JP6820500B2 - 線条樹脂成形体 - Google Patents

Description

本発明は、線条樹脂成形体に関するものであり、特に、いわゆる３Ｄプリンタのような３次元オブジェクト（物体）を構築するモデリング装置等において、原料素材として用いられる線条樹脂成形体に関するものである。

３次元オブジェクトの形成方法として、いわゆる３Ｄプリンタが注目されており、これまで実現することが難しかった複雑な形状の３次元オブジェクトも簡単に作製可能になってきている。３Ｄプリンタを用いれば、樹脂や金属等、任意の材料を積み重ねていくことにより、通常の方法では実現不可能な形状であっても加工することが可能である。

３Ｄプリンタには、いくつかの方式のものが知られており、その中で樹脂ストランド（線条樹脂成形体）を押出して積層堆積させる方式（熱溶融積層方式）のものは、コスト面で有利であること等から、各方面で開発が進められている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。

例えば、特許文献１の積層造形システムでは、造形材料であるフィラメントを押し出しヘッドに供給し、押し出しヘッドに搭載される液化機にてフィラメントを溶融し、ノズルを通して、溶融したフィラメントをベース上に押し出す。押し出しヘッド及びベースは、３Ｄモデルを形成するために相対的に移動し、多数の線状及び層状の材料を積層していき、３Ｄモデルを製造する。

特許文献２には、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ改質ＡＢＳ材料を送出すること、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で、送出された改質ＡＢＳ材料を押出ヘッドにおいて溶融すること、３Ｄオブジェクトを形成するために、溶融された熱可塑性プラスチック材料を一層毎に堆積させることとを含む３Ｄオブジェクトを構築する方法が開示されている。

この種の方法では、樹脂材料を溶融堆積するというのが基本的な考えであり、原料素材として樹脂のストランド（線条樹脂成形体）が用いられる。特許文献３や特許文献４には、原料素材として用いる樹脂ストランドや、その供給方法等についての開示がある。

特許文献３には、３次元物体を作成するための組成物が開示されているが、造形物を作製する押出機では、押出ヘッドに可撓性フィラメントとして供給している。フィラメントは、押出ヘッドが携帯する液化機内で溶融される。液化機は凝固点よりもわずかに高い温度にフィラメントを加熱して、これを溶融状態にする。溶融材料は液化機のオリフィスを通じて台座上に押し出される。

特許文献４には、３次元堆積モデリング機械内でフィラメントを供給するフィラメントカセットおよびフィラメントカセット受器が開示されている。特許文献４では、フィラメントを簡便な様態でモデリング機械に係合および分離する方法を提供し、環境における湿気からフィラメントを保護する様態で実現され得るようにしている。

特表２００９−５００１９４号公報 特表２０１０−５２１３３９号公報 特許５０３９５４９号公報 特許４１０７９６０号公報

前述の３Ｄプリンタにおいては、造形用の樹脂材料として形状記憶樹脂を用いることがある。形状記憶樹脂は、成形形状と変形形状とを熱による温度操作で使い分けることのできる樹脂である。形状記憶樹脂の成形体は、形状記憶樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度で変形を加え、その形状を保持した状態でガラス転移温度以下まで冷却することにより、変形形状を固定し、また、ガラス転移温度以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度に加熱することにより、元の成形形状を回復する。

ただし、このような形状記憶樹脂をフィラメントにして３Ｄプリンタに用いた場合、３Ｄモデルを造形する際に、硬化するスピードが遅く、モデル形状によっては造形が困難であるという問題がある。形状記憶樹脂は、一般にガラス転移温度が低く、十分に温度が下がる前に温度が高い（溶融した）形状記憶樹脂が堆積されると、形状の維持が難しく、重みで形状が崩れる等の問題がある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、形状記憶樹脂を３次元造形する際に、形状が確実に維持されることで、様々な形状の３Ｄモデルを造形することができ、硬化スピードも向上させることが可能な線条樹脂成形体を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の線条樹脂成形体は、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる線条樹脂成形体であって、形状記憶樹脂を含み、無機充填材を含有する原料樹脂組成物を溶融混錬し、押出機から押し出すことで形成されたことを特徴とする。

形状記憶樹脂に無機充填材を配合することで、熱伝導性が向上して放熱性が改善され、造形する速度を向上しても、形状が崩れることはない。また、収縮率も低減され、造形性が向上する。

本発明の線条樹脂成形体によれば、放熱性に優れ、例えば形状記憶樹脂を３次元造形する際に、形状が確実に維持されることで、様々な形状の３Ｄモデルを造形することができ、硬化スピードも向上させることが可能な線条樹脂成形体を提供することができる。

３Ｄプリンタの概略構成を模式的に示す図である。 線条樹脂成形体の一例を示す概略斜視図である。 図２に示される線条樹脂成形体の断面図である。 線条樹脂成形体の製造ラインの一例を示す図である。 実施例及び比較例で造形された３Ｄモデルの写真である。 図５の３Ｄモデルを図面化したものである。

以下、本発明を適用した線条樹脂成形体の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本実施形態の線条樹脂成形体の説明に先立って、先ず、線条樹脂成形体が用いられる３Ｄプリンタについて説明する。

３Ｄプリンタの基本的な仕組みは、コンピュータで作成した３Ｄデータを設計図として、断面形状を積層していくことで立体物すなわち３Ｄ（三次元）オブジェクトを作成するものである。その方法としては、例えば、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていくインクジェット方式、粉末の樹脂に接着剤を吹きつけていく粉末固着方式、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく熱溶融積層方式などの方法がある。本実施形態に係る線条樹脂成形体は、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられるものであり、例えばリールに巻回された状態で３Ｄプリンタに供給される。

図１は、３Ｄプリンタの一例を示す図である。本例の３Ｄプリンタは、駆動機構１によって３次元駆動される造形用ヘッド２と、当該造形用ヘッド２に樹脂材料からなる線条樹脂成形体（フィラメント）１０を供給するカートリッジ４とを主要な構成部材とする。カートリッジ４に巻回される線条樹脂成形体１０は、前記造形用ヘッド２へと導かれ、加熱溶融されて造形用ヘッド２のノズル２Ａから押し出され、これを堆積し冷却することで基台５上に３次元造形物Ｍが成形される。

図２及び図３は、いわゆる単層の線条樹脂成形体１０を示すものである。単層の線条樹脂成形体１０は、原料樹脂を線条に加工したものであり、極めてシンプルな構成である。線条樹脂成形体の形態としては、前記単層のものに限らず、２層以上の多層構成とすることも可能である。

線条樹脂成形体の構成材料について説明すると、本実施形態の線条樹脂成形体は、熱可塑性樹脂を主体とするものであるが、造形後にガラス転移温度以上に熱することで容易に形状を変化させ、冷却することでそのまま形状を保持させ、さらにガラス転移温度以上に再加熱することで元の形状に復元する３Ｄモデルの形成を可能とするため、熱可塑性樹脂として形状記憶樹脂を用いている。

形状記憶樹脂としては、ノルボルネン系形状記憶ポリマーや、トランスポリイソプレン系形状記憶ポリマー、スチレン−ブタジエン系形状記憶ポリマー、ウレタン系形状記憶ポリマー等を挙げることができ、これら形状記憶ポリマーのいずれも使用可能である。

線条樹脂成形体における形状記憶樹脂の配合量は、成形性等を考慮して、４０質量％〜８９質量％とすることが好ましく、６０質量％〜７９質量％とすることがより好ましい。

線条樹脂成形体において、前記形状記憶樹脂を単独で用いると、堆積時の熱による影響等により形状が崩れやすく、造形速度を上げることができない。そこで、本実施形態の線条樹脂成形体では、放熱性を改善することを目的に、無機充填材を配合している。

無機充填材としては、繊維状のものや粉体状のものを使用することができ、その材質も任意であるが、熱伝導性の高いものが好ましい。例示するならば、炭素繊維（カーボンファイバ）、ガラス繊維（ガラスファイバ）、タルク、ナノクレイ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等を挙げることができ、熱伝導性の良好なカーボンファイバやガラスファイバが好適である。なお、繊維状の無機充填材を用いた場合、造形後の形状の復元性も高いという利点もある。

無機充填材の添加量は、要求される性能（放熱性等）に応じて設定すればよいが、好ましくは、３質量％〜３０質量％であり、より好ましくは５質量％〜２０質量％である。無機充填材の配合量が３質量％未満であると、無機充填材を配合することによる効果が不十分になるおそれがある。逆に無機充填材の配合量が３０質量％を越えて多くなりすぎると、相対的に形状記憶樹脂の割合が少なくなりすぎて、造形物の層間剥離が起きやすくなり、造形が難しくなるおそれがある。

線条樹脂成形体には、前記各材料の他、着色剤等、仕様等に応じて各種添加物を添加することも可能である。線条樹脂成形体の外径寸法も、求められる仕様に応じて適宜設定可能であり、例えば直径１．７５ｍｍ程度のフィラメントとする。

次に、線条樹脂成形体の製造方法（製造ライン）について説明する。図４に示すように、線条樹脂成形体１０の製造ライン３０は、押出機３１、金型３２、サイジング装置３３、水槽３７、固定ローラ４１、外径寸法測定装置４２及び巻き取り装置４３を含む。

押出機３１は、原料樹脂組成物を溶融混練し、これを連続的に金型３２へと供給するもので、例えばスクリューが内蔵されるシリンダ、原料投入用のホッパ、射出ノズル等を備えて構成されている。原料投入用のホッパから投入された原料樹脂組成物は、シリンダ内でスクリューにより溶融混練され、射出ノズルから金型３２へ射出される。

金型３２は、押出機３１からの溶融樹脂を水平方向に押し出すものであり、ここから押し出された溶融樹脂が冷却されて線条樹脂成形体１０となる。原料樹脂組成物は、前述の熱可塑性樹脂、無機充填材、α−オレフィンエラストマを配合したものである。

水槽３７は、押出機３１から押し出された線条樹脂成形体１０の搬送方向に沿って長い箱状に形成される。線条樹脂成形体１０は、水槽３７の一端の壁から水槽３７内に導入され、水槽３７の他端の壁から導出される。水槽３７には、線条樹脂成形体１０を浸漬させ、線条樹脂成形体１０を冷却する水３７ａが貯留される。

サイジング装置３３は、水槽３７の一端の壁の内側に配置されており、押出機３１から水槽３７内に送られた線条樹脂成形体１０の断面を真円にし、かつ、線条樹脂成形体１０の外径寸法を所定の寸法に均一化させる機能を有する。

固定ローラ４１は、サイジング装置３３を経て水槽３７内において線条樹脂成形体１０の姿勢を安定させ、かつ、巻き取り装置４３側に向けて線条樹脂成形体１０を搬送する。

外径寸法測定装置４２は、水槽３７で冷却された線条樹脂成形体１０の外径寸法を測定する。巻き取り装置４３は、外径寸法測定装置４２を経た線条樹脂成形体１０を挟んで下流側に搬送する上下一対の巻き取りローラ４３ａと、巻き取りローラ４３ａの下流側に配置され、線条樹脂成形体１０を巻き取る巻き取り軸４３ｃを有するボビン巻き取り機４３ｂとを備える。

線条樹脂成形体１０の製造方法は、押出工程、サイジング工程、冷却工程、寸法測定工程及び巻き取り工程を含む。押出工程では、押出機３１においてホッパ３１ａから投入された樹脂ペレットを溶融し、溶融した樹脂を金型３２から押し出す。押し出された線条樹脂成形体１０の外径はＤ１である。

サイジング工程では、線条樹脂成形体１０が搬送通路に沿って走行することで、搬送通路の内径に合わせた均一な外径Ｄ２に形成される。冷却工程では、線条樹脂成形体１０が水槽３７を通過することにより冷却され、線条樹脂成形体１０の外径が縮径される。

寸法測定工程では、線条樹脂成形体１０の外径を測定し、測定値が適正な大きさであるか否かを判定する。線条樹脂成形体１０の外径が規格外である場合、外径が規格内になるように、各製造条件を見直す。巻き取り工程では、線条樹脂成形体１０の外径が規格内である場合、巻き取り装置４３の巻き取りローラ４３ａでボビン巻き取り機４３ｂに送り、巻き取り軸４３ｃに線条樹脂成形体１０の連続体を巻き取っていく。所定長さの線条樹脂成形体１０が巻き取り軸４３ｃに巻き取られたら、新しい巻き取り軸４３ｃに線条樹脂成形体１０を巻き取るようにする。

以上の通り、形状記憶ポリマーに熱伝導性の良い無機充填材を配合することで、熱伝導性が向上して放熱性が改善され、造形する速度を向上しても形状が崩れることがなく、また収縮率も低減することができるので、造形性を向上することもできる。

また、無機フィラーを充填させることで、高い剛性を造形物に持たせることができ、さらに復元する力をより向上させることが可能な形状記憶性を有する線条樹脂成形体を提供することができる。例えば、従来の形状記憶ポリマーを用いたフィラメントでは、３Ｄプリンタで３Ｄモデルを造形する際に、モデルの形状によっては造形が困難であったが、ガラスファイバーやカーボンファイバーを配合したフィラメントでは造形性が向上して、問題なく造形することができる。

さらに、従来の形状記憶ポリマーでは剛性が低く、活用できる用途が限られていたが、ガラスファイバーやカーボンファイバーを配合したフィラメントを使用することで、強度が高く、且つ、高い復元する力を持たせて機能性を大きく改善することができる。したがって、形状記憶ポリマーに無機充填材を配合することで様々な機能性を付与した線条樹脂成形体を製造することが可能であり、より機能性を付与したモデリングが可能となる。

以上、本発明を適用した実施形態についてを説明してきたが、本発明が前述の実施形態に限られるものでないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

（線条樹脂成形体の作製）
実施例１
ポリウレタン系形状記憶ポリマー（ＳＭＰテクノロジー社製、商品名ＭＭ−５５２０）にガラスファイバーを１０質量％配合して原料組成物とし、これを押出機にて溶融混練した後、ダイコアへ供給し、ダイコアに設けられた口金から引出した。この口金である程度線径や線形を整えて線条樹脂成形体に賦形したのち、冷却固化する水槽の入口部にサイジングを設けて、このサイジング部において線条樹脂成形体の最終的な断面形状（線径および線形）を整えた。サイジング部において形状を賦形した後、水槽にて冷却固化して、巻取機にて巻取りを行なった。さらに、巻取機から送り出された線条樹脂成形体はボビンに巻き取った。

比較例１
ポリウレタン系形状記憶ポリマー（ＳＭＰテクノロジー社製、商品名ＭＭ−５５２０）のみを原料として用い、他は実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

参考例
市販のポリ乳酸フィラメントを入手し、これを線条樹脂成形体として用いた。

（効果の確認）
作製した線条樹脂成形体を用い、３Ｄプリンタ（ボンサイラボ社製、商品名ＢＳ−０１）にて３Ｄモデルの造形を行い、造形性を評価した。また、造形物の強度と復元力を引張試験にて剛性を測定することで評価した。なお、造形物を造形する際の条件として、２１５℃にて造形した。

３Ｄモデルの造形性は、所定の形状の３Ｄモデル（幅４０ｍｍ、奥行４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの三角錐）を造形した際に造形性が満足に得られなかった高さを全体の高さで割った数値を造形指数として評価した。

造形物の強度は、長さ７５ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの造形物を３Ｄプリンタにて造形して、万能試験機（島津製作所社製、商品名ＡＧＳ−Ｘ １０ｋＮ）を使用して引張試験にて実施した。復元力の強度は、長さ７５ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの造形物を３Ｄプリンタにて造形した物を用いて、恒温槽付き万能試験機(万能試験機：島津製作所社製 商品名ＡＧＳ−Ｘ １０ｋＮ、恒温槽：島津製作所社製 商品名ＴＣＲＩＡ−２００Ｐ)を使用し、以下の手順にて測定した。すなわち、先ず初めに、恒温槽内７５℃雰囲気下でチャック間距離５０ｍｍにて造形物を挟んだ後、クロスヘッドを移動させて５ｍｍ引っ張った。その後、恒温槽内を３５℃にした後、荷重がゼロになるまでクロスヘッドを下げ、再び恒温槽内を７５℃に昇温させた際に万能試験機に掛かった力を復元力として測定した。

評価結果及び測定結果を表１に示す。また、造形した三角錐の３Ｄモデルの写真を図５に、これを図面化したものを図６に示す。図５，６において、左が実施例１の線条樹脂成形体を用いて造形された３Ｄモデルであり、中央が比較例１の線条樹脂成形体を用いて造形された３Ｄモデル、右が参考例の線条樹脂成形体を用いて造形された３Ｄモデルである。

実施例１において、ガラスファイバーを添加することで３Ｄモデルの造形性が良好であり、高い強度と復元力を示した。これに対して、比較例１は、３Ｄモデルの造形性が好ましくなく、造形物の強度や復元力も実施例１より低かった。特に、三角錐の上部においては、成形された線条樹脂成形体の上に次の線条樹脂成形体が堆積されるまでの時間が短く、十分に冷却される前に次の線条樹脂成形体が高温状態で堆積されるため、形状が崩れてしまっている。参考例は、３Ｄモデルの造形性が好ましいが、造形物の強度は低く、復元力は得られなかった。

実施例２〜実施例７
ガラスファイバーの配合量を１質量％、３質量％、５質量％、１５質量％、３０質量％、４０質量％とし、実施例１と同様にして線条樹脂成形体（実施例２〜実施例７）を作製した。ガラスファイバーの配合量を３質量％〜３０質量％とした実施例３〜実施例６の線条樹脂成形体は、実施例１と同様、造形性が良好であり、造形に際して形状が崩れることはなかった。ガラスファイバーの配合量が少ない（１質量％）実施例２の線条樹脂成形体は、若干の形状の崩れが認められたが、比較例１と比べると、形状の崩れの程度は少なかった。ガラスファイバーの配合量が多い（４０質量％）実施例７の線条樹脂成形体は、造形性には優れたものであったが、成形物において層間剥離が生じていた。

以上の評価結果から明らかなように、形状記憶ポリマーに無機充填材フィラーを配合した構成にすることで、３Ｄモデルでの造形性に優れ、且つ、造形物の強度や復元する力が強い造形物を造形することが可能な形状記憶性の線条樹脂成形体を製造することが可能であり、これを例えば３次元オブジェクトの原料素材として用いることで、より機能性の高いモデリングの実現が可能である。

１ 駆動機構
２ 造形用ヘッド
４ カートリッジ
５ 基台
１０ 樹脂線条体
３０ 製造ライン
３１ 押出機
３２ 金型
３３ サイジング装置
３７ 水槽
４２ 外径寸法測定装置
４３ 巻き取り装置

Claims (5)

1. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる線条樹脂成形体であって、
   形状記憶樹脂を含み、無機充填材を含有する原料樹脂組成物を溶融混錬し、押出機から押し出すことで形成されたことを特徴とする線条樹脂成形体。
2. 前記無機充填材がガラスファイバであることを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
3. 前記無機充填材がカーボンファイバであることを特徴とする請求項１記載の線条樹脂成形体。
4. 無機充填材の含有量が、３質量％〜３０質量％であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の線条樹脂成形体。
5. 熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いられる線条樹脂成形体の製造方法であって、
   形状記憶樹脂を含み、無機充填材を含有する原料樹脂組成物を溶融混錬し、押出機から押し出すことを特徴とする線条樹脂成形体の製造方法。