JP2022509035A - 選択的レーザー焼結を使用して三次元物体を製造するための付加製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
本出願は、2018年11月13日に出願された米国仮特許出願第62/760271号及び2019年1月15日に出願された欧州特許出願公開第19151955.2号に対する優先権を主張するものであり、これらの出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
- いずれの記載も、特定の実施形態に関連して記載されているとしても、本発明の他の実施形態に適用可能であり、且つそれらと交換可能であり、
- 要素又は成分が、列挙された要素又は成分のリストに含まれ、且つ/又はリストから選択されると言われる場合、本明細書で明示的に企図される関連する実施形態において、要素又は成分は、別の列挙された要素若しくは成分のいずれか1つでもあり得るか、又は明示的に列挙された要素若しくは成分の任意の2つ以上からなる群からも選択され得、要素又は成分のリストに列挙されたいかなる要素又は成分も、このようなリストから省略され得ることが理解されるべきであり、及び
- 端点による数値範囲の本明細書でのいずれの列挙も、列挙された範囲内に包含される全ての数並びに範囲の端点及び均等物を含む。
本発明の方法で用いられる粉末ポリマー材料(M)は、以下に詳述されるように、少なくとも1つのPEKKポリマーを含む。
本明細書で用いられるPEKKポリマーは、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP-OES)によって測定されたとき、30ppm超、好ましくは50ppm超、より好ましくは100ppm超、最も好ましくは200ppm超又は更により好ましくは300ppm超のリン含有量を有するようなものである。
によって表され、及び繰り返し単位(RP)は、式(P):
(式中、
- 各R1及びR2は、それぞれの場合において、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、エーテル、チオエーテル、カルボン酸、エステル、アミド、イミド、アルカリ金属又はアルカリ土類金属スルホネート、アルキルスルホネート、アルカリ金属又はアルカリ土類金属ホスホネート、アルキルホスホネート、アミン及び第四級アンモニウムからなる群から独立して選択され、及び
- 各i及びjは、それぞれの場合において、0~4の範囲の独立して選択される整数である)
によって表される。
によって表される。
PEKKポリマーの合成は、文献に記載されており、典型的には、PEKKポリマーを得るために溶媒中でモノマーを重縮合する工程及び溶媒及び塩を抽出する工程を含む。
工程a)溶媒中、ルイス酸の非存在下又はモノマーの総重量に基づいて2重量%未満、好ましくは1重量%未満、より好ましくは0.5重量%未満の量のルイス酸の存在下において、以下のモノマー(P-OH)、(M-OH)、(P-F)及び/又は(M-F):
(式中、
- R3、R4、R5及びR6は、それぞれの場合において、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、エーテル、チオエーテル、カルボン酸、エステル、アミド、イミド、アルカリ又はアルカリ土類金属スルホネート、アルキルスルホネート、アルカリ又はアルカリ土類金属ホスホネート、アルキルホスホネート、アミン及び四級アンモニウムからなる群から独立して選択され、
- p、q、r及びsは、それぞれの場合において、0~4の範囲の独立して選択される整数である)
を重縮合する工程であって、
(P-OH)及び(M-OH)のモル対(P-F)及び(M-F)のモルのモル比は、
であり、
好ましくは、モル比は、≧対0.985、≧対0.990又は≧対0.995であり、
好ましくは、モル比は、≦対1.015、≦対1.010又は≦対1.005であるようなものである、工程、
工程b)粉末を得るために溶媒及び塩を抽出する工程
を含む。
粉末ポリマー材料(M)を製造するための方法は、典型的には、例えばイソプロパノール中のレーザー散乱によって測定されたとき、25~90μm、例えば35~88μm又は45~85μmの範囲のd50値を有する粉末ポリマー材料(M)を得るために、例えば粉末又はペレットの形態のPEKKポリマー又はブレンドされた調合物を摩砕する工程を含む。D50とも呼ばれるd50は、中央径又は粒度分布の中央値として知られ、それは、累積分布での50%における粒径の値である。これは、試料中の粒子の50%がd0.5値よりも大きく、試料中の粒子の50%がd50値よりも小さいことを意味する。D50は、通常、粒子の群の粒径を表すために用いられる。
ΔMFI=100(MFIt0-MFIt1)/MFIt0
(式中、
MFIは、340℃において8.4kgの重量でASTM D1238によって測定されるメルトフローインデックスであり、
MFIt0は、260℃の温度に744時間暴露される前のMFIであり、
MFIt1は、260℃の温度に744時間暴露された後のMFIである)
である。
本発明の三次元(3D)物体を製造するための付加製造方法は、
a)誘導結合プラズマ発光分光法(ICP-OES)によって測定されたとき、30ppm超、好ましくは50ppm超、より好ましくは100ppm超、最も好ましくは200ppm超又は更に最も好ましくは300ppm超のリン含有量を有する少なくとも1つのポリ(エーテルケトンケトン)(PEKK)を含む、少なくとも部分的にリサイクルされた粉末材料(M)の連続層を堆積させる工程と、
b)後続の層の堆積前に各層を選択的に焼結する工程と
を含む。
a1)誘導結合プラズマ発光分光法(ICP-OES)によって測定されたとき、30ppm超、好ましくは50ppm超、より好ましくは100ppm超、最も好ましくは200ppm超又は更に最も好ましくは300ppm超のリン含有量を有する少なくとも1つのポリ(エーテルケトンケトン)(PEKK)を含む粉末材料(M)を、260~320℃に含まれる温度Tp(℃)、好ましくは、以下:
Tp<Tm-5、
より好ましくは、Tp<Tm-10、
更により好ましくは、Tp<Tm-15
のような温度Tpに加熱する工程であって、ここで、Tm(℃)は、ASTM D3418による示差走査熱量測定(DSC)による第1の加熱走査で測定されるPEKKポリマーの溶融温度である、工程と、
a2)加熱された粉末材料(M)の連続層を堆積させる工程と、
a3)後続の層の堆積前に各層を選択的に焼結する工程と、
a4)工程a1)の加熱された未融合粉末材料を除去し、且つ後続の印刷サイクルでそれをリサイクルする工程と
を更に含む。
a1)ICP-OESによって測定されたとき、30ppm超のリン含有量を有する少なくとも1つのポリ(エーテルケトンケトン)(PEKK)を含む粉末材料(M)を、260~320℃に含まれる温度Tp(℃)に加熱する工程と、
a2)加熱された粉末材料(M)の連続層を堆積させる工程と、
a3)後続の層の堆積前に各層を選択的に焼結する工程と、
a4)工程a1)の加熱された未融合粉末材料を除去する工程と、
b1)工程a4)からの少なくとも部分的にリサイクルされた粉末材料(M)を加熱する工程と、
b2)工程b1)の加熱された粉末材料(M)の連続層を堆積させる工程と、
b3)後続の層の堆積前に各層を選択的に焼結する工程と、
b4)工程b1)の加熱された未融合粉末材料を除去する工程と、
c)任意選択的に、b1)~b4)を繰り返す工程と
を含む。
Tp<Tm-5、
好ましくは、Tp<Tm-10、
より好ましくは、Tp<Tm-15
に加熱されるようなものであり、ここで、Tm(℃)は、ASTM D3418による示差走査熱量測定(DSC)による第1の加熱走査で測定されるPEKKポリマーの溶融温度である。粉末の予熱は、レーザーが未融合粉末の層の選択された領域の温度を融点まで上昇させることをより容易にする。レーザーは、インプットによって指定される場所においてのみ粉末の融合を引き起こす。レーザーエネルギー曝露は、典型的には、使用中のポリマーに基づいて且つポリマー劣化を回避するために選択される。
次いで、少なくとも部分的にリサイクルされた粉末材料(M)を使用するそのような製造方法によって得ることができる3D物体又は物品は、様々な最終用途において使用することができる。特に、埋込式装置、医療装置、歯科補綴物、ブラケット及び宇宙産業における複雑な形状部品並びに自動車工業におけるボンネット下部品を挙げることができる。
原材料
Kepstan(登録商標)6002PEKKは、Arkemaから入手した。
1,4-ビス(4’-フルオロベンゾイル)ベンゼン(1,4-DFDK)及び1,3ビス(4’-フルオロベンゾイル)ベンゼン(1,3-DFDK)は、Gilbらの米国特許第5,300,693号明細書(1992年11月25日に出願、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる)の実施例1に従ってフルオロベンゼンのフリーデルクラフツアシル化により調製した。1,4-DFDKの一部は、米国特許第5,300,693号明細書に記載されている通りにクロロベンゼン中での再結晶により精製し、1,4-DFDKの一部は、DMSO/エタノール中での再結晶により精製した。DMSO/エタノール中での再結晶により精製した1,4-DFDKを重合反応における1,4-DFDKとして使用して、以下で記載するPEKKを製造し、クロロベンゼン中で再結晶した1,4-DFDKを1,4-ビス(4’-ヒドロキシベンゾイル)ベンゼン(1,4-BHBB)の前駆体として使用した。
撹拌機、N2注入管、反応媒体中に入れられた熱電対を備えるClaisenアダプター並びに凝縮器及びドライアイストラップ付きのDean-Starkトラップを備えた500mLの4口反応フラスコに112.50gのジフェニルスルホン、33.390gの1,3-BHBB、6.372gの1,4-BHBB及び41.172gの1,4-DFDKを導入した。フラスコ内容物を真空下で排気し、次いで高純度窒素(10ppm未満のO2を含有する)で充填した。次いで、反応混合物を一定の窒素パージ(60mL/分)下に置いた。反応混合物を270℃までゆっくり加熱した。270℃で13.725gのNa2CO3及び0.086gのK2CO3を60分にわたって粉末ディスペンサーによって反応混合物に添加した。添加の終了時、反応混合物を1℃/分で320℃まで加熱した。320℃で2分後に1.207gの1,4-DFDKを、反応器において窒素パージを保ちながら反応混合物に添加した。5分後、0.529gの塩化リチウムを反応混合物に添加した。10分後、別の0.402gの1,4-DFDKを反応器に添加し、反応混合物を15分間温度に保った。25gのジフェニルスルホンを反応混合物に更に追加充填し、これを撹拌下で15分間保持した。次いで、反応器内容物を反応器からステンレス鋼受皿に注ぎ込み、冷却した。固形物を砕き、2mmスクリーンを通してアトリッションミルで摩砕した。ジフェニルスルホン及び塩をpH1~12のアセトンと水との混合物から抽出した。最後の洗浄のために、0.67gのNaH2PO4・2H2O及び0.62gのNa2HPO4を1200mLのDI水に溶解した。粉末を次に反応器から取り出し、真空下の120℃で12時間乾燥させ、72gの黄色の粉末を得た。最終PEKKポリマーは、58/42のT/I比を有していた。
撹拌機、N2注入管、反応媒体中に入れられた熱電対を備えるClaisenアダプター並びに凝縮器及びドライアイストラップ付きのDean-Starkトラップを備えた500mLの4口反応フラスコに112.50gのジフェニルスルホン、31.800gの1,3-BHBB、7.950gの1,4-BHBB及び40.810gの1,4-DFDKを導入した。フラスコ内容物を真空下で排気し、次いで(10ppm未満のO2を含有する)高純度窒素で満たした。次いで、反応混合物を一定の窒素パージ(60mL/分)下に置いた。
メルトフローインデックスの決定
メルトフローインデックスは、340℃において3.8kgの重量でASTM D1238に従って決定した。表2で示される8.4kgの重量の最終的なMFIは、得られた値に2.35を掛けることによって得られた。
清浄な乾燥した白金るつぼを分析天秤の上に置き、天秤をゼロにした。モノマー/ポリマー試料の半分から3グラムをボートに量り取り、その重量を0.0001gと記録した。試料の入ったるつぼをマッフル炉(Thermo Scientific Thermolyne F6000 Programmable Furnace)に入れた。炉を525℃に徐々に加熱し、その温度で10時間保持して試料を乾式灰化した。灰化後、炉温を室温に冷却し、炉からるつぼを取り出し、フュームフード内に配置した。灰を希塩酸中に溶解させた。ポリエチレン製ピペットを使用して、この溶液を25mLの体積フラスコに移した。るつぼは、約5mLの超純水(R<18MΩcm)を用いて2回すすぎ洗い、定量的移動を実行するために洗浄液を体積フラスコに添加した。超純水をフラスコ内に計25mLとなるまで添加した。フラスコの上部に栓をして、内容物が確実に混ざるまで振とうした。
A=(B*C)/(D)
(式中、
A=試料中の元素の濃度、mg/kg(ppm)であり、
B=ICP-OESによって分析された溶液中の元素、mg/Lであり、
C=ICP-OESによって分析された溶液中の体積、mLであり、
D=この手法で使用した試料のグラムでの重量である)。
0.15~0.20gのPEKK試料を滴定容器に量り入れ、8mLのm-クレゾールに溶解した。溶解後、試料を8mLのクロロホルム、50μLの37重量/体積%ホルムアルデヒド水溶液で希釈した。次いで、試料を、2mLのビュレット及びエタノール中の3M LiClで満たされた柔軟なすり合わせダイアフラムを備えたMetrohm複合pH電極(Solvotrode)を有するMetrohm自動滴定装置Titrando809を使用して、メタノール中の標準0.1N KOHで電位差滴定した。滴定溶液の体積に対する滴定装置の読み取り値をプロットし、滴定曲線の変化点で終点を取得した。ブランク溶液は、試料が実行されるたびに同じ条件下で実行した。ブランク値は、試料滴定終点電位と同じmV電極電位を達成するために必要な滴定剤の量から決定した。
V_ブランク - ブランクから等量点に到達するための滴定液の平均量、mL
V_試料 - 試料から等量点に到達するための滴定液の量、mL
W - 試料質量、グラム
N - 滴定の規定度
残留酸性度方程式:
0.10~0.15gのPEKK試料を滴定容器に量り入れ、24mLの滴定溶媒(m-クレゾール)に溶解した。次いで、試料を、10mLのビュレット及びエタノール中の3M LiClで満たされた柔軟なすり合わせダイアフラムを備えたMetrohm複合pH電極(Solvotrode)を有するMetrohm自動滴定装置Titrando809を使用して、氷酢酸中の標準0.1N過塩素酸で電位差滴定した。滴定溶液の体積に対する滴定装置の読み取り値をプロットし、滴定曲線の変化点で終点を取得した。それぞれの試料(ブランク溶液を含む)を2回実行し、2つの結果の平均を報告した。
V_ブランク - ブランクから等量点に到達するための滴定液の平均量、mL
V_試料 - 試料から等量点に到達するための滴定液の量、mL
W - 試料質量、グラム
N - 滴定の規定度
残留塩基性度方程式:
3つの試験片で0.05インチ/分、室温(即ち23℃)においてASTM法D638に従い、タイプVの引張り試験片を引張り試験に供した。
ガラス転移温度Tg(中点値)及び溶融温度Tmは、ASTM D3418-03、E1356-03、E793-06、E794-06に従って示差走査熱量測定計(DSC)における第2加熱走査で測定した。本発明で使用される手順の詳細を以下に示す:キャリアガスとして窒素(純度99.998%、50mL/分)を用いてTA Instruments DSC Q20を使用した。温度及び熱流量較正は、インジウムを使用して行った。試料サイズは、5~7mgであった。重量は、±0.01mgで記録された。熱サイクルは、
第1の加熱サイクル:20.00℃/分で30.00℃から400.00℃、400.00℃で1分間等温、
第1の冷却サイクル:20.00℃/分で400.00℃から30.00℃、1分間等温、
第2の加熱サイクル:20.00℃/分で30.00℃から400.00℃、400.00℃で1分間等温
であった。
成形又は印刷された試験片の結晶化度は、融解エンタルピーを測定することによって決定される。融解エンタルピーは、ASTM D3418-03、E1356-03、E793-06、E794-06に従い、20℃/分の加熱及び冷却速度を用いて、示差走査熱量計(DSC)において、融解吸熱下の面積から第1の加熱走査における任意の融解発熱下の面積を引いたものとして決定される。それは、Tg超から吸熱の終点を超える温度まで引かれた線形ベースラインにわたる面積として取る。結晶化度は、100%結晶化度が130J/gに対応することを考慮して計算される。
暴露試験のために均一な粒子サイズを確保するため、熱老化用粉末試料(n-PEKK#1)を、1mmスクリーンを使用して、Restch(登録商標)超遠心ミルZM200摩砕機を用いて摩砕した。
熱老化用引張り試験片を、圧縮成形プロセスを使用して作成した。762mm×762mm×3.2mmのプラークを、次の条件下で25gのポリマーを圧縮成形することによってポリマーから調製した:
343℃で予熱する、
343℃/15分、2000kg-f、
343℃/2分、2700kg-f、
40分かけて30℃まで冷却する、2000kg-f。
SLS印刷のための粉末試料をRetsch SR300ローターミルで摩砕した。nPEKK#2(1部)と砕いたドライアイス(2部)とのよく混合されたブレンドを、逆流位置に取り付けられた0.5mm開口のConidurスクリーン及び10,000rpmの速度の標準6ブレードローターを備えたRetschミルの供給ポートにゆっくりと供給した。
EOS(登録商標)P800レーザー焼結プリンターを用いて、SLS印刷により引張り試験片を作成した。粉末を、19Wのレーザー出力設定、285℃又は291℃のいずれかの処理温度(Tp)、1.5時間未満の印刷持続時間及び10℃/分未満の冷却速度を使用して焼結して、タイプVのASTM引張り試験片を形成した。
結果を表4及び表5に詳細に記載する。
中国特許出願公開第108606860A号明細書の実施例2を複製し、PEKKのリン酸マグネシウムとのブレンドを調整した。Kepstan(登録商標)6002PEKKを使用した。
Claims (15)
- 三次元(3D)物体を製造するための方法であって、
a)誘導結合プラズマ発光分光法(ICP-OES)によって測定されたとき、30ppm超、好ましくは50ppm超、より好ましくは100ppm超、最も好ましくは200ppm超又は更により好ましくは300ppm超のリン含有量を有する少なくとも1つのポリ(エーテルケトンケトン)(PEKK)を含む、少なくとも部分的にリサイクルされた粉末材料(M)の連続層を堆積させる工程と、
b)後続の層の堆積前に各層を選択的に焼結する工程と
を含む方法。 - PEKKは、PEKKを、リン酸二水素ナトリウム(NaH2PO4)、リン酸水素二ナトリウム(Na2HPO4)、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)及びリン酸水素二カリウム(K2HPO4)又はこれらの混合物の少なくとも1つの溶液と接触させる工程を伴う合成方法によって得られる、請求項1に記載の方法。
- PEKKは、残留酸性度試験によって測定されたとき、≦9μeq/g、好ましくは≦8μeq/g、より好ましくは≦6μeq/gの残留酸性度を有する、請求項1又は2に記載の方法。
- PEKKは、残留塩基性度試験によって測定されたとき、≦20μeq/g、好ましくは≦17μeq/g、より好ましくは≦15μeq/gの残留塩基性度を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- PEKKポリマーは、10℃/分の加熱速度を用いて窒素下で30℃から800℃まで加熱する、ASTM D3850に従った熱重量分析によって測定されたとき、少なくとも500℃、好ましくは505℃、より好ましくは510℃のTd(1%)を有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- PEKKは、少なくとも1つの繰り返し単位(RM)及び少なくとも1つの繰り返し単位(RP)を含み、繰り返し単位(RM)は、式(I):
によって表され、及び繰り返し単位(RP)は、式(II):
(式中、
- 各R1及びR2は、それぞれの場合において、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、エーテル、チオエーテル、カルボン酸、エステル、アミド、イミド、アルカリ金属又はアルカリ土類金属スルホネート、アルキルスルホネート、アルカリ金属又はアルカリ土類金属ホスホネート、アルキルホスホネート、アミン及び第四級アンモニウムからなる群から独立して選択され、及び
- 各i及びjは、それぞれの場合において、0~4の範囲の独立して選択される整数である)
によって表される、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 - PEKKは、50/50~70/30、好ましくは55/45~65/35の範囲の繰り返し単位の比(RP)/(RM)を有する、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- リサイクルされた粉末材料(M)は、≦90%、好ましくは80%、より好ましくは75%のΔMFIを有し、ここで、
ΔMFI=100(MFIt0-MFIt1)/MFIt0
(式中、
MFIは、340℃において8.4kgの重量でASTM D1238によって測定されるメルトフローインデックスであり、
MFIt0は、260℃の温度に744時間暴露される前のMFIであり、
MFIt1は、260℃の温度に744時間暴露された後のMFIである)
である、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。 - 粉末材料(M)は、イソプロパノール中のレーザー散乱によって測定されたとき、30~80μm、好ましくは35~70μm、より好ましくは40~60μmに含まれるd50値を有する、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- PEKKポリマーは、
工程a/ルイス酸の非存在下又はモノマーの総重量に基づいて2重量%未満、好ましくは1重量%未満、より好ましくは0.5重量%未満の量のルイス酸の存在下において、溶媒中で重縮合反応によってPEKKポリマーを調製する工程と、
工程b/粗いPEKK粉末を得るために塩及び溶媒を抽出する工程と、
工程c/摩砕する工程と、
工程d/粉末をPEKKポリマーのガラス転移温度(Tg)~PEKKポリマーの溶融温度(Tm)の範囲の温度(Ta)に暴露する工程であって、Tg及びTmの両方は、ASTM D3418による示差走査熱量測定(DSC)を使用して測定される、工程と
を含む調製方法によって得られたものである、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。 - 粉末材料(M)は、25℃の浸漬温度において、ISO 9277によって測定されたとき、0.1~5m2/g、好ましくは0.2~4m2/g、好ましくは0.2~2m2/g、より好ましくは0.2~1m2/gの範囲のBET表面積を有する、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
- 粉末材料(M)は、少なくとも0.30、好ましくは0.35、より好ましくは0.40の嵩密度ρBを有する、請求項1~11のいずれか一項に記載のプロセス。
- 粉末材料(M)は、工程b)前に、温度Tp(℃):
Tp<Tm-5、
好ましくは、Tp<Tm-10、
より好ましくは、Tp<Tm-15
に加熱され、ここで、Tm(℃)は、ASTM D3418による示差走査熱量測定(DSC)による第1の加熱走査で測定されるPEKKポリマーの溶融温度である、請求項1~12のいずれか一項に記載のプロセス。 - 粉末材料(M)は、50/50~100/0、好ましくは55/45~100/1、より好ましくは60//40~100/1の範囲である、リサイクルされた粉末/リサイクルされていない粉末の比を含む、請求項1~13のいずれか一項に記載のプロセス。
- 請求項1~14のいずれか一項に記載のプロセスのために得ることができる3次元(3D)物体。
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