JP7205826B2 - 熱溶融式三次元プリンタ用粒状体、造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱溶融式三次元プリンタ用粒状体、及びこれを用いた造形物の製造方法に関する。

特許文献１には、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ことによって、造形物を形成する方法が開示されている。

このような方式では、一般に、ギアによる噛み込み等によりフィラメントを直接ノズルの先端に送る方式が採用されるが、フィラメントが柔軟性の高い熱可塑性エラストマーで構成されたものである場合には、ギアがフィラメントに噛み込まず、フィラメントがノズル先端に供給されない場合がある。

特許文献２では、熱可塑性エラストマーを含む芯材部の外周面の一部に線状補強部を設けたフィラメントを用いることによって、上記の問題を解決している。

特表２００９－５００１９４号公報 特開２０１７－１７７４９７号公報

しかし、特許文献２の方法では、線状補強部も一緒に造形されてしまうので、エラストマーのみで構成された造形物を得るためには、三次元プリンタによる造形後に水や有機溶剤によって線状補強部を溶解させる処理が必要になる。このような処理は、面倒であることに加えて、造形物の品質を低下させてしまう虞もある。

また、熱可塑性エラストマーでは造形物の柔軟性を特に高くするために、造形物を構成する線部と線部の間の間隔を広くする場合があるが、使用する材料によっては造形物の形状が崩れやすく、高精度な造形が非常に難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、柔軟な造形物を高精度に製造可能な熱溶融式三次元プリンタ用粒状体を提供するものである。

本発明によれば、熱可塑性エラストマーで構成された熱溶融式三次元プリンタ用粒状体であって、前記熱可塑性エラストマーは、ショアＡ硬度が０～１０であり、メルトフローレイトが測定温度１２０～２３０℃のうちの少なくとも１点において１０～２００ｇ／１０分である、粒状体が提供される。

本発明の第１の特徴は、フィラメントではなく、粒状体であることである。本発明の粒状体は、スクリュー式押出機を用いて溶融してノズルから押し出すことができるので、特許文献２のような線状補強部を用いる必要がなく、線状補強部を造形物から溶かし出すという工程も必要がない。

本発明の第２の特徴は、熱可塑性エラストマーが特定のショアＡ硬度とメルトフローレイトを有することである。本発明で規定する範囲のショアＡ硬度とメルトフローレイトを有する熱可塑性エラストマーを用いれば、造形温度を調整することによって、柔軟な造形物を高精度に製造することができる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、前記記載の粒状体であって、前記メルトフローレイトは、測定温度１２０～２３０℃のうちの少なくとも１点において６０～１４０ｇ／１０分である、粒状体である。
好ましくは、前記記載の粒状体を、スクリュー式押出機内で溶融し、ノズルから押し出して形成されたストランドを走査する走査工程を備える、造形物の製造方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、造形温度での前記ストランドのメルトフローレイトは、１０～２００ｇ／１０分であり、前記造形温度は、前記ノズルから押し出された直後の前記ストランドの温度である、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記造形温度での前記ストランドのメルトフローレイトは、６０～１４０ｇ／１０分である、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記走査工程を行って形成される単層構造体を積層することによって積層構造体を形成し、前記単層構造体は、それぞれ、互いに間隔を開けて設けられた複数の平行線部を備え、前記積層構造体において上下方向に隣接する２つの前記単層構造体は、前記複数の平行線部が互いに交差するように設けられている、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記平行線部の線幅に対する、前記平行線部のピッチで定義されるピッチ比は、１．５～６である、方法である。

図１Ａは、本発明の一実施形態の粒状体の形状の一例を示し、図１Ｂは、図１Ａ中のＡ－Ａ断面図である。 本発明で利用可能な熱溶融式三次元プリンタの押出機２に粒状体１を投入して、ストランド４を形成する状態を示す説明図である。 網目状の積層構造体５を示し、図３Ａは斜視図であり、図３Ｂは、平面図である。 単層構造体６を示し、図４Ａは斜視図であり、図４Ｂは、平面図である。 単層構造体７を示し、図５Ａは斜視図であり、図５Ｂは、平面図である。 単層構造体８を示し、図６Ａは斜視図であり、図６Ｂは、平面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。

１．熱溶融式三次元プリンタ用粒状体
図１に示す本発明の一実施形態の熱溶融式三次元プリンタ用粒状体１は、熱可塑性エラストマーで構成されている。この熱可塑性エラストマーは、ショアＡ硬度が０～１０であり、メルトフローレイトが測定温度１２０～２３０℃のうちの少なくとも１点において１０～２００ｇ／１０分である。以下、詳細に説明する。

本実施形態の粒状体１は、フィラメントのような糸状の形態ではなく、スクリュー式押出機に容易に投入可能な粒状の形態である。図１に示すように、粒状体を構成する粒の最長部の長さをＬとし、最長部に対して垂直な面での最大の外接円１ａの直径をＤとすると、Ｌ／Ｄは、例えば１～１０であり、１～５が好ましい。Ｌは、例えば０．５～１０ｍｍであり、１～６ｍｍが好ましく、２～４ｍｍがさらに好ましい。Ｌ／Ｄは、具体的には例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｌは、具体的には例えば、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

粒状体１を構成する熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、アクリル系エラストマー等が挙げられる。この熱可塑性エラストマーは、スチレン系エラストマーを含むことが好ましい。スチレン系エラストマーは柔軟性が高いので、熱可塑性エラストマーがスチレン系エラストマーを含むことによって、熱可塑性エラストマーの柔軟性が高くなる。熱可塑性エラストマー中のスチレン系エラストマーの割合は、５０～１００質量％が好ましく、８０～１００質量％がさらに好ましく、具体的には例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００質量％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

スチレン系エラストマーとは、スチレン単位を有する熱可塑性エラストマーであり、スチレン系共重合体（例えば、スチレン－エチレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＳ）、スチレン－ブタジエン－スチレンブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレン－イソプレン－スチレンブロック共重合体（ＳＩＳ）、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等）、水素添加スチレン系共重合体（例えば、スチレン－エチレン・プロピレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）、スチレン－エチレン・ブチレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン－ブチレン・ブタジエン－スチレンブロック共重合体（ＳＢＢＳ）、水素添加スチレン－ブタジエンゴム（ＨＳＢＲ）等）等から選ばれた一種又は二種以上をブレンドしたものを挙げることができる。

熱可塑性エラストマーのショアＡ硬度は、０～１０であり、具体的には例えば、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。ショアＡ硬度がこの範囲内である場合に、柔軟性に優れた造形物が得られる。ショアＡ硬度は、ＪＩＳ Ｋ６２５３に基づいて測定する。

熱可塑性エラストマーのメルトフローレイト（以下、「ＭＦＲ」）は、測定温度１２０～２３０℃のうちの少なくとも１点において１０～２００ｇ／１０分である。ＭＦＲは、ＪＩＳ Ｋ－７２１０に準じて、試験荷重２．１６ｋｇにて測定する。

後述するように、造形温度でのＭＦＲが１０～２００ｇ／１０分である場合には、造形物を構成する線部と線部の間の間隔が比較的広い場合でも、熱溶融式三次元プリンタによって造形物を高精度に製造することが可能である。また、熱溶融式三次元プリンタでの造形温度は、通常、１２０～２３０℃である。このため、熱可塑性エラストマーのＭＦＲが上記条件を満たす場合には、造形温度を適宜調節することによって、高精度な造形物の製造が可能である。

また、造形温度でのＭＦＲが６０～１４０ｇ／１０分である場合には、造形物が特に高い精度で製造可能であるので、熱可塑性エラストマーのＭＦＲは、測定温度１２０～２３０℃のうちの少なくとも１点において６０～１４０ｇ／１０分であることが好ましい。

上記測定温度は、具体的には例えば、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。上記ＭＦＲは、具体的には例えば、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００ｇ／１０分であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

ＭＦＲが上記範囲内となる温度範囲は、好ましくは１０℃以上であり、さらに好ましくは２０℃以上である。この場合、造形温度の設定が容易になる。この温度範囲は、例えば１０～５０℃であり、具体的には例えば、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

２．造形物の製造方法
図２に示すように、本発明の一実施形態の造形物の製造方法は、上記記載の粒状体１を、スクリュー式押出機２内で溶融し、ノズル２ｃから押し出して形成されたストランド４を走査する走査工程を備える。ストランド４は、溶融状態で押し出され、そのまま走査される。

押出機２は、ホッパー２ａと、シリンダ２ｂと、ノズル２ｃを備える。粒状体１は、ホッパー２ａからシリンダ２ｂ内に投入され、シリンダ２ｂ内で加熱されることによって溶融されて溶融材料になる。この溶融材料は、シリンダ２ｂ内に配置されたスクリューの回転によってシリンダ２ｂの先端に向けて搬送され、シリンダ２ｂの先端に設けられたノズル２ｃから押し出されてストランド４となる。このような方式では、熱可塑性エラストマーのような柔軟性が高い材料でもストランド４を容易に形成することができる。

ストランド４は、線状であり、その直径は、例えば０．５～６．０ｍｍであり、１．０～４．０ｍｍが好ましい。この直径は、具体的には例えば、０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

所望の造形物が形成されるようにストランド４を走査し、走査済みのストランド４を冷却固化させることによって造形物を製造することができる。冷却は、自然冷却であってもよく、強制冷却であってもよい。

ノズル２ｃから押し出された直後のストランド４の温度を造形温度と定義する。造形温度は、１２０～２３０℃であることが好ましい。この場合に、冷却時にストランド４が十分に固化されやすく、且つ造形材料の加熱による劣化が起こりにくいからである。造形温度でのストランド４のＭＦＲは、１０～２００ｇ／１０分であることが好ましく、６０～１４０ｇ／１０分であることがさらに好ましい。後述の実施例で示すように、造形温度でのＭＦＲがこの範囲内である場合に、造形精度が特に高くなるからである。

上記造形温度は、具体的には例えば、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。上記ＭＦＲは、具体的には例えば、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００ｇ／１０分であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

図３は、網目状の積層構造体５によって構成される造形物を示す。積層構造体５は、上記走査工程によって形成される単層構造体６，７，８を積層することによって形成される。

図４に示す単層構造体６は、外周線部６ａと、内側線部６ｂを備える。外周線部６ａと内側線部６ｂは、それぞれ、ストランド４が冷却されて形成されたものであり、その線幅はストランド４の直径とほぼ等しくなる。内側線部６ｂは、外周線部６ａによって囲まれた領域内に設けられる。外周線部６ａと内側線部６ｂは互いに溶着されている。外周線部６ａと内側線部６ｂは、それぞれが、ストランド４の押し出しを停止させることがない一筆書きによって形成することが好ましく、単層構造体６の全体を一筆書きによって形成することがさらに好ましい。この場合、走査工程でのストランド４の押し出し停止回数が低減されて造形精度及び生産性が向上する。

内側線部６ｂは、互いに間隔を開けて設けられた複数の平行線部６ｂ１と、隣接する平行線部６ｂ１を連結する連結線部６ｂ２を備える。図４Ｂに示すように、平行線部６ｂ１の線幅Ｗに対する、平行線部６ｂ１のピッチＰで定義されるピッチ比は１．５～６が好ましく、２．０～５．０がさらに好ましい。ピッチ比が小さすぎると造形物の柔軟性が不十分な場合があり、ピッチ比が大きすぎると造形が困難な場合がある。ピッチ比は、具体的には例えば、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

図５に示す単層構造体７は、外周線部７ａと、内側線部７ｂを有する。内側線部７ｂは、複数の平行線部７ｂ１と、連結線部７ｂ２を備える。単層構造体７は、平行線部７ｂ１が延びる方向が平行線部６ｂ１と異なっている以外は、単層構造体６と同様の構成を有する。平行線部７ｂ１は、複数の平行線部６ｂ１と交差するように形成され、上記ピッチ比が大きいほど、平行線部７ｂ１が２つの平行線部６ｂ１をまたぐ距離（橋渡し距離）が大きくなり、平行線部７ｂ１がたわんで造形精度が低下しやすい。本実施形態では、造形温度でのＭＦＲを上記範囲にすることによって平行線部のたわみによる造形精度の低下を抑制している。

図６に示す単層構造体８は、外周線部８ａと、内側線部８ｂを有する。内側線部８ｂは、複数の平行線部８ｂ１と、連結線部８ｂ２を備える。単層構造体８は、平行線部８ｂ１が延びる方向が平行線部６ｂ１と異なっている以外は、単層構造体６と同様の構成を有する。

積層構造体５は、単層構造体６，７，８がこの順で繰り返し積層されて構成されている。平行線部６ｂ１，７ｂ１，８ｂ１が互いに非平行であり、上下方向に隣接する２つの単層構造体は、平行線部が互いに交差する。また、本実施形態では、平行線部６ｂ１，７ｂ１，８ｂ１が６０度ずつずれており、そのピッチが同じであるので、積層構造体５には、図３Ｂに示す平面図で示すように、平行線部６ｂ１，７ｂ１，８ｂ１によって正三角形の空隙Ｓが形成される。上記ピッチ比が大きいほど空隙Ｓが大きくなって造形物の柔軟性が向上する。

表１に示す熱可塑性エラストマーからなる粒状体について、表１に示す温度でＭＦＲを測定した。また、この粒状体を材料として、スクリュー式押出機を有する三次元プリンタを用いて、表１に示す温度で図３に示す積層構造体５によって構成される造形物を作製した。表１の温度は、ノズル２ｃから出た直後のストランド４の温度であり、サーモグラフィ（日本アビオニクス社製、赤外線サーモグラフィカメラ Ｔｈｅｒｍｏ ＧＥＡＲ、型式：Ｇ１２０ＥＸ）を用いて測定した。ストランド４の直径は２ｍｍ、ノズル２ｃの移動速度は５０ｍｍ／ｓ、平行線部のピッチは６．５ｍｍとした。平行線部の線幅は２．０ｍｍであった。従って、ピッチ比は、３．２５であった。

得られた造形物を目視で観察し、以下の基準で造形性を評価した。
◎：造形の崩れが観察されなかった。
○：造形のわずかな崩れ（例えば、造形物の角部のめくれ）が観察された。
×：ストランドの千切れやストランドの造形ベッドへの未定着が発生したか、又は造形の著しい崩れが観察された。

表１に示すように、造形温度でのＭＦＲが１０～２００ｇ／１０分である場合には、造形性が良好であり、６０～１４０ｇ／１０分である場合には、造形性が特に良好であった。

表中の熱可塑性エラストマーの詳細は、以下の通りである。
ＣＪ１０３： 株式会社クラレ製、アーネストン
ＪＳ２０Ｎ： 株式会社クラレ製、アーネストン
ＡＲ－ＳＣ－０：アロン化成株式会社製
ＡＲ－ＳＣ－５：アロン化成株式会社製
ＡＲ－８１５Ｃ：アロン化成株式会社製

１ ：熱溶融式三次元プリンタ用粒状体
１ａ ：外接円
２ ：スクリュー式押出機
２ａ ：ホッパー
２ｂ ：シリンダ
２ｃ ：ノズル
４ ：ストランド
５ ：積層構造体
６ ：単層構造体
６ａ ：外周線部
６ｂ ：内側線部
６ｂ１ ：平行線部
６ｂ２ ：連結線部
７ ：単層構造体
７ａ ：外周線部
７ｂ ：内側線部
７ｂ１ ：平行線部
７ｂ２ ：連結線部
８ ：単層構造体
８ａ ：外周線部
８ｂ ：内側線部
８ｂ１ ：平行線部
８ｂ２ ：連結線部
Ｐ ：ピッチ
Ｓ ：空隙
Ｗ ：線幅

Claims (10)

1. 粒状体を、スクリュー式押出機内で溶融し、ノズルから押し出して形成されたストランドを走査する走査工程を備える造形物の製造方法であって、
   前記粒状体は、熱可塑性エラストマーで構成された熱溶融式三次元プリンタ用粒状体であり、
   前記熱可塑性エラストマーは、ショアＡ硬度が０～１０であり、
   １２０～２３０℃の造形温度での前記ストランドのメルトフローレイトは、６０～１４０ｇ／１０分であり、
   前記造形温度は、前記ノズルから押し出された直後の前記ストランドの温度である、造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記走査工程を行って形成される単層構造体を積層することによって積層構造体を形成し、
   前記単層構造体は、それぞれ、互いに間隔を開けて設けられた複数の平行線部を備え、
   前記積層構造体において上下方向に隣接する２つの前記単層構造体は、前記複数の平行線部が互いに交差するように設けられ、
   前記平行線部の線幅に対する、前記平行線部のピッチで定義されるピッチ比は、１．５～６である、方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
   前記造形温度は、２００℃以上、２２０℃未満であり、
   前記造形温度での前記ストランドのメルトフローレイトは、７０～９０ｇ／１０分である、方法。
4. 請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
   前記造形温度は、１４０℃以上、１５５℃未満であり、
   前記造形温度での前記ストランドのメルトフローレイトは、１１０～１４０ｇ／１０分である、方法。
5. 請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
   前記造形温度は、１８０℃以上、１９５℃未満であり、
   前記造形温度での前記ストランドのメルトフローレイトは、１２０～１４０ｇ／１０分である、方法。
6. 請求項２～請求項５の何れか１つに記載の方法であって、
   前記単層構造体は、外周線部と、内側線部を備え、
   前記内側線部は、前記外周線部によって囲まれた領域内に設けられ、
   前記外周線部と前記内側線部は互いに溶着されている、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記外周線部と前記内側線部のそれぞれを、前記ストランドの押し出しを停止させることがない一筆書きによって形成する、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記単層構造体の全体を、前記ストランドの押し出しを停止させることがない一筆書きによって形成する、方法。
9. 請求項１～請求項８の何れか１つに記載の方法であって、
   前記ストランドの直径は、０．５～６．０ｍｍである、方法。
10. 請求項１～請求項９の何れか１つに記載の方法であって、
    前記粒状体を構成する粒の最長部の長さをＬとし、最長部に対して垂直な面での最大の外接円の直径をＤとした場合に、Ｌ／Ｄは１～１０である、方法。

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