JP7299498B2 - フィラメント - Google Patents

Description

本発明は、熱溶融式三次元プリンタにおいて利用可能なフィラメントに関する。

特許文献１には、形状記憶ポリマーと無機充填剤を含むフィラメントが開示されている。

特開２０１８－１２２４６６号公報

特許文献１では、形状記憶ポリマーに無機充填剤を添加することによって造形物の復元力を高めているが、復元力をさらに高めることが望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、復元力が高い造形物を形成可能なフィラメントを提供するものである。

本発明によれば、連続強化繊維と形状記憶ポリマーを含む、フィラメントが提供される。

本発明者が鋭意検討を行ったところ、連続強化繊維と形状記憶ポリマーを含むフィラメントを用いて作成した造形物が高い復元力を有することを見出し、本発明の完成に到った。

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、前記記載のフィラメントであって、連続繊維の束である連続繊維束を備え、前記連続繊維束は、前記連続繊維として、前記連続強化繊維を含む、フィラメントである。
好ましくは、前記記載のフィラメントであって、前記連続繊維束を被覆する被覆層を備え、前記被覆層は、前記形状記憶ポリマーを含む、フィラメントである。
好ましくは、前記記載のフィラメントであって、前記連続繊維束は、前記連続繊維として、連続樹脂繊維を含む、フィラメントである。
好ましくは、前記記載のフィラメントであって、前記連続樹脂繊維は、前記形状記憶ポリマーを含む、フィラメントである。
好ましくは、前記記載のフィラメントであって、前記連続強化繊維は、炭素繊維である、フィラメントである。

図１Ａは、第１実施形態のフィラメント１の斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａから被覆層３を一部切り取った斜視断面図である。 造形物７の斜視図である。 フィラメント１を加熱して溶融フィラメント１ａにするヘッド４と、溶融フィラメント１ａを切断するためのカッター５の斜視図である。 第２実施形態のフィラメント１の端面図である。 図５Ａは、復元力を測定するためのサンプル７ａの原形状の斜視図であり、図５Ｂは、復元力を測定する際に、平坦形状に変形させたサンプル７ａの上面にフォースゲージ６を当接させて復元力を測定している状態を示す斜視図である。

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．第１実施形態
１－１．フィラメント１の構成及び製造方法
図１に示すように、本発明の第１実施形態のフィラメント１は、連続繊維束２と、これを被覆する被覆層３を備える。

連続繊維束２は、連続繊維２ａの束である。連続繊維２ａとは、フィラメント１の長手方向に沿って連続的に延在する繊維である。連続繊維２ａの繊維長は、３ｃｍ以上が好ましく、１０ｃｍ以上がさらに好ましく、１ｍ以上がさらに好ましい。本発明における繊維長は、特に述べない限り、数平均繊維長をいう。連続繊維２ａは、フィラメント１の全長に渡って設けられることが好ましい。連続繊維束２に含まれる連続繊維２ａの数は、１０以上が好ましく、１００以上がさらに好ましく、１０００以上がさらに好ましく、１万以上がさらに好ましい。連続繊維２ａの数は、例えば１００万以下である。各連続繊維２ａは、１本の連続繊維で構成されていてもよく、さらに細い複数の連続繊維を束ねた束であってもよい。

連続繊維束２は、連続繊維２ａとして、連続強化繊維２ａ１を含んでいる。連続強化繊維２ａ１は、造形時に溶融せずに、フィラメント１の剛性を強化する連続繊維である。

連続強化繊維２ａ１としては、ガラス繊維、炭素繊維、植物繊維（ケナフ（Ｋｅｎａｆ）、竹繊維等を含む）、アルミナ繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、金属繊維（スチール繊維等）等の無機繊維、および、アラミド繊維、ポリオキシメチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の等の有機繊維などが挙げられる。連続強化繊維２ａ１は、無機繊維のみ、又は有機繊維のみで構成されていてもよく、無機繊維と有機繊維の両方を含んでいてもよい。また、連続強化繊維２ａ１は、炭素繊維とガラス繊維の少なくとも一方を含むことが好ましく、炭素繊維を含むことがさらに好ましい。

被覆層３は、形状記憶ポリマーを含む形状記憶材料で形成される。形状記憶材料は、形状記憶特性を有する材料であり、所定の回復温度以上に加熱することによって弾性によって原形状に復帰する特性を有する。形状記憶材料は、形状記憶ポリマーのみを含むことが好ましいが、形状記憶特性が損なわれない限り、別の成分を含んでいてもよい。形状記憶ポリマー以外の成分としては、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンなどの樹脂や、フィラーなどが挙げられる。形状記憶材料中の形状記憶ポリマーの割合は、例えば５０～１００質量％であり、具体的には例えば、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、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。形状記憶材料の回復温度は、通常、形状記憶ポリマーのガラス転移温度と一致する。

形状記憶ポリマーは、Ｔｇを超える温度に加熱することによって弾性によって原形状に復帰する特性を有する。Ｔｇは、例えば３５～１００℃であり、好ましくは、４０～７５℃であり、具体的には例えば、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００℃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。

Ｔｇを超える温度で外力を加えて二次形状に賦形し、外力を維持したままＴｇ未満の温度に冷却すると、二次形状が固定される。Ｔｇ未満の温度では、外力を取り除いても原形状に復帰しない。一方、二次形状が付された形状記憶ポリマーをＴｇを超える温度に加熱し、外力を加えない状態にすると、弾性によって原形状に復帰する。原形状は、例えば形状記憶ポリマーを溶融させて所望の形状に成形することによって設定することができる。形状記憶ポリマーとしては、ゴム弾性を有するポリマーが挙げられ、例えば、ポリノルボルネン、トランスポリイソプレン、スチレン－ブタジエン共重合体、ポリウレタンなどが挙げられる。

フィラメント１の直径は、例えば０．５～３ｍｍであり、好ましくは、１～２．５ｍｍであり、具体的には例えば、０．５、１、１．５、１．７５、２、２．５、３ｍｍ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。フィラメント１の直径をＤ１とし、連続繊維束２の直径をＤ２とすると、Ｄ２／Ｄ１は、０．１～０．９が好ましく、０．２～０．５がさらに好ましい。Ｄ２／Ｄ１は、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９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。

フィラメント１中での連続繊維束２の割合は、例えば１～９０質量％であり、５～３０質量％が好ましい。この割合は、具体的には例えば、１、２、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０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。

フィラメント１は、例えば、形状記憶材料を押し出す押出機の出口において、連続繊維束２の周囲を形状記憶材料でコーティングして被覆層３を形成することによって製造することができる。

１－２．フィラメント１の使用方法
フィラメント１は、熱溶融方式三次元プリンタを用いて、図２に例示されるような、所望形状の造形物７を製造するために利用することができる。

一例では、図３に示すように、ヘッド４の上側に設けられた開口部４ａからフィラメント１をヘッド４内に挿入し、ヘッド４内でフィラメント１を加熱することによって、フィラメント１に含まれる樹脂成分を溶融させて溶融状態となった溶融フィラメント１ａをヘッド４の下側から押し出すことができる。造形物を形成する造形面（不図示）に対してヘッド４を相対移動させることによって造形物７を形成することができる。図２の造形物７は、ヘッド４が円を複数回描くようにヘッド４を移動させて溶融フィラメント１ａを螺旋形状にして、溶融フィラメント１ａに含まれる溶融樹脂同士を溶着させることによって得られる。造形温度は、例えば１３０～２７０℃であり、具体的には例えば、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０℃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。

ヘッド４の直下には、カッター５が設けられており、カッター５を用いて溶融フィラメント１ａ（特に、溶融フィラメント１ａに含まれる連続強化繊維２ａ１）を切断することができる。カッター５は、一例では、一対の刃部５ａで溶融フィラメント１ａを挟むことによって、溶融フィラメント１ａを切断するように構成されている。

造形物７は、Ｔｇ以上の温度にすると、形状記憶ポリマーの弾性率が大幅に低減されるので、自由に変形させて二次形状にすることができるようになる。その形状を維持したまま造形物７をＴｇ未満の温度にまで冷却すると、その形状が維持される。

次に、二次形状にした造形物７を加熱してＴｇ以上の温度にすると、造形物７が形状記憶ポリマーの弾性によって原形状に復元しようとする。このときの復元力が大きいほど、造形物７の復元性が高まるので好ましい。また、復元力が大きいほど、復元に必要な形状記憶ポリマーの量が少なくなるので、造形物７の薄肉化が可能になる。本実施形態の造形物７は、連続強化繊維２ａ１を含むフィラメント１を用いて形成しているので、復元力が高い（後述の実施例・比較例を参照。）

２．第２実施形態
図４を用いて、本発明の第２実施形態のフィラメント１について説明する。本実施形態は、第１実施形態に類似しており、連続繊維束２の構成の違いが主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。

本実施形態では、連続繊維束２は、連続繊維２ａとして、連続強化繊維２ａ１に加えて、連続樹脂繊維２ａ２を含む。連続樹脂繊維２ａ２は、造形時に溶融する樹脂で構成されている。連続繊維束２が連続樹脂繊維２ａ２を含むと、造形時に、連続樹脂繊維２ａ２が溶融して得られた溶融樹脂によって連続強化繊維２ａ１同士が連結されて造形物７の強度が向上する。

連続樹脂繊維２ａ２を構成する樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ナイロン６やナイロン６６などの脂肪族ポリアミド、ナイロン６Ｔ／６６のような半芳香族ポリアミド、上述した形状記憶ポリマーが挙げられる。連続樹脂繊維２ａ２が形状記憶ポリマーを含む場合、復元力が高められる。

なお、連続樹脂繊維２ａ２が形状記憶ポリマーを含む場合、被覆層３は形状記憶ポリマーを含まない樹脂で構成してもよい。この場合、被覆層３は、上述のポリオレフィン、脂肪族又は半芳香族ポリアミドなどで構成することができる。また、被覆層３がなくても造形物７が形成可能であれば、被覆層３は、省略可能である。

１．フィラメント１の製造
・実施例１
形状記憶ポリマー（株式会社ＳＭＰテクノロジーズ製、型式：ＭＭ５５２０）を押し出す押出機の出口において、連続強化繊維である炭素繊維（密度１．７９ｇ／ｃｍ^３、引張強度４．１２ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ）からなる連続繊維束２の周囲を形状記憶ポリマーでコーティングして被覆層３を形成することによって直径１．７５ｍｍのフィラメント１を製造した。フィラメント１中の連続繊維束２の割合は、９．５質量％とした。

・比較例１
形状記憶ポリマー（株式会社ＳＭＰテクノロジーズ製、型式：ＭＭ５５２０）を押出機から押し出すことによって、直径１．７５ｍｍのフィラメント１を製造した。

比較例２
形状記憶ポリマー（株式会社ＳＭＰテクノロジーズ製、型式：ＭＭ５５２０）に、繊維長６ｍｍの炭素繊維（密度１．７９ｇ／ｃｍ^３、引張強度４．１２ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ）を９．５質量％配合した材料を押出機から押し出すことによって、直径１．７５ｍｍのフィラメント１を製造した。

２．復元力測定用のサンプルの作成
実施例・比較例のフィラメント１を用いて、造形温度２１０℃で、図２に示す形状の造形物７（直径５０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、螺旋のピッチ１．５ｍｍ）を作成した。これを半分に切断して、図５Ａに示す形状の、復元力測定用のサンプル７ａを作成した。

３．復元力の測定
サンプル７ａを６７℃のお湯に浸して軟化させた状態で図５Ｂに示すように、サンプル７ａを平坦な形状に変形させた。次に、図５Ｂに示すように、サンプル７ａを６７℃のお湯に浸した状態で、サンプル７ａの上面にフォースゲージ６（株式会社イマダ製、型式：ＤＳ２－５０Ｎ）を当接させて、サンプル７ａの復元力を測定した。その結果は、以下の通りである。

実施例１：１．０Ｎ
比較例１：０．３Ｎ
比較例２：０．８Ｎ

この結果は、連続強化繊維と形状記憶ポリマーを含むフィラメント１を用いて作製した造形物７が高い復元力を有することを示している。

１ ：フィラメント
１ａ ：溶融フィラメント
２ ：連続繊維束
２ａ ：連続繊維
２ａ１ ：連続強化繊維
２ａ２ ：連続樹脂繊維
３ ：被覆層
４ ：ヘッド
４ａ ：開口部
５ ：カッター
５ａ ：刃部
６ ：フォースゲージ
７ ：造形物
７ａ ：サンプル

Claims (3)

1. 連続繊維束と、前記連続繊維束を被覆する被覆層を備えるフィラメントであって、
   前記連続繊維束は、連続強化繊維である炭素繊維を含み、
   前記被覆層は、形状記憶ポリマーを含み、
   前記フィラメントの直径は、１～２．５ｍｍであり、
   前記フィラメント中での前記連続繊維束の割合は、５～３０質量％である、フィラメント。
2. 請求項１に記載のフィラメントであって、
   前記連続繊維束は、連続樹脂繊維を含む、フィラメント。
3. 請求項２に記載のフィラメントであって、
   前記連続樹脂繊維は、形状記憶ポリマーを含む、フィラメント。

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