JP7472534B2 - 可塑化装置、射出成形装置、および、三次元造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、可塑化装置、射出成形装置、および、三次元造形装置に関する。

可塑化装置に関し、例えば、特許文献１には、連通孔が設けられたバレルと、バレルに摺接する端面に、樹脂の可塑化混練通路を画成する螺旋溝が設けられたローターと、ローターの端面の回転中心部からバレルの連通孔に突出する樹脂滞留阻止部と、を有する可塑化装置が開示されている。

特開２００９－１３７２６０号

特許文献１の可塑化装置では、樹脂滞留阻止部によって、可塑化混練通路と連通孔との接続部分における樹脂の滞留を抑制している。しかしながら、樹脂の滞留を効果的に抑制するための、樹脂滞留阻止部の具体的な大きさについては、十分に検討されていなかった。

本開示の第１の形態によれば、材料を可塑化する可塑化装置が提供される。この可塑化装置は、駆動モーターと、前記駆動モーターによって回転するローターであって、円形状の中央部の周縁から前記ローターの外周に向かって曲線状の凸条部が形成された溝形成面を有するローターと、前記溝形成面に対向し、前記溝形成面の前記中央部に対向する位置に連通孔を有するバレルと、前記ローターと前記バレルとの間に供給された前記材料を加熱する加熱部と、を備え、前記ローターは、前記中央部から前記連通孔に向かって突出する突起部を有し、前記中央部の面積Ｓ１と、前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の最大面積Ｓ２との関係は、下記式（１）を満たす。
０．２８≦Ｓ２／Ｓ１≦１．０３ …（１）

本開示の第２の形態によれば、射出成形装置が提供される。この射出成形装置は、上記第１の形態における可塑化装置と、前記連通孔に連通し、可塑化された前記材料を成形型に射出するノズルと、を備える。

本開示の第３の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、上記第１の形態における可塑化装置と、前記連通孔に連通し、可塑化された前記材料をステージに向けて吐出するノズルと、を備える。

第１実施形態における射出成形装置の概略構成を示す図である。 第１実施形態における射出成形装置の概略構成を示す断面図である。 ローターの溝形成面側の構成を示す斜視図である。 バレルの対向面側の構成を示す説明図である。 ローターとバレルとの断面を示す図である。 ローターの溝形成面を示す図である。 第１実施形態の一例としての突起部を示す断面図である。 色替え試験の手順を示す工程図である。 可塑化材料の速度比を縦軸、面積比を横軸とするグラフである。 シミュレーションの概要を説明する図である。 シミュレーションに用いられた突起部の形状を示す図である。 第２実施形態としての三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態における射出成形装置１００の概略構成を示す図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が表されている。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、互いに直交する３つの空間軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った方向であり、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿う一方側の方向と、その反対方向とを、両方含む。Ｘ軸及びＹ軸は、水平面に沿った軸であり、Ｚ軸は、鉛直線に沿った軸である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

射出成形装置１００は、射出ユニット１０５と、材料供給部１１０と、型部１６０と、型締装置１７０と、を備えている。射出成形装置１００は、射出ユニット１０５によって、材料供給部１１０から供給される材料を可塑化して可塑化材料を生成し、可塑化材料を型部１６０へと射出して成形品を成形する。

図２は、射出成形装置１００の概略構成を示す断面図である。図２には、射出成形装置１００の、射出ユニット１０５と、型部１６０と、型締装置１７０とが、示されている。射出ユニット１０５は、可塑化装置１２０と、射出制御部１５０と、射出ノズル１５６と、制御部５００とを、備えている。

図１に示した材料供給部１１０は、図２に示した可塑化装置１２０に連通している。材料供給部１１０は、可塑化装置１２０に材料を供給する。本実施形態では、材料供給部１１０は、ホッパーによって構成されている。材料供給部１１０には、ペレットや粉末等の状態の材料が収容される。本実施形態では、材料供給部１１０には、材料として、ペレット状に形成されたＡＢＳ樹脂が貯留されている。

可塑化装置１２０は、ローターケース１２１と、駆動モーター１２２と、ローター１３０と、バレル１４０と、加熱部１４８と、逆止弁１４９とを、備えている。なお、加熱部１４８は図２には示されておらず、後述する図４に示されている。可塑化装置１２０は、材料供給部１１０から供給された材料の少なくとも一部を可塑化し、流動性を有するペースト状の可塑化材料を生成して射出制御部１５０へと導く。「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料が、ガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性を発現することを意味する。「溶融」とは、熱可塑性を有する材料が融点以上の温度に加熱されて液状になることのみならず、熱可塑性を有する材料が可塑化することをも意味する。なお、本実施形態のローター１３０のことを、「スクロール」や「フラットスクリュー」と呼ぶこともあり、単に「スクリュー」と呼ぶこともある。

ローター１３０は、その中心軸ＲＸに沿った方向の高さが直径よりも小さい略円柱形状を有している。ローター１３０は、ローターケース１２１とバレル１４０とによって囲まれた空間に収容されている。ローター１３０は、バレル１４０に対向する面に、曲線状の凸条部１３６が設けられた溝形成面１３２を有している。溝形成面１３２は、具体的には、バレル１４０の対向面１４２と対向する。溝形成面１３２には、曲線状の凸条部１３６が形成されている。なお、中心軸ＲＸを、ローター１３０の回転軸と呼ぶこともある。図２において、中心軸ＲＸは一点鎖線で示されている。

ローター１３０の、溝形成面１３２とは反対側の面には、駆動モーター１２２が接続されている。ローター１３０は、駆動モーター１２２が発生させるトルクによって、中心軸ＲＸを中心に回転する。駆動モーター１２２は、制御部５００の制御下で駆動される。なお、駆動モーター１２２は、直接ローター１３０と接続されていなくてもよい。例えば、ローター１３０と駆動モーター１２２とは、減速機を介して接続されていてもよい。この場合、例えば、遊星歯車機構を有する減速機の遊星ギアに駆動モーター１２２が接続され、太陽ギアにローター１３０が接続されていてもよい。

図３は、ローター１３０の溝形成面１３２側の構成を示す斜視図である。図３には、ローター１３０の中心軸ＲＸの位置が一点鎖線で示されている。上述したように、溝形成面１３２には、凸条部１３６が設けられている。

ローター１３０の凸条部１３６は、ローター１３０の円形状の中央部１３７の周縁からローター１３０の外周に向かって形成されている。図３には、中央部１３７が破線によって示されている。溝形成面１３２には、凸条部１３６に沿って伸びる溝１３５が形成されている。溝１３５は、溝形成面１３２において、凸条部１３６よりバレル１４０から離れる方向に窪んだ部分であり、凸条部１３６は溝１３５の側壁部を構成している。溝１３５は、凸条部１３６とバレル１４０との間の空間の一部を構成する。

ローター１３０の溝１３５は、いわゆるスクロール溝を構成する。溝１３５は、中央部１３７から、ローター１３０の外周に向かって弧を描くように渦状に延びている。溝１３５は、インボリュート曲線状や、螺旋状に延びるように構成されてもよい。溝１３５は、ローター１３０の側面１３３に設けられた材料導入口１３４まで連続している。この材料導入口１３４は、溝１３５に材料を受け入れる部分である。材料供給部１１０から供給された材料は、材料導入口１３４を介して、ローター１３０とバレル１４０との間に供給される。

中央部１３７には、溝１３５の一端が接続されている。中央部１３７は、溝１３５と同様に、溝形成面１３２において、凸条部１３６よりバレル１４０から離れる方向に窪んだ部分として構成されている。中央部１３７は、中心軸ＲＸと交差する。中央部１３７は、図２に示すように、バレル１４０の対向面１４２に設けられた連通孔１４６に対向する。

本実施形態のローター１３０は、中央部１３７から連通孔１４６に向かって突出する突起部１３８を備えている。本実施形態では、突起部１３８の溝形成面１３２に沿った断面の形状は円形状である。突起部１３８の中心軸は、ローター１３０の中心軸ＲＸと一致する。突起部１３８は、中央部１３７における材料の滞留を抑制する機能を有する。突起部１３８の詳細については、後述する。なお、突起部１３８が突出する方向を、突出方向と呼ぶこともある。また、中央部１３７における材料の滞留を「淀み」と呼ぶこともある。

図３には、２つの溝１３５と、２つの凸条部１３６と、を有するローター１３０の例が示されている。ローター１３０に設けられる溝１３５や凸条部１３６の数は、２つには限定されない。ローター１３０には、１つの溝１３５のみが設けられていてもよいし、２以上の複数の溝１３５が設けられていてもよい。また、溝１３５の数に合わせて任意の数の凸条部１３６が設けられてもよい。

図３には、材料導入口１３４が２箇所に形成されているローター１３０の例が図示されている。ローター１３０に設けられる材料導入口１３４の数は、２箇所に限定されない。ローター１３０には、材料導入口１３４が１箇所にのみ設けられていてもよいし、２箇所以上の複数の箇所に設けられていてもよい。

図４は、バレル１４０の対向面１４２側の構成を示す説明図である。上述したように、バレル１４０は、ローター１３０の溝形成面１３２に対向する対向面１４２を有している。対向面１４２の中央には、図２に示した射出ノズル１５６に連通する連通孔１４６が設けられている。対向面１４２における連通孔１４６の周りには、複数の案内溝１４４が設けられている。それぞれの案内溝１４４は、一端が連通孔１４６に接続され、連通孔１４６から渦状に延びている。それぞれの案内溝１４４は、可塑化材料を連通孔１４６に導く機能を有している。なお、可塑化材料を効率良く連通孔１４６へと到達させるためには、バレル１４０に案内溝１４４が形成されていると好ましいが、案内溝１４４が形成されていなくてもよい。

加熱部１４８は、ローター１３０とバレル１４０との間に供給された材料を加熱する。本実施形態では、加熱部１４８は、バレル１４０内に設けられた４本のヒーターによって構成されている。加熱部１４８の出力は、制御部５００によって制御される。本実施形態では、ローター１３０とバレル１４０との間に供給された材料が加熱部１４８によって加熱される際に、バレル１４０やローター１３０も、加熱部１４８によって加熱される。

図２に示すように、逆止弁１４９は、連通孔１４６内に設けられている。逆止弁１４９は、連通孔１４６からローター１３０の中央部１３７や溝１３５への、可塑化材料の逆流を抑制する。

可塑化装置１２０は、上述したローター１３０、バレル１４０及び加熱部１４８によって、材料を連通孔１４６に向かって搬送しながら加熱して可塑化材料を生成し、可塑化材料を、連通孔１４６から射出制御部１５０へと流出させる。

図２に示すように、射出制御部１５０は、シリンダー１５１と、プランジャー１５２と、プランジャー駆動部１５３とを、備えている。シリンダー１５１は、バレル１４０の連通孔１４６に接続された略円筒状の部材である。プランジャー１５２は、シリンダー１５１の内部を移動する。プランジャー１５２は、モーターやギア等によって構成されたプランジャー駆動部１５３により駆動される。プランジャー駆動部１５３は、制御部５００によって制御される。

射出制御部１５０は、制御部５００の制御下で、プランジャー１５２をシリンダー１５１内で摺動させることによって、計量操作と射出操作とを実行する。計量操作とは、連通孔１４６から離れる＋Ｘ方向にプランジャー１５２を移動させることによって、連通孔１４６内の可塑化材料をシリンダー１５１内へと導いて、シリンダー１５１内で計量する操作を指す。射出操作とは、連通孔１４６へ近付く－Ｘ方向にプランジャー１５２を移動させることによって、シリンダー１５１内の可塑化材料を、射出ノズル１５６を介して成形型に射出する操作を指す。

上述したように、射出ノズル１５６は、連通孔１４６と連通する。上述した計量操作と射出操作とが実行されることによって、シリンダー１５１内で計量された可塑化材料が、射出制御部１５０から連通孔１４６を介して射出ノズル１５６へと送られ、射出ノズル１５６から型部１６０へと射出される。

型部１６０は、成形型１６１を有している。射出ノズル１５６へと送られた可塑化材料は、射出ノズル１５６から成形型１６１のキャビティーＣｖへと射出される。具体的には、成形型１６１は、互いに対面する可動型１６２および固定型１６３を有し、両者の間にキャビティーＣｖを有している。キャビティーＣｖは、成形品の形状に相当する空間である。本実施形態では、可動型１６２及び固定型１６３は、金属材料によって形成されている。尚、可動型１６２及び固定型１６３は、セラミックス材料や樹脂材料によって形成されてもよい。

型締装置１７０は、型駆動部１７１と、ボールねじ部１７２とを備えている。型駆動部１７１は、モーターやギア等によって構成され、ボールねじ部１７２を介して可動型１６２に接続されている。型駆動部１７１の駆動は、制御部５００によって制御される。ボールねじ部１７２は、型駆動部１７１の駆動による動力を可動型１６２に伝達する。型締装置１７０は、制御部５００の制御下で、型駆動部１７１およびボールねじ部１７２によって可動型１６２を移動させることによって、型部１６０の開閉を行う。

図５は、ローター１３０とバレル１４０との断面を示す図である。図５には、可塑化装置１２０によって材料が可塑化される際の、中央部１３７における材料の流れが矢印によって示されている。図５に示すように、溝形成面１３２に沿う方向に移動した材料は、中央部１３７から連通孔１４６へと向かう際、連通孔１４６に沿う方向へと移動方向を転換することで、連通孔１４６内を下流へと流れる。中央部１３７において材料が円滑に方向転換できない場合、例えば、ローター１３０の外周から中央部１３７へと到達した材料が中央部１３７付近に留まる可能性や、材料が中央部１３７から再びローター１３０の外周に向かう方向へと移動する可能性がある。このように、一般に、中央部１３７においては、材料の滞留が生じやすい。

中央部１３７において滞留している材料は、後続の材料が可塑化装置１２０において可塑化される際に、中央部１３７に留まりつつ後続の材料に少量ずつ混入する可能性がある。例えば、本実施形態において、一方の材料を用いて射出成形を行った後に他の材料を用いて射出成形を行う場合、他の材料を可塑化する際に、中央部１３７において他の材料に一方の材料が混入する可能性がある。その結果、一方の材料と他の材料とが混在した可塑化材料が射出ノズル１５６から射出される可能性がある。特に、一方の材料と他の材料との色彩が異なる場合、中央部１３７において混色し、射出ノズル１５６から混色した可塑化材料が射出される可能性がある。

ローター１３０に、上述した突起部１３８が設けられることによって、中央部１３７から連通孔１４６へと向かう材料の流れが促進される。ここで、突起部１３８が小さすぎる場合、中央部１３７から連通孔１４６への材料の流れを促進させる効果が十分に得られない可能性がある。一方で、突起部１３８が大きすぎる場合、突起部１３８によって、中央部１３７における材料の流れが阻害される可能性がある。

図６はローター１３０の溝形成面１３２を示す図である。図６には、ローター１３０の中央部１３７が、破線によって示されている。また、図６には、突出方向から見た中央部１３７の面積Ｓ１と、突起部１３８の溝形成面１３２に沿った断面の最大面積Ｓ２とが、示されている。面積Ｓ１と面積Ｓ２とは、下記式（１）を満たす。
０．２８≦Ｓ２／Ｓ１≦１．０３ …（１）
上記式（１）を満たすことによって、中央部１３７における材料の流れが突起部１３８によって阻害されず、かつ、突起部１３８によって、中央部１３７から連通孔１４６への材料の流れが促進される。

更に、面積Ｓ２と面積Ｓ１とは、下記式（２）を満たしていると好ましい。
０．４３≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９２ …（２）
式（２）を満たすことによって、中央部１３７における材料の流れが突起部１３８によって更に阻害されず、かつ、突起部１３８によって、中央部１３７から連通孔１４６への材料の流れが更に促進される。

図５に示すように、本実施形態では、ローター１３０に設けられた突起部１３８の突出方向の先端１３９は、バレル１４０の連通孔の内側に位置する。これによって、中央部１３７の材料が突起部１３８によって連通孔１４６へと導かれやすくなる。

更に、本実施形態では、ローター１３０の溝形成面１３２は、バレル１４０との間にギャップＧｐを介して配置されている。そのため、本実施形態では、材料を可塑化する際の、ローター１３０とバレル１４０との接触が抑制される。ギャップＧｐの大きさは、任意の値として定められてよく、例えば、０．５ｍｍから２ｍｍであると好ましい。ギャップＧｐの大きさとは、溝形成面１３２とバレル１４０の対向面１４２との間の最短距離であり、本実施形態では、溝形成面１３２の最外周に設けられた凸条部１３６とバレル１４０との間の距離である。

図７は、本実施形態の一例としての突起部１３８ａを示す断面図である。突起部１３８ａの溝形成面１３２に沿った断面は円形状である。突起部１３８において、面積比Ｓ２／Ｓ１は０．２９である。突起部１３８ａの、中央部１３７からの＋Ｙ方向に沿った高さｈは４ｍｍである。本実施形態では、中央部１３７から連通孔１４６の－Ｙ方向の端までの距離は１．２ｍｍであるため、突起部１３８ａの先端１３９ａは、バレル１４０の連通孔の内側に位置する。なお、図７に示した例において、中央部１３７の面積Ｓ１を中央部１３７の半径Ｒ１に基づいて求めることができ、突起部１３８ａの面積Ｓ２を半径Ｒ２に基づいて求めることができる。

図７に示した例では、面積Ｓ１や面積Ｓ２と同様に、突起部１３８ａの第１位置Ｐ１における面積Ｓ３、及び、第２位置Ｐ２における面積Ｓ４を、第１位置Ｐ１の半径Ｒ３及び第２位置Ｐ２の半径Ｒ４に基づいて求めることができる。第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は、突出方向における位置である。第２位置Ｐ２は、突出方向において、第１位置Ｐ１よりも連通孔１４６に近い位置を指す。面積Ｓ３と面積Ｓ４とは、面積Ｓ２と同様に、突起部１３８ａの溝形成面１３２に沿った断面の面積である。図７に示した例では、第２位置Ｐ２の半径Ｒ４は、第１位置Ｐ１の半径Ｒ３以下である。従って、第２位置Ｐ２の面積Ｓ４は，第１位置Ｐ１の面積Ｓ３以下である。

図７に示した例のように、第２位置Ｐ２の面積Ｓ４は、第１位置Ｐ１の面積Ｓ３以下であると好ましい。この場合、中央部１３７から連通孔１４６に向かう材料の流れが、突起部１３８ａの第２位置によって阻害されにくい。さらに、突起部１３８ａは、図７に示した例のように、突出方向に向かって溝形成面に沿った断面の面積が小さくなるテーパー形状を有していると好ましい。この場合、中央部１３７の材料が、突起部１３８ａの形状に沿って移動することによって、連通孔１４６へと流れやすくなる。

他の実施形態では、第２位置Ｐ２の面積Ｓ４が第１位置Ｐ１の面積Ｓ３よりも大きくてもよく、この場合、突起部１３８は、くびれを有する形状となる。すなわち、本実施形態の突起部１３８は、くびれを有しない形状である。なお、「くびれ」のことを、「えぐれ」と呼ぶこともある。

図８は、色替え試験の手順を示す工程図である。突起部１３８ａの効果を検証するために、ローター１３０に突起部１３８ａが設けられた可塑化装置１２０を有する射出成形装置１００を用いて、図８に示す色替え試験を行った。また、ローター１３０に突起部１３８が設けられていない可塑化装置１２０を有する射出成形装置１００においても、図８に示した色替え試験を行った。色替え試験では、射出する材料を、第１材料から、第１材料とは異なる色彩を有する第２材料へと変更するのに要する色替え時間を測定した。以下、色替え試験の詳細について説明する。

ステップＳ１１０にて、第１材料を射出した。具体的には、まず、材料供給部１１０に第１材料を投入した。その後、射出ユニット１０５を制御することによって、投入された第１材料を可塑化装置１２０にて可塑化し、可塑化した第１材料を射出ノズル１５６から射出した。第１材料としては、ペレット状に形成された黒色のＡＢＳ樹脂を用いた。なお、色替え試験では、ローター１３０の回転数を３６ｒｐｍに制御し、加熱部１４８の温度を２３０℃に制御した。また、可塑化材料や後述する洗浄剤を成形型１６１へは射出せず、外部へと射出した。

ステップＳ１２０にて、洗浄剤でパージを行った。具体的には、まず、材料供給部１１０に洗浄剤を投入した。その後、射出ユニット１０５を制御することによって、投入された洗浄剤を可塑化装置１２０にて可塑化し、可塑化した洗浄剤を射出ノズル１５６から射出した。ステップＳ１２０では、射出された洗浄剤に第１材料が混入しなくなるまで、洗浄剤によるパージを行った。洗浄剤としては、旭化成株式会社のアサクリンＵを用いた。

ステップＳ１３０にて、第２材料でパージを行った。具体的には、まず、材料供給部１１０に第２材料を投入した。その後、射出ユニット１０５を制御することによって、投入された第２材料を可塑化装置１２０にて可塑化し、可塑化した第２材料を射出ノズル１５６から射出した。ステップＳ１３０では、射出された第２材料に洗浄剤が混入しなくなるまで、第２材料によるパージを行った。なお、第２材料としては、ペレット状に形成された白色のＡＢＳ樹脂を用いた。

上記のステップＳ１２０の実行を開始してから、ステップＳ１３０を完了させるまでの時間を、色替えに要する時間として測定した。図７に示した、ローター１３０に突起部１３８ａが設けられた可塑化装置１２０を有する射出成形装置１００では、色替え時間は１５分であった。一方で、ローター１３０に突起部１３８が設けられていない可塑化装置１２０を有する射出成形装置１００では、ステップＳ１２０において、２時間を経過しても洗浄剤によるパージが完了せず、色替え試験が完了しなかった。すなわち、色替え時間は測定不能であった。

上述した色替え試験の結果より、ローター１３０に突起部１３８ａが設けられた可塑化装置１２０では、中央部１３７における材料の滞留が抑制されたと推察される。

なお、実際の射出成形において、途中で使用する材料を変更する場合、洗浄剤として、上述したアサクリンＵと異なる洗浄剤を用いてもよい。例えば、ポリオレフィン樹脂に添加剤が配合された一般的な洗浄剤等を用いてもよい。また、使用する材料の種類や可塑化条件等に応じて、洗浄剤の種類やグレードを選択してもよい。更に、洗浄剤を用いることなく材料を変更可能な場合、洗浄剤を用いることなく材料を変更してもよい。例えば、材料変更後の樹脂を射出することによって材料変更前の樹脂をパージすることが可能な場合、洗浄剤を使用しなくてもよい。

図９は、可塑化材料の速度比Ｖを縦軸、面積比Ｓ２／Ｓ１を横軸とするグラフである。図１０はＣＡＥソフトによるシミュレーションの概要を説明する図である。図９のグラフは、ＣＡＥソフトを利用して、可塑化装置１２０内の材料の流れをシミュレーションした結果から得られた。このシミュレーションでは、図１０に示すように、ローター１３０とバレル１４０との間にある材料を、ローター１３０を回転させることによって連通孔１４６に向かって移動させる状態を想定した。この状態において、中央部１３７と連通孔１４６の一部とを含む領域Ｒｇを流れる材料の、ローター１３０の半径方向の平均速度ＶａをＣＡＥソフトによって計算した。本シミュレーションにおいて、中央部１３７の面積Ｓ１を一定とし、突起部１３８の面積Ｓ２を変化させることによって、面積比Ｓ２／Ｓ１の変化による効果を検証した。

図１０には、ローター１３０の中心を通るＸＹ平面に沿って切断された、ローター１３０及びバレル１４０の断面が示されている。ＸＹ平面とは、Ｘ方向及びＹ方向に沿った平面を指す。上述した領域Ｒｇは、図１０に示した断面において、Ｘ方向及びＹ方向に延在する長方形状の領域である。領域ＲｇのＸ方向に沿った辺は、ローター１３０の中心軸ＲＸによって二等分される。領域ＲｇのＸ方向に沿った辺の長さは１５ｍｍである。中央部１３７から領域Ｒｇの＋Ｙ方向の底面までの距離は、６．１ｍｍである。また、上述のシミュレーションにおいて、ローター１３０の回転数を３６ｒｐｍとした。材料としてはＡＢＳ樹脂を想定し、材料の温度を２３０℃とした。なお、本実施形態において、ローター１３０の半径は６０ｍｍであり、中央部１３７の半径は７．３５ｍｍである。

図１１は、シミュレーションに用いられた突起部１３８の形状を示す図である。図１１には、突起部１３８の形状として、サンプルｓｐ１からサンプルｓｐ１１が示されている。また、図１１には、各サンプルにおける面積比Ｓ２／Ｓ１、高さｈ、及び、くびれの有無が示されている。なお、サンプルｓｐ１からサンプルｓｐ１１の断面形状は、それぞれ円形状である。また、サンプルｓｐ１は、上述した突起部１３８ａの形状に相当する。サンプルｓｐ１１は、ローター１３０に突起部１３８が設けられていない場合に相当する。

図９のグラフにおける速度比Ｖとは、サンプルｓｐ１についてのシミュレーションにおける平均速度Ｖａに対する、各サンプルについてのシミュレーションにおける平均速度Ｖａの比を表している。本シミュレーションでは、ローター１３０の外周から中心へ向かって材料を移動させるため、平均速度Ｖａの絶対値は、ローター１３０の外周から中心へ向かう材料の流れが速いほど大きくなる。そのため、平均速度Ｖａの絶対値は、中央部１３７付近において材料が滞留していない場合、材料が滞留している場合と比べて大きくなる。従って、あるサンプルについて速度比Ｖが１．０以上である場合、実際に突起部１３８をそのサンプルと同様の形状とすれば、突起部１３８をサンプルｓｐ１と同様の形状とする以上に、中央部１３７における材料の滞留を抑制できると予想される。なお、図９には、最小二乗法によって求められた近似曲線が破線で示されている。図９に示すように、速度比Ｖと面積比Ｓ２／Ｓ１とは、一定の関係を有している。

図９を参照して、サンプルｓｐ１１における速度比Ｖは、１未満であった。面積比Ｓ２／Ｓ１が上記式（１）を満たすサンプルｓｐ１及びｓｐ４からｓｐ１０においては、速度比Ｖは１以上であった。面積比Ｓ２／Ｓ１が上記式（２）を満たすサンプルｓｐ６からｓｐ９においては、速度比Ｖは１．０３以上であった。また、面積比Ｓ２／Ｓ１が上記式（１）を満たさないサンプルｓｐ２及びサンプルｓｐ３における速度比Ｖは、サンプルｓｐ１１における速度比Ｖと比較して大きかったが、１未満の値であった。

以上のシミュレーション結果より、面積比Ｓ２／Ｓ１が上記式（１）の関係を満たす場合、中央部１３７における材料の滞留が抑制されることがわかった。更に、面積比Ｓ２／Ｓ１が上記式（２）の関係を満たす場合、中央部１３７における材料の滞留がより効果的に抑制されることがわかった。

以上で説明した本実施形態の可塑化装置によれば、中央部の面積Ｓ１と、突起部１３８の溝形成面１３２に沿った断面の最大面積Ｓ２との関係は、上記式（１）を満たす。これによって、中央部１３７における材料の流れが突起部１３８によって阻害されず、かつ、突起部１３８によって、中央部１３７から連通孔１４６への材料の流れが促進される。そのため、中央部１３７における材料の滞留が抑制される。

また、本実施形態では、突起部１３８の先端１３９は、連通孔１４６の内側に位置する。これによって、中央部１３７の材料が突起部１３８によって連通孔１４６へと導かれやすくなる。そのため、中央部１３７における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

また、本実施形態では、溝形成面１３２は、バレル１４０との間にギャップＧｐを介して配置されている。これによって、材料を可塑化する際の、ローター１３０とバレル１４０との接触が抑制される。そのため、ローター１３０及びバレル１４０の摩耗や欠損等の損傷が抑制される。

また、面積Ｓ１と面積Ｓ２との関係は、上記式（２）を満たすと好ましい。これによって、中央部１３７における材料の流れが突起部１３８によって更に阻害されず、かつ、突起部１３８によって、中央部１３７から連通孔１４６への材料の流れが更に促進される。そのため、中央部１３７における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

また、突起部１３８の第２位置Ｐ２の溝形成面１３２に沿った面積Ｓ４は、第１位置Ｐ１の溝形成面１３２に沿った面積Ｓ３以下であると好ましい。これによって、中央部１３７から連通孔１４６に向かう材料の流れが、突起部１３８の第２位置Ｐ２によって阻害されにくい。そのため、中央部１３７における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

また、突起部１３８は、突出方向に向かって溝形成面１３２に沿った面積が小さくなるテーパー形状を有すると好ましい。これによって、中央部１３７の材料が、突起部１３８の形状に沿って移動することによって、連通孔１４６へと流れやすくなる。そのため、中央部１３７における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

Ｂ．第２実施形態：
図１２は、第２実施形態としての三次元造形装置１０の概略構成を示す説明図である。三次元造形装置１０は、吐出ノズル６１、材料供給部１１０ｂ、可塑化装置１２０ｂ、ステージ３００、移動機構４００、及び制御部５００ｂを備えている。本実施形態の三次元造形装置１０は、材料供給部１１０ｂから供給された材料を可塑化装置１２０ｂによって可塑化し、可塑化した材料を吐出ノズル６１からステージ３００に向けて吐出する。

移動機構４００は、吐出ノズル６１とステージ３００との相対的な位置を変更可能に構成されている。本実施形態では、移動機構４００は、吐出ノズル６１を移動させることなく、ステージ３００を移動させる。移動機構４００は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ３００をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３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４００は制御部５００によって制御される。なお、他の実施形態では、ステージ３００を移動させることなく、吐出ノズル６１を移動させることによって、吐出ノズル６１とステージ３００との相対的な位置を変更してもよい。また、移動機構４００は、吐出ノズル６１とステージ３００との両方を移動させてもよい。

可塑化装置１２０ｂは、第１実施形態と同様に、駆動モーター１２２ｂと、駆動モーター１２２ｂによって回転するローター１３０ｂと、バレル１４０ｂと、加熱部１４８ｂと、を備えている。ローター１３０ｂの溝形成面１３２ｂには、中央部１３７ｂの周縁からローター１３０ｂの外周に向かって凸条部１３６ｂが形成されている。バレル１４０ｂの、ローター１３０ｂの中央部１３７ｂに対向する位置には、吐出ノズル６１と連通する連通孔１４６ｂが設けられている。加熱部１４８ｂは、ローター１３０ｂとバレル１４０ｂとの間に供給された材料を加熱する。可塑化装置１２０ｂは、ローター１３０ｂ、バレル１４０ｂ及び加熱部１４８ｂによって、材料を連通孔１４６ｂに向かって搬送しながら加熱して可塑化材料を生成し、可塑化材料を、連通孔１４６ｂから吐出ノズル６１へと供給する。

制御部５００ｂは、予め取得した造形データに従って移動機構４００および可塑化装置１２０ｂを制御することにより、吐出ノズル６１からステージ３００上の任意の位置に、可塑化した材料を吐出させることで、三次元造形物を造形する。

本実施形態のローター１３０ｂは、第１実施形態と同様に、中央部１３７ｂから連通孔１４６ｂに向かって突出する突起部１３８ｂを備えている。また本実施形態のローター１３０ｂについて、面積比Ｓ２／Ｓ１は、第１実施形態と同様に式（１）を満たす。

以上で説明した第２実施形態の三次元造形装置１０によれば、中央部の面積Ｓ１と、突起部１３８ｂの溝形成面１３２ｂに沿った断面の最大面積Ｓ２との関係は、上記式（１）を満たす。これによって、中央部１３７ｂにおける材料の流れが突起部１３８ｂによって阻害されず、かつ、突起部１３８ｂによって、中央部１３７ｂから連通孔１４６ｂへの材料の流れが促進される。そのため、中央部１３７ｂにおける材料の滞留が抑制される。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ－１）上記実施形態では、突起部１３８の先端１３９は、連通孔１４６の内側に位置している。これに対して、突起部１３８の先端１３９は、連通孔１４６の内側に位置していなくてもよい。例えば、突起部１３８の先端１３９が、連通孔１４６まで達することなく、連通孔１４６の－Ｙ方向に位置していてもよい。また、突起部１３８の先端１３９が、連通孔１４６の＋Ｙ方向に位置していてもよい。

（Ｃ－２）上記実施形態では、ローター１３０の溝形成面１３２は、バレル１４０との間にギャップＧｐを介して配置されている。これに対して、溝形成面１３２は、バレル１４０との間にギャップＧｐを介することなく、バレル１４０と接して設けられていてもよい。

（Ｃ－３）上記実施形態では、突起部１３８の溝形成面１３２に沿った断面の形状は円形状である。これに対して、突起部１３８の断面は円形状でなく、他の形状であってもよい。例えば、楕円形状であってもよいし、三角形状や四角形状であってもよいし、その他の多角形状であってもよい。

（Ｃ－４）上記実施形態では、突起部１３８の中心軸は、ローター１３０の中心軸ＲＸと一致している。これに対して、突起部１３８の中心軸は、ローター１３０の中心軸ＲＸと一致していなくてもよい。例えば、突起部１３８の中心軸の位置は、ローター１３０の中心軸ＲＸと異なる位置であってもよい。また、突起部１３８の中心軸は、ローター１３０の中心軸ＲＸに対して傾いていてもよい。

Ｄ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態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形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示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。

（１）本開示の第１の形態によれば、材料を可塑化する可塑化装置が提供される。この可塑化装置は、駆動モーターと、前記駆動モーターによって回転するローターであって、円形状の中央部の周縁から前記ローターの外周に向かって曲線状の凸条部が形成された溝形成面を有するローターと、前記溝形成面に対向し、前記溝形成面の前記中央部に対向する位置に連通孔を有するバレルと、前記ローターと前記バレルとの間に供給された前記材料を加熱する加熱部と、を備え、前記ローターは、前記中央部から前記連通孔に向かって突出する突起部を有し、前記中央部の面積Ｓ１と、前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の最大面積Ｓ２との関係は、下記式（１）を満たす。
０．２８≦Ｓ２／Ｓ１≦１．０３ …（１）
このような形態によれば、中央部における材料の流れが突起部によって阻害されず、かつ、突起部によって、中央部から連通孔への材料の流れが促進される。そのため、中央部における材料の滞留が抑制される。

（２）上記形態の可塑化装置において、前記関係は、下記式（２）を満たしていてもよい。
０．４３≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９２ …（２）
このような形態によれば、中央部における材料の流れが突起部によって更に阻害されず、かつ、突起部によって、中央部から連通孔への材料の流れが更に促進される。そのため、中央部における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

（３）上記形態の可塑化装置において、前記突起部の先端は、前記連通孔の内側に位置するもよい。このような形態によれば、中央部の材料が突起部によって連通孔へと導かれやすくなる。そのため、中央部における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

（４）上記形態の可塑化装置において、前記溝形成面は、前記バレルとの間にギャップを介して配置されていてもよい。このような形態によれば、材料を可塑化する際の、ローターとバレルとの接触が抑制される。そのため、ローター及びバレルの摩耗や欠損等の損傷が抑制される。

（５）上記形態の可塑化装置において、前記突起部は、前記突起部が突出する突出方向において、第１位置と、前記突出方向において前記第１位置よりも前記連通孔に近い第２位置とを有し、前記第２位置における前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の面積は、前記第１位置における前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の面積以下であってもよい。このような形態によれば、中央部から連通孔に向かう材料の流れが、突起部の第２位置によって阻害されにくい。そのため、中央部における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

（６）上記形態の可塑化装置において、前記突起部は、前記突出方向に向かって前記溝形成面に沿った断面の面積が小さくなるテーパー形状を有していてもよい。このような形態によれば、中央部の材料が、突起部の形状に沿って移動することによって、連通孔へと流れやすくなる。そのため、中央部における材料の滞留が、より効果的に抑制される。

（７）本開示の第２の形態によれば、射出成形装置が提供される。この射出成形装置は、上記第１の形態における可塑化装置と、前記連通孔に連通し、可塑化された前記材料を成形型に射出するノズルと、を備える。
このような形態によれば、中央部における材料の流れが突起部によって阻害されず、かつ、突起部によって、中央部から連通孔への材料の流れが促進される。そのため、中央部における材料の滞留が抑制される。

（８）本開示の第３の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、上記第１の形態における可塑化装置と、前記連通孔に連通し、可塑化された前記材料をステージに向けて吐出するノズルと、を備える。
このような形態によれば、中央部における材料の流れが突起部によって阻害されず、かつ、突起部によって、中央部から連通孔への材料の流れが促進される。そのため、中央部における材料の滞留が抑制される。

本開示は、上述した可塑化装置、射出成形装置や三次元造形装置としての形態に限らず、種々の態様で実現可能である。例えば、押出成形装置や、可塑化装置を備える各種の装置として実現可能である。

１０…三次元造形装置、６１…吐出ノズル、１００…射出成形装置、１０５…射出ユニット、１１０…材料供給部、１１０ｂ…材料供給部、１２０，１２０ｂ…可塑化装置、１２１…ローターケース、１２２，１２２ｂ…駆動モーター、１３０，１３０ｂ…ローター、１３２，１３２ｂ…溝形成面、１３３…側面、１３４…材料導入口、１３５…溝、１３６，１３６ｂ…凸条部、１３７，１３７ｂ…中央部、１３８，１３８ａ，１３８ｂ…突起部、１３９，１３９ａ…先端、１４０，１４０ｂ…バレル、１４２…対向面、１４４…案内溝、１４６，１４６ｂ…連通孔、１４８，１４８ｂ…加熱部、１４９…逆止弁、１５０…射出制御部、１５１…シリンダー、１５２…プランジャー、１５３…プランジャー駆動部、１５６…射出ノズル、１６０…型部、１６１…成形型、１６２…可動型、１６３…固定型、１７０…型締装置、１７１…型駆動部、１７２…ボールねじ部、３００…ステージ、４００…移動機構、５００，５００ｂ…制御部

Claims (8)

1. 材料を可塑化する可塑化装置であって、
   駆動モーターと、
   前記駆動モーターによって回転するローターであって、前記ローターの中心軸を中心とする円形状の中央部の周縁から前記ローターの外周に向かって曲線状の凸条部が形成された溝形成面を有するローターと、
   前記溝形成面に対向し、前記溝形成面の前記中央部に対向する位置に連通孔を有するバレルと、
   前記ローターと前記バレルとの間に供給された前記材料を加熱する加熱部と、を備え、
   前記ローターは、前記中央部から前記連通孔に向かって突出する突起部を有し、
   前記中央部は、前記凸条部より前記バレルから離れる方向に窪んだ部分であり、
   前記溝形成面には、前記凸条部に沿って延び、前記中央部に接続される溝が形成され、
   前記中央部の面積Ｓ１と、前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の最大面積Ｓ２との関係は、下記式（１）を満たす、可塑化装置。
   ０．２８≦Ｓ２／Ｓ１≦１．０３ …（１）
2. 請求項１に記載の可塑化装置であって、
   前記関係は、下記式（２）を満たす、可塑化装置。
   ０．４３≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９２ …（２）
3. 請求項１または請求項２に記載の可塑化装置であって、
   前記突起部の先端は、前記連通孔の内側に位置する、可塑化装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の可塑化装置であって、前記溝形成面は、前記溝形成面と前記バレルとが接触しないように、前記バレルとの間にギャップを介して配置されている、可塑化装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の可塑化装置であって、
   前記突起部は、前記突起部が突出する突出方向において、第１位置と、前記突出方向において前記第１位置よりも前記連通孔に近い第２位置とを有し、前記第２位置における前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の面積は、前記第１位置における前記突起部の前記溝形成面に沿った断面の面積以下である、可塑化装置。
6. 請求項５に記載の可塑化装置であって、
   前記突起部は、前記突出方向に向かって前記溝形成面に沿った断面の面積が小さくなるテーパー形状を有する、可塑化装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の可塑化装置と、
   前記連通孔に連通し、可塑化された前記材料を成形型に射出するノズルと、を備える、射出成形装置。
8. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の可塑化装置と、
   前記連通孔に連通し、可塑化された前記材料をステージに向けて吐出するノズルと、を備える、三次元造形装置。

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