JP2018043395A - 樹脂吐出用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】機能性成分を内包する断面構造を有するような多層構造のフィラメントについて、フィラメントの横断面に存在する各物質を分散させることができて、横断面の内部に存在する物質を吐出フィラメントの表面に露出させることのできる樹脂吐出用ノズルを得る。【解決手段】樹脂吐出用ノズル１１である。このノズル１１は、供給された樹脂製のフィラメント２２を溶融あるいは軟化させて吐出口１８から吐出させる。ノズル１１は、フィラメント２２を構成していた樹脂をノズル１１の横断面において一時的に複数の部分に分断させる邪魔部材２５、２６、２７、２８、２９を有する。【選択図】図１

Description

本発明は樹脂吐出用ノズルに関し、特に３Ｄプリンタのためのノズルとして好適に用いることができる樹脂吐出用ノズルに関する。

材料押出型の３Ｄプリンタとして、樹脂製のフィラメントを溶融あるいは軟化させてノズルから吐出させるようにしたものが知られている（特許文献１）。ノズルの口金は、ストレート構造の孔が形成された構成である。

特表２０１４−５１６８２９号公報

しかし、使用するフィラメントが単成分のものである場合は、ストレート構造の孔が形成されたノズルで問題ないが、フィラメントが例えば芯鞘型の二層構造や、それ以外の多層構造などのように複数の成分を用いた複合構造である場合には、問題が生じる。例えばフィラメントが芯鞘構造であって、その芯部に機能成分が内包されていて、この機能成分がフィラメント表面に露出していない場合には、溶融あるいは軟化した樹脂がノズルからフィラメントの断面構造のまま吐出され、このため造形品の表面に配したい機能成分がその表面に出て来ないという問題が生じる。

また、フィラメント製造時には機能性成分がフィラメント表面に露出すると問題が生じ、反対に造形時には機能性成分がフィラメント表面に露出しないとその効果を発揮しない場合が特に問題である。たとえば造形時に表面に露出しないと効果を発揮しない機能性成分が硬度の高い粒子である場合には、フィラメント製造時に表面に露出すると生産機械を損傷するという問題が生じる。

そこで本発明は、このような問題点を解決して、機能性成分を内包する断面構造を有するような多層構造のフィラメントについて、フィラメントの横断面に存在する各物質を分散させることができて、横断面の内部に存在する物質を吐出フィラメントの表面に露出させることのできる樹脂吐出用ノズルを得ることを目的とする。

この目的を達成するため本発明の樹脂吐出用ノズルは、供給された樹脂製のフィラメントを溶融あるいは軟化させて吐出口から吐出させるノズルであって、前記フィラメントを構成していた樹脂を前記ノズルの横断面において一時的に複数の部分に分断させる邪魔部材を有することを特徴とする。

本発明の樹脂吐出用ノズルによれば、邪魔部材は、網状体にて構成されて、そのメッシュが＃７８〜＃２４０であることが好適である。

また本発明の樹脂吐出用ノズルによれば、邪魔部材は、ノズルの軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材を有しないノズルの樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において６以上の数に分断させるものであることが好適である。

この場合においては、邪魔部材を、ノズルの軸心方向に沿って複数が配置され、かつノズルの軸心方向に沿って隣り合うもの同士がノズルの周方向に沿って異なる角度で配置された棒状体にて構成することができる。

さらに本発明の樹脂吐出用ノズルによれば、邪魔部材は、
ノズルの軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材を有しないノズルの樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において４以上の数に分断させるものである第１の邪魔部材と、
網状体にて構成されて、そのメッシュが＃７８〜＃２４０である第２の邪魔部材と、
によって構成されていることが好適である。

この場合においては、第１の邪魔部材を、ノズルの軸心方向に沿って複数が配置され、かつノズルの軸心方向に沿って隣り合うもの同士がノズルの周方向に沿って異なる角度で配置された棒状体にて構成することができる。

本発明の造形方法は、供給された樹脂製のフィラメントを溶融あるいは軟化させて吐出口から吐出させることにより造形を行うに際し、上記した本発明の樹脂吐出用ノズルを用いることを特徴とする。

本発明の樹脂吐出用ノズルによれば、供給された樹脂製のフィラメントを溶融あるいは軟化させて吐出口から吐出させるときに、前記フィラメントを構成していた樹脂を前記ノズルの横断面において一時的に複数の部分に分断させる邪魔部材を有するため、ノズルの内部においてフィラメントをその横断面内において混練させることができて、フィラメントの横断面に存在する各物質を分散させることができ、したがって横断面の内部に存在する物質を吐出フィラメントの表面に露出させることができる。

また本発明の樹脂吐出用ノズルによれば、（イ）邪魔部材が、網状体にて構成されて、そのメッシュが＃７８〜＃２４０であることと、（ロ）邪魔部材が、ノズルの軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材を有しないノズルの樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において６以上の数に分断させるものであることと、（ハ）邪魔部材が、ノズルの軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材を有しないノズルの樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において４以上の数に分断させるものである第１の邪魔部材と、網状体にて構成されて、そのメッシュが＃７８〜＃２４０である第２の邪魔部材とによって構成されていることとのいずれかによって、ノズル内でフィラメントが軟化等されるだけであって完全溶融されていない場合であっても、フィラメントをその横断面内において混練させることができるうえに、ノズル詰まりの発生を確実に防止することができる。

本発明の造形方法によれば、上記した本発明の樹脂吐出用ノズルを用いて造形を行うため、上記した本発明の樹脂吐出用ノズルにもとづく技術的効果を享受しながら造形を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態の樹脂吐出用ノズルの縦断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の第２の実施の形態の樹脂吐出用ノズルの縦断面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 本発明の第３の実施の形態の樹脂吐出用ノズルの縦断面図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

［第１の実施の形態］
図１および図２において、１１は本発明の第１の実施の形態の樹脂吐出用ノズル、１２はノズル１１を取り付けるための取り付けブロックである。取り付けブロック１２は、ノズル１１を取り付ける側の面１３とその反対側の面１４とを有する。

ノズル１１は概略円筒状に構成されており、その外面には、ノズル１１をブロック１２にねじ込むためのねじ部１５を有する。ノズル１１は、面１３の側からブロック１２にねじ込まれるものであり、ねじ込みが完了したときに面１３に当たってブロック１２に対するノズル１１の位置を規制するための段部１６を有した構成とされている。

ノズル１１は、ブロック１２にねじ込まれたときに、ブロック１２を面１３から面１４にわたって貫通した状態でこのブロック１２に装着される。そして概略円筒状のノズル１１は、ブロック１２の面１４にて開口する供給口１７と、ブロック１２の面１３の側にて開口する細径の吐出口１８とを備えている。ノズル１１の内部には、供給口１７から吐出口１８に向かって供給口１７と同径に形成された内部通路１９が形成されている。内部通路１９の先端と吐出口１８とは、内部通路１９の先端から吐出口１８に向かうにつれて徐々に小径となるテーパ通路２０によって接続されている。

２２は樹脂製のフィラメントで、供給口１７に対応した径で形成され、供給口１７からノズル１１の内部に供給され、ノズル１１の内部を通過するうちにブロック１２から熱を受けて軟化あるいは溶融し、その状態で吐出口１８からノズル外へ吐出される。

内部通路１９とテーパ通路２０との境界の部分には、邪魔部材２５が設けられている。図１および図２に示されたノズル１１では、邪魔部材２５は、網状体２６にて構成されている。

網状体２６は、フィラメント２２の外径が１．７５ｍｍ、ノズル１１の吐出口１８の口径が約０．３ｍｍ、ノズル１１の長さが約１５ｍｍである場合にそのメッシュが＃７８〜＃２４０であることが好適である。メッシュが＃７８〜＃２４０であることにより、フィラメントが芯鞘構造などの多層構造であってその内部に機能性成分を内包する場合であっても、この機能性成分を上記の寸法を有するノズル１１の吐出口１８においてフィラメントの表面すなわち造形物の表面に露出させることができる。これは、メッシュが＃７８〜＃２４０であると、フィラメント２２における成分の違いによる熱的影響を出やすくして、少ない熱量でも成分間の粘性または融点等の違いによる捻じれなどの歪が生じやすくなって、内包する機能性材料を表面に露出させやすくなるためである。

ノズル１１の内部において、邪魔部材２５すなわち網状体２６を設置する位置は任意である。例えば供給口１７の近傍や、内部通路１９における適宜の位置や、テーパ通路２０などに設置することもできる。なお、良好な通過性を考慮すると、ブロック１２から熱を受けて、フィラメント２２が少なくとも軟化した状態で、邪魔部材２５を通過させることがよいため、ブロック１２を通過した位置に設置するとよい。

フィラメント２２は、ノズル１１の内部において完全に溶融されているとは限らず、軟化しただけの状態で吐出口１８から吐出されることが多い。このため網状体２６のメッシュが＃７８より粗いと、メッシュによって一度分断された材料がすぐに合流されて元の断面形状に戻り、このため内包する機能性成分を吐出フィラメントの表面に露出させることが困難になりやすい。

反対に、網状体２６のメッシュが＃２４０より細かいと、網状体２６が障害となって、軟化あるいは溶融したフィラメントを吐出口１８から吐出させることが困難となりやすい。

なお、網状体２６は、フィルターの役目も担うことになる。すなわち、供給するフィラメント２２に細かな塵や埃等が付着した状態で、ノズルに供給された場合、網状体２６が塵や埃を捕集することができるため、そのような異物により吐出口がつまることを防ぎ、良好に吐出させることができる。

［第２の実施の形態］
図３および図４に示す第２の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１は、図１および図２に示した第１の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１と比べて、邪魔部材２５の構造が相違する。それ以外の構成は、第１の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１の構成と同じである。

第２の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１では、邪魔部材２５は、図示のような、ノズル１１の径方向に配置された棒状体としての丸棒２７であって、ノズル１１の軸心方向に複数配されたものにて構成されている。

図示の例において、各丸棒２７は、いずれも、内部通路１９の断面積の６０％を超える断面積を有していないこと、つまり丸棒２７をノズル１１の軸心方向から見たときに、その投影面積が、ノズル１１の内部通路１９の断面積の６０％以下であることが好適である。またノズル１１の軸心方向に複数配置された丸棒２７によって、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において６以上の数に分断させるものであることが好適である。

このような構成であると、フィラメントが芯鞘構造などの多層構造であってその内部に機能性成分を内包する場合であっても、上述した第１の実施の形態の場合と同様の原理によって、この機能性成分を上記の寸法を有するノズル１１の吐出口１８においてフィラメントの表面すなわち造形物の表面に露出させることができる。

なお、１つの丸棒２７は樹脂を２つに分断するものであるが、図示のように３つの丸棒２７をノズル１１の周方向に沿って１２０度ずつ角度をずらせながら配置することで、樹脂をノズルの横断面において６か所に分断させることができる。

図示のようにノズル１１の軸心方向に複数配置された複数の部材（丸棒２７）によって邪魔部材２５を構成する場合には、各部材の断面積が内部通路１９の断面積の６０％以下であればよい。つまり、断面積が内部通路１９の断面積の６０％以下である部材が内部通路１９の軸心方向に沿って複数配置されたものであっても差し支えない。

図示のものは、ノズル１１の軸心方向に沿って３本の丸棒２７がそれぞれ接している態様となっているが、これらが接することなく、丸棒２７同士の間にノズルの軸心方向に沿った空間が形成されていてもよい。

また図示のものではすべての丸棒２７がノズル１１の径方向に配置されているが、たとえば３本の丸棒２７のうちの１本のみがノズル１１の径方向に配置されるとともに、他の２本はノズルの径方向に対して傾斜した方向に配置されたものであっても差し支えない。他の２本は、たとえば、傾斜角度の大きさが同じで、その傾斜方向が互いに逆方向であるようにすることもできる。傾斜している場合も、３本の丸棒２７は、ノズル１１の軸心方向に沿って、互いに接していてもよいし、互いに離れていてもよい。

第２の実施の形態の変形例として、邪魔部材２５を丸棒２７以外の任意の態様で構成することもできる。すなわち、邪魔部材２５が、ノズル１１の軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材２５を有しないノズル１１の樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズル１１の横断面において６以上の数に分断させるものであれば、この邪魔部材２５を、単数または複数のブロック構造や、ノズル１１の長さ方向に沿った一定範囲において連続した部材などの、任意の構成とすることもできる。

［第３の実施の形態］
図５および図６に示す第３の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１は、図１および図２に示した第１の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１と比べて、邪魔部材２５が複数種類の部材によって構成されている点が相違する。それ以外の構成は、第１の実施の形態の樹脂吐出用ノズル１１の構成と同じである。

詳細には、邪魔部材２５は、第１の邪魔部材２８および第２の邪魔部材２９という、２種類の部材によって構成されている。

第１の邪魔部材２８は、図３および図４に示したものと同様に、内部通路１９の断面積の６０％を超える断面積を有していないことが好適であり、また図３および図４に示したものとは相違して、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において４以上の数に分断させるものであることが好適である。そして、第１の邪魔部材２８は、図３および図４に示したものと同様の複数の丸棒２７や、その他の適宜の部材によって構成することができる。

第２の邪魔部材２９は、図１および図２に示したものと同様に、ノズル１１が図１および図２に示したものと同様の寸法で形成されている場合に、メッシュが＃７８〜＃２４０の網状体２６であることが好適である。その理由は、第１の実施の形態の場合と同じである。

そして、この第３の実施の形態においては、邪魔部材２５を第１の邪魔部材２８と第２の邪魔部材２９とによって構成することで、上述した第１の実施の形態や第２の実施の形態と比べて、フィラメント２２をその横断面内においてより混練させることができて、フィラメント２２の横断面に存在する各物質をより分散させることができ、したがって横断面の内部に存在する物質をより確実に吐出フィラメントの表面に露出させることができる。

第１の邪魔部材２８と第２の邪魔部材２９とは、ノズル１１におけるフィラメント２２の流れ方向に沿って、どちらが上流側であっても下流側であっても構わない。ただし、図５および図６に示すようにフィラメント２２の流れ方向に沿って連続的に配置されていることで、良好な混練を行うことが可能である。さらに、ノズル１１におけるフィラメント２２の流れ方向に沿って、第１の邪魔部材２８が上流側に配置されるとともに第２の邪魔部材２９が下流側に配置される方が、フィラメント２２を第１の邪魔部材２８によって４以上の数に分断したうえで、この分断されたものが再度交わる前にさらに網状の第２の邪魔部材２９によって混練することにより、フィラメント２２に内包される機能性成分をその表面に確実に露出させることが可能である。

以下の実施例、比較例において、フィラメントの構成成分が十分に混練されているか否かについては、以下の処方により判定した。すなわち、軟化あるいは溶融したフィラメントをノズルから吐出させ、その吐出された放流糸の断面をマイクロスコープで観察し、内包する機能成分がフィラメントの表面に露出しているか否かにより判定した。機能成分が一部でも露出していれば、所要の露出状態にあると判定した。

（実施例１）
ノズル１１として、図１および図２に示す、網状体２６を備えたものを使用した。ノズル１１のサイズは、上述のとおりとした。網状体２６のメッシュは＃７８とした。このノズル１１を、ＤｅＡＧＯＳＵＴＩＮＩ社製の３Ｄプリンタ「ｉｄｂｏｘ」に装着して試験に供した。

フィラメント２２は、芯鞘型モノフィラメントであって、鞘層はクリアなポリ乳酸樹脂（ネイチャーワークス社製、６２０１Ｄ）にて構成され、芯層は鞘層と同じポリ乳酸樹脂に機能成分としてのカーボンブラックを１質量％添加した樹脂にて構成され、芯鞘質量比が５０／５０のものとした。

上記のノズル１１から上記のフィラメント２２を溶融させて２００℃の条件で吐出させたところ、押し出されたフィラメントにおいては、ノズル１１に供給された芯鞘構造のフィラメントの芯層が表面に露出していた。

（実施例２）
実施例１と比べて網状体２６のメッシュを＃２４０に変更した。それ以外は実施例１と同じとして、ノズル１１から上記と同じフィラメント２２を溶融させて吐出させた。そうしたところ、押し出されたフィラメントにおいては、ノズル１１に供給された芯鞘構造のフィラメントの芯層が表面に露出していた。

（実施例３）
上述の通りのサイズのノズル１１に対し、邪魔部材２５として、直径０．５ｍｍの丸棒２７を３本用いた。各丸棒２７は、それぞれ、ノズル１１の径方向に配置されて、ノズル１１の横断面に対して占める割合が６０％以下であるものとされた。また、３本の丸棒２７を用いることで、ノズル１１の軸心方向に見たときに、丸棒２７同士の間に６か所の空隙が存在するようにした。

このような構成のノズル１１に対して、実施例１と同じフィラメント２２を実施例１と同じ条件で溶融させて吐出させた。

そうしたところ、押し出されたフィラメントにおいては、ノズル１１に供給された芯鞘構造のフィラメントの芯層が表面に露出していた。

（実施例４）
上述の通りのサイズのノズル１１に対し、第１の邪魔部材２８として、直径０．５ｍｍの丸棒２７を２本用いた。各丸棒２７は、それぞれ、ノズル１１の径方向に配置されて、ノズル１１の横断面に対して占める割合が６０％以下であるものとされた。また、２本の丸棒２７を用いることで、ノズル１１の軸心方向に見たときに、丸棒２７同士の間に４か所の空隙が存在するようにした。

第２の邪魔部材２９として、メッシュ＃７８の網状体２６を用い、この網状体２６を、図５および図６に示すように、ノズル１１におけるフィラメント２２の流れ方向に沿って第１の邪魔部材２８のすぐ下流側に配置した。

このような構成のノズル１１に対して、実施例１と同じフィラメント２２を実施例１と同じ条件で溶融させて吐出させた。

そうしたところ、押し出されたフィラメントにおいては、ノズル１１に供給された芯鞘構造のフィラメントの芯層が表面に露出していた。

（比較例１）
ノズル１１として、邪魔部材を備えないもの、すなわち網状体や丸棒を備えないものを用いた。

このような構成のノズル１１に対して、実施例１と同じフィラメント２２を実施例１と同じ条件で溶融させて吐出させた。

そうしたところ、押し出されたフィラメントは、ノズル１１に供給されたフィラメント２２の芯層構造を維持しており、その芯層が表面に露出したものではなかった。

１１ 樹脂吐出用ノズル
１７ 供給口
１８ 吐出口
１９ 内部通路
２２ フィラメント
２５ 邪魔部材
２６ 網状体
２７ 丸棒
２８ 第１の邪魔部材
２９ 第２の邪魔部材

Claims (7)

1. 供給された樹脂製のフィラメントを溶融あるいは軟化させて吐出口から吐出させるノズルであって、前記フィラメントを構成していた樹脂を前記ノズルの横断面において一時的に複数の部分に分断させる邪魔部材を有することを特徴とする樹脂吐出用ノズル。
2. 邪魔部材は、網状体にて構成されて、そのメッシュが＃７８〜＃２４０であることを特徴とする請求項１記載の樹脂吐出用ノズル。
3. 邪魔部材は、ノズルの軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材を有しないノズルの樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において６以上の数に分断させるものであることを特徴とする請求項１記載の樹脂吐出用ノズル。
4. 邪魔部材は、ノズルの軸心方向に沿って複数が配置され、かつノズルの軸心方向に沿って隣り合うもの同士がノズルの周方向に沿って異なる角度で配置された棒状体にて構成されていることを特徴とする請求項３記載の樹脂吐出用ノズル。
5. 邪魔部材は、
   ノズルの軸心方向に沿った任意の位置において、邪魔部材を有しないノズルの樹脂通過用横断面の断面積の６０％を超える断面積を有していないとともに、溶融あるいは軟化された樹脂をノズルの横断面において４以上の数に分断させるものである第１の邪魔部材と、
   網状体にて構成されて、そのメッシュが＃７８〜＃２４０である第２の邪魔部材と、
   によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の樹脂吐出用ノズル。
6. 第１の邪魔部材は、ノズルの軸心方向に沿って複数が配置され、かつノズルの軸心方向に沿って隣り合うもの同士がノズルの周方向に沿って異なる角度で配置された棒状体にて構成されていることを特徴とする請求項５記載の樹脂吐出用ノズル。
7. 供給された樹脂製のフィラメントを溶融あるいは軟化させて吐出口から吐出させることにより造形を行うに際し、請求項１から６までのいずれか１項に記載の樹脂吐出用ノズルを用いることを特徴とする造形方法。

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