JP2021113373A - フィラメントの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外層の厚さが薄いフィラメントを安定的に製造可能な、フィラメントの製造方法を提供する。【解決手段】内層が外層で被覆された構成のフィラメントの製造方法であって、被覆工程を備え、前記被覆工程では、押出機のスクリューを回転させることによって前記押出機から押し出した外層樹脂組成物を用いて前記内層を被覆する前記外層を形成し、前記スクリューは、［スクリューピッチＰ／スクリュー直径Ｄ］の値が０．１〜０．９である、方法。【選択図】図１

Description

本発明は、熱溶融式３Ｄプリンタにおいて利用可能なフィラメントの製造方法に関する。

特許文献１に開示されている３Ｄプリンタ用フィラメント（線条樹脂成形体）では、内層（第１層）と、これを被覆する外層（第２層）を備え、外層の物性が内層と異なっている。このようなフィラメントを用いることによって、３Ｄプリントにおける機械適性や品質を向上させることが可能になっている。

特開２０１６−１９３６０２号公報

ところで、３Ｄプリントの目的によっては、外層の厚さをできるだけ薄くしたい場合がある。外層の厚さは、外層を形成するための樹脂組成物を押出機から押し出す速度を低下させることによって薄くすることが可能である。樹脂組成物の押出速度を低下させる方法としては、スクリューの回転速度を低下させる方法が挙げられるが、スクリューの回転速度を低くすると樹脂組成物の押出速度が不安定化し、その結果、外層の厚さにばらつきが生じてしまう場合があることが分かった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、外層の厚さが薄いフィラメントを安定的に製造可能な、フィラメントの製造方法を提供するものである。

本発明によれば、内層が外層で被覆された構成のフィラメントの製造方法であって、被覆工程を備え、前記被覆工程では、押出機のスクリューを回転させることによって前記押出機から押し出した外層樹脂組成物を用いて前記内層を被覆する前記外層を形成し、前記スクリューは、［スクリューピッチ／スクリュー直径］の値が０．１〜０．９である、方法が提供される。

図１に示すスクリューピッチＰ及びスクリュー直径Ｄから算出される[スクリューピッチＰ／スクリュー直径Ｄ］の値（以下、「Ｐ／Ｄ値」）は、１に設定されるのが一般的であるが、本発明では、Ｐ／Ｄ値を０．１〜０．９という比較的低い値に設定している。Ｐ／Ｄ値を低くすると、スクリューの１回転当たりの樹脂組成物の押出量が少なくなることに加え、スクリューの回転速度を低下させた場合にも樹脂組成物の押出速度が不安定化されにくくなる。このため、本発明によれば、外層を形成するための樹脂組成物の押出速度を低下させやすく、外層の厚さが薄いフィラメントを安定的に製造可能である。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、前記記載の方法であって、前記スクリューの回転数は、０．１〜４．０ｒｐｍである、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記被覆工程では、前記内層を構成する内層樹脂組成物と、前記外層樹脂組成物を押出ヘッドから共押出することによって前記内層を前記外層で被覆する、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記フィラメントは、［前記外層の平均厚さ／前記フィラメントの平均直径］の値が０．１〜３％である、方法である。

押出機のシリンダ内のスクリューのスクリューピッチＰ及びスクリュー直径Ｄの説明図である。 本発明の第１実施形態のフィラメント１０を示し、図２Ａは斜視図であり、図２Ｂは断面図である。 本発明の第１実施形態のフィラメント１０を製造するための製造ライン３０を示し、図３Ａは正面図であり、図３Ｂは平面図である。 図３Ａ中の金型３２の分解斜視図である。 本発明の第２実施形態のフィラメント１０を製造するための製造ライン３０を示す、図３Ｂに対応する平面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。

１．第１実施形態
１−１．フィラメント１０の構成
図２に示すように、フィラメント１０は、内層２１と、これを被覆する外層２２を有する。外層２２は、内層２１とは異なる材料で構成される。フィラメント１０は、線状であり、内層２１は、好ましくは円柱状であり、外層２２は、好ましくは円筒状である。

内層２１及び外層２２は、それぞれ、内層樹脂組成物及び外層樹脂組成物によって構成される。内層樹脂組成物及び外層樹脂組成物は、それぞれ、熱可塑性樹脂を含み、添加剤を含んでもよい。内層樹脂組成物と外層樹脂組成物は、熱可塑性樹脂の組成、添加剤の種類、添加剤の添加量の少なくとも１つにおいて相違している。

熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテルなどの非晶性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリビニルアルコールなどの結晶性樹脂、オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系、ウレタン系の熱可塑性エラストマー、及びそれらの混合物などが挙げられる。

添加剤としては、カーボンブラック、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ナノクレイ、マグネシウムなどの無機系の添加剤、酸化防止剤、滑剤、着色剤などが挙げられる。

外層２２は、フィラメント１０に対して、溶着性、造形性、導電性、バリア性などの機能性を付与するために設けられる。例えば、内層２１の溶着性が良好でない場合には、内層２１を構成する組成物よりも溶着性が良好である組成物を用いて外層２２を形成することによって、フィラメント１０の溶着性を向上させることができる。

３Ｄプリントの際には、３Ｄプリントヘッドに設けたギアをフィラメント１０に食い込ませた状態でギアを回転させることによってフィラメント１０をヘッド内で移送するが、内層２１が軟質材料である場合には、ギアの回転に伴って内層２１が変形してしまってフィラメント１０を移送することができない場合がある。このような場合には、内層２１を構成する組成物よりも硬質の組成物を用いて外層２２を形成することによって、フィラメント１０をギアで移送しやすくなって造形性が向上する。

フィラメント１０に対して導電性を付与する場合には、導電性を有する組成物（例：カーボンなどの導電体を添加した樹脂）を用いて外層２２を形成することによって、フィラメント１０の全体に導電体を添加するよりも少ない量の導電体で導電性を発現させることができる。

内層２１が酸素や水などによって劣化しやすい場合には、内層２１を構成する組成物よりもバリア性が良好である組成物を用いて外層２２を形成することによって、フィラメント１０の溶着性を向上させることができる。一例では、内層２１は、熱可塑性ウレタンで構成された形状記憶ポリマーであり、外層２２は、ＰＥＴＧ（シクロヘキサンジメタノールという素材を共重合したポリエチレンテレフタレート）である。

外層２２は、上記のように種々の機能性を付与することができるが、外層２２の分だけ、内層２１の機能性が発現されにくくなる場合がある。例えば、内層２１が形状記憶材料で構成されていて、外層２２が形状記憶材料で構成されていない場合、外層２２が厚くなるほど、フィラメント１０の形状記憶性は低下する。また、外層２２が薄くても外層２２の機能が十分に発現される場合もある。

このような場合、外層２２の厚さを薄くすることが望ましい。具体的には、［外層２２の平均厚さＴａｖ／フィラメント１０の平均直径Ｄａｖ］の値（Ｔａｖ／Ｄａｖ値）が０．１〜３％であることが好ましい。Ｔａｖ／Ｄａｖ値が小さすぎると外層２２の機能発現が不十分になりやすい。Ｔａｖ／Ｄａｖ値が大きすぎると内層２１の機能発現が不十分になりやすい。Ｔａｖ／Ｄａｖ値は、具体的には例えば、０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。フィラメント１０の平均直径Ｄａｖは、例えば１〜３ｍｍであり、具体的には例えば、１、１．５、２、２．５、３ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。フィラメント１０の平均直径Ｄａｖは、フィラメント１０の長手方向に沿った１０ｍｍ間隔の５点でフィラメント１０の直径Ｄａを測定し、測定値を平均することによって算出される。外層２２の平均厚さＴａｖは、例えば５〜６０μｍであり、具体的には例えば、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０μｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。外層２２の平均厚さＴａｖは、フィラメント１０の長手方向に沿った１０ｍｍ間隔の５点のそれぞれにおいて、９０度間隔の４点で厚さＴａを測定し、測定値を平均することによって算出される。

１−２．フィラメント１０の製造方法
図３に示すように、フィラメント１０の製造ライン３０は、押出機３１Ａ，３１Ｂ、金型３２、サイジング装置３３、水槽３７、固定ローラ４１、外径寸法測定装置４２及び巻き取り装置４３を含む。

押出機３１Ａ，３１Ｂは、原料樹脂組成物を溶融混練し、これを連続的に金型３２へと供給するもので、例えばスクリューが内蔵されるシリンダ、原料投入用のホッパ３１ａ，３１ｂ、射出ノズル等を備えて構成されている。押出機３１Ａ，３１Ｂは、好ましくは、直交して配置される。押出機３１Ａ，３１Ｂのスクリューは、特に限定されないが、好ましくは、単軸スクリューである。

押出機３１Ａは、シリンダ内のスクリューを回転させることによって内層樹脂組成物を溶融混練して射出ノズルから金型３２に押し出しし、押出機３１Ｂは、外層樹脂組成物を溶融混練して射出ノズルから金型３２に押し出す。押出機３１Ａ，３１Ｂから押し出された内層樹脂組成物と外層樹脂組成物は、金型３２で合流し、芯となる内層２１の周囲が外層２２で被覆される。

外層２２の厚さを低減するためには、押出機３１Ｂからの外層樹脂組成物の押出速度を低減する必要がある。Ｐ／Ｄ値が１であるスクリューを有する一般的な押出機においてもスクリューの回転数を下げることによって押出速度を低減することができるが、このようなスクリューの回転数を例えば４ｒｐｍ以下にまで低減すると、シリンダ内の樹脂組成物に十分な圧力が加わらず、その結果、押出速度が安定しないという問題が生じることが分かった。このため、Ｐ／Ｄ値が１であるスクリューを有する一般的な押出機を用いた場合、Ｔａｖ／Ｄａｖ値が０．１〜３％であるような極薄の外層２２を有するフィラメント１０を安定して製造することが困難であった。

一方、本実施形態では、押出機３１Ｂとして、Ｐ／Ｄ値が０．１〜０．９という比較的低い値であるスクリューを有する押出機を用いる。Ｐ／Ｄ値を低くすると、スクリューの１回転当たりの樹脂組成物の押出量が少なくなることに加え、スクリューの回転速度を低下させた場合にもシリンダ内の樹脂組成物に加わる圧力が極端に低下せず、その押出速度が不安定化されにくくなることが分かった。このため、このようなＰ／Ｄ値のスクリューを有する押出機から外層樹脂組成物を少量ずつ押し出すことによって、Ｔａｖ／Ｄａｖ値が０．１〜３％であるような極薄の外層２２を有するフィラメント１０を安定して製造することができることが分かった。

押出機３１ＢのスクリューのＰ／Ｄ値は、０．１〜０．９であり、好ましくは、０．４〜０．８であり、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。また、押出機３１Ｂのスクリューの回転速度は、例えば、０．１〜４．０ｒｐｍであり、具体的には例えば、０．１、０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０ｒｐｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

なお、押出機３１Ａは、押出機３１Ｂのように少量吐出を行う必要がないので、押出機３１Ａとしては、例えばＰ／Ｄ値が１であるスクリューを有する一般的な押出機を用いることができる。

金型３２は、押出機３１からの溶融樹脂を水平方向に押し出すものであり、ここから押し出された溶融樹脂が冷却されてフィラメント１０となる。金型３２としては、例えば図４に示すような多層金型を使用すればよい。本例の多層金型は、３つの金型部材３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを組み合わせたものであり、各金型部材３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、それぞれ中央流路Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を有している。

金型部材３２Ｂは、前記中央流路Ｎ２を囲んで内部に円形金型部ＣＢを有するとともに、この円形金型部ＣＢの周囲に４つの貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有する。貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、それぞれ金型部材３２Ｂを厚さ方向で貫通する形で形成されている。円形金型部ＣＢは、その中央に中央流路Ｎ２が形成されるとともに、円形面が金型部材３２Ｂの金型面から後退する形で形成されている。

金型部材３２Ｃは、前記中央流路Ｎ３を囲んで円環状流路ＣＲを有するとともに、円環状流路ＣＲの外側に半円形状の中間通路ＨＲを有する。この半円形状の中間通路ＨＲは、１８０°対称位置で円環状流路ＣＲと接続されている。さらに、金型部材３２Ｃは、この中間通路ＨＲの１箇所に接続される材料供給通路Ｘを有する。円環状流路ＣＲは、前記金型部材３２Ｂの貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と対向する。

前記３つの金型部材３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを組み合わせた金型３２では、内層樹脂組成物は、押出機３１Ａから押し出され、金型部材３２Ｃの中央流路Ｎ３へと供給され、金型部材３２Ｂの中央流路Ｎ２、金型部材３２Ａの中央流路Ｎ１を経て、金型３２から引き出される。一方、外層樹脂組成物は、押出機３１Ｂから押し出され、金型部材３２Ｃの材料供給通路Ｘへと供給される。ここから供給された原料樹脂組成物は、半円形状の中間通路ＨＲを通って円環状流路ＣＲへ流れ込み、円環状流路ＣＲに対向して設けられた金型部材３２Ｂの各貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４へと供給される。貫通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４へと供給された原料樹脂材料は、金型部材３２Ａの金型面とこれから後退する形で形成される円形金型部ＣＢとの間の空間へと流れ込み、円形金型部ＣＢに設けられた中央流路Ｎ２から引き出される内層２１の周面を被覆する。

水槽３７は、フィラメント１０の搬送方向に沿って長い箱状に形成される。フィラメント１０は、水槽３７の一端の壁から水槽３７内に導入され、水槽３７の他端の壁から導出される。水槽３７には、フィラメント１０を浸漬させ、フィラメント１０を冷却する水３７ａが貯留される。

サイジング装置３３は、水槽３７の一端の壁の内側に配置されており、フィラメント１０の断面を真円にし、かつ、フィラメント１０の外径寸法を所定の寸法に均一化させる機能を有する。

固定ローラ４１は、サイジング装置３３を経て水槽３７内においてフィラメント１０の姿勢を安定させ、かつ、巻き取り装置４３側に向けてフィラメント１０を搬送する。

外径寸法測定装置４２は、水槽３７で冷却されたフィラメント１０の外径寸法を測定する。巻き取り装置４３は、外径寸法測定装置４２を経たフィラメント１０を挟んで下流側に搬送する上下一対の巻き取りローラ４３ａと、巻き取りローラ４３ａの下流側に配置され、フィラメント１０を巻き取る巻き取り軸４３ｃを有するボビン巻き取り機４３ｂとを備える。

次に、この製造ライン３０を用いてフィラメント１０を製造する方法について説明する。フィラメント１０を製造する方法は、押出工程、サイジング工程、冷却工程、寸法測定工程及び巻き取り工程を含む。

図３に示すように、押出工程では、押出機３１においてホッパ３１ａから投入された樹脂ペレットを溶融し、溶融した樹脂を金型３２から押し出す。この際、内層２１を押し出すとともに内層２１を被覆するように外層２２を押し出して多層化構造のフィラメント１０を押し出す。この例では、金型３２から、外径（符号Ｄ１で示す）が２．２ｍｍのフィラメント１０が押し出される。

サイジング工程では、サイジング装置３３において、フィラメント１０が均一な外径に形成される。この例では、外径Ｄ１が２．２ｍｍのフィラメント１０が、サイジング装置３３を通過することにより、その外径（符号Ｄ２で示す）が搬送方向において１．８０ｍｍに均一化される。

冷却工程では、外径（符号Ｄ２で示す）が１．８０ｍｍのフィラメント１０が、水槽３７を通過することにより冷却され、フィラメント１０の外径（符号Ｄ３で示す）が１．７５ｍｍに縮径される。

寸法測定工程では、フィラメント１０の外径を測定し、測定値が適正な大きさであるか否かを判定する。この例では、フィラメント１０の外径が１．７５ｍｍを中心とした所定の規格幅の範囲内であるか否かを判定する。フィラメント１０の外径が規格幅の範囲外である場合、外径が規格幅の範囲内になるように、各製造条件を見直す。

巻き取り工程では、フィラメント１０の外径が規格の範囲内である場合、巻き取り装置４３の巻き取りローラ４３ａでボビン巻き取り機４３ｂに送り、巻き取り軸４３ｃにフィラメント１０の連続体を巻き取っていく。所定長さのフィラメント１０が巻き取り軸４３ｃに巻き取られたら、新しい巻き取り軸４３ｃにフィラメント１０を巻き取るようにする。

以上の工程によって、巻き取り軸４３ｃに巻かれたフィラメント１０を製造することができる。

２．第２実施形態
第１実施形態では、内層２１は、押出機３１Ａから押し出された内層樹脂組成物で構成したが、本実施形態では、内層２１は、連続繊維で構成される。連続繊維とは、フィラメント１０の長手方向に沿って連続的に延在する繊維である。連続繊維は、フィラメント１の全長に渡って設けられることが好ましい。連続繊維は、１本の繊維であってもよく、複数本の繊維の束であってもよい。連続繊維としては、造形時に溶融しない連続強化繊維と、造形時に溶融する連続樹脂繊維の少なくとも一方を含むものが挙げられる。連続強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維（スチール繊維等）等の無機繊維、アラミド繊維等の有機繊維が挙げられる。連続樹脂繊維としては、第１実施形態において列挙した熱可塑性樹脂の繊維が挙げられる。このような構成のフィラメント１０においても、第１実施形態と同様に、外層２２を薄くすることが望ましい場合がある。

本実施形態のフィラメント１０は、図５に示す製造ライン３０を用いて製造することができる。本実施形態の製造ライン３０は、押出機３１Ａの代わりに連続繊維ロール４５を備え、金型３２の代わりに連続繊維被覆金型４６を備える点以外は、第１実施形態と同様である。

連続繊維ロール４５は、連続繊維４５ａが巻かれたロールであり、連続繊維ロール４５から連続繊維４５ａを巻き戻すことによって、連続繊維４５ａを金型４６に供給することができる。

金型４６は、連続繊維４５ａの周面を、押出機３１Ｂから押し出された外層樹脂組成物で被覆するように構成されている。

第１実施形態で説明したように、押出機３１Ｂは、外層樹脂組成物を少量ずつ押し出すことができるように構成されているので、本実施形態においても、押出機３１Ｂから押し出された樹脂組成物で、連続繊維４５ａで構成された内層２１を被覆することによって、Ｔａｖ／Ｄａｖ値が０．１〜３％であるような極薄の外層２２を有するフィラメント１０を安定して製造することができる。

第１実施形態の製造ライン３０において、押出機３１Ｂの動作条件を表１に示すように設定して、フィラメント１０を製造した。押出機３１Ａについては、Ｐ／Ｄ=１．０のスクリューを有する押出機を用い、シリンダ内の樹脂圧が１４．２ＭＰａとなる条件でスクリューを回転させた。内層樹脂組成物としては、ポリウレタン系形状記憶ポリマー（型式：ＭＭ-３５２０、（株）ＳＭＰテクノロジーズ製）を用い、外層樹脂組成物としては、ＰＥＴＧ（型式：ＧＮ４０１、イーストマンケミカル社製）を用いた。

実施例１〜２では、スクリューの回転数をそれぞれ１．３ｒｐｍと３．２ｒｐｍという低い値に設定したが、シリンダ内の樹脂圧が極端に低下することがなかった。比較例１では、スクリューの回転数を４．５ｒｐｍにしたところ、シリンダ内の樹脂圧が、実施例に比べて大幅に低くなってしまった。比較例２では、シリンダ内の樹脂圧が実施例と同程度になるようにスクリューの回転数を増大させた。

得られたフィラメント１０について、フィラメント１０の平均直径Ｄａｖ及び外層２２の平均厚さＴａｖを測定し、Ｔａｖ／Ｄａｖ値を算出した。その結果、表１に示す。

また、以下の基準に従ってフィラメントの造形性を評価した。その結果を表１に示す。
○：平均直径Ｄａｖを求める際に測定した５点での直径Ｄａの全てが１７５０μｍ±１００μｍの範囲内であった。
×：平均直径Ｄａｖを求める際に測定した５点での直径Ｄａのうちの１点以上が１７５０μｍ±１００μｍの範囲外であった。

表１に示すように、実施例１〜２では、Ｔａｖ／Ｄａｖ値が非常に小さいフィラメント１０が得られた。また、これらのフィラメントは造形性が良好であった。

比較例１では、Ｔａｖ／Ｄａｖ値が実施例よりも大きく且つフィラメント１０の造形性が良好でなかった。比較例２では、Ｔａｖ／Ｄａｖ値が実施例よりも大幅に大きかった。

以上より、Ｐ／Ｄ値が０．１〜０．９であるスクリューを有する押出機から押し出した外層樹脂組成物を用いて外層２２を形成することにより、外層２２の厚さが薄いフィラメント１０を安定的に製造できることが分かった。

１０ ：フィラメント
２１ ：内層
２２ ：外層
３０ ：製造ライン
３１Ａ ：押出機
３１Ｂ ：押出機
３１ａ ：ホッパ
３１ｂ ：ホッパ
３２ ：金型
３２Ａ ：金型部材
３２Ｂ ：金型部材
３２Ｃ ：金型部材
３３ ：サイジング装置
３７ ：水槽
３７ａ ：水
４１ ：固定ローラ
４２ ：外径寸法測定装置
４３ ：巻き取り装置
４３ａ ：巻き取りローラ
４３ｂ ：ボビン巻き取り機
４３ｃ ：巻き取り軸
４５ ：連続繊維ロール
４５ａ ：連続繊維
４６ ：連続繊維被覆金型
ＣＢ ：円形金型部
ＣＲ ：円環状流路
ＨＲ ：中間通路
Ｎ１ ：中央流路
Ｎ２ ：中央流路
Ｎ３ ：中央流路
Ｒ１ ：貫通流路
Ｒ２ ：貫通流路
Ｒ３ ：貫通流路
Ｒ４ ：貫通流路
Ｘ ：材料供給通路

Claims (4)

1. 内層が外層で被覆された構成のフィラメントの製造方法であって、
   被覆工程を備え、
   前記被覆工程では、押出機のスクリューを回転させることによって前記押出機から押し出した外層樹脂組成物を用いて前記内層を被覆する前記外層を形成し、
   前記スクリューは、［スクリューピッチ／スクリュー直径］の値が０．１〜０．９である、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記スクリューの回転数は、０．１〜４．０ｒｐｍである、方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
   前記被覆工程では、前記内層を構成する内層樹脂組成物と、前記外層樹脂組成物を押出ヘッドから共押出することによって前記内層を前記外層で被覆する、方法。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の方法であって、
   前記フィラメントは、［前記外層の平均厚さ／前記フィラメントの平均直径］の値が０．１〜３％である、方法。

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