JP7707952B2 - 可塑化装置、三次元造形装置及び射出成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、可塑化装置、三次元造形装置及び射出成形装置に関する。

従来から、材料を可塑化する様々な可塑化装置が使用されている。例えば、特許文献１には、螺旋溝が形成されたローターと、一端面においてローターの端面と当接し中心に材料流入通路が開口するバレルと、を備える可塑化送出装置が開示されている。

特開２０１０－２４１０１６号公報

特許文献１の可塑化送出装置のような、回転軸方向の一端に溝が形成された溝形成面を有するローターと、該溝形成面と対向する対向面に連通孔が形成されたバレルと、を備える可塑化装置においては、安定して材料を可塑化することができない場合があった。これは、溝形成面と対向面とが対向する領域において可塑化されつつある材料及び可塑化された材料が、ローター側に貼り付き、バレル側の連通孔に供給されにくくなることに起因する。

上記課題を解決するための本発明の可塑化装置は、回転軸を中心に回転可能であり、溝が形成された溝形成面を有し、前記回転軸に沿った方向の長さが前記回転軸に沿った方向と垂直な方向の長さよりも短いフラットスクリューと、前記溝形成面と対向する対向面を有し、前記対向面に連通する連通孔が形成されたバレルと、前記溝内に供給された材料を加熱する加熱部と、を備え、前記溝形成面は、前記対向面の表面自由エネルギーよりも低い表面自由エネルギーを有する領域を含むことを特徴とする。

本発明の一実施例である可塑化装置を有する三次元造形装置の概略図。 図１の三次元造形装置のフラットスクリューの下面側の概略構成を示す斜視図。 図１の三次元造形装置のバレルの上面側を示す概略平面図。 本発明の一実施例である可塑化装置を有する射出成形装置の概略図。

最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の可塑化装置は、回転軸を中心に回転可能であり、溝が形成された溝形成面を有し、前記回転軸に沿った方向の長さが前記回転軸に沿った方向と垂直な方向の長さよりも短いフラットスクリューと、前記溝形成面と対向する対向面を有し、前記対向面に連通する連通孔が形成されたバレルと、前記溝内に供給された材料を加熱する加熱部と、を備え、前記溝形成面は、前記対向面の表面自由エネルギーよりも低い表面自由エネルギーを有する領域を含むことを特徴とする。

本態様によれば、溝形成面と対向面とが対向する領域において、溝形成面の表面自由エネルギーが対向面の表面自由エネルギーよりも低い領域を有する。このような構成とすることで、該領域において可塑化されつつある材料及び可塑化された材料がバレルに比べてフラットスクリューに貼り付きにくくなり、材料が連通孔に向かいやすくなる。したがって、材料がバレル側の連通孔に供給されにくくなることを抑制でき、安定して材料を可塑化することができる。

本発明の第２の態様の可塑化装置は、前記第１の態様において、前記溝形成面は、第１形成面と、前記第１形成面よりも中心側に位置する第２形成面と、を有し、前記対向面は、前記第１形成面と対向する第１対向面と、前記第２形成面と対向するとともに前記第１対向面よりも中心側に位置する第２対向面と、を有し、前記第１形成面の表面自由エネルギーは、前記第１対向面の表面自由エネルギーよりも低く、かつ、前記第２形成面の表面自由エネルギーは、前記第２対向面の表面自由エネルギーよりも低いことを特徴とする。

本態様によれば、第１形成面の表面自由エネルギーは第１対向面の表面自由エネルギーよりも低く、かつ、第２形成面の表面自由エネルギーは第２対向面の表面自由エネルギーよりも低い。このような構成とすることで、溝形成面と対向面とが対向する領域全体、すなわち、第１形成面と第１対向面とが対向する外側の領域と、第２形成面と第２対向面とが対向する中心側の領域との両方において、材料がバレルに比べてフラットスクリューに貼り付きにくくなる。したがって、溝形成面と対向面とが対向する領域全体において材料が連通孔に向かう搬送力を向上できる。このため、例えば、高圧で小径のノズルから可塑化された材料を射出することができる。

本発明の第３の態様の可塑化装置は、前記第１の態様において、前記溝形成面は、第１形成面と、前記第１形成面よりも中心側に位置する第２形成面と、を有し、前記対向面は、前記第１形成面と対向する第１対向面と、前記第２形成面と対向するとともに前記第１対向面よりも中心側に位置する第２対向面と、を有し、前記第１形成面の表面自由エネルギーは、前記第１対向面の表面自由エネルギーよりも低く、かつ、前記第２形成面の表面自由エネルギーは、前記第２対向面の表面自由エネルギーよりも高いことを特徴とする。

本態様によれば、第１形成面の表面自由エネルギーは第１対向面の表面自由エネルギーよりも低く、かつ、第２形成面の表面自由エネルギーは第２対向面の表面自由エネルギーよりも高い。このような構成とすることで、第１形成面と第１対向面とが対向する外側の領域において、材料がバレルに比べてフラットスクリューに貼り付きにくくなる。したがって、第１形成面と第１対向面とが対向する外側の領域において材料が連通孔に向かう搬送力を向上でき、また、第２形成面と第２対向面とが対向する中心側の領域において材料をじっくりと可塑化させることができる。このため、例えば、大径のノズルを用いて大きな射出量で可塑化された材料を射出することができる。

本発明の第４の態様の可塑化装置は、前記第１の態様において、前記溝形成面は、第１形成面と、前記第１形成面よりも中心側に位置する第２形成面と、を有し、前記対向面は、前記第１形成面と対向する第１対向面と、前記第２形成面と対向するとともに前記第１対向面よりも中心側に位置する第２対向面と、を有し、前記第１形成面の表面自由エネルギーは、前記第１対向面の表面自由エネルギーよりも高く、かつ、前記第２形成面の表面自由エネルギーは、前記第２対向面の表面自由エネルギーよりも低いことを特徴とする。

本態様によれば、第１形成面の表面自由エネルギーは第１対向面の表面自由エネルギーよりも高く、かつ、第２形成面の表面自由エネルギーは第２対向面の表面自由エネルギーよりも低い。このような構成とすることで、第２形成面と第２対向面とが対向する中心側の領域において、材料がバレルに比べてフラットスクリューに貼り付きにくくなる。したがって、第１形成面と第１対向面とが対向する外側の領域において材料をじっくりと可塑化させることができ、また、第２形成面と第２対向面とが対向する中心側の領域において材料が連通孔に向かう搬送力を向上できる。このため、例えば、可塑化しづらい材料を外側の領域においてじっくりと十分に可塑化させてから射出することができる。

本発明の第５の態様の可塑化装置は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記溝形成面及び前記対向面の少なくとも一方に被膜処理または切削処理が施されていることを特徴とする。

本態様によれば、溝形成面及び対向面の少なくとも一方に被膜処理または切削処理が施されている。このため、例えば、溝形成面と対向面とを同じ素材で構成することなどができ、フラットスクリュー及びバレルを製造するために使用可能な素材の種類を増やすことができる。

本発明の第６の態様の可塑化装置は、前記第５の態様において、前記対向面は、前記被膜処理としてダイヤモンドコーティング、クロムコーティングまたはチタンコーティングの少なくともいずれかが施されていることを特徴とする。

本態様によれば、対向面はダイヤモンドコーティング、クロムコーティングまたはチタンコーティングの少なくともいずれかが施されている。このため、表面自由エネルギーが高い対向面を簡単かつ高耐久に形成することができる。

本発明の第７の態様の可塑化装置は、前記第５または第６の態様において、前記溝形成面は、前記被膜処理としてフッ素コーティングが施されていることを特徴とする。

本態様によれば、溝形成面はフッ素コーティングが施されている。このため、表面自由エネルギーが特に低い溝形成面を簡単に形成することができる。

本発明の第８の態様の可塑化装置は、前記第１から第７のいずれか１つの態様において、前記材料は、金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含むことを特徴とする。

本態様によれば、材料は金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含む。金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含む材料を用いた場合、材料は特にフラットスクリュー側に貼り付き易いが、このような場合においても材料がフラットスクリュー側に貼り付くことを抑制でき、バレル側の連通孔に材料が供給されにくくなることを抑制することができる。

本発明の第９の態様の可塑化装置は、前記第１から第８のいずれか１つの態様において、前記溝形成面の表面自由エネルギーが前記対向面の表面自由エネルギーよりも低い領域における表面自由エネルギーの差は、４．６ｍＪ／ｍ^２以上であることを特徴とする。

本態様によれば、溝形成面の表面自由エネルギーが前記対向面の表面自由エネルギーよりも低い領域における表面自由エネルギーの差は、４．６ｍＪ／ｍ^２以上である。このような構成とすることで、特に効果的に、材料がバレル側の連通孔に供給されにくくなることを抑制でき、安定して材料を可塑化することができる。

本発明の第１０の態様の三次元造形装置は、前記第１から第９のいずれか１つの態様の可塑化装置で可塑化された前記材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出された前記材料を支持するテーブルと、を備える、ことを特徴とする。

本態様によれば、安定して可塑化された材料を用いて三次元造形物を造形することができる。

本発明の第１１の態様の三次元造形装置は、前記第１から第９のいずれか１つの態様の可塑化装置で可塑化された前記材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出された前記材料を受ける成形型を固定する固定部と、を備える、ことを特徴とする。

本態様によれば、安定して可塑化された材料を用いて射出成形することができる。

＜三次元造形装置（可塑化装置）＞
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。最初に、本発明の一実施例の三次元造形装置１００の全体構成について図１から図３を参照して説明する。なお、以下の図はいずれも概略図であり、一部構成部材を省略または簡略化して表している。また、各図中のＸ軸方向は水平方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であるとともにＸ軸方向と直交する方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向である。

三次元造形装置１００は、三次元造形装置１００を制御する制御部１０１と、造形材料を生成して吐出する造形部１１０と、三次元造形物の基台となる造形用のステージ２１０と、造形材料の吐出位置を制御する移動機構２３０と、を備える。造形部１１０は、制御部１０１の制御下において、固体状態の材料を溶融させてペースト状にした造形材料をステージ２１０上に吐出する。造形部１１０は、造形材料に転化される前の原材料ＭＲの供給源である材料供給部２０と、原材料ＭＲを造形材料へと転化させる造形材料生成部３０と、造形材料を吐出する吐出部６０と、を備える。すなわち、本実施例の三次元造形装置１００は、材料を可塑化する可塑化装置としてみなすことができる。また、三次元造形装置１００は、材料供給部２０と造形材料生成部３０とで構成される可塑化装置を備え、該可塑化装置で可塑化された材料（造形材料）を吐出部６０から吐出して三次元造形物を造形する装置とみなすこともできる。ここで「可塑化」とは、溶融を含む概念であり、ガラス転移点を有する材料の場合は、材料をガラス転移点以上に加熱して流動性の有する状態に転化させることであり、ガラス転移点を有しない材料の場合は、材料を融点以上に加熱して流動性の有する状態に転化させることをいう。

材料供給部２０は、造形材料生成部３０に、造形材料を生成するための原材料ＭＲを供給する。材料供給部２０は、例えば、原材料ＭＲを収容するホッパーによって構成される。材料供給部２０は、下方に排出口を有している。当該排出口は、連通路２２を介して、造形材料生成部３０に接続されている。原材料ＭＲは、ペレットや粉末等の形態で材料供給部２０に投入される。

造形材料生成部３０は、材料供給部２０から供給された原材料ＭＲを溶融させて流動性を発現させたペースト状の造形材料を生成し、吐出部６０へと導く。造形材料生成部３０は、スクリューケース３１と、モーター３２と、フラットスクリュー４０と、バレル５０と、を有する。

図２は、フラットスクリュー４０の溝形成面４８側の概略構成を示す斜視図である。図２に示したフラットスクリュー４０は、技術の理解を容易にするため、図１に示した上面４７と下面である溝形成面４８との位置関係を、鉛直方向において逆向きとした状態で示されている。図３は、バレル５０の上面である対向面５２側を示す概略平面図である。フラットスクリュー４０は、その中心軸に沿った方向である軸線方向における高さが直径よりも小さい略円柱状を有する。別の表現をすると、フラットスクリュー４０は、Ｚ軸方向に沿う回転軸ＲＸを基準に回転可能であり、回転軸方向の長さが回転軸方向と垂直方向の長さよりも短い。

フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０の上面４７側はモーター３２に連結されており、フラットスクリュー４０は、モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内で回転する。モーター３２は、制御部１０１の制御下において駆動する。

フラットスクリュー４０の、回転軸ＲＸと交差する面である溝形成面４８には、溝４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から、当該溝４２に連通する。図２に示すように、本実施形態では、溝４２は、凸状部４３によって隔てられて３本分形成されている。なお、溝４２の数は、３本に限られず、１本でもよいし、２本以上であってもよい。

フラットスクリュー４０の溝形成面４８は、バレル５０の対向面５２に面しており、フラットスクリュー４０の溝形成面４８の溝４２と、バレル５０の対向面５２との間には空間が形成される。造形部１１０は、フラットスクリュー４０とバレル５０との間のこの空間に、材料供給部２０から材料流入口４４へと原材料ＭＲが供給される。

バレル５０には、回転しているフラットスクリュー４０の溝４２内に供給された原材料ＭＲを加熱する加熱部としてのヒーター５８が埋め込まれている。ただし、加熱部は、バレル５０以外の場所に設けられていてもよい。また、対向面５２には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。ただし、案内溝５４が形成されない構成としてもよい。フラットスクリュー４０の溝４２内に供給された原材料ＭＲは、溝４２内において溶融されながら、フラットスクリュー４０の回転によって溝４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる。中央部４６に流入した流動性を発現しているペースト状の造形材料は、図３に示したバレル５０の中心に設けられた連通孔５６を介して吐出部６０に供給される。なお、造形材料では、造形材料を構成する全ての種類の物質が溶融していなくてもよい。造形材料は、造形材料を構成する物質のうちの少なくとも一部の種類の物質が溶融することによって、全体として流動性を有する状態に転化されていればよい。

吐出部６０は、造形材料を吐出するノズル６１と、フラットスクリュー４０とノズル６１との間に設けられた造形材料の流路６５と、流路６５を開閉する開閉機構７０と、を有する。ノズル６１は、流路６５を通じて、バレル５０の連通孔５６に接続されている。ノズル６１は、造形材料生成部３０において生成された造形材料を、先端の吐出口６２からステージ２１０に向かって吐出する。

開閉機構７０は、流路６５を開閉して、ノズル６１からの造形材料の流出を制御する。本実施形態では、開閉機構７０は、バタフライバルブによって構成されている。開閉機構７０は、一方向に延びる軸状部材である駆動軸７２と、駆動軸７２の回転により回動する弁体７３と、駆動軸７２の回転駆動力を発生するバルブ駆動部７４と、を備える。

駆動軸７２は、造形材料の流れ方向に交差するように流路６５の途中に取り付けられている。より具体的には、駆動軸７２は、流路６５内の造形材料の流通方向に対して垂直な向きであるＹ軸方向に平行になるように取り付けられている。駆動軸７２は、Ｙ軸方向に沿った中心軸を中心に回転可能である。

弁体７３は、流路６５内において回転する板状部材である。本実施形態では、弁体７３は、駆動軸７２の流路６５内に配置されている部位を板状に加工することによって形成されている。弁体７３を、その板面に垂直な方向に見たときの形状は、弁体７３が配置されている部位における流路６５の開口形状とほぼ一致する。

バルブ駆動部７４は、制御部１０１の制御下において、駆動軸７２を回転させる。バルブ駆動部７４は、例えば、ステッピングモーターによって構成される。駆動軸７２の回転によって弁体７３が流路６５内において回転する。

弁体７３の板面を、流路６５における造形材料の流通方向に対して垂直にされた状態が、流路６５が閉じられた状態である。この状態では、流路６５からノズル６１への造形材料の流入が遮断され、吐出口６２からの造形材料の流出が停止される。弁体７３の板面が、駆動軸７２の回転によって、この垂直にされた状態から回転されると、流路６５からノズル６１への造形材料の流入が許容され、弁体７３の回転角度に応じた吐出量の造形材料が吐出口６２から流出する。図１に示されているように、流路６５における造形材料の流通方向に沿った状態が、流路６５が全開となる状態である。この状態は、吐出口６２からの単位時間あたりの造形材料の吐出量が最大となる。このように、開閉機構７０は、造形材料の流出のＯＮ及びＯＦＦとともに、造形材料の吐出量の調整を実現できる。

ステージ２１０は、ノズル６１の吐出口６２に対向する位置に配置されている。本実施形態では、ノズル６１の吐出口６２に対向するステージ２１０の面２１１は、水平方向に配置される。三次元造形装置１００は、吐出部６０からステージ２１０の面２１１に向けて造形材料を吐出させて層を積層することによって三次元造形物を造形する。

移動機構２３０は、ステージ２１０とノズル６１との相対位置を変化させる。本実施形態では、ノズル６１の位置が固定されており、移動機構２３０は、ステージ２１０を移動させる。移動機構２３０は、３つのモーターＭの駆動力によって、ステージ２１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３つの軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。移動機構２３０は、制御部１０１の制御下において、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係を変更する。本明細書において、特に断らない限り、ノズル６１の移動とは、ノズル６１をステージ２１０に対して相対的に移動させることを意味する。

なお、移動機構２３０によってステージ２１０を移動させる構成の代わりに、ステージ２１０の位置が固定された状態で、移動機構２３０がステージ２１０に対してノズル６１を移動させる構成が採用されてもよい。また、移動機構２３０によってステージ２１０をＺ軸方向に移動させ、ノズル６１をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる構成や、移動機構２３０によってステージ２１０をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させ、ノズル６１をＺ軸方向に移動させる構成が採用されてもよい。これらの構成であっても、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係が変更可能である。

制御部１０１は、三次元造形装置１００全体の動作を制御する制御装置である。制御部１０１は、１つ、または、複数のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成される。制御部１０１は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、種々の機能を発揮する。制御部１０１は、コンピューターによって構成される代わりに、各機能の少なくとも一部を実現するための複数の回路を組み合わせた構成により実現されてもよい。

このように、本実施例の三次元造形装置１００は、回転軸ＲＸを基準に回転可能であり、回転軸方向の一端に溝４２が形成された溝形成面４８を有するフラットスクリューと、溝形成面４８と対向する対向面５２を有し、対向面５２に連通する連通孔５６が形成されたバレル５０と、溝４２内に供給された材料を加熱するヒーター５８と、を備えている。ここで、以下に、本実施例の三次元造形装置１００の要部であるフラットスクリュー４０及びバレル５０について、さらに詳細に説明する。

本実施例の三次元造形装置１００のフラットスクリュー４０及びバレル５０においては、溝形成面４８と対向面５２とが対向する領域において、溝形成面４８の表面自由エネルギーが対向面５２の表面自由エネルギーよりも低くなるよう構成されている。具体的には、本実施例のフラットスクリュー４０及びバレル５０はともにステンレス（ＳＵＳ）で構成されているが、対向面５２にはＳＵＳよりも表面自由エネルギーが高い窒化チタン（ＴｉＮ）がコートされている。

なお、表面自由エネルギーは、ＪＩＳ Ｒ ３２５７（１９９９）の基板ガラス表面のぬれ性試験方法に準拠して測定することが可能である。ここで、表１として、接触角を共和界面化学株式会社製のＤｒｏｐ Ｍａｓｔｅｒ ５００を使用して水とｎ－ヘキサデカンの接触角を測定し、その測定結果からＫａｅｌｂｌｅ Ｕｙの理論式に基づいて求めた表面自由エネルギーを示す。表１において、ポリシラザンはメルク株式会社製のＮＬ１２０Ａであり、ＴａＯｘは(t-ブチルイミド)トリス(エチルメチルアミノ)タンタル：ＴＢＴＥＭＴを用いたＡＬＤ成膜であり、ＳＣＡはダイキン工業株式会社製のオプツールＤＳＸ－Ｅである。なお、水とｎ－ヘキサデカンの定数は、表２の値を用いて計算した。

表１で表されるように、溝形成面４８はＳＵＳなので溝形成面４８の表面自由エネルギーは２４．３ｍＪ／ｍ^２であり、対向面５２はＴｉＮコートされているので対向面５２の表面自由エネルギーはＳＵＳよりも４．６ｍＪ／ｍ^２高い２８．９ｍＪ／ｍ^２となっている。なお、表１では、ＳＵＳとしてＳＵＳ３０３を使用したが、例えばＳＵＳ４４０など、他のＳＵＳも同様の値である。本実施例の三次元造形装置１００のように、溝形成面４８と対向面５２とが対向する領域において、溝形成面４８の表面自由エネルギーが対向面５２の表面自由エネルギーよりも低い領域を有することが好ましい。このような構成とすることで、該領域において、可塑化されつつある材料及び可塑化された材料がバレル５０に比べてフラットスクリュー４０に貼り付きにくくなり、材料が連通孔５６に向かいやすくなるためである。そして、このような構成とすることで、材料がバレル５０側の連通孔５６に供給されにくくなることを抑制でき、安定して材料を可塑化することができる。

また、上記のように、本実施例の三次元造形装置１００においては、溝形成面４８の表面自由エネルギーと対向面５２の表面自由エネルギーとの差は、４．６ｍＪ／ｍ^２である。このように、溝形成面４８の表面自由エネルギーが対向面５２の表面自由エネルギーよりも低い領域における表面自由エネルギーの差は、４．６ｍＪ／ｍ^２以上であることが好ましい。このような構成とすることで、特に効果的に、材料がバレル５０側の連通孔５６に供給されにくくなることを抑制でき、安定して材料を可塑化することができるためである。

また、上記のように、本実施例の三次元造形装置１００においては、対向面５２に被膜処理が施されている。このように溝形成面４８及び対向面５２の少なくとも一方に被膜処理が施されるか、或いは、溝形成面４８及び対向面５２の少なくとも一方に切削処理が施されていることが好ましい。このような構成とすることで、例えば、溝形成面４８と対向面５２とを同じ素材で構成することなどができ、フラットスクリュー４０及びバレル５０を製造するために使用可能な素材の種類を増やすことができるためである。なお、ここでの「切削処理」には、シボ加工や表面を薬品などで表面処理したものなども含まれる。

また、上記のように、本実施例の三次元造形装置１００においては、対向面５２にＴｉＮによるチタンコーティングが施されている。対向面５２への好ましい被膜処理としては、チタンコーティングのほか、ダイヤモンドコーティングやクロムコーティングなどが挙げられる。対向面５２にダイヤモンドコーティング、クロムコーティングまたはチタンコーティングの少なくともいずれかを施すことで、表面自由エネルギーが高い対向面５２を簡単かつ高耐久に形成することができる。

一方、対向面５２に被膜処理または切削処理を施すことに代えて、或いは、対向面５２に被膜処理または切削処理を施すことに加えて、溝形成面４８に被膜処理または切削処理を施すことも可能である。ここで、溝形成面４８への好ましい被膜処理としてフッ素コーティングを施すことが挙げられる。溝形成面４８にフッ素コーティングを施すことで、表面自由エネルギーが特に低い溝形成面４８を簡単に形成することができる。

ここで、図２で表されるように、溝形成面４８は、Ｚ軸方向から見て外側に位置する領域を第１形成面４８Ａとし、第１形成面４８ＡよりもＺ軸方向から見て中心側に位置する領域を第２形成面４８Ｂとしている。また、図３で表されるように、対向面５２は、Ｚ軸方向から見て外側に位置する領域であるとともに第１形成面４８Ａと対向する領域を第１対向面５２Ａとし、第１対向面５２ＡよりもＺ軸方向から見て中心側に位置する領域であって第２形成面４８Ｂと対向する領域を第２対向面５２Ｂとしている。

そして、本実施例の三次元造形装置１００においては、溝形成面４８の第１形成面４８Ａ及び第２形成面４８Ｂはともに被膜処理及び切削処理が施されていないＳＵＳであり、対向面５２の第１対向面５２Ａ及び第２対向面５２ＢはともにＴｉＮによるチタンコーティングが施されている。すなわち、本実施例の三次元造形装置１００においては、第１形成面４８Ａの表面自由エネルギーが第１対向面５２Ａの表面自由エネルギーよりも低く、かつ、第２形成面４８Ｂの表面自由エネルギーが第２対向面５２Ｂの表面自由エネルギーよりも低くなっている。このような構成とすることで、溝形成面４８と対向面５２とが対向する領域全体、すなわち、第１形成面４８Ａと第１対向面５２Ａとが対向する外側の領域と、第２形成面４８Ｂと第２対向面５２Ｂとが対向する中心側の領域との両方において、材料がバレル５０に比べてフラットスクリュー４０に貼り付きにくくなる。したがって、溝形成面４８と対向面５２とが対向する領域全体において材料が連通孔５６に向かう搬送力を向上できる。このため、例えば、ノズル６１を小径にした場合において、高圧で該ノズル６１から可塑化された材料を射出することができる。

ただし、上記のような第１形成面４８Ａ及び第２形成面４８Ｂ並びに第１対向面５２Ａ及び第２対向面５２Ｂの表面自由エネルギー関係となるような構成に限定されない。例えば、第１形成面４８Ａの表面自由エネルギーが第１対向面５２Ａの表面自由エネルギーよりも低く、かつ、第２形成面４８Ｂの表面自由エネルギーが第２対向面５２Ｂの表面自由エネルギーよりも高い構成とすることができる。このような構成とすることで、第１形成面４８Ａと第１対向面５２Ａとが対向する外側の領域において、材料がバレル５０に比べてフラットスクリュー４０に貼り付きにくくなる。したがって、第１形成面４８Ａと第１対向面５２Ａとが対向する外側の領域において材料が連通孔５６に向かう搬送力を向上でき、また、第２形成面４８Ｂと第２対向面５２Ｂとが対向する中心側の領域において搬送力をあえて低下させることで材料をじっくりと可塑化させることができる。このため、例えば、ノズル６１として大径のノズル６１を用いて、大きな射出量で可塑化された材料を射出することができる。

また、例えば、第１形成面４８Ａの表面自由エネルギーが第１対向面５２Ａの表面自由エネルギーよりも高く、かつ、第２形成面４８Ｂの表面自由エネルギーが第２対向面５２Ｂの表面自由エネルギーよりも低い構成とすることができる。このような構成とすることで、第２形成面４８Ｂと第２対向面５２Ｂとが対向する中心側の領域において、材料がバレル５０に比べてフラットスクリュー４０に貼り付きにくくなる。したがって、第１形成面４８Ａと第１対向面５２Ａとが対向する外側の領域において搬送力をあえて低下させることで材料をじっくりと可塑化させることができ、また、第２形成面４８Ｂと第２対向面５２Ｂとが対向する中心側の領域において材料が連通孔５６に向かう搬送力を向上できる。このため、例えば、可塑化しづらい材料を外側の領域においてじっくりと十分に可塑化させてから射出することができる。

なお、本実施例の三次元造形装置１００においては、材料として、金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含むものを使用可能である。金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含む材料を用いた場合、材料は特にフラットスクリュー４０側に貼り付き易いが、上記のような構成とすることで、このような場合においても材料がフラットスクリュー４０側に貼り付くことを抑制でき、バレル５０側の連通孔５６に材料が供給されにくくなることを抑制することができる。なお、材料として、金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含むもののほか、ポリ乳酸（ｐｏｌｙｌａｃｔｉｃ ａｃｉｄ）、パラレジンなどの生分解性プラスチックや、セルロースや、これらの複合物などを含むもの使用することも可能である。

＜射出成形装置（可塑化装置）＞
次に、本発明の一実施例の射出成形装置３１０の全体構成について図４を参照して説明する。なお、以下の図はいずれも概略図であり、一部構成部材を省略または簡略化して表している。本実施例の射出成形装置３１０は、上記三次元造形装置１００のフラットスクリュー４０と同様の溝形成面を有するフラットスクリュー３２１と、上記三次元造形装置１００のバレル５０と同様の対向面を有するバレル３２５と、加熱部としてのヒーター３２４と、を備えている。すなわち、本実施例の射出成形装置３１０は、材料を可塑化する可塑化装置としてみなすことができる。また、射出成形装置３１０は、可塑化装置を備え、該可塑化装置で可塑化された材料を使用して射出成形をすることが可能な装置とみなすこともできる。

図４は、ホットランナー４００に形成された流路４５０の軸線ＡＸを含む断面において、鉛直方向に沿って射出成形装置３１０を切断した断面を模式的に示している。なお、軸線ＡＸは、フラットスクリュー３２１の回転軸に対応する。図４には、相互に直交するＵ軸、Ｖ軸およびＷ軸が示されている。射出成形装置３１０は、可塑化された材料を成形型内へと射出して、成形品を製造する。射出成形装置３１０は、材料生成部３２０と、射出部３３０と、成形型３４０と、成形型３４０を固定する固定部３６０と、成形型開閉部３５０と、制御部３９０とを備える。

材料生成部３２０は、鉛直上方に配置された図示しないホッパーから供給される固体材料の少なくとも一部を可塑化させることにより、流動性を有する成形材料を生成し、射出部３３０側へと供給する。かかる固体材料は、ペレットや粉末等の種々の粒状の形態でホッパーへと投入される。材料生成部３２０は、フラットスクリュー３２１と、バレル３２５と、駆動モーター３２９とを有する。

フラットスクリュー３２１は、三次元造形装置１００のフラットスクリュー４０と同様、軸線ＡＸに沿った長さが直径よりも小さい略円柱状の外観形状を有する。フラットスクリュー３２１は、ホットランナー４００に形成された流路４５０の軸線ＡＸとフラットスクリュー３２１の軸線ＡＸとが一致するように配置されている。フラットスクリュー３２１の溝形成面３１１には、溝３２２が形成され、フラットスクリュー３２１の外周面には、材料流入口２３が形成されている。溝３２２は、材料流入口３２３まで連続している。材料流入口３２３は、ホッパーから供給される固体材料を受け入れる。

バレル３２５は、略円板状の外観形状を有し、フラットスクリュー３２１の溝形成面３１１と対向面３２７において対向して配置されている。バレル３２５には、材料を加熱するための加熱部としてのヒーター３２４が埋め込まれている。ただし、加熱部は、バレル３２５以外の場所に設けられていてもよい。また、バレル３２５には、軸線ＡＸに沿って貫通する貫通孔３２６が形成されている。貫通孔３２６は、成形材料をホットランナー４００へと導く流路として機能する。バレル３２５には、軸線ＡＸと直交する軸に沿って貫通する射出シリンダー３３２が形成されている。射出シリンダー３３２は、射出部３３０の一部分を構成し、貫通孔３２６と連通している。

駆動モーター３２９は、フラットスクリュー３２１の、バレル３２５と対向する側とは反対側の端面に接続されている。駆動モーター３２９は、制御部３９０からの指令に応じて駆動し、軸線ＡＸを回転軸としてフラットスクリュー３２１を回転させる。

材料流入口３２３から供給された材料の少なくとも一部は、フラットスクリュー３２１の溝３２２内においてバレル３２５に設けられたヒーター３２４により加熱されながら、フラットスクリュー３２１の回転によって可塑化して流動性が高められながら搬送されて、貫通孔３２６へと導かれる。フラットスクリュー３２１の回転により、成形材料の圧縮および脱気も実現される。

射出部３３０は、材料生成部３２０から供給される成形材料を計量して、成形型３４０の可動型３４８に形成されたキャビティー３４９へと射出する。射出部３３０は、射出シリンダー３３２と、射出プランジャー３３４と、逆止弁３３６と、射出モーター３３８と、ホットランナー４００とを有する。

射出シリンダー３３２は、バレル３２５の内部において略円筒状に形成され、貫通孔３２６と連通している。射出プランジャー３３４は、射出シリンダー３３２内に摺動可能に配置されている。射出プランジャー３３４が摺動することにより、貫通孔３２６内の成形材料が射出シリンダー３３２内に引き込まれて計量され、また、射出シリンダー３３２内の成形材料がホットランナー４００側へと圧送されてキャビティー３４９へと射出される。逆止弁３３６は、射出シリンダー３３２と貫通孔３２６との連通箇所よりもフラットスクリュー３２１側において、貫通孔３２６内に配置されている。逆止弁３３６は、フラットスクリュー３２１側からホットランナー４００側への成形材料の流動を許容するとともに、ホットランナー４００側からフラットスクリュー３２１側への成形材料の逆流を抑制する。射出モーター３８は、制御部３９０からの指令に応じて駆動し、射出プランジャー３３４を射出シリンダー３３２内で摺動させる。射出プランジャー３３４の摺動速度および摺動量は、成形材料の種類やキャビティー３４９の大きさ等に応じて予め設定されている。ホットランナー４００は、成形材料を加熱した状態でキャビティー３４９へと導く機能を有する。

成形型３４０は、固定型３４１と、可動型３４８とを有する。固定型３４１の内部には、軸線ＡＸに沿って貫通するホットランナー取り付け孔３４２が形成されている。ホットランナー取り付け孔３４２には、ホットランナー４００が配置されている。

ホットランナー取り付け孔３４２は、材料生成部３２０側から順に、内径が段階的に縮小して形成されている。ホットランナー取り付け孔３４２の材料生成部３２０側とは反対側の端部は、成形材料が流入するゲート開口３４５として機能する。ゲート開口３４５は、略円形の穴として構成されている。

可動型３４８は、固定型３４１と対向して配置されている。可動型３４８は、成形材料の射出時や冷却時を含む型閉じ及び型締めの際に固定型３４１と当接され、成形品の離型時を含む型開きの際に固定型３４１と離れる。固定型３４１と可動型３４８とが当接することにより、固定型３４１と可動型３４８との間において、ゲート開口３４５と連通するキャビティー３４９が形成される。キャビティー３４９は、射出成形で成形される成形品の形状に予め設計されている。本実施例において、キャビティー３４９は、ゲート開口３４５と直接連なって形成されているが、さらにランナーを介して連なって形成されていてもよい。

本実施例において、成形型３４０は、インバー材により形成されている。インバー材は、熱膨張係数が極めて小さいという性質を有する。また、成形型３４０には、図示しない冷媒流路が形成されている。冷媒流路に冷却水等の冷媒が流されることで、成形型３４０の温度が樹脂の溶融温度よりも低く保たれ、キャビティー３４９に射出された成形材料が冷却されて硬化する。冷媒は、型締め時および型開き時のいずれにおいても流されている。成形材料の冷却及び硬化は、冷媒流路に冷媒が流されることに代えて、ペルチェ素子等の任意の冷却手段を用いて実現されてもよい。

成形型開閉部３５０は、固定型３４１と可動型３４８との開閉を行なう。成形型開閉部３５０は、型開閉モーター３５８と、押出しピン３５９とを有する。型開閉モーター３５８は、制御部３９０からの指令に応じて駆動し、可動型３４８を軸線ＡＸに沿って移動させる。これにより、成形型３４０の型閉じ及び型締めと型開きとが実現される。押出しピン３５９は、キャビティー３４９と連通する位置に配置されている。押出しピン３５９は、型開きの際に成形品を押出すことにより、成形品を離型させる。

制御部３９０は、射出成形装置３１０全体の動作を制御して、射出成形を実行させる。制御部３９０は、ＣＰＵと記憶装置と入出力インターフェースとを有するコンピューターにより構成されている。ＣＰＵは、記憶装置に予め記憶されている制御プログラムを実行する。制御部３９０は、ホットランナー４００に埋設されたヒーター１３０の温度を制御して、ホットランナー４００の温度を調整する。射出成形装置３１０の使用者は、制御部３９０の入出力インターフェースであるコントローラーを操作することにより、射出成形条件に関する各種設定を行なうことができる。

ホットランナー４００は、射出部３３０から供給される成形材料を、加熱した状態でゲート開口３４５へと導く。ホットランナー４００は、固定型３４１のホットランナー取り付け孔３４２に配置されている。なお、射出成形装置３１０は、ホットランナー４００に代えて、成形材料をゲート開口３４５へと導く流路が形成されたノズルを備えていてもよい。

上記のように、本実施例の射出成形装置３１０は、三次元造形装置１００のフラットスクリュー４０と同様の溝形成面を有するフラットスクリュー３２１と、上記三次元造形装置１００のバレル５０と同様の対向面を有するバレル３２５と、加熱部としてのヒーター３２４と、を備えている。このため、三次元造形装置１００で説明した可塑化装置としての特徴と同様の特徴を有している。また、本実施例の射出成形装置３１０は、上記のような全体構成をしているが、可塑化装置として上記のような特徴を有していれば、このような構成に限定されない。

本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…材料供給部、２２…連通路、３０…造形材料生成部、３１…スクリューケース、３２…モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝、４３…凸状部、４４…材料流入口、４６…中央部、４７…上面、４８…溝形成面、５０…バレル、５２…対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター（加熱部）、６０…吐出部、６１…ノズル、６２…吐出口、６５…流路、７０…開閉機構、７２…駆動軸、７３…弁体、７４…バルブ駆動部、１００…三次元造形装置（可塑化装置）、１０１…制御部、１１０…造形部、２１０…ステージ、２１１…面、２３０…移動機構、３１０…射出成形装置、３１１…溝形成面、３２０…材料生成部、３２１…フラットスクリュー、３２２…溝、２３…材料流入口、３２４…ヒーター（加熱部）、３２５…バレル、３２６…貫通孔、３２７…対向面、３２９…駆動モーター、３３０…射出部、３３２…射出シリンダー、３３４…射出プランジャー、３３６…逆止弁、３３８…射出モーター、３４０…成形型、３４１…固定型、３４２…ホットランナー取り付け孔、３４５…ゲート開口、３４８…可動型、３４９…キャビティー、３５０…成形型開閉部、３５８…型開閉モーター、３５９…押出しピン、３６０…固定部、３９０…制御部、４００…ホットランナー、４５０…流路、ＡＸ…軸線（回転軸）、Ｍ…モーター、ＭＲ…原材料、ＲＸ…回転軸

Claims (11)

1. 回転軸を中心に回転可能であり、溝が形成された溝形成面を有し、前記回転軸に沿った方向の長さが前記回転軸に沿った方向と垂直な方向の長さよりも短いフラットスクリューと、
   前記溝形成面と対向する対向面を有し、前記対向面に連通する連通孔が形成されたバレルと、
   前記溝内に供給された材料を加熱する加熱部と、
   を備え、
   前記溝形成面は、前記対向面の表面自由エネルギーよりも低い表面自由エネルギーを有する領域を含むことを特徴とする前記材料の可塑化装置。
2. 請求項１に記載の可塑化装置において、
   前記溝形成面は、第１形成面と、前記第１形成面よりも中心側に位置する第２形成面と、を有し、
   前記対向面は、前記第１形成面と対向する第１対向面と、前記第２形成面と対向するとともに前記第１対向面よりも中心側に位置する第２対向面と、を有し、
   前記第１形成面の表面自由エネルギーは、前記第１対向面の表面自由エネルギーよりも低く、かつ、前記第２形成面の表面自由エネルギーは、前記第２対向面の表面自由エネルギーよりも低いことを特徴とする可塑化装置。
3. 請求項１に記載の可塑化装置において、
   前記溝形成面は、第１形成面と、前記第１形成面よりも中心側に位置する第２形成面と、を有し、
   前記対向面は、前記第１形成面と対向する第１対向面と、前記第２形成面と対向するとともに前記第１対向面よりも中心側に位置する第２対向面と、を有し、
   前記第１形成面の表面自由エネルギーは、前記第１対向面の表面自由エネルギーよりも低く、かつ、前記第２形成面の表面自由エネルギーは、前記第２対向面の表面自由エネルギーよりも高いことを特徴とする可塑化装置。
4. 請求項１に記載の可塑化装置において、
   前記溝形成面は、第１形成面と、前記第１形成面よりも中心側に位置する第２形成面と、を有し、
   前記対向面は、前記第１形成面と対向する第１対向面と、前記第２形成面と対向するとともに前記第１対向面よりも中心側に位置する第２対向面と、を有し、
   前記第１形成面の表面自由エネルギーは、前記第１対向面の表面自由エネルギーよりも高く、かつ、前記第２形成面の表面自由エネルギーは、前記第２対向面の表面自由エネルギーよりも低いことを特徴とする可塑化装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の可塑化装置において、
   前記溝形成面及び前記対向面の少なくとも一方に被膜処理または切削処理が施されていることを特徴とする可塑化装置。
6. 請求項５に記載の可塑化装置において、
   前記対向面は、前記被膜処理としてダイヤモンドコーティング、クロムコーティングまたはチタンコーティングの少なくともいずれかが施されていることを特徴とする可塑化装置。
7. 請求項５または６に記載の可塑化装置において、
   前記溝形成面は、前記被膜処理としてフッ素コーティングが施されていることを特徴とする可塑化装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の可塑化装置において、
   前記材料は、金属粒子及びセラミック粒子の少なくともいずれかを含むことを特徴とする可塑化装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の可塑化装置において、
   前記溝形成面の表面自由エネルギーが前記対向面の表面自由エネルギーよりも低い領域における表面自由エネルギーの差は、４．６ｍＪ／ｍ^２以上であることを特徴とする可塑化装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の可塑化装置で可塑化された前記材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出された前記材料を支持するテーブルと、を備える、ことを特徴とする三次元造形装置。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の可塑化装置で可塑化された前記材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出された前記材料を受ける成形型を固定する固定部と、を備える、ことを特徴とする射出成形装置。