや摩耗等が発生した場合には、これらのスクロールとバレルの一方のみを交換することによって経済性を高めることができる材料供給装置、射出成形装置及び三次元造形装置を提供することにある。

また、スクロールには、これに投入されるペレット状の熱可塑性樹脂をバレルへと案内するための螺旋溝が形成されているが、この螺旋溝を流れる熱可塑性樹脂の搬送の効率性を考えると、熱可塑性樹脂が螺旋溝のスクロール側では溶融しないで固体のままの状態が維持され、バレル側では溶融状態となることが望ましい。

従って、本発明の他の目的は、可塑化部のスクロールでの熱可塑性樹脂の効率の良い搬送を実現することができる材料供給装置、射出成形装置及び三次元造形装置を提供することにある。

本発明によれば、材料供給装置は、熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、該バレルに当接した状態で回転することによって前記熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部を含んで構成される材料供給装置であって、前記バレルと前記スクロールの少なくとも当接面の硬度が互いに異なることを特徴とする。

ここで、前記スクロールの少なくとも当接面の硬度を前記バレルの少なくとも当接面の硬度よりも低く設定しても良い。又、前記スクロールを樹脂又はセラミックスで構成し、前記バレルを金属で構成しても良い。具体的には、前記スクロールをポリベンゾイミダゾール、ポリテトラフルオロエチレン又はポリエーテルエーテルケトンで構成しても良い。

また、本発明によれば、材料供給装置は、熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、該バレルに当接した状態で回転することによって前記熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部を含んで構成される材料供給装置であって、前記スクロールの熱伝導率を前記バレルの熱伝導率よりも低く設定したことを特徴とする。

ここで、前記スクロールの少なくとも当接面の熱伝導率を１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下としても良い。又、前記スクロールの融点を前記熱可塑性樹脂の融点よりも高く、且つ、前記バレルの融点よりも低く設定しても良い。そして、前記スクロールの熱伝導率λsと前記バレルの熱伝導率λｂ及び前記スクロールと前記バレルとの距離Ｌとの間に、
０．１≦Ｌ×（１＋λｓ／λｂ）≦０．３
なる関係が成立するようにしても良い。

また、本発明によれば、射出成形装置は、上述した本発明の材料供給装置と、所望の形状の製品を成形するキャビティを有する金型部とを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明によれば、三次元造形装置は、上述した本発明の材料供給装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、スクロールの硬度をバレルの硬度よりも低く設定したため、これらのスクロールとバレルの当接面のかじりや摩耗は、硬度の低いスクロール側で主に発生する。従って、当接面にかじりや摩耗が発生したスクロールのみを新しいものと交換し、かじりや摩耗が発生していないバレルは、交換することなくそのまま継続して使用することができ、経済的損失を抑えて高い経済性を確保することができる。

また、本発明によれば、可塑化部におけるスクロールの熱伝導率をバレルの熱伝導率よりも低く設定したため、バレルからスクロールへの熱伝導が抑えられ、該スクロールの温度上昇が低く抑えられる。この結果、スクロールを搬送される熱可塑性樹脂がスクロール側では溶融しないで固体のままの状態が維持され、バレル側では溶融状態となるため、該熱可塑性樹脂が効率良く流れることができ、その搬送性が高められる。

本発明に係る材料供給装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明に係る材料供給装置の可塑化部を斜め右方から見た分解斜視図である。 本発明に係る材料供給装置の可塑化部を斜め左方から見た分解斜視図である。 本発明に係る射出成形装置の構成を概略的に示す断面図である。

［第１発明］
以下に本発明の実施の形態を、図１～図４を参照して説明する。

図１は本発明に係る材料供給装置１００の構成を概略的に示しており、図２は材料供給装置１００の可塑化部１０及び射出部２０の要部を斜め右方から見た分解斜視図であり、図３は可塑化部１０及び射出部２０の要部を斜め左方から見た分解斜視図である。図４は図１に示す材料供給装置１００を用いた射出成形装置１００Ａを示している。なお、図４においては、金型部５０を簡略化して示している。

図１から図４に示すように、本発明に係る材料供給装置１００は、成形材料であるペレット状の熱可塑性樹脂を加熱してこれを混練しながら圧送する可塑化部１０と、該可塑化部１０から圧送されてきた溶融樹脂を送出する射出部２０と、材料を投入するためのホッパ３０と、可塑化部１０のスクロール１１を回転駆動するための駆動機構４０とを備えている。また、本発明に係る射出成形装置１００Ａは、上述した材料供給装置１００と、射出部２０から射出される溶融樹脂を冷却固化させて所望の形状の製品を成形するキャビティを有する金型部５０とを備えている。

＜可塑化部＞
可塑化部１０は、ホッパ３０の材料出口３１から投入されたペレット状の熱可塑性樹脂を内部へ搬送するスクロール１１と、このスクロール１１により搬送された可塑性樹脂を加熱するバレル１２とを備えている。スクロール１１は、バレル１２に当接した状態で回転することによって熱可塑性樹脂を加熱されながら搬送するように構成されている。また、スクロール１１は、駆動機構４０により回転駆動される。

スクロール１１は、図２に示すように、略短円柱状の回転体であって、その側面と、バレル１２への当接面１１ｓとに材料を受け入れる螺旋溝１１ａが形成されている。この螺旋溝１１ａは、短円柱状の回転体の先端部の周縁上から該先端部の中心に向けて、中央の回転軸の近傍までスクロール１１の回転方向に沿って縮径するよう螺旋状に形成されており、スクロール１１の側面に形成された案内溝１１ａ１と当接面に形成された送溝１１ａ２とによって構成されている。

スクロール１１の当接面１１ｓとバレル１２の当接面１２ｓとは、スクロール１１が回転すると密接しながら摺動し、ホッパ３０の材料出口３１からスクロール１１へと投入された熱可塑性樹脂は、螺旋溝１１ａの案内溝１１ａ１に沿って送溝１１ａ２へと導かれ、送溝１１ａ２を螺旋状に搬送される過程でバレル１２からの熱によって可塑化される。そして、可塑化された溶融樹脂は、送溝１１ａ２に沿ってスクロール１１の中心部に向かって圧送される。

バレル１２は、板状の部材から形成されている。バレル１２の内部には、不図示の電気ヒータが収容されて内部加熱が可能となっている。また、このバレル１２には、熱電対等の温度センサが取付可能となっており、不図示の制御手段によって電気ヒータへの通電を制御することによって、バレル１２の温度が樹脂の融点以上で、且つ、スクロール１１の温度がバレル１２の温度以下或いは樹脂の融点以下となるよう調整される。

また、図３に示すように、バレル１２のスクロール１１との当接面１２ｓには、中心に向かって円弧状に収束する複数の凹溝１２ａが形成されており、これらの凹溝１２ａとスクロール１１の送溝１１ａ２とによって溶融樹脂がスクロール１１及びバレル１２の中心部に向かって圧送されるよう構成されている。

バレル１２の中央に吐出口１２ｃと、吐出口１２ｃに連通する螺旋溝１２ｂとが設けられている。この螺旋溝１２ｂは、バレル１２の軸線の周囲領域から該軸線に向けて渦巻くように伸びる一条の溝からなり、またバレル１２の当接面１２ｓ上に開放している。螺旋溝１２ｂはバレル１２の軸線の周囲領域上に始端部１２ｂ１を有し、またバレル１２の軸線上に終端部１２ｂ２を有し、終端部１２ｂ２においてバレル１２の吐出口１２ｃと連通している。

本実施の形態においては、可塑化部１０におけるスクロール１１とバレル１２の硬度が互いに異なっており、スクロール１１の硬度がバレル１２の硬度よりも低く設定されている。具体的には、スクロール１１は、樹脂又はセラミックスで構成されており、バレル１２は、樹脂やセラミックスよりも硬度の高い金属で構成されている。例えば、スクロール１１を樹脂で構成する場合、この樹脂には、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が用いられる。

なお、本実施の形態では、スクロール１１全体の硬度がバレル１２全体の硬度よりも低く設定されているが、スクロール１１の少なくとも当接面１１ｓの硬度を、バレル１２の少なくとも当接面１２ｓの硬度よりも低く設定しても良い。

＜射出部＞
射出部２０は、可塑化部１０のバレル１２の内部に設けられている材料送出機構２１と、ホットランナノズル２２とを備えている。材料送出機構２１は、スクロール１１の回転運動によりスクロール１１の螺旋溝１１ａ内を圧送され、螺旋溝１１ａを経た材料をバレル１２の吐出口１２ｃに送るためのものである。材料送出機構２１は、バレル１２に形成された螺旋溝１２ｂ内を揺動可能であるように受け入れられた螺旋突条２１ａを有する。

また、材料送出機構２１は、螺旋突条２１ａが形成された円形の基板２１ｂを備える。螺旋突条２１ａは基板２１ｂの両面の一方上にあって、基板２１ｂの周面近傍から該基板２１ｂの軸線近傍に向けて渦巻くように伸びる一条の帯状体からなる。螺旋突条２１ａは基板２１ｂの周面近傍に始端部を有し、また基板２１ｂの軸線近傍に終端部を有し、バレル１２の螺旋溝１２ｂの始端部１２ｂ１及び終端部１２ｂ２に対応する。材料送出機構２１の基板２１ｂは、駆動機構４０に接続されている。

材料送出機構２１の基板２１ｂ及び軸はそれぞれスクロール１１の軸線に対して垂直な方向への揺動運動が可能とされている（揺動運動に関する伝動機構は図示せず）。これにより、螺旋突条２１ａがバレル１２の螺旋溝１２ｂ内で揺動運動をすることで、スクロール１１の螺旋溝１１ａを経た材料はバレル１２の螺旋溝１２ｂ内に移動し、螺旋溝１２ｂ内を連続移動し、螺旋溝１２ｂの終端部からバレル１２の吐出口１２ｃへと移動する。

ホッパ３０は、材料供給装置１００の上方位置において支持されている。このホッパ３０は、材料供給装置１００による可塑化、混練、混合又は押出しを受ける材料を材料出口３１から可塑化部１０に供給する。

駆動機構４０は、駆動源であるサーボモータ４１と、このサーボモータ４１の回転速度を減じてサーボモータ４１の回転駆動力をスクロール１１に伝達するための減速機４２とからなる。この減速機４２によって、サーボモータ４１の回転が減速されてスクロール１１へと伝達され、スクロール１１がバレル１２に対して摺接しながら所定の速度で回転駆動される。ここで、サーボモータ４１の回転と停止及び停止位置は、不図示のロータリエンコーダによって検出されるスクロール１１の回転角に基づいて制御される。この結果、スクロール１１の回転停止位置が高精度に制御される。また、駆動機構４０は、材料送出機構２１の揺動運動も駆動するように構成されている。

＜金型部＞
金型部５０は、可動ダイプレート５１に取り付けられた可動金型５２と、固定ダイプレート５３に取り付けられた固定金型５４とで構成されるカセット金型であって、可動金型５２と固定金型５４との間には、製品と同じ形状のキャビティが形成されている。そして、固定金型５４には、ホットランナノズル２２が嵌挿されている。

次に、以上のように構成された材料供給装置１００及び射出成形装置１００Ａの作用について説明する。

ホッパ３０の材料出口３１から可塑化部１０に投入されたペレット状の熱可塑性樹脂は、可塑化部１０において回転するスクロール１１によって導入され、バレル１２によって加熱されて溶融すると共に、スクロール１１の送溝１１ａ２内を流れる過程で更に溶融が進行し、圧力上昇を伴ってスクロール１１の中心部へと圧送される。

そして、可塑化部１０と射出部２０とを連通させる流路の一部が開成されるため、一部が開成された流路を通って溶融樹脂が射出部２０のホットランナノズル２２へと供給される。このホットランナノズル２２を通って図４に示す射出成形装置１００Ａの金型部５０の可動金型５２と固定金型５４との間に形成されたキャビティへと射出される。そして、キャビティへと射出された溶融樹脂が冷却されて固化することによって、キャビティと同形状の製品が成形される。

以上の工程を経て製品を射出成形する射出成形装置１００Ａにおいては、可塑化部１０においてスクロール１１がバレル１２に当接した状態で回転すると、これらのスクロール１１とバレル１２の当接面には、かじりや摩耗等が発生するが、本実施の形態では、前述のようにスクロール１１の硬度がバレル１２の硬度よりも低く設定されている。具体的には、スクロール１１は、樹脂又はセラミックスで構成されており、バレル１２は、樹脂やセラミックスよりも硬度の高い金属で構成されているため、スクロール１１とバレル１２の当接面のかじりや摩耗は、硬度の低いスクロール１１側で主に発生する。

従って、当接面にかじりや摩耗が発生したスクロール１１のみを新しいものと交換し、かじりや摩耗が発生していないバレル１２は、交換することなくそのまま継続して使用することができる。このため、スクロール１１とバレル１２の双方を同時に交換する必要がなく、スクロール１１のみの交換で済むために経済的損失を低く抑えることができ、高い経済性が確保される。

［第２発明］
次に、第２発明の実施の形態について説明する。

第２発明に係る材料供給装置１００及び射出成形装置１００Ａの構成と作用は、以上説明した第１発明に係る材料供給装置１００及び射出成形装置１００Ａのそれらと基本的に同じであるため、これについての説明は省略する。

本発明に係る材料供給装置１００及び射出成形装置１００Ａにおいて、可塑化部１０のスクロール１１には、これに投入されるペレット状の熱可塑性樹脂をバレル１２の吐出口１２ｃへと案内するための螺旋溝１１ａが形成されているが、この螺旋溝１１ａを流れる熱可塑性樹脂の搬送の効率性を考えると、熱可塑性樹脂が螺旋溝１１ａのスクロール１１側では溶融しないで固体のままの状態が維持され、バレル１２側では溶融状態となることが望ましいことは前述の通りであり、そのためには、スクロール１１の温度がバレル１２の温度よりも低いことが要求される。

そこで、本発明は、可塑化部１０におけるスクロール１１の熱伝導率をバレル１２の熱伝導率よりも低く設定したことを特徴としている。具体的には、スクロール１１をバレル１２の熱伝導率よりも低い材料で構成し、不図示のヒータによって加熱されたバレル１２からスクロール１１への熱伝導を抑えて該スクロール１１の温度上昇を抑えるようにしている。この場合、スクロール１１を成形材料である可塑性樹脂の融点よりも高く、且つ、バレル１２の融点よりも低い材料で構成する。ここで、スクロール１１の少なくとも当接面１１ｓの熱伝導率を１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定することが望ましい。

又、本発明者等は、本発明の目的を達成するには、スクロール１１の熱伝導率λsとバレル１２の熱伝導率λｂ及びスクロール１１とバレル１２との距離Ｌとの間に、
０．１≦Ｌ×（１＋λs／λｂ）≦０．３
なる関係が成立することが望ましいことの知見を実験的に得た。

本発明によれば、可塑化部１０におけるスクロール１１の熱伝導率をバレル１２の熱伝導率よりも低く設定したため、ヒータによって加熱されたバレル１２からスクロール１１への熱伝導が抑えられ、スクロール１１の温度上昇が低く抑えられる。この結果、スクロール１１の螺旋溝１１ａを流れる熱可塑性樹脂が当該スクロール１１側では溶融しないで固体のままの状態が維持され、バレル１２側では溶融状態となるため、熱可塑性樹脂が螺旋溝１１ａを効率良く流れ、その搬送性が高められるという効果が得られる。

また、本発明の他の実施形態として、材料供給装置１００を用いて三次元造形装置を構成することも良い。この場合、例えば、材料供給装置１００のホットランナノズル２２から射出された溶融樹脂を成形するための受台に所定の形状に形成するように構成される。

なお、本発明は、以上説明した実施の形態に適用が限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。例えば、以上の実施の形態では、ホットライナノズルを備えたホットランナ金型式の射出成形装置に対して本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、コールドランナ金型式の射出成形装置に対しても同様に適用可能である。

また、本実施形態における材料供給装置１００において、材料を送り出すために、射出部２０には材料送出機構２１、バレル１２には螺旋溝１２ｂを有する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、材料送出機構２１及びバレル１２の螺旋溝１２ｂを設けなくても良い。又は、他の材料送出機構を設けても良い。

１０ 可塑化部
１１ スクロール
１１ａ スクロールの螺旋溝
１１ａ１ 螺旋溝の案内溝
１１ａ２ 螺旋溝の送溝
１１ｓ、１２ｓ 当接面
１２ バレル
１２ａ 凹溝
１２ｂ バレルの螺旋溝
１２ｂ1 始端部
１２ｂ２ 終端部
１２ｃ 吐出口
２０ 射出部
２１ 材料送出機構
２１ａ 螺旋突条
２１ｂ 基板
２２ ホットランナノズル
３０ ホッパ
３１ 材料出口
４０ 駆動機構
４１ サーボモータ
４２ 減速機
５０ 金型部
５１ 可動ダイプレート
５２ 可動金型
５３ 固定ダイプレート
５４ 固定金型
１００ 材料供給装置
１００Ａ 射出成形装置

Claims (10)

1. 熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、前記熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部を含んで構成される材料供給装置であって、前記スクロールは回転時に前記バレルと当接し、前記スクロールを樹脂又はセラミックスで構成し、前記バレルを金属で構成し、前記バレルと前記スクロールの少なくとも当接面の硬度を互いに異ならせることを特徴とする材料供給装置。
2. 熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、前記熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部を含んで構成される材料供給装置であって、前記スクロールは回転時に前記バレルと当接し、前記スクロールを樹脂又はセラミックスで構成し、前記バレルを金属で構成し、前記バレルと前記スクロールの当接面全体の硬度を互いに異ならせることを特徴とする材料供給装置。
3. 熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、前記熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部を含んで構成される材料供給装置であって、前記スクロールは回転時に前記バレルと当接し、前記スクロールをポリベンゾイミダゾール、ポリテトラフルオロエチレン又はポリエーテルエーテルケトンで構成し、前記バレルを金属で構成し、前記バレルと前記スクロールの当接面の硬度を互いに異ならせることを特徴とする材料供給装置。
4. 前記スクロールの少なくとも当接面の硬度を前記バレルの少なくとも当接面の硬度よりも低く設定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の材料供給装置。
5. 熱可塑性樹脂を加熱するバレルと、前記熱可塑性樹脂を加熱しながら搬送するスクロールを備える可塑化部を含んで構成される材料供給装置であって、前記スクロールは回転時に前記バレルと当接し、前記スクロールの熱伝導率を前記バレルの熱伝導率よりも低く設定したことを特徴とする材料供給装置。
6. 前記スクロールの少なくとも当接面の熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項５に記載の材料供給装置。
7. 前記スクロールの融点を前記熱可塑性樹脂の融点よりも高く、且つ、前記バレルの融点よりも低く設定したことを特徴とする請求項５又は６に記載の材料供給装置。
8. 前記スクロールの熱伝導率λsと前記バレルの熱伝導率λｂ及び前記スクロールと前記バレルとの距離Ｌとの間に、
   ０．１≦Ｌ×（１＋λｓ／λｂ）≦０．３
   なる関係が成立することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の材料供給装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の材料供給装置と、所望の形状の製品を成形するキャビティを有する金型部とを備えたことを特徴とする射出成形装置。
10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の材料供給装置を備えたことを特徴とする三次元造形装置。

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