JP7004941B2

JP7004941B2 - 線条樹脂成形体

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Publication number: JP7004941B2
Application number: JP2017543469A
Authority: JP
Inventors: 亮平湯浅; 卓志埜村
Original assignee: Kyoraku Co Ltd
Current assignee: Kyoraku Co Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JPWO2017057424A1; EP3351594A4; EP3351594A1; US10988603B2; CN108137928B; US20180265685A1; WO2017057424A1; CN108137928A; EP3351594B1

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

前述のような樹脂ストランドを押出ヘッドに供給し、これを溶融しながら供給することで３次元オブジェクトを積層堆積させる方式では、フィラメントにカーボンファイバ等の無機充填材を一定量以上配合することで、３Ｄプリンタにおける機械特性（特に剛性）をより向上させることができ、且つ、３Ｄモデルの収縮も抑制することが可能となる。

ただし、フィラメントに一定量以上の無機充填材（カーボンファイバ等）を配合すると、新たな課題が生じ、その解消が必要となる。フィラメントとして用いる線条樹脂成形体においては、カーボンファイバの配合量が多いほど機械特性（特に剛性）が向上するが、その反面、カーボンファイバの添加は層間の剥離強度を低下させる要因となり、造形物としての剛性は低下するという問題が生ずる。そのため、３Ｄプリンタにおいて、造形物に一定値以上の機械適性（特に剛性）を付与することは困難であるという問題がある。

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、カーボンファイバ等の無機充填材を配合した場合にも、造形物の層間の融着を向上させることができ、３Ｄプリンタにおける機械適性（特に剛性）をより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、熱可塑性樹脂としてポリオレフィンを含み、無機充填材としてカーボンファイバ、ガラスファイバの少なくとも１種を含有するとともに、α－オレフィンエラストマを含有し、前記熱可塑性樹脂の配合量が４０質量％～８９質量％、前記無機充填材の添加量が１０質量％～４０質量％、前記α－オレフィンエラストマの配合量が１質量％～２０質量％であり、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ることを特徴とする。あるいは、熱可塑性樹脂としてポリオレフィンを含み、無機充填材を含有するとともに、α－オレフィンエラストマであるエチレン－α－オレフィン共重合体を含有し、前記熱可塑性樹脂の配合量が４０質量％～８９質量％、前記無機充填材の添加量が１０質量％～４０質量％、前記α－オレフィンエラストマの配合量が１質量％～２０質量％であり、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ることを特徴とする。

熱可塑性樹脂を主体とする線条樹脂成形体において、カーボンファイバ等の無機充填材を配合することで、高い剛性を３Ｄプリンタ等の造形物に付与することができる。ただし、カーボンファイバ等の無機充填材の配合は、造形物の層間の融着の阻害につながり、無機充填材の配合量が多くなると、層間の剥離強度が低下して、造形物としての剛性は低下する。

そこで、本発明では、さらにα－オレフィンエラストマを配合することで、無機充填材を配合することによる剥離強度の低下を抑え、造形物の剛性を確保している。α－オレフィンエラストマを配合することで融着性が向上し、３Ｄモデルの造形性（層間の剥離強度）が大きく改善される。層間の剥離強度が大きく向上することにより、造形物の強度が保持される。

本発明の線条樹脂成形体によれば、カーボンファイバ等の無機充填材を配合した場合にも、造形物の層間の融着を向上させることができ、３Ｄプリンタにおける機械適性（特に剛性）をより向上させることが可能である。様々な機能性を付与した線条樹脂成形体を提供することが可能であり、それにより、より機能性を付与したモデリングが可能となる。

線条樹脂成形体の一例を示す概略斜視図である。図１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。

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及び図２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。

次に、本実施形態の線条樹脂成形体の構成材料について説明する。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、熱可塑性樹脂としては任意の熱可塑性樹脂を用いることができる。例えば、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン樹脂や、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル樹脂等が使用可能である。これらの熱可塑性樹脂の中で、軽量であること等の理由から、ポリプロピレン樹脂が好適である。

線条樹脂成形対における熱可塑性樹脂の配合量は、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、前記熱可塑性樹脂を単独で用いると、機械的強度（剛性）が不足することがある。そこで、本実施形態の線条樹脂成形体では、強度を補うこと等を目的に、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。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、軽量で添加による強度向上の効果が高いことから、カーボンファイバが好適である。

無機充填材の添加量は、要求される機械的特性等に応じて設定すればよいが、好ましくは、１０質量％～４０質量％であり、より好ましくは２０質量％～３０質量％である。無機充填材の配合量が１０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（剛性の向上等）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４０質量％を越えて多くなりすぎると、相対的に熱可塑性樹脂の割合が少なくなりすぎて、造形が難しくなるおそれがある。

熱可塑性樹脂に無機充填材を配合すると、線条樹脂成形体を造形物にした時に、層間の融着が不十分になる傾向にあり、造形物としての機械適性（剛性）が低下してしまう。そこで、本実施形態の線条樹脂成形体においては、前記熱可塑性樹脂及び無機充填材に加えて、α－オレフィンエラストマを配合し、層間の剥離強度を向上し、造形物に機械適性を付与することとする。

α－オレフィンエラストマは、例えばエチレンとα－オレフィンの共重合体であり、α－オレフィンとしてはプロピレンやブチレン等を挙げることができる。この場合、エチレンの含有量は、５０モル％以上であることが好ましい。α－オレフィンエラストマの代表例としては、エチレン－ブテン共重合体やエチレン－プロピレン共重合体等を挙げることができる。α－オレフィンエラストマーの代表例の物性は下記の通りである。
（１）エチレン－ブテン共重合体
・三井化学社製、商品名タフマーＤＦ６０５
・エチレンに由来する構成単位の比率：５０モル％以上
・密度：８６１ｋｇ／ｃｍ^３
・ＭＦＲ（２３０℃）：０．９ｇ／１０ｍｉｎ
（２）エチレン－プロピレン共重合体
・住友化学社製、商品名エスプレンＳＰＯＶ０１４１
・エチレン／プロピレン＝６７／２７（重量比）
・密度：８６０ｋｇ／ｃｍ^３
・ＭＦＲ（１９０℃、２．１６ｋｇ荷重）：０．７ｇ／１０ｍｉｎ

α－オレフィンエラストマの配合量としては、１質量％～２０質量％とすることが好ましく、１質量％～１０質量％とすることがより好ましい。α－オレフィンエラストマの配合量が１質量％未満であると、十分に層間の剥離強度を向上することができない。α－オレフィンエラストマの配合量が２０質量％を越えると、線条樹脂成形体の物性が低下し、造形物の機械的強度（剛性）を維持することが難しくなるおそれがある。

α－オレフィンエラストマの配合は、特に熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを用い、無機充填材としてカーボンファイバを用いた時に極めて有効である。ポリプロピレンは軽量であるが無機充填材であるカーボンファイバを添加した時の層間の剥離強度の低下が著しいからである。

なお、本実施形態の線条樹脂成形体によって造形される造形物の層間の剥離強度が向上する理由は必ずしも明らかになっていないが、線条樹脂成形体がα－オレフィンエラストマを含有することによって、融点が低下すること、あるいは、樹脂が柔らかくなることによると推測される。線条樹脂成形体の融点が低下した場合、樹脂が積層される際に積層される側の樹脂が完全に固まっていないことによる、造形物の層間の剥離強度の向上が期待できる。

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、本発明を適用した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３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。

製造される線条樹脂成形体１０は、熱可塑性樹脂を主体とし、無機充填材及びα－オレフィンエラストマを含有することから、無機充填材の配合による機械的強度（剛性）の向上と、α－オレフィンエラストマの配合による層間の剥離強度の向上とを同時に実現することができ、３Ｄプリンタにおける機械適性（特に剛性）をより向上させることが可能である。

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
ポリプロピレン（ＰＰ）にカーボンファイバ（ＣＦ）を２７質量％、α－オレフィンエラストマＡ（三井化学社製、商品名タフマーＤＦ６０５）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。

実施例２
ポリプロピレンにカーボンファイバを２１質量％、α－オレフィンエラストマＡ（三井化学社製、商品名タフマーＤＦ６０５）を１０質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

実施例３
ポリプロピレンにカーボンファイバを２１質量％、α－オレフィンエラストマＡ（三井化学社製、商品名タフマーＤＦ６０５）を１質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

実施例４
ポリプロピレンにカーボンファイバを２１質量％、α－オレフィンエラストマＢ（三井化学社製、商品名タフマーＤＦ８１０）を１０質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

実施例５
ポリプロピレンにカーボンファイバを２１質量％、α－オレフィンエラストマＣ（三井化学社製、商品名タフマーＤＦ６４０）を１０質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

実施例６
ポリプロピレンにガラスファイバを２１質量％、α－オレフィンエラストマＡ（三井化学社製、商品名タフマーＤＦ６０５）を１０質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

比較例１
ポリプロピレンにカーボンファイバのみを３０質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

比較例２
ポリプロピレンにカーボンファイバのみを２１質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

比較例３
ポリプロピレンにガラスファイバのみを２１質量％配合して原料組成物とした他は、実施例１と同様に線条樹脂成形体を作製した。

（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）にて長さ５０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ４ｍｍの造形物を作製した。造形物を造形する際の条件として、温度２３０℃で造形した。そして、得られた造形物の剛性を曲げ試験にて評価した。曲げ試験には万能試験機（島津製作所製、商品名ＡＧＳ－１０ｋＮＪ）を使用し、３点曲げにて実施した。また、長さ５０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの造形物を作製し、造形物の層間の剥離強度を測定した。剥離強度は、一端を万力で挟んで固定し、他端をプッシュプルゲージ（イマダ社製、商品名ＤＳ２－５００Ｎ）にて挟んで固定した後、試験片と水平方向に引っ張り、層間が剥離した際の強度を測定した。結果を表１に示す。表２は、各実施例で用いたα－オレフィンエラストマＡ～Ｃの物性値である。

表１から明らかなように、本発明を適用した実施例１～５では、α－オレフィンエラストマを添加することで、３Ｄモデルの層間の融着が良好なものとなり、高い剛性を示している。これに対して、比較例１では、カーボンファイバの配合量が３０質量％と多いことから、層間の融着が不十分となり、３Ｄモデルでの曲げ弾性率や最大曲げ応力、造形品剥離強度は、実施例１に比べて低い値となっている。同様に、カーボンファイバの配合量を２１質量％とした比較例２についても、層間の融着が不十分であり、カーボンファイバの配合量が同等である実施例２～５と比べても最大曲げ応力や造形品剥離強度が低い値となっている。

ガラスファイバを用いた実施例６は、曲げ弾性率や最大曲げ応力がカーボンファイバを用いた実施例や比較例と比べてやや低い値となっているが、α－オレフィンエラストマを添加していない比較例３と比べると、これらの値が改善されていることがわかる。また、造形品剥離強度については、最も優れた値となっている。

以上の測定結果から明らかなように、熱溶融積層方式の３Ｄプリンタに用いる線条樹脂成形体を、熱可塑性樹脂であるポリプロピレンに無機充填材であるカーボンファイバを配合し、さらにα－オレフィンエラストマを備えた構成にすることで、剛性が高く、且つ３Ｄモデルでの層間の融着に優れた造形物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が可能である。

Claims

熱可塑性樹脂としてポリオレフィンを含み、無機充填材としてカーボンファイバ、ガラスファイバの少なくとも１種を含有するとともに、α－オレフィンエラストマを含有し、
前記熱可塑性樹脂の配合量が４０質量％～８９質量％、
前記無機充填材の添加量が１０質量％～４０質量％、
前記α－オレフィンエラストマの配合量が１質量％～２０質量％であり、
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ることを特徴とする線条樹脂成形体。
熱可塑性樹脂としてポリオレフィンを含み、無機充填材を含有するとともに、α－オレフィンエラストマであるエチレン－α－オレフィン共重合体を含有し、
前記熱可塑性樹脂の配合量が４０質量％～８９質量％、
前記無機充填材の添加量が１０質量％～４０質量％、
前記α－オレフィンエラストマの配合量が１質量％～２０質量％であり、
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ることを特徴とする線条樹脂成形体。
前記ポリオレフィンがポリプロピレンであることを特徴とする請求項１または２記載の線条樹脂成形体。
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から３のいずれか１項記載の線条樹脂成形体。