JP2024040739A - 繊維強化樹脂ストランド及び積層造形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性でストランド間の融着性を向上でき、造形物の強度低下を抑制できる繊維強化樹脂ストランドを提供する。
【解決手段】繊維強化樹脂ストランド１は、熱可塑性樹脂を含む基材３と、基材３中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束５と、を備える。ストランド軸方向に沿って繊維又は繊維束５に撚りが付与され、ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの撚りの回数が３０以上、８０以下である。
【選択図】図１
【解決手段】繊維強化樹脂ストランド１は、熱可塑性樹脂を含む基材３と、基材３中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束５と、を備える。ストランド軸方向に沿って繊維又は繊維束５に撚りが付与され、ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの撚りの回数が３０以上、８０以下である。
【選択図】図１
Description
本発明は、繊維強化樹脂ストランド及び積層造形方法に関する。
立体的な形状を有する物体を成形する装置として、熱で可塑化状態にある樹脂を１層ずつ積み重ねていく熱融解積層方式を採用した３Ｄ（三次元）プリンタが知られている。この３Ｄプリンタは、金型、治具等を必要とすることなく三次元形状を成形できる。加えて、従来の射出成形技術では形成が困難な三次元形状の物体も造形できる。
特許文献１で報告されるストランドは、３Ｄプリンタで造形材料として用いられる繊維強化樹脂ストランドであり、繊維又は繊維束が熱可塑性樹脂を主成分とする基材中に含浸されて撚られることで、可撓性が高くなり、取扱性を向上させている。加えて、繊維又は繊維束の撚りによって、その繊維強化樹脂ストランドを用いて３Ｄプリンタで造形した造形物は優れた衝撃強度を呈するようになる。
特許文献１に示される撚り数１０回／ｍ～２００回／ｍの連続繊維強化樹脂ストランドは、可撓性が高いほか、３Ｄプリンタで造形する際の繊維破断折れの抑制、繊維間の摩擦増大等の寄与により衝撃強度に優れることが報告されている。しかしながら、３Ｄプリンタで造形物を造形（印刷）する際、造形パスが曲線に沿ったパスの場合、連続繊維が想定通りに形成できない場合がある。
例えば、図４に示すように、一方のパス端部ＰＳｓから他方のパス端部ＰＳｅまでの曲線に沿って造形する場合、造形材ＭがパスＰＳに沿って一定の開繊幅Ｗを有したまま形成されるのが理想的となる。しかし、図５に示すように、プリンタヘッドのノズル（吐出部）から加熱溶融され吐出された連続繊維強化ストランドの連続繊維が、パスＰＳの曲線部で折り返しを生じ、設定したパスからずれることがある。その場合、造形材Ｍに空隙Ｇが生じてしまう。また、図６に示すように、特に曲線部において開繊幅Ｗの低下や、図７に示すように開繊幅Ｗの不安定化が顕在化することがある。
このような状態で造形を続けると、造形材Ｍ間の融着性が低下して造形物内に空隙が形成され、隣り合うパスＰＳ同士の線間、及び複数のパスＰＳで形成された造形材層を積層する場合の造形材層間の力学的強度が低下することになる。
そこで本発明は、曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性でストランド間の融着性を向上でき、造形物の強度低下を抑制できる繊維強化樹脂ストランドを提供することを目的とする。
本発明は下記の構成からなる。
（１） ３Ｄプリンタの造形材料として用いられる繊維強化樹脂ストランドであって、
熱可塑性樹脂を含む基材と、
前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、
前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、
前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数は３０以上、８０以下である、
繊維強化樹脂ストランド。
（２） 熱可塑性樹脂を含む基材と、前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数が３０以上、８０以下である繊維強化樹脂ストランドを用いて、熱融解積層法により造形物を作製する積層造形方法。
（１） ３Ｄプリンタの造形材料として用いられる繊維強化樹脂ストランドであって、
熱可塑性樹脂を含む基材と、
前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、
前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、
前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数は３０以上、８０以下である、
繊維強化樹脂ストランド。
（２） 熱可塑性樹脂を含む基材と、前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数が３０以上、８０以下である繊維強化樹脂ストランドを用いて、熱融解積層法により造形物を作製する積層造形方法。
本発明によれば、曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性でストランド間の融着性を向上でき、造形物の強度低下を抑制できる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜繊維強化樹脂ストランド＞
図１は、繊維強化樹脂ストランド１の模式的な斜視図である。繊維強化樹脂ストランド（以下、「ストランド」ともいう。）１は、造形物を作製する造形材料として用いられ、強化繊維を含む連続した線状の樹脂材料である。
＜繊維強化樹脂ストランド＞
図１は、繊維強化樹脂ストランド１の模式的な斜視図である。繊維強化樹脂ストランド（以下、「ストランド」ともいう。）１は、造形物を作製する造形材料として用いられ、強化繊維を含む連続した線状の樹脂材料である。
このストランド１は、熱可塑性樹脂を含む基材３と、基材３中に含浸されて配置され、ストランド１の軸方向（ストランド軸方向）に連続して延在する１つ又は複数の繊維束５とを有する。繊維束５は、多数の強化繊維を互いに撚り合わせて束ねたものであり、ストランド軸方向に沿って撚りが付与されている。繊維束５が複数本存在する場合は、各繊維束５がストランド１の中心軸に沿って螺線状に配置される。
この繊維又は繊維束５に付与される撚りは、ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数が３０以上、８０以下にされている。また、繊維束５は、１０００本以上、１５００本以下の繊維を含んで構成される。
ストランド１を構成する繊維束５の強化繊維には、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、ザイロン繊維等の有機繊維、ボロン繊維、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、岩石繊維等の無機繊維が使用できる。強化繊維には、樹脂と繊維との密着強度を向上させる為に、表面処理を施した繊維を使用できる。
基材３に含まれる熱可塑性樹脂には、ポリプロピレン又はポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート又はポリ乳酸等のポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエーテルイミド、ポリアリルイミド、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリルエーテルケトン、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール、又はポリフェニレンサルファイド等を使用できる。
これら熱可塑性樹脂は、樹脂単独で用いてもよく、熱可塑性樹脂の耐熱性、熱変形温度、熱老化、引張特性、曲げ特性、クリープ特性、圧縮特性、疲労特性、衝撃特性、摺動特性を向上させる為に、複数の樹脂をブレンドした熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂の一例として、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）／ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＥＥＫ／ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）等が挙げられる。また、熱可塑性樹脂は、炭素繊維、ガラス繊維等の短繊維、タルク等を樹脂に添加したものであってもよい。
熱可塑性樹脂に、フェノール系、チオエーテル系、ホスファイト系等の酸化防止剤、ベンゾトリアゾール系又はトリアジン系等の紫外線吸収剤、ヒドラジド系又はアミド系等の金属不活性化剤等を添加して、造形物の耐久性を向上させてもよい。
フタル酸系、ポリエスル系等の可塑剤を熱可塑性樹脂に添加すると、柔軟性が向上し、造形時の造形精度と、造形物の柔軟性とを向上できる。
ハロゲン系、リン酸エステル系、無機系、イントメッセント系の難燃剤を熱可塑性樹脂に添加すると、造形物の難燃性を向上できる。
リン酸エステル金属塩系、ソルビトール等の核材を熱可塑性樹脂に添加すると、造形時の熱膨張を制御して造形精度を向上できる。
非イオン径、アニオン系、カチオン系等の永久帯電防止剤を熱可塑性樹脂に添加すると、造形物の静電気防止性を向上できる。
炭化水素系、金属石鹸系等の滑剤を熱可塑性樹脂に添加し、連続繊維強化ストランドの滑性を向上させることで、造形時のストランドの送り出しを円滑にできる。
＜繊維強化樹脂ストランドの製造装置＞
次に、上記したストランド１の製造装置を説明する。
図２は、繊維強化樹脂ストランド１の製造装置１００の概略構成図である。製造装置１００は、コイル状に巻かれた繊維材料７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２１と、繊維材料供給部１１から送り出された繊維材料７に混練押出機２１で可塑化された基材３を含浸させる樹脂浴部２３とを備える。
次に、上記したストランド１の製造装置を説明する。
図２は、繊維強化樹脂ストランド１の製造装置１００の概略構成図である。製造装置１００は、コイル状に巻かれた繊維材料７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２１と、繊維材料供給部１１から送り出された繊維材料７に混練押出機２１で可塑化された基材３を含浸させる樹脂浴部２３とを備える。
また、製造装置１００は、樹脂浴部２３の下流側に配設されて樹脂浴部２３から送り出された含浸後の繊維材料７を冷却する冷却部３１と、この冷却部３１の下流側に配設されて、主として冷却前の繊維材料７に軸中心周りの撚りを付与させる撚り部４１とを備える。
混練押出機２１は、内部が空洞とされたチャンバ２５内に混練翼を有するスクリュシャフト（不図示）を回転自在に備えており、ホッパ２７から投入された基材３を融解して可塑化する。
樹脂浴部２３は、筒軸方向を上下に向けた円筒状に形成されており、その筒内部には混練押出機２１で可塑化された基材３が供給され貯留される。樹脂浴部２３の上端部は開口しており、この上端開口から樹脂浴部２３内に貯留された基材３に対して繊維材料７を引き入れる可能になっている。
図示は省略するが、この樹脂浴部２３の内部には、軸心を水平方向へ向けて回転自在に保持された複数本（例えば４本）の含浸ロールが設けられ、これらの含浸ロールを上から下へ向けて蛇行するように繊維材料７が順番に架け渡される。そして、少なくともこれら複数の含浸ロールのうち最下方の含浸ロールよりも下流側において、繊維材料７に撚りが付与される。
樹脂浴部２３の下端部には、含浸後の繊維材料７を外部に引き出すための出口部２８が設けられる。この出口部２８には、繊維材料７を被覆状態にしている基材３を整形して、断面形状を形作るためのダイス２９が設けられる。
冷却部３１は、樹脂浴部２３から含浸後の繊維材料７が引き出される方向に沿って長い水槽であり、槽内には冷却水３３が貯留される。樹脂浴部２３の出口部２８（ダイス２９）に最も近接して対向する槽壁には、含浸後の繊維材料７を導入するための入口部が設けられ、この入口部から最も離れた槽壁に含浸後の繊維材料９を排出するための出口部が設けられる。したがって、この冷却部３１では、繊維材料７に含浸及び被覆状態となっている基材３を冷却水３３中で冷却し、硬化させることができる。
冷却部３１の下流側に配設される撚り部４１としては、様々な機構等を採用可能である。例えば撚り部４１として、図示を省略するが、ストランド１を巻き取るボビンをストランド１の軸心周りに回転させる機構を採用してもよい。一方、図２に示すように、例えば撚り部４１として、互いの外周面を接触させた上下一対の引取ロール４３及び引取ロール４５を有する構成を採用してもよい。これら引取ロール４３及び引取ロール４５は、冷却部３１から送り出された含浸後の繊維材料９を対向状に挟んで、さらに下流側に送り出せるように、互いに異なる回転方向に回転可能である。
すなわち、この撚り部４１が備える上下一対の引取ロール４３及び引取ロール４５は、繊維材料供給部１１から樹脂浴部２３へと繊維材料９を引き込み、さらに樹脂浴部２３から冷却部３１及び撚り部４１へと含浸後の繊維材料９を引き出す機能を兼ね備える。引取ロール４３及び引取ロール４５は、製造装置１のなかでは、繊維材料９及びストランド１に対する引取部を構成する。なお、撚り部４１の下流側に、別途、巻取部（不図示）を設けて、得られたストランド１をボビンなどに巻き取る巻き取り部を設けてもよい。
上下一対の引取ロール４３及び引取ロール４５は、いずれも、含浸後の繊維材料９の引き取り方向に対して傾斜した方向を向くように配設されており、引取ロール４３及び引取ロール４５同士が互いに等しい角度で且つ異なる方向を向くようになっている。すなわち、上側の引取ロール４５の回転軸心と下側の引取ロール４３の回転軸心とが、含浸後の繊維材料９の引き取り軸線を中心とする上面視対称形のＸ形に交差している。
上記の製造装置１００によれば、ストランド軸方向に沿って繊維又は繊維束に撚りが付与され、繊維本数が１０００本以上の繊維束を有し、ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの撚りの回数が３０以上、８０以下のストランドを製造できる。
＜繊維強化樹脂ストランドを用いる積層造形装置＞
次に、上記した撚りが付与された繊維強化樹脂ストランド１を造形材料として用いる３Ｄプリンタの一例として、ＦＤＭ（Fused Deposition Modeling）方式（熱溶解積層方式）の積層造形装置の構成を説明する。
次に、上記した撚りが付与された繊維強化樹脂ストランド１を造形材料として用いる３Ｄプリンタの一例として、ＦＤＭ（Fused Deposition Modeling）方式（熱溶解積層方式）の積層造形装置の構成を説明する。
図３は、ＦＤＭ方式の積層造形装置２００の概略構成図である。積層造形装置２００は、ストランド１を送給するストランド送給部５１と、ヘッド部５３と、造形テーブル５５と、成形駆動部５７と、制御部５９とを備える。
ストランド送給部５１は、ストランド１を挟み込む一対の駆動ローラ５１ａと、少なくとも一方の駆動ローラ５１ａを回転駆動させるモータ等の駆動部（不図示）とを備える。
ヘッド部５３は、送給されたストランド１を熱溶解する不図示の加熱部と、加熱部により溶解した造形材を吐出するノズル５３ａを有する。また、図示はしないが、ストランド１に含まれる強化繊維を切断するカッター、レーザー切断装置等の切断部が設けられていてもよい。
ヘッド部５３は、送給されたストランド１を熱溶解する不図示の加熱部と、加熱部により溶解した造形材を吐出するノズル５３ａを有する。また、図示はしないが、ストランド１に含まれる強化繊維を切断するカッター、レーザー切断装置等の切断部が設けられていてもよい。
造形テーブル５５は、ヘッド部５３のノズル５３ａに対向して配置され、造形物を積層する造形面５５ａを有する。
成形駆動部５７は、ヘッド部５３と造形テーブル５５とを相対移動させて、ヘッド部５３のノズル５３ａから吐出される造形材Ｍを所望のパスに沿って形成する。例えば、成形駆動部５７は、ヘッド部５３を造形テーブル５５の造形面５５ａの面内で移動させる２軸駆動機構と、造形テーブル５５を昇降駆動することで積層高さを調整する昇降機構とを備えた構成でもよい。
成形駆動部５７は、ヘッド部５３と造形テーブル５５とを相対移動させて、ヘッド部５３のノズル５３ａから吐出される造形材Ｍを所望のパスに沿って形成する。例えば、成形駆動部５７は、ヘッド部５３を造形テーブル５５の造形面５５ａの面内で移動させる２軸駆動機構と、造形テーブル５５を昇降駆動することで積層高さを調整する昇降機構とを備えた構成でもよい。
制御部５９は、ストランド送給部５１によるストランド１の送給、及び成形駆動部５７によるヘッド部５３と造形テーブル５５との相対移動を制御する機能と、その他の各部を統括して制御する機能とを有する。制御部５９には、ストランド送給部５１と成形駆動部５７を含む各部を制御するプログラムが入力され、そのプログラムを実行することで所望の形状の造形物を積層造形する。この制御部５９は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ、ハードディスクドライブＨＤＤ、ソリッドステートドライブＳＳＤ等のストレージ等を含むコンピュータにより構成される。
本構成の積層造形装置２００により、前述したストランド１を造形材料として用いて造形した場合、例えば、曲率半径２ｍｍ～４０ｍｍの範囲で連続的に変化するパスで造形物を造形する際に、図５に示すような繊維の折り返しを生じることがない。また、図６に示すような開繊幅の縮小、及び図７に示す開繊幅の不安定化を招くこともない。これにより、設定したパスからのずれを最小化でき、造形精度を向上できる。
また、撚りを設けない撚り無しストランドの開繊幅を基準とした場合、前述したストランド１を用いた造形時の造形材Ｍの開繊幅は、その低下率を１０％以内に抑えられる。さらに、ストランド１の単体での引張特性は、少なくとも撚り数が１００回／ｍ以内の範囲において、引張弾性率及び引張強度の最大値が含まれる特性となる。
実験的な知見から、ストランド１の撚り回数は、３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下の範囲で、特に顕著な優れた特性を発揮する。また、繊維束の本数は、１０００本以上であり、１２０００本以下、好ましくは６０００本以下、より好ましくは３０００本以下、更に好ましくは１５００本以下である。
＜試験例１，２＞
熱可塑性樹脂として宇部興産製ＵＢＥナイロン（登録商標） ＵＢＥ Ｎｙｌｏｎ １０１０Ｘ１を用い、強化用繊維として１本の東レ株式会社製トレカ（登録商標）Ｔ３００Ｂ－１０００－５０Ｂを用い、繊維重量含有率７０％の繊維強化樹脂ストランド（断面径０．３ｍｍφ）を製造した。この繊維強化樹脂ストランドの製造には、図２に示すような製造装置１００を用い、融解状態の熱可塑性樹脂に繊維材料７を含浸させた複合体を、撚り部４１の一対の引取ロール４３，４５を用い、引き取り方向に対し２°及び４°の撚り角に調整して撚ることで、上記複合体に対して撚りを付与した。１ｍ当たりの撚り回数Ｎは、前述の撚り角θ及びストランド断面直径Ｄから、下記の式（１）に基づき計算される値であり、撚り角θが２°では３７回／ｍ前後、撚り角θが４°では７４回／ｍ前後と計算される。
熱可塑性樹脂として宇部興産製ＵＢＥナイロン（登録商標） ＵＢＥ Ｎｙｌｏｎ １０１０Ｘ１を用い、強化用繊維として１本の東レ株式会社製トレカ（登録商標）Ｔ３００Ｂ－１０００－５０Ｂを用い、繊維重量含有率７０％の繊維強化樹脂ストランド（断面径０．３ｍｍφ）を製造した。この繊維強化樹脂ストランドの製造には、図２に示すような製造装置１００を用い、融解状態の熱可塑性樹脂に繊維材料７を含浸させた複合体を、撚り部４１の一対の引取ロール４３，４５を用い、引き取り方向に対し２°及び４°の撚り角に調整して撚ることで、上記複合体に対して撚りを付与した。１ｍ当たりの撚り回数Ｎは、前述の撚り角θ及びストランド断面直径Ｄから、下記の式（１）に基づき計算される値であり、撚り角θが２°では３７回／ｍ前後、撚り角θが４°では７４回／ｍ前後と計算される。
Ｎ ＝ ｔａｎθ／（πＤ） ・・・式（１）
これにより、試験例１（撚り角θ：２°、撚り回数Ｎ：３７回／ｍ）及び試験例２（撚り角θ：４°、撚り回数Ｎ：７４回／ｍ）のストランドを形成した。また、繊維束の繊維本数は、規定数が１０００本の製品を使用している。
なお、本構成のストランドにおいては、引取ロール４３，４５によって撚り角１°当たり１８．５回／ｍの撚りがストランドに付与される。そのため、設定撚り角と実撚り角との誤差を考慮すると、撚り数はある程度の範囲を有すると考えられる。例えば、下限としては撚り角θが１．５°で撚り回数Ｎが２８回／ｍ、上限としては撚り角θが４．４°で撚り回数Ｎが８２回／ｍと計算される。
以上より、試験例１，２による撚り回数Ｎの範囲は、上記した誤差を加味して、３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下の範囲であるとみなせる。
（試験例３）
試験例３のストランドは、撚り部４１の引取ロール４３，４５の引き取り方向に対する傾斜を付けず、撚り角θを０°（撚り回数Ｎ：０回／ｍ）に変更した以外は、試験例１，２と同様に形成した。
試験例３のストランドは、撚り部４１の引取ロール４３，４５の引き取り方向に対する傾斜を付けず、撚り角θを０°（撚り回数Ｎ：０回／ｍ）に変更した以外は、試験例１，２と同様に形成した。
（試験例４）
試験例４のストランドは、撚り角θが６°、撚り回数Ｎが約１１１回／ｍとなるように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、試験例１～３と同様にして形成した。
試験例４のストランドは、撚り角θが６°、撚り回数Ｎが約１１１回／ｍとなるように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、試験例１～３と同様にして形成した。
（造形精度の評価）
得られた試験例１～４のストランドを３Ｄプリンタ用のフィラメントとして使用し、ノズル温度２６０℃、テーブル温度４５℃、印刷速度８ｍｍ／ｓｅｃの造形条件で１層からなる造形物を得た。造形モデルは曲線造形物であり、曲率半径が２ｍｍ～４０ｍｍの範囲で連続的に変化する長軸半径１５ｍｍ、短軸半径６ｍｍの楕円形状とした。これは、曲線成型性試験の中で、より緩い条件とより厳しい条件を模したものである。得られた造形物の造形精度は、レーザー顕微鏡及び画像処理ソフトを用いた解析より、設定した造形パスからのずれの大きさとして評価した。ここでは、設定した造形パスからのずれが１％を下回る場合を「○」、上回る場合を「△」と評価した。
得られた試験例１～４のストランドを３Ｄプリンタ用のフィラメントとして使用し、ノズル温度２６０℃、テーブル温度４５℃、印刷速度８ｍｍ／ｓｅｃの造形条件で１層からなる造形物を得た。造形モデルは曲線造形物であり、曲率半径が２ｍｍ～４０ｍｍの範囲で連続的に変化する長軸半径１５ｍｍ、短軸半径６ｍｍの楕円形状とした。これは、曲線成型性試験の中で、より緩い条件とより厳しい条件を模したものである。得られた造形物の造形精度は、レーザー顕微鏡及び画像処理ソフトを用いた解析より、設定した造形パスからのずれの大きさとして評価した。ここでは、設定した造形パスからのずれが１％を下回る場合を「○」、上回る場合を「△」と評価した。
（開繊性）
試験例１～４のストランドを用い、上記評価と同様の造形条件で直線描くことで、開繊性評価サンプルを得た。レーザー顕微鏡による観察、及び画像処理ソフトによる画像処理により各直線造形物（造形材Ｍ）の幅の平均値を算出し、その値を開繊幅とした。同じ造形条件において最も開繊幅の大きいサンプルを基準とし、開繊幅の低下率が１０％以内に収まる場合を「○」、それ以上の低下率を示す場合を「△」と評価した。
試験例１～４のストランドを用い、上記評価と同様の造形条件で直線描くことで、開繊性評価サンプルを得た。レーザー顕微鏡による観察、及び画像処理ソフトによる画像処理により各直線造形物（造形材Ｍ）の幅の平均値を算出し、その値を開繊幅とした。同じ造形条件において最も開繊幅の大きいサンプルを基準とし、開繊幅の低下率が１０％以内に収まる場合を「○」、それ以上の低下率を示す場合を「△」と評価した。
（空隙率）
試験例１～４のストランドを用い、上記評価と同様の造形条件で、曲率半径が２ｍｍ～４０ｍｍの範囲で連続的に変化する長軸半径１５ｍｍ、短軸半径６ｍｍの楕円形状を１層、内側に向かって４周分造形した造形物を得た。得られた造形物を、レーザー顕微鏡による観察、及び画像処理ソフトによる画像処理により造形パス間の空隙率を算出した。この空隙率は、全造形パス中の空隙率が２％未満の場合を「○」、それ以上である場合を「△」と評価した。
試験例１～４のストランドを用い、上記評価と同様の造形条件で、曲率半径が２ｍｍ～４０ｍｍの範囲で連続的に変化する長軸半径１５ｍｍ、短軸半径６ｍｍの楕円形状を１層、内側に向かって４周分造形した造形物を得た。得られた造形物を、レーザー顕微鏡による観察、及び画像処理ソフトによる画像処理により造形パス間の空隙率を算出した。この空隙率は、全造形パス中の空隙率が２％未満の場合を「○」、それ以上である場合を「△」と評価した。
（力学物性）
試験例１～３のストランドをそれぞれ長さ２５０ｍｍに切断し、両端に２５ｍｍ×５０ｍｍのタブを接着し、伸びを測定する標点間距離を５０ｍｍとした条件で引張試験を実施した。破断に至った引張強度が１２００ＭＰａ以上である場合を「○」、それ未満である場合を「△」と評価した。以上の各試験例の評価結果を表１に示す。
試験例１～３のストランドをそれぞれ長さ２５０ｍｍに切断し、両端に２５ｍｍ×５０ｍｍのタブを接着し、伸びを測定する標点間距離を５０ｍｍとした条件で引張試験を実施した。破断に至った引張強度が１２００ＭＰａ以上である場合を「○」、それ未満である場合を「△」と評価した。以上の各試験例の評価結果を表１に示す。
試験例１，２のように、熱可塑性樹脂を主成分とする基材に繊維材料を含浸させ、撚り回数Ｎが３７回／ｍ（試験例１）、７４回／ｍ（試験例２）の撚りを付与したストランドでは、撚りストランド特有の高い可撓性を維持しつつ、高い力学物性が発現した。試験例１，２のストランドを、図３に示すような積層造形装置で造形物を造形する際、高い造形精度、良好な開繊性、低い空隙率で造形できることが示された。
一方、試験例３，４では、撚り回数Ｎが０回／ｍ（試験例３）、約１１１回／ｍ（試験例４）の撚りを付与したストランドでは、造形精度、開繊性が共に試験例１，２よりも低下し、試験例３の力学特性も試験例１，２よりも低くなった。なお、試験例４の力学特性は、略同等の撚り回数のサンプルで試験したところ、試験例１、２よりも低いことを確認している。
以上の通り、撚り回数Ｎが３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下では、曲率半径が２ｍｍ～４０ｍｍの範囲の曲線パスで造形する場合に、特に顕著な優れた特性を発揮する。更に、繊維束の繊維本数を１０００本、又は１０００本以上にすることで、上記した造形精度、開繊性、力学特性が相乗的に向上して、特に良好な特性が得られる。
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ３Ｄプリンタの造形材料として用いられる繊維強化樹脂ストランドであって、
熱可塑性樹脂を含む基材と、
前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、
前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、
前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数は３０以上、８０以下である、
繊維強化樹脂ストランド。
この繊維強化樹脂ストランドによれば、繊維又は繊維束の撚りの回数を３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下にすることで、造形物を３Ｄプリンタで造形する際に、曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性が得られる。これにより、ストランド間の融着性を向上させ、造形物の強度低下を抑制できる。
（１） ３Ｄプリンタの造形材料として用いられる繊維強化樹脂ストランドであって、
熱可塑性樹脂を含む基材と、
前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、
前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、
前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数は３０以上、８０以下である、
繊維強化樹脂ストランド。
この繊維強化樹脂ストランドによれば、繊維又は繊維束の撚りの回数を３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下にすることで、造形物を３Ｄプリンタで造形する際に、曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性が得られる。これにより、ストランド間の融着性を向上させ、造形物の強度低下を抑制できる。
（２） 前記繊維束は、１０００本以上、１５００本以下の繊維を含む、（１）に記載の繊維強化樹脂ストランド。
この繊維強化樹脂ストランドによれば、小さな曲率半径で連続的に変化する造形物であっても、設定した造形パスからのずれを抑制して、高精度に造形できる。
この繊維強化樹脂ストランドによれば、小さな曲率半径で連続的に変化する造形物であっても、設定した造形パスからのずれを抑制して、高精度に造形できる。
（３） 熱可塑性樹脂を含む基材と、前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数が３０以上、８０以下である繊維強化樹脂ストランドを用いて、熱融解積層法により造形物を作製する積層造形方法。
この積層造形方法によれば、繊維又は繊維束の撚りの回数を３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下にした繊維強化樹脂ストランドを用いることで、造形物を３Ｄプリンタで造形する際に、曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性が得られる。これにより、ストランド間の融着性を向上させ、造形物の強度低下を抑制できる。
この積層造形方法によれば、繊維又は繊維束の撚りの回数を３０回／ｍ以上、８０回／ｍ以下にした繊維強化樹脂ストランドを用いることで、造形物を３Ｄプリンタで造形する際に、曲線造形時の造形精度が向上し、良好な開繊性が得られる。これにより、ストランド間の融着性を向上させ、造形物の強度低下を抑制できる。
（４） 前記繊維束は、１０００本以上、１５００本以下の繊維を含む、（３）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、小さな曲率半径で連続的に変化する造形物であっても、設定した造形パスからのずれを抑制して、高精度に造形できる。
この積層造形方法によれば、小さな曲率半径で連続的に変化する造形物であっても、設定した造形パスからのずれを抑制して、高精度に造形できる。
（５） 曲率半径２ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の曲線に沿って造形するパスを含む、（３）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、曲率半径が２ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の曲線状のパスであっても、繊維の折り返し、開繊幅の縮小、不安定化を招くことなく、良好な造形が可能となる。
この積層造形方法によれば、曲率半径が２ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の曲線状のパスであっても、繊維の折り返し、開繊幅の縮小、不安定化を招くことなく、良好な造形が可能となる。
１ ストランド（繊維強化樹脂ストランド）
３ 基材
５ 繊維束
７，９ 繊維材料
１１ 繊維材料供給部
２１ 混練押出機
２３ 樹脂浴部
２５ チャンバ
２７ ホッパ
２８ 出口部
２９ ダイス
３１ 冷却部
３３ 冷却水
４１ 撚り部
４３，４５ 引取ロール
５１ ストランド送給部
５３ ヘッド部
５５ 造形テーブル
５７ 成形駆動部
５９ 制御部
１００ 繊維強化樹脂ストランドの製造装置
２００ 積層造形装置
Ｍ 造形材
３ 基材
５ 繊維束
７，９ 繊維材料
１１ 繊維材料供給部
２１ 混練押出機
２３ 樹脂浴部
２５ チャンバ
２７ ホッパ
２８ 出口部
２９ ダイス
３１ 冷却部
３３ 冷却水
４１ 撚り部
４３，４５ 引取ロール
５１ ストランド送給部
５３ ヘッド部
５５ 造形テーブル
５７ 成形駆動部
５９ 制御部
１００ 繊維強化樹脂ストランドの製造装置
２００ 積層造形装置
Ｍ 造形材
Claims (5)
- ３Ｄプリンタの造形材料として用いられる繊維強化樹脂ストランドであって、
熱可塑性樹脂を含む基材と、
前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、
前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、
前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数は３０以上、８０以下である、
繊維強化樹脂ストランド。 - 前記繊維束は、１０００本以上、１５００本以下の繊維を含む、
請求項１に記載の繊維強化樹脂ストランド。 - 熱可塑性樹脂を含む基材と、前記基材中に配置され、ストランド軸方向に延在する１本又は複数本の繊維又は繊維束と、を備え、前記ストランド軸方向に沿って前記繊維又は前記繊維束に撚りが付与され、前記ストランド軸方向の長さ１ｍ当たりの前記撚りの回数が３０以上、８０以下である繊維強化樹脂ストランドを用いて、熱融解積層法により造形物を作製する積層造形方法。
- 前記繊維束は、１０００本以上、１５００本以下の繊維を含む、
請求項３に記載の積層造形方法。 - 曲率半径２ｍｍ～４０ｍｍの曲線に沿って造形するパスを含む、
請求項３に記載の積層造形方法。
Priority Applications (2)
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| JP2022145288A JP2024040739A (ja) | 2022-09-13 | 2022-09-13 | 繊維強化樹脂ストランド及び積層造形方法 |
| US18/464,012 US20240083103A1 (en) | 2022-09-13 | 2023-09-08 | Fiber-reinforced resin strand and additive manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022145288A JP2024040739A (ja) | 2022-09-13 | 2022-09-13 | 繊維強化樹脂ストランド及び積層造形方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=90142450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022145288A Pending JP2024040739A (ja) | 2022-09-13 | 2022-09-13 | 繊維強化樹脂ストランド及び積層造形方法 |
Country Status (2)
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|---|---|
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2022
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2023
- 2023-09-08 US US18/464,012 patent/US20240083103A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240083103A1 (en) | 2024-03-14 |
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