JP2022024061A - 熱溶解フィラメント製法による造形品の内面ビード拡散接合を強化するためのマイクロ波誘導によるcnt充填ポリマーコンポジットの局所加熱 - Google Patents
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Abstract
Description
本請求書は、2014年12月26日に出願された「Microwave-Induced Localized Heating Of
CNT Filled Polymer Composites For Enhanced Inter-Bead Diffusion Of Fused Filament Fabricated Parts(熱溶解フィラメント製法による造形品の内面ビード拡散を強化す
るためのマイクロ波誘導によるCNT充填ポリマーコンポジットの局所加熱)」という名称
の米国特許出願シリアル番号61/920,937に対して優先権を主張する。前述の特許出願は、ここに参照することによりその全体を本明細書の一部となす。
本発明は、以下のテキサス工科大学助成金番号の下で政府の支援によってなされた。CBET-1133250、NSF CBET NanoEHS、「Carbon nanotube detection in plants through Microwave-Induced heating(マイクロ波誘導加熱による植物中カーボンナノチューブの検出
)」。政府は本発明に一定の権利を有する。
する。本発明は、マイクロ波を吸収するナノ材料(カーボンナノチューブ(CNT))を3D
プリンター用ポリマーフィラメントの表面(または体積全体)に取り込み、マイクロ波照射処理後および/またはin-situでの集束マイクロ波照射後(プリント中)に内面ビード
接合強度を高める技法を例示する。
ザイン、自動車、航空宇宙、軍事、工学、土木工学、歯科、医療産業、バイオテクノロジー(ヒト組織の移植)、ファッション、履物、ジュエリー、眼鏡類、教育、地理情報システム、食品、およびその他の多くの分野での試作および分散製造の用途に使用されている。積層造形(3Dプリント)産業は、2012年に約30億ドル規模に成長を遂げ、2019年までに65億ドル超の規模に成長すると予測されている。米調査会社ウォーラーズ・アソシエイツ、「Wohlers Report 2012:Additive Manufacturing and 3d Printing, State of the Industry(積層造形および3Dプリント産業の動静)」。2012、1-271(Ft.Collins、Co.)http://wohlersassociates.com/state-of-the-industry-reports.html。
積層造形の起源と進化および全米科学財団(NSF)の当該起源と進化における役割は、C.L.Weberらの「The Role of the National Science Foundation in the Origin and Evolution of Additive Manufacturing in the United States(米国の積層造形の起源と進化における全米科学財団の役割)」、IDA Science & Technology Policy InstituteによるIDA白書P-5091(2013年)で定められており、付録Aとして本発明明細書に添付されている
。
リングソフトウェアから仮想設計図を取り、それを3Dマシン用のデジタル断面にスライスして、プリント用ガイドラインとして逐次使用する方法である。使用する3Dマシンに応じて、材料または結合剤は、材料/結合剤の積層が完了し、最終的に3Dモデルがプリントさ
れるまで成膜される。プリント時に、3Dプリントマシンは仮想設計図を読み取り、一連の
断面から液体、粉末、紙またはシート材料の層を逐次積層してモデルを構築する。これらの層は接合されるか、自動的に溶解して最終的な形状を作成する。積層造形技法の基本的な利点は、ほとんどあらゆる形状や幾何学的特徴を作成する能力にある。
リントマシンでは、プラスチックフィラメント(通常はコイル上に巻き付けられ、供給材料に送り出される)が使用され、フィラメント供給速度を制御することによって溶融プラスチックビードの流れを調整する押出ノズルを介して適用される。前記押出ノズルは前記材料を加熱溶融する(あるいは別様に前記材料に流動性を与える)。前記押出ノズルはコンピュータ制御機構によって水平方向および垂直方向に移動可能である。あるいは、前記プリンターのプラットフォームベッドを前記押出ノズルに対して移動させることも、またはノズルとプラットフォームの調整移動を使用してx軸、y軸、z軸方向に所望の押出経路
を達成することもできる。前記モデルまたはパーツは、熱可塑性材料の小ビードを押出成形して垂直(すなわち、z軸)方向に層を逐次形成することによって生産される。前記材
料は前記押出ノズルから押し出された直後に硬化する。当該押出成膜法では、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、高密度ポリエチレン(HDPE)、PC/ABS、およびポリフェニルスルホン(PPSU)を含むがこれらに限定されない様々なポリマーが使用されている。一般に、前記ポリマーは未使用樹脂から造形されたフィラメントの形態をとる。
リス)や熱溶解フィラメント製法(FFF)などの積層造形法でプリントされたパーツとの
間には相違がある。当該相違には、例えば、前記最終パーツの強度が従来の機械加工法で生産したパーツに比べると低下することがあるという点が含まれる。それゆえ、積層造形能力はプリントされたフィラメント層相互間の弱い溶着強度によって妨げられ、多くの場合層間剥離や機械的な故障につながる。従って、従来の製造方式によるオブジェクト(射出成形、押出成形、機械加工などによって作られたオブジェクトなど)と比較して同一またはより優れた機械的特性を有するオブジェクトを3Dプリントを使用して作る方法が求められている。
する。本発明は、マイクロ波を吸収するナノ材料(カーボンナノチューブ(CNT))を3D
プリンター用ポリマーフィラメントの表面(または体積全体)に取り込み、マイクロ波照射処理後および/またはin-situでの集束マイクロ波照射後(プリント中)に内面ビード
接合強度を高める技法を例示する。本発明の方法により、最終的に3Dプリントされたパーツの全体的な強度は劇的に増加し、熱溶解フィラメントパーツの等方性機械的特性は従来
の製造方式によるパーツの強度と特性に近づくか、超えることになる。本発明は上記を達成するため、小さい重量分率のナノ材料を既存の業界水準ポリマーフィラメントに適用するとともに、機械的特性を大幅に高める安価で迅速に行える拡張性のある後処理技法を採用する。
クロ波加熱による、ナノメートルスケールの局所誘導される間接的伝導に基づくポリマーの加熱に依存する。これは、バルク高周波透明ポリマーパートを大幅に加熱劣化させたり、寸法的な歪みを起こすことなく、隣接ビード同士間のポリマー鎖の急速な拡散接合を可能にする。
ツの構造的整合性を監視する能力が含まれる。また、これには特定の種類の高周波を吸収するナノ材料を利用する用途が含まれる。伝導性ナノコンポジットコアおよび誘電体シースからなる多層同軸フィラメント被覆分布を実装すると、プリント回路、電磁コイル、誘導子、およびアンテナのための押出成形ポリマーワイヤの電気伝導性を確保できる。これらの押出成形ワイヤをマイクロ波照射および加熱することによって、電気伝導性ナノ材料(CNT、銀ナノ粒子およびナノワイヤなど)の焼結を行って所望の電気伝導率を達成する
ことができる。さらに、前記プリンターフィラメントの長さに沿って分割された部位特異的なナノ材料を含むと、歪みセンサー、温度センサー、タッチセンサー、エレクトロルミネセンスインジケータ、および電気機械式アクチュエータなどの組み込み型電子機器の製造が有効かつ可能になる。
る。前記積層造形法には、前記3次元オブジェクトの造形工程中または工程後、前記ポリ
マーフィラメントにマイクロ波を照射することがさらに含まれる。
前記マイクロ波を吸収するナノ材料は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン(PANI)、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択可能である。
前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブであり得る。
である。
前記被覆は約100nm~0.5mmの厚さを有することが可能である。
前記被覆は3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことが可能である。
前記ポリマーフィラメントはポリ乳酸(PLA)を含むことが可能である。
(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(
ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことが可能である。
造形工程中に行うことが可能である。
前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程は、前記3次元オブジェクトの
造形工程後に行うことが可能である。
前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程は、1W~1kWの照射力で行うこ
とが可能である。
ジェクトを特徴とする。複数の前記ポリマーフィラメントは、マイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有する。前記3次元オブジェクトには、前記ポリマーフィラメントの被
覆が共に熱溶解されていることがさらに含まれる。
前記マイクロ波を吸収するナノ材料は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン(PANI)、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択可能である。
前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブであり得る。
前記被覆は1重量%~50重量%のカーボンナノチューブを含むことが可能である。
前記被覆は3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことが可能である。
前記ポリマーフィラメントは、スチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸
(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(
ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことが可能である。
形装置を特徴とする。前記積層造形装置には、前記押出機により押出成形可能なマイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有するポリマーフィラメントがさらに含まれる。前記積層造形装置には、前記押出機による押出成形後に前記ポリマーフィラメントの照射に使用可能なマイクロ波源がさらに含まれる。
前記積層造形装置には、前記押出機の近くに位置するチップをさらに含むことが可能である。前記チップは前記押出機の近くにおいてマイクロ波源からのマイクロ波の焦点調整に使用可能である。
前記マイクロ波を吸収するナノ材料は、カーボンナノチューブを含むことが可能である。
である。
前記被覆は約100nm~0.5mmの厚さを有することが可能である。
前記被覆は3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことが可能である。
前記ポリマーフィラメントはポリ乳酸(PLA)を含むことが可能である。
(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(
ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群か
ら選択されるフィラメントを含むことが可能である。
前記積層造形装置は前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を1W~1kWの照射力で照射す
るために使用可能である。
ンター用ポリマーフィラメントの表面(または体積全体)に取り込み、マイクロ波照射処理後および/またはin-situでの集束マイクロ波照射後(プリント中)に内面ビード接合
強度を高める技法を例示する。本発明の実施形態では、熱可塑性パーツを製造するため、逐次積層される層が付加的に配置されて所望の形状を作る積層造形法が3Dプリンターによって利用されている。これらの3Dプリンターは複雑なデザインの製品を通常の機械加工技法よりもはるかに速くプリントすることが可能であるが、前記最終パーツの強度は従来の
機械加工法で生産したパーツに比べると低下することがある。本発明の処理方法は、かかるパーツの強度が従来の機械加工法で生産したパーツと比較して低いという問題に対処するために使用される。前記処理方法は、この3Dプリントされたパーツの弱点を根絶するために使用される。前記処理方法には、カーボンナノチューブ(CNT)被覆による前記パー
ツの被覆およびマイクロ波照射の適用(多くの場合マイクロ波照射の逐次適用)が含まれる。前記マイクロ波照射は、前記積層造形法中および/または前記積層造形法の完了後に行うことが可能である。
ポリマーフィラメントの被覆
図1Aを参照すると、図1Aは噴射成膜法によってカーボンナノチューブでポリマーフィラメント103外面を被覆する方法を例示する。この実施形態では、カーボンナノチューブ分
散液のリザーバー102を有するエアブラシ101が、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)フィラメントなどのポリマーフィラメント103外面を被覆するために使用される。前記ポリマーフィラメント103は、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、高密度ポリエチレン(HDPE)、PC/ABS、およびポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)、ポリエーテルイミド(ULTEM(商標))、ポリエ
ーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせなどのその他のポリマーから作ることが可能である。前記カーボンナノチューブ分散液は、濃度10 mg/mlにて適切な溶媒(ABSの場合、アセトン)中に熱可塑性樹脂を
溶解し、多層カーボンナノチューブ粉末(CheapTubes.com、バーモント州ブラトルバロ)を濃度0.5 mg/mlにて添加し、続いてプローブ超音波処理を30分間実行することによって
作った。その他の使用可能な溶媒は、例えば、PLAの場合、クロロホルムである。
で例示した噴射成膜方法を示す写真である。
ける裸フィラメントの浸漬被覆(例えば図2に示したように)、CNTポリマーのマスターバッチシースおよび純ポリマーコア同軸フィラメントの同時共押出、およびそれらの組み合わせが含まれる。米国特許第3,458,615号「Hydrodynamically Centering Sheath/Core Filament Spinnerette」、1969年7月29日発行、Bragawらに付与、米国特許第4,680,156号「Sheath Core Composite Extrusion And A Method Of Making It By Melt Transformation
Coextrusion,」、1987年7月14日発行、Collierに付与、および米国特許第5,219,508号「Method Of Manufacturing Sheath Core Fiber」、1993年6月15日発行、Collierらに付与
、を参照願いたい。図2に示した浸漬被覆方法は、均一なフィラメント被覆処理を作成す
るために拡張性がある。
は、最終被覆厚を制御するために、より粘性のある被覆溶液を使用する。一実施形態では、この粘度の増加はクロロホルム中の固形分重量パーセントを溶媒の40 mg/mlに増加させることによって達成する。前記フィラメントが浴槽を通過する際に(図2に示したように
)、薄肉MWCNT/PLAシェルが前記フィラメント表面上に成膜される。その乾燥時間は十分
に急速であることから、前記フィラメントの大部分はクロロホルムによって損傷されず、24時間100℃にてオーブン内で真空乾燥後に元の機械的特性を回復する。前記フィラメン
ト被覆はMWCNT/PLAコンポジットフィルムであり得る。その理由は、MWCNTだけの被覆は一般に前記表面に十分に接合しないため、損傷なしに3-Dプリントプロセスを終了すること
ができないからである。
カーボンナノチューブ
本発明で使用したカーボンナノチューブの種類には、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、官能基化カーボンナノチューブなどが含まれる。また、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子または磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤまたは半導体ナノワイヤおよび量子ドット、およびポリアニリン(PANI)またはポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)などの特定の導電性ポリマーを含むマイクロ波を吸収するナノ材料の他の形態を使用可能である。
図4は、前記被覆ポリマーフィラメント103に(図1に示した噴射成膜後に)マイクロ波401を照射する方法を例示する図である。前記純ポリマーフィラメント103は前記マイクロ
波401に対して比較的に非感受性ではあるが、前記被覆105におけるカーボンナノチューブはマイクロ波照射に対して極端な感受性を示し、局所加熱を生成する。この局所加熱は、例えばIrin, F.らの「Detection of carbon nanotubes in biological samples through Microwave-Induced heating」、Carbon、2012、50、(12)、4441-4449、およびVegesna,
S.らの「Non-destructive Technique for Broadband Characterization of Carbon Nanotubes at Microwave Frequencies」、Journal of Electromagnetic Waves and Applications、2013、27、(11)、1372-1381で論考、説明されている。前記マイクロ波照射後のカーボンナノチューブの局所加熱はフィラメント-フィラメント接触面402にて選択的溶解を引き起こし、ポリマー拡散および連続したポリマー構造の形成を可能にする。かかる構造は在来のプリントされた3D構造とは顕著に異なる。前記ポリマーフィラメント103は、隣
接ポリマーフィラメント103がフィラメント-フィラメント接触面402においてウエット状
態になり、前記ポリマー鎖が前記接触面全体にわたって相互拡散できた時点で、フィラメント-フィラメント接触面402で溶解できる。例えば、ポリマーフィラメント103は溶融に
よってフィラメント-フィラメント接触面402でウエット状態になることが可能である。溶融しないポリマー(非晶質高分子など)の場合は、前記ポリマーフィラメント103の温度
がガラス転移温度を十分に超えて高くなると非ニュートン流体として流動可能になる。
用する。別の実施形態では、前記マイクロ波は逐次積層される層が配置されているときに適用する(すなわち「in-situ」方法)。かかるin-situ方法は、プリントプロセス中にフィラメント-フィラメント接触面を加熱する集束マイクロ波照射によって配備可能であり
、前記マイクロ波照射装置を3Dプリンターのハードウェアに統合する(適切な電磁遮蔽とともに)。 製造中のフィラメント-フィラメント接触面の「溶着」は構造の強度を高める。さらなる利点は、この方法が従来の押出成膜法では以前に達成できなかった特定形状の製造を可能にすることである。例えば、押出成膜法は構築中にサポートされないので、通常は突出構造や大きな間隙構造を生産することはできない。支持のない大型橋梁構造の構築は実証されているが*(http://www.thingiverse.com/thing:12925、http://youtu.be/_b6hFFcLh_Q、およびhttp://youtu.be/wK2APNwEoSk)*、前記橋梁の上にさらなる層をプリントすると、追加して積層されるポリマービードの潜在熱および付加重量のため、橋梁構造に撓みが生じる。3Dプリントプロセス中に本明細書で説明する発明で溶着部の強度を高めることによって、当該橋梁様構造をより優れた寸法公差で取得することができる。これは通常、相当量の離脱材または吸収性支持材が利用される複雑なパーツに重要である。
ポリマーフィラメント束
図5は、噴射成膜法(図1に示す)によって部分的に(被覆105で)被覆され、次いでマ
イクロ波加熱に曝露(図4に示す)されたポリマーフィラメント103のポリマーフィラメント束501の写真である。前記ポリマーフィラメント103は、ABSから作り、マイクロ波401を照射(従来型マイクロ波オーブン内で約2.45GHzにて約20秒間)して、前記フィラメント同
士間(前記ポリマーフィラメント103の被覆区分内)の空隙を最小限にして溶解構造を形
成した。対照的に、前記ポリマーフィラメント103の非被覆部分(すなわち、前記マイク
ロ波透明ABSフィラメント部分)は前記マイクロ波処理方法401によって影響を受けず、熱溶解されなかった。
クロスハッチスタック
図6は、マイクロ波401が照射されるようにクロスハッチスタックに配置したポリマーフィラメント103(外面上に被覆105を形成するため図1に示した噴射成膜後)を例示する図
である。図7は、噴射成膜法(図1に示す)によりポリマーフィラメントを被覆し、配列し、次いで前記被覆ポリマーフィラメントのクロスハッチスタックにマイクロ波を照射(図6に示す)することによって作られたマイクロ波溶解クロスハッチスタックの写真である
。拡大部分702は、前記マイクロ波溶解クロスハッチスタック701の光学顕微鏡画像である。前記ポリマーフィラメント103にはABSを使用した。被覆ポリマーフィラメント103のク
ロスハッチスタックにマイクロ波401を照射(従来のマイクロ波オーブン内で約20秒間約2.45GHzにて)して、前記フィラメント同士間の空隙を最小限にして溶解構造を形成した。前記マイクロ波照射中に起こるこのフィラメント溶解は、空隙を排除し、荷重伝達を向上させる。
さ、前記被覆中のCNT重量または体積分率、および前記被覆方法自体が含まれる。一部の
実施形態では、照射時間は約1秒~約5分間、照射力は約1W~約1kW、およびCNTポリマーシース厚は約100nm~約0.5mmである。前記マイクロ波の周波数は利用するマイクロ波源の種類によって制御可能である。
プリントオブジェクト
図8は、同様に作られた3Dプリントオブジェクトの写真2葉である(オブジェクト801お
よびオブジェクト802)。オブジェクト801は純ABSプリンターフィラメントを用いて積層
造形法によって作った。オブジェクト802は、マイクロ波照射でプリント後処理を行った
カーボンナノチューブ被覆ABSプリンターフィラメントを用いて同一の積層造形法で作っ
た。
液を前記純ABSプリンターフィラメント上に噴射し、次いで前記カーボンナノチューブ被
覆を有するプリントされたパーツに従来のマイクロ波オーブン内で約15秒間約2.45GHzに
てマイクロ波を照射した。本発明の実施形態を使用して形成したその他のオブジェクトの場合と同じく、この方法は最小限の前記フィラメント同士間空隙で熱溶解構造(オブジェクト1102)を形成した。
である。オブジェクト901および1001は、純非被覆PLAプリンターフィラメントのみで作られた3Dプリントオブジェクトである。これらはUPを使用してプリントした。ミニ3Dデスクトッププリンター。オブジェクト902および1002は、CNT被覆を適用し、マイクロ波を照射した後の3Dプリントオブジェクトである。
形態学
図11は、カーボンナノチューブ分散液を被覆したポリマーフィラメント1101の断面のSEMである。前記ポリマーフィラメント1101は純ABSである。 前記被覆ポリマーフィラメン
トはマイクロ波で照射されていない。前記カーボンナノチューブ被覆1102(前記同軸CNT
シート)は約15μmの厚さ1103を有する。図12は、カーボンナノチューブ被覆1102内でラ
ンダム配向した多層カーボンナノチューブ1201を示す被覆ポリマーフィラメント1101のSEM(拡大図)である。
1302を示す。図14は、前記カーボンナノチューブ被覆内でランダム配向した多層カーボンナノチューブ1401を示す図13の3DプリントオブジェクトのSEM(上面図・拡大図)である
。前記多層カーボンナノチューブは約50nm~約80nmの直径を有する。図15は、図7の3Dプ
リントオブジェクトの断面のSEMである。この断面は、前記ポリマーフィラメント1501(
純ABS)、カーボンナノチューブ被覆1502、および前記押出成形ポリマービード間の接触
面1503を示す。
マイクロ波放射への熱応答
マイクロ波誘導によるCNT加熱は、ポリマーナノコンポジット接触面における調整可能
なポリマーの可動性と密着性の可能性を開く。また、この現象は3-Dプリントされたパー
ツにおけるポリマー溶着性を改善するために使用することが可能である。誘電特性をin situマイクロ波温度測定と接続することによって、本発明は前記マイクロ波応答が積層造
形におけるポリマーフィルムおよびフィラメント密着性にどのように影響するかを制御可能である。
な重量百分率で混合した。例えば、-OH官能基化された多層カーボンナノチューブをPLA/
クロロホルム溶液中で分散させ、これらの分散液を使用して溶液キャスト法を行い、MWCNT/PLAフィルムを様々なMWCNT添加レベル(0.00~10.0重量パーセント)でをホットプレスした。これらのフィルムの溶液キャストを行った後、これらのキャラクタリゼーションには、電気特性試験(DCおよびAC)、赤外線温度測定(in-situマイクロ波熱量測定を実行
するため効果的に画像処理を使用)、および示差走査熱量測定(DSC)を含めた。
性の劇的増加を示した。熱応答におけるこの増加は、伝導性カーボンナノチューブのネットワーク切断からネットワーク結合への遷移によって生じたことが信じられる。マイクロ波放射に起因する前記カーボンナノチューブ上の誘導電流の大きさはこの閾値を超えて大幅に増加し、加熱による大電力放散を引き起こした。この閾値未満では、ネットワーク切断における前記カーボンナノチューブ間の間隙はマトリックスの高インピーダンスのため電流の流れを阻害することがさらに信じられる。
されたビデオフレームは照射後0.1秒の加熱分布を示し、示された17℃の温度上昇(18℃
から35℃)は、加熱プロセスの急速さを示している。前記データは局所加熱の効果を示し、図27におけるシミュレーション結果と同様に(後述)、前記加熱がMWCNT濃縮領域に限
定されており、フィラメントの相互溶着を促進することを確認している。前記解析過程にわたって、前記空間的に平均化されたサンプル温度は58.5℃上昇した。図16Bにおけるこ
のデータは、前記フィラメントのマイクロ波応答性CNTによる被覆が効果的であり、将来
性があることを示す。
電気特性
前記加熱は結果として生じるフィルムの電気特性に基づいて調整可能である。当該電気特性には、伝導率、損失正接、および誘電特性が含まれる。
導率を測定した。4点プローブを使用してDC測定を行った。これらのAC測定は、PLA/多層
カーボンナノチューブサンプル(矩形PLA/多層カーボンナノチューブサンプル、厚さ0.5mm、矩形導波管中に挿入)上で同軸線および矩形導波管を用いて低電力マイクロ波ネット
ワーク解析器で行った。アジレント社のマイクロ波ネットワーク解析器を用いて散乱パラメータ(透過係数および反射係数)を測定し、適切な校正後に前記サンプルの誘電特性を抽出するために使用した。導波管を測定に使用したことから、スルーリフレクトライン(TRL校正法)を行って導波管アダプタおよび入力導波管部分および出力導波管部分に対し
て前記同軸線を修正した。
ノチューブ重量パーセント添加との関係を反映するグラフである。図17に示したように、前記AC伝導率値(2.45GHzでの)およびDC伝導率値は、高いカーボンナノチューブ添加量
(5重量%超)におけるパーコレートした抵抗性カーボンナノチューブネットワークの伝導率値と同一であるが、低いカーボンナノチューブ添加量(3重量%未満)におけるAC伝導率は高くなっている。
らマイクロ波周波数で動作する同軸線などを用いるなど)が誘電率データおよび伝導率データを得るために使用可能である。当該データは、必要な最適カーボンナノチューブ濃度を決定するために使用可能であり、前記熱応答の調整に利用可能な周波数依存機能(共鳴)を明らかにすることもできる。
温度分布
また、上記のPLA/多層カーボンナノチューブサンプルの温度分布を検討して、制御環境での大電力(10~100W)マイクロ波放射(2.45GHz)に対する熱応答を明らかにした。前
記in-situマイクロ波熱量測定の設定には、矩形導波管内部に配置した均一なフィルムの
中心における温度上昇を画像化するために前向き赤外線(FLIR)カメラを使用し、それをマイクロ波発振器に順に結合した。(FLIR(登録商標)Systems, Inc.)。前記FLIRカメ
ラで、導波管の開口端を覆う金属メッシュ製ウィンドウを介して前記サンプルを観察する。電磁RFメーターを使用してマイクロ波放射中の安全性を確保する。
量%、5重量%、および10重量%)を試験した。前記FLIRカメラは、カスタム導波管内で2.45GHzにて20ワットのマイクロ波を30秒間照射した後、様々な量のMWCNT添加を行った後のPLAフィルムの熱画像(前記導波管内部)を明らかにした。図18、図19、図20A、図21A、図22A、および図23A。これらの図に示したように、カーボンナノチューブ添加量を2.5重量%
に増加すると熱応答は劇的に増加する。これは、抵抗性(容量性ではない)パーコレーションネットワークの発生に関連した結果であることが信じられている。
間分布における変化)することも示す。これは、電力吸収から、伝導性ネットワークと関連するマイクロ波電力反射への遷移に関連していることがさらに信じられる。異常で非単調な加熱の進行は、マイクロ波電力透過率(サブパーコレーションサンプルにおける)、マイクロ波電力吸収率(パーコレーション閾値のすぐ上のナノフィラー添加量のサンプル)、および伝導性が高いサンプルにおけるマイクロ波電力反射率の全体像を示すものである。これは、マイクロ波加熱に有益なCNT含有量範囲をさらに示す。
間との関係を示す。
示差走査熱量測定
示差走査熱量測定(DSC)を使用して、上記の純PLAおよびPLA/多層カーボンナノチューブサンプルの融点、結晶化温度およびガラス転移温度の測定を行った。図25Aは、純PLA(2501)およびPLA/多層カーボンナノチューブ(10重量%)(2502)のDSC曲線を示す。図25Aは、純PLA(2503)およびPLA/多層カーボンナノチューブ(10重量%)(2504)のDSCサーモグラムを示す。これらの測定値は、前記ポリマーが強力に溶着された接触面を形成する可能性が高い温度を正確に示す。ほとんどの熱可塑性ポリマーは、接合または溶着を形成するためにガラス転移温度を超えた温度で加熱しなくてはならない。前記DSCはまた、FLIR画像処理により取得した温度分布の結果と相関関係を有する温度の機能として判別可能
な熱容量の推定値をもたらした。図25Cは、純PLA(2505)およびPLA/多層カーボンナノチューブ(10重量%)(2506)の一定圧力における熱容量と温度との関係を示す。前記DSC測定は、前記PLAのTgがFLIR画像処理したサンプル(~60℃)における動的温度での定常値
と時間応答との関係と相関関係を有することを示した。
マイクロ波とカーボンナノチューブ添加ポリマーとの相互作用
前記マイクロ波の加熱行動は、前記サンプルの幾何形状、印加される電磁界および材料の誘電特性に基づく。シミュレーションおよびモデリングを利用して、CNT添加ポリマー
のマイクロ波応答の根底にある科学を調査した。シミュレーションおよびモデリングは、熱応答での様々なパラメータ(CNT添加、マイクロ波電力、サンプル厚)の効果を調査す
る上で役に立つ。
も必要とする。ANSYS(高周波数構造シミュレータ、HFSS)の商用ソフトウェア(電磁シ
ミュレーション用)はANSYS Mechanical(熱シミュレーション用)と一緒に利用される。また、COMSOL MultiphysicsをANSYS結果との比較に利用する。マイクロ波を照射したCNT
添加ポリマーのモデリングは、CNTの寸法(ナノメートル)とバルクサンプルの寸法(セ
ンチメートル)との間にある抜本的な違いのため、困難な課題である。直接シミュレーションは膨大な計算リソースを必要とするため、可能ではない。
、および図23Bのそれぞれにおける比較のための実験データと並行して)。図20C、図21C
、図22C、および図23Cのシミュレーション(および図20B、図21B、図22B、および図23Bの実験)におけるサンプル添加量はそれぞれ1重量%、2.5重量%、5重量%、および10重量%で
あった。前記シミュレーションには、様々なCNT添加量のサンプルのために実験的に測定
した損失正接の入力値を必要とした。これらのサンプルの損失正接および誘電率を様々なCNT添加量のナノコンポジットフィルムでの導波管測定値から取得した。これらの損失正
接および誘電率の測定値は前記シミュレーションのために使用し、結果として得られた空間分布は再び前記マイクロ波透過率、吸収率、および反射率を示した。
)図20B、図21B、図22B、および図23Bのデータセット)間の類似性は顕著であった。CNT
添加量が増加するにつれて、前記サンプルのマイクロ波応答は2つの遷移:電力透過から
吸収への遷移および反射への遷移を経た。このCNT/マイクロ波の相互作用のシミュレーションと実験との間の顕著な合致は完全に新しいことで、以前には報告されていない。
(前記損失正接は、前記材料の電気伝導率tanδ=σ/(2πfε)であり、本式では、σは伝
導率、εは誘電率、fは周波数)との関係を示す。図24に示したように、前記材料内で放
散された電力を最大化する損失正接の最適値(CNT濃度量によって制御される)がある(
熱に変換した)。これは、マイクロ波照射後に前記CNT/PLA基材を用いて製造されたコン
ポーネントで所望の接合強度を達成するためのパラメータの特定に使用可能である。当該パラメータには、CNT濃度、マイクロ波電力、周波数、および照射時間が含まれる。
マイクロ波誘導によるポリマー密着性
また、CNT/ポリマーナノコンポジットでの溶着へのマイクロ波加熱による機械的な効果の検討を行った。CNT豊富なポリマー被覆は、マイクロ波照射への曝露でポリマー基板の
密着性を高める。ポリマー接触面の力学に加えて、当該現象はナノスケールで部位特異的な加熱/接合を可能にすることによって積層造形における新たな手段を開く。
被覆効果を制御可能である。前記CNTフィルムの非単調マイクロ波応答に加えて、極めて
高いCNT添加量がポリマー拡散を阻害する(前記接触面の片側での2つのバルク相から)ことが信じられている。それゆえに、前記被覆厚さおよびCNT含有量はより優れたポリマー
拡散を実現するために制御可能である。したがって、前記溶着方法における分子鎖の相互
拡散度および効果は調整可能で制御可能である。
製造方法
カーボンナノチューブを用いた通常のPLAフィラメントの被覆プロセスは、これらのPLAフィラメントを既存の3-Dプリンターで使用することを可能にする。マイクロ波誘導によ
る溶着に対応するカーボンナノチューブを用いたフィラメントの被覆コンセプトは全く新しいコンセプトである。前記データは、当該被覆が施されたフィラメントが様々な構造の3-Dプリントの原料として使用可能であることを示す。例えば、これらのCNT添加3-D構造
を形成し、次いでマイクロ波照射に(1W~1kWの範囲で)一定時間(1秒~5分間の範囲)
曝露して、CNT豊富なポリマー被覆を加熱し、局部を溶融し、界面拡散を誘発し、接着強
度を増加させることが可能である。これらは、上記の特性を含む高度な特性に対して制御可能である。結果として得られるオブジェクトは(設計によって)高度な圧縮強度および引張強度(例えば、インストロン社の機械的特性評価試験機で測定可能な)を有し得る。
管-同軸適用装置システム2901を例示する図である。システム2901では、プリントフィラ
メント2902(カーボンナノチューブ被覆PLAなど)が積層造形装置(3Dプリンターなど、
すなわち、Helix社製3Dプリンターなど)の押出機ノズル2903を介して押出成形される。
(図29では、前記積層造形装置の押出機ノズル2903およびプリントフィラメント2902のみの詳細が示されている。他の標準的な積層造形装置、例えば3Dプリンターの標準的なパーツなどは、ブロック2904で説明されている)。
管などを備えている(周波数調整用プランジャーで制御可能)。前記マイクロ波源は、新たにプリントされた位置にある同軸適用装置チップ2905を用いてその位置に集中照射可能である。同軸位置決めユニットのチップにおけるマイクロ波の照射は局所加熱(ΔT)2906を提供する。
かかるシステムがもたらすものは:(a)CNTおよびCNT/ポリマーナノコンポジットのマイクロ波放射への応答性を利用する新型システムおよび方法。(b)CNT分散液を有する材料に適した効率的なモデリング技法。(c)マイクロ波照射後のCNT/ポリマーナノコンポ
ジット溶着のための方法と構造と特性の相互関係。(d)最適化されたCNT添加およびマイクロ波照射法を取り込む3Dプリント器具の開発、である。
製造技術
本発明の実施形態は、(1)伝統的な手法で作られたポリマーパーツを利用する射出成
形、押出成形、機械加工と、(2)熱溶解積層法(FDM(商標)、Stratasys、Inc.)およ
び熱溶解フィラメント製法(FFF)などの積層造形法でプリントされたパーツと、の間に
現在存在する相違を克服する。当該方法により、(a)3Dプリントされた熱可塑性パーツ
の全体的な強度を高めること、(b)バルクパーツの歪みや加熱なしに、ビード間のポリ
マー鎖の急速な拡散接合を可能にすること(従って強度を高める)、(c)3Dプリントさ
れた熱可塑性パーツの等方性機械的特性を改善して従来の方法で製造されたパーツに匹敵(または優越)すること、が可能である。
以下の特許および出版物は本発明に関連する:
米国特許第7,754,054号「Microwave Induced Functionalization Of Single Wall Carbon Nanotubes And Composites Prepared Therefrom」、2010年7月13日発行、Mittraらに
付与。
米国特許公開第2011/0223343号「Novel NanoComposite For Sustainability of Infrastructure」2011年9月15日公開、Wangらに付与。
spersed Single-Wall Carbon Nanotubes as the Nuclei」、Journal of Materials Science、2009、44、(5)、1245-1250、doi:10.1007/s10853-009-3259-4。
、3087-3092、doi:10.1016/j.compscitech.2008.07.004。
Nikzad, Mらの、「Thermo-Mechanical Properties of a Highly Filled Polymeric Composites for Fused Deposition Modeling」、Materials Design、2011、32、(6)、3448-3456、doi:10.1016/j.matdes.2011.01.056。
Shim, Hyung Cheoulらの「Enhancement of Adhesion Between Carbon Nanotubes and Polymer Substrates Using Microwave Irradiation」、Scripta Materialia、2009、61、
(1)、32-35、doi:10.1016/j.scriptamat.2009.02.060。
Applications、2013、27、(11)、1372-1381。
、doi:10.1063/1.2711771。
Ziemian, C.らの「Anisotropic Mechanical Properties of ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modelling」、Mechanical Engineering、2012、第7章、159-181(編集者:Gokcek, Murat)、doi: 10.5772/34233。
って本明細書の一部となす。
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[1]
(a) マイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有するポリマーフィラメントを選択することと、
(b) 前記ポリマーフィラメントから3次元オブジェクトを造形することと、
(c) 前記3次元オブジェクトの造形工程中または造形工程後、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射することと、を含む積層造形法。
[2]
[1]に記載の方法において、前記マイクロ波を吸収するナノ材料が、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン(PANI)、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする方法。
[3]
[1]に記載の方法において、前記マイクロ波を吸収するナノ材料がカーボンナノチューブを含むことを特徴とする方法。
[4]
[3]に記載の方法において、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブであることを特徴とする方法。
[5]
[3]に記載の方法において、前記被覆が前記ポリマーフィラメントの直径の0.005%~30%の厚さを有することを特徴とする方法。
[6]
[3]に記載の方法において、前記被覆が約100nm~0.5mmの厚さを有することを特徴とする方法。
[7]
[3]に記載の方法において、前記被覆が1重量%~50重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする方法。
[8]
[7]に記載の方法において、前記被覆が3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする方法。
[9]
[3]に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントがポリ乳酸(PLA)を含むことを特徴とする方法。
[10]
[3]に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントがスチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことを特徴とする方法。
[11]
[3]に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程が、前記3次元オブジェクトの造形工程中に行うことを特徴とする方法。
[12]
[10]に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程が、前記3次元オブジェクトの造形工程後に行うことを特徴とする方法。
[13]
[3]に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程が、前記ポリマーフィラメントに1秒~5分間マイクロ波を照射することを特徴とする方法。
[14]
[3]に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程が、1W~1kWの照射力で行われることを特徴とする方法。
[15]
[3]に記載の方法において、
(a) ポリマーフィラメントを選択することと、
(b) 前記被覆により前記ポリマーフィラメントを被覆することであって、前記被覆工程が、噴射成膜、浸漬被覆、押出被覆、およびそれらの組み合わせからなる工程から選択される、被覆することと、をさらに含むことを特徴とする方法。
[16]
(a) 複数のポリマーフィラメントであって、複数の前記ポリマーフィラメントがマイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有する、ポリマーフィラメントと、
(b) 共に熱溶解されている前記ポリマーフィラメントの前記被覆と、を含む3次元オブジェクト。
[17]
[16]に記載のオブジェクトにおいて、前記マイクロ波を吸収するナノ材料が、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン(PANI)、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とするオブジェクト。
[18]
[1]に記載のオブジェクトにおいて、前記マイクロ波を吸収するナノ材料がカーボンナノチューブを含むことを特徴とするオブジェクト。
[19]
[18]に記載のオブジェクトにおいて、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブであることを特徴とするオブジェクト。
[20]
[18]に記載のオブジェクトにおいて、前記被覆が約100nm~0.5mmの厚さを有することを特徴とするオブジェクト。
[21]
[18]に記載のオブジェクトにおいて、前記被覆が1重量%~50重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とするオブジェクト。
[22]
[21]に記載のオブジェクトにおいて、前記被覆が3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とするオブジェクト。
[23]
[18]に記載のオブジェクトにおいて、前記ポリマーフィラメントがポリ乳酸(PLA)を含むことを特徴とするオブジェクト。
[24]
[18]に記載のオブジェクトにおいて、前記ポリマーフィラメントがスチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことを特徴とするオブジェクト。
[25]
(a) 押出機を有する3次元プリンターと、
(b) 前記押出機により押出成形可能なマイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有するポリマーフィラメントと、
(c) 前記押出機による押出成形後に前記ポリマーフィラメントの照射に使用可能なマイクロ波源と、を含む積層造形装置。
[26]
[25]に記載の装置において、前記押出機の近くに位置するチップをさらに含み、前記チップが、前記押出機の近くにおいて前記マイクロ波源からのマイクロ波を集中させるために使用可能であることを特徴とする装置。
[27]
[25]に記載の装置において、前記装置からのマイクロ波の放射を遮蔽する電磁遮蔽機能をさらに含むことを特徴とする装置。
[28]
[25]に記載の装置において、前記マイクロ波を吸収するナノ材料がカーボンナノチューブを含むことを特徴とする装置。
[29]
[28]に記載の装置において、前記被覆が前記ポリマーフィラメントの直径の0.005%~30%の厚さを有することを特徴とする装置。
[30]
[28]に記載の装置において、前記被覆が約100nm~0.5mmの厚さを有することを特徴とする装置。
[31]
[28]に記載の装置において、前記被覆が1重量%~50重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする装置。
[32]
[28]に記載の装置において、前記被覆が3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする装置。
[33]
[28]に記載の装置において、前記ポリマーフィラメントがポリ乳酸(PLA)を含むことを特徴とする装置。
[34]
[28]に記載の装置において、前記ポリマーフィラメントが、スチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことを特徴とする装置。
[35]
[28]に記載の装置において、前記装置が前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を1秒~5分間照射するために使用可能なことを特徴とする装置。
[36]
[28]に記載の装置において、前記装置が前記ポリマーフィラメントに照射力1W~1kWのマイクロ波を照射するために使用可能なことを特徴とする装置。
Claims (36)
- (a) マイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有するポリマーフィラメントを選
択することと、
(b) 前記ポリマーフィラメントから3次元オブジェクトを造形することと、
(c) 前記3次元オブジェクトの造形工程中または造形工程後、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射することと、を含む積層造形法。 - 請求項1に記載の方法において、前記マイクロ波を吸収するナノ材料が、カーボンナノ
チューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン(PANI)、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記マイクロ波を吸収するナノ材料がカーボンナノチ
ューブを含むことを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチュー
ブであることを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、前記被覆が前記ポリマーフィラメントの直径の0.005%
~30%の厚さを有することを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、前記被覆が約100nm~0.5mmの厚さを有することを特徴
とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、前記被覆が1重量%~50重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする方法。
- 請求項7に記載の方法において、前記被覆が3重量%~10重量%のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする方法。
- 請求項3に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントがポリ乳酸(PLA)を含むことを特徴とする方法。
- 請求項3に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントがスチレン(ABS)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニルスル
ホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工
程が、前記3次元オブジェクトの造形工程中に行うことを特徴とする方法。 - 請求項10に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工程が、前記3次元オブジェクトの造形工程後に行うことを特徴とする方法。
- 請求項3に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工
程が、前記ポリマーフィラメントに1秒~5分間マイクロ波を照射することを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を照射する工
程が、1W~1kWの照射力で行われることを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、
(a) ポリマーフィラメントを選択することと、
(b) 前記被覆により前記ポリマーフィラメントを被覆することであって、前記被覆
工程が、噴射成膜、浸漬被覆、押出被覆、およびそれらの組み合わせからなる工程から選択される、被覆することと、をさらに含むことを特徴とする方法。 - (a) 複数のポリマーフィラメントであって、複数の前記ポリマーフィラメントがマ
イクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を有する、ポリマーフィラメントと、
(b) 共に熱溶解されている前記ポリマーフィラメントの前記被覆と、を含む3次元オブジェクト。 - 請求項16に記載のオブジェクトにおいて、前記マイクロ波を吸収するナノ材料が、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、バッキーボール、グラフェン、超常磁性ナノ粒子、磁性ナノ粒子、金属ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、量子ドット、ポリアニリン(PANI)、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルホネート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とするオブジェクト。
- 請求項1に記載のオブジェクトにおいて、前記マイクロ波を吸収するナノ材料がカーボ
ンナノチューブを含むことを特徴とするオブジェクト。 - 請求項18に記載のオブジェクトにおいて、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブであることを特徴とするオブジェクト。
- 請求項18に記載のオブジェクトにおいて、前記被覆が約100nm~0.5mmの厚さを有することを特徴とするオブジェクト。
- 請求項18に記載のオブジェクトにおいて、前記被覆が1重量%~50重量%のカーボンナノ
チューブを含むことを特徴とするオブジェクト。 - 請求項21に記載のオブジェクトにおいて、前記被覆が3重量%~10重量%のカーボンナノ
チューブを含むことを特徴とするオブジェクト。 - 請求項18に記載のオブジェクトにおいて、前記ポリマーフィラメントがポリ乳酸(PLA
)を含むことを特徴とするオブジェクト。 - 請求項18に記載のオブジェクトにおいて、前記ポリマーフィラメントがスチレン(ABS
)、ポリカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフ
ェニルスルホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことを特徴とするオブジェクト。 - (a) 押出機を有する3次元プリンターと、
(b) 前記押出機により押出成形可能なマイクロ波を吸収するナノ材料を含む被覆を
有するポリマーフィラメントと、
(c) 前記押出機による押出成形後に前記ポリマーフィラメントの照射に使用可能な
マイクロ波源と、を含む積層造形装置。 - 請求項25に記載の装置において、前記押出機の近くに位置するチップをさらに含み、前記チップが、前記押出機の近くにおいて前記マイクロ波源からのマイクロ波を集中させるために使用可能であることを特徴とする装置。
- 請求項25に記載の装置において、前記装置からのマイクロ波の放射を遮蔽する電磁遮蔽機能をさらに含むことを特徴とする装置。
- 請求項25に記載の装置において、前記マイクロ波を吸収するナノ材料がカーボンナノチューブを含むことを特徴とする装置。
- 請求項28に記載の装置において、前記被覆が前記ポリマーフィラメントの直径の0.005%~30%の厚さを有することを特徴とする装置。
- 請求項28に記載の装置において、前記被覆が約100nm~0.5mmの厚さを有することを特徴とする装置。
- 請求項28に記載の装置において、前記被覆が1重量%~50重量%のカーボンナノチューブ
を含むことを特徴とする装置。 - 請求項28に記載の装置において、前記被覆が3重量%~10重量%のカーボンナノチューブ
を含むことを特徴とする装置。 - 請求項28に記載の装置において、前記ポリマーフィラメントがポリ乳酸(PLA)を含む
ことを特徴とする装置。 - 請求項28に記載の装置において、前記ポリマーフィラメントが、スチレン(ABS)、ポ
リカーボネート(PC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリエチレン(PE)、PC/ABS、ポリフェニル
スルホン(PPSU)、ポリアミド(ナイロン)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフィラメントを含むことを特徴とする装置。 - 請求項28に記載の装置において、前記装置が前記ポリマーフィラメントにマイクロ波を1秒~5分間照射するために使用可能なことを特徴とする装置。
- 請求項28に記載の装置において、前記装置が前記ポリマーフィラメントに照射力1W~1kWのマイクロ波を照射するために使用可能なことを特徴とする装置。
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