WO2022097590A1 - ストランド - Google Patents

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WO2022097590A1
WO2022097590A1 PCT/JP2021/040175 JP2021040175W WO2022097590A1 WO 2022097590 A1 WO2022097590 A1 WO 2022097590A1 JP 2021040175 W JP2021040175 W JP 2021040175W WO 2022097590 A1 WO2022097590 A1 WO 2022097590A1
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strand
fiber
resin
outer peripheral
groove
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PCT/JP2021/040175
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真 竹中
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株式会社神戸製鋼所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/44—Yarns or threads characterised by the purpose for which they are designed
    • D02G3/447—Yarns or threads for specific use in general industrial applications, e.g. as filters or reinforcement
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F8/00—Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/26—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre with characteristics dependent on the amount or direction of twist
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D07—ROPES; CABLES OTHER THAN ELECTRIC
    • D07B—ROPES OR CABLES IN GENERAL
    • D07B5/00—Making ropes or cables from special materials or of particular form
    • D07B5/005—Making ropes or cables from special materials or of particular form characterised by their outer shape or surface properties
    • D07B5/006—Making ropes or cables from special materials or of particular form characterised by their outer shape or surface properties by the properties of an outer surface polymeric coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to strands.
  • a 3D (three-dimensional) printer that employs a heat-melting laminating method in which resins that have been made into a thermoplastic state by heat are stacked one by one is known.
  • This 3D printer can form a three-dimensional object without the need for a mold, a jig, or the like.
  • a linear resin strand (filament) 203 wound around a spool 201 is continuously sent to a nozzle 207 through a tube 205, and the strand 203 is plasticized by the heat of a heater.
  • the strand 203 is plasticized by the heat of a heater.
  • an object of the present invention is to provide a resin strand having excellent bendability, which can be smoothly modeled by a 3D printer.
  • the present invention has the following configuration.
  • FIG. 1A is a perspective view of the strand according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the strand according to the present embodiment.
  • the strand 1 is a linear resin material used as a modeling raw material for a 3D printer.
  • the strand 1 has a base material 3 containing a thermoplastic resin as a main component, and a plurality of fiber bundles 5 impregnated in the base material 3 and extending continuously in the axial direction.
  • the fiber bundle 5 is a bundle of a plurality of fibers 7 and is arranged in the center of the strand 1 in a state of being twisted to each other. In this example, there are three fiber bundles 5, and these three fiber bundles 5 are twisted together.
  • the outer peripheral surface of the base material 3 and the outer peripheral surface of the strand 1 are formed in a substantially circular shape in a vertical cross section in the longitudinal direction (axial direction) of the strand 1 except for the groove portion 9 described later.
  • This strand 1 has a plurality of (three in this example) groove portions 9 on its outer peripheral surface. These groove portions 9 are formed in a spiral shape along the axial direction. It is preferable that the groove portions 9 are formed at equal intervals in the circumferential direction in the vertical cross section in the axial direction, and the direction of the spiral and the pitch P of the spiral are the same.
  • the pitch P of the spiral of the groove portion 9 is preferably 0.001 mm to 500 mm. Particularly preferably, it is 0.005 mm to 100 mm.
  • the width dimension Wa of the groove 9 is preferably 0.001 mm to 10 mm, and particularly preferably 0.005 mm to 5 mm.
  • the depth dimension H of the groove portion 9 is preferably 0.001 mm to 10 mm, and particularly preferably 0.005 mm to 1 mm.
  • the diameter d of the strand 1 is about 0.1 mm to 10 mm, and the ratio (P / d) of the diameter d to the pitch P is preferably 0.0001 to 5000, more preferably 0.001 to 500, and particularly 0. 0.01 to 50 is preferable.
  • the ratio (P / Wa) of the pitch P to the width dimension Wa of the groove 9 is preferably 0.0001 to 500,000, more preferably 0.01 to 50,000, and particularly preferably 0.1 to 5,000. Within the above range, the bendability of the strand 1 described later can be improved.
  • the 3D printer using the strand 1 adopts a so-called heat-melting lamination method in which a three-dimensional shaped object is formed by gradually stacking the strands 1 in which the thermoplastic resin component is melted by heat. ..
  • this heat-melting lamination method modeling is performed while adhering the previously formed layer and the next layer one by one in a semi-solid (softened) state.
  • This 3D printer is not particularly limited as long as it can form a modeled object by gradually stacking resins in a thermoplastic state by heat.
  • examples of the 3D printer include a support plate that can be freely moved in the vertical, horizontal, and front-rear directions, and a supply unit that supplies the thermoplastic resin component of the strand 1 to the support plate while plasticizing it.
  • organic fibers such as polyethylene fiber, aramid fiber and zylon fiber, and inorganic fiber such as boron fiber, glass fiber, carbon fiber, metal fiber and rock fiber can be used.
  • Surface-treated fibers can be used as the reinforcing fibers in order to improve the adhesion strength between the resin and the fibers.
  • the thermoplastic resin that is the main component of the base material 3 includes polyolefin resins such as polypropylene and polyethylene, acrylonitrile, butadiene, and styrene resins, polystyrene resins, polyethylene terephthalates, polyester resins such as polybutylene terephthalate and polylactic acid, and polyamide resins.
  • polyolefin resins such as polypropylene and polyethylene, acrylonitrile, butadiene, and styrene resins, polystyrene resins, polyethylene terephthalates, polyester resins such as polybutylene terephthalate and polylactic acid, and polyamide resins.
  • Resin aromatic polyamide resin, polyetherimide, polyallylimide, polyallylate, polyether ether ketone, polyallyl ether ketone, polybenzimidazole, polyether sulfone, polysulfone, polyvinylidene fluoride resin, liquid crystal polymer, polycarbonate resin , Polyacetal, or polyphenylene sulfide or the like can be used.
  • thermoplastic resin in which a plurality of resins are blended may be used.
  • examples include PEEK / PTFE and PEEK / PBI.
  • a resin obtained by adding carbon fiber, short fiber such as glass fiber, talc or the like to the resin can be used.
  • Antioxidants such as phenol-based, thioether-based and phosphite-based, ultraviolet absorbers such as benzotriazole-based and triazine-based, and metal inactivating agents such as hydrazide-based and amide-based are added to the thermoplastic resin to form a model.
  • the durability of the product can be improved.
  • thermoplastic resin By adding phthalic acid-based or polyesul-based plasticizers, it is possible to improve the flexibility of the thermoplastic resin, improve the modeling accuracy during modeling, and improve the flexibility of the modeled object.
  • Halogen-based, phosphoric acid ester-based, inorganic, and intomescent-based flame retardants can be added to the thermoplastic resin to improve the flame retardancy of the model.
  • a core material such as a phosphate ester metal salt system or sorbitol can be added to the thermoplastic resin to control the thermal expansion during modeling and improve the modeling accuracy.
  • Permanent antistatic agents such as non-ionic diameter, anionic and cationic antistatic agents can be added to the thermoplastic resin to improve the antistatic property of the modeled object.
  • thermoplastic resin By adding a lubricant such as a hydrocarbon or a metal soap to the thermoplastic resin to improve the slipperiness of the continuous fiber reinforced strand, it is possible to improve the delivery of the strand during molding.
  • a lubricant such as a hydrocarbon or a metal soap
  • the strands are sent from the spool toward the nozzle when modeling the modeled object. At this time, if there is a bent portion in the supply path of the strand, a bending force is applied to the strand at this bent portion, and the strand may be damaged or damaged.
  • the strand 1 since the spiral groove portion 9 is formed on the outer peripheral surface along the axial direction, the surface area on the outer peripheral surface is increased and the bendability is improved. Can be done.
  • the strand 1 is sent from the spool to the nozzle in the 3D printer, even if a bending force is applied at the bending portion because the supply path has a bending portion, the strand 1 is bent without being damaged or damaged. It can be sent along the supplied supply route. Therefore, modeling with a 3D printer can be performed smoothly. In addition, it can be easily wound around the spool without being damaged or damaged.
  • the bendability can be further improved. Further, since the plurality of groove portions 9 are formed at equal intervals in the circumferential direction in the vertical cross section of the strand 1 in the axial direction, and the spirals of these groove portions 9 are in the same direction and at the same pitch, the spiral portions 9 are formed in the same direction and at the same pitch. The bendability can be improved in a well-balanced manner. Further, it is possible to avoid breakage / damage of the strand in the bent portion without considering the position of the groove portion 9 in the strand 1 and the bending direction of the bent portion of the supply path.
  • the strength of the strand 1 can be significantly increased by the fiber bundle 5 in which the fibers 7 are bundled, but the inclusion of the fiber bundle 5 makes it difficult to bend.
  • good bendability can be ensured by the spiral groove portion 9 formed on the outer peripheral surface.
  • the strand 1 can be modeled while being satisfactorily bent. It is possible to suppress the deterioration of the quality due to the deterioration of the modeling accuracy of the modeled object and the generation of voids in the modeled object, and to model the high-quality modeled object.
  • the bendability of the fiber bundle 5 itself can be improved, and the deterioration of the bendability due to the inclusion of the fiber bundles can be suppressed.
  • FIG. 2 is an overall configuration diagram of a manufacturing apparatus 100 for manufacturing the strand 1 according to the present embodiment.
  • the manufacturing apparatus 100 includes a fiber material supply unit 11, a resin bath unit 13, a cooling unit 15, and a twisting unit 17.
  • the fiber bundle 5 unwound from the fiber material supply unit 11 is impregnated with the thermoplastic resin R serving as the base material 3 by the resin bath unit 13 to be drawn out as a strand 1.
  • the strand 1 drawn out from the resin bath portion 13 is cooled by the cooling portion 15 while being rotated around the axis center by the twisting portion 17, and is taken up by the twisting portion 17.
  • the fiber material supply unit 11 includes a plurality of (three in this example) spools 21 and a plurality of guide rollers 23.
  • a fiber bundle 5 is wound around each spool 21, and the fiber bundle 5 is sent out from these spools 21.
  • Each fiber bundle 5 sent out from the spool 21 is aligned with each other in a state of being spaced apart from each other by a guide roller 23 and guided to the resin bath portion 13.
  • the resin bath portion 13 is provided with a tubular resin bathtub 25 extending vertically, and the molten thermoplastic resin R is stored in the resin bathtub 25.
  • the resin bathtub 25 is provided with a kneading extruder (not shown) that melts the raw material of the charged thermoplastic resin R and extrudes it into the resin bathtub 25, and the thermoplastic resin R melted from the kneading extruder 25 is provided. Will be supplied.
  • the resin bathtub 25 has a fiber bundle introduction port 27 at the upper portion thereof, and the fiber bundle 5 is sent from the fiber bundle introduction port 27. Further, the resin bathtub 25 has a strand drawing portion 29 on the side portion at the lower end thereof, and the strand 1 in which the fiber bundle 5 is impregnated in the base material 3 is pulled out laterally from the strand drawing portion 29.
  • the resin bathtub 25 of the resin bath portion 13 is provided with an impregnation roller 41 and an introduction roller 45, which are rotatably supported around the horizontal axis, respectively, inside the resin bathtub 25.
  • a plurality of impregnation rollers 41 are provided along the vertical direction in the resin bathtub 25, and the introduction rollers 45 are provided at the lower ends in the resin bathtub 25.
  • the impregnation roller 41 is in contact with the three fiber bundles 5 sent from the fiber bundle introduction port 27 of the resin bathtub 25 alternately. As a result, each fiber bundle 5 runs in a meandering manner in the resin bathtub 25.
  • the impregnation roller 41 does not necessarily have to be rotatable. Further, the fiber bundle 5 is hung on the introduction roller 45 at the lower end in the resin bathtub 25, and its traveling track is changed from the vertical direction to the horizontal direction and guided to the strand drawing portion 29.
  • a die 55 is provided in the strand drawing portion 29 from which the strand 1 in which the fiber bundle 5 is impregnated in the base material 3 is drawn out.
  • the die 55 has a circular opening 57 that narrows in the drawing direction of the strand 1.
  • the inner diameter of the opening 57 on the drawing direction side is formed to have a size corresponding to the outer diameter of the strand 1 to be manufactured.
  • the die 55 has a plurality of (three in this example) groove forming protrusions 59 protruding inward on the inner peripheral surface of the opening 57. It is preferable that these groove-forming protrusions 59 are formed at equal intervals in the circumferential direction in the vertical cross section of the strand 1 in the drawing direction.
  • FIG. 3 shows an example in which the groove-forming protrusions 59 of the die 55 are formed at equal intervals in the circumferential direction in a cross section perpendicular to the drawing direction of the strand 1, but the groove-forming protrusions 59 are not necessarily at equal intervals. It does not have to be formed.
  • the groove-forming protrusions 59 are not formed at equal intervals, the pitches of the grooves 9 are not evenly spaced, but because the grooves 9 are formed, the flexibility of the strand 1 is compared with the case where the grooves 9 are not formed. Can be improved.
  • a die without a groove forming protrusion 59 may be used.
  • the cooling unit 15 has a cooling tank 31 that is long along the drawing direction of the strand 1 drawn from the strand drawing portion 29 of the resin bath portion 13. Cooling water W is stored in the cooling tank 31 as a cooling medium.
  • the strand 1 is drawn into the cooling tank 31 from the resin bath portion 13 side.
  • the strand 1 drawn into the cooling tank 31 is cured by cooling the thermoplastic resin R serving as the base material 3 with the cooling water W stored in the cooling tank 31.
  • the strand 1 in which the thermoplastic resin R is cooled and cured by the cooling water W is drawn out from the twisted portion 17 side of the cooling tank 31.
  • the twisted portion 17 has a lead-in roller 35, a take-up bobbin 37, and a case 39.
  • the pull-in rollers 35 are provided on the cooling unit 15 side of the case 39, and are arranged in pairs so as to face each other. These pull-in rollers 35 pull the strand 1 from the cooling unit 15 into the case 39.
  • the take-up bobbin 37 is rotated about an axis orthogonal to the extending direction of the strand 1. As a result, the take-up bobbin 37 winds up the strand 1 drawn into the case 39 by the pull-in roller 35.
  • the case 39 is rotated about an axis along the extending direction of the strand 1.
  • the strand 1 drawn from the resin bath portion 13 passes through the cooling portion 15, and is wound around the winding bobbin 37 of the twisting portion 17 is rotated around the shaft core to impart twisting.
  • Various mechanisms can be adopted as means for imparting twist to the strand 1.
  • the strand 1 is taken up by a pair of rollers rotating in different rotational directions and sent out to the downstream side to the strand 1. It may be a twisting means for imparting twist.
  • the manufacturing apparatus 100 Next, an example of a manufacturing method for manufacturing the strand 1 by the manufacturing apparatus 100 will be described.
  • the strand 1 is manufactured by performing an impregnation step, a twisting step, a cooling step, and a winding step.
  • the impregnation step is a step of impregnating the fiber bundle 5 with the thermoplastic resin R by the resin bath portion 13 of the manufacturing apparatus 100.
  • the fiber bundle 5 fed out from the fiber material supply section 11 and introduced from the fiber bundle introduction port 27 of the resin bath section 13 passes through the resin bath section 13 and is stored inside the resin bathtub 25.
  • the molten thermoplastic resin R is impregnated into the fiber bundle 5.
  • Each fiber bundle 5 is alternately hung on a plurality of impregnated rollers 41, and by traveling while contacting the outer peripheral surfaces of these impregnated rollers 41, the plurality of fibers 7 constituting each fiber bundle 5 are opened. Will be done. As a result, the fiber bundle 5 is sufficiently impregnated with the thermoplastic resin R between the fibers 7.
  • the twisting step is a step of twisting the fiber bundles 5 impregnated with the thermoplastic resin R.
  • the fiber bundle 5 is wound around the introduction roller 45 in a state of being spaced apart from each other, the traveling track is converted in the horizontal direction, and the fiber bundle 5 is guided to the strand drawing portion 29.
  • the strand 1 drawn out to the downstream side of the resin bath portion 13 is rotated around the shaft core by the twisted portion 17.
  • the fiber bundles 5 are twisted together from the introduction roller 45 toward the strand drawing portion 29 from a state of being spaced apart from each other.
  • the twisted fiber bundles 5 are gathered at the central portion of the opening 57 of the die 55, whereby the outer periphery of the twisted fiber bundles 5 is evenly covered with the thermoplastic resin R in the circumferential direction. Therefore, from the opening 57 of the die 55, the periphery of the twisted fiber bundle 5 is evenly covered with the base material 3 made of the thermoplastic resin R, and the strands are not exposed from the outer periphery of the fibers 7 constituting the fiber bundle 5. 1 is pulled out (see FIG. 3).
  • a groove 9 is formed on the outer peripheral surface of the strand 1 by the groove forming protrusion 59 of the opening 57 of the die 55.
  • the groove portions 9 on the outer peripheral surface are each formed in a spiral shape.
  • a die without the groove forming protrusion 59 may be used.
  • the groove 9 is formed on the base material 3 by twisting the strand 1.
  • the cooling step is a step of cooling the strand 1 by the cooling unit 15.
  • the strand 1 drawn from the strand drawing portion 29 of the resin bath portion 13 is drawn into the cooling tank 31 of the cooling portion 15 and then pulled out.
  • the strand 1 is cured by cooling the thermoplastic resin R serving as the base material 3 by the cooling water W stored in the cooling tank 31.
  • the winding step is a step of winding the strand 1 to the twisted portion 17.
  • the strand 1 cooled by the cooling portion 15 is drawn into the case 39 by the lead-in roller 35 of the twisting portion 17, and is wound up by the take-up bobbin 37 in the case 39.
  • the strand 1 having a spiral groove portion 9 formed on the outer peripheral surface and having excellent flexibility can be easily manufactured by the above steps.
  • the structure of the strand 1 is not limited to the above embodiment.
  • the strand 1 having three fiber bundles 5 is exemplified, but the number of fiber bundles 5 is not limited to three.
  • a spiral groove portion 9 may be formed on the outer peripheral surface of the strand 1 by cutting or the like.
  • 4 to 8 are perspective views of strands having other structures, respectively.
  • the strand 1A shown in FIG. 4 has a fiber bundle 5 in which a plurality of fibers 7 are bundled.
  • the fiber bundle 5 is provided in the center of the base material 3 and extends along the axial direction while rotating along the groove 9.
  • the outer peripheral surface of the base material 3, and thus the outer peripheral surface of the strand 1A, is formed in a substantially circular shape in a cross section perpendicular to the axial direction, except for the groove portion 9, similar to the strand 1. That is, the fiber bundle 5 is provided in a region within a concentric circle with respect to the outer peripheral surface of the strand 1A.
  • the width dimension of the groove portion 9 of the strand 1A shown in FIG. 4 in the circumferential direction is reduced to increase the number of the groove portions 9.
  • the fiber bundle 5 of the strand 1B shown in FIG. 5 is a three (plural) fiber bundle 5.
  • the plurality of fiber bundles 5 are respectively arranged at positions where the center of the strand 1B is the center of point symmetry. In this case as well, the flexibility of the strand 1C and the uniformity of the bending resistance are improved. In this case, the groove portion 9 can be reliably formed even when the groove portion is difficult to be formed by twisting as in the strand 1D of FIG. 7, which will be described later, because the base material 3 is relatively hard.
  • Strand 1D shown in FIG. 7 is a strand manufactured by using three (plural) fiber bundles 5.
  • a die without the groove forming protrusion 59 is used.
  • the groove portion 9 is formed by twisting the strand 1D itself, and by extension, the three (plural) fiber bundles 5 themselves. Therefore, in the strand 1D, the groove portion 9 formed on the outer peripheral surface is not concave but V-shaped.
  • These groove portions 9 are also formed in a spiral shape, and the inner side surface thereof is formed so as to be smoothly connected to the outer peripheral surface of the strand 1D. In this case, since the groove portion 9 is formed by twisting the fiber bundle 5 itself, it is not necessary to separately process the groove portion 9, and the manufacturing process can be simplified.
  • the groove is formed by twisting the strand itself and the fiber bundle itself using a die without the groove forming protrusion 59
  • the strand 1E of FIG. 8 and the strand 1F of FIG. 9 are shown.
  • the strand 1E shown in FIG. 8 contains a single fiber bundle 5.
  • the groove 9 is formed by twisting the strand 1E itself and, by extension, the single fiber bundle 5 itself contained therein.
  • the fiber bundle 5 is provided in the center of the base material 3 and extends along the axial direction while rotating along the groove portion 9.
  • the strand 1F shown in FIG. 9 contains a plurality of fiber bundles 5, and is the same as the strand 1E shown in FIG. 8 as being composed.
  • the degree of twist is larger (the pitch of the spiral wire is narrower) in the strand 1F than in the strand 1E. Therefore, the depth of the groove 9 is deeper in the strand 1F than in the strand 1E.
  • the cross section of the strand 1D shown in FIG. 7 has an irregular shape in which three circles are combined, whereas the cross section of the strand 1F is formed in a shape closer to a circle.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a partially enlarged shape of a cross section perpendicular to the axial direction of the strands 1E and 1F shown in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 10 schematically shows the groove portion 9, and the depth dimension H of the groove portion 9, the width dimension Wa of the groove portion 9, and the circumferential distance L between the groove portions 9 are examples.
  • the outer peripheral surface of the strand (outer peripheral surface 3a of the base material 3) shown in FIG. 10 has a substantially cross-sectional shape similar to that of the strand 1, except for the region between the circumferential end portions 9a and 9b of the same groove portion 9. It is formed in a circular shape.
  • the substantially circular shape referred to here means a circular shape or a shape close to a circular shape, and specifically, a portion of the outer peripheral edge of the vertical cross section of the strand 1 excluding the region of the groove portion 9.
  • each arc does not necessarily have to be an arc of the same circle, and each arc may be arranged including a specific radial position from the center of the strand 1.
  • the circle circumscribing each arc may be concentric with the center of the strand 1.
  • the shape of the outer peripheral surface other than the groove portion 9 of the above-mentioned strand is the same for the strands 1, 1A, 1B, and 1C shown in FIGS. 1A, 1B, and 4 to 6.
  • the strand 1G shown in FIG. 11 does not have a fiber bundle 5, and is composed only of a base material 3 made of a thermoplastic resin. Also in this case, the outer peripheral surface of the base material 3 and the outer peripheral surface of the strand 1G are formed in a substantially circular shape as described above in a cross section perpendicular to the axial direction, except for the groove portion 9.
  • the spiral groove portion 9 is formed on the outer peripheral surface along the axial direction, so that the surface area on the outer peripheral surface is increased. Flexibility can be improved.
  • the fiber volume content which is the ratio of the fibers to the entire strand, is preferably 5% or more and 85% or less in order to secure sufficient strength of the modeled object.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified or applied by those skilled in the art based on the mutual combination of the configurations of the embodiments, the description of the specification, and the well-known technique. It is also a matter of the present invention to do so, and it is included in the scope of seeking protection.
  • a linearly formed resin strand used as a raw material for modeling a 3D printer A strand in which a spiral groove is formed along the axial direction on the outer peripheral surface. According to this strand, since the spiral groove portion is formed on the outer peripheral surface along the axial direction, the surface area on the outer peripheral surface can be increased and the bendability can be improved. As a result, when the strand is sent from the spool to the nozzle in the 3D printer, it is bent without being damaged or damaged even if a bending force is applied at the bending point because the supply path has a bending point. It can be sent along the supply route. Therefore, modeling with a 3D printer can be performed smoothly. In addition, it can be easily wound around the spool without being damaged or damaged.
  • the strand according to (1) or (2) which comprises a plurality of fibers or fiber bundles along the axial direction.
  • the strength can be significantly increased by the fiber or the fiber bundle.
  • good bendability can be ensured by the spiral groove formed on the outer peripheral surface.
  • the outer peripheral edge of the cross section is formed by an arc of the same circle, and the outer peripheral surface is formed into a substantially circular shape as a whole. Therefore, for example, when modeling a modeled object with a 3D printer, the supply amount of the strand is increased. It can be made constant and the quality of the modeled object can be stabilized.

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Abstract

３Ｄプリンタによる造形を円滑に行うことが可能な曲げ性に優れた樹脂製のストランドを提供する。３Ｄプリンタの造形原料として用いられる線状に形成された樹脂製のストランドであって、外周面に螺旋状の溝部が軸方向に沿って形成されている。

Description

ストランド
　本発明は、ストランドに関する。
　立体的な形状を有する物体を成形する装置として、熱で可塑化状態とした樹脂を１層ずつ積み重ねていく熱融解積層方式を採用した３Ｄ（三次元）プリンタが知られている。この３Ｄプリンタは、金型、治具等を必要とすることなく三次元形状の物体を造形できる。加えて、射出成形技術では成形が困難な三次元形状の物体を造形することもできる。
　図１２に示すように、３Ｄプリンタとしては、スプール２０１に巻回された直線状の樹脂製ストランド（フィラメント）２０３を、チューブ２０５を通してノズル２０７へ連続的に送り込み、ストランド２０３をヒータの熱で可塑化状態としてノズル２０７から吐出させてベース２０９上に積層させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
日本国特開２０１９－１２３２４１号公報
　ところで、上記の３Ｄプリンタにおいて、スプール２０１からノズル２０７へ送り込まれるストランド２０３の供給経路に屈曲箇所Ｋを有する場合、この屈曲箇所Ｋでストランド２０３に曲げ力が付与され、ストランド２０３が破損・損傷するおそれがある。
　そこで本発明は、３Ｄプリンタによる造形を円滑に行うことが可能な曲げ性に優れた樹脂製のストランドを提供することを目的とする。
　本発明は下記構成からなる。
　３Ｄプリンタの造形原料として用いられる線状に形成された樹脂製のストランドであって、外周面に螺旋状の溝部が軸方向に沿って形成されている、ストランド。
　本発明によれば、３Ｄプリンタによる造形を円滑に行うことが可能な曲げ性に優れた樹脂製のストランドを提供できる。
本実施形態に係るストランドの斜視図である。 本実施形態に係るストランドの長手方向に垂直な断面図である。 本実施形態に係るストランドを製造する製造装置の全体構成図である。 製造装置を構成する樹脂浴部のストランド引出部に設けられたダイスの正面図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 ストランドの外周面の一部を拡大して示す概略断面図である。 他の構造のストランドの斜視図である。 樹脂製ストランドを用いた３Ｄプリンタの概略構成図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（ストランド）
　図１Ａは、本実施形態に係るストランドの斜視図であり、図１Ｂは、本実施形態に係るストランドの長手方向に垂直な断面図である。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態に係るストランド１は、３Ｄプリンタの造形原料として用いられる線状の樹脂材料である。このストランド１は、熱可塑性樹脂を主成分とする基材３と、この基材３中に含浸され、軸方向に連続して延在する複数本の繊維束５とを有している。繊維束５は、複数本の繊維７を束ねたもので、互いに撚り合わされた状態でストランド１の中心に配置されている。本例では、３本の繊維束５を有し、これらの３本の繊維束５が互いに撚り合わされている。また、基材３の外周、ひいてはストランド１の外周面は、ストランド１の長手方向（軸方向）の垂直断面において、後述の溝部９の部分を除き、略円形状に形成されている。
　このストランド１は、その外周面に、複数（本例では３つ）の溝部９を有している。これらの溝部９は、軸方向に沿って螺旋状に形成されている。各溝部９は、軸方向の垂直断面において、周方向に等間隔に形成され、螺旋の向き及び螺旋のピッチＰが同一とされていることが好ましい。溝部９の螺旋のピッチＰとしては、０．００１ｍｍ～５００ｍｍが好ましい。特に好ましくは０．００５ｍｍ～１００ｍｍである。また、溝部９の幅寸法Ｗａは、０．００１ｍｍ～１０ｍｍが好ましく、特に好ましくは０．００５ｍｍ～５ｍｍである。溝部９の深さ寸法Ｈは、０．００１ｍｍ～１０ｍｍが好ましく、特に０．００５ｍｍ～１ｍｍが好ましい。
　ストランド１の直径ｄは、０．１ｍｍ～１０ｍｍ程度であり、直径ｄとピッチＰとの比率（Ｐ／ｄ）は、０．０００１～５０００が好ましく、０．００１～５００がより好ましく、特に０．０１～５０が好ましい。また、ピッチＰと溝部９の幅寸法Ｗａとの比率（Ｐ／Ｗａ）は、０．０００１～５０００００が好ましく、０．０１～５００００がより好ましく、特に０．１～５０００が好ましい。上記範囲にすることで、後述するストランド１の曲げ性を向上できる。
　ストランド１を用いた３Ｄプリンタは、熱可塑性樹脂成分を熱で融解したストランド１を少しずつ積み重ねていくことで三次元形状の造形物を造形する、いわゆる、熱融解積層方式を採用するものである。この熱融解積層方式では、一層ずつ、先に形成した層と次の層とを半固形（軟化）状態で接着させながら造形を行う。この３Ｄプリンタは、熱で可塑化状態にある樹脂を少しずつ積み重ねていくことで造形物を形成できるものであれば、特に限定されない。例えば、３Ｄプリンタとしては、上下、左右及び前後方向に自在に移動可能な支持板と、ストランド１の熱可塑性樹脂成分を可塑化しながら上記支持板に供給する供給部とを備えるものが挙げられる。
　ストランド１を構成する繊維束５には、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、ザイロン繊維等の有機繊維、ボロン繊維、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、岩石繊維等の無機繊維を用いることができる。強化繊維には樹脂と繊維の密着強度を向上させる為に、表面処理をした繊維を使用できる。
　基材３の主成分である熱可塑性樹脂には、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートやポリ乳酸等のポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエーテルイミド、ポリアリルイミド、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリルエーテルケトン、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール、またはポリフェニレンサルファイド等を用いることができる。
　これらは、樹脂単独で用いてもよいし、熱可塑性樹脂部の耐熱性、熱変形温度、熱老化、引張特性、曲げ特性、クリープ特性、圧縮特性、疲労特性、衝撃特性、摺動特性を向上させる為に、複数の樹脂をブレンドした熱可塑性樹脂を用いても良い。一例としてPEEK/PTFE、PEEK/PBI等がある。また、樹脂に炭素繊維、ガラス繊維などの短繊維、タルク等を添加した樹脂を使用できる。
　フェノール系、チオエーテル系、ホスファイト系等の酸化防止剤、ベンゾトリアゾール系やトリアジン系等の紫外線吸収剤、ヒドラジド系やアミド系等の金属不活性化剤等を熱可塑性樹脂に添加し、造形物の耐久性を向上させることができる。
　フタル酸系、ポリエスル系等の可塑剤を添加し、熱可塑性樹脂の柔軟性を向上させ造形時の造形精度、また造形物の柔軟性を向上させることができる。
　ハロゲン系、リン酸エステル系、無機系、イントメッセント系の難燃剤を熱可塑性樹脂に添加し、造形物の難燃性を向上させることができる。
　リン酸エステル金属塩系、ソルビトール等の核材を熱可塑性樹脂に添加し、造形時の熱膨張を制御し造形精度の向上ができる。
　非イオン径、アニオン系、カチオン系等の永久帯電防止剤を熱可塑性樹脂に添加し、造形物の静電気防止性を向上させることができる。
　炭化水素系、金属石鹸系等の滑剤を熱可塑性樹脂に添加し、連続繊維強化ストランドの滑性を向上させることで、造形時のストランドの送り出しを向上させることができる。
　ところで、線状の樹脂製ストランドを用いて造形物を造形する３Ｄプリンタでは、造形物を造形する際に、ストランドは、スプールからノズルへ向かって送り込まれる。このとき、ストランドの供給経路に屈曲箇所があると、この屈曲箇所でストランドに曲げ力が付与され、ストランドが破損・損傷するおそれがある。
　また、近年では、造形物の機械的強度を向上させる為に、繊維によって強化した連続繊維強化ストランドを用いた熱溶解積層方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）の３Ｄプリンタによる繊維強化樹脂（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）の造形方法が提案されており、その用途が拡大している。しかし、既存の連続繊維強化ストランドを用いて造形物を造形する際、曲率が大きい（曲率半径が小さい）箇所では、連続繊維強化ストランドの屈曲性が低く、内部の繊維が剥がれる繊維剥がれが生じることがある。すると、
設計上のパスと実際の造形時におけるパスに差異が生じ、結果として造形物の造形精度の低下を招き、また、造形物に空隙が発生して品質の低下を招くおそれがある。これらの造形精度及び品質の低下は、直径の大きいストランドを用いた場合に顕著に生じる傾向がある。
　これに対して、本実施形態に係るストランド１によれば、外周面に螺旋状の溝部９が軸方向に沿って形成されているので、外周面における表面積を増加させ、曲げ性を向上させることができる。これにより、３Ｄプリンタにおいてスプールからノズルへストランド１が送り込まれる際に、その供給経路に屈曲箇所を有しているために屈曲箇所で曲げ力が付与されたとしても、破損・損傷することなく屈曲した供給経路に沿って送り込むことができる。したがって、３Ｄプリンタによる造形を円滑に行うことができる。また、スプールに対しても破損・損傷させることなく容易に巻き付けることができる。
　しかも、螺旋状の溝部９が複数形成されているので、曲げ性をさらに向上させることができる。また、複数の溝部９がストランド１の軸方向の垂直断面において周方向へ等間隔に形成されており、これらの溝部９の螺旋が同一方向かつ同一ピッチとされているので、あらゆる方向に対してバランスよく曲げ性を向上させることができる。そして、ストランド１における溝部９の位置と供給経路の屈曲箇所の屈曲方向を考慮することなく、屈曲部におけるストランドの破損・損傷を回避できる。
　また、ストランド１は、繊維７を束ねた繊維束５によって強度を大幅に高めることができるが、繊維束５を含むことにより曲がりにくくなる。しかし、外周面に形成された螺旋状の溝部９によって良好な曲げ性を確保できる。また、このような螺旋状の溝部９を設けることで、副次的効果として、熱溶解積層方式の３Ｄプリンタによって造形物を造形する際にも、ストランド１を良好に曲げながら造形することができ、造形物の造形精度の低下や造形物に空隙が発生することによる品質低下を抑制し、高品質な造形物を造形できる。
　しかも、繊維７を束ねた複数本の繊維束５が撚り合わされているので、繊維束５自体の曲げ性も高めることができ、繊維束を含むことによる曲げ性の低下を抑えることができる。
（製造装置）
　次に、本実施形態に係るストランド１を製造する製造装置の一例について説明する。
　図２は、本実施形態に係るストランド１を製造する製造装置１００の全体構成図である。
　図２に示すように、製造装置１００は、繊維材料供給部１１と、樹脂浴部１３と、冷却部１５と、撚り部１７とを備える。製造装置１００では、繊維材料供給部１１から繰り出される繊維束５が、樹脂浴部１３によって基材３となる熱可塑性樹脂Ｒに含浸されてストランド１とされて引き出される。そして、この樹脂浴部１３から引き出されたストランド１は、撚り部１７によって軸中心回りに回転されながら冷却部１５によって冷却され、撚り部１７に巻き取られる。
　繊維材料供給部１１は、複数（本例では３つ）のスプール２１と、複数のガイドローラ２３とを備えている。各スプール２１には、それぞれ繊維束５が巻回されており、これらのスプール２１から繊維束５が送り出される。スプール２１から送り出される各繊維束５は、ガイドローラ２３によって互いに間隔をあけた状態に整列されて樹脂浴部１３へ導かれる。
　樹脂浴部１３は、上下に延在する筒状の樹脂浴槽２５を備えており、この樹脂浴槽２５には、溶融状態の熱可塑性樹脂Ｒが貯留されている。この樹脂浴槽２５は、投入された熱可塑性樹脂Ｒの原料を溶融して樹脂浴槽２５内へ押し出す混練押出機（図示略）を備えており、この混練押出機から溶融された熱可塑性樹脂Ｒが供給される。樹脂浴槽２５は、その上部に繊維束導入口２７を有しており、この繊維束導入口２７から繊維束５が送り込まれる。また、樹脂浴槽２５は、その下端における側部に、ストランド引出部２９を有しており、このストランド引出部２９から繊維束５が基材３に含浸されたストランド１が側方へ引き出される。
　樹脂浴部１３の樹脂浴槽２５には、その内部に、それぞれ水平方向の軸心を中心に回転可能に支持された含浸ローラ４１及び導入ローラ４５が設けられている。含浸ローラ４１は、樹脂浴槽２５内における鉛直方向に沿って複数設けられ、導入ローラ４５は、樹脂浴槽２５内の下端に設けられている。
　含浸ローラ４１には、樹脂浴槽２５の繊維束導入口２７から送り込まれた３本の繊維束５が交互に掛けられて接触されている。これにより、樹脂浴槽２５内において、各繊維束５が蛇行するように走行される。なお、この含浸ローラ４１は、必ずしも回転可能でなくてもよい。また、繊維束５は、樹脂浴槽２５内の下端において、導入ローラ４５に掛けられ、その走行軌道が鉛直方向から水平方向に変更されてストランド引出部２９に導かれる。
　繊維束５が基材３に含浸されたストランド１が引き出されるストランド引出部２９には、ダイス５５が設けられている。ダイス５５には、ストランド１の引出方向へ向かって窄まる円形の開口部５７を有している。図３に示すように、開口部５７における引出方向側の内径は、製造するストランド１の外径に対応する大きさに形成されている。また、ダイス５５は、開口部５７の内周面に、内方へ向かって突出する複数（本例では３つ）の溝部形成突起５９を有している。これらの溝部形成突起５９は、ストランド１の引出方向の垂直断面において、周方向に等間隔に形成されていることが好ましい。
　図３においては、ダイス５５の溝部形成突起５９が、ストランド１の引き出し方向に垂直な断面において、周方向に等間隔で形成された例を示しているが、溝部形成突起５９は必ずしも等間隔に形成されている必要はない。溝部形成突起５９が等間隔に形成されてない場合、溝部９のピッチが等間隔ではなくなるが、溝部９が形成されていることで、溝部９を形成しない場合と比較してストランド１の屈曲性を向上できる。
　なお、後述のとおり、溝部形成突起５９のないダイスが用いられてもよい。
　冷却部１５は、樹脂浴部１３のストランド引出部２９から引き出されるストランド１の引出方向に沿って長い冷却槽３１を有している。この冷却槽３１には、その内部に冷却媒体として冷却水Ｗが貯留されている。冷却槽３１には、樹脂浴部１３側からストランド１が引き込まれる。冷却槽３１に引き込まれたストランド１は、冷却槽３１に貯留された冷却水Ｗによって基材３となる熱可塑性樹脂Ｒが冷却されて硬化される。冷却水Ｗによって熱可塑性樹脂Ｒが冷却されて硬化されたストランド１は、冷却槽３１の撚り部１７側から引き出される。
　撚り部１７は、引込ローラ３５と、巻取ボビン３７と、ケース３９とを有している。引込ローラ３５は、ケース３９における冷却部１５側に設けられ、互いに対向するように二対ずつ配置されている。これらの引込ローラ３５は、ストランド１を冷却部１５からケース３９内へ引き込む。巻取ボビン３７は、ストランド１の延在方向と直交する軸線を中心として回転される。これにより、巻取ボビン３７は、引込ローラ３５によってケース３９内に引き込まれるストランド１を巻き取る。ケース３９は、ストランド１の延在方向に沿う軸線を中心に回転される。これにより、樹脂浴部１３から引き出されて冷却部１５を通り、撚り部１７の巻取ボビン３７に巻き取られるストランド１が、軸芯回りに回転されて撚りが付与される。なお、ストランド１に撚りを付与する手段としては、様々な機構が採用可能であり、例えば、互いに異なる回転方向に回転する一対のローラによってストランド１を引き取って下流側へ送り出すことにより、ストランド１に撚りを付与する撚り手段であってもよい。
（製造方法）
　次に、製造装置１００によってストランド１を製造する製造方法の一例について説明する。
　製造装置１００では、含浸工程、撚り工程、冷却工程及び巻取工程を行うことによってストランド１を製造する。
（１）含浸工程
　含浸工程は、製造装置１００の樹脂浴部１３によって繊維束５に熱可塑性樹脂Ｒを含浸させる工程である。この含浸工程では、繊維材料供給部１１から繰り出されて樹脂浴部１３の繊維束導入口２７から導入された繊維束５が樹脂浴部１３を通過することにより、樹脂浴槽２５の内部に貯留された溶融状態の熱可塑性樹脂Ｒが繊維束５に含浸される。
　それぞれの繊維束５は複数の含浸ローラ４１に交互に掛けられ、これらの含浸ローラ４１の外周面に接触しながら走行することにより、それぞれの繊維束５を構成する複数本の繊維７が開繊される。これにより、繊維束５は、各繊維７間に熱可塑性樹脂Ｒが十分に含浸される。
（２）撚り工程
　撚り工程は、熱可塑性樹脂Ｒが含浸された繊維束５を撚り合わせる工程である。繊維束５は、互いに間隔をあけた状態で導入ローラ４５に巻回されて走行軌道が水平方向に変換され、ストランド引出部２９へ導かれる。このとき、樹脂浴部１３の下流側へ引き出されるストランド１が撚り部１７によって軸芯回りに回転される。これにより、繊維束５は、導入ローラ４５からストランド引出部２９へ向かって、互いに間隔をあけた状態から互いに撚り合わされる。
　撚り合わされる繊維束５は、ダイス５５の開口部５７の中心部分に集結され、これにより、撚り合わされた繊維束５の外周が熱可塑性樹脂Ｒによって周方向にわたって均等に覆われた状態となる。したがって、ダイス５５の開口部５７から、撚り合わされた繊維束５の周囲が熱可塑性樹脂Ｒからなる基材３によって均等に被覆され、繊維束５を構成する繊維７の外周からの露出のないストランド１が引き出される（図３参照）。
　また、このダイス５５の開口部５７からストランド１として引き出される際に、ストランド１の外周面には、ダイス５５の開口部５７の溝部形成突起５９によって溝部９が形成される。このとき、ストランド１は、撚り部１７によって軸芯回りに回転されていることにより、外周面の溝部９は、それぞれ螺旋状に形成される。なお、後述のとおり、溝部形成突起５９のないダイスが用いられてもよく、この場合、ストランド１を撚ること自体によって基材３に溝部９が形成される。
（３）冷却工程
　冷却工程は、ストランド１を冷却部１５によって冷却する工程である。この冷却工程では、樹脂浴部１３のストランド引出部２９から引き出されたストランド１が冷却部１５の冷却槽３１に引き込まれ、その後、引き出される。これにより、ストランド１は、冷却槽３１に貯留された冷却水Ｗによって基材３となる熱可塑性樹脂Ｒが冷却されて硬化される。
（４）巻取工程
　巻取工程は、ストランド１を撚り部１７に巻き取らせる工程である。この巻取工程では、冷却部１５で冷却されたストランド１が撚り部１７の引込ローラ３５によってケース３９内に引き込まれ、ケース３９内の巻取ボビン３７に巻き取られる。
　このように、製造装置１００では、上記の工程によって、外周面に螺旋状の溝部９が形成されて屈曲性に優れたストランド１を容易に製造できる。
　なお、ストランド１の構造は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、３本の繊維束５を有するストランド１を例示したが、繊維束５の本数は３本に限定されない。また、断面視円形状のストランド１の製造後に、このストランド１の外周面に螺旋状の溝部９を切削等によって形成してもよい。
　以下、他の構造のストランドについて説明する。
　図４～図８は、それぞれ他の構造のストランドの斜視図である。
　図４に示すストランド１Ａは、複数の繊維７を束ねた繊維束５を有している。この繊維束５は、基材３の中心に設けられ、溝部９に沿って回転しながら軸方向に沿って延在している。なお、基材３の外周、ひいてはストランド１Ａの外周面は、軸方向に垂直な断面において、ストランド１と同様に、溝部９の部分を除き、略円形状に形成されている。つまり、繊維束５は、ストランド１Ａの外周面に対する同心円内の領域に設けられる。
　図５に示すストランド１Ｂは、図４に示すストランド１Ａの溝部９の周方向の幅寸法を縮小して、溝部９の本数を増加させている。溝部９の周方向の配置ピッチを狭くすることで、ストランド１Ｂの屈曲性を向上するとともに、曲げ抵抗を曲げの方向によらずに均等にできる。
　図６に示すストランド１Ｃは、図５に示すストランド１Ｂの繊維束５を、３本（複数）の繊維束５としている。複数の繊維束５は、ストランド１Ｂの中心を点対称の中心となる位置にそれぞれ配置される。この場合も、ストランド１Ｃの屈曲性と曲げ抵抗の均等性が向上する。この場合、基材３が比較的硬質である等の理由により、後述する図７のストランド１Ｄのように撚りによって溝部が形成されにくい場合であっても、確実に溝部９を形成できる。
　図７に示すストランド１Ｄは、３本（複数）の繊維束５を用いて製造したストランドである。この場合のストランド１Ｄの製造には、溝部形成突起５９のないダイスが用いられている。そして、ストランド１Ｄでは、ストランド１Ｄ自体、ひいては３本（複数）の繊維束５自体を撚ることによって溝部９が形成されている。したがって、ストランド１Ｄでは、外周面に形成された溝部９が凹状でなく、Ｖ字状に凹んでいる。これらの溝部９も螺旋状に形成されており、その内側面が、ストランド１Ｄの外周面に対して滑らかに繋がるように形成されている。この場合、溝部９が繊維束５自体を撚ることで形成されるため、別途に溝部９の加工を施す必要がなくなり、製造工程を簡略化できる。
　溝部形成突起５９のないダイスを用い、ストランド自体、ひいては繊維束自体を撚ることによって溝部を形成した他の例として、図８のストランド１Ｅ、図９のストランド１Ｆを示す。
　図８に示すストランド１Ｅでは、単一の繊維束５を内包している。ストランド１Ｅは、ストランド１Ｅ自体、ひいてはそれに内包されている単一の繊維束５自体を撚ることによって溝部９が形成されている。この場合の繊維束５は、基材３の中心に設けられ、溝部９に沿って回転しながら軸方向に沿って延在している。
　また、図９に示すストランド１Ｆでは、複数の繊維束５を内包しており、構成されているものとしては、図８に示すストランド１Ｅと同一である。ただし、ストランド１Ｅよりもストランド１Ｆの方が、撚りの程度が多く（螺線のピッチが狭く）なっている。このため、溝部９の深さは、ストランド１Ｅよりもストランド１Ｆの方が深くなっている。これにより、図７に示すストランド１Ｄの断面は、３つの円が組み合わさった異形の形状であるのに対し、ストランド１Ｆの断面は、より円形に近い形状に形成されている。
　図１０は、図８，図９に示すストランド１Ｅ，１Ｆの軸方向に垂直な断面の形状を一部拡大して示す概略断面図である。なお、図１０は溝部９を模式的に示しており、溝部９の深さ寸法Ｈ、溝部９の幅寸法Ｗａ、溝部９同士の周方向間隔Ｌは一例である。
　図１０に示すストランドの外周面（基材３の外周面３ａ）は、同一の溝部９の周方向端部９ａ，９ｂの間の領域を除いて、ストランド１と同様に、その断面形状が略円形状に形成されている。ここでいう略円形状とは、円形状又は円形状に近い形状を意味しており、具体的には、ストランド１の軸方向の垂直断面における外周縁のうち、溝部９の領域を除いた部分が、それぞれ同一円の円弧により形成された形状をいう。また、各円弧は、必ずしも同一円の円弧でなくてもよく、それぞれの円弧が、ストランド１の中心から特定の半径位置を含んで配置されていればよい。或いは、各円弧に外接する円がストランド１の中心と同心であればよい。上記したストランドの溝部９以外の外周面の形状については、図１Ａ，図１Ｂ，図４～図６に示すストランド１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃについても同様である。
　図１１に示すストランド１Ｇは、繊維束５がなく、熱可塑性樹脂からなる基材３のみで構成されている。この場合も、基材３の外周、ひいてはストランド１Ｇの外周面は、軸方向に垂直な断面において、溝部９の部分を除き、上記したように略円形状に形成されている。
　以上説明した各ストランド１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇは、いずれも外周面に螺旋状の溝部９が軸方向に沿って形成されているので、外周面における表面積を増加させ、曲げ性を向上させることができる。なお、いずれのストランドについても、造形物の十分な強度の確保のため、ストランド全体に対して繊維が占める割合である繊維体積含有率は、５％以上で８５％以下が好ましい。
　このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
　以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）　３Ｄプリンタの造形原料として用いられる線状に形成された樹脂製のストランドであって、
　外周面に螺旋状の溝部が軸方向に沿って形成されている、ストランド。
　このストランドによれば、外周面に螺旋状の溝部が軸方向に沿って形成されているので、外周面における表面積を増加させ、曲げ性を向上させることができる。
　これにより、３Ｄプリンタにおいてスプールからノズルへストランドが送り込まれる際に、その供給経路に屈曲箇所を有しているために屈曲箇所で曲げ力が付与されたとしても、破損・損傷することなく屈曲した供給経路に沿って送り込むことができる。したがって、３Ｄプリンタによる造形を円滑に行うことができる。また、スプールに対しても破損・損傷させることなく容易に巻き付けることができる。
（２）　同一方向かつ同一ピッチの螺旋状に形成された複数の前記溝部が、軸方向の垂直断面において周方向へ等間隔に形成されている、（１）に記載のストランド。
　このストランドによれば、螺旋状の溝部が複数形成されているので、曲げ性をさらに向上させることができる。また、複数の溝部が断面視において周方向へ等間隔に形成されており、これらの溝部の螺旋が同一方向かつ同一ピッチとされているので、あらゆる方向に対してバランスよく曲げ性を向上させることができる。
（３）　前記軸方向に沿って複数の繊維または繊維束を含む、（１）または（２）に記載のストランド。
　このストランドによれば、繊維または繊維束によって強度を大幅に高めることができる。また、繊維または繊維束を含むことにより曲がりにくくなるが、外周面に形成された螺旋状の溝部によって良好な曲げ性を確保できる。これにより、熱溶解積層方式の３Ｄプリンタによって造形物を造形する際にも、ストランドを良好に曲げながら造形することができ、造形物の造形精度の低下や造形物に空隙が発生することによる品質低下を抑制し、高品質な造形物を造形できる。
（４）　前記繊維または繊維束が撚り合わされている、（３）に記載のストランド。
　このストランドによれば、繊維または繊維束が撚り合わされているので、繊維または繊維束自体の曲げ性も高めることができ、繊維または繊維束を含むことによる曲げ性の低下を抑えることができる。
（５）　前記ストランドの前記軸方向の垂直断面における外周縁のうち、前記溝部の領域を除いた部分は、それぞれ同一円の円弧で形成されている、（１）から（４）のいずれか１つに記載のストランド。
　このストランドによれば、断面の外周縁が同一円の円弧で形成され、全体として外周面が略円形状に形成されているため、例えば３Ｄプリンタで造形物を造形する際、ストランドの供給量を一定にでき、造形物の品質を安定させることができる。
　本出願は、２０２０年１１月６日出願の日本特許出願（特願２０２０－１８５９１４）、及び２０２１年９月１０日出願の日本特許出願（特願２０２１－１４８１５８）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
　１、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　ストランド
　５　繊維束
　７　繊維
　９　溝部

Claims (7)

  1. 　３Ｄプリンタの造形原料として用いられる線状に形成された樹脂製のストランドであって、
    　外周面に螺旋状の溝部が軸方向に沿って形成されている、
    　ストランド。
  2. 　同一方向かつ同一ピッチの螺旋状に形成された複数の前記溝部が、前記軸方向の垂直断面において周方向へ等間隔に形成されている、
    　請求項１に記載のストランド。
  3. 　前記軸方向に沿って複数の繊維または繊維束を含む、
    　請求項１に記載のストランド。
  4. 　前記軸方向に沿って複数の繊維または繊維束を含む、
    　請求項２に記載のストランド。
  5. 　前記繊維または繊維束が撚り合わされている、
    　請求項３に記載のストランド。
  6. 　前記繊維または繊維束が撚り合わされている、
    　請求項４に記載のストランド。
  7. 　前記ストランドの前記軸方向の垂直断面における外周縁のうち、前記溝部の領域を除いた部分は、それぞれ同一円の円弧で形成されている、
    　請求項１乃至６のいずれか１項に記載のストランド。
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