JP2020104374A - Fused deposition type three-dimensional deposition modeling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材としてポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を採用した熱融解積層方式の三次元積層造形方法に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional layered manufacturing method of a heat fusion layering method in which polyvinyl chloride (PVC) is used as a substrate.
三次元プリンタの積層方式として、熱融解積層方式の三次元積層造形（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）が知られている。熱融解積層方式の三次元積層造形装置では、熱可塑性樹脂材料からなる基材を加熱溶融し、平面内で移動可能なノズルから溶融した基材を押し出すようにしている。そして、ノズルから押し出された溶融状態の基材をプリントベッド上に順次積層することで立体構造物が作製される（たとえば、特許文献１参照）。 As a lamination method of a three-dimensional printer, a three-dimensional additive manufacturing method (FDM: Fused Deposition Modeling) of a heat fusion lamination method is known. In the three-dimensional layered modeling apparatus of the heat fusion layering type, a base material made of a thermoplastic resin material is heated and melted, and the melted base material is extruded from a nozzle movable in a plane. Then, the three-dimensional structure is manufactured by sequentially stacking the molten base material extruded from the nozzle on the print bed (for example, refer to Patent Document 1).
基材を構成する熱可塑性樹脂材料として、ＡＢＳ樹脂（acrylonitrile butadiene styrene copolymer）やポリ乳酸（ＰＬＡ：poly（lactic acid））が一般的に使用されている。 ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) and polylactic acid (PLA) are generally used as the thermoplastic resin material forming the base material.
上記したＡＢＳ樹脂やポリ乳酸の如き熱可塑性樹脂材料は高価でるため、比較的安価なポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のような汎用の樹脂材料を基材として用いた三次元造形が求められている。そこで、発明者らは、ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸に代えて、ＰＶＣで基材を作製し、三次元造形を試みた。しかしながら、ノズルを通過する際に腐食性ガスの発生が認められ、また、ＰＶＣが塊状になってノズルに付着し、造形を上手く行なうことができなかった。 Since the above-described thermoplastic resin materials such as ABS resin and polylactic acid are expensive, three-dimensional modeling using a general-purpose resin material such as relatively inexpensive polyvinyl chloride (PVC) as a base material is required. Therefore, the inventors have tried to perform three-dimensional modeling by producing a base material with PVC instead of the ABS resin or polylactic acid. However, generation of a corrosive gas was observed when passing through the nozzle, and the PVC was lumped and adhered to the nozzle, so that modeling could not be performed successfully.
本発明の目的は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を基材として使用することができる熱融解積層方式の三次元積層造形方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a three-dimensional layered manufacturing method of a heat fusion layering method in which polyvinyl chloride (PVC) can be used as a substrate.
本発明の熱溶解積層方式の三次元積層造形方法は、
樹脂材料からなる基材をヒーター手段に送り込み、
前記ヒーター手段によって前記基材を加熱溶融させ、
溶融した前記基材をノズルから押し出して立体構造物を作製する熱溶解積層方式の三次元積層造形方法であって、
前記基材を構成する前記樹脂材料は、ポリ塩化ビニルであり、
前記ヒーター手段は、ノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように前記樹脂材料を加熱する。
The three-dimensional additive manufacturing method of the heat melting lamination method of the present invention,
Send the base material made of resin material to the heater means,
The base material is heated and melted by the heater means,
A three-dimensional additive manufacturing method of a hot melt lamination method for producing a three-dimensional structure by extruding the molten base material from a nozzle,
The resin material forming the base material is polyvinyl chloride,
The heater means heats the resin material so that the nozzle temperature is 170°C to 270°C.
前記基材はフィラメントの形態であり、前記フィラメントの送込み速度は、１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎであることが望ましい。 The base material is in the form of filaments, and the feeding speed of the filaments is preferably 100 mm/min to 300 mm/min.
本発明の三次元積層造形方法によれば、基材となるＰＶＣを、ヒーター手段にてノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように調整することで三次元積層造形を好適に行なうことができた。ノズル温度が１７０℃未満であると、ＰＶＣがノズルからＰＶＣが押し出されずノズルが詰まった。一方、２７０℃を超えると、ＰＶＣが部分的に塊状となってしまうことがあり、また、塩化水素ガスなどの腐食性ガスが発生した。 According to the three-dimensional additive manufacturing method of the present invention, the three-dimensional additive manufacturing can be suitably performed by adjusting the PVC as the base material so that the nozzle temperature is 170° C. to 270° C. by the heater means. It was If the nozzle temperature was lower than 170° C., the PVC was not extruded from the nozzle and the nozzle was clogged. On the other hand, if the temperature exceeds 270° C., the PVC may be partially agglomerated, and corrosive gas such as hydrogen chloride gas is generated.
望ましくは、基材となるＰＶＣをフィラメントとし、フィラメントのヒーター手段への送込み速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎに調整することで、ＰＶＣのフィラメントを好適に加熱して、ノズルから押し出すことができる。 Desirably, by using PVC as a base material as a filament and adjusting the feeding speed of the filament to the heater means to 100 mm/min to 300 mm/min, the filament of PVC can be suitably heated and extruded from the nozzle. it can.
まず、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る熱融解積層方式の三次元積層造形装置１０について説明を行なう。 First, with reference to FIG. 1, a three-dimensional additive manufacturing apparatus 10 of a thermal fusion lamination method according to an embodiment of the present invention will be described.
三次元積層造形装置１０は、基材３０をヘッド１４に供給し、溶融した状態でプリントベッド２０の上にその第１層４２を形成し、第２層４４以降をすでに形成された層の上に形成することで、立体構造物４０を作製する装置である。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus 10 supplies the substrate 30 to the head 14, forms the first layer 42 on the print bed 20 in a molten state, and forms the second layer 44 and the subsequent layers on already formed layers. Is a device for producing the three-dimensional structure 40 by forming the three-dimensional structure 40.
基材３０は、塩化ビニル（ＰＶＣ）である。ＰＶＣは、汎用性が高く安定性にすぐれる樹脂であり、ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸（ＰＬＡ）に比べて安価であり、製造コストの低減に有効である。なお、基材３０の非極性樹脂材料には、所望の特性を得るために、所謂フィラー（充填剤）や安定剤、可塑剤、着色剤の添加剤を配合することもできる。添加剤として鉛系安定剤、錫系安定剤を例示できる。 The base material 30 is vinyl chloride (PVC). PVC is a resin with high versatility and excellent stability, is cheaper than ABS resin and polylactic acid (PLA), and is effective in reducing manufacturing costs. The non-polar resin material of the base material 30 may be mixed with so-called filler (filler), stabilizer, plasticizer, and colorant additive in order to obtain desired properties. Examples of the additive include a lead stabilizer and a tin stabilizer.
基材３０は、フィラメント、或いは、ペレットの形態のものを例示することができる。フィラメントの太さ、ペレットの大きさは、三次元積層造形装置１０の能力や作製される立体構造物４０によって適宜決定される。 The base material 30 may be in the form of filaments or pellets. The thickness of the filament and the size of the pellet are appropriately determined depending on the capability of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 10 and the three-dimensional structure 40 to be manufactured.
図示の実施形態では、フィラメント状の基材３０を使用しており、基材３０は、三次元積層造形装置１０のガイドチューブ１１を通り、モーター（図示せず）により回転する送りローラー１２により引き出されて、押出手段となるヘッド１４に供給される。送りローラー１２は、フィラメントの送込み速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎとなるように調整することが好適である。送込み速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ未満であると、造形速度が低下し、造形に時間が掛かる問題がある。また、送込み速度が３００ｍｍ／ｍｉｎを超えると、基材３０が十分に加熱されず、溶融状態にならない虞がある。なお、基材３０としてペレット状のものを採用する場合、上記と同程度の量がヘッド１４に供給されるように調整すればよい。 In the illustrated embodiment, a filamentous substrate 30 is used, and the substrate 30 passes through a guide tube 11 of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 10 and is drawn by a feed roller 12 rotated by a motor (not shown). It is then supplied to the head 14 which serves as an extrusion means. The feed roller 12 is preferably adjusted so that the filament feeding speed is 100 mm/min to 300 mm/min. If the feeding speed is less than 100 mm/min, there is a problem that the modeling speed is lowered and the modeling takes time. If the feeding speed exceeds 300 mm/min, the base material 30 may not be sufficiently heated and may not be in a molten state. When a pellet-shaped material is used as the base material 30, it may be adjusted so that the head 14 is supplied with the same amount as above.
ヘッド１４には、ヒーター手段１５とノズル１６を具え、ヒーター手段１５において基材３０を加熱溶融し、溶融した基材３２をノズル１６から下方に向けて押し出す。たとえば、ノズル１６は直径０．４ｍｍのものを採用できる。 The head 14 is provided with a heater means 15 and a nozzle 16. The base material 30 is heated and melted by the heater means 15, and the melted base material 32 is extruded downward from the nozzle 16. For example, the nozzle 16 may have a diameter of 0.4 mm.
ヒーター手段１５は、基材３０を１７０℃〜２７０℃に加熱する。基材３０を１７０℃以上に加熱することにより、基材３０を溶融状態でノズル１６から押し出すことができる。基材３０の加熱温度が１７０℃未満であると、溶融が不十分で基材３２がノズル１６に詰まってしまうことがある。一方、基材３０の加熱温度が２７０℃を超えると、基材３２が部分的に塊状になり（実施例の図４参照）、また、塩化水素ガスなどの腐食性ガスが発生する虞がある。腐食性ガスは、ヘッド１４や三次元積層造形装置１０の部品の腐食を招く。２７０℃を超えて加熱すると、基材３０がノズル１６等に焼き付いてしまう虞もある。なお、基材３０の加熱温度の下限は、望ましくは１９０℃、より望ましくは２１０℃である。基材３０の加熱温度の上限は、望ましくは２５０℃、より望ましくは２１０℃である。 The heater means 15 heats the base material 30 to 170° C. to 270° C. By heating the base material 30 to 170° C. or higher, the base material 30 can be extruded from the nozzle 16 in a molten state. If the heating temperature of the base material 30 is lower than 170° C., the melting may be insufficient and the base material 32 may be clogged in the nozzle 16. On the other hand, when the heating temperature of the base material 30 exceeds 270° C., the base material 32 may be partially agglomerated (see FIG. 4 of the embodiment), and corrosive gas such as hydrogen chloride gas may be generated. .. The corrosive gas causes corrosion of the head 14 and parts of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 10. If the temperature is higher than 270° C., the base material 30 may be burned on the nozzle 16 or the like. The lower limit of the heating temperature of the base material 30 is preferably 190°C, more preferably 210°C. The upper limit of the heating temperature of the base material 30 is preferably 250°C, more preferably 210°C.
ヘッド１４は、平面内で移動可能に配置され、立体構造物４０の第１層４２は、プリントベッド２０に向けて押し出され、第１層４２を形成した後、プリントベッド２０を降下させて第２層４４が形成される。 The head 14 is movably arranged in a plane, and the first layer 42 of the three-dimensional structure 40 is extruded toward the print bed 20 to form the first layer 42, and then the print bed 20 is lowered to move to the first position. Two layers 44 are formed.
プリントベッド２０は、鉛直方向に昇降可能なプレートであり、たとえばガラス、アルミニウムや鋼鉄などから作製される。溶融した基材３２をプリントベッド２０に好適に接着させるために、プリントベッド２０の表面にのりを塗布又はスプレーすることができ、また、テープを配置することが望ましい。 The print bed 20 is a plate that can be vertically moved up and down, and is made of, for example, glass, aluminum, steel, or the like. In order to properly adhere the melted substrate 32 to the print bed 20, paste can be applied or sprayed onto the surface of the print bed 20, and it is desirable to place a tape.
然して、本発明の三次元積層造形装置１０は、フィラメント状の基材３０をセットし、モーター駆動により送りローラー１２を回転させることで、ヘッド１４に基材３０が供給される。基材３０がペレット状である場合、ヘッド１４にペレットが投入される。そして、基材３０は、ヘッド１４のヒーター手段１５により加熱溶融され、溶融状態になる。ヘッド１４は、平面内で移動させつつノズル１６から溶融状態の基材３２をプリントベッド２０に向けて押し出す。押し出された基材３２は、プリントベッド２０の表面に接着する。ヘッド１４を平面内で移動させることで、所望の形状の第１層４２を形成することができる。なお、基材３２の接着性を高めるために、プリントベッド２０にはのりを塗布又はスプレーしたり、テープを配置しておくことが望ましい。また、プリントベッド２０には、樹脂製のプラットフォームシートを載置するようにしてもよい。 However, in the three-dimensional layered modeling apparatus 10 of the present invention, the base material 30 is supplied to the head 14 by setting the filamentous base material 30 and rotating the feed roller 12 by driving the motor. When the base material 30 is in the form of pellets, the pellets are put into the head 14. Then, the base material 30 is heated and melted by the heater means 15 of the head 14 to be in a molten state. The head 14 pushes the molten base material 32 toward the print bed 20 from the nozzle 16 while moving in the plane. The extruded base material 32 adheres to the surface of the print bed 20. By moving the head 14 in a plane, the first layer 42 having a desired shape can be formed. In order to enhance the adhesiveness of the base material 32, it is desirable to apply or spray glue or arrange a tape on the print bed 20. A resin platform sheet may be placed on the print bed 20.
そして、第１層４２が形成されると、プリントベッド２０を降下させ、第１層４２の上に第２層４４、第３層等を形成し、立体構造物４０が作製される。 Then, when the first layer 42 is formed, the print bed 20 is lowered to form the second layer 44, the third layer, and the like on the first layer 42, and the three-dimensional structure 40 is manufactured.
本発明によれば、基材２０として汎用樹脂であるポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を採用することができ、ＰＶＣにより立体構造物４０を作製することができる。 According to the present invention, polyvinyl chloride (PVC), which is a general-purpose resin, can be adopted as the base material 20, and the three-dimensional structure 40 can be manufactured by PVC.
基材として、ＰＶＣのフィラメント（直径１．７５ｍｍ）を使用し、三次元積層造形装置を用い、ヒーター手段による加熱温度と、送りローラーのフィラメント送込み速度変えて基材の押し出しを行なった。３Ｄプリンタ用フィラメント吐出試験機として、エス．ラボ株式会社製の型式ＳＮ１を使用した。そして、加熱により溶融した基材がノズルに詰まることがないか、また、塊状になることなく押し出されるかどうか、腐食性ガスの発生がないか等を観察した。なお、ノズル径は０．４ｍｍである。 A PVC filament (diameter 1.75 mm) was used as the substrate, and the substrate was extruded by changing the heating temperature by the heater means and the filament feeding speed of the feed roller by using the three-dimensional additive manufacturing apparatus. As a filament discharge tester for 3D printers, S. Model SN1 manufactured by Labo Co., Ltd. was used. Then, it was observed whether or not the base material melted by heating was clogged in the nozzle, was extruded without forming a lump, and was not corrosive gas was generated. The nozzle diameter is 0.4 mm.
基材は、鉛系安定剤を添加したＰＶＣ（発明例１）と、錫系安定剤を添加したＰＶＣ（発明例２）とし、フィラメントの送込み速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎの三種類、ヒーター手段による加熱温度は、１６０℃〜２７０℃までの１０℃刻みとした。 The base material was PVC (Invention Example 1) to which a lead-based stabilizer was added and PVC (Invention Example 2) to which a tin-based stabilizer was added. The filament feeding speed was 100 mm/min, 200 mm/min, 300 mm/min. Three kinds of min and heating temperature by the heater means were set to 160° C. to 270° C. in steps of 10° C.
ノズルから押し出された基材の状態を観察し、以下で評価した。
Ａ：直径が一定の紐状であり、表面平滑である。
Ｂ：直径が一定の紐状である。
Ｃ：直径が変動する紐状である。
Ｄ：吐出が不安定（ギザギザ）、吐出されない、または、塊状物が形成される。
発明例１に関する結果を表１、発明例２に関する結果を表２に示す。
A: A string shape with a constant diameter and a smooth surface.
B: It is a string shape with a constant diameter.
C: It is a string shape whose diameter changes.
D: Ejection is unstable (jagged), is not ejected, or a lump is formed.
The results for Invention Example 1 are shown in Table 1, and the results for Invention Example 2 are shown in Table 2.
図２は、評価Ａと判定された発明例２（送込み速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、温度２１０℃）の基材が凝固した状態を示す写真である。図を参照すると、基材には塊状物は形成されておらず、ほぼ一定の太さの紐状に基材が押し出されていることがわかる。 FIG. 2 is a photograph showing a state in which the base material of Invention Example 2 (feeding speed 100 mm/min, temperature 210° C.) determined to be evaluation A is solidified. Referring to the figure, it can be seen that no lumps are formed on the base material, and the base material is extruded in a string shape having a substantially constant thickness.
一方、図３は、評価Ｄと判定された発明例２（送込み速度３００ｍｍ／ｍｉｎ、温度１７０℃）の基材が凝固した状態を示す写真である。基材は、吐出が不安定になることによりギザギザ状になっていることがわかる。このギザギザは、立体構造物を作製する際に、不均質な挙動となり、基材の積層を阻害する。また、ノズルの詰まりの原因にもなることがある。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、発明例２の基材について、送込み速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、温度２８０℃の条件で実施した参考例を示す写真である。基材が２７０℃超に加熱されることで、基材に塊状物が形成されてしまうことがわかる。この塊状物は、立体構造物を作製する際に、不要な出っ張りとなり、基材の積層を阻害する。 On the other hand, FIG. 3 is a photograph showing a state in which the base material of Invention Example 2 (feeding speed: 300 mm/min, temperature: 170° C.) determined to be evaluated as D is solidified. It can be seen that the base material has a jagged shape due to unstable discharge. When the three-dimensional structure is produced, this jaggedness causes inhomogeneous behavior and hinders the lamination of the base materials. It may also cause nozzle clogging. 4(a) and 4(b) are photographs showing a reference example in which the substrate of Invention Example 2 was carried out under conditions of a feed rate of 100 mm/min and a temperature of 280° C. It can be seen that when the base material is heated to above 270° C., lumps are formed on the base material. This lump becomes an unnecessary protrusion during the production of a three-dimensional structure, which hinders the lamination of base materials.
表１を参照すると、１９０℃〜２７０℃の範囲で、何れの送込み速度に対しても評価Ｃ以上であり、基材３０の加熱温度は、１９０℃〜２７０℃が好適であることがわかる。一方、評価Ｂの範囲を参照すると、１００ｍｍ／ｍｉｎでは２００℃〜２４０℃、２００ｍｍ／ｍｉｎでは２１０℃〜２４０℃、３００ｍｍ／ｍｉｎでは２３０℃〜２６０℃での範囲がそれぞれ望ましいことがわかる。 Referring to Table 1, it can be seen that in the range of 190°C to 270°C, the evaluation is C or higher for any feeding speed, and the heating temperature of the base material 30 is preferably 190°C to 270°C. .. On the other hand, referring to the range of evaluation B, it is understood that the ranges of 200° C. to 240° C. at 100 mm/min, 210° C. to 240° C. at 200 mm/min, and 230° C. to 260° C. at 300 mm/min are desirable.
表２を参照すると、評価Ｃの範囲は、１００ｍｍ／ｍｉｎは１７０℃以上、２００ｍｍ／ｍｉｎは１８０℃以上、３００ｍｍ／ｍｉｎは１９０℃以上であり、これら温度範囲が好適であることがわかる。また、評価Ｂの範囲を参照すると、１００ｍｍ／ｍｉｎで１９０℃〜２５０℃、２００ｍｍ／ｍｉｎで２００℃〜２６０℃、３００ｍｍ／ｍｉｎで２１０℃〜２７０℃の範囲がそれぞれ望ましいことがわかる。さらに、１００ｍｍ／ｍｉｎの２１０℃は唯一の評価Ａであり、もっとも望ましい値であることがわかる。 Referring to Table 2, the evaluation C ranges are 170° C. or higher for 100 mm/min, 180° C. or higher for 200 mm/min, and 190° C. or higher for 300 mm/min, and it is understood that these temperature ranges are suitable. Further, referring to the range of evaluation B, it is understood that the ranges of 190° C. to 250° C. at 100 mm/min, 200° C. to 260° C. at 200 mm/min, and 210° C. to 270° C. at 300 mm/min are desirable. Further, it can be seen that 210° C. at 100 mm/min is the only evaluation A, which is the most desirable value.
なお、送込み速度が速くなるにつれて基材のヘッドでの滞留時間は短くなるが、表１、表２の何れも評価Ｂの範囲を参照すると、送込み速度に合わせて加熱温度を高めることで好適に基材を加熱、押出しできることがわかる。 Although the residence time of the base material in the head becomes shorter as the feeding speed becomes faster, referring to the range of evaluation B in both Table 1 and Table 2, it is possible to increase the heating temperature in accordance with the feeding speed. It is understood that the substrate can be suitably heated and extruded.
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。 The above description of the embodiments is for explaining the present invention and should not be construed as limiting the invention described in the claims or limiting the scope. The configuration of each part of the present invention is not limited to the above embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
１０ 三次元積層造形装置
１４ ヘッド
１５ ヒーター手段
１６ ノズル
２０ プリントベッド
３０ 基材
３２ 基材（溶融状態）
４０ 立体構造物
４２ 第１層
10 three-dimensional additive manufacturing apparatus 14 head 15 heater means 16 nozzle 20 print bed 30 substrate 32 substrate (melted state)
40 three-dimensional structure 42 first layer
Claims (2)
前記ヒーター手段によって前記基材を加熱溶融させ、
溶融した前記基材をノズルから押し出して立体構造物を作製する熱溶解積層方式の三次元積層造形方法であって、
前記基材を構成する前記樹脂材料は、ポリ塩化ビニルであり、
前記ヒーター手段は、ノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように前記樹脂材料を加熱する、
熱溶解積層方式の三次元積層造形方法。 Send the base material made of resin material to the heater means,
The base material is heated and melted by the heater means,
A three-dimensional additive manufacturing method of a hot melt lamination method for producing a three-dimensional structure by extruding the molten base material from a nozzle,
The resin material forming the base material is polyvinyl chloride,
The heater means heats the resin material so that the nozzle temperature is 170°C to 270°C.
A three-dimensional additive manufacturing method using a hot melt lamination method.
請求項１に記載の熱溶解積層方式の三次元積層造形方法。 The base material is in the form of a filament, and the feeding speed of the filament is 100 mm/min to 300 mm/min.
The three-dimensional additive manufacturing method according to claim 1, which is a heat melting lamination method.
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