JP2005342998A - 部材成形装置及び部材成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層された成形材料の各層間に強い溶着強度を付与することが可能な部材成形装置を提供する。
【解決手段】部材成形装置１は、溶融した成形材料Ｓを押し出し可能な押出ヘッド１１を有する樹脂押出機１０と、当該押出ヘッド１１から押し出された成形材料Ｓを受ける作業テーブル２０と、作業テーブル２０上で固化した成形材料Ｓを削減可能なＮＣ加工機と、を備えており、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１を作業テーブル２０に対して相対移動させながら、当該押出ヘッド１１から作業テーブル２０上に流動化した成形材料Ｓを押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように成形材料Ｓを積層し固化させた後に、ＮＣ加工機により当該成形材料Ｓを削減することにより部材Ｕを成形する装置であり、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１のノズル１５の内部に、当該ノズル１５から押し出された成形材料Ｓを押圧する押圧用ボール１５２が回動自在に保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動化された成形材料を押出し積層して固化した後に当該成形材料を削減することにより部材を成形する部材成形装置及び部材成形方法に関する。

既存設備を有効に活用して安価で容易な部材の成形を実現したものとして、流動化させた成形材料を押出機から作業テーブル上に押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時に当該部材の外形に近似する容積の塊状となるように積層して固化させた後に、ＮＣ工作機の加工ヘッドにより切削加工等を行って当該成形材料を削減することにより部材を成形する部材成形装置が従来知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の部材成形装置では、流動化した成形材料を押し出す押出機と、当該成形材料が押し出される作業テーブルとの間の距離が離れているため、押出機から作業テーブル上に押し出される成形材料には、積層に際して自重以外に何ら圧力が印加されず、既に作業テーブル上に積層されている成形材料から成る積層体に単に載置されるだけなので、積層された成形材料の各層同士が十分に密着せず十分な溶着強度を得難い。
国際公開第９７／２４２１７号パンフレット

本発明は、積層された成形材料の各層間に強い溶着強度を付与することが可能な部材成形装置及び部材成形方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、流動化した成形材料を押し出し可能な押出手段と、前記押出手段から押し出された前記成形材料を受ける作業テーブルと、固化した前記成形材料を削減可能な削減手段と、を少なくとも備え、前記押出手段を前記作業テーブルに対して相対移動させながら、流動化した前記成形材料を前記押出手段から前記作業テーブル上に押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように前記成形材料を積層して固化させた後に、前記削減手段により前記成形材料を削減することにより前記部材を成形する部材成形装置であって、前記押出手段から前記作業テーブル上に押し出された前記成形材料を押圧する押圧手段をさらに備えた部材成形装置が提供される。

また、上記目的を達成するために、本発明によれば、流動化された成形材料を移動させながら押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように積層して固化させた後に、前記成形材料を削減することにより前記部材を成形する部材成形方法であって、既に積層された前記成形材料から成る積層体に対して、流動化された前記成形材料を押圧しながら押し出す部材成形方法が提供される。

本発明では、押出機から作業テーブル上に成形材料を押し出して積層する際に、押圧手段により当該成形材料を押圧しながら押し出す。これにより、既に作業テーブル上に積層された成形材料から成る積層体に対して、新たに積層された成形材料が密着することとなるので、積層された成形材料の各層間に強い溶着強度を付与することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る部材成形装置における樹脂押出機及び作業テーブルを示す概略図、図２は図１に示す樹脂押出機のノズルの拡大図、図３は図２のIII-III線に沿った断面図、図４は本発明の実施形態に係る部材成形装置におけるＮＣ加工機及び作業テーブルを示す概略図である。

本発明の実施形態に係る部材成形装置１は、図１及び図４に示すように、溶融した成形材料Ｓを押し出し可能な押出ヘッド１１を有する樹脂押出機１０（押出手段）と、当該押出ヘッド１１から押し出された成形材料Ｓを受ける作業テーブル２０と、作業テーブル２０上で固化した成形材料Ｓを削減可能なＮＣ加工機３０（削減手段）と、を備えており、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１を作業テーブル２０に対して相対移動させながら、当該押出ヘッド１１から作業テーブル２０上に流動化した成形材料Ｓを押し出し、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように成形材料Ｓを積層し、当該成形材料Ｓを固化させた後にＮＣ加工機３０により削減することにより部材Ｕを成形する装置である。

この部材成形装置１に用いられる成形材料としては、例えば、ＡＢＳ樹脂材料等の熱可塑性樹脂材料を例示することが出来る。また、この部材成形装置１により成形される部材Ｕとしては、例えば、自動車に用いられるインテークマニホールドやシリンダカバーヘッド等の車輌用部品を例示することが出来、当該車輌用部品の試作品の製作のみならず多品種少量生産に適用することも可能である。

この部材成形装置１の樹脂押出機１０は、図１に示すように、溶融した成形材料Ｓを押し出し可能な押出ヘッド１１と、この押出ヘッド１１を支持する架台１８と、を備えており、この架台１８は、特に図示しないアクチュエータにより、作業テーブル２０に対して実質的に平行な平面方向（図１におけるＸ−Ｙ平面方向）、及び、当該作業テーブル２０に対して実質的に直交する方向（図１におけるＺ軸方向）に押出ヘッド１１を移動させることが可能となっている。

この樹脂押出機１０の押出ヘッド１１は、成形材料が投入されるホッパ１２と、当該投入された成形材料を溶融（流動化）させる加熱シリンダ１３と、当該加熱シリンダ１３内に回転可能に配置され、溶融した成形材料Ｓを押し出すスクリュ１４と、当該スクリュ１４により押し出される成形材料Ｓを作業テーブル２０に向かって吐出するノズル１５と、ベルト１７を介してスクリュ１４に回転力を供給するモータ１６と、を有しており、ホッパ１２から供給される成形材料を加熱シリンダ１３内で溶融し、当該溶融した成形材料Ｓをスクリュ１４によりノズル１５から作業テーブル２０上に押し出すことが可能となっている。

この押出ヘッド１１のノズル１５の内部は、図２及び図３に示すように、略半球状に広がると共にその先端に形成された吐出口１５１で開口しており、このノズル１５内に押圧用ボール１５２（押圧手段）が如何なる方向へも３６０°回転可能に保持されている。このように保持された押圧用ボール１５２とノズル１５の内壁面との間には所定の間隔の隙間が形成されており、スクリュ１４の回転によりノズル１５に押し出された成形材料Ｓは、当該隙間を通過して、ノズル１５の吐出口１５１から作業テーブル２０に向かって吐出することが可能となっている。

この押圧用ボール１５２は、当該押圧用ボール１５２の一部がノズル１５の吐出口１５２から作業テーブル２０側に向かって突出するように、ノズル１５内に収容されており、押出ヘッド１１から成形材料Ｓを押し出す際に、この押圧用ボール１５２により、既に作業テーブル２０上に積層された成形材料Ｓから成る積層体Ｔに対して、成形材料Ｓを押圧しながら積層することが可能となっている。

このように、押圧用ボール１５２により積層体Ｔに対して成形材料Ｓを押圧しながら積層することにより、既に作業テーブル２０上に積層された成形材料Ｓから成る積層体Ｔに対して、成形材料Ｓを密着させることが出来るので、積層された成形材料Ｓの各層間に強い溶着強度を付与することが出来る。

この押圧用ボール１５２は、球径６ｍｍ程度のステンレス等の金属材料から構成され、その表面が梨地仕上げ加工により処理されており、さらにその上に、ポリテトラフルオロエチレン等を含有したコーティング層が形成されている。

このように、押圧用ボール１５２の表面に梨地仕上げ加工を施して、当該押圧用ボール１５２の表面を凹凸にすることにより、押圧用ボール１５２とノズル１５の内壁面との間を通過する成形材料Ｓに対して、スクリュ１４の回転による押出力に加えて、押圧用ボール１５２の回転により押出力を付与することが出来るので、作業テーブル２０上に成形材料Ｓを供給し易くなる。

また、押圧用ボール１５２の表面にポリテトラフルオロエチレンを含有したコーティング層を形成することにより、溶融した成形材料Ｓが押圧用ボール１５２に付着するのを防止することが可能となっている。

さらに、押圧用ボール１５２を金属材料で構成することにより、加熱シリンダ１３で加熱されて溶融した成形材料Ｓの温度を保温することが可能となっている。

ノズル１５の内壁面には、ボールベアリング１５２を回動自在に保持可能な凹部が形成されており、押圧用ボール１５２とノズル１５の内壁面との間に６個のボールベアリング１５３が介在している。これらのボールベアリング１５２は、その内の３個のボールベアリング１５２が同心円上に実質的に均等に配置されていると共に、残りの３個のボールベアリング１５２も他の同心円上に実質的に均等に配置されている。

各ボールベアリング１５３は、表面が平滑に加工された球径３ｍｍ程度のステンレス等の金属材料から構成され、その上にポリテトラフルオロエチレン等を含有したコーティング層が形成されている。

このように、押圧用ボール１５２とノズル１５の内壁面との間にボールベアリング１５２を介在させることにより、ノズル１５内で押圧用ボール１５２を円滑に回動させることが可能となっている。

また、ボールベアリング１５３の表面にポリテトラフルオロエチレンを含有したコーティング層を形成することにより、溶融した成形材料Ｓがボールベアリング１５３に付着するのを防止することが可能となっている。

さらに、ボールベアリング１５３を金属材料で構成することにより、加熱シリンダ１３で加熱されて溶融した成形材料Ｓの温度を保温することが可能となっている。

図１に戻り、架台１８に支持された押出ヘッド１１の下方には、押出ヘッド１１のノズル１５から溶融した成形材料Ｓが押し出されて積層されるプレート状の作業テーブル２０が設けられている。この作業テーブル２０は、特に図示しないアクチュエータにより、樹脂押出機１０の作業領域と、後述するＮＣ加工機３０の作業領域との間を、Ｘ軸方向に往復移動することが可能となっている。

部材成形装置１のＮＣ加工機３０は、例えば図４に示すように、固化した積層体Ｔに対して切削加工や孔加工等の所定の加工を行うエンドミルやドリル等の工具３２を有する加工ヘッド３１と、この加工ヘッド３１を支持する架台３３と、を備えている。このＮＣ加工機３０の架台３３は、上述の樹脂押出機１０が備える架台１８と同様に、特に図示しないアクチュエータにより、作業テーブル２０に対して実質的に平行な平面方向（図４におけるＸ−Ｙ平面方向）、及び、当該作業テーブル２０に対して実質的に直交する方向（図４におけるＺ軸方向）に加工ヘッド３１を移動させることが可能となっている。このＮＣ加工機３０は、特に図示しないが、上述の樹脂押出機１０のＸ軸方向（図１及び図４参照）側方に併設されており、Ｘ軸方向に移動可能に設けられた作業テーブル２０が、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１の下方、及び、ＮＣ加工機３０の加工ヘッド３１の下方に位置することが可能となっている。

次に本実施形態に係る部材成形方法について説明する。

先ず、作業テーブル２０が樹脂押出機１０の下方に位置した状態で、押出ヘッド１１のホッパ１２にＡＢＳ樹脂材料等の成形材料が供給されると、当該成形材料は、加熱シリンダ１３で１９０〜２１０℃の温度で加熱されて溶融した後、スクリュ１４の回転により押し出されてノズル１５内に至り、さらに押圧用ボール１５２とノズル１５の内壁面との間の隙間を通過し、吐出口１５１から作業テーブル２０に向かって吐出され、樹脂押出機１０による成形材料Ｓの押出が開始される。

この状態において、押出ヘッド１１の先端は作業テーブル２０に接触しており、従って、当該押圧ヘッド１１の吐出口１５１から一部が突出した押圧用ボール１５２により、当該吐出口１５１から押し出される成形材料Ｓが所定の押圧力で押圧されている。成形材料ＳがＡＢＳ樹脂材料である場合には、例えば、０．９８〜１．９６［Ｎ］程度で押圧する。

成形材料Ｓの押出が開始したら、成形しようとする部材Ｕの形状に従った制御データに基づいて、架台１８が、押出ヘッド１１を作業テーブル２０に対して走査させ、部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように成形材料Ｓを積層する。この押出ヘッド１１の走査の間中、押圧用ボール１５２は、既に作業テーブル２０上に積層された成形材料Ｓから成る積層体Ｔに密着し続けており、当該押圧用ボール１５２により所定の押圧力が印加されながら成形材料Ｓが押出ヘッド１１から押し出されている。

このように、樹脂押出機１０から作業テーブル２０上に成形材料Ｓを押し出して積層する際に、押圧用ボール１５２により当該成形材料Ｓを押圧しながら押し出すことにより、既に作業テーブル上に積層された成形材料から成る積層体Ｔに対して、新たに積層された成形材料Ｓが密着することとなるので、積層された成形材料Ｓの各層間に強い溶着強度を付与することが出来る。因みに、押圧せずに積層した場合に溶着強度１０［ＭＰａ］であったものと同様の構成の部材を、本実施形態に従って押圧しながら積層して成形すると溶着強度が２０［ＭＰａ］程度に向上した。

また、押圧用ボール１５２がノズル１５内に回動自在に保持されているので、押出ヘッド１１の走査に伴って押圧用ボール１５２が円滑に回転し、移動しながら押し出される成形材料Ｓに対して、摺動することなく正確な押圧力を印加することが出来る。

さらに、押圧用ボール１５２の表面に梨地仕上げ加工が施されているので、スクリュ１４の回転による押出力に加えて、この押圧用ボール１５２の回転に伴う押出力が、ノズル１５内を通過する成形材料Ｓに付与され、成形材料Ｓを作業テーブルＳ上に安定して供給することが出来る。

次に、樹脂押出機１０により積層された積層体Ｔが、成形しようとする部材Ｕの全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となったら、成形材料Ｓの押出を終了し、作業テーブル２０が樹脂押出機１０の作業領域からＮＣ加工機３０の作業領域に移動し、積層体Ｔが加工ヘッド３１の下方に位置する。

ＮＣ加工機３１は、作業テーブル２０上の積層体２０が十分に固化したら、成形しようとする部材Ｕの形状に従った加工データに基づいて、工具３２で切削加工等を行うことにより積層体Ｔを削減し、部材Ｕを成形する。

以上のように、本実施形態に係る部材成形装置１及び部材成形方法では、樹脂押出機１０から作業テーブル２０上に成形材料Ｓを押し出して積層する際に、押圧用ボール１５２により当該成形材料Ｓを押圧しながら押し出すことにより、既に作業テーブル上に積層された成形材料から成る積層体Ｔに対して、新たに積層された成形材料Ｓが密着することとなるので、積層された成形材料Ｓの各層間に強い溶着強度を付与することが出来る。

また、本実施形態に係る部材成形装置１及び部材成形方法では、押圧用ボール１５２により成形材料Ｓを押圧しながら押し出すことにより、積層体Ｔ内にボイド（空隙）が形成されるのを抑制することが出来る。

さらに、従来の部材成形装置では、成形材料Ｓを積層する際に、押出機と作業テーブルとが離れているため、積層体Ｔに対して成形材料Ｓがズレて積層され易く、当該成形材料Ｓが自重により積層体Ｔから垂れる等して変形し易くなり、所望する形状を得るのが難しい。これに対し、本実施形態に係る部材成形装置及び部材成形方法では、押出ヘッド１１が積層体Ｔの最上層に常時密着している状態で成形材料Ｓを押し出すので、積層体Ｔに対して成形材料Ｓを正確に積層することが可能となる。

また、従来の部材成形装置では、押出機と作業テーブルとが離れているため、押出機から作業テーブルに至る迄に成形材料Ｓが雰囲気に曝される時間が長く、雰囲気温度に応じて当該成形材料Ｓの温度がバラツキ、これに伴って、積層された成形材料Ｓの各層間の溶着強度にバラツキを生じるが、本実施形態に係る部材成形装置及び部材成形方法では、押出ヘッド１１が積層体Ｔの最上層に常時密着している状態で成形材料Ｓを押し出すので、雰囲気温度による溶着強度のバラツキを抑制することが可能となる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、本実施形態に係る部材成形装置１では、架台１８により押出ヘッド１１を移動させるように樹脂押出機１０を構成することにより、押出手段を作業テーブルに対して相対移動するように説明したが、本発明では特にこれに限定されず、例えば、樹脂押出機１０の押出ヘッド１１を固定すると共に作業テーブル２０をＸＹＺ方向に移動可能に構成することにより、押出手段を作業テーブルに対して相対移動するようにしても良い。

図１は、本発明の実施形態に係る部材成形装置の樹脂押出機及び作業テーブルを示す概略図である。 図２は、図１に示す樹脂押出機のノズルの拡大図である。 図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る部材成形装置のＮＣ加工機及び作業テーブルを示す概略図である。

符号の説明

１…部材成形装置
１０…樹脂押出機
１１…押出ヘッド
１２…ホッパ
１３…加熱シリンダ
１４…スクリュ
１５…ノズル
１５１…吐出口
１５２…押圧用ボール
１５３…ボールベアリング
１６…モータ
１７…ベルト
１８…架台
２０…作業テーブル
３０…ＮＣ加工機
３１…加工ヘッド
３２…工具
３３…架台
Ｓ…成形材料
Ｔ…積層体
Ｕ…部材

Claims (9)

1. 流動化した成形材料を押し出し可能な押出手段と、
   前記押出手段から押し出された前記成形材料を受ける作業テーブルと、
   固化した前記成形材料を削減可能な削減手段と、を少なくとも備え、
   前記押出手段を前記作業テーブルに対して相対移動させながら、流動化した前記成形材料を前記押出手段から前記作業テーブル上に押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように前記成形材料を積層して固化させた後に、前記削減手段により前記成形材料を削減することにより前記部材を成形する部材成形装置であって、
   前記押出手段から前記作業テーブル上に押し出された前記成形材料を押圧する押圧手段をさらに備えた部材成形装置。
2. 前記押圧手段は、流動化した前記成形材料を前記作業テーブル上に向かって吐出する前記押出手段のノズルに設けられている請求項１記載の部材成形装置。
3. 前記押圧手段は、前記ノズル内に回動自在に保持された押圧用球体を含み、
   前記押圧用球体の一部は、前記ノズルの先端から突出している請求項１又は２記載の部材成形装置。
4. 前記押圧用球体の表面は梨地仕上げ加工されている請求項３記載の部材成形装置。
5. 前記押圧用球体の表面には、ポリテトラフルオロエチレンを含むコーティング層が形成されている請求項３又は４記載の部材成形装置。
6. 前記ノズルの内壁面と前記押圧用球体との間にボールベアリングが回動自在に配置されている請求項３〜５の何れかに記載の部材成形装置。
7. 前記ボールベアリングの表面には、ポリテトラフルオロエチレンを含むコーティング層が形成されている請求項６記載の部材成形装置。
8. 流動化された成形材料を移動させながら押し出し、成形しようとする部材の全部を包含すると同時にその外形に近似する容積の塊状となるように積層して固化させた後に、前記成形材料を削減することにより前記部材を成形する部材成形方法であって、
   既に積層された前記成形材料から成る積層体に対して、流動化された前記成形材料を押圧しながら押し出す部材成形方法。
9. 前記流動化された成形材料を押出可能な押出手段の先端で、流動化された前記成形材料を前記積層体に対して押圧しながら押し出す請求項８記載の部材成形方法。

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