JP2016193602A - 線条樹脂成形体及び３次元オブジェクトの造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３Ｄプリンタにおける機械適性や品質をより向上させることができる多層化構造をもつ線条樹脂成形体、及び３次元オブジェクトの造形方法を提供する。
【解決手段】 線条樹脂成形体１０は、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる造形材料であって、熱可塑性樹脂を含む第１層２１と、第１層２１を被覆し、第１層２１とは異なる物性を有する第２層２２とを備え、第２層２２は、例えば第１層２１を被覆した状態で溶融押し出しされ、第２層同士が溶着して積層堆積することで３次元オブジェクトを造形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、いわゆる３Ｄプリンタのような３次元オブジェクト（立体物）を構築するモデリング装置において、造形材料として用いられる線条樹脂成形体に関するものであり、さらには、それを用いた３次元オブジェクトの造形方法に関する。

３次元オブジェクトの形成方法として、いわゆる３Ｄプリンタが注目されており、これまで実現することが難しかった複雑な形状の３次元オブジェクトも簡単に作製可能になってきている。３Ｄプリンタを用いれば、樹脂や金属等、任意の材料を積み重ねていくことにより、通常の方法では実現不可能な形状であっても加工することが可能である。

３Ｄプリンタには、いくつかの方式のものが知られており、その中で樹脂ストランド（線状体）を押出して積層堆積させる方式（熱溶融積層方式）のものは、コスト面で有利であること等から、各方面で開発が進められている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。

例えば、特許文献１の積層造形システムでは、造形材料であるフィラメントを押し出しヘッドに供給し、押し出しヘッドに搭載される液化機にてフィラメントを溶融し、ノズルを通して、溶融したフィラメントをベース上に押し出す。押し出しヘッド及びベースは、３Ｄモデルを形成するために相対的に移動し、多数の線状及び層状の材料を積層していき、３Ｄモデルを製造する。

特許文献２には、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ改質ＡＢＳ材料を送出することと、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で、送出された改質ＡＢＳ材料を押出ヘッドにおいて溶融することと、３Ｄオブジェクトを形成するために、溶融された熱可塑性プラスチック材料を一層毎に堆積させることとを含む３Ｄオブジェクトを構築する方法が開示されている。

この種の方法では、樹脂材料を溶融堆積するというのが基本的な考えであり、原料素材として樹脂のストランド（線条体）が用いられる。特許文献３や特許文献４には、原料素材として用いる樹脂ストランドや、その供給方法等についての開示がある。

特許文献３には、３次元物体を作成するための組成物が開示されているが、造形物を作製する押出機では、押出ヘッドに可撓性フィラメントとして供給している。フィラメントは、押出ヘッドが携帯する液化機内で溶融される。液化機は凝固点よりもわずかに高い温度にフィラメントを加熱して、これを溶融状態にする。溶融材料は液化機のオリフィスを通じて台座上に押し出される。

特許文献４には、３次元堆積モデリング機械内でフィラメントを供給するフィラメントカセットおよびフィラメントカセット受器が開示されている。特許文献３では、フィラメントを簡便な様態でモデリング機械に係合および分離する方法を提供し、環境における湿気からフィラメントを保護する様態で実現され得るようにしている。

特表２００９−５００１９４号公報 特表２０１０−５２１３３９号公報 特許５０３９５４９号公報 特許４１０７９６０号公報

ところで、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに使用される従来の線条樹脂成形体（特許文献１に開示されるフィラメント）は、単層で構成される造形材料であり、３Ｄプリンタにおける機械適性や品質をより向上させる機能性はない。このため、３Ｄプリンタにおいて、造形中に折れ曲がったり、折れたり、開封後に吸湿して品質劣化したり、熱溶融積層方式ではその造形方式から流動性の高い材料での造形が困難であるという問題があった。

また、樹脂ストランドを押出ヘッドに供給し、これを溶融しながら供給することで３次元オブジェクトを積層堆積させる方式では、使用する樹脂ストランドの線径が一定であり、線形が真円に近いことが重要である。使用する樹脂ストランドの線径や線形が変化すると、押出ヘッドから供給される樹脂量が変化することになり、構築される３次元オブジェクトの成形精度の低下を招くことになるからである。

一般に、樹脂ストランドは、溶融混練した樹脂材料を押出機の口金から連続的に押出し、これを冷却固化した後に巻き取ることにより製造されるが、押出し条件や巻取り条件の変動等により、線径や線形に変動が生ずることがあり、これを回避することは難しい。これまで樹脂ストランドの線径や線形について、ほとんど注意が払われていないのが実情である。

本発明は、上記課題を解決するため、３Ｄプリンタにおける機械適性や品質をより向上させることができる多層化構造をもつ線条樹脂成形体、およびを３次元オブジェクトの造形方法を提供することを目的とする。また、本発明は、線径が一定で真円に近い断面形状の線条樹脂成形体を製造し得る線条樹脂成形体の製造方法を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の線条樹脂成形体は、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる線条樹脂成形体であって、熱可塑性樹脂を含む第１層と、前記第１層を被覆し、熱可塑性樹脂を含み前記第１層とは異なる物性を有する第２層と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の３次元オブジェクトの造形方法は、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタによる３次元オブジェクトの造形方法において、熱可塑性樹脂を含む第１層と、前記第１層を被覆し、熱可塑性樹脂を含み前記第１層とは異なる物性を有する第２層とを備える線条樹脂成形体を造形材料として用いることを特徴とする。そして、第２層が第１層を被覆した状態で溶融押し出しし、第２層同士が融着して積層堆積することで３次元オブジェクトを造形する。あるいは、第２層の熱可塑性樹脂と第１層の熱可塑性樹脂が混合された状態で溶融押し出しし、積層堆積することで３次元オブジェクトを造形する。

本発明の線条樹脂成形体、及び３次元オブジェクトの造形方法では、線条樹脂成形体を２層構造としているため、材料選択の自由度が増し、例えば第１層の物性を第２層の物性で補完させることで、機械適性や品質等が確保される。

本発明によれば、３Ｄプリンタにおける機械適性や品質をより向上させることができる多層化構造をもつ線条樹脂成形体を提供することができる。同様に、係る線条樹脂成形体を用いた本発明の３次元オブジェクトの造形方法では、高品質な造形物（３次元オブジェクト）を作製することが可能である。

本発明の実施形態に係る線条樹脂成形体の斜視図である。 図１に示される線条樹脂成形体の断面図である。 線条樹脂成形体を製造する装置の側面図である。 ２層構成の線条樹脂成形体を製造する装置の平面図である。 ２層構成の線条樹脂成形体を製造する際に使用される金型の構成例を示す分解斜視図である。 図３に示される装置のサイジング装置の分解斜視図である。 図３に示される装置のサイジング装置の平面図であり、上部材を部分的に破断して示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）について詳細に説明する。実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。また、図面は、符号の向きに見るものとする。

まず、簡単に、３Ｄプリンタの概要を説明する。その基本的な仕組みは、コンピュータで作成した３Ｄデータを設計図として、断面形状を積層していくことで立体物すなわち３Ｄ（三次元）オブジェクトを作成するものである。その方法としては、例えば、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていくインクジェット方式、粉末の樹脂に接着剤を吹きつけていく粉末固着方式、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく熱溶融積層方式などの方法がある。本実施形態に係る線条樹脂成形体は、熱溶融積層方式に用いられるものであり、例えばリールに巻回された状態で３Ｄプリンタに供給される。

次に、本実施形態に係る線条樹脂成形体の構成を図１、図２に基づいて説明する。図１に示すように、線条樹脂成形体１０は、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる造形材料であって、第１層２１と、第１層２１を被覆し、第１層２１とは異なる材質または異なる物性を有する熱可塑性樹脂を含む第２層２２と、を備える。

第１層２１は、円柱状に形成され、熱可塑性樹脂を含む。熱可塑性樹脂には、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）を好適に用いることができる。

第２層２２は、第１層２１を被覆するように円筒状に形成され、線条樹脂成形体は第２層２２が第１層２１を被覆した状態で溶融軟化し、３Ｄプリンタの押し出しヘッドから被覆された状態を維持して溶融押し出され、第２層同士が融着して積層堆積することで３Ｄモデルを造形する。本発明の線条樹脂成形体の第１層及び第２層を構成する熱可塑性樹脂は押し出し可能な材質であれば良く、線条樹脂成形体に付与する機能に応じて適宜選択することができる。例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）の他、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテルなどの非晶性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリビニルアルコールなどの結晶性樹脂、オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系の熱可塑性エラストマー、及びそれらの混合物が好適に用いられる。さらに、カーボンブラック、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ナノクレイ、マグネシウムなどの無機系の添加剤、酸化防止剤、滑剤、着色剤などを適宜混合することができる。

第２層２２は、第１層２１が軟質であるときに、相対的に硬質の材料で構成され、第１層２１が屈曲しないよう第１層２１を保護する機能を有する。例えば、第１層２１がスチレン系のエラストマーである場合、第２層２２を硬いアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）で構成し、硬質の第２層２２により軟質の第１層２１の屈曲を抑制する。これにより、線条樹脂成形体１０は、エラストマー単体で構成される線条樹脂成形体に比べ、全体として適度な硬さが得られて取扱い易くなるため、３Ｄプリンタにおいて良好な機械適性を得ることができる。

また、第２層２２は、第１層２１が硬質であるとき、相対的に軟質の材料で構成され、第１層２１が折損しないよう第１層２１を保護する機能を有する。例えば、第１層２１がアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）に無機系の添加剤（炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ナノクレイ、マグネシウムなど）を混合した材料で構成される場合、第２層２２を無機系の添加剤を含有していないアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）で構成し、この軟質の第２層２２によって、硬くて脆い第１層２１の折損又は破断を抑制する。

また、第２層２２は、水蒸気バリア樹脂を含む材料で構成することができ、この場合、第２層２２によって、第１層２１が吸湿しないよう第１層２１を保護する。ここで、水蒸気バリア樹脂には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂や炭素繊維、タルク、マイカ、ナノクレイ、マグネシウムなどの無機系の添加剤を混合したアクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＣ樹脂）を用いることができる。このように水蒸気バリア樹脂を含む材料で第２層２２を構成することにより、線条樹脂成形体１０が３Ｄプリンタに使用されている状態において、線条樹脂成形体１０の第１層２１にアクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＣ樹脂）などの吸湿性の高い熱可塑性樹脂を用いた場合であっても、空気中の水蒸気を吸湿することを抑制でき、吸湿による線条樹脂成形体１０の劣化を抑制することができる。この観点から、水蒸気バリア樹脂を含む材料は水蒸気透過度（ｇ/ｍ²・24ｈ）が３０以下、好ましくは１０以下、さらに好ましくは３．０以下である（２５℃、９０％ＲＨ、厚さ２５μｍ換算）。

また、第２層２２は、粘度が低く、流動性の高い高ＭＦＲ（ＪＩＳ Ｋ ７２１０、２１０℃条件）の熱可塑性樹脂を用いることができる。この場合、造形物の表面外観が向上し、表面が凹凸の少ない滑らかな造形物を作ることができる。さらに、その場合であっても線条樹脂成形体（フィラメント）の芯層として第１層２１を当該第２層２２の熱可塑性樹脂よりも相対的に低いＭＦＲの熱可塑性樹脂とすることで３Ｄプリンタにおける機械適性を維持してフィラメントが伸びたり、切れたりすることなく造形をすることが可能となる。具体的には、第２層２２に用いられる熱可塑性樹脂としてはＭＦＲが５．０〜７０ｇ /１０ｍｉｎ、好ましくは１０〜６０ｇ/１０ｍｉｎである。一方、第１層２１に用いられる熱可塑性樹脂としてはＭＦＲが０．１〜５ｇ/１０ｍｉｎ、好ましくは０．３〜２．０ｇ/１０ｍｉｎである。

また、第２層２２は、欠点カーボンブラックなどの導電性の添加剤を混合させることにより、線条樹脂成形体の外層において導電性を有する３次元オブジェクトを造形することが可能となる。この場合、第１層２１を構成する熱可塑性樹脂は第２層構成する熱可塑性樹脂と比べて相対的に高電気抵抗率となる。

このように、線条樹脂成形体の外層において高粘度性や十分な導電性などの機能性を付与する場合において、外層比率を５〜２５％とすることで、造形時に外層を構成する第２層の熱可塑性樹脂が垂れ下がりを生じて予定通りの形状に造形できなくなることが防止され、また、導電性を付与するために第２層に添加されるカーボンブラックなどの使用量を必要最小限に抑えることができる。

ここで、外層比率は、線条樹脂成形体の任意の位置での垂直断面における最大径と最小径の平均直径に対して、外層となる第２層の厚みの４点平均値の比率により求めることができる。外層の４点平均の厚みは、線条樹脂成形体の最大径における線分の両端に位置する第２層と重なる線分のそれぞれの長さ２点と、最大径における線分と直行する線分の両端に位置する第２層と重なる線分のそれぞれの長さ２点の合計４点の平均値にて算出する。外層比率は、外層となる第２層の４点平均厚みの値を線条樹脂成形体の平均直径で除した値を百分率で表した値とする。

３次元オブジェクトを造形する場合、２層構成からなる線条樹脂成形体の外層比率が５％未満であると造形後に外層となる第２層が切れてしまい、第１層が露出するおそれがある。この場合、第２層によって得られる機能を得るとことができないものとなる。一方で、外層比率が３５％以上であると内層側となる第１層の機能が発現されなくなるとともに、多層にすることによる機能が得ることができなくなる。尚、第２層の厚みを薄くすることでカーボンブラックなどの導電性添加剤の配合量を抑えることができる。

なお、第１層２１及び第２層２２は、酸化防止剤や滑剤などの各種の添加剤を含む材料で構成することができる。

第１層２１及び第２層２２の外径寸法は、求められる仕様に応じて適宜設定可能であるが、外径寸法を例示すると、第１層２１の外径ｄ（図２参照）が１．３５ｍｍ±０．２ｍｍであり、第２層２２の外径Ｄ（図２参照）が１．７５ｍｍ±０．１ｍｍである。

ここまで説明してきた本発明の２層構造の線条樹脂成形体の構成例を列挙すると、下記の通りである。
（１）第２層が硬質であって、第１層が軟質であるときに、屈曲しないよう第２層で第１層を被覆した樹脂前条体
（２）第２層が軟質であって、第１層が硬質であるときに、折損しないよう第２層で第１層を被覆した線条樹脂成形体
（３）第２層が水蒸気バリア樹脂を含み、第１層が吸湿しないよう第２層で第１層を被覆した線条樹脂成形体
（４）第１層を構成する熱可塑性樹脂が第２層を構成する熱可塑性樹脂と比べて相対的に高粘度で、造形時に垂れ下がりが生じないよう外層比率５〜２５％として第２層で第１層を被覆した線条樹脂成形体
（５）第１層を構成する熱可塑性樹脂が第２層を構成する熱可塑性樹脂と比べて相対的に高電気抵抗率で、線条樹脂成形体の外層において十分な導電性を得るため外層比率５〜２５％として第２層で第１層を被覆した線条樹脂成形体
（６）上記（１）から（５）のいずれかの構成において、第１層及び第２層の少なくとも一方を構成する熱可塑性樹脂がアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）である線条樹脂成形体
（７）上記（１）から（６）のいずれかの構成において、第１層が０．５〜１．８ｍｍの外径を有し、第２層が１．１〜２．２ｍｍの外径を有するとともに、２層構成の線条樹脂成形体の外層比率が５〜３５％である線条樹脂成形体

次に、本発明を適用した線条樹脂成形体の具体的構成例について説明する。前述の通り、２層構造とした本発明の線条樹脂成形体では、用途や要求される性能等に応じて各層の材料を選択することで、機械適性や品質に優れた線条樹脂成形体を実現することができる。

例えば、線条樹脂成形体において、熱可塑性樹脂を単独で用いると、機械的強度（剛性）が不足することがあるが、無機充填材を配合することで強度を補うことができる。

無機充填材としては、繊維状のものや粉体状のものを使用することができ、その材質も任意である。例示するならば、炭素繊維（カーボンファイバ）、ガラス繊維（ガラスファイバやガラスウール等）、タルク、ナノクレイ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等を挙げることができ、軽量で添加による強度向上の効果が高いことから、カーボンファイバが好適である。

無機充填材の添加量は、要求される機械的特性等に応じて設定すればよいが、好ましくは、１０質量％〜４０質量％であり、より好ましくは２０質量％〜３０質量％である。無機充填材の配合量が１０質量％未満であると、無機充填材を配合することによる効果（剛性の向上等）が不十分になるおそれがある。逆に無機充填材の配合量が４０質量％を越えて多くなりすぎると、相対的に熱可塑性樹脂の割合が少なくなりすぎて、造形が難しくなるおそれがある。

ただし、熱可塑性樹脂に無機充填材を配合すると、線条樹脂成形体を造形物にした時に、層間の融着が不十分になる傾向にあり、造形物としての機械適性（剛性）が低下してしまう。そこで、無機充填材を配合した第１層の周囲を、無機充填材を配合していない熱可塑性樹脂のみからなる第２層で被覆する。これにより、機械的強度（剛性）が高く、しかも層間の融着も良好な線条樹脂成形体が実現できる。

特に、第１層をカーボンファイバを配合したアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）で形成し、第２層をカーボンファイバを配合していないアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）で形成した線条樹脂成形体は、好ましい形態と言える。機械的強度（剛性）が高く、層間の融着も良好である。また、カーボンファイバを配合することで、３Ｄプリンタにおける溶融押し出しの際にノズルが削られるという現象が発生するが、カーボンファイバを配合していないアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）で被覆することで、ノズルの削れも抑えられる。

なお、ここで「無機充填材を配合していない（無機充填材を含まない）熱可塑性樹脂」との表現は、実質的に無機充填材を含まない熱可塑性樹脂を意味するものであり、若干量の無機充填材を含む熱可塑性樹脂を排除することを意図するものではない。例えば、第２層の熱可塑性樹脂は３質量％未満の無機充填材を含有していてもよい。ただし、第２層の熱可塑性樹脂における無機充填材の含有量は１質量％未満であることが好ましい。

また、先の（３）の構成の線条樹脂成形体の一例として、第１層をアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）で形成し、第２層をポリプロピレン（あるいは変性ポリプロピレン）やポリエチレン（あるいは変性ポリエチレン）等のポリオレフィン（あるいは変性ポリオレフィン）で形成した線条樹脂成形体を挙げることができる。アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）は吸湿性を有しており、長期保存後等において、劣化してしまう傾向にある。ポリプロピレンは水蒸気に対してバリア性を有しており、ポリプロピレン製の第２層で被覆することで第１層（ＡＢＳ樹脂）の劣化を抑制することができる。なお、第１層のアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）との接着性を考慮すると、第２層は変性ポリプロピレンや変性ポリエチレンとすることが好ましい。ここで、変性ポリプロピレンや変性ポリエチレンとしては、市販のものをいずれも使用することができ、例えば三菱化学社製、商品名モディック Ｆ５３４Ａや、三井化学社製、商品名アドマーＳＦ６００等を例示することができる。

その他、第１層を着色剤を含む熱可塑性樹脂により形成し、第２層を透明な熱可塑性樹脂により形成した線条樹脂成形体や、第１層を低ＭＦＲの熱可塑性樹脂により形成し、第２層を高ＭＦＲの熱可塑性樹脂により形成した線条樹脂成形体等も、本発明の好適な線条樹脂成形体の具体例である。前者の場合、造形物の外観に高級感を付与することができる。後者の場合、造形物の表面を滑らかな形状にすることができる。

熱溶融積層方式の３Ｄプリンタによる３次元オブジェクトの造形方法では、前述の線条樹脂成形体を造形材料として用い、これを溶融押し出しすることで立体物の形成が行われる。この時、通常は、第２層が第１層を被覆した状態で溶融押し出しし、第２層同士が融着して積層堆積することで３次元オブジェクトを造形する。第２層が熱融着に優れた樹脂により形成されていれば、良好な融着状態が実現でき、信頼性の高い３次元オブジェクトの形成が可能となる。

あるいは、第２層の熱可塑性樹脂と第１層の熱可塑性樹脂が混合された状態で溶融押し出しし、積層堆積することで３次元オブジェクトを造形するようにしてもよい。例えば、第２層を水蒸気バリア性の樹脂（例えばポリプロピレン）で形成した線条樹脂成形体の場合、保存の際には第２層で被覆して劣化を防止することが有効であるが、造形の際には必ずしも第２層で被覆されていなくてもよい。このような場合には、例えば線条樹脂成形体の線径に比べて著しく小さな内径を有するノズルを用いれば、第２層が極端に引き伸ばされ、第１層と溶融混合された状態で押し出され、混合樹脂からなる３次元オブジェクトが造形される。

次に、線条樹脂成形体の製造方法（製造ライン）について説明する。

図３に示すように、本実施形態の線条樹脂成形体１の製造ライン３０は、押出機３１、金型３２、サイジング装置３３、水槽３７、固定ローラ４１、外径寸法測定装置４２及び巻き取り装置４３を含む。

押出機３１は、原料樹脂組成物を溶融混練し、これを連続的に金型３２へと供給するもので、例えばスクリューが内蔵されるシリンダ、原料投入用のホッパ３１ａ、射出ノズル等を備えて構成されている。原料投入用のホッパから投入された原料樹脂組成物は、シリンダ内でスクリューにより溶融混練され、射出ノズルから金型３２へ射出される。

金型３２は、押出機３１からの溶融樹脂を水平方向に押し出すものであり、ここから押し出された溶融樹脂が冷却されて線条樹脂成形体１０となる。原料樹脂組成物は、用途等に応じて原料樹脂や各種添加材等を配合したものであり、任意の材料が選択可能である。

なお、２層構成の線条樹脂成形体１０を製造する場合には、材料の異なる２種類の樹脂を同心円状に押し出せばよい。より具体的には、金型３２では、同心円状に配置される２つの出口から第１層２１の材料及び第２層２２の材料を押し出すことにより、多層化構造（２層化構造）の線条樹脂成形体１０の連続体を形成する。

図４は、２層構成の線条樹脂成形体１０を製造する場合に使用される装置の一例を示すものである。２層構成の線条樹脂成形体１０を成形する場合には、２台の押出機３１Ａ，３１Ｂを直交するように配置する。そして、例えば押出機３１Ａのホッパ３１ａから第１層を形成するための原料樹脂組成物を投入し、金型３２へと溶融押し出しするとともに、押出機３１Ｂのホッパ３１ｂから第２層を形成するための原料樹脂組成物を投入し、金型３２へと溶融押し出しする。それぞれの押出機３１Ａ，３１Ｂから押し出された原料樹脂組成物は、金型３２で合流し、芯となる第１層の周囲が第２層で被覆される。

２層構成の線条樹脂成形体１０を製造する場合に使用される金型３２としては、例えば図５に示すような多層金型を使用すればよい。本例の多層金型は、３つの金型部材３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを組み合わせたものであり、各金型部材３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、それぞれ中央流路Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を有している。原料樹脂組成物は、これら中央流路Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３で線条とされる。

また、金型部材３２Ｂは、前記中央流路Ｎ２を囲んで内部に円形金型部ＣＢを有するとともに、この円形金型部ＣＢの周囲に４つの貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有する。貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、それぞれ金型部材３２Ｂを厚さ方向で貫通する形で形成されている。円形金型部ＣＢは、その中央に中央流路Ｎ２が形成されるとともに、円形面が金型部材３２Ｂの金型面から後退する形で形成されている。

金型部材３２Ｃは、前記中央流路Ｎ３を囲んで円環状流路ＣＲを有するとともに、円環状流路ＣＲの外側に半円形状の中間通路ＨＲを有する。この半円形状の中間通路ＨＲは、１８０°対称位置で円環条流路ＣＲと接続されている。さらに、金型部材３２Ｃは、この中間通路ＨＲの１箇所に接続される材料供給通路Ｘを有する。円環状流路ＣＲは、前記金型部材３２Ｂの貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と対向する。

前記３つの金型部材３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを組み合わせた金型３２では、第１層２１を形成するための原料樹脂組成物は、押出機３１Ａから押し出され、金型部材３２Ｃの中央流路Ｎ３へと供給され、金型部材３２Ｂの中央流路Ｎ２、金型部材３２Ａの中央流路Ｎ１を経て、金型３２から引き出される。一方、第２層２２を形成するための原料樹脂組成物は、押出機３１Ｂから押し出され、金型部材３２Ｃの材料供給通路Ｘへと供給される。ここから供給された原料樹脂組成物は、半円形状の中間通路ＨＲを通って円環状流路ＣＲへ流れ込み、円環状流路ＣＲに対向して設けられた金型部材３２Ｂの各貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４へと供給される。貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４へと供給された原料樹脂材料は、金型部材３２Ａの金型面とこれから後退する形で形成される円形金型部ＣＢとの間の空間へと流れ込み、円形金型部ＣＢに設けられた中央流路Ｎ２から引き出される第１層２１の周面を被覆する。前記空間へ円環状に連なる貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４から原料樹脂材料を供給することで、ウエルドラインの発生が最小限に抑えられる。

水槽３７は、押出機３１から押し出された線条樹脂成形体１０の搬送方向に沿って長い箱状に形成される。線条樹脂成形体１０は、水槽３７の一端の壁から水槽３７内に導入され、水槽３７の他端の壁から導出される。水槽３７には、線条樹脂成形体１０を浸漬させ、線条樹脂成形体１０を冷却する水３７ａが貯留される。

サイジング装置３３は、水槽３７の一端の壁の内側に配置されており、押出機３１から水槽３７内に送られた線条樹脂成形体１０の断面を真円にし、かつ、線条樹脂成形体１０の外径寸法を所定の寸法に均一化させる機能を有する。

本実施形態の場合、このサイジング装置３３において真空吸引することが大きな特徴点である。すなわち、断面円形の空間を有するサイジング装置３３を通過させることで、線条樹脂成形体１０の線形や線径がある程度整えられるが、それだけでは不十分であるため、本実施形態では、真空吸引によりこれを促進することとする。

図６及び図７に示すように、サイジング装置３３は、上下一対の下部材３３Ｄ及び上部材３３Ｕを備え、下部材３３Ｄ及び下部材３３Ｄのそれぞれの合わせ面には、線条樹脂成形体１０の連続体の搬送方向に沿って形成され、線条樹脂成形体１０を通す半円筒面状の第１の溝３３ａと、この第１の溝３３ａに対して直交するように交差する複数（この例では、互いに平行に並ぶ７本）の真空吸引用の第２の溝３３ｂとが設けられる。真空吸引用の第２の溝３３ｂの数は任意であり、サイジング装置３３を通過後の線条樹脂成形体１０の整形精度が十分良好なものとなるように適宜設定すればよい。また、真空吸引用の第２の溝３３ｂは、水平方向ばかりでなく、垂直方向、斜め方向等、任意の方向に設けることも可能であり、やはり整形精度が十分良好なものとなるように適宜設定すればよい。

サイジング装置３３において、真空吸引を行うことで、線条樹脂成形体１０に対して真空吸引力が働く。その結果、線条樹脂成形体１０の外周面が下部材３３Ｄ及び上部材３３Ｕに設けられた溝３３ａの断面円形の空間に臨む壁面に引き付けられ、溝３３ａにより形成される空間の形状、直径に整形される。これにより、サイジング装置３３を通過した線条樹脂成形体１０は、断面が概ね真円形状となり、その径は設定値（空間の直径）と概ね一致して一定となる。

固定ローラ４１は、サイジング装置３３を経て水槽３７内において線条樹脂成形体１０の姿勢を安定させ、かつ、巻き取り装置４３側に向けて線条樹脂成形体１０を搬送する。

外径寸法測定装置４２は、水槽３７で冷却された線条樹脂成形体１０の外径寸法を測定する。巻き取り装置４３は、外径寸法測定装置４２を経た線条樹脂成形体１０を挟んで下流側に搬送する上下一対の巻き取りローラ４３ａと、巻き取りローラ４３ａの下流側に配置され、線条樹脂成形体１０を巻き取る巻き取り軸４３ｃを有するボビン巻き取り機４３ｂとを備える。

次に、この製造ライン３０を用いて線条樹脂成形体１０を製造する方法について説明する。線条樹脂成形体１０を製造する方法は、押出工程、サイジング工程、冷却工程、寸法測定工程及び巻き取り工程を含む。

図３に示すように、押出工程では、押出機３１においてホッパ３１ａから投入された樹脂ペレットを溶融し、溶融した樹脂を金型３２から押し出す。この際、第１層２１を押し出すとともに第１層２１を被覆するように第２層２２を押し出して多層化構造の線条樹脂成形体１０を押し出す。この例では、金型３２から、外径（符号Ｄ１で示す）が２．２ｍｍの線条樹脂成形体１０が押し出される。

サイジング工程では、図６及び図７に示すように、サイジング装置３３において、線条樹脂成形体１０が、上下の第１の溝３３ａで形成される搬送通路３５に沿って走行し、同時に、複数の上下の第２の溝３３ｂで形成される吸引通路３６によって真空吸引されることにより、搬送通路３５の内径に合わせた均一な外径に形成される。この例では、外径Ｄ１が２．２ｍｍの線条樹脂成形体１０が、サイジング装置３３を通過することにより、その外径（符号Ｄ２で示す）が搬送方向において１．８０ｍｍに均一化される。

冷却工程では、外径（符号Ｄ２で示す）が１．８０ｍｍの線条樹脂成形体１０が、水槽３７を通過することにより冷却され、線条樹脂成形体１０の外径（符号Ｄで示す）が１．７５ｍｍに縮径される。

寸法測定工程では、線条樹脂成形体１０の外径を測定し、測定値が適正な大きさであるか否かを判定する。この例では、線条樹脂成形体１０の外径が１．７５ｍｍを中心とした所定の規格幅の範囲内であるか否かを判定する。線条樹脂成形体１０の外径が規格幅の範囲外である場合、外径が規格幅の範囲内になるように、各製造条件を見直す。

巻き取り工程では、線条樹脂成形体１０の外径が規格の範囲内である場合、巻き取り装置４３の巻き取りローラ４３ａでボビン巻き取り機４３ｂに送り、巻き取り軸４３ｃに線条樹脂成形体１０の連続体を巻き取っていく。所定長さの線条樹脂成形体１０が巻き取り軸４３ｃに巻き取られたら、新しい巻き取り軸４３ｃに線条樹脂成形体１０を巻き取るようにする。

以上の製造ラインにより製造される線条樹脂成形体１０は、サイジング装置３３において真空吸引しているので、線径が一定で真円に近い断面形状を有しており、これを例えば３次元オブジェクトの原料素材として用いることで、精度の高いモデリングの実現が可能である。

なお、前述の製造方法は、無機充填材を含有する線条樹脂成形体の製造に適用した場合にその効果が大きい。無機充填材を含有する線条樹脂成形体１０は、無機充填材を含有しない線条樹脂成形体１０に比べて、押出工程において押出機から押し出された直後の線径のバラツキが大きくなる傾向にある。このような無機充填材を含有し押し出し後の線径のバラツキが大きな線条樹脂成形体１０であっても、サイジング工程においてサイジング装置３３を通過させることで、真円に近い一定の断面形状とすることができる。すなわち、線条樹脂成形体１０が無機充填材を含有する場合に、サイジング装置３３での真空吸引による線径の安定化について、より高い効果を得ることができる。 ここで、無機充填材としては、上述の２層構成の線条樹脂成形体の具体的構成例において列挙した無機充填剤が例示される。

以上、本発明を適用した実施形態についてを説明してきたが、本発明が前述の実施形態に限られるものでないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

１０ 線条樹脂成形体
２１ 第１層
２２ 第２層
３０ 製造ライン
３１ 押出機
３２ 金型
３３ サイジング装置
３７ 水槽
４２ 外径寸法測定装置
４３ 巻き取り装置
ｄ 第１層の外径
Ｄ 第２層の外径

Claims (12)

1. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる線条樹脂成形体であって、
   熱可塑性樹脂を含む第１層と、
   前記第１層を被覆し、熱可塑性樹脂を含み前記第１層とは異なる物性を有する第２層と、を備えることを特徴とする線条樹脂成形体。
2. 前記第１層は無機充填材を含み、前記第２層は無機充填材を含まないことを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
3. 前記無機充填材はカーボンファイバであることを特徴とする請求項２記載の線条樹脂成形体。
4. 前記第２層が硬質であって、前記第１層が軟質であるときに屈曲しないよう前記第１層を被覆することを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
5. 前記第２層が軟質であって、前記第１層が硬質であるときに折損しないよう前記第１層を被覆することを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
6. 前記第２層が水蒸気バリア樹脂を含み、前記第１層が吸湿しないよう前記第１層を被覆することを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
7. 前記第１層を構成する熱可塑性樹脂が前記第２層を構成する熱可塑性樹脂と比べて相対的に高粘度で、造形時に垂れ下がりが生じないよう前記第２層が外層比率５〜２５％で前記第１層を被覆することを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
8. 前記第１層を構成する熱可塑性樹脂が前記第２層を構成する熱可塑性樹脂と比べて相対的に高電気抵抗率で、線条樹脂成形体の外層において十分な導電性を得るため前記第２層が外層比率５〜２５％で前記第１層を被覆することを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
9. 前記第１層及び前記第２層の少なくとも一方を構成する熱可塑性樹脂がアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の線条樹脂成形体。
10. 前記第１層が０．５〜１．８ｍｍの外径を有し、前記第２層が１．１〜２．２ｍｍの外径を有するとともに、２層構成の線条樹脂成形体の外層比率が５〜３５％であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の線条樹脂成形体。
11. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタによる３次元オブジェクトの造形方法において、
    熱可塑性樹脂を含む第１層と、前記第１層を被覆し、熱可塑性樹脂を含み前記第１層とは異なる物性を有する第２層とを備える線条樹脂成形体を造形材料として用い、
    前記第２層が前記第１層を被覆した状態で溶融押し出しし、前記第２層同士が融着して積層堆積することで３次元オブジェクトを造形することを特徴とする３次元オブジェクトの造形方法。
12. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタによる３次元オブジェクトの造形方法において、
    熱可塑性樹脂を含む第１層と、前記第１層を被覆し、熱可塑性樹脂を含み前記第１層とは異なる物性を有する第２層とを備える線条樹脂成形体を造形材料として用い、
    前記第２層の熱可塑性樹脂と前記第１層の熱可塑性樹脂が混合された状態で溶融押し出しし、積層堆積することで３次元オブジェクトを造形することを特徴とする３次元オブジェクトの造形方法。
    

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