JPWO2017170024A1 - 三次元造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[2] 前記繊維状材料は、炭素繊維である、[1]に記載の三次元造形物の製造方法。
[3] 前記繊維シートは、前記繊維状材料に含浸された樹脂をさらに含む、[1]又は[2]に記載の三次元造形物の製造方法。
[4] 前記樹脂は、熱硬化性樹脂である、[3]に記載の三次元造形物の製造方法。
[5] 前記繊維状材料の含有量は、前記繊維シートの全質量に対して10〜30質量%である、[1]〜[4]のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
[6] 前記繊維シートの厚みは、0.05〜0.2mmである、[1]〜[5]のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
[7] 前記三次元造形用組成物は、光硬化性組成物であって、前記樹脂層を形成する工程は、前記繊維層に付与された前記光硬化性組成物を光硬化させる工程である、[1]〜[6]のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
[8] 前記繊維シートの切り出しは、レーザー加工により行う、[1]〜[7]のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
[9] 造形ステージと、前記造形ステージに三次元造形用組成物を吐出する吐出部と、前記吐出部の前記造形ステージに対する相対的な位置を変化させる第1移動機構と、前記吐出した三次元造形用組成物を硬化させる硬化部とを備えた三次元造形物の製造装置であって、前記造形ステージに、繊維シートを供給する供給機構と、前記造形ステージ上に供給された繊維シートを所定の形状に切り出す加工部と、前記加工部と前記造形ステージとの相対的な位置を変化させる第2移動機構とを有する、三次元造形物の製造装置。
本発明の三次元造形物の製造方法は、1)繊維シートを所定の形状に切り出して、繊維層を形成する工程と、2)繊維層の表面に三次元造形物用組成物を付与した後、当該三次元造形物用組成物を固化させて樹脂層を形成する工程と含む。
繊維シートを所定の形状に切り出して、繊維層を形成する。
得られた繊維層の表面に、三次元造形物用組成物を付与した後、固化させて樹脂層を形成する。
得られた繊維層の表面に、光硬化性組成物を付与した後、光照射して当該光硬化性組成物を硬化させて、樹脂層を形成する。
光硬化性組成物は、光重合性化合物と、光重合開始剤とを含む。光重合性化合物は、光カチオン重合性化合物(例えばエポキシ化合物、ビニルエーテル化合物又はオキセタン化合物)であってもよいし、光ラジカル重合性化合物(例えば(メタ)アクリル酸エステル化合物)であってもよく、好ましくは光ラジカル重合性化合物である。
得られた繊維層の表面に熱可塑性樹脂組成物を付与した後、当該熱可塑性樹脂組成物を冷却固化させて樹脂層を形成する。
熱可塑性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂を含む。熱可塑性樹脂の例には、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体(ABS樹脂)、ポリ乳酸(PLA樹脂)、ポリオレフィン樹脂(例えばポリエチレンやポリプロピレン)、ポリ乳酸以外のポリエステル、ポリアミド(例えばナイロン6やナイロン6,6)、ポリカーボネート、ポリアセタール、及びこれらの変性物やエラストマー類が含まれる。中でも、生分解性が良好である点等から、ポリ乳酸が好ましい。
本発明の三次元造形物の製造方法は、例えばインクジェット方式の三次元造形物の製造装置を用いて行うことができる。
そして、樹脂層が形成された後、造形ステージ110は、樹脂層又は繊維層の一層分の厚さに応じたピッチ(積層ピッチ)だけ鉛直方向下方に移動する(動作C)。これらの動作A〜Cを繰り返すことで、三次元造形物を得ることができる。
(1)光硬化性組成物の調製
下記成分を混合して、光硬化性組成物を得た。
(光重合性化合物)
アクリル酸2−(2−ビニロキシエトキシ)エチル:31質量部
フェノキシエチルアクリレート:11質量部
2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピルアクリレート:14質量部
ジプロピレングリコールジアクリレート:15質量部
4−ヒドロキシブチルアクリレート:20質量部
(光重合開始剤)
ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド:5質量部
2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド:4質量部
(増感剤)
1,4−ビス−(ベンズオキサゾイル−2−イル)ナフタレン:0.25質量部
得られた光硬化性組成物の25℃における粘度は、18mPa・sであった。
<実施例1>
上記調製した光硬化性組成物を用いて、マテリアルジェッティング法により、長さ170mm、幅20mm、厚み5mmの短冊状の三次元造形物を製造した。具体的には、造形ステージ上に、上記調製した光硬化性組成物をインクジェット方式で吐出させ、吐出された当該光硬化性組成物の所定の領域に紫外線を照射強度5W/cm2、照射量500mJ/cm2で照射して硬化させて、厚み0.9mmの樹脂層を得た。
次いで、得られた樹脂層上に、繊維シート1を配置し、3kWシングルモードファイバーレーザ装置(最大出力3kW、ビーム径40μm)を用いてレーザー加工を行い、所定の形状に切り出して厚み0.1mmの繊維層を得た(前記1)の工程)。さらに、得られた繊維層の表面全体に、光硬化性組成物をインクジェット方式で吐出させ、吐出された当該光硬化性組成物の所定の領域に紫外線を照射して硬化させて、厚み0.9mmの樹脂層を得た(前記2)の工程)。1)と2)の工程を繰り返して、三次元造形物を得た。
得られた三次元造形物は、樹脂層(0.9mm)/繊維層(0.1mm)/樹脂層(0.9mm)/繊維層(0.1mm)/樹脂層(0.9mm)/繊維層(0.1mm)/樹脂層(0.9mm)/繊維層(0.1mm)/樹脂層(0.9mm)の積層構造(繊維層:4つ、樹脂層:5つ)を有していた。
上記調整した熱可塑性樹脂組成物を用いて、熱融解積層法(FDA法)により、長さ170mm、幅20mm、厚み5mmの短冊状の三次元造形物を製造した。具体的には、German RepRap社製 PLAフィラメント(ポリ乳酸フィラメント)を、3Dプリンタ(zortrax M200)にセットした。そして、造形ステージ上に繊維シート2を配置し、所定の形状となるようにレーザー加工を行い、厚み0.1mmの繊維層を得た(前記1)の工程)。次いで、得られた繊維層上に、ノズル温度を220℃に設定した3Dプリンタのノズル内で上記フィラメントを溶融させて射出した後、冷却固化させて、厚み1mmの樹脂層を得た(前記2)の工程)。これらの工程を繰り返して、三次元造形物を得た。
繊維シートの種類を、表2に示される繊維シートに変更した以外は実施例1と同様にして三次元造形物を得た。
繊維シートの種類を、繊維シート4に変更して繊維層の数を2層とし、1層目と3層目の樹脂層の厚みを1.8mm、2層目の樹脂層の厚みを0.9mmとして樹脂層の数を3層に変更した以外は実施例1と同様にして三次元造形物を得た。得られた三次元造形物は、樹脂層(1.8mm)/繊維層(0.2mm)/樹脂層(0.9mm)/繊維層(0.2mm)/樹脂層(1.8mm)の積層構造を有していた。
繊維シートの種類を、繊維シート9に変更し、且つ3つの樹脂層の厚みをそれぞれ1.5mmに変更した以外は実施例4と同様にして三次元造形物を得た。得られた三次元造形物は、樹脂層(1.5mm)/繊維層(0.24mm)/樹脂層(1.5mm)/繊維層(0.24mm)/樹脂層(1.5mm)の積層構造を有していた。
繊維シートの種類を、繊維シート10に変更し、繊維層の数を5層とし、樹脂層の数を6層とし、樹脂層の厚みをそれぞれ0.77mmとした以外は実施例1と同様にして三次元造形物を得た。
繊維シートを用いなかった以外は実施例1と同様にして三次元造形物を得た。
炭素繊維(平均繊維長L:35000nm、平均繊維径T:35nm、アスペクト比L/T:1000)を水に分散させて、炭素繊維を10.2質量%含む分散液(懸濁液)を得た。
得られた三次元造形物における繊維層と樹脂層との界面を一部剥離させた後、測定装置:エーアンドディー社製テンシロン万能試験機RTC−1250Aにて、下記条件でT型剥離強度試験を行い、繊維層と樹脂層との間の接着性を測定した。
測定温度:23℃50%RH
引張り速度:5mm/min
得られた短冊状の三次元造形物の反り量を測定した。次いで、三次元造形物を、80℃95%RH下で144時間保存した後、同様にして反り量を測定した。反り量は、短冊状の三次元造形物をテーブルに置いたときのテーブルの表面からの四隅の高さの平均値とした。
そして、保存前後の反りの変化量を測定し、以下の基準で評価した。
A:反りの変化量が0.1mm未満
B:反りの変化量が0.1mm以上0.5mm未満
C:反りの変化量が0.5mm以上
各実施例と比較例と同様の条件でダンベル状の三次元造形物(長さ170mm、幅20mm、厚み5mm、狭幅部の幅10mm、狭幅部の長さ80mm)を作製し、その引張強度と引張弾性率を、引張試験機(島津製作所社製、商品名:オートグラフAG−X plus(R))を用いて、JIS K 7161:1994(ISO 527:1993)に準拠して測定した。引張強度の測定は引張速度50mm/分で行い、引張弾性率の測定は引張速度1mm/分で行った。引張り方向は、ダンベル状の三次元造形物の長さ方向とした。そして、以下の基準に従い評価した。
(引張強度)
A:引張強度が200MPa以上
B:引張強度が100MPa以上200MPa未満
C:引張強度が50MPa以上100MPa未満
D:引張強度が30MPa以上50MPa未満
E:引張強度が30MPa未満
(引張弾性率)
A:引張弾性率が15.0GPa以上
B:引張弾性率が10.0GPa以上15.0GPa未満
C:引張弾性率が5.0GPa以上10.0GPa未満
D:引張弾性率が2.0GPa以上5.0GPa未満
E:引張弾性率が2.0GPa未満
11 繊維シート
11−1、11−2 繊維層
13 光硬化性組成物
13−1、13−2 硬化物層(樹脂層)
15 三次元造形物
100 三次元造形物の製造装置
110 造形ステージ
130 繊維シート供給機構
150 ヘッドブロック
170 移動機構
171 主走査方向ガイド
173 副走査方向ガイド
175 鉛直方向ガイド
Claims (9)
- 少なくとも一方向に配向した繊維状材料を含む繊維シートを所定の形状に切り出して、繊維層を形成する工程と、
前記繊維層の表面に三次元造形用組成物を付与した後、前記三次元造形用組成物を固化させて樹脂層を形成する工程と含む、三次元造形物の製造方法。 - 前記繊維状材料は、炭素繊維である、請求項1に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記繊維シートは、前記繊維状材料に含浸された樹脂をさらに含む、請求項1又は2に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項3に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記繊維状材料の含有量は、前記繊維シートの全質量に対して10〜30質量%である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記繊維シートの厚みは、0.05〜0.2mmである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記三次元造形用組成物は、光硬化性組成物であって、
前記樹脂層を形成する工程は、前記繊維層に付与された前記光硬化性組成物を光硬化させる工程である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。 - 前記繊維シートの切り出しは、レーザー加工により行う、請求項1〜7のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
- 造形ステージと、
前記造形ステージに三次元造形用組成物を吐出する吐出部と、
前記吐出部の前記造形ステージに対する相対的な位置を変化させる第1移動機構と、
前記吐出した三次元造形用組成物を硬化させる硬化部とを備えた三次元造形物の製造装置であって、
前記造形ステージに、繊維シートを供給する供給機構と、
前記造形ステージ上に供給された繊維シートを所定の形状に切り出す加工部と、
前記加工部と前記造形ステージとの相対的な位置を変化させる第2移動機構と、を有する、三次元造形物の製造装置。
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