JP2017094599A - 積層造形用サポート材およびそれを用いた積層造形物、ならびに積層造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本発明において、モデル材とは、造形物自体の材料を指し、サポート材とは、モデル材の造形物の形成をしやすくするための支持形成材料を指すものであり、造形物の形成後には、取り除かれることが多い。
削り取る場合は、立体造形物が複雑形状の際には、立体造形物に傷がつかないように削り取ることが難しく、吹き飛ばして除去するものは、サポート材自身の強度が不足し、充分なサポートができないという問題があった。このような点から、液体に溶かして除去できるサポート材が提案されている(特許文献1)。
本発明は、PVA系樹脂(a)、及び、BET比表面積が15〜350m2/gのシリカ(b)を含有する積層造形用サポート材を第1の要旨とする。
上記PVA系樹脂(a)としては、ビニルエステル系モノマーを共重合して得られるポリビニルエステル系樹脂をケン化して得られる、ビニルアルコール構造単位を主体とする樹脂であり、ケン化度相当のビニルアルコール構造単位とケン化されずに残存したビニルエステル構造単位から構成される。
かかる平均重合度が低すぎると積層時に安定した形状を形成することが困難となる傾向があり、高すぎると材料全体の粘度が高くなりすぎて溶融成形が困難になる傾向がある。
なお、本発明においてPVA系樹脂(a)の水溶液の粘度は、JIS K6726に準拠して測定した20℃における4重量%水溶液の粘度である。
かかる変性PVA系樹脂中の変性量、すなわち共重合体中の各種単量体に由来する構成単位、あるいは後反応によって導入された官能基の含有量は、変性種によって特性が大きく異なるため一概には言えないが、通常、0.1〜20モル%であり、特に0.5〜12モル%の範囲が好ましく用いられる。
なお、1,2−ジオール構造単位以外の部分は、通常のPVA系樹脂と同様、ビニルアルコール構造単位と未ケン化部分のビニルエステル構造単位である。
上記PVA系樹脂(a)とともに用いられる特定のシリカ(b)は、BET比表面積が15〜350m2/gという物性を有するシリカである。上記BET比表面積は、多孔質のシリカにおいて、どれだけの細孔を有しているかを示す指標であり、2次凝集の状態を示している。また、上記BET比表面積は、窒素吸着BET1点法により測定した値であり、測定手順はJIS Z 8830の規定に準ずる。上記BET比表面積は、好ましくは100〜300m2/g、特に好ましくは150〜250m2/gである。BET比表面積が小さすぎると、PVA系樹脂(a)内での分散均一性が悪く、BET比表面積が大きすぎると、耐水性の向上効果が低いものとなる。
本発明においては、成形安定性を付与することを目的に、上記PVA系樹脂(a)および特定のシリカ(b)とともに、特定のブロック共重合体(c)を用いることができる。
さらに、上記特定のブロック共重合体(c)として、側鎖に水酸基と反応しうる官能基を有するものが用いられ、具体的にはカルボン酸基あるいはその誘導体基を有するものが好ましく用いられる。
なお、かかる水素添加により、例えばブタジエンの1,2−結合によるブタジエン単位は、ブチレン単位(−CH2−CH(CH2−CH3)−)となり、1,4−結合によって生成するブタジエン単位は二つの連続したエチレン単位(−CH2−CH2−CH2−CH2−)となるが、通常は前者が優先して生成する。
かかる酸価が低すぎると、官能基を導入した効果が充分に得られず、また、高すぎると架橋反応によりサポート材の溶融粘度が高くなりすぎる傾向がある。
かかる重量平均分子量が大きすぎても小さすぎても、また、下記の溶融粘度が高すぎても低すぎても、PVA系樹脂(a)中に上記特定のブロック共重合体(c)が均一分散したモルホロジーが得られず、樹脂の機械物性が低下する傾向がある。
なお、かかるブロック共重合体(c)の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用い、ポリスチレンを標準として求めた値である。
本発明の積層造形用サポート材は、上記PVA系樹脂(a)とともに、上記特定のシリカ(b)、さらに好ましくは特定のブロック共重合体(c)を含有する樹脂組成物からなるものであるが、通常サポート材はストランド状に成形され、リールに巻きつけられた状態で積層造形装置のヘッド部に供給,設置されるため、リールに巻きつけられても破断しない程度の柔軟性と靭性を要求されることがあり、実用に供する場合には各種添加剤を適宜配合することが好ましい。本発明におけるサポート材中の、PVA系樹脂(a)の含有量は通常、サポート材全体の45〜95重量%、好ましくは55〜95重量%、特に好ましくは60〜90重量%である。かかる含有量が少なすぎると水溶解除去性が低下する傾向があり、多すぎると柔軟性が低下する傾向がある。
また、平衡吸湿率としては、通常、0.1〜40重量%であり、かかる平衡吸湿率が大きすぎると、サポート材中の水分が多くなり過ぎ、成形安定性が低下する傾向がある。
本発明の積層造形用サポート材を用いた積層造形物の製造方法について説明する。
積層造形に用いられる積層造形装置はモデル材とサポート材を各々押し出せるヘッドを複数個以上持つ熱溶融による積層造形ができるものであれば公知のものを用いればよく、例えば、フラッシュフォージ社製クリエイト、レイズ・エンタープライズ社製Eagleed、3Dシステムズ社製MBot Grid II、ストラタシス社製uPrint SE等のデュアルヘッドタイプの積層造形装置を用いることができる。立体を形作る上記モデル材としては、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)樹脂、ポリ乳酸、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエチレン等種々の樹脂が検討されているが、溶融成形性、熱安定性、固化後の機械物性からABS樹脂が主に用いられ、サポート材はかかるABS樹脂との密着性に優れることが要求される。
(i)1,2−ジオール含有PVA系樹脂(1)の製造
還流冷却器、滴下漏斗、撹拌機を備えた反応缶に、酢酸ビニル85g(全体の10%を初期仕込み)、メタノール460g、及び3,4−ジアセトキシ−1−ブテン13.6g(7.2モル%対仕込み酢酸ビニル)を仕込み、アゾビスイソブチロニトリルを0.2モル%(対仕込み酢酸ビニル)投入し、撹拌しながら窒素気流下で温度を上昇させ、重合を開始した。さらに、重合開始0.5時間後に酢酸ビニル(全体の90%)を8時間滴下(滴下速度95.6g/hr)。重合開始から2.5時間目と4.5時間目にアゾビスイソブチロニトリルを0.1モル%ずつ追加し、酢酸ビニルの重合率が85%となった時点で、m−ジニトロベンゼンを所定量添加して重合を終了し、続いて、メタノール蒸気を吹き込みつつ蒸留することで未反応の酢酸ビニルモノマーを系外に除去し共重合体のメタノール溶液を得た。
また、前記式(1)で表される1,2−ジオール構造単位の含有量は、1H−NMR(300MHzプロトンNMR、d6−DMSO溶液、内部標準物質;テトラメチルシラン、50℃)にて測定した積分値より算出したところ、3モル%であった。
上記1,2−ジオール含有PVA系樹脂(1)66.5部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)5部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g、重量平均分子量20万)28.5部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、下記条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、下記の評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
押出機:テクノベル社製 15mmφ L/D=60
押出温度(℃):C1/C2/C3/C4/C5/C6/C7/C8/D=150/170/180/190/200/210/220/220/220
回転数:200rpm
吐出量:1.5kg/時
〔平衡吸湿率〕
上記サポート材(フィラメント)を、長さ2mm(約3g)にカットし、アルミカップに入れ、50℃×90%RHの雰囲気下に放置し、経時的に重量増加分を測定した。そして、重量変化がなくなり、重量が一定になった時の吸湿率を測定した。
3Dプリンター(Ninjabot社製 FDM−200HW−X)に上記で得られたサポート材(フィラメント)をセットし、縦2cm×横2cm×高さ2cmの立方体を造形した。得られた立方体の角度および一辺の長さ(合計4カ所)を各々測定して、以下の基準で評価した。
<合格範囲>
角:90°±1°
一辺(縦、横、高さにおける各々の長さ):2cm±0.5mm
<評価基準>
A:4カ所とも合格範囲に適合。
B:3カ所が合格範囲に適合。
C:2カ所が合格範囲に適合。
D:1カ所のみ合格範囲に適合。
(i)1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)の製造
還流冷却器、滴下漏斗、撹拌機を備えた反応缶に、酢酸ビニル85g(全体の10%を初期仕込み)、メタノール460g、及び3,4−ジアセトキシ−1−ブテン13.6g(7.2モル%対仕込み酢酸ビニル)を仕込み、アゾビスイソブチロニトリルを0.2モル%(対仕込み酢酸ビニル)投入し、撹拌しながら窒素気流下で温度を上昇させ、重合を開始した。さらに、重合開始0.5時間後に酢酸ビニル(全体の90%)を8時間滴下(滴下速度95.6g/hr)。重合開始から2.5時間目と4.5時間目にアゾビスイソブチロニトリルを0.1モル%ずつ追加し、酢酸ビニルの重合率が85%となった時点で、m−ジニトロベンゼンを所定量添加して重合を終了し、続いて、メタノール蒸気を吹き込みつつ蒸留することで未反応の酢酸ビニルモノマーを系外に除去し共重合体のメタノール溶液を得た。
上記1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)66.5部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)5部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)28.5部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)95部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)5部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)69.9部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)0.1部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)29.9部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)63部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)10部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)27部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)85.5部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)5部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)9.5部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)57部と、シリカ(東ソーシリカ社製 NS−P:BET比表面積220m2/g、一次粒子径15nm)5部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)38部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)66.5部と、シリカ(東ソーシリカ社製 E―220A:BET比表面積160m2/g、一次粒子径30nm)5部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)28.5部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(ii)サポート材の製造
実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)66.5部と、シリカ(東ソーシリカ社製 AZ204:BET比表面積250m2/g、一次粒子径17nm)5部と、ブロック共重合体(c)としてカルボン酸基を有するスチレン/エチレン/ブチレンブロック共重合体(SEBS)(旭化成社製「タフテックM1911」、酸価2mgCH3ONa/g)28.5部をドライブレンドした後、これを二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
(i)PVA系樹脂の製造
還流冷却器、滴下漏斗、撹拌機を備えた反応容器に、酢酸ビニル100部、メタノール100部を仕込み、アゾビスイソブチロニトリルを0.15モル%(対仕込み酢酸ビニル)投入し、撹拌しながら窒素気流下で温度を上昇させ、重合を開始した。さらに、重合開始5時間後にアゾビスイソブチロニトリルを0.05モル%追加し、酢酸ビニルの重合率が85%となった時点で、m−ジニトロベンゼンを所定量添加して重合を終了し、続いて、メタノール蒸気を吹き込みつつ蒸留することで未反応の酢酸ビニルモノマーを系外に除去し共重合体のメタノール溶液を得た。
上記PVA系樹脂100部を二軸押出機に供給し、上記実施例1と同じ条件で溶融混練し、直径1.75mmのストランド状に押出して、ベルト上で空冷し、リールに巻き取り、サポート材(フィラメント)を得た。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
比較例1で作製したPVA系樹脂に代えて、実施例2で作製した1,2−ジオール含有PVA系樹脂(2)を用いた以外は、比較例1と同様にしてサポート材(フィラメント)を作製した。そのサポート材(フィラメント)について、上記実施例1と同様にして評価(平衡吸湿率、造形物の形状安定性)を行った。その結果を後記の表1に示す。
Claims (8)
- ポリビニルアルコール系樹脂(a)、及び、BET比表面積が15〜350m2/gのシリカ(b)を含有することを特徴とする積層造形用サポート材。
- シリカ(b)の含有量が、ポリビニルアルコール系樹脂(a)100重量部に対して、0.1〜15重量部であることを特徴とする積層造形用サポート材。
- さらに、芳香族ビニル化合物の重合体ブロックと共役ジエン化合物の重合体ブロック及びその水素添加ブロックの少なくとも一方を有し、さらに水酸基と反応する官能基を有するブロック共重合体(c)を含有することを特徴とする請求項1または2記載の積層造形用サポート材。
- ブロック共重合体(c)の含有量が、ポリビニルアルコール系樹脂(a)100重量部に対して、5〜100重量部であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層造形用サポート材。
- ポリビニルアルコール系樹脂(a)が、側鎖に一級水酸基を有する構造単位を含有するポリビニルアルコール系樹脂であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の積層造形用サポート材。
- 側鎖に一級水酸基を有する構造単位が、側鎖に1,2−ジオール構造を有する構造単位であることを特徴とする請求項5記載の積層造形用サポート材。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の積層造形用サポート材を用いて得られたことを特徴とする積層造形物。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の積層造形用サポート材とモデル材とを順次、流動状態で積層し、固化した後、上記サポート材を除去することを特徴とする積層造形物の製造方法。
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