JP7295271B2 - エラストマーから成形物を製造するための付加製造法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の特徴に記載の、成形物を製造するための製造法に関する。

背景技術
エラストマー成形材料の押出し、計量および射出成形は、産業において、例えばシール要素およびダイヤフラムを製造するために標準的に利用される。押出し機内で処理されたエラストマーは、ノズルによって射出成形型内に送入される。その際には、１～５ｍｍの平均的な通路直径を有する小型のノズルが使用される。このノズルの内部の圧力損失は、ノズルジオメトリおよび処理量ならびに材料粘度に大きく関連している。

また、種々異なる材料を、いわゆる３Ｄ印刷で処理して、付加製造法で製品を製造することも一般的に知られており、ますます普及している。したがって、付加製造で熱可塑性の材料製の生成物を一層一層積層するための設備が知られている。このような設備は、例えば、独国特許出願公開第１０２００９０３００９９号明細書、欧州特許第１８８６７９３号明細書および欧州特許第２７８２７４２８１号明細書に記載されている。

課題
本発明の課題は、非熱可塑性のエラストマー材料製の成形物を製造することができる、成形物を製造するための方法を提供することである。更なる課題は、この方法によって、特に微細な構造を有する成形物をも高精度に製造することができるようにすることである。

技術的な解決手段
この課題は、請求項１の特徴を有する、成形物を製造するための製造法によって解決される。

本発明によれば、付加製造法で非熱可塑性のエラストマー材料を処理し、その際に成形物を製造することが有利であると認識された。

本発明に係る方法は、少なくとも１つの層から成る非熱可塑性のエラストマー材料製の三次元の成形物を製造するための付加製造法として用いられる。つまり、材料は、熱可塑性のエラストマーを除外したゴム状の材料である。方法は、以下の複数のステップを有している。

ａ） エラストマー材料を分出しシート（つまり、エラストマー材料から成るマット）、ストリップ、パック（つまり、エラストマー材料から成るディスク）またはコードの形態の出発材料として処理ユニットに供給するステップ。

ｂ） エラストマー材料を処理ユニット内で処理して、エラストマー材料の材料流を発生させるステップ。このステップでは、エラストマー材料の規定の粘度を生じさせることも、熱的かつ材料的な均質化を行うこともできる。

ｃ） エラストマー材料を貯蔵ユニット内に搬送して、この貯蔵ユニット内でエラストマー材料の予圧を形成するステップ。このステップでは、予圧は、特に６００ｂａｒ未満の範囲内にあり、処理される材料に関連している。

ｄ） エラストマー材料を成形ユニットに搬送し、この成形ユニットでエラストマー材料を目的に合わせて送出して、形成すべき成形物の少なくとも１つの層を形成し、ひいては、成形物に一層一層賦形するステップ。このステップでは、エラストマー材料は、特に０．５～３０ｇ／ｈの範囲内の質量流量で搬送される。

ｅ） 成形物の少なくとも１つの層または成形物全体を架橋ユニットによって架橋するステップ。このステップでは、架橋は、熱的、光学的または化学的に行われてよい。

方法ステップａ）ないしｅ）は、特に機械、つまり、成形物を製造するための装置で実行されてよい。代替的には、成形物を製造するための装置は、成形物全体の架橋を行う場合、ステップｅ）を、離間させられて配置された別体の装置内で行うことができるように形成されていてよい。

エラストマー材料は、規格ASTM D1418-17「Standard Practice for Rubber and Rubber Latices - Nomenclature」に準ずる非熱可塑性のエラストマー材料である。

非熱可塑性のエラストマー材料の技術的に重要な特性は、配合によって初めて得られる。配合とは、規定の添加剤、例えば充填剤、劣化防止剤、可塑剤、処理助剤、化学架橋剤等の付加を意味している。添加剤の種類および量は、その都度要求される材料の特性分布に関連している。架橋プロセス、つまり、非熱可塑性のエラストマー材料の、いわゆる加硫の際には、不可逆的な化学的な架橋箇所が形成される。

この有機高分子網状構造は高い弾性を有していて、可逆的に大きな変形を実施することができる。

ステップｃ）において貯蔵ユニット内に搬送されるエラストマー材料は、もはや更なる物質が添加されない完全に混合された材料である。

特に好適には、非熱可塑性のエラストマー材料は、化学的に架橋されたゴムから成る材料である。

本発明に係る方法では、エラストマー材料は、ステップａ）ないしｄ）の間に高粘性であり、つまり、液状でなく、架橋可能でもある。エラストマー材料は、１００～１００００００Ｐａ・ｓの範囲内の粘度、つまり、剪断に対する抵抗を有している。これによって、例えば射出成形法で処理される熱可塑性樹脂に比べて著しく高い粘度が提供される。

このような方法が非熱可塑性のエラストマー材料によって機能することは驚くべきことである。

ノズルにより搬送される材料の圧力損失の算出は、とりわけ、専門書「Extrusionswerkzeuge fuer Kunststoffe und Kautschuke（Michaeli著、第２版、第２．１章および第３．１章）」に記載されている。

圧力損失算出は、管を通る非圧縮性の粘性の流体の層流に関するハーゲン・ポアズイユの法則、つまり、

Δｐ＝管の始端と終端との間の圧力差［Ｐａ］
ｒ＝管の内側半径［ｍ］
ｌ＝管の長さ［ｍ］
η＝流れる液体の粘度［Ｐａ・ｓ］
に基づいている。

小さな直径を有していて、標準エラストマー配合物を含みかつ従来の粘度を有するストランドを製造し、例えば計量するために、文献に基づく従来の計算法則によれば、０．５～３０ｇ／ｈの質量流量を得るためには、約７００～１００００ｂａｒを大幅に上回る極めて高い圧力が必要となる。しかしながら、このように高い圧力を形成することは困難でしかなく、実用的でない。驚くべきことに、エラストマー材料を成形ユニットで成形して送出するためには、より低い圧力でも十分であることが判った。その理由は、成形ユニット、例えば微細なノズルによる搬送時のエラストマー材料の実際の圧力損失が、従来慣用の算出により見込まれ得る圧力損失よりも著しく低いことにある。

方法の特に有利なひいては好適な改良形態では、使用されるエラストマー材料が固化することはなく、弾性または粘弾性である。つまり、エラストマー材料は、決して固相をとらず、その弾性または粘弾性の特性を維持している。

エラストマー材料は、例えば、ポリアクリレートゴム（ＡＣＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）またはミラブル型シリコーンゴム（高粘稠度ゴムＨＣＲ）であってよい。

方法の可能な構成では、ステップｂ）において、エラストマー材料の処理が、１つ以上のスクリューおよび／または１つのピストンポンプおよび／または１つの歯車ポンプおよび／または１つのスタティックミキサを使用して行われる。

ステップｂ）および／またはステップｄ）において、エラストマー材料の温度の管理および調整が、２０℃超～１５０℃未満、特に９０℃未満、ＨＣＲを処理する場合には３５℃未満で行われると、特に有利であると判った。こうして、エラストマー材料の早期の架橋を阻止することができる。これによって、例えば射出成形法で処理される熱可塑性樹脂に比べて著しく低い温度が提供される。

このためには、処理ユニットおよび／または成形ユニットが、エラストマー材料を冷却かつ／または加熱するための温度調整装置を有していてよい。

可能な構成では、ステップｄ）における成形ユニットが、ノズル、特にクロック制御式のノズルとして形成されていてよい。代替的には、開放したノズルも可能である。クロック制御式のノズルは、クロック制御可能な閉鎖手段を有しており、これによって、ノズルを通したエラストマー材料の押出しと、その後のノズルの再度の閉鎖とが交互に行われる。ノズルが０．２５ｍｍ未満の直径を有していると、特に有利であるように思われる。こうして、特に微細な構造を有する成形物を形成することができる。

エラストマー材料が、ノズルの領域で１０～５５００ １／ｓの剪断速度を有していると、有利であると判った。この場合、生じる圧力損失は比較的僅かである。剪断速度はずり速度とも呼ばれる。

方法のステップｄ）において、エラストマー材料を連鎖的（sequenziell.）な形態で送出することが特に有利であると判った。これは、エラストマー材料が連続的に送出されるのではなく、確定可能な規定の量のエラストマー材料が送出され、これに続いて、休止中にエラストマー材料が送出されないことを意図している。このことは、クロック制御式のノズルを使用することによって実現することができる。なお、連鎖的な形態とは、連続的な形態、例えばストランドと異なっている。

方法の特に有利なひいては好適な改良形態では、エラストマー材料が数珠つなぎ（Perlenkette）の形態で送出される。数珠つなぎは、複数の珠の並置、つまり、１つのストランドにおいて珠状に変化する直径を特徴としている。この直径は、１～１５％だけ変化してよい。１ｍｍ未満、特に０．３ｍｍ未満の平均的な直径を有する数珠つなぎが好適である。

数珠つなぎのジオメトリおよび充填密度は、クロック制御式のノズルの閉鎖手段のクロック周波数によって調整しかつ適合させることができる。数珠つなぎによって、成形物の特に微細な構造を実現することができると判った。更なる利点は、成形物における角隅を、例えば、エラストマー材料がストランドの形態で送出される場合よりも簡単に形成することができるので明らかである。また、数珠つなぎの場合、ストランドに比べて、成形物におけるエラストマー材料のより緊密な充填密度を達成することができることも有利であるように思われる。

本発明に係る方法では、ステップｄ）およびｅ）において、成形ユニットもしくは架橋ユニットと成形載置ユニット、つまり、製造すべき成形物用の支持体との間の相対運動が行われて、送出されるエラストマー材料が位置決めされてよいかもしくは架橋ユニットの作用領域が位置決めされてよい。こうして、送出されたエラストマー材料を目的に合わせて成形載置ユニット上に堆積させることができるかまたは成形載置ユニットにすでに位置しているエラストマー層上に堆積させることができる。多軸位置決めひいては所要の相対運動を可能にする精密位置決めシステムは当業者に知られている。

本発明に係る方法の有利な変化形態では、ステップｄ）およびｅ）が交互に繰り返されて、成形物の個々の層が積層され、それぞれ次の層を被着する前に架橋される。

本発明に係る方法の有利な変化形態では、付加的なステップにおいて、支持領域を形成するための支持材料の送出が行われる。この変化形態では、エラストマー材料を送出するステップと、支持材料を送出するステップとが、形成すべき成形物のジオメトリに応じて交互に行われる。この場合、支持材料は、引き続き送出されるエラストマー材料の層用の支持構造体を形成する。支持材料は、この支持材料をのちに簡単に再び除去することができるように選択される。支持材料は、例えば水溶性であってもよいし、エラストマー材料に作用しないアルカリ液中で可溶性であってもよい。したがって、有利には、複雑なジオメトリを有する成形物を形成することもできる。

記載した本発明および本発明の記載した有利な改良形態は、技術的に有意である場合には、互いに組み合わせても本発明の有利な改良形態を成す。

本発明の更なる利点および構造的かつ機能的な観点で有利な構成は、従属請求項ならびに添付の図面に関連した実施例の記載に示してある。

実施例
試験では、以下のジオメトリ、材料および粘度において、記載した圧力損失が得られた。理論上の圧力損失は、記載した著しく高い値にある。

０．３ｍｍ未満の直径を有する極めて微細なノズル内に十分な材料がある場合の実際の一連の試験で測定された圧力損失（数百バール）は、算出された圧力損失（数千バール）に比べて著しく僅かであった。つまり、この一連の試験によって、エラストマー材料を成形ユニット、例えば細いノズルを通して押し出すことができ、したがって、付加製造法でエラストマー材料から成形物を製造することができることを確かめることができた。

本発明を添付の図面に基づきさらに詳しく説明する。図面をより見やすくするために、適正な縮尺での図示は省略した。

付加製造法で成形物を製造するための装置の概略図である。

図面には、成形物１００を製造するための装置１０が示してある。この装置１０では、付加製造法でエラストマー材料１から成形物１００が製造される。このためには、エラストマー材料１が処理ユニット２に供給され、この処理ユニット２でスクリュー３によって処理される。

こうして処理されたエラストマー材料１は貯蔵ユニット４に供給され、この貯蔵ユニット４を通ってエラストマー材料１は、ノズル６を備えた成形ユニット５に提供される。ノズル６の下方には、成形載置ユニット７が配置されていて、自由に可動である。この成形載置ユニット７には、ノズル６から進出したエラストマー材料１が堆積させられ、こうして、成形物１００が形成される。ノズル６の近傍には、架橋ユニット９が配置されていて、エラストマー材料１から成る層を架橋するために働く。処理ユニット２および成形ユニット５には、処理ユニット２内のエラストマー材料１と成形ユニット５内のエラストマー材料１との温度を調整するために、それぞれ１つの温度調整装置８が割り当てられていてよい。

代替的な実施形態（図示せず）では、ノズル６および場合によっては架橋ユニット９も成形載置ユニット７に対して相対的に運動させられる。

成形物１００全体を全体的に架橋したい場合には、架橋ユニット９が、別体でかつ装置１０の別の構成要素に対して離間させられて配置されていてもよい。

成形物１００を製造するための装置１０によって、本発明に係る方法を実施することができる。

最初のステップでは、処理ユニット２へのエラストマー材料１の供給が行われる。処理ユニット２内では、エラストマー材料１の処理が実施され、エラストマー材料１の材料流が発生させられる。エラストマー材料１の処理は、スクリュー３を使用して行われる。このスクリュー３は、エラストマー材料１を貯蔵ユニット４内に搬送する。この貯蔵ユニット４内では、エラストマー材料１を成形ユニット５を通して送出するために十分である予圧が形成される。クロック制御式のノズル６として形成された成形ユニット５では、エラストマー材料１が目的に合わせて数珠つなぎの連鎖的な形態で送出される。こうして、成形載置ユニット７に、形成すべき成形物１００の層が堆積させられる。処理ユニット２と成形ユニット５とは、エラストマー材料１を冷却かつ／または加熱するための温度調整装置８を有しており、これによって、エラストマー材料１の温度の管理および調整が、２０℃超～１５０℃未満で行われる。こうして、エラストマー材料の早期の架橋を阻止することができる。

次のステップでは、成形物１００の少なくとも１つの層の架橋が架橋ユニット９によって行われる。エラストマー材料１の送出と層の架橋とが交互に繰り返されて、成形物１００の個々の層が積層かつ架橋され、成形物１００が完成する。

送出されるエラストマー材料１を位置決めするために、双方向矢印によって示したように、成形ユニット５と成形載置ユニット７との間の相対運動が可能となる。

また、架橋ユニット９の作用領域を位置決めするために、双方向矢印によって示したように、架橋ユニット９と成形載置ユニット７との間の相対運動も可能となる。

方法の代替的な実施形態（図示せず）では、ノズル６および場合によっては架橋ユニット９も成形載置ユニット７に対して相対的に運動させられる。

成形物１００全体を全体的に架橋したい場合には、架橋ユニット９が、別体でかつ装置１０の別の構成要素に対して離間させられて配置されていてもよい。この場合には、成形物を形成するための「エラストマー材料１を送出する」ステップと、「架橋する」ステップとの間で、架橋ユニット９への成形物１００の搬送が行われる。

１ エラストマー材料
２ 処理ユニット
３ スクリュー
４ 貯蔵ユニット
５ 成形ユニット
６ ノズル
７ 成形載置ユニット
８ 温度調整装置
９ 架橋ユニット
１０ 成形物を製造するための装置
１００ 成形物

Claims (10)

1. 少なくとも１つの層から成る非熱可塑性のエラストマー材料（１）製の成形物（１００）を製造するための方法であって、
   ａ） エラストマー材料（１）を処理ユニット（２）に供給するステップと、
   ｂ） 前記エラストマー材料（１）を前記処理ユニット（２）内で処理して、前記エラストマー材料（１）の材料流を発生させるステップと、
   ｃ） 前記エラストマー材料（１）を貯蔵ユニット（４）内に搬送して、該貯蔵ユニット（４）内で前記エラストマー材料（１）の予圧を形成するステップと、
   ｄ） 前記エラストマー材料（１）を成形ユニット（５）に搬送し、該成形ユニット（５）で前記エラストマー材料（１）を目的に合わせて送出して、形成すべき前記成形物（１００）の少なくとも１つの層を形成するステップと、
   ｅ） 前記成形物（１００）の前記少なくとも１つの層または前記成形物（１００）全体を架橋ユニット（９）によって架橋するステップと
   を含み、
   前記エラストマー材料（１）は、前記ステップａ）ないしｄ）の間に高粘性かつ架橋可能であり、前記エラストマー材料は、１００～１００００００Ｐａ・ｓの範囲内の粘度を有し、
   ステップｄ）における前記成形ユニット（５）は、クロック制御式のノズル（６）として形成されており、
   前記エラストマー材料（１）を数珠つなぎの形態で送出する、
   方法。
2. 前記エラストマー材料（１）は固化することはなく、弾性または粘弾性であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記エラストマー材料（１）は、ＡＣＭ、ＮＢＲ、ＥＰＤＭまたはＨＣＲとして形成されている、請求項１または２記載の方法。
4. ステップｂ）において、前記エラストマー材料（１）の処理を１つ以上のスクリュー（３）および／または１つのピストンポンプおよび／または１つの歯車ポンプおよび／または１つのスタティックミキサを使用して行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ステップｂ）および／またはステップｄ）において、前記エラストマー材料（１）の温度の管理および調整を１５０℃未満で行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記処理ユニット（２）および／または前記成形ユニット（５）は、前記エラストマー材料（１）を冷却かつ／または加熱するための温度調整装置（８）を有することを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 前記エラストマー材料（１）は、前記ノズル（６）の領域で１０～５５００ １／ｓの剪断速度を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記ステップｄ）およびｅ）において、前記成形ユニット（５）もしくは前記架橋ユニット（９）と成形載置ユニット（７）との間の相対運動を行って、送出される前記エラストマー材料（１）を位置決めするかもしくは前記架橋ユニット（９）の作用領域を位置決めする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記ステップｄ）およびｅ）を交互に繰り返して、前記成形物（１００）の個々の層を積層しかつ架橋する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. ｄ’） 支持領域を形成するための支持材料を送出する付加的なステップを含み、
    前記ステップｄ）およびｄ’）を、形成すべき前記成形物（１００）のジオメトリに応じて交互に行う、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。

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