JP2021123026A - ストランド及び造形物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のストランドは、3Dプリンタの造形原料として用いられるストランドであって、熱可塑性樹脂を主成分とする基材と、この基材中に含浸され、軸方向に延在する1本又は複数本の繊維又は繊維束とを備え、上記軸方向に沿って撚りが付与されている。
【選択図】図1
Description
すなわち、本発明者らは、3Dプリンタに適した造形原料として、特許文献1の第1連続材料及び第2連続材料に代えて、炭素繊維等の無機材料によって形成された連続繊維を融解状態にある熱可塑性樹脂に含浸させることを考えた。しかし、この含浸で得られた含浸物は、剛直であり、容易に座屈し易いため、巻き取り時に折れ曲がり易く、巻き取り難い等、取り扱い性に優れるとはいい難いことが判明した。
上記知見に基づいて本発明者らがさらに鋭意研究したところ、融解状態の熱可塑性樹脂に繊維を含浸させ又は含浸させながら撚ることで、得られたストランドが、座屈し難くなり、取り扱い性に優れることを見出した。しかも、特に複数本の繊維、及び繊維束を用いる場合、得られたストランドでは、含浸後に撚ることで熱可塑性樹脂成分がストランドの中心側よりも表面側により多く分布すること、繊維の破断折れが抑制されること、及び繊維間の摩擦が増大することを見出した。そして、このストランドを用いて熱融解積層方式の3Dプリンタで造形を行うと、上記熱可塑性樹脂成分の分布、繊維破断折れの抑制、繊維間の摩擦の増大等の寄与により、造形物が衝撃強度に優れることを見出して、本発明を完成させるに至った。
まず、本実施形態のストランドについて説明する。
当該ストランドは、3Dプリンタの造形原料として用いられるストランドであって、熱可塑性樹脂を主成分とする基材と、この基材中に含浸され、軸方向に延在する1本又は複数本の繊維又は繊維束とを備え、上記軸方向に沿って撚りが付与されている。以下、繊維又は繊維束を、まとめて「繊維材料」ともいう。基材中に1本又は複数本の繊維又は繊維束が含浸されたものを、「複合体」ともいう。
上記3Dプリンタは、熱可塑性樹脂成分を熱で融解した当該ストランドを少しずつ積み重ねていくことで三次元形状の造形物を形成する、すなわち、熱融解積層方式を採用するものである。この熱融解積層方式では、一層ずつ、先に形成した層と次の層とを半固形(軟化)状態で接着させながら造形を行う。この3Dプリンタは、熱で可塑化状態にある樹脂を少しずつ積み重ねていくことで造形物を形成することができるものであれば、特に限定されない。例えば3Dプリンタとしては、上下、左右及び前後方向に自在に移動可能な支持板と、当該ストランドの熱可塑性樹脂成分を可塑化しながら上記支持板に供給する供給部とを備えるものが挙げられる。
上記基材は、熱可塑性樹脂を主成分とする。上記基材は、融解状態で上記繊維又は繊維束を含浸させ得るものである。上記熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等のポリエステル系樹脂、ポリエチレンイミド(PEI)等のポリイミド系樹脂、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。
当該ストランドは、1又は複数本の繊維又は繊維束を備える。すなわち、当該ストランドは、1本の繊維、複数本の繊維、1本の繊維束、又は複数本の繊維束を備える。
当該ストランドにおいては、上記基材に上記繊維材料が含浸された複合体が、上記軸方向に撚られている。上記軸方向の長さ1m当たりの上記撚りの回数の下限としては、10回/mが好ましく、20回/mがより好ましく、50回/mがさらに好ましく、70回/mが特に好ましい。上記撚りの回数が上記下限に満たないと、当該ストランドが座屈し易くなり、取り扱い性に劣るおそれがある。加えて、当該ストランドを用いて3Dプリンタで形成した造形物が衝撃強度に劣るおそれがある。一方、上記撚りの回数の上限としては、200回/mが好ましく、150回/mがより好ましく、100回/mがさらに好ましい。上記撚りの回数が上記上限を超えると、当該ストランドの製造時に樹脂材料の量に比して繊維材料の量が相対的に小さくなり、当該ストランドを用いて3Dプリンタで造形した造形物が衝撃強度に劣るおそれがある。
本実施形態のストランドの製造方法は、融解状態の上記基材に上記繊維又は繊維束を含浸させる工程(含浸工程)と、含浸させた上記繊維又は繊維束を撚られている状態にする工程(撚り工程)とを備える。当該製造方法は、例えば図2に示す製造装置1を用いて行うことができる。
図2に示すように、製造装置1は、コイル状に巻かれた繊維材料5を所定速度で送り出す複数(図2では3つ)の繊維材料供給部11と、基材3を混練溶融させる混練押出機25と、繊維材料供給部11から送り出された繊維材料5に混練押出機25で可塑化された基材3を含浸させる樹脂浴部27とを備える。
含浸工程は、製造装置1の樹脂浴部27によって行う。具体的には、ホッパ23から供給された基材3を混錬押出機25で混練し、融解状態の基材3を樹脂浴部27に貯留する。この樹脂浴部27に繊維材料供給部11から繊維材料5を供給する。樹脂浴部27内で、融解状態の基材3に繊維材料5を含浸させ、出口部28に配置されたダイス29を通過させて含浸量を調整する。この含浸により、各繊維材料5内の隙間、各繊維材料5の周囲、及び各繊維材料5同士の間に基材3が存在している状態となる。このようにして得られた基材3と繊維材料5との複合体(含浸後の繊維材料)を冷却部31で冷却する。
当該ストランドは、上記繊維又は繊維束が上記基材に含浸され、撚られていることで、座屈し難くなり、取り扱い性に優れる。加えて、上記撚られていることにより、当該ストランドを用いて3Dプリンタで造形した造形物が衝撃強度に優れる。従って、当該ストランドは、衝撃強度に優れた造形物を簡便に3Dプリンタで造形することを可能とする。
次いで、本実施形態の造形物について説明する。
本実施形態の造形物における3Dプリンタとしては、上述した第1実施形態のストランドにおける3Dプリンタと同様の3Dプリンタと同様のものが挙げられる。
本実施形態の造形物における1本又は複数本の繊維又は繊維束としては、上述した第1実施形態のストランドにおける1本又は複数本の繊維又は繊維束と同様のものが挙げられる。また、上述したように、繊維又は繊維束を、まとめて「繊維材料」ともいう。
上記基体は、熱可塑性樹脂を主成分とする。上記基体は、この基体内に上記繊維又は繊維束を含有させ得るものである。上記熱可塑性樹脂としては、上述した第1実施形態の熱可塑性樹脂と同様のものが挙げられる。
本実施形態の造形物の製造方法としては、例えば上述した本実施形態のストランドを造形材料として用いて3Dプリンタによって造形する工程を備える。具体的には、上述した本実施形態のストランドを用い、3Dプリンタによって、熱で可塑化状態にある当該ストランドを1層ずつ積み重ねていく熱融解積層法方式で造形物を造形する工程を備える。この造形物では、上記基材が融解した後、冷却されて再び固化することで、基体が形成される。この基体内に、上記のように撚られている繊維材料が存在している。
当該造形物は、上記繊維又は繊維束が熱可塑性樹脂を主成分とする基体中に含有され、撚られていることで、上述したように、衝撃強度に優れる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態のストランドでは、上記した一対の引取ロールを有する撚り部によって、融解した熱可塑性樹脂に含浸させた複合体に撚りを付与した。しかし、その他、撚りの付与として、含浸後、上述したように、冷却した複合体を巻き取りながら撚るように構成された巻取部(ボビン)を採用することもできる。この場合、例えば巻取部が、上記複合体を巻き取るロールと、このロールを支持する支持部材とを有し、上記ロールが上記複合体を巻き取るよう上記複合体の引き取り方向と垂直な第1軸心周りに上記支持部材に対して回転しながら、上記支持部材が上記引き取り方向の第2軸心周りに上記ロールと共に回転するように構成された態様を採用することができる。
繊維材料として、1本の12000texの炭素繊維束を用いた。基体である熱可塑性樹脂として、ポリプロピレンを用いた。図2に示すような製造装置を用い、融解状態の熱可塑性樹脂に繊維材料を含浸させ、複合体を撚り部の一対の引取ロールの引き取り方向に対する傾斜角度を調整して撚ることで、上記複合体に対して、表1に示すように撚り角度が5°、1m当たりの撚り回数が22回/mとなるように撚りを付与した。これにより、実施例1のストランドを形成した。得られたストランドの平均直径(外径)は1.5mmであった。
表1に示す撚り角度及び撚り回数となるよう上記一対の引取ロールの引き取り方向に対する傾斜角度を変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜4及び比較例1のストランドを形成した。実施例2〜4及び比較例1のストランドの平均直径(外径)は、いずれも1.5mmであった。
得られた実施例1〜4及び比較例1のストランドを、直径の異なる円筒に巻き付けたとき、座屈せずに巻き付けることができる最大の直径を測定した。結果を表1に示す。表1においては、巻き付ける際、ストランドが屈曲せずに巻ける場合、良好であるとして「G」と表した。巻き付ける際、屈曲が発生した場合、「屈曲」と表した。また、円筒への巻き付けが可能であった場合、「可」と表し、紙管に巻き付けることができなかった場合、「不可」と表した。
得られた実施例2〜4及び比較例1のストランドをそれぞれ長さ100mmに切断し、測定試料とした。実施例2〜4及び比較例1のそれぞれについて、内側の長さが100mm、幅が100mm、厚さが2mmの金枠内に複数本の測定試料を敷き詰め、180℃にて加熱プレスを行うことによって造形物を得た。これは、3Dプリントの多層を模したものである。得られた造形物の繊維含有率は50質量%であった。この造形物を10mm幅となるよう切断し、シャルビー衝撃試験を測定した。結果を表1に示す。
3 基材
5 繊維材料(繊維又は繊維束)
10 製造装置
11 繊維材料供給部
23 ホッパ
25 押出混練機
26 チャンバ
27 樹脂浴部
28 出口部
29 ダイス
31 冷却部
32 冷却水
41 撚り部
43、45 引取ロール
Claims (5)
- 3Dプリンタの造形原料として用いられるストランドであって、
熱可塑性樹脂を主成分とする基材と、
この基材中に含浸され、軸方向に延在する1本又は複数本の繊維又は繊維束とを備え、
上記軸方向に沿って撚りが付与されているストランド。 - 上記軸方向の長さ1m当たりの上記撚りの回数が10回/m以上200回/m以下である請求項1に記載のストランド。
- 上記軸方向に対する上記撚りの角度が3°以上50°以下である請求項1又は請求項2に記載のストランド。
- 上記繊維又は繊維束が炭素繊維を含む請求項1、請求項2又は請求項3に記載のストランド。
- 3Dプリンタによる造形物であって、
熱可塑性樹脂を主成分とする基体と、
この基体中に含有され、軸方向に沿って撚りが付与されている1本又は複数本の繊維又は繊維束とを備える造形物。
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