JP2018094746A - 繊維強化プラスチック成形物の製造方法、これに用いるノズル及び３ｄプリンタ - Google Patents
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Abstract
【課題】高い繊維体積含有率（Ｖｆ）を実現することができる繊維強化プラスチック成形物の製造方法と、前記製造方法に好適な３Ｄプリンタ用のノズル及びこれを備える３Ｄプリンタの提供。【解決手段】３Ｄプリンタを用いて繊維強化プラスチック成形物を製造するに当たり、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束１１と、熱可塑性樹脂からなり強化繊維束１１の周囲を覆う被覆層１２とを備える複合フィラメント１０を用いる繊維強化プラスチック成形物の製造方法。複合フィラメント１０を加熱して被覆層１２を溶融させた加熱溶融物を３Ｄプリンタ用のノズルから吐出する際に、加熱溶融物を厚み方向に押圧して加熱溶融物内の強化繊維束１１を開繊する、繊維強化プラスチック成形物の製造方法。【選択図】図２
Description
本発明は、繊維強化プラスチック成形物の製造方法、これに用いるノズル及び３Ｄプリンタに関する。
３Ｄプリンタによる造形は、付加製造法とも呼ばれ、材料を付着することによって物体を３次元形状の数値表現から作成するプロセスである。
その方式としては、熱溶解積層、結合剤噴射、指向性エネルギー堆積、材料押出、材料噴射、粉末床溶融結合、シート積層、液槽光重合などが知られている。
このうち、熱溶解積層方式は加熱溶融によりノズルを通過できる流動性を付与できるものであれば、原理的に材料を選ばない。
その方式としては、熱溶解積層、結合剤噴射、指向性エネルギー堆積、材料押出、材料噴射、粉末床溶融結合、シート積層、液槽光重合などが知られている。
このうち、熱溶解積層方式は加熱溶融によりノズルを通過できる流動性を付与できるものであれば、原理的に材料を選ばない。
他方、繊維とマトリックス樹脂で構成される繊維強化プラスチックとして、従来、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化熱硬化性プラスチックが広範囲に適用されてきたが、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化熱可塑性プラスチックについても検討が進んでいる。
繊維強化熱可塑性プラスチックは、加熱溶融することにより流動性を付与することができ、また、冷却して固化させることができることから、上述の熱溶解積層方式の３Ｄプリンタで成形することができると考えられ、そのような提案が、実際に行われている。
例えば、連続繊維と熱可塑性樹脂とを別々に供給する熱溶解積層方式の３Ｄプリンタを用いて、繊維強化プラスチックを成形する方法が知られている（非特許文献１参照。）。
具体的には、連続繊維と熱可塑性樹脂フィラメントとを別々に供給し、プリンタヘッドのノズル内で連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させること（ノズル内含浸方式）が提案されている。
具体的には、連続繊維と熱可塑性樹脂フィラメントとを別々に供給し、プリンタヘッドのノズル内で連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させること（ノズル内含浸方式）が提案されている。
また、ナイロンとＦＲＰ（繊維強化プラスチック）をそれぞれ出力する２種類の出力を備えたプリンタ機構による連続繊維ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）の３Ｄプリンティングが提案されている（非特許文献２参照。）。
この方法では、一方からナイロン（登録商標）が出力され、他方から連続繊維にナイロン樹脂が予め含浸されたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）材で構成されるＦＲＰが出力される。
この方法では、一方からナイロン（登録商標）が出力され、他方から連続繊維にナイロン樹脂が予め含浸されたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）材で構成されるＦＲＰが出力される。
上田政人、外５名、「ノズル内含浸方式を用いた熱溶解積層３次元プリンタによる連続繊維強化熱可塑性プラスチックの成形」、強化プラスチックス、強化プラスチック協会、平成27年7月、Vol.61、No.7、p.369-374
古賀洋一郎、外５名、「3D-printed composites part 1:Evaluation of 3D printing process of continuous CFRTP」、第7回日本複合材料会議、日本材料学会、日本複合材料学会、平成27年3月16日
しかし、非特許文献１に記載の方法では、Ｖｆ（繊維体積含有率（％）、Ｆｉｂｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｅｎｔ）が低い。また、プリンタヘッドの構造が特殊であるため、既存の３Ｄプリンタを使用することができず、改造しなければならない。
非特許文献２に記載の方法においてもＶｆが低いという課題がある。すなわち、非特許文献２には、Ｖｆを３４．５％以上にすることができず、高いＶｆの出力が課題として記載されている。また、プリンタ機構が特殊であるため、専用の３Ｄプリンタが必要である。
非特許文献２に記載の方法においてもＶｆが低いという課題がある。すなわち、非特許文献２には、Ｖｆを３４．５％以上にすることができず、高いＶｆの出力が課題として記載されている。また、プリンタ機構が特殊であるため、専用の３Ｄプリンタが必要である。
そこで、本発明は、高いＶｆを実現することができる繊維強化プラスチック成形物の製造方法と、当該製造方法に好適なノズル及びこれを備える３Ｄプリンタを提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、本発明は下記構成を備える。
すなわち、本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法は、３Ｄプリンタを用いて繊維強化プラスチック成形物を製造するに当たり、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束と、熱可塑性樹脂からなり前記強化繊維束の周囲を覆う被覆層とを備える複合フィラメントを用いることを特徴とする。
すなわち、本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法は、３Ｄプリンタを用いて繊維強化プラスチック成形物を製造するに当たり、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束と、熱可塑性樹脂からなり前記強化繊維束の周囲を覆う被覆層とを備える複合フィラメントを用いることを特徴とする。
本発明にかかるノズルは、上記本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法に用いられる３Ｄプリンタ用のノズルであって、下流側に向けて徐々に内径が縮小する縮径部と、前記縮径部の下流側に設けられ、ノズル開口を外方に拡げる先端拡径部と、前記先端拡径部のさらに下流側に設けられ、前記複合フィラメントを加熱して前記被覆層を溶融させた加熱溶融物を厚み方向に押圧して当該加熱溶融物中の前記強化繊維束を開繊する開繊部とを備える。
本発明にかかる３Ｄプリンタは、上記本発明にかかるノズルを備える。
本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法は、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束と、熱可塑性樹脂からなり前記強化繊維束の周囲を覆う被覆層とを備える複合フィラメントを用いる。これにより、強化繊維束と被覆層の割合を適宜に設定することができ、従来技術と比べて高いＶｆを実現することもできる。
本発明にかかるプリンタのノズル及びこれを用いたプリンタは、上記本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法に好適に用いることができ、Ｖｆの高い繊維強化プラスチック成形物（３Ｄ造形物）を製造することができる。しかも、３Ｄプリンタの構造が簡易であり、既存の３Ｄプリンタのノズルのみを交換するだけで足りる。
本発明にかかるプリンタのノズル及びこれを用いたプリンタは、上記本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法に好適に用いることができ、Ｖｆの高い繊維強化プラスチック成形物（３Ｄ造形物）を製造することができる。しかも、３Ｄプリンタの構造が簡易であり、既存の３Ｄプリンタのノズルのみを交換するだけで足りる。
以下、本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法、ノズル及び３Ｄプリンタの好ましい実施形態について、図面を参照しつつ、詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更実施し得る。
図１に、本発明に適用可能な３Ｄプリンタの概略的構成を示す。
この３Ｄプリンタは、ノズル２０を備えており、ノズル２０の周囲にはヒーター３０が配置される。テーブル４０上に繊維強化プラスチック成形物が形成される。なお、理解の容易化のために、実際の寸法とは異なる寸法で図示している。また、本発明においては、基本的な構造は従来の３Ｄプリンタと同様で良いので、３Ｄプリンタの詳細な構成は、図示を省略している。
この３Ｄプリンタは、ノズル２０を備えており、ノズル２０の周囲にはヒーター３０が配置される。テーブル４０上に繊維強化プラスチック成形物が形成される。なお、理解の容易化のために、実際の寸法とは異なる寸法で図示している。また、本発明においては、基本的な構造は従来の３Ｄプリンタと同様で良いので、３Ｄプリンタの詳細な構成は、図示を省略している。
この３Ｄプリンタにおいて、ノズル２０に複合フィラメント１０が供給される。
ここで、熱可塑性樹脂を材料とする従来の３Ｄプリンティングにおいては、熱可塑性樹脂からなる樹脂フィラメントを用いるのが一般的であった。
これに対し、本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法では、図２，３に示す如く、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束１１と、熱可塑性樹脂からなり強化繊維束１１の周囲を覆う被覆層１２とを備える複合フィラメント１０を用いることを特徴の１つとしている。
これに対し、本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法では、図２，３に示す如く、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束１１と、熱可塑性樹脂からなり強化繊維束１１の周囲を覆う被覆層１２とを備える複合フィラメント１０を用いることを特徴の１つとしている。
強化繊維束１１としては、特に限定するわけではないが、例えば、炭素繊維束、ガラス繊維束などが挙げられる。
強化繊維束１１は、多数本の強化繊維を集束したものであり、特に限定するわけではないが、例えば、１Ｋ（１０００フィラメント）、３Ｋ（３０００フィラメント）などを用いることができる。
被覆層１２を構成する熱可塑性樹脂としては、特に限定するわけではないが、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂などが挙げられる。
強化繊維束１１は、多数本の強化繊維を集束したものであり、特に限定するわけではないが、例えば、１Ｋ（１０００フィラメント）、３Ｋ（３０００フィラメント）などを用いることができる。
被覆層１２を構成する熱可塑性樹脂としては、特に限定するわけではないが、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂などが挙げられる。
また、図２，３に示す例と異なり、強化繊維束を２種以上用いたり、被覆層１２以外の熱可塑性樹脂材料を組み合わせたりしてもよい。
例えば、図４に示すように、熱可塑性樹脂の糸１３が中心に配置され、その周囲に２種の強化繊維束１１ａ，１１ｂが配置され、さらにこれらの周囲を被覆層１２が被覆している構造を備えるものでもよい。
このように、強化繊維束を２種以上用いれば、各強化繊維束の径や本数に加え、強化繊維束の種類や配置も含めて、種々の組合せが可能となり、設計の自由度が増大する。
また、中心に熱可塑性樹脂の糸を配置すると、加熱溶融した熱可塑性樹脂を、強化繊維束に対し、外側からだけでなく内側からも含浸させることができるので、含浸性が向上すると推測される。
例えば、図４に示すように、熱可塑性樹脂の糸１３が中心に配置され、その周囲に２種の強化繊維束１１ａ，１１ｂが配置され、さらにこれらの周囲を被覆層１２が被覆している構造を備えるものでもよい。
このように、強化繊維束を２種以上用いれば、各強化繊維束の径や本数に加え、強化繊維束の種類や配置も含めて、種々の組合せが可能となり、設計の自由度が増大する。
また、中心に熱可塑性樹脂の糸を配置すると、加熱溶融した熱可塑性樹脂を、強化繊維束に対し、外側からだけでなく内側からも含浸させることができるので、含浸性が向上すると推測される。
複合フィラメント１０において、強化繊維束１１の周囲を被覆層１２で被覆するための方法としては、特に限定されない。
例えば、熱可塑性樹脂からなる糸を用いて、編成（緯編み、経編みなど）、織成（平織、綾織、繻子織など）、紐組みなどにより、強化繊維束の周囲を被覆層で被覆することができる。
編成、織成、紐組みなどにより被覆層を形成する場合は、糸や紐の太さの調整、編成方法等の工夫による被覆率や被覆厚みの調整などが可能であり、設計の自由度が高いという利点がある。
例えば、熱可塑性樹脂からなる糸を用いて、編成（緯編み、経編みなど）、織成（平織、綾織、繻子織など）、紐組みなどにより、強化繊維束の周囲を被覆層で被覆することができる。
編成、織成、紐組みなどにより被覆層を形成する場合は、糸や紐の太さの調整、編成方法等の工夫による被覆率や被覆厚みの調整などが可能であり、設計の自由度が高いという利点がある。
図５は、強化繊維束１１の周囲に、熱可塑性樹脂の糸を緯編みして被覆層１２を形成し、複合フィラメント１０を構成する場合の緯編みの例を示すものであり、被覆層１２の展開図である。
このように、熱可塑性樹脂の糸を緯編みする場合、熱可塑性樹脂の糸の太さとしては、特に限定するわけではないが、例えば、３３〜２５０ｄｔｅｘであることが好ましい。糸の太さが３３ｄｔｅｘ以上であれば、強化繊維束１１に対する被覆層１２の被覆率を高めることができ、糸の隙間から強化繊維束１１が外方へ飛び出てしまうことを抑制することができる。また、編み機を用いた編成上は、２５０ｄｔｅｘ以下が好ましい。
このように、熱可塑性樹脂の糸を緯編みする場合、熱可塑性樹脂の糸の太さとしては、特に限定するわけではないが、例えば、３３〜２５０ｄｔｅｘであることが好ましい。糸の太さが３３ｄｔｅｘ以上であれば、強化繊維束１１に対する被覆層１２の被覆率を高めることができ、糸の隙間から強化繊維束１１が外方へ飛び出てしまうことを抑制することができる。また、編み機を用いた編成上は、２５０ｄｔｅｘ以下が好ましい。
また、熱可塑性樹脂の糸を緯編みする場合、同一コースの編み目の数は、特に限定するわけではないが、例えば、２〜６個とすることができる。この範囲であれば、被覆層１２による被覆部分の直径を小さくすることができ、強化繊維束１１に対する被覆層１２の密着度（締め付け力）を高めることができる。
また、熱可塑性樹脂の糸を緯編みする場合において、同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数は、特に限定するわけではないが、例えば、６〜１４個とすることができる。なお、自然長とは、テンション等を与えない状態、すなわちそのまま台の上に自然に置いた状態での長さを意味する。同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数が６個以上であれば、強化繊維束１１に対する被覆層１２の被覆率を高めることができ、被覆層１２の隙間から強化繊維束１１が外方へ飛び出てしまうことを抑制することができる。また、同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数が１４個以下であれば、編目が細かくなり過ぎることに起因して、カバーリング編目の目かぶり（タックキズ）不良が発生することを抑制することができ、また、複合フィラメントの柔軟性がなくなることを抑制することができる。
ノズル２０は、図６に示すように、複合フィラメント１０が供給されるノズル入口２１
を備える。
また、下流側に向けて徐々に内径が縮小する縮径部２２を備える。この縮径部２２において、ヒーター３０により加熱溶融された被覆層１２の強化繊維束１１への含浸が促進される。
図６に示す例では縮径部２２をテーパ状としているが、内径が縮小するように変化していれば良く、アール状でも良いし、内径が急激に縮小するものであっても良い。
を備える。
また、下流側に向けて徐々に内径が縮小する縮径部２２を備える。この縮径部２２において、ヒーター３０により加熱溶融された被覆層１２の強化繊維束１１への含浸が促進される。
図６に示す例では縮径部２２をテーパ状としているが、内径が縮小するように変化していれば良く、アール状でも良いし、内径が急激に縮小するものであっても良い。
また、図６に示す例では、縮径部２２と後述の先端拡径部２４との間に、ストレート部２３が設けられている。
このストレート部２３を設けることにより、縮径部２２で圧縮された加熱溶融物における被覆層１２の強化繊維束１１への含浸をより確実に行うための時間及び距離を確保することができる。
このストレート部２３を設けることにより、縮径部２２で圧縮された加熱溶融物における被覆層１２の強化繊維束１１への含浸をより確実に行うための時間及び距離を確保することができる。
ノズル２０は、縮径部２２よりも下流側に、ノズル２０の開口を外方に広げる先端拡径部２４と、さらにその下流側に開繊部２５を備えている。
先端拡径部２４により開繊部２５へ円滑に移行する。図６に示す例では先端拡径部２４をアール状としているが、これに限定されず、例えば、テーパ状でも良い。
そして、開繊部２５において、加熱溶融物の断面積がさらに減少するため、溶融した被覆層１２の強化繊維束１１への含浸がさらに促進される。加えて、開繊部２５では、繊維強化プラスチック成形物が形成されるテーブル４０（成形物が積層して形成される場合はテーブル４０上に形成された先行の層）と開繊部２５との間で厚み方向に押圧されることにより強化繊維束１１が開繊され、開繊された強化繊維束１１に被覆層１２が効率よく含浸する。
先端拡径部２４により開繊部２５へ円滑に移行する。図６に示す例では先端拡径部２４をアール状としているが、これに限定されず、例えば、テーパ状でも良い。
そして、開繊部２５において、加熱溶融物の断面積がさらに減少するため、溶融した被覆層１２の強化繊維束１１への含浸がさらに促進される。加えて、開繊部２５では、繊維強化プラスチック成形物が形成されるテーブル４０（成形物が積層して形成される場合はテーブル４０上に形成された先行の層）と開繊部２５との間で厚み方向に押圧されることにより強化繊維束１１が開繊され、開繊された強化繊維束１１に被覆層１２が効率よく含浸する。
上記各部の作用効果を発現させるために、成形材料である複合フィラメントの断面積をＸ、縮径部２２の最下流（最小内径部）における加熱溶融物の断面積をＹ、開繊部２５における成形物の断面積をＺとするとき、Ｘ＞Ｙ＞Ｚとする。なお、Ｙは、縮径部２２の最下流におけるノズル内径から求めることができる。
また、ノズル各部の寸法等について、強化繊維束や被覆層の種類などにもよるが、例えば、３Ｋの強化繊維束を用いる場合、含浸性の観点から以下のように設定することが好ましい。当業者であれば、強化繊維束や被覆層の種類などが異なる場合であっても、以下の例示から、容易に好適範囲を設定し得る。
縮径部２２の最上流におけるノズル内径Ｒ１としては、例えば、０．５〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。
同様に、縮径部２２の最下流におけるノズル内径Ｒ２は、例えば、０．５〜３ｍｍの範囲であることが好ましい。
ストレート部２３のノズル軸方向の距離Ｌは、例えば、０〜２０ｍｍの範囲であることが好ましい。
先端拡径部２４は、例えば、半径ｒが０．１〜５ｍｍのアール形状であることが好ましい。
開繊部２５とテーブル４０（成形物が積層して形成される場合はテーブル４０上に形成された先行の層）との間隔ｄは、例えば、０．１〜１ｍｍの範囲が好ましい。
縮径部２２の最上流におけるノズル内径Ｒ１としては、例えば、０．５〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。
同様に、縮径部２２の最下流におけるノズル内径Ｒ２は、例えば、０．５〜３ｍｍの範囲であることが好ましい。
ストレート部２３のノズル軸方向の距離Ｌは、例えば、０〜２０ｍｍの範囲であることが好ましい。
先端拡径部２４は、例えば、半径ｒが０．１〜５ｍｍのアール形状であることが好ましい。
開繊部２５とテーブル４０（成形物が積層して形成される場合はテーブル４０上に形成された先行の層）との間隔ｄは、例えば、０．１〜１ｍｍの範囲が好ましい。
図６では、ヒーター３０も併せて図示している。
このヒーター３０により、ノズル入口２１から供給された複合フィラメント１０が加熱されると、熱可塑性樹脂からなる被覆層１２が溶融する。
このヒーター３０により、ノズル入口２１から供給された複合フィラメント１０が加熱されると、熱可塑性樹脂からなる被覆層１２が溶融する。
複合フィラメント１０の被覆層１２は、縮径部２２において溶融するか、又は縮径部２２に至る以前に溶融している必要があるので、ヒーター３０は、少なくとも縮径部２２よりも上流側又は縮径部２２の周囲に配置する。
図６に示す例では、縮径部２２よりも上流側に配置している。
図６に示す例では、縮径部２２よりも上流側に配置している。
ヒーター３０としては、特に限定されず、例えば、カートリッジヒーター、バンドヒーター、コイルヒーターなどの任意の加熱手段が適用できる。
加熱温度は、通常、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高く、強化繊維束の融解温度よりも低くする。材料及び製造しようとする３Ｄ造形物の品質などに応じて適宜設定することができる。
加熱温度は、通常、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高く、強化繊維束の融解温度よりも低くする。材料及び製造しようとする３Ｄ造形物の品質などに応じて適宜設定することができる。
本発明の３Ｄプリンタにおいて、上記ノズル以外の構成は、基本的に、従来の３Ｄプリンタと同様の構成を採用することができる。
具体的には、例えば、３次元データを記憶する記憶部、記憶部に入力された３次元データに基づき、ノズル２０やテーブル４０などの動作を制御する制御部、造形物をテーブルにつき易くするためのテーブル加熱部などを備えることができる。
具体的には、例えば、３次元データを記憶する記憶部、記憶部に入力された３次元データに基づき、ノズル２０やテーブル４０などの動作を制御する制御部、造形物をテーブルにつき易くするためのテーブル加熱部などを備えることができる。
３Ｄプリンティングを行う際のノズル移動速度は、特に限定されるものではないが、本発明者の検討によれば、ノズル移動速度を遅くした方が、被覆層を構成する熱可塑性樹脂の強化繊維束への含浸性が高くなることが分かっている。
従って、ノズル移動速度については、含浸性と、生産効率を考慮し、適宜設定するのが良い。
従って、ノズル移動速度については、含浸性と、生産効率を考慮し、適宜設定するのが良い。
以下、実施例を用いて、本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法、ノズル及び３Ｄプリンタについて説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
本実施例１では、ＭＵＴＯＨ社製の３Ｄプリンタ「ＭＦ−１１００」を用いた。ただし、ノズルは、図６に示す構造のものに交換した。
本実施例１では、ＭＵＴＯＨ社製の３Ｄプリンタ「ＭＦ−１１００」を用いた。ただし、ノズルは、図６に示す構造のものに交換した。
強化繊維束は、東レ社製炭素繊維「Ｔ３００Ｂ−３０００−５０Ｂ」を用いた。
この強化繊維束の周囲を、東レ社製ナイロン糸ＰＡ６（６ナイロン）樹脂（７０ｄ・２−２４ｆ−ＶＦ５５５−ＢＣ）を用いて緯編みすることにより、図２〜４に示す構造の複合フィラメントを作製した。複合フィラメントの写真を図７に示す。
複合フィラメントの外径は、約１．１ｍｍ（真円ではない）であった。
この強化繊維束の周囲を、東レ社製ナイロン糸ＰＡ６（６ナイロン）樹脂（７０ｄ・２−２４ｆ−ＶＦ５５５−ＢＣ）を用いて緯編みすることにより、図２〜４に示す構造の複合フィラメントを作製した。複合フィラメントの写真を図７に示す。
複合フィラメントの外径は、約１．１ｍｍ（真円ではない）であった。
複合フィラメントを作製後、サイジング剤除去のために、アセトンに６０分間の漬け置き洗浄を行った。この複合フィラメントは、強化繊維を樹脂糸で覆っているため、サイジング剤が無くても強化繊維を繊維束の状態で保つことが可能である。洗浄後、８０℃の炉で８時間放置し、樹脂を乾燥させてから３Ｄプリンタでの試験片作製を行った。
３Ｄプリンタでの試験片作製の様子を図８に示す。
試験片作製では、ノズル移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎとし、１００ｍｍ×１０ｍｍの一方向に炭素繊維を配向した単層の試験片を作製した。
実施例１の試験片の厚さは０．２４ｍｍであった。
３Ｄプリンタでの試験片作製の様子を図８に示す。
試験片作製では、ノズル移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎとし、１００ｍｍ×１０ｍｍの一方向に炭素繊維を配向した単層の試験片を作製した。
実施例１の試験片の厚さは０．２４ｍｍであった。
なお、実施例１において、成形材料として用いた複合フィラメント１０の断面積をＸ、縮径部２２の最下流における加熱溶融物の断面積をＹ、開繊部２５における成形物の断面積をＺとするとき、
Ｘ＝０．９５ｍｍ2
Ｙ＝０．７９ｍｍ2
Ｚ＝０．３５ｍｍ2
であった。
Ｘ＝０．９５ｍｍ2
Ｙ＝０．７９ｍｍ2
Ｚ＝０．３５ｍｍ2
であった。
また、ノズル各部の寸法等は以下のとおりであった。
縮径部２２の最上流におけるノズル内径Ｒ１：３．５ｍｍ
縮径部２２の最下流におけるノズル内径Ｒ２：１．０ｍｍ
ストレート部２３のノズル軸方向の距離Ｌ：０．８ｍｍ
先端拡径部２４：半径ｒが２．０ｍｍのアール形状
試験片作製時における開繊部２５とテーブル４０（成形物積層時はテーブル４０上に形成された先行の層）との間隔ｄ：０．２ｍｍ
縮径部２２の最上流におけるノズル内径Ｒ１：３．５ｍｍ
縮径部２２の最下流におけるノズル内径Ｒ２：１．０ｍｍ
ストレート部２３のノズル軸方向の距離Ｌ：０．８ｍｍ
先端拡径部２４：半径ｒが２．０ｍｍのアール形状
試験片作製時における開繊部２５とテーブル４０（成形物積層時はテーブル４０上に形成された先行の層）との間隔ｄ：０．２ｍｍ
〔実施例２〜４〕
ノズル移動速度を変更したこと以外は実施例１と同様にして、試験片を作製した。
実施例２ではノズル移動速度４０ｍｍ／ｍｉｎとし、実施例３ではノズル移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎとし、実施例４ではノズル移動速度４００ｍｍ／ｍｉｎとした。
実施例２〜４の各試験片の厚さは、それぞれ０．２６ｍｍ、０．２８ｍｍ、０．２９ｍｍであった。
ノズル移動速度を変更したこと以外は実施例１と同様にして、試験片を作製した。
実施例２ではノズル移動速度４０ｍｍ／ｍｉｎとし、実施例３ではノズル移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎとし、実施例４ではノズル移動速度４００ｍｍ／ｍｉｎとした。
実施例２〜４の各試験片の厚さは、それぞれ０．２６ｍｍ、０．２８ｍｍ、０．２９ｍｍであった。
〔実施例１〜４の各試験片についての評価〕
＜Ｖｆ＞
実施例１〜４の各試験片のＶｆを測定したところ、実施例１は４１．２％、実施例２は４３．２％、実施例３は４０．７％、実施例４は４１．４％であった。これらの結果より、本発明によれば、高いＶｆが達成できることが分かった。
なお、Ｖｆは、ＪＩＳ７０７５に準拠した燃焼法により測定した。
＜Ｖｆ＞
実施例１〜４の各試験片のＶｆを測定したところ、実施例１は４１．２％、実施例２は４３．２％、実施例３は４０．７％、実施例４は４１．４％であった。これらの結果より、本発明によれば、高いＶｆが達成できることが分かった。
なお、Ｖｆは、ＪＩＳ７０７５に準拠した燃焼法により測定した。
＜ＳＥＭ画像及び含浸率＞
実施例１〜４の各試験片断面のＳＥＭ画像を図９〜１２に示す。
試験片断面における樹脂の存在する部分の面積の割合を含浸率とし、ＳＥＭ画像より測定したところ、それぞれ、９８％、７８％、６３％、５２％であった。特に実施例１の試験片においては、ほぼ完全に樹脂が含浸していると評価できるものであった。
これらの結果から、ノズル移動速度が遅いほど樹脂の含浸性が高くなる傾向が認められた。
実施例１〜４の各試験片断面のＳＥＭ画像を図９〜１２に示す。
試験片断面における樹脂の存在する部分の面積の割合を含浸率とし、ＳＥＭ画像より測定したところ、それぞれ、９８％、７８％、６３％、５２％であった。特に実施例１の試験片においては、ほぼ完全に樹脂が含浸していると評価できるものであった。
これらの結果から、ノズル移動速度が遅いほど樹脂の含浸性が高くなる傾向が認められた。
＜引張試験＞
実施例１〜４の各試験片について引張試験を行った。
チャック掴み部にはボール紙のタブをエポキシ系接着剤で接着した。タブの形状は２５ｍｍ×１０ｍｍ×０．５５ｍｍとした。試験片形状を図１３に示す。試験機は万能試験機（ＡＵＴＯＧＲＡＰＨ ＡＧ−Ｉ １００ｋＮ）を用い、試験速度は１ｍｍ／ｍｉｎとした。
実施例１〜４の各試験片について引張試験を行った。
チャック掴み部にはボール紙のタブをエポキシ系接着剤で接着した。タブの形状は２５ｍｍ×１０ｍｍ×０．５５ｍｍとした。試験片形状を図１３に示す。試験機は万能試験機（ＡＵＴＯＧＲＡＰＨ ＡＧ−Ｉ １００ｋＮ）を用い、試験速度は１ｍｍ／ｍｉｎとした。
実施例１〜４の各試験片について、引張強度を図１４に示す。
図１４より、ノズル移動速度が遅いほど引張強度が高くなることが分かり、特に、２０ｍｍ／ｍｉｎでは６９４ＭＰａとなった。
含浸済みフィラメントを用いた市販のＣＦＲＰ作製可能３Ｄプリンタの引張強度は４６４ＭＰａと報告されている（Frank van der Klift, Yoichiro Koga, Akira Todoroki, Masahito Ueda, Yoshiyasu Hirano, Ryosuke Matsuzaki:Open Journal of Composite Materials, 6 (2016)）。
従って、ノズル移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎとして、複合フィラメントを用いて３Ｄプリンタで材料作製を行った場合、事前に含浸させることなく市販の含浸フィラメント以上の強度を得ることができることが分かった。
図１４より、ノズル移動速度が遅いほど引張強度が高くなることが分かり、特に、２０ｍｍ／ｍｉｎでは６９４ＭＰａとなった。
含浸済みフィラメントを用いた市販のＣＦＲＰ作製可能３Ｄプリンタの引張強度は４６４ＭＰａと報告されている（Frank van der Klift, Yoichiro Koga, Akira Todoroki, Masahito Ueda, Yoshiyasu Hirano, Ryosuke Matsuzaki:Open Journal of Composite Materials, 6 (2016)）。
従って、ノズル移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎとして、複合フィラメントを用いて３Ｄプリンタで材料作製を行った場合、事前に含浸させることなく市販の含浸フィラメント以上の強度を得ることができることが分かった。
〔実施例５〕
実施例１と同様にして、様々な形状の成形物の作製を行った。成形の際のノズル移動速度は、２０ｍｍ／ｍｉｎである。
図１５に、０°方向，９０°方向の一方向材を交互に積層した１００×１００ｍｍの４層の平板を示す。
図１６に、半径５０ｍｍ，厚さ１２．５ｍｍの円筒を示す。
図１７に、四角い枠内に文字（ＤＯＳＨＩＳＨＡ）を描いたものを示す。
また、図１７の成形品を作製した際のノズルの軌跡を図１８に示す。
これらの写真に見るように、本発明によれば、様々な３次元形状を造形できることが確認できた。
実施例１と同様にして、様々な形状の成形物の作製を行った。成形の際のノズル移動速度は、２０ｍｍ／ｍｉｎである。
図１５に、０°方向，９０°方向の一方向材を交互に積層した１００×１００ｍｍの４層の平板を示す。
図１６に、半径５０ｍｍ，厚さ１２．５ｍｍの円筒を示す。
図１７に、四角い枠内に文字（ＤＯＳＨＩＳＨＡ）を描いたものを示す。
また、図１７の成形品を作製した際のノズルの軌跡を図１８に示す。
これらの写真に見るように、本発明によれば、様々な３次元形状を造形できることが確認できた。
本発明にかかる繊維強化プラスチック成形物の製造方法、ノズル及び３Ｄプリンタは、繊維強化熱可塑性プラスチック成形物の３Ｄプリンティングに好適に利用することができ、特に得られる繊維強化熱可塑性プラスチックのＶｆが高いため、各種用途への応用可能性が高い。
１０ 複合フィラメント
１１，１１ａ，１１ｂ 強化繊維束
１２ 被覆層
１３ 熱可塑性樹脂の糸
２０ ノズル
２１ ノズル入口
２２ 縮径部
２３ ストレート部
２４ 先端拡径部
２５ 開繊部
３０ ヒーター
４０ テーブル
１１，１１ａ，１１ｂ 強化繊維束
１２ 被覆層
１３ 熱可塑性樹脂の糸
２０ ノズル
２１ ノズル入口
２２ 縮径部
２３ ストレート部
２４ 先端拡径部
２５ 開繊部
３０ ヒーター
４０ テーブル
Claims (6)
- ３Ｄプリンタを用いて繊維強化プラスチック成形物を製造するに当たり、フィラメントとして、複数の連続繊維からなる強化繊維束と、熱可塑性樹脂からなり前記強化繊維束の周囲を覆う被覆層とを備える複合フィラメントを用いることを特徴とする、繊維強化プラスチック成形物の製造方法。
- 前記複合フィラメントを加熱して前記被覆層を溶融させた加熱溶融物を３Ｄプリンタ用のノズルから吐出する際に、前記加熱溶融物を厚み方向に押圧して当該加熱溶融物内の前記強化繊維束を開繊する、請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形物の製造方法。
- ３Ｄプリンタ用のノズルとして、
下流側に向けて徐々に内径が縮小する縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ、ノズル開口を外方に拡げる先端拡径部と、
前記先端拡径部のさらに下流側に設けられ、前記加熱溶融物を厚み方向に押圧して当該加熱溶融物中の前記強化繊維束を開繊する開繊部と
を備えるノズルを用いる、請求項２に記載の繊維強化プラスチック成形物の製造方法。 - 成形材料として用いる前記複合フィラメントの断面積をＸ、前記縮径部の最下流における加熱溶融物の断面積をＹ、前記開繊部における成形物の断面積をＺとするとき、Ｘ＞Ｙ＞Ｚとなる条件で繊維強化プラスチック成形物の造形を行う、請求項３に記載の繊維強化プラスチック成形物の製造方法。
- 請求項２に記載の繊維強化プラスチック成形物の製造方法に用いられる３Ｄプリンタ用のノズルであって、
下流側に向けて徐々に内径が縮小する縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ、ノズル開口を外方に拡げる先端拡径部と、
前記先端拡径部のさらに下流側に設けられ、前記加熱溶融物を厚み方向に押圧して当該加熱溶融物中の前記強化繊維束を開繊する開繊部と
を備える、ノズル。 - 請求項５に記載のノズルを備える、３Ｄプリンタ。
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|---|---|---|---|
| JP2016239221A JP2018094746A (ja) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 繊維強化プラスチック成形物の製造方法、これに用いるノズル及び３ｄプリンタ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114450144A (zh) * | 2019-09-26 | 2022-05-06 | 京洛株式会社 | 热熔融式三维打印机用粒状体、造形物的制造方法、以及丝状体 |
-
2016
- 2016-12-09 JP JP2016239221A patent/JP2018094746A/ja active Pending
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| CN113715330B (zh) * | 2021-09-02 | 2022-07-08 | 北京理工大学 | 一种层间贯穿的连续纤维复合材料增材制造设备及方法 |
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