JPWO2017149896A1 - ストランド製造装置及びストランドの製造方法 - Google Patents

Abstract

樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する押出成形手段と、押出成形されたストランド状樹脂組成物を冷却固化する冷却固化手段と、を有し、前記冷却固化手段が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されているストランド製造装置を提供する。

Description

本発明は、ストランド製造装置及びストランドの製造方法に関する。

近年、金型フリーで三次元の立体物を造形する技術として、熱溶融積層法（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）が知られている。前記熱溶融積層法では、立体造形物用の繊維状樹脂（ストランド）を溶融させ、鉛直線から４５°を超えるオーバーハング状に積層造形する場合、溶融させた前記樹脂が重力方向に変形乃至流動する、いわゆる「たれ」などが発生して形状が不安定となるため、水溶性樹脂からなるストランドにより支持体を形成し、溶融させた前記樹脂の形状を安定化させている。立体造形物を形成した後は、前記支持体を除去するために、前記支持体と一緒に立体造形物を水中に浸漬して前記支持体を溶解させることが試みられている。

前記支持体用ストランドは、押出し機等から熱可塑性樹脂を押出し、繊維状に成形することにより得ることができるが、押出し直後の当該ストランドは軟化状態であり、その寸法精度を維持するため、急速に冷却固化することが必要である。
例えば、ガイドロール内部に冷媒を流入させてガイドロールの温度上昇を防ぐ方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１２９２４５号公報

前記ストランドは、その直径が太くなるにつれて、その自重も重くなるため、直径０．１ｍｍ程度のストランドであれば問題は無いが、直径の太いストランドでは押出し後の軟化状態の樹脂を支える必要がある。しかし、軟化状態の樹脂への接触はストランドの寸法精度の悪化を招くおそれがある。

前記冷却固化には、通常、押出し機から押出された直後のストランドを水槽に浸漬したのち搬送用ロールに接触させて搬送する湿式冷却固化方法があるが、水溶性樹脂からなるストランドには適用できない。
一方、乾式冷却固化では、前記搬送用ロールに接触してもよい固化状態まで冷却するには時間を要するため、長大な距離を必要とし、自重による垂れを抑えるために樹脂の押出し量、引取り速度制御のバランスに高精度を要する。
また、装置の長大化によりストランドが大気中に長時間曝されると吸湿してしまうという問題がある。このため、乾燥空気又は乾燥窒素に満たされている空間にて搬送することが必要となる。特に、水溶性樹脂は吸湿し易いので水分量の制御が必要となる。

本発明は、優れた寸法精度を有するストランドを生産性よく製造することができるストランド製造装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としての本発明のストランド製造装置は、樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する押出成形手段と、
押出成形されたストランド状樹脂組成物を冷却固化する冷却固化手段と、を有し、
前記冷却固化手段が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されている。

本発明によると、優れた寸法精度を有するストランドを生産性よく製造することができるストランド製造装置を提供することができる。

図１は、本発明のストランド製造装置の一例を示す概略図である。 図２は、ストランド製造装置におけるロールユニットの一例を示す概略図である。 図３は、ロールユニットの溝の断面形状の一例を示す概略断面図である。 図４は、ストランド製造装置におけるロールユニットの内部構造の一例を示す概略図である。 図５は、ストランド製造装置におけるロールユニットの内部構造の他の一例を示す概略図である。 図６は、ストランド製造装置におけるロールユニットの他の一例を示す概略図である。 図７は、冷媒として超臨界流体を用いた冷却機構の一例を示す概略図である。 図８は、従来のストランド製造装置におけるロールユニットの一例を示す概略図である。 図９Ａは、本発明のストランドの製造方法により得られたストランドを支持体形成材料として用いて造形した立体造形物の一例を示す平面図である。 図９Ｂは、図９Ａの立体造形物のＡ−Ａ’線断面図である。 図９Ｃは、図９Ａの立体造形物の支持体の除去工程の一例を示す断面概略図である。 図１０は、立体造形物の製造装置の一例を示す概略図である。 図１１は、立体造形物の製造装置の他の一例を示す概略図である。 図１２は、立体造形物の製造装置の更に他の一例を示す概略図である。

（ストランド製造装置及びストランドの製造方法）
本発明のストランド製造装置は、押出成形手段と、冷却固化手段と、を有し、
前記冷却固化手段が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置され、更に必要に応じてその他の手段を有する。

本発明のストランドの製造方法は、押出成形工程と、冷却固化工程と、を含み、
前記冷却固化工程が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されている冷却固化手段を用いて行われ、更に必要に応じてその他の工程を含む。

本発明のストランド製造装置及びストランドの製造方法は、従来技術では、軸方向に冷媒を流入させるため、冷媒注入側と冷媒排出側においてロールユニットの温度差が発生し複数本のストランドを搬送させた場合、冷媒注入側と冷媒排出側でストランドの冷却固化状態が一定とならず同品質が望めない。また、ロールユニットの温度上昇を防ぐ目的からロールユニット表面はフラットであり、特に直径数ミリのストランドにおいては軟化状態でロールユニットに接触した際、ストランド自身の自重もあり、断面が扁平形状となってしまうという知見に基づくものである。

本発明のストランド製造装置においては、押出成形手段と、冷却固化手段として内部の冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置され、かつ曲率を有する溝を備えるロールユニットを備えているので、優れた寸法精度を有するストランド状樹脂組成物を生産性よく製造することができる。
前記ロールユニットの冷媒として超臨界流体を使用することが好ましく、これにより、省電力化、装置の小型化が可能である。

＜押出成形工程及び押出成形手段＞
前記押出成形工程は、樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する工程であり、押出成形手段により実施される。
前記押出成形手段としては、例えば、単軸押出機、二軸押出機、溶融成形機などが挙げられる。
前記溶融混練する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜公知の方法を選択することができ、各成分を二軸押出機、単軸押出機、溶融成形機により連続的に溶融混練する方法、又はニーダー、ミキサー等により、バッチ毎に溶融混練する方法などが挙げられる。なお、前記樹脂組成物がその他の成分として添加剤を含有しない場合は、溶融混練を省略することができる。

前記樹脂組成物は、樹脂を含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有する。
−樹脂−
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水溶性樹脂、水分散性樹脂、非水溶性樹脂などが挙げられる。これらの中でも、水溶性樹脂が好ましい。
前記水溶性樹脂における水溶性とは、例えば、２５℃の水１Ｌに樹脂が１００ｇ以上溶解することをいう。溶解したか否かは、水が透明であるか否かで判断でき、目視により確認することができる。
前記水溶性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレン−アクリル酸、ポリサルコシン、ポリＮ−ビニルピロリドン、ポリビニルアセテートなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

−その他の成分−
前記その他の成分としては、例えば、溶媒、無機化合物、滑剤、色材、分散剤、可塑剤などが挙げられる。
前記溶媒としては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコールなどが挙げられる。
前記無機化合物としては、例えば、酸化チタン、硫酸バリウム、酸化亜鉛、窒化アルミ、アルミナ、カオリン、チタン酸バリウム、シリカ、タルク、クレー、ベンナイト、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、マイカなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記滑剤としては、例えば、硬化ヒマシ油、脂肪酸アミド、脂肪酸アミン、アルキレンビス脂肪酸アミド、木蝋、カルナウバロウ、鯨ロウ、蜜ロウ、ラノリン、固形ポリエチレングリコール、二酸化ケイ素、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウムなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記色材としては、例えば、染料、顔料などが挙げられる。

＜冷却固化工程及び冷却固化手段＞
前記冷却固化工程は、押出成形されたストランド状樹脂組成物（以下、「ストランド」と称することもある）を冷却固化する工程であり、冷却固化手段により実施される。
前記冷却固化手段としては、内部の冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置され、かつ曲率を有する溝を備えるロールユニットが用いられる。前記ロールユニットによれば、冷媒注入側と冷媒排出側においてロールユニットの温度差がなくなり複数本のストランドを搬送した場合、冷媒注入側と冷媒排出側でストランドの冷却固化状態を一定とすることができる。
前記ロールユニットの冷媒流路は、前記冷媒注入口及び前記冷媒排出口に対する他端部側に折り返し構造を有することが好ましい。これにより、前記冷媒注入口では冷媒温度が低い状態であるが、冷媒流路を進む毎にロールユニットを冷却した冷媒の温度はロールユニットに熱を奪われ、前記冷媒排出口に到達する際には冷媒温度が上昇する。この際、注入口の冷媒温度、排出口の冷媒温度を加算し平均化した温度とロールユニット内部の冷媒流路折り返し付近の冷媒温度と注入口、排出口の温度は同様の温度を得ることができる。

前記ロールユニットは曲率を有する溝を有しているので、冷却固化の際にストランドの曲面形状を維持することができる。
前記溝の曲率半径Ｒは、目的とするストランドの直径と同じ曲率半径であることが好ましい。
ここで、図３に示すように、ロールユニット１０５の溝を曲率半径Ｒとし、高さＡの寸法を搬送の際に外れないようにＲ＝Ａとすることが好ましい。

前記ロールユニットは、回転機構を有することが好ましい。前記ロールユニットが回転機構の働きにより回転していることから、前記ロールユニットの水平方向の表面温度分布が均一となり、ストランドの冷却効率を平均化できる。
前記回転機構としては、例えば、モーター、サーボモーターなどが挙げられる。
前記ロールユニットは、温度制御機構を有することが好ましい。
前記温度制御機構としては、例えば、ロールユニット内部に設けられた熱電対とサーモスタッドとの組み合わせなどが挙げられる。
前記ロールユニットが、前記回転機構及び前記温度制御機構を有することにより、ロールの各点において冷却効率を平均化しロールユニットの水平方向での温度分布を均一とする点から好ましい。

前記ロールユニットは、水分量制御機構を有することが好ましい。これにより、ストランドの水分量を２,０００質量ｐｐｍ未満に調節することができる。
前記水分量制御機構としては、例えば、ヒーター、温風送風機などが挙げられる。
２つの前記ロールユニットを連結させて形成され、ストランドを通過させるための円形スリットを有することが、ストランドの寸法精度の向上の点から好ましい。

前記ロールユニットに用いられる冷媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、液体、気体、超臨界流体などが挙げられる。
常温常圧で液体の冷媒としては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、シリコーンオイル、水、又は水との混合液が主に使用される。
気体の冷媒としては、例えば、液体窒素、フルオロカーボン、空気等が主に使用される。
前記超臨界流体は、高圧ボンベに密閉状態であれば長期において劣化、蒸発することなく、電力を使用せず冷却効果が得られることから有効である。超臨界流体による冷却様式は、超臨界流体から大気圧流体になる際に密度が低下し、周囲の温度を奪って接触物の温度低下を引き起こすものである。
ここで、前記超臨界流体とは、気体と液体とが共存できる限界（臨界点）を超えた温度及び圧力領域において非凝縮性高密度流体として存在し、圧縮しても凝縮しない流体のことである。
前記超臨界流体を構成する物質としては、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化二窒素、窒素、メタン、エタン、プロパン、２，３−ジメチルブタン、エチレンなどが挙げられる。これらの中でも、二酸化炭素は、臨界圧力が約７．４ＭＰａ、臨界温度が約３１℃であって、容易に超臨界状態を作り出せること、不燃性で取扱いが容易であることなどの点で好ましい。
前記超臨界流体が超臨界二酸化炭素である場合、その温度は２５℃以上であることが好ましく、圧力は５ＭＰａ以上であることが好ましい。なお、超臨界二酸化炭素は、ロールユニットの冷媒として使用した後、乾燥雰囲気としても使用することができる。

＜その他の工程及びその他の工程＞
前記その他の工程及び前記その他の手段としては、例えば、制御工程、制御手段などが挙げられる。
前記制御工程は、前記各工程を制御する工程であり、制御手段により好適に行うことができる。
前記制御手段としては、前記各手段の動きを制御することができる限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シークエンサー、コンピュータ等の機器が挙げられる。

＜ストランド＞
本発明のストランドの製造方法により製造されたストランドは、水分量が２,０００質量ｐｐｍ（０．２質量％）未満であることが好ましく、１,５００質量ｐｐｍ以下がより好ましい。
前記水分量が２,０００質量ｐｐｍ未満であると、耐湿性が良好であり、使用環境下で吸湿によりべたつくことがない点で有利である。
前記水分量は、例えば、ストランドを水分気化装置により加熱して、カールフィッシャー水分計を用いて測定することができる。

前記ストランドの水平方向における平均直径は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。
前記ストランドの垂直方向における平均直径は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。
前記水平方向及び垂直方向における直径の変動係数は、２．０％以下が好ましく、１．５％以下がより好ましい。
前記変動係数が、２．０％以下であると、ストランドの寸法精度が良好となる。
前記ストランドの水平方向及び垂直方向における直径の変動幅（最大直径と最小直径との差）は、いずれも、０．５ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以下がより好ましい。
前記ストランドの垂直方向の直径、及び水平方向の直径は、例えば、マイクロメーター（ＭＤＣ−２５ＮＸ、ミツトヨ株式会社製）を用い、測定位置を変えて１０回測定し、平均直径、変動係数、及び変動幅を求めることができる。
前記ストランドの平均直径、変動係数、及び変動幅は、押出機の押し出し穴、温度条件、巻き取り時の張力条件等により制御することができる。また、冷却後、更に加熱しながら、巻き取り時の張力条件を調整して制御することも可能である。

前記ストランドは、以下に示す水溶性を有していることが好ましい。具体的には、直径１．８ｍｍのストランドを長さ５０ｍｍに裁断し、裁断したストランドを５０ｍＬビーカーに入れ、イオン交換水を４０ｍＬ注ぎ、水温を２５℃としたイオン交換水に浸漬して６０分間静置した。その後、固形物を取り出し、表面の水分をウエスにより拭き取り、６０℃で３時間乾燥させる。処理前後の質量から下記数式１により質量減少率を算出し、この質量減少率が９０％以上であることが好ましい。
質量減少率＝［（処理前質量−処理、乾燥後質量）／処理前質量］×１００・・・数式１

ここで、図１は、本発明のストランド製造装置１００の一例を示す概略図である。この図１のストランド製造装置１００は、樹脂組成物を溶融しストランド状に押し出す押出機１０１と、複数のロールユニット１０５を内部に有する冷却固化手段１０２と、搬送中のストランドの張力を保つ引取機１０３と、ストランドを巻き取る巻取機１０４とを有している。
押出機１０１より押し出されたストランド状樹脂組成物（ストランド）は冷却固化手段１０２内に設置されたロールユニット１０５により急速に冷却固化される。冷却固化されたストランドは引き取り機１０３によって搬送され、巻取機１０４によりボビン、コア等に巻き取られる。
なお、冷却固化手段１０２内は、ロールユニット１０５より排出された、冷媒としての超臨界流体である乾燥二酸化炭素で充填されている。

図２に示すように、ロールユニット１０５は曲面を有する溝２０３を備えている。溝２０３を有することにより、押出機１０１で溶融されて押し出されたストランドが冷却固化される際に曲面形状を維持したままで、冷却固化することができる。
図３に示すように、ロールユニット１０５の溝は曲率半径Ｒとし、高さＡの寸法においては搬送の際に外れないようにＲ＝Ａとすることが好ましい。
前記溝の曲率半径Ｒは、目的とするストランドの直径と同じ曲率半径であることが好ましい。

図４は、ロールユニット１０５の内部構造を示す概略図である。この図４のロールユニット１０５は、冷媒流路が、冷媒注入口２０１及び冷媒排出口２０２に対する他端部側に折り返し構造を有している。
図４に示すように、冷媒注入口２０１より流入した冷媒は、ロールユニット１０５内部の冷媒流路を通過することにより常にロールユニット本体を冷却する。冷媒注入口２０１では冷媒温度が低い状態であるが、冷媒流路を進む毎にロールユニットを冷却した冷媒の温度はロールユニットに熱を奪われ、冷媒排出口２０２に到達する際には冷媒温度が上昇する。具体的には、注入口の冷媒温度、排出口の冷媒温度を加算し平均化した温度とロールユニット内部の冷媒流路折り返し付近の冷媒温度は同様の温度を得る。更にロールユニットは回転機構の働きにより回転していることから、ロールユニットの水平方向の表面温度分布が均一となり、ストランドの冷却効率を平均化できる。

ここで、図７を参照して、ロールユニット１０５の冷媒として超臨界二酸化炭素を用いた冷却制御について説明する。
ロールユニット１０５には超臨界二酸化炭素が冷媒として流入する。超臨界二酸化炭素は１４．７ＭＰａの内圧で充填された高圧ガスボンベ３０１より電磁弁３０３を介して供給される。ロールユニット１０５の内部流路は大気圧であり超臨界二酸化炭素から大気圧二酸化炭素となる際、密度が低下し周りの温度を奪うことから、ロールユニット１０５が冷却される。
図４に示すように、ロールユニット１０５には熱電対２０４が設置してあり、ロールユニット１０５が回転するため、回転式の電極を介してサーモスタッドと通電しており、指定の温度設定が可能となっている。
図７に戻り、設定温度の範囲内で制御するため、電磁弁３０３により超臨界二酸化炭素の流量が制御され温度制御を行うことができる。
更に、ロールユニット１０５で使用した大気圧二酸化炭素を冷却固化手段１０２に再流入させる。大気圧二酸化炭素は低湿度であるため、冷却固化手段１０２内を低湿度環境とすることができる。

次に、図６は、ロールユニット１０５の他の一例を示す概略断面図を示す。この図６のロールユニットは、図３に示すロールユニットの溝の断面形状において、Ａ＝０の寸法の溝を有する２つのロールユニットを密着させる。すると、円形スリット２０５が形成され、この円形スリット２０５にストランドを通過させることで目的とする寸法精度のストランドを得ることができる。

本発明のストランドの製造方法により製造されたストランドは、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、食品、化粧品、医薬品、香料、肥料等の包装材料などが挙げられる。また、他の用途としては、立体造形物の製造における、立体造形物形成材料、支持体形成材料（立体造形物の支持用）として用いることができる。これらの中でも、支持体形成材料（立体造形物の支持用）として用いることが好ましい。

次に、前記ストランドを、立体造形用ストランドとして用いた立体造形物の製造方法について説明する。

＜立体造形物の製造方法及び立体造形物製造装置＞
本発明に用いられる立体造形物の製造方法は、前記ストランドを用いて立体造形物を製造する方法であり、前記ストランドを用いて立体造形物を製造する工程と、前記立体造形物に水を付与して、その一部を溶解除去する工程とを含むことが好ましく、更に必要に応じてその他の工程を含んでなる。

本発明で用いられる立体造形物製造装置としては、前記ストランドを用いて立体造形物を製造する手段を有し、前記立体造形物に水を付与して、その一部を溶解除去する手段を有することが好ましく、更に必要に応じてその他の手段を有してなる。

本発明に用いられる立体造形物の製造方法は、本発明で用いられる立体造形物製造装置により好適に実施することができる。
また、本発明に用いられる立体造形物の製造方法の他の態様としては、立体造形物及び該立体造形物を支持する支持体を作製する工程と、得られた前記立体造形物及び前記支持体を水に浸漬し、前記支持体を崩壊させて除去する工程とを含み、前記支持体が、前記ストランドを用いて形成されるようにしてもよい。
前記立体造形物製造装置の他の態様としては、前記立体造形物及び該立体造形物を支持する支持体を作製する手段と、得られた前記立体造形物及び前記支持体を水に浸漬し、前記支持体を崩壊させて除去する手段とを有するようにしてもよい。

前記ストランドを用いて、前記立体造形物を形成する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜公知の熱溶融積層（ＦＤＭ）式の立体造形物の製造装置を選択することができ、例えば、立体造形物製造装置としての立体造形用プリンタにより、前記ストランドを溶融して走査しながら吐出することで所定の形状の立体造形物形成材料の層、及び支持体形成材料の層を形成し、この操作を繰り返し行うことで積層する方法などが挙げられる。

前記ストランドとしては、前記ストランドが用いられ、立体造形物の製造における、立体造形物形成材料、支持体形成材料（立体造形物の支持用）として用いることができる。これらの中でも、支持体形成材料（立体造形物の支持用）として用いることが好ましい。
前記ストランドは、熱溶融積層法（ＦＤＭ方式）による立体造形物の製造装置に好適に用いることができる。

−立体造形用ストランドの製造方法−
前記立体造形用ストランドの製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜公知の方法を選択することができる。前記立体造形用ストランドの直径は、単軸押出機の押出し穴、温度条件、巻取時の張力条件等により制御することができる。また、冷却後、更に加熱しながら、巻取時の張力条件を調整してストランドの延伸加工をすることも可能である。

ここで、図９Ａは、前記ストランドを支持体形成材料として用いて造形した立体造形物の一例を示す平面図である。図９Ｂは、図９Ａの立体造形物のＡ−Ａ’線断面図である。図９Ｃは、図９Ａの立体造形物の支持体の除去工程の一例を示す断面概略図である。

立体造形物の形成に非水溶性樹脂のストランドを使用する場合は２個以上の溶融ヘッドを搭載した立体造形用プリンタを使用し、一方の溶融ヘッドには前記立体造形物形成材料を使用し、他方の溶融ヘッドには前記支持体形成材料を使用する。前記立体造形用プリンタを用いて各材料を溶融ヘッドで溶融し吐出することで所定の形状の支持体部位の層と立体造形物部位の層を形成し、この操作を繰り返し行って積層することで、立体造形物５０を得ることができる。即ち、前記立体造形物形成材料によって形成される立体造形物５０は、支持体形成材料５１の形状の少なくとも一部に対応する形状を有する（図９Ｂ参照）。水Ｗに浸漬させることにより、前記支持体形成材料が溶解（崩壊）して、立体造形物から容易に除去することができるため、破損及び支持体形成材料の残留の少ない立体造形物が得られる。

以下、本発明に用いられる立体造形物の製造方法及び立体造形物製造装置の具体的な実施形態について説明する。
立体造形物形成材料と、支持体形成材料として前記ストランドとを用いて、立体造形物を得る。
上述のとおり、立体造形物を得るためには、造形体部分には立体造形物形成材料（以下、「軟質成形体用材料」とも称することがある）を配置し、支持体部分には、支持体形成材料（以下、「硬質成形体用材料」とも称することがある）を配置する。
前記立体造形物の製造装置において、立体造形物形成材料、及び支持体形成材料は、ストランドの状態で、搬送チューブ内を経由して加熱ヘッドに搬送される。搬送された前記立体造形物形成材料及び支持体形成材料は、前記加熱ヘッドにおいて加熱溶解され、吐出され、立体造形物形成材料層及び支持体形成材料層を形成する。これを繰り返すことにより、立体造形物を積層造形することができる。
前記加熱ヘッドにおける加熱温度としては、前記ストランドを溶解できれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

まず、三次元ＣＡＤで設計された三次元形状あるいは三次元スキャナやディジタイザで取り込んだ三次元形状のサーフェイスデータあるいはソリッドデータを、ＳＴＬフォーマットに変換して立体造形物製造装置に入力する。

この入力されたデータに基づいて、造形しようとする三次元形状の造形方向を決める。造形方向は特に制約ないが、通常はＺ方向（高さ方向）が最も低くなる方向を選ぶ。

造形方向を確定したら、その三次元形状のＸ−Ｙ面、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面への投影面積を求める。得られたブロック形状に補強のため、Ｘ−Ｙ面の上面を除いて、その他の各面を適当量外側に移動させる。移動させる量については、特に制限はなく、形状や大きさや使用液体材料で異なるが、およそ１ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度である。これで造形しようとする形状を閉じ込めた（上面は開放されている）ブロック形状が特定される。

このブロック形状を一層の平均厚みでＺ方向に輪切り（スライス）にする。前記一層の平均厚みは使用する材料により異なり一概には規定できないが、１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
造形しようとする立体造形物が１個の場合は、このブロック形状がＺステージ（一層造形毎に一層分ずつ下降する造形物を載せるテーブル）の中央に配置される。また、複数個同時に造形する場合はブロック形状がＺステージに配置されるが、ブロック形状を積み重ねることも可能である。これらブロック形状化や輪切りデータ（スライスデータ：等高線データ）やＺステージへの配置は、使用する材料を指定すれば自動的に作製することも可能である。

次に、造形工程においては、輪切りデータの最外郭の輪郭線を基準に、内外判定（輪郭線上の位置に、前記立体造形物形成材料及び前記支持体形成材料のいずれかを噴射するかを判定すること）で、立体造形物形成材料を噴射する位置と前記支持体形成材料を噴射する位置が制御される。

噴射の順序としては、支持体層を形成する前記支持体形成材料を噴射してから、造形体層を形成する立体造形物形成材料を噴射させる。

このような順序で噴射させると、先に支持体で溝や堰などの溜部ができて、その中に前記立体造形物形成材料を噴射することになり、立体造形物形成材料として常温で液体の材料を使っても「たれ」の心配がなく、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等を幅広く用いることができる。

また、造形時間をより短縮させるには、一体化したインクジェットヘッドの往路及び復路のそれぞれで前記立体造形物形成材料及び前記支持体形成材料を噴射して積層する方法が好ましい。

更に、前記立体造形物形成材料を噴射する加熱ヘッドに活性エネルギー線照射機を隣接させることにより、高速造形が可能である。
また、立体造形した層を平滑化するために、硬化処理を行った直後に、平滑化処理を行う。
前記平滑化処理は、例えば、ローラー、ブレード等の平滑化部材を用い、硬化層の表面を平滑化するものである。これにより、層ごとの精度が向上し、立体造形物全体を精密に作製することができる。
この際、積層時間を短縮するため、また層の平滑性を向上させるために、前記平滑化部材を紫外線照射機に隣接して配置することが好ましい。

図１０は、立体造形物製造装置の一例を示す概略図である。
図１０に示すように、立体造形物製造装置１０は、インクジェットヘッドを配列したヘッドユニットを用いて、造形体用材料噴射ヘッドユニット１１から前記立体造形物形成材料を、支持体用材料噴射ヘッドユニット１２、１３から前記支持体形成材料を噴射し、隣接した紫外線照射機１４、１５で前記立体造形物形成材料を硬化しながら積層する。
即ち、前記支持体形成材料を加熱ヘッド（支持体用材料噴射ヘッドユニット１２、１３）から噴射し固化させて溜部を有する第１の支持体層を形成し、その第１の支持体層の溜部に前記立体造形物形成材料をインクジェットヘッド（造形体用材料噴射ヘッドユニット１１）から噴射し、前記立体造形物形成材料に活性エネルギー線を照射して硬化させた後、硬化層に対してローラー形状の平滑化部材２０、２１を用いて平滑化処理を行い、第１の造形体層を形成する。
次いで、前記第１の支持体層の上に溶融した前記支持体形成材料を噴射し固化させて溜部を有する第２の支持体層を積層し、その第２の支持体層の溜部に前記立体造形物形成材料を噴射し、前記立体造形物形成材料に活性エネルギー線を照射して第１の造形体層の上に第２の造形体層を積層し、更に平滑化処理を行い、立体造形物１９を製作する。

マルチヘッドユニットが矢印Ａ方向に移動する時は、基本的に支持体用材料噴射ヘッドユニット１２、造形体用材料噴射ヘッドユニット１１、紫外線照射機１５を用いて、支持体１８及び立体造形物１９を造形体支持基板１６上に形成する。同時にローラー形状の平滑化部材２１で、支持体１８及び立体造形物１９を平滑化する。なお、支持体用材料噴射ヘッドユニット１３、及び紫外線照射機１４を補助的に用いてもよい。
ローラー形状の平滑化部材を使用する場合、操作方向に対して、ローラー形状の平滑化部材を逆転させる方向で回転させると平滑化の効果がより有効に発揮される。

また、マルチヘッドユニットが矢印Ｂ方向に移動する時は、基本的に支持体用材料噴射ヘッドユニット１３、造形体用材料噴射ヘッドユニット１１、紫外線照射機１４を用いて、支持体１８、立体造形物１９を造形体支持基板１６上に形成する。同時にローラー形状の平滑化部材２０で、支持体１８、及び立体造形物１９を平滑化する。なお、支持体用材料噴射ヘッドユニット１２、及び紫外線照射機１５を補助的に用いてもよい。

更に、材料噴射ヘッドユニット１１、１２、１３及び紫外線照射機１４、１５と、立体造形物１９及び支持体１８とのギャップを一定に保つため、積層回数に合わせて、ステージ１７を下げながら積層する。

図１１は、立体造形物製造装置の他の一例を示す概略図である。具体的には、図１０のローラー形状の平滑化部材２０、２１をブレード形状の平滑化部材２２、２３に変更したものである。この図１１のブレード形状の平滑化部材は、図１０で使用するローラー形状の平滑化部材よりも、造形体の表面を削って平滑化するような場合に有用に使用することができる。

図１２は、立体造形物製造装置の更に他の一例を示す概略図であり、図１０よりも各層の平滑性を向上できる構成とした立体造形物製造工程の他の一例を示している。基本的な工程は図１０と同じであるが、紫外線照射機１４、１５を造形体用材料噴射ヘッドユニット１１と支持体用材料噴射ヘッドユニット１２、１３との間に配置している点が異なる。
また、本方式の立体造形物製造装置１０では、紫外線照射機１４、１５は矢印Ａ、Ｂいずれの方向に移動する際も使用し、その紫外線照射に伴って発生する熱により、積層された支持体形成材料の表面が平滑化され、結果として造形体の寸法安定性が向上する。

また、立体造形物製造装置１０としては、液体回収機構、リサイクル機構などを付加することも可能である。ノズル面に付着した液体材料を除去するブレードや不吐出ノズルの検出機構を具備していてもよい。更に、立体造形時の立体造形物製造装置内の環境温度を制御することも好ましい。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図２から図４に示すロールユニットを有する図１に示すストランド製造装置としての異方向回転二軸押出機であるラボプラストミル（株式会社東洋精機製作所製）を用い、シリンダー温度を２００℃に設定し、材料供給口より水溶性樹脂としてのポリビニルアルコール（Ｂ−０５、電気化学工業株式会社製）９０質量部、及び溶媒としてのエチレングリコール（和光純薬工業株式会社製）１０質量部を供給し、シリンダー温度２００℃、スクリュー回転数２０ｒｐｍで溶融混練した。
図２に示すロールユニットは、内部の冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口とが同方向に設置されており（本発明の方式）、冷媒として液体窒素を用いている。また、図３に示すように、ロールユニットの溝の曲率半径Ｒは０．８７５ｍｍ、高さＡは０．８７５ｍｍであった。
この実施例１のストランド製造装置により、ダイの穴数３個、ダイ穴の直径１．８ｍｍ、吐出量１４０ｇ／ｍｉｎの条件でストランドを押出成形し、冷却固化を行いながら、延伸搬送を行い、ワインダーによりコアに巻き取った。以上により、実施例１のストランドを作製した。
次に、得られたストランドについて、以下のようにして、諸特性を評価した。結果を表１に示した。

＜ストランドの表面温度の測定＞
得られたストランドについて、赤外放射温度計（ＩＴ−５４５ＮＨ、株式会社堀場製作所製）を用いて、作製直後のストランドの表面温度を測定した。

＜ストランドの水分量の測定＞
得られたストランドを長さ５０ｍｍに裁断し、裁断したストランドを１７０℃に設定した水分気化装置（京都電子工業株式会社製、ＡＤＰ−６１１）により加熱し、カールフィッシャー水分計（京都電子工業株式会社製、ＭＣＫ６１０）により水分量（質量ｐｐｍ）を測定した。

＜ストランドの寸法精度＞
得られたストランドについて、マイクロメーター（ＭＤＣ−２５ＮＸ、ミツトヨ株式会社製）を用い、垂直方向の直径、及び水平方向の直径を、測定位置を変えて１０回測定し、平均直径、変動係数、及び変動幅を求めた。なお、ストランドの直径は小数点以下第３位を四捨五入とした。

（実施例２）
実施例１において、冷媒を超臨界二酸化炭素とした以外は、実施例１と同様にして、ストランドを作製し、同様に評価した。結果を表１に示した。

（実施例３）
実施例１において、図２に示すロールユニットを、図６に示すロールユニットに代え、冷媒として超臨界二酸化炭素を用いた以外は、実施例１と同様にして、ストランドを作製し、同様に評価した。結果を表２に示した。
図６に示すロールユニットは、図３に示すロールユニットの溝の断面形状において、Ａ＝０の寸法の溝を有する２つのロールユニットを密着させる。すると、円形スリット２０５が形成され、この円形スリット２０５にストランドを通過させることで、更に寸法精度に優れたストランドを得ることができる。

（比較例１）
実施例１において、図５に示す曲率を有していない溝を有するロールユニットを用い、冷媒として乾燥空気を用いた以外は、実施例１と同様にして、ストランドを作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表３に示した。

（比較例２）
比較例１において、冷媒として超臨界二酸化炭素を用いた以外は、比較例１と同様にして、ストランドを作製し、実施例１と同様にして、諸特性を評価した。結果を表３に示した。

（比較例３）
実施例１において、図８に示すロールユニットを用い、冷媒として超臨界二酸化炭素流体を用いた以外は、実施例１と同様にして、ストランドを作製し、実施例１と同様にして、諸特性を評価した。結果を表４に示した。
図８に示すロールユニット１０５は、曲率半径Ｒが０．８７５ｍｍの溝２０３を表面に有し、冷媒注入口２０１と冷媒排出口２０２が水平方向に対面した構造（貫通方式）を有している。なお、冷媒は図８中矢印方向に移動する。

本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する押出成形手段と、
押出成形されたストランド状樹脂組成物を冷却固化する冷却固化手段と、を有し、
前記冷却固化手段が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されていることを特徴とするストランド製造装置である。
＜２＞ 前記ロールユニットが、回転機構を有する前記＜１＞に記載のストランド製造装置である。
＜３＞ 前記ロールユニットの該冷媒流路が、前記冷媒注入口及び前記冷媒排出口に対する他端部側に折り返し構造を有する前記＜１＞に記載のストランド製造装置である。
＜４＞ 前記ロールユニットが、温度制御機構を有する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載のストランド製造装置である。
＜５＞ 前記ロールユニットが、水分量制御機構を有する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のストランド製造装置である。
＜６＞ ２つの前記ロールユニットを連結させて形成され、ストランドを通過させるための円形スリットを有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載のストランド製造装置である。
＜７＞ 樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する押出成形工程と、
押出成形されたストランド状樹脂組成物を冷却固化する冷却固化工程と、を含み、
前記冷却固化工程が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されている冷却固化手段を用いて行われることを特徴とするストランドの製造方法である。
＜８＞ 前記ロールユニットに用いられる冷媒が、超臨界流体である前記＜７＞に記載のストランドの製造方法である。
＜９＞ 前記超臨界流体が、超臨界二酸化炭素である前記＜８＞に記載のストランドの製造方法である。
＜１０＞ 前記樹脂組成物が、水溶性樹脂を含有する前記＜８＞から＜９＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。
＜１１＞ 前記水溶性樹脂が、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレン−アクリル酸、ポリサルコシン、ポリＮ−ビニルピロリドン、及びポリビニルアセテートから選択される少なくとも１種である前記＜１０＞に記載のストランドの製造方法である。
＜１２＞ 水分量が２,０００質量ｐｐｍ未満であるストランドを製造する前記＜７＞から＜１１＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。
＜１３＞ 水平方向及び垂直方向における直径の変動係数が、２．０％以下であるストランドを製造する前記＜７＞から＜１２＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。
＜１４＞ 水平方向及び垂直方向における直径の変動幅が、０．５ｍｍ以下であるストランドを製造する前記＜７＞から＜１３＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。
＜１５＞ 水平方向及び垂直方向における平均直径が、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であるストランドを製造する前記＜７＞から＜１４＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。
＜１６＞ 立体造形物を造形するためのストランドである前記＜７＞から＜１５＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。
＜１７＞ 立体造形物を製造するための前記立体造形物の支持用である前記＜７＞から＜１６＞のいずれかに記載のストランドの製造方法である。

前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載のストランド製造装置、及び前記＜７＞から＜１７＞のいずれかに記載のストランドの製造方法によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。

１００ ストランド製造装置
１０１ 押出機
１０２ 冷却固化手段
１０３ 引取機
１０４ 巻取機
１０５ ロールユニット
２０１ 冷媒注入口
２０２ 冷媒排出口
２０３ 溝
２０４ 熱電対
２０５ 円形スリット

Claims (15)

1. 樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する押出成形手段と、
   押出成形されたストランド状樹脂組成物を冷却固化する冷却固化手段と、を有し、
   前記冷却固化手段が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されていることを特徴とするストランド製造装置。
2. 前記ロールユニットが、回転機構を有する請求項１に記載のストランド製造装置。
3. 前記ロールユニットの該冷媒流路が、前記冷媒注入口及び前記冷媒排出口に対する他端部側に折り返し構造を有する請求項１に記載のストランド製造装置。
4. 前記ロールユニットが、温度制御機構を有する請求項１から３のいずれかに記載のストランド製造装置。
5. 前記ロールユニットが、水分量制御機構を有する請求項１から４のいずれかに記載のストランド製造装置。
6. ２つの前記ロールユニットを連結させて形成され、ストランドを通過させるための円形スリットを有する請求項１から５のいずれかに記載のストランド製造装置。
7. 樹脂組成物を溶融混練してストランド状に押出成形する押出成形工程と、
   押出成形されたストランド状樹脂組成物を冷却固化する冷却固化工程と、を含み、
   前記冷却固化工程が、曲率を有する溝を備えるロールユニットであり、かつその内部に冷媒流路を有し、該冷媒流路への冷媒注入口と冷媒排出口の両方が該ロールユニットの同一端部側に設置されている冷却固化手段を用いて行われることを特徴とするストランドの製造方法。
8. 前記ロールユニットに用いられる冷媒が、超臨界流体である請求項７に記載のストランドの製造方法。
9. 前記樹脂組成物が、水溶性樹脂を含有する請求項７から８のいずれかに記載のストランドの製造方法。
10. 水分量が２,０００質量ｐｐｍ未満であるストランドを製造する請求項７から９のいずれかに記載のストランドの製造方法。
11. 水平方向及び垂直方向における直径の変動係数が、２．０％以下であるストランドを製造する請求項７から１０のいずれかに記載のストランドの製造方法。
12. 水平方向及び垂直方向における直径の変動幅が、０．５ｍｍ以下であるストランドを製造する請求項７から１１のいずれかに記載のストランドの製造方法。
13. 水平方向及び垂直方向における平均直径が、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であるストランドを製造する請求項７から１２のいずれかに記載のストランドの製造方法。
14. 立体造形物を造形するためのストランドである請求項７から１３のいずれかに記載のストランドの製造方法。
15. 立体造形物を製造するための前記立体造形物の支持用である請求項７から１４のいずれかに記載のストランドの製造方法。