JP2018111304A - 立体造形用樹脂粉末、立体造形物及び立体造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、PBF方式装置にてそのような樹脂を使うには、通常の粉末とは異なり高い流動性や過熱に対する熱安定性などが必要であり、従来の樹脂ペレットを粉砕しただけでは使用できない場合が多い。特に流動性は、前記積層工程において平滑な粉末層を形成するために重要な特性である。流動性が不充分だと積層位置によって粉のつまり具合にムラが生じ、空隙を多く含む粉末層を局所的に形成することがある。それらの空隙は、レーザーを照射して造形する際に、造形物中の空孔を形成することにつながり、造形物の機械的特性を低下させる。また、積層表面の平滑性が低いと造形物表面の平滑性も低下し、造形物寸法精度は低下する。
以下、本発明における一実施形態について説明する。
本実施形態の立体造形用樹脂粉末は、樹脂粒子を有し、結晶性を有する熱可塑性樹脂組成物を含むことが好ましい。結晶性を有する熱可塑性樹脂組成物は、熱可塑性を有する結晶性樹脂(結晶性熱可塑性樹脂などとも称する)ともいえ、JISL7121(プラスチック転移温度測定方法:ISO3146)の測定を実施した場合に、融解ピークが存在するものをいう。
また、本実施形態の立体造形用樹脂粉末は細孔構造を持っていても良い。
ポリアミドとしては、PA410、PA6、PA66、PA610、PA612、PA11、PA12、といったものの他、半芳香族性のPA4T、PAMXD6、PA6T、PA9T、PA10T等が挙げられる。例えばPA9Tは、ポリノナメチレンテレフタルアミドとも呼ばれ、炭素が9つのジアミンにテレフタル酸モノマーから構成され、一般的にカルボン酸側が芳香族であるため半芳香族という。さらには、ジアミン側も芳香族である全芳香族としてp−フェニレンジアミンとテレフタル酸モノマーからできるアラミドと呼ばれるものも本実施形態のポリアミドに含まれる。
充填材の形状としては、例えば、10μm以下の微粒子状、繊維状、針状、ビーズ状等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
流動化剤としては、アルミナ、ガラス様シリカ、チタニア、水和シリカ、シリカ表面上にシランカップリング剤で変性させたもの、ケイ酸マグネシウム等が挙げられる。また、強度向上の強化剤として、ガラスフィラーやガラスビーズ、カーボンファイバー、アルミボール等を含有させてもよい。
本実施形態の立体造形用樹脂粉末の製造方法は、適宜選択することが可能である。例えば、樹脂を凍結させ、粉砕する凍結粉砕が挙げられる。また、この他にも、樹脂を押し出し加工機により繊維状に伸ばしカットする方法(繊維カット法などとも称する)や、重合法なども挙げられる。
粉砕装置としては、適宜変更することが可能であるが、例えば、ピンドミル、カウンタージェットミル、バッフルプレート衝撃粉砕機等が挙げられる。
なお、粉砕前や粉砕後に、前述したような結晶化を制御する処理を行ってもよい。
本実施形態の立体造形物の製造方法は、上記立体造形用樹脂粉末からなる粉末材料層を形成する工程と、前記粉末材料層を溶融させる工程と、を有し、これらの工程を繰り返して立体造形物を形成する。
立体造形用樹脂粉末の赤外吸収特性を増強させる物質としては、例えば熱吸収剤や暗色物質(カーボンファイバー、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、セルロースナノファイバー等)等が挙げられる。
なお、オレンジピールとは一般にPBF方式でのレーザー焼結により形成される立体造形物の表面上に不適切な粗面、又は空孔問題やゆがみ問題のような表面欠陥の存在を指し、例えば空孔は美観を示すだけでなく機械的強度にも著しく影響を及ぼす。
また、本実施形態の立体造形物は、焼結中から焼結後の冷却時の間に、発生する相変化による反りや歪み、発煙したりするようなプロセス特性を示さず有利である。
PBF方式やSLS方式、SMS方式については、FDM(Fused Deposition Modeling)やインクジェット方式と比較し、強度が優れることが期待されるため、実用の製品としても使用に耐えると期待できる。生産スピードは、射出成型のような大量に生産する方法よりも落ちると考えられるが、例えば小さい部品を平面状に大量に作ることで必要な生産量を達成することができる。また、射出成型のような金型を必要としないため、試作及びプロトタイプの作製においては、圧倒的なコスト削減と納期削減を達成できる。
PBT樹脂(ポリプラスチックス製)を粉砕目標粒径65μmで凍結粉砕し、PBT樹脂粉末を得た。得られたPBT樹脂粉末を200メッシュ(目開き75μm)で粗大粉を除去し、立体造形用樹脂粉末を得た。なお、凍結粉砕は大阪ガスリキッド社(大阪府堺市)で実施し、凍結粉砕条件は、粉砕出口温度:−100〜−120℃、粉砕装置周速:80.0m/sに設定した。
得られた立体造形用樹脂粉末について下記の測定を行い、粒径25μm以下の樹脂粒子の含有量、粒径32μm以下の樹脂粒子の含有量、個数粒子径分布から算出した粒径2μm以下の樹脂粒子の個数含有量、体積平均粒径(Dv)、比表面積を求めた。結果を表1に示す。
実施例1で得られた立体造形用樹脂粉末を400メッシュ(目開き34μm)で微粉を除去し、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例1において、粉砕目標粒径を70μmに変更した以外は、実施例1と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例1において、粉砕目標粒径を100μmに設定し、200メッシュでの粗大粉除去を実施しなかった以外は実施例1と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例4において、PBT樹脂をPA12樹脂(ダイセルエボニック製)に変更した以外は、実施例4と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例4において、PBT樹脂をPA66樹脂(旭化成製)に変更した以外は、実施例4と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
PBT樹脂(ポリプラスチックス製)を押し出し加工機(日本製鋼所製)を用いて、融点より30℃高い温度にて撹拌後、ノズル口が円形形状のものを用い、繊維状に立体造形用樹脂溶解液を伸ばした。ノズルから出る糸の本数は100本にて実施した。4倍程度延伸し、繊維直径が55μmにて精度が±4μmの繊維にした後に、0.06mm(60μm)で押し切り方式の裁断装置(荻野精機製作所製、NJシリーズ1200型)を用いて裁断し、立体造形用樹脂粉末を得た。
PA12樹脂の市販粉末(ダイセルエボニック製重合法粉末)を購入して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例1において、PBT樹脂をタルク30%含有PP樹脂(出光ライオンコンポジット製)に変更した以外は、実施例1と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
PA12樹脂の市販粉末(EOS製PA2200)を購入して、立体造形用樹脂粉末を得た。
PBT樹脂(ポリプラスチックス製)を押し出し加工機(日本製鋼所製)を用いて、融点より30℃高い温度にて撹拌後、ノズル口が円形形状のものを用い、繊維状に立体造形用樹脂溶解液を伸ばした。ノズルから出る糸の本数は100本にて実施した。4倍程度延伸し、繊維直径が90μmにて精度が±4μmの繊維にした後に、0.09mm(90μm)で押し切り方式の裁断装置(荻野精機製作所製、NJシリーズ1200型)を用いて裁断し、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例8の立体造形用樹脂粉末を330メッシュ(目開き45μm)の金属網で篩い、篩下から立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例1において、粉砕目標粒径を60μmに変更した以外は、実施例1と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例1において、粉砕目標粒径を50μmに変更した以外は、実施例1と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例1において、粉砕目標粒径を40μmに変更した以外は、実施例1と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
実施例9において、粉砕目標粒径を50μmに変更した以外は、実施例9と同様な処理を実施して、立体造形用樹脂粉末を得た。
<粒度測定>
日機装社のマイクロトラックMT3300EXIIを使用し、樹脂ごとの粒子屈折率を使用して測定した。例えばPBTでは、屈折率の値を1.57に設定した。測定時に溶媒は使用せず、乾式(大気)法で測定を実施した。
シスメックス製フロー式粒子像分析装置FPIA−3000Sを使用し、個数粒子径分布を測定した。測定溶液の分散は超音波処理で5分間実施した。また、測定レンジを0.5〜200μmに設定し、粉体粒子カウント数が3,000個以上をカウントする状態にて、粒子形状画像を取得し、個数粒子径分布を得た。粒子径0.5〜3.0μmまでの累積含有量を粒径2μm以下の個数含有量とした。
島津製作所製自動比表面積測定装置ジェミニVII2390を使用し、比表面積を測定した。前処理は、80℃真空減圧下で5時間以上実施した。サンプル充填量は、サンプルの総比表面積値が0.01m2/g以上になるように設定し、測定温度は液体窒素温度で実施した。測定気体にはクリプトンを使用して測定は2回実施し、比表面積の算出は多点法で行い、その平均値を測定値とした。
SLS製造装置であるリコー社製AMS5500P(図1参照)を使用し、積層工程におけるリコート性の評価を実施した。図1に示されるように、供給槽5の温度を上げていき、ローラ4で上記得られた立体造形用樹脂粉末をレーザー走査スペース6に供給し、粉末材料層を形成したときの積層表面の平滑性を評価した。リコート性の評価は、室温、室温〜100℃、100℃〜200℃、100℃〜(融点−15)℃、200℃〜(融点−15)℃の温度条件で評価を行った。前記融点は各立体造形用樹脂粉末の融点を表す。
なお、樹脂粉末の前処理は、45℃真空減圧下で8時間実施した。積層設定条件は、積層厚さを0.1mm、リコート速度を10cm/sとした。
○:積層表面に小さななみが発生
△:積層表面に小さなくぼみ、なみが発生
×:積層表面にひび割れ、ダマ、大きなくぼみが発生
なお、表2のリコート性の評価において、立体造形用樹脂粉末の融点が200℃を超える場合、「100℃〜(融点−15)℃」の評価は「100℃〜200℃」の評価に含まれるので、「100℃〜(融点−15)℃」の欄を「−」としている。
また、融点が100℃〜200℃である場合、「100℃〜200℃」及び「200℃〜(融点−15)℃」は融点を超える温度が生ずるので、評価を行わず、「100℃〜200℃」の欄及び「200℃〜(融点−15)℃」の欄を「−」としている。
2 反射鏡
3 ヒーター
4 ローラ
5 供給槽
6 レーザー走査スペース
Claims (11)
- 樹脂粒子を有する立体造形用樹脂粉末であって、
粒径25μm以下の前記樹脂粒子の含有量が前記立体造形用樹脂粉末に対して4重量%以下であることを特徴とする立体造形用樹脂粉末。 - 粒径32μm以下の前記樹脂粒子の含有量が前記立体造形用樹脂粉末に対して2重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の立体造形用樹脂粉末。
- 個数粒子径分布から算出した粒径2μm以下の前記樹脂粒子の個数含有量が前記立体造形用樹脂粉末に対して30個数%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の立体造形用樹脂粉末。
- 体積平均粒子径(Dv)が40〜100μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の立体造形用樹脂粉末。
- BET法で測定した比表面積が0.06〜5.8m2/gであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の立体造形用樹脂粉末。
- 前記樹脂粒子は結晶性を有する熱可塑性樹脂組成物を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の立体造形用樹脂粉末。
- 前記結晶性を有する熱可塑性樹脂組成物が、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリアリールケトン、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー(LCP)、ポリアセタール、ポリイミド及びフッ素樹脂から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項6に記載の立体造形用樹脂粉末。
- 無機材料からなる充填材を含み、該充填材の含有量が前記立体造形用樹脂粉末に対して0.1〜95重量%であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の立体造形用樹脂粉末。
- 前記充填材が層状珪酸塩、カーボン、ガラス、金属及び金属酸化物から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項8に記載の立体造形用樹脂粉末。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の立体造形用樹脂粉末からなることを特徴とする立体造形物。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の立体造形用樹脂粉末からなる粉末材料層を形成する工程と、前記粉末材料層を溶融させる工程と、を有し、これらの工程を繰り返して立体造形物を形成することを特徴とする立体造形物の製造方法。
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