JP2024043226A - Molding material for 3d printer, 3d print molded article, and manufacturing method of them - Google Patents

Molding material for 3d printer, 3d print molded article, and manufacturing method of them Download PDF

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和宏 船谷
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知洋 角谷
Tomohiro Sumiya
賢一 佐藤
Kenichi Sato
元博 北出
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a molding material for a 3D printer for manufacturing a molded article which has biodegradability, low odor, and excellent transparency/surface treatment (smoothing treatment and coating property) property and moldability, and a related technique of the same.
SOLUTION: In a molding material for a 3D printer, 70-80 mass% of cellulose acetate, and 20-30 mass% of a plasticizer are mixed. A manufacturing method of the molding material for the 3D printer includes the steps of: continuously spraying or intermittently inserting the plasticizer while stirring a granular material of cellulose acetate, and forming the plasticizer into a mixture; leaving the mixture at normal temperature for 8 hours or longer; and setting the mixture at a temperature of viscous flowing and kneading the mixture.
SELECTED DRAWING: Figure 2
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Description

本発明は、熱溶融積層方式の3Dプリンター用の造形材及びこの造形材に関連する技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a modeling material for a 3D printer using a thermal fusion deposition method, and technology related to this modeling material.

近年、樹脂などの造形材を、所望の三次元立体形状に造形することができる3Dプリンターが普及しつつある。3Dプリンターは、ラピッドプロトタイピング(3次元造形機)の1種で、PCなどのコンピュータ上で作成した3Dデータに基づき、造形材を吐出し積層させて3Dプリント造形品を造形する。 In recent years, 3D printers that can mold modeling materials such as resin into desired three-dimensional shapes have become popular. A 3D printer is a type of rapid prototyping (3D modeling machine) that creates 3D printed products by discharging and layering modeling materials based on 3D data created on a computer such as a PC.

このような3Dプリンターとしては、例えば、熱可塑性樹脂を高温で溶融して積層させていく熱溶融積層方式や、液体状の光硬化性樹脂を印画し紫外線を照射し硬化させて積層していくインクジェット方式等が知られている。 Examples of such 3D printers include a thermal fusion lamination method in which thermoplastic resin is melted at high temperatures and laminated, and a liquid photocurable resin is printed and irradiated with ultraviolet rays to cure and laminate. An inkjet method is known.

上述した熱溶融積層方式で用いられる造形材としては、ABS樹脂(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体)、PLA(ポリ乳酸樹脂)等が一般に使用される。また造形材は、このような材質以外に、環状ポリオレフィンを含む樹脂組成物であったり(例えば、特許文献1)、アクリルポリマー組成物であったりする(例えば、特許文献2)。 The molding materials generally used in the above-mentioned fused deposition modeling method include ABS resin (acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer), PLA (polylactic acid resin), etc. In addition to these materials, molding materials can also be resin compositions containing cyclic polyolefins (for example, Patent Document 1) or acrylic polymer compositions (for example, Patent Document 2).

特開2016-60147号公報Japanese Patent Application Publication No. 2016-60147 特表2022-527497号公報Special Publication No. 2022-527497

しかし、上述したABS樹脂を造形材として製造された造形品は、造形中の熱変形が大きく、臭気が強い等の課題がある。このため、ABS樹脂製の造形品は、そり変形を抑制するために、造形テーブルを加温するなど、そり変形を抑制するための対策が別途必要となる。またPLA樹脂を造形材として製造された造形品は、そり変形が少ない点で優れるが、耐熱性が低いことや塗装性にやや難があるなどの課題がある。 However, shaped articles manufactured using the above-mentioned ABS resin as a shaping material have problems such as large thermal deformation during shaping and strong odor. For this reason, in order to suppress warp deformation, a molded article made of ABS resin requires additional measures to suppress warp deformation, such as heating the modeling table. Moreover, shaped articles manufactured using PLA resin as a shaping material are excellent in that they are less likely to warp, but they have problems such as low heat resistance and somewhat difficult paintability.

さらに、ABS樹脂及びPLA樹脂は、透明性が低いため、透明性が求められる造形品には適用できない課題があった。またABS樹脂及びPLA樹脂は、生分解性を有していないため、環境に放出された場合の負荷が大きい課題があった。 Furthermore, since ABS resin and PLA resin have low transparency, there is a problem that they cannot be applied to shaped articles that require transparency. Furthermore, since ABS resins and PLA resins do not have biodegradability, they pose a problem in that they pose a large burden when released into the environment.

透明性が求められる造形品には、上述した環状ポリオレフィンを含む樹脂組成物やアクリルポリマー組成物を造形材として適用することが考えられる。しかし、いずれも生分解性を有していないため、環境に放出された場合の負荷が大きい課題があった。 For shaped articles requiring transparency, it is conceivable to apply a resin composition or an acrylic polymer composition containing the above-mentioned cyclic polyolefin as a shaping material. However, since none of them are biodegradable, there is a problem in that they pose a large burden if released into the environment.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、生分解性を有し、低臭気で、透明性・表面処理(平滑化処理、塗装性)性及び造形性に優れた造形品を製造するための、3Dプリンター用の造形材及びその関連技術の提供を目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and provides a shaped article that is biodegradable, has low odor, and has excellent transparency, surface treatment (smoothing treatment, paintability), and formability. The purpose is to provide modeling materials for 3D printers and related technologies for manufacturing.

本発明に係る3Dプリンター用の造形材は、酢酸セルロースが70~80質量%であり、可塑剤が20~30質量%の範囲で配合されることを特徴とする。また、この3Dプリンター用の造形材の製造方法は、酢酸セルロースの粒状体を撹拌しながら前記可塑剤を連続的に噴霧するか断続的に投入するかして混合体にする工程と、前記混合体を常温で8時間以上静置する工程と、前記混合体を粘性流動する温度に設定し混練する工程と、を含むことを特徴とする。 The modeling material for 3D printers according to the present invention is characterized in that it contains 70 to 80% by mass of cellulose acetate and 20 to 30% by mass of plasticizer. The manufacturing method for this modeling material for 3D printers is characterized in that it includes the steps of: forming a mixture by continuously spraying or intermittently adding the plasticizer while stirring cellulose acetate granules; leaving the mixture at rest at room temperature for 8 hours or more; and setting the temperature at which the mixture becomes viscous and flowing, and kneading the mixture.

本発明により、生分解性を有し、低臭気で、透明性・表面処理(平滑化処理、塗装性)性及び造形性に優れた造形品を製造するための、3Dプリンター用の造形材及びその関連技術が提供される。 According to the present invention, a modeling material for a 3D printer and a molding material for producing a molded article that is biodegradable, has low odor, and has excellent transparency, surface treatment (smoothing treatment, paintability), and moldability. Related technology is provided.

機械強度特性を指標として実施形態に係る3Dプリンター用の造形材の効果を確認した比較例1と実施例1-6とを示す表。A table showing Comparative Example 1 and Examples 1-6 in which the effects of the modeling material for a 3D printer according to the embodiment were confirmed using mechanical strength characteristics as an index. 官能特性を指標として実施形態に係る3Dプリント造形品の効果を確認した比較例2,3と実施例7,8とを示す表。The table shows Comparative Examples 2 and 3 and Examples 7 and 8 in which the effects of the 3D printed article according to the embodiment were confirmed using sensory characteristics as an index.

以下、本発明の実施形態に係る3Dプリンター用の造形材(以下、単に「造形材」という)を説明する。主成分である酢酸セルロースが造形材の全体に占める割合は70~80質量%であり、可塑剤が20~30質量%の範囲で配合されることとし、残部はその他の添加剤が配合されることとした。酢酸セルロースの割合が70質量%未満であると透明性が低下してしまう。さらに、可塑剤の割合が20質量%未満であると、溶融時並びに凝固時の機械的特性が不適切なものとなり、3Dプリント造形品の造形性が低下してしまう。 Hereinafter, a modeling material for a 3D printer (hereinafter simply referred to as "modeling material") according to an embodiment of the present invention will be described. The main component, cellulose acetate, accounts for 70-80% by mass of the entire modeling material, the plasticizer is blended in the range of 20-30% by mass, and the remainder is blended with other additives. I decided to do so. If the proportion of cellulose acetate is less than 70% by mass, transparency will decrease. Furthermore, if the proportion of the plasticizer is less than 20% by mass, the mechanical properties during melting and solidification will be inappropriate, resulting in a decrease in the formability of the 3D printed article.

酢酸セルロース樹脂の基本的な機械強度特性は、引張強度;10MPa以上、曲げ弾性率;2.0GPa以上、熱変形温度;50℃以上が推奨される。酢酸セルロース樹脂そのものは結晶性樹脂であるが、可塑剤とコンパウンドすることにより、非晶性樹脂となり透明性がえられる。酢酸セルロース樹脂のガラス転移温度は、70~80℃である。 The recommended basic mechanical strength properties of cellulose acetate resin are tensile strength of 10 MPa or higher, flexural modulus of 2.0 GPa or higher, and heat distortion temperature of 50° C. or higher. Cellulose acetate resin itself is a crystalline resin, but by compounding it with a plasticizer, it becomes an amorphous resin and becomes transparent. The glass transition temperature of cellulose acetate resin is 70 to 80°C.

酢酸セルロース樹脂の代表的熱特性は、熱伝導率;4.0~8.0×10-4cal/cmsK、比熱;0.3~0.42cal/gK、熱膨張係数;8~18×10-5-1である。酢酸セルロース樹脂は、熱溶融積層方式の造形材として一般的に用いられるPLA樹脂とほぼ同様の機械強度特性及び熱特性を持つ。 Typical thermal properties of cellulose acetate resin are: thermal conductivity: 4.0 to 8.0×10 -4 cal/cmsK, specific heat: 0.3 to 0.42 cal/gK, thermal expansion coefficient: 8 to 18×10 -5K -1 . Cellulose acetate resin has almost the same mechanical strength characteristics and thermal characteristics as PLA resin, which is generally used as a modeling material for hot melt lamination.

熱溶融積層方式では、先に形成された層が、次に積層される層からの熱と圧力により、変形しないことが求められる。この観点から、本発明の造形材は、熱変形温度が比較的高い方が良く、30℃以上であることが好ましい。熱変形温度の上限は50~60℃とするが、特に限定されない。 In the fused deposition modeling method, it is required that the previously formed layer does not deform due to the heat and pressure from the next layer to be laminated. From this perspective, it is better for the molding material of the present invention to have a relatively high heat distortion temperature, preferably 30°C or higher. The upper limit of the heat distortion temperature is 50 to 60°C, but there is no particular limitation.

熱溶融積層方式の3Dプリンターにおいては、造形材の形状はペレットもしくはフィラメントである。ペレット形状の造形材は、超小型の押出成形機で加熱し、ノズルから吐出した溶融体で立体造形する。また、フィラメント形状の造形材は、スプールに巻回させた先端を加熱し、ノズルから吐出した溶融体で立体造形する。なおノズルの口径は、1~6mmの範囲にあり、積層スピードが1~5Kg/Hrで成形可能である。 In fused deposition modeling 3D printers, the modeling material is in the form of pellets or filaments. Pellet-shaped modeling material is heated in an ultra-small extruder, and the molten material is ejected from a nozzle to create a three-dimensional object. Filament-shaped modeling material is wound around a spool, and the tip of the material is heated, and the molten material is ejected from a nozzle to create a three-dimensional object. The nozzle diameter is in the range of 1 to 6 mm, and modeling is possible at a layering speed of 1 to 5 kg/Hr.

造形材の主成分である酢酸セルロースは、酢化度50~59%の二酢酸セルロース(CDA)が好適に使用される。このCDAは、溶媒にいったん溶かしてフィルムなどの造形品を得ることが一般的である。しかし、この一般的な工程は、溶媒の乾燥、溶媒のリサイクル使用などで複雑になる問題があった。 Cellulose acetate, which is the main component of the modeling material, is preferably cellulose diacetate (CDA) with an acetylation degree of 50 to 59%. This CDA is generally dissolved in a solvent to obtain a shaped article such as a film. However, this general process is complicated by problems such as drying of the solvent and recycling of the solvent.

そこで本実施形態では、一般的な溶媒法でなくCDAに可塑剤をブレンドするコンパウンド法により製造され、加熱成形加工性を有し一般的な石油樹脂の成形加工設備で成形可能な造形材を採用する。 Therefore, in this embodiment, we use a molding material that is manufactured by a compound method that blends a plasticizer with CDA, rather than the general solvent method, and has heat moldability and can be molded with general petroleum resin molding equipment. do.

酢酸セルロースは、酢化度が高くなる程、造形品が堅く脆くなる性質を持つ。高分子材料の物性はその結晶性に依存するところが大きく、結晶性の高いものは、一般的に強度は向上するが柔軟さが低下する、換言すると脆くなり低伸度となる。酢酸セルロースは、酢化度が高い程に結晶性が高くなるが、可塑剤を添加することで造形品に柔軟性が付与される。 Cellulose acetate has the property that the higher the degree of acetylation, the harder and more brittle the shaped article becomes. The physical properties of polymeric materials largely depend on their crystallinity, and those with high crystallinity generally have improved strength but reduced flexibility; in other words, they become brittle and have low elongation. The higher the degree of acetylation, the higher the crystallinity of cellulose acetate, but the addition of a plasticizer imparts flexibility to the shaped article.

酢酸セルロースは、優れた透明性を持つ反面、樹脂の流動性が悪く、造形品の形状が不安定であり、さらに堅く脆いという欠点を持つ。このために、酢酸セルロース単体では3Dプリンター用の造形材として不向きである。しかし、可塑剤を高充填することにより、これら欠点を補うことができ、3Dプリンター用の造形材の用途として酢酸セルロースが有望であることが見出された。 Although cellulose acetate has excellent transparency, it has the disadvantages of poor resin fluidity, unstable shapes of molded products, and furthermore, that it is hard and brittle. For this reason, cellulose acetate alone is not suitable as a modeling material for 3D printers. However, these drawbacks can be compensated for by high loading of plasticizer, and cellulose acetate has been found to be promising as a modeling material for 3D printers.

酢酸セルロースをベース樹脂として可塑剤を高充填するコンパウンド法は、次の工程(A)~(C)に従って実行される。すなわち(A)酢酸セルロースの粒状体を撹拌しながら可塑剤を連続的に噴霧するか断続的に投入するかして混合体を生成する。(B)生成した混合体を常温で8時間以上静置する。(C)混合体を粘性流動する温度に設定し混練する。 A compounding method in which cellulose acetate is used as a base resin and highly filled with a plasticizer is carried out according to the following steps (A) to (C). That is, (A) a mixture is produced by continuously spraying or intermittently adding a plasticizer while stirring the cellulose acetate granules. (B) The produced mixture is allowed to stand at room temperature for 8 hours or more. (C) The mixture is set at a temperature that causes viscous flow and kneaded.

酢酸セルロースの粒状体と可塑剤の混合体を生成する撹拌装置は、リボンブレンダー、タンブラーなどでも可能であるが、好ましくは高速ミキサーが好ましい。この混合体を加熱混練する装置は、加熱ロール、バンバリーミキサーなどのコンパウンド設備でも可能であるが、二軸押出機にて均一混合することが好ましい。設定する混錬温度は、酢酸セルロースの熱分解防止の観点から、230℃以下が好ましい。 The stirring device for producing the mixture of cellulose acetate granules and plasticizer may be a ribbon blender, tumbler, etc., but a high-speed mixer is preferred. Although the device for heating and kneading this mixture may be compounding equipment such as a heating roll or a Banbury mixer, it is preferable to uniformly mix the mixture using a twin-screw extruder. The kneading temperature to be set is preferably 230° C. or lower from the viewpoint of preventing thermal decomposition of cellulose acetate.

酢酸セルロースは、重量平均分子量が1×104~100×104、好ましくは5×104~75×104、さらに好ましくは10×104~50×104程度であるが、特に制限されず、用途に応じて選択できる。酢酸セルロースの酢化度は、52~62.5%の範囲から選択できる。好ましい酢化度は、59%以下(例えば、52.0~58.0%)、特に54~56%(例えば、55%)程度である。 The weight average molecular weight of cellulose acetate is approximately 1×10 4 to 100×10 4 , preferably 5×10 4 to 75×10 4 , more preferably 10×10 4 to 50×10 4 , but there are no particular limitations. You can choose according to your purpose. The degree of acetylation of cellulose acetate can be selected from the range of 52 to 62.5%. A preferable degree of acetylation is about 59% or less (eg, 52.0 to 58.0%), particularly about 54 to 56% (eg, 55%).

実施形態に適用される酢酸セルロースには、その他にセルロースエステル(例えば、セルロースプロピオネート、セルロースブチレートなどの有機酸エステル、硝酸セルロース、硫酸セルロース、リン酸セルロースなどの無機酸エステル)などを併用してもよい。 The cellulose acetate applied to the embodiment may also be used in combination with cellulose esters (for example, organic acid esters such as cellulose propionate and cellulose butyrate, and inorganic acid esters such as cellulose nitrate, cellulose sulfate, and cellulose phosphate). You may.

可塑剤としては、グリセリンエステル化合物、ポリエーテルエステル系化合物、アジピン酸エステル化合物が好適に使用される。グリセリンエステル化合物としては、トリアセチン、モノグリセライド、アセチル化モノグリセライド、有機酸モノグリセライドなどが挙げられる。アジピン酸エステル化合物としては、アジピン酸ジエステル化合物、アジピン酸ポリエステル化合物が挙げられる。その他エステル化合物としては、セバシン酸エステル化合物、エポキシ系エステル、安息香酸系エステル、トリメリット酸エステル、グリコールエステル化合物、酢酸エステル、二塩基酸エステル化合物、リン酸エステル化合物、フタル酸エステル化合物、樟脳、クエン酸エステル、ステアリン酸エステル、金属石鹸、ポリオール、ポリアルキレンオキサイド等が挙げられる。これら可塑剤は、単独でも組み合わせて用いることもできる。 As the plasticizer, glycerin ester compounds, polyether ester compounds, and adipic acid ester compounds are preferably used. Examples of the glycerin ester compound include triacetin, monoglyceride, acetylated monoglyceride, and organic acid monoglyceride. Examples of the adipic acid ester compound include an adipic diester compound and an adipic acid polyester compound. Other ester compounds include sebacic acid ester compounds, epoxy esters, benzoic acid esters, trimellitic acid esters, glycol ester compounds, acetic acid esters, dibasic acid ester compounds, phosphoric acid ester compounds, phthalic acid ester compounds, camphor, Examples include citric acid ester, stearic acid ester, metal soap, polyol, polyalkylene oxide, and the like. These plasticizers can be used alone or in combination.

また、実施形態に係る造形材には、本発明の効果を損なわない範囲において、各種の添加剤が配合される場合がある。具体的には、熱安定化剤(例えば、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、リン系熱安定剤、金属不活性化剤、イオウ系熱安定剤など)、耐候性添加剤(例えば、液状紫外線吸収剤、トリアジン系紫外線吸収剤、ベンゾフェノン系紫外線吸収剤、ベンゾエート系紫外線吸収剤、ヒンダードアミン系光安定剤など)、分散剤・滑剤(炭化水素系滑剤、脂肪酸、高級アルコール系滑剤、脂肪酸アミド系、金属石鹸系、エステル系など)、アンチブロッキング剤(シリカなど)、染料および顔料を含む着色剤などが挙げられる。 Moreover, various additives may be blended into the modeling material according to the embodiment within a range that does not impair the effects of the present invention. Specifically, heat stabilizers (e.g. hindered phenolic antioxidants, phosphorus heat stabilizers, metal deactivators, sulfur heat stabilizers, etc.), weathering additives (e.g. liquid ultraviolet absorbing agents, triazine-based UV absorbers, benzophenone-based UV absorbers, benzoate-based UV absorbers, hindered amine-based light stabilizers, etc.), dispersants and lubricants (hydrocarbon-based lubricants, fatty acids, higher alcohol-based lubricants, fatty acid amide-based, metals) Examples include soap-based, ester-based, etc.), anti-blocking agents (silica, etc.), and colorants including dyes and pigments.

実施形態に係る造形材は、ペレット又はフィラメントの形状を有している。フィラメント形状の造形材の製造方法は、上述したように押出機等で酢酸セルロース及び可塑剤の混合体を溶融混練し、ダイ・ノズルからストランド状に押し出す。そして、このストランド状に押し出された溶融体を、水や空気等の冷却媒体で冷却して紡糸し、必要に応じて、加熱延伸、熱処理、オイル塗布等の処理を行い、巻き取ることでフィラメントにする。フィラメントの断面形状としては、特に制限はなく、例えば、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、星型などが挙げられる。 The modeling material according to the embodiment has a pellet or filament shape. As described above, a method for manufacturing a filament-shaped shaping material involves melting and kneading a mixture of cellulose acetate and a plasticizer using an extruder or the like, and extruding the mixture into a strand from a die/nozzle. The melt extruded into a strand is cooled with a cooling medium such as water or air and spun. If necessary, it is heated and stretched, heat treated, coated with oil, etc., and then wound into a filament. Make it. The cross-sectional shape of the filament is not particularly limited, and examples include circular, elliptical, triangular, quadrangular, hexagonal, and star-shaped.

ペレット形状の造形材の製造方法は、上述したようにストランド状に押し出された溶融体を水槽等で冷却した後にペレタイザーでカットする方法(ストランド法)や、ダイ・ノズルから溶融体が押し出された瞬間に回転刃が樹脂をカットする方法(ホットカット法)が挙げられる。 There are two methods for manufacturing pellet-shaped modeling materials: as described above, the molten material is extruded into strands, cooled in a water tank, etc., and then cut with a pelletizer (strand method), or the molten material is extruded from a die or nozzle. One example is a method in which a rotating blade instantly cuts the resin (hot cut method).

実施形態の造形材を用い、熱溶融積層方式で3Dプリント造形品を製造する場合、ノズル温度としては、120~250℃とする、より好ましくは180~220℃とする。ノズル温度が250℃を超える高温にすると、酢酸セルロースが加水分解して、着色したり酢酸臭がしたりするなどの問題が生じる。本発明の造形材は、熱変形が少ないため造形テーブルの加熱は不要となる場合もある。積層ピッチは、通常0.05~0.5mmである。ノズルの径と押出条件の調整で積層ピッチは決定される。 When manufacturing a 3D printed model using the modeling material of the embodiment by a hot-melt lamination method, the nozzle temperature is set to 120 to 250°C, more preferably 180 to 220°C. If the nozzle temperature is raised to a high temperature exceeding 250° C., cellulose acetate will be hydrolyzed, causing problems such as coloring and acetic acid odor. Since the modeling material of the present invention has little thermal deformation, heating of the modeling table may not be necessary in some cases. The stacking pitch is usually 0.05 to 0.5 mm. The stacking pitch is determined by adjusting the nozzle diameter and extrusion conditions.

酢酸セルロース樹脂は、印刷性、塗装性、染色性などの表面加飾性能を有し、3Dプリント造形品の付加価値を向上させる。 Cellulose acetate resin has surface decoration properties such as printability, paintability, and dyeability, and improves the added value of 3D printed products.

次に本実施形態の効果を確認した実施例について比較例とともに説明する。なお、実施例及び比較例において、酢酸セルロース組成物の基本物性は、通常の石油系プラスチックに適用されるJIS規格に準拠して測定した。 Next, an example in which the effects of this embodiment were confirmed will be described together with a comparative example. In the Examples and Comparative Examples, the basic physical properties of the cellulose acetate compositions were measured in accordance with the JIS standards applied to ordinary petroleum-based plastics.

図1は、機械強度特性を指標として実施形態に係る3Dプリンター用の造形材の効果を確認した比較例と実施例1-6とを示す表である。比較例1、実施例1-2では可塑剤としてトリアセチンを単独で用い、実施例3-6ではトリアセチンとアジピン酸エステルを組み合わせて用いた実施例を示している。 FIG. 1 is a table showing Comparative Examples and Examples 1-6 in which the effects of the modeling material for 3D printers according to the embodiment were confirmed using mechanical strength characteristics as an index. Comparative Example 1 and Example 1-2 use triacetin alone as a plasticizer, and Example 3-6 uses a combination of triacetin and adipic acid ester.

また比較例1、実施例1,4は、酢酸セルロースと可塑剤を混合してから静置時間を置かずに混合体を混練機に投入しペレットを製造し、工業規格に準拠して作製した試験片による試験結果である。また実施例2,3,5,6は静置時間が8時間たってから混練機に混合体を投入しペレットを製造し、工業規格に準拠して作製した試験片による試験結果である。 In addition, in Comparative Example 1 and Examples 1 and 4, pellets were produced by mixing cellulose acetate and a plasticizer and then inputting the mixture into a kneading machine without allowing any standing time, and producing pellets in accordance with industrial standards. These are test results using test pieces. In Examples 2, 3, 5, and 6, the mixture was put into a kneader after 8 hours of standing time to produce pellets, and the test results were obtained using test pieces prepared in accordance with industrial standards.

なお、図1は、酢酸セルロース組成物の基本物性を左右する複数パラメータを同時に振ってその最適条件を探索する一連の膨大な試験結果から、一部抽出したデータである。図1では、静置時間(8時間)の有無のパラメータと可塑剤(トリアセチン、アジピン酸エステル)の充填量のパラメータとを同時に振った試験結果が示されている。 Note that FIG. 1 shows data partially extracted from the results of a huge series of tests in which multiple parameters that affect the basic physical properties of cellulose acetate compositions are simultaneously varied to search for optimal conditions. FIG. 1 shows test results in which the parameters of the standing time (8 hours) and the amount of plasticizer (triacetin, adipic acid ester) filled were changed simultaneously.

ここで3Dプリント造形品の造形性の優劣に基づき造形材(酢酸セルロース組成物)を比較例と実施例に分類すると、造形材の基本物性の系統的な相違が、可塑剤の配合量に依存することが見出される。さらに、3Dプリント造形品の造形性に高い影響度を持つMFRの試験結果に着目すると、静置時間の条件の有無がこのMFRの試験結果に有意差をもたらしているといえる。 Here, if we classify the modeling materials (cellulose acetate compositions) into comparative examples and examples based on the superiority or inferiority of the moldability of 3D printed objects, we can see that systematic differences in the basic physical properties of the modeling materials depend on the amount of plasticizer blended. It is found that Furthermore, when focusing on the test results of MFR, which has a high degree of influence on the formability of 3D printed products, it can be said that the presence or absence of a standing time condition brings about a significant difference in the test results of MFR.

(ペレット及び試験片の製造)
使用した酢酸セルロースの粒状体は酢化度55%の市販の製品である。酢酸セルロースの粒状体と可塑剤の混合体の生成は、500rpm/minに設定した高速ミキサーにおいて、酢酸セルロースの粒状体を撹拌しながら可塑剤を噴霧して混合した。さらに120rpm/minに設定した低速ミキサーであるリボンブレンダーを用いて混合体に添加剤(酸化防止剤等)を混合した。そして、実施例2,3,5,6については、混合体をトレーに収容し気密な状態で、常温(25℃)で8時間静置してから混錬機に投入した。比較例、実施例1,4については、混合体を生成してから30分以内に混錬機に投入した。
(Manufacture of pellets and test pieces)
The cellulose acetate granules used are commercially available products with a degree of acetylation of 55%. A mixture of cellulose acetate particles and a plasticizer was produced by spraying and mixing the plasticizer while stirring the cellulose acetate particles in a high-speed mixer set at 500 rpm/min. Furthermore, additives (antioxidants, etc.) were mixed into the mixture using a ribbon blender, which is a low-speed mixer set at 120 rpm/min. In Examples 2, 3, 5, and 6, the mixture was placed in a tray and allowed to stand at room temperature (25° C.) for 8 hours in an airtight state before being charged into a kneader. In Comparative Examples and Examples 1 and 4, the mixtures were charged into the kneader within 30 minutes after they were produced.

混錬機は、台湾メーカーCKF社製、CK70HT(スクリュー径70mm、L/D=44)を用いた。スクリュー回転数の設定は300~600rpmであり、成形加工温度を200-220℃とした。 The kneading machine used was CK70HT (screw diameter 70 mm, L/D=44) manufactured by Taiwanese manufacturer CKF. The screw rotation speed was set at 300-600 rpm, and the molding temperature was 200-220°C.

そして、混錬機から吐出した混練体をペレットに成形し冷却した後に、射出成形機で再加熱し溶融させてから金型に注入して、各種の基本性能(MFR,曲げ弾性率,引張強度,衝撃強度)を試験するための試験片を作成した。図1に示すように、可塑剤を増量することにより、MFRの増加、引張伸度が大幅に向上し、測定された基本物性は、PP、PE、PSなどの汎用石油系プラスチックとほぼ同等の結果が得られた。また得られた試験片は透明である。 The kneaded body discharged from the kneader is molded into pellets and cooled, then reheated and melted in an injection molding machine, and then injected into a mold to obtain various basic properties (MFR, flexural modulus, tensile strength). , impact strength) were prepared. As shown in Figure 1, increasing the amount of plasticizer significantly increases MFR and tensile elongation, and the measured basic physical properties are almost equivalent to general-purpose petroleum-based plastics such as PP, PE, and PS. The results were obtained. Moreover, the obtained test piece is transparent.

(フィラメントの製造)
図1に示す組成で成形したペレットを、ステア株式会社製・二軸押出機OMEGA-30を用い、押出温度;C1 140℃、C2-C6 200℃、H 200℃の押出条件で押し出したストランドを、直径1.7mmのフィラメント形状とし造形材とした。
(Manufacture of filament)
The pellets formed with the composition shown in Figure 1 were extruded using a twin-screw extruder OMEGA-30 manufactured by Steer Co., Ltd. under extrusion conditions of C1 140°C, C2-C6 200°C, H 200°C. It was made into a filament shape with a diameter of 1.7 mm and used as a modeling material.

(3Dプリント造形)
図2は、官能特性を指標として実施形態に係る3Dプリント造形品の効果を確認した比較例2,3と実施例7,8とを示す表である。実施例7で製造された3Dプリント造形品は、実施例1の組成で製造したフィラメント形状の造形材を、エス・ラボ(株)、MothMachS3DP333にセットし、製品図に従って作製したものである。
(3D printing modeling)
2 is a table showing Comparative Examples 2 and 3 and Examples 7 and 8, in which the effects of the 3D printed products according to the embodiment were confirmed using sensory characteristics as an index. The 3D printed product produced in Example 7 was produced by setting the filament-shaped modeling material produced with the composition of Example 1 in MothMachS3DP333 manufactured by S Lab Co., Ltd., and producing it according to the product drawing.

実施例8で製造された3Dプリント造形品は、実施例5の組成で製造したペレット形状の造形材を、エス.ラボ(株)、MothMachGEM800Sにセットして、製品図に従って作製したものである。なお、実施例7,8は共に、ノズル温度220℃、吐出径0.4mm、積層ピッチ0.1mmとし、造形テーブル加熱は行わなかった。 The 3D printed product produced in Example 8 was produced by setting the pellet-shaped modeling material produced with the composition of Example 5 in a MothMachGEM800S manufactured by S.Lab Co., Ltd., and following the product drawing. In both Examples 7 and 8, the nozzle temperature was 220°C, the discharge diameter was 0.4 mm, and the layer pitch was 0.1 mm, and the modeling table was not heated.

比較例2で製造された3Dプリント造形品は、市販のABS樹脂(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体)の3Dプリンター用フィラメント(Raise3D製 Premium ABS)を用いたものである。なお、比較例2の製造条件は、造形テーブルを110℃に加熱し造形品の変形防止に努めた以外は実施例7と同様にしている。 The 3D printed product produced in Comparative Example 2 was produced using commercially available ABS resin (acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer) 3D printer filament (Raise3D Premium ABS). The production conditions for Comparative Example 2 were the same as those for Example 7, except that the modeling table was heated to 110°C to prevent deformation of the model.

比較例3で製造された3Dプリント造形品は、市販のPLA(ポリ乳酸樹脂)の3Dプリンター用フィラメント(Polymaker社製、POLY-MAXPLA、ホワイト)を用いたものである。なお、比較例3の製造条件は、造形テーブルを60℃に加熱し造形品の変形防止に努めた以外は実施例8と同様にしている。 The 3D printed article manufactured in Comparative Example 3 uses a commercially available PLA (polylactic acid resin) filament for 3D printers (manufactured by Polymaker, POLY-MAXPLA, white). The manufacturing conditions of Comparative Example 3 were the same as those of Example 8, except that the molding table was heated to 60° C. to prevent deformation of the molded product.

(評価)
3Dプリント造形品に関し、臭気が発生しているか否かについて官能評価を行った。比較例2,3については、「激しい異臭」及び「異臭あり」という評価であったが、実施例7,8については共に「わすか」という評価であった。
(evaluation)
Regarding the 3D printed model, a sensory evaluation was conducted to determine whether or not odor was generated. Comparative Examples 2 and 3 were rated as ``strong off-odor'' and ``off-odor present,'' while Examples 7 and 8 were both rated as ``waste.''

次に3Dプリント造形品の層間密着性について評価した。製造した造形品について、手で層間の剥離を試みたところ、いずれも剥離することはなく全て「良好」という評価であった。次に、3Dプリント造形品の造形性について評価した。比較例2の造形品は全体的に大きく変形しており壁の厚みも不均一であった。比較例3の造形品は、比較例2ほどではないが、容易に認識できる程度の小さな変形が存在する。実施例7,8の造形品は、変形は存在するが、比較例3に比較して格段に微小量であった。 Next, the interlayer adhesion of the 3D printed article was evaluated. When attempting to manually peel off the layers of the manufactured shaped articles, none of them peeled off, and all were evaluated as "good." Next, the formability of the 3D printed article was evaluated. The shaped article of Comparative Example 2 was largely deformed as a whole, and the wall thickness was also uneven. Although the shaped article of Comparative Example 3 is not as severe as that of Comparative Example 2, there is a small deformation that can be easily recognized. Although the shaped articles of Examples 7 and 8 had deformation, the amount was much smaller than that of Comparative Example 3.

次に3Dプリント造形品の透明性について評価した。造形品の反対側に新聞紙を置き文字が判読できるか否かで評価した。比較例2,3については、文字の存在が判らない程度に「不透明」であった。一方で、実施例7,8については、文字が判読できる程度に「透明」であった。 Next, the transparency of the 3D printed products was evaluated. A newspaper was placed on the opposite side of the product and evaluated whether the letters could be read. Comparative Examples 2 and 3 were "opaque" to the extent that the presence of the letters was not discernible. On the other hand, Examples 7 and 8 were "transparent" to the extent that the letters could be read.

以上の通り、本発明の造形材は、一般的なABS樹脂やPLA樹脂を用いる場合と異なり、3Dプリント造形品が不快な臭いを発せず、造形性に優れている。酢酸セルロースおよび可塑剤ともPL認定される予定であり、人体に対する安全性が高く、医療用途、食品用途への応用も可能である。また、歯科材料等に用いることができる。また、酢酸セルロースは、透明性に優れるため、スケルトンを要求される造形品、あるいはレンズなどの光学部材の造形にも有効である。 As described above, unlike the case where a general ABS resin or PLA resin is used, the modeling material of the present invention does not emit an unpleasant odor in a 3D printed article and has excellent moldability. Both cellulose acetate and plasticizer are scheduled to receive PL certification, and are highly safe for the human body, and can be applied to medical and food applications. Moreover, it can be used for dental materials and the like. Furthermore, since cellulose acetate has excellent transparency, it is also effective for modeling objects that require skeletons or optical members such as lenses.

Claims (7)

酢酸セルロースが70~80質量%であり、
可塑剤が20~30質量%の範囲で配合されている3Dプリンター用の造形材。
Cellulose acetate is 70 to 80% by mass,
A modeling material for 3D printers that contains a plasticizer in the range of 20 to 30% by mass.
請求項1に記載の3Dプリンター用の造形材において、
前記酢酸セルロースは、酢化度が50~59%の二酢酸セルロースである3Dプリンター用の造形材。
The modeling material for a 3D printer according to claim 1,
The cellulose acetate is cellulose diacetate with an acetylation degree of 50 to 59%, and is a modeling material for 3D printers.
請求項1又は請求項2に記載の3Dプリンター用の造形材において、
前記可塑剤は、グリセリンエステル化合物、ポリエーテルエステル系化合物、アジピン酸エステル化合物から選択される少なくとも一つである3Dプリンター用の造形材。
In the modeling material for a 3D printer according to claim 1 or 2,
The plasticizer is a modeling material for a 3D printer, wherein the plasticizer is at least one selected from a glycerin ester compound, a polyether ester compound, and an adipate ester compound.
請求項1又は請求項2に記載の3Dプリンター用の造形材において、
ペレット又はフィラメントの形状を有する3Dプリンター用の造形材。
In the modeling material for a 3D printer according to claim 1 or 2,
A modeling material for 3D printers in the form of pellets or filaments.
請求項1又は請求項2に記載の3Dプリンター用の造形材の製造方法であって、
酢酸セルロースの粒状体を撹拌しながら前記可塑剤を連続的に噴霧するか断続的に投入するかして混合体にする工程と、
前記混合体を常温で8時間以上静置する工程と、
前記混合体を粘性流動する温度に設定し混練する工程と、を含む3Dプリンター用の造形材の製造方法。
A method for manufacturing a modeling material for a 3D printer according to claim 1 or 2, comprising:
A step of continuously spraying or intermittently adding the plasticizer while stirring the cellulose acetate granules to form a mixture;
a step of leaving the mixture at room temperature for 8 hours or more;
A method for manufacturing a modeling material for a 3D printer, including the step of setting the mixture at a temperature that causes viscous flow and kneading the mixture.
請求項1又は請求項2に記載の3Dプリンター用の造形材で成形された3Dプリント造形品。 A 3D printed product formed using the 3D printer modeling material described in claim 1 or 2. 請求項1又は請求項2に記載の3Dプリンター用の造形材を230℃以下に加熱し溶融体にするステップと、
口径が1~6mmの範囲にあるノズルから前記溶融体を吐出させて積層するステップと、を含む3Dプリント造形品の製造方法。
A step of heating the modeling material for a 3D printer according to claim 1 or claim 2 to a temperature of 230° C. or lower to make it into a melt;
A method for manufacturing a 3D printed article, comprising the step of discharging the melt from a nozzle with a diameter in the range of 1 to 6 mm and laminating the melt.
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