JP2019155691A - 三次元積層造形方法および三次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性樹脂の高強度・高耐熱性を併せ持ち、かつ、層間の融着強度を向上させた三次元積層造形物を製造するための装置および方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る三次元積層造形方法は、プラットフォーム３上に樹脂層１０ａ、１０ｂを積層して三次元形状の積層体１０を造形する方法であって、結晶性熱可塑性樹脂を材料とし、プラットフォーム３上に、加熱溶融させた材料を吐出して樹脂層１０ａを積層させ、吐出後、所定時間内に、樹脂層１０ａを材料のガラス転移温度以下まで冷却するとともに、樹脂層１０ａを積層させる際、下地となる樹脂層１０ｂのうち、次層の材料が吐出される直前の積層直前部分Ａを局所的に再加熱して積層体を形成し、積層体を材料のガラス転移温度より高く、材料の融点よりも低い温度でアニールする。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元積層造形方法および三次元積層造形装置に関するものである。

複雑構造および多品種少量生産に対応するためにＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）方式の三次元積層造形装置を利用した構造体が提案されている（特許文献１参照）。

三次元積層造形装置は、三次元データを元に一層一層、樹脂や金属などの材料を少しづつ「積層」しながら、立体物を造形する装置である。ＦＦＦ方式では、主に溶かした非晶質性樹脂を押し出しながら積層する。

特表２０１７−５０２８５２号公報（図３、表２）

三次元積層造形装置で造った造形物は、積層方向強度が低くなるという課題がある。よって、三次元積層造形装置で造った造形物のみで部品を構成した場合、強度が設計要求値を下回る場合がほとんどであり、航空機部品等への適用が難しい。

特に、ＦＦＦ方式では、積層高さ方向の強度が低い。積層高さ方向強度は、１層毎の融着強度である。特許文献１では、結晶性樹脂を用いて三次元積層体を製造しているが、結晶性樹脂は一般に融着性が悪いため、下層と上層が接着しにくい。

特許文献１では、結晶性樹脂に非晶質性樹脂を混ぜ込むことによって、結晶化度を下げることで、結晶化に伴う成形収縮を低減し、造形物の反りを防止している。

しかしながら、非晶質性樹脂を混ぜることは、結晶性樹脂の利点である高強度・高耐熱性を失わせるとともに、材料選択を著しく限定する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、結晶性樹脂の高強度・高耐熱性を併せ持ち、かつ、層間の融着強度を向上させた三次元積層造形物を製造するための装置および方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の三次元積層造形方法および三次元積層造形装置は以下の手段を採用する。

本発明は、プラットフォーム上に樹脂層を積層して三次元形状の積層体を造形する方法であって、結晶性熱可塑性樹脂を材料とし、前記プラットフォーム上に、加熱溶融させた前記材料を吐出して前記樹脂層を積層させ、前記吐出後、所定時間内に、前記樹脂層を前記材料のガラス転移温度以下まで冷却するとともに、前記樹脂層を積層させる際、下地となる樹脂層のうち、次層の前記材料が吐出される直前の積層直前部分を局所的に再加熱して積層体を形成し、前記積層体を前記材料のガラス転移温度より高く、前記材料の融点よりも低い温度でアニールする三次元積層造形方法を提供する。

また、本発明は、プラットフォームと、結晶性熱可塑性樹脂を溶融可能な加熱部および前記プラットフォーム上に加熱溶融させた前記結晶性熱可塑性樹脂を吐出して樹脂層を積層させる吐出ヘッドを有する樹脂供給部と、前記吐出後、所定時間内に、前記樹脂層をガラス転移温度以下まで冷却する冷却部と、前記樹脂層を積層させる際、下地となる樹脂層のうち、次層の前記結晶性熱可塑性樹脂が吐出される直前の積層直前部分を局所加熱可能な再加熱部と、を備えた三次元積層造形装置を提供する。

結晶性熱可塑性樹脂は融点以上に加熱することで溶融する。溶融した結晶性熱可塑性樹脂は、プラットフォーム上に吐出され樹脂層となる。結晶性熱可塑性樹脂の結晶化度速度は、結晶化温度で最大となり、ガラス転移温度（Ｔｇ）付近で０となる。吐出した材料（樹脂層）を所定時間内にガラス転移温度以下まで冷却すると、結晶化が進行する時間が短いため、結果として結晶化度が低くなり非晶質部分が増える。これにより、分子鎖の絡み合いおよび融着界面への球晶成長を促し、積層された樹脂層間の融着強度を向上させることができる。具体的には、所定時間２秒以内で急冷するとよい。

結晶性熱可塑性樹脂は、結晶化度が高いほど弾性率・強度といった機械特性が向上する。積層体を上記温度範囲でアニールすることで、非結晶部分を結晶化させることができる。これにより、物理的・化学的特性の向上、および、内部ひずみ開放による寸法安定性を向上させられる。

非晶化のために冷却が必要である一方、下地となる樹脂層の温度が低すぎた場合、積層された樹脂層同士は融着できない。上記発明では、樹脂層を積層させる際、前層（下地となる樹脂層）のうち、積層直前部分を局所的に再加熱することで、前層と次層とを融着させることができる。

本発明によれば、造形中の結晶性熱可塑性樹脂の結晶化度を低く保つようにすることで、結晶性熱可塑性樹脂の高強度・高耐熱性を持ちつつも、樹脂層間の融着強度を向上させた三次元積層造形物を製造することができる。

本発明の一実施形態に係る三次元積層造形装置の概略図である。 アニール処理を説明する図である。 冷却速度と造形可否との関係を示す図である。

以下に、本発明に係る三次元積層造形装置および三次元積層造形方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。

三次元積層造形装置１は、チャンバー２、プラットフォーム３、樹脂供給部４、冷却部５、再加熱部６、温度計測部７および制御部８を備えている。

チャンバー２は、造形物（積層体）１０およびプラットフォーム３を収容可能な閉鎖型の筐体である。

プラットフォーム３は、平坦面３ａを有している。平坦面３ａは水平に配置されている。プラットフォーム３の平坦面３ａ上に造形物１０が層ごとにプリントされる。

樹脂供給部４は、造形物１０の材料を溶融させる加熱部（不図示）と、溶融させた材料をプラットフォーム３上に吐出する（押し出す）吐出ヘッド４ａと、を有している。加熱部は、ヒータ等である。

吐出ヘッド４ａは、溶融させた材料を押し出し、プラットフォーム３上に樹脂層（造形物の層）１０ａ、１０ｂを積層させることができる。吐出ヘッド４ａは、プラットフォーム３の平坦面３ａに並行してｘ−ｙ平面に移動できるよう構成されている。また、吐出ヘッド４ａは、鉛直方向（ｚ軸）に沿って移動できるよう構成されている。

代替的な実施形態において、プラットフォーム３がｘ−ｙ平面および／またはｚ軸に沿って移動するような構成としてもよい。他の代替的な実施形態において、吐出ヘッド４ａおよびプラットフォーム３がそれぞれ互いに対して可動であるような構成であってもよい。吐出ヘッド４ａおよび／またはプラットフォーム３を移動させる構成は、既存の移動機構を採用できる。

冷却部５は、送風機等である。図１では、送風機を用いて樹脂層１０ａ、１０ｂに風（Ｗ）を当てている。冷却部５は、樹脂層１０ａ、１０ｂ、特に樹脂層１０ａのように新しく積層され凝固が進行している領域を冷却するよう、チャンバー２内に取り付けられている。冷却部５は、必要に応じて複数設置されてもよい。冷却部５は、所望の速度で樹脂層温度を低下させられるよう冷却速度調整部（不図示）を有していることが望ましい。

再加熱部６は、赤外線加熱（ＩＲ）装置またはレーザ加熱装置等である。再加熱部６は、吐出ヘッド４ａによって赤外線またはレーザの光路（Ｌ）が妨げられないように、チャンバー内に取り付けられている。また、再加熱部６は、吐出ヘッド４ａの進路前方で、下地となる樹脂層（前層）のうちの積層直前部分Ａのみを局所的に再加熱できる。加熱スポット径が溶融樹脂のストランド直径となるようビーム径を絞ることが望ましい。

温度計測部７は、赤外線カメラ等の非接触温度計測装置である。

制御部８は、三次元積層造形装置の各要素を監視および操作するよう構成された情報処理装置である。制御部８は、三次元データに基づいて吐出ヘッド４ａ（および／またはプラットフォーム３）の動き、樹脂の押し出し量等を制御する。また、制御部８は、温度計測部７の計測結果に応じて冷却部５による冷却速度を調整する。制御部８は、吐出ヘッドの動作に応じて、再加熱部６による再加熱位置等を制御する。

情報処理装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

次に、三次元積層造形装置１を用いて造形物を製造する方法について説明する。

造形物の材料としては、結晶性熱可塑性樹脂を用いる。結晶性熱可塑性樹脂は、例えば、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）である。ＰＡＥＫには、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）等が含まれる。

樹脂供給部４にフィラメント状の材料を入れ、加熱部で材料を加熱溶融させる。溶融させた材料を吐出ヘッド４ａから吐出させ（押し出し）、プラットフォーム３上に樹脂層１０ａ、１０ｂを一層一層積層させる。図１において樹脂層１０ｂは、複数の樹脂層が積層された積層体である。

樹脂層１０ａ、１０ｂを積層させている間、冷却部５により樹脂層１０ａ、１０ｂを冷却する。特に、吐出ヘッド４ａから押し出された材料（新たに積層される樹脂層１０ａ）を冷却部５により急冷する。「急冷」とは、材料の吐出後、所定時間内に、材料のＴｇ以下まで冷却することを意味する。所定時間は、材料がＰＥＥＫの場合、２秒以内である。最適な所定時間は、予備試験の結果に基づき設定され得る。例えば、樹脂層１０ａ、１０ｂの結晶化度が、十分な時間高温保持しアニールを行った場合の結晶化度（ＰＥＥＫでは約５０％）の１／３以下に抑えられる冷却条件を予備試験にて得ておき、該冷却条件を満たすように急冷する。吐出ヘッド４ａから押し出された材料が積層前に固まらないよう、吐出前の材料は融点以上の温度を維持する。

一方、２層目以降（次層）の樹脂層１０ａを積層させる際、再加熱部により積層直前部分Ａを局所的に再加熱する。再加熱は、再加熱した部分上に次層の材料が積層される際に、積層直前部Ａの表面温度が式（１）、（２）を満たすよう実施する。
材料（樹脂）の融点温度−積層直前部Ａの表面温度＜ΔＴ・・・（１）
ΔＴ＝吐出された直後の材料温度−材料（樹脂）の融点・・・（２）
＊吐出された直後の材料温度＝吐出ヘッド温度としてもよい。

積層直前部分Ａは、次層の材料が吐出される直前の前層（下地となる樹脂層１０ｂ）領域である。

局所的に再加熱する方法としては、スポットをストランド径まで絞ったＩＲ照射およびレーザ照射が考えられる。

冷却速度及び再加熱位置等は、温度計測部により計測した樹脂層１０ａ、１０ｂの温度に基づいて制御するとよい。

樹脂層１０ａ、１０ｂを積層してなる積層体（造形物）１０は、アニールすることが望ましい。アニール温度は、材料のＴｇより高く、材料の融点より低い温度とする。例えば、ＰＥＥＫのＴｇはおよそ１４０℃〜１５０℃、融点はおよそ３４０℃〜３５０℃である。より具体的には、ＰＥＥＫ４５０Ｇ（Ｖｉｃｔｒｅｘ社製）のＴｇは１４３℃、融点は３４３℃である。

アニールは、三次元積層造形装置のチャンバー内部で行ってもよいし、図２に示すように外部に別途設置されたオーブン１１等を用いて支持台１２で支持した造形物１０（積層体）全体を高温保持するようにしてもよい。アニールは、上記温度範囲とする他は、材料の特性向上等を目的として金属またはプラスチックに施される一般的なアニール処理と同様に実施できる。

図３に、冷却速度と造形可否との関係を示す。同図において、横軸は吐出ヘッドから押し出されてからの時間（秒）、縦軸は樹脂温度（℃）である。

図３の試験条件は、以下の通りである。
材料：ＰＥＥＫ
（Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＥＫ４５０Ｇ、結晶化温度は３００℃前後）
ヘッド温度：４００℃
ノズル先端穴径：０．５ｍｍ
プラット―フォーム温度：１００℃
積層速度：１０ｍｍ／ｓ
送風機の風速：０ｍ／ｓ〜１．８６ｍ／ｓ

図３の試験では、送風機を用いて所定の風速で樹脂層に風を当てて空冷した。風速が０．４ｍ／ｓより遅い冷却（図３の一点鎖線）では、前層の結晶化が進行するため次層の樹脂層と融着せず、造形できなかった。一方、風速０．４ｍ／ｓで冷却した場合（図３の実線）、造形可能であることが確認された。図３によれば、吐出後、Ｔｇ以上に滞在する時間を２秒以内にすることで、前層と次層の樹脂層間を融着させられることがわかる。

１ 三次元積層造形装置
２ チャンバー
３ プラットフォーム
３ａ 平坦面
４ 樹脂供給部
４ａ 吐出ヘッド
５ 冷却部
６ 再加熱部
７ 温度計測部
８ 制御部
１０ 造形物（積層体）
１０ａ、１０ｂ 樹脂層
１１ オーブン
１２ 支持台

Claims (3)

1. プラットフォーム上に樹脂層を積層して三次元形状の積層体を造形する方法であって、
   結晶性熱可塑性樹脂を材料とし、
   前記プラットフォーム上に、加熱溶融させた前記材料を吐出して前記樹脂層を積層させ、
   前記吐出後、所定時間内に、前記樹脂層を前記材料のガラス転移温度以下まで冷却するとともに、
   前記樹脂層を積層させる際、下地となる樹脂層のうち、次層の前記材料が吐出される直前の積層直前部分を局所的に再加熱して積層体を形成し、
   前記積層体を前記材料のガラス転移温度より高く、前記材料の融点よりも低い温度でアニールする三次元積層造形方法。
2. 前記所定時間を２秒以内とする請求項１に記載に三次元積層造形方法。
3. プラットフォームと、
   結晶性熱可塑性樹脂を溶融可能な加熱部および前記プラットフォーム上に加熱溶融させた前記結晶性熱可塑性樹脂を吐出して樹脂層を積層させる吐出ヘッドを有する樹脂供給部と、
   前記吐出後、所定時間内に、前記樹脂層をガラス転移温度以下まで冷却する冷却部と、
   前記樹脂層を積層させる際、下地となる樹脂層のうち、次層の前記材料が吐出される直前の積層直前部分を局所加熱可能な再加熱部と、
   を備えた三次元積層造形装置。

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