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技術 造形材料

出願人 株式会社プラスチック工学研究所ネオマテリア株式会社
発明者 中谷雄俊田代こゆ木村良晴辰巳昌典鬼防崇増谷一成
出願日 2017年9月25日 (2年1ヶ月経過) 出願番号 2017-183212
公開日 2019年4月18日 (7ヶ月経過) 公開番号 2019-059026
状態 未査定
技術分野 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード 熱溶解積層法 表面仕上げ性 焼結造形 材料押出 積層ピッチ 作図データ ポリブチレンサクシネ 二軸混練装置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年4月18日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

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課題

材料押出型の付加製造に用いる造形材料であって、環境性、安全性、低反り性などポリ乳酸特有の性能を維持しつつ、造形後に表面仕上げの施し易い造形材料を提供する。

解決手段

ポリ乳酸系樹脂ポリ酢酸ビニル樹脂とを混合状態で含有する。ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂との混合比率が、質量分率にて、ポリ乳酸系樹脂:ポリ酢酸ビニル樹脂=95:5〜75:25である。

概要

背景

3DCAD作図データや3Dスキャンデータを基に立体(3次元オブジェクト)を造形する3Dプリンターは、近年急速に普及している。3Dプリンターは付加製造装置一種であり、手法や用いる造形材料によって、光造形粉末焼結造形材料押出型造形等の種類がある。近年、特に個人向けにおいては、低価格の材料押出型3Dプリンターが普及してきている。

材料押出型3Dプリンターのための造形材料としては、一般にストランド状の形態のものが用いられており、これはフィラメントなどと呼称されている。材料押出型3Dプリンターでは、造形材料をプーリー押出ヘッド送り込み、押出ヘッドに付設されたヒーターで造形材料を融解する。押出ヘッドはコンピュータプログラム化した描画プロセスに従って造形テーブル上を動きながら、押し出された溶融物を造形テーブルに押し付けるように積層し、所望の形状の造形物を得る仕組みである。そのため、造形物の側面には積層ピッチごとに状の積層痕が残る場合が多い。

造形材料に使用される素材としては、ABSアクリロニトリルブタジエンスチレン)とポリ乳酸の二種が主流である。たとえばポリ乳酸については、特許文献1に開示がある。環境性、安全性、低反り性などの観点ではポリ乳酸が有利である。

概要

材料押出型の付加製造に用いる造形材料であって、環境性、安全性、低反り性などポリ乳酸特有の性能を維持しつつ、造形後に表面仕上げの施し易い造形材料を提供する。ポリ乳酸系樹脂ポリ酢酸ビニル樹脂とを混合状態で含有する。ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂との混合比率が、質量分率にて、ポリ乳酸系樹脂:ポリ酢酸ビニル樹脂=95:5〜75:25である。なし

目的

特に薬剤に浸漬または噴霧するなどにより表面加工する手法が簡便であり、この手法で好適に処理できることが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

材料押出型の付加製造に用いる造形材料であって、ポリ乳酸系樹脂ポリ酢酸ビニル樹脂とを混合状態で含有し、ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂との混合比率が、質量分率にて、ポリ乳酸系樹脂:ポリ酢酸ビニル樹脂=95:5〜75:25であることを特徴とする造形材料。

請求項2

ストランド状の形態であることを特徴とする請求項1に記載の造形材料。

請求項3

請求項1または2に記載の造形材料を用いて造形を行い、得られた造形品の表面を薬剤処理および、または研磨処理することにより、前記表面の平滑性を向上させることを特徴とする造形方法

技術分野

0001

本発明は造形材料に関し、特に材料押出型の付加製造法による3Dプリンター用の造形材料に関する。

背景技術

0002

3DCAD作図データや3Dスキャンデータを基に立体(3次元オブジェクト)を造形する3Dプリンターは、近年急速に普及している。3Dプリンターは付加製造装置一種であり、手法や用いる造形材料によって、光造形粉末焼結造形、材料押出型造形等の種類がある。近年、特に個人向けにおいては、低価格の材料押出型3Dプリンターが普及してきている。

0003

材料押出型3Dプリンターのための造形材料としては、一般にストランド状の形態のものが用いられており、これはフィラメントなどと呼称されている。材料押出型3Dプリンターでは、造形材料をプーリー押出ヘッド送り込み、押出ヘッドに付設されたヒーターで造形材料を融解する。押出ヘッドはコンピュータプログラム化した描画プロセスに従って造形テーブル上を動きながら、押し出された溶融物を造形テーブルに押し付けるように積層し、所望の形状の造形物を得る仕組みである。そのため、造形物の側面には積層ピッチごとに状の積層痕が残る場合が多い。

0004

造形材料に使用される素材としては、ABSアクリロニトリルブタジエンスチレン)とポリ乳酸の二種が主流である。たとえばポリ乳酸については、特許文献1に開示がある。環境性、安全性、低反り性などの観点ではポリ乳酸が有利である。

先行技術

0005

特開2016−094679号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、造形物表面の積層痕が好ましくない用途においては、造形物に対して研磨薬剤処理などの表面仕上げが行われるが、表面仕上げ性ではポリ乳酸はABSに劣る。そのため、表面仕上げ性を向上したポリ乳酸製の造形材料が望まれている。特に薬剤に浸漬または噴霧するなどにより表面加工する手法が簡便であり、この手法で好適に処理できることが望まれている。

0007

本発明は、材料押出型の付加製造に用いる造形材料であって、環境性、安全性、低反り性などポリ乳酸特有の性能を維持しつつ、造形後に表面仕上げの施し易い造形材料を提供することを技術的な課題とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、上記課題を解決するものであり、材料押出型の付加製造に用いる造形材料であって、ポリ乳酸系樹脂ポリ酢酸ビニル樹脂とを混合状態で含有し、ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂との混合比率が、質量分率にて、ポリ乳酸系樹脂:ポリ酢酸ビニル樹脂=95:5〜75:25であることを特徴とする。

0009

本発明の造形材料によれば、ストランド状の形態であることが好適である。

0010

本発明の造形方法は、上記の造形材料を用いて造形を行い、得られた造形品の表面を薬剤処理および、または研磨処理することにより、前記表面の平滑性を向上させることを特徴とする。

発明の効果

0011

本発明の造形材料によれば、ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂とを混合状態で含有し、ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂との混合比率が、質量分率にて、ポリ乳酸系樹脂:ポリ酢酸ビニル樹脂=95:5〜75:25であるため、環境性、安全性、低反り性などポリ乳酸特有の性能を維持しつつ、造形後に表面仕上げを施し易い。また本発明の造形方法によれば、上記の造形材料を用いて造形を行い、得られた造形品の表面を薬剤処理および、または研磨処理することにより、前記表面の平滑性を向上させるため、平滑性に優れた造形品を得ることができる。このため本発明によれば、微細な造形での表現力向上や、樹脂型として使用した際の積層痕の転写抑制が期待できる。

0012

本発明の造形材料は、ポリ乳酸系樹脂を主成分として構成される。ポリ乳酸系樹脂は、光学異性体であるL−乳酸とD−乳酸とを含有する重合体またはこれらの共重合体である。例えば、L−乳酸を主体としD−乳酸の含有量を4モル%以下としたものを用いるとよい。ポリ乳酸系樹脂におけるD−乳酸の含有量とは、ポリ乳酸樹脂を構成する総乳酸単位のうち、D−乳酸単位が占める割合(モル%)をいう。例えば、D−乳酸の含有量が1.0モル%のポリ乳酸系樹脂の場合、このポリ乳酸系樹脂は、D−乳酸単位が占める割合が1.0モル%であり、L−乳酸単位が占める割合が99.0モル%である。

0013

ポリ乳酸系樹脂には他の共重合単位が加わっていてもよく、たとえばグリコール酸カプロラクトンエチレングリコールなどを共重合することができる。共重合の構造は、ブロック共重合ランダム共重合グラフト共重合など、特に限定されない。

0014

本発明の造形材料は、主としてポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂とが混合したものである。

0015

ポリ酢酸ビニル樹脂は、重合度が500〜2,000程度のものが好ましい。重合度が低すぎると、液状となって、ポリ乳酸系樹脂とブレンドした後にブリードアウトする恐れがある。反対に重合度が高すぎると、ポリ乳酸系樹脂との均一な分散が難しくなる。

0016

ポリ酢酸ビニル樹脂には他の共重合単位が加わっていてもよく、たとえばエチレン、エチレングリコール、ビニルアルコール塩化ビニルアクリル酸メタクリル酸アクリル酸エステルメタクリル酸エステルなどを共重合単位として含んでいてもよい。共重合の構造は、ブロック共重合、ランダム共重合、グラフト共重合など、特に限定されない。

0017

ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニル樹脂との混合方法は、特に限定されないが、一般的な混練機を用いた溶融混練などの方法を採用できる。ポリ乳酸系樹脂とポリ酢酸ビニルの混合比率は、質量分率にて、ポリ乳酸系樹脂:ポリ酢酸ビニル樹脂=95:5〜75:25の範囲であることが必要である。ポリ酢酸ビニル樹脂の比率が低すぎると、造形物の表面仕上げ性を十分に改善することができない。またポリ酢酸ビニル樹脂の比率が高すぎると、混練後の分散状態が悪化し、フィラメント状の造形材料を製造する場合には、作製時の操業性悪化や寸法精度低下につながる。

0018

造形材料を構成する樹脂には、本発明の効果を損なわない範囲であれば、上記したポリ乳酸系樹脂およびポリ酢酸ビニル樹脂に加えて、副成分として、ポリグリコール酸ポリ力プロラクトンポリブチレンサクシネ一ト、ポリエチレンサクシネートポリブチレンアジペートテレフタレートポリブチレンサクシネートテレフタレート等から選ばれる一種または二種以上の樹脂を含有してもよい。また、種々の機能性を付与する各種添加剤機能剤フィラー等を添加してもよい。例えばポリブチレンアジペートテレフタレートを添加すると、得られる造形材料に良好な柔軟性を付与することができ、炭素繊維を添加すると造形材料の強度や剛性を向上することができ、ワックスを添加すると造形材料作製時や付加製造時の溶融樹脂流動性を調整することができる。

0019

本発明の造形材料は、ストランド状の形態をしていることが好ましい。その直径は、1〜5mmほどである。特に、直径1.75mmや2.85mmの造形材料は、市販の熱溶解積層法による3Dプリンターに適合するため好ましい。ストランド状の形態の製法は、特に限定されない。例えば、溶融押出機押出した後、液相または気相にて冷却し、所定速度で引き取ることで、作製することができる。造形材料としての機械的物性を改善するために、ストランド状の形態の樹脂に延伸を施してもよい。また乾燥やアニーリングなどの目的で熱処理してもよい。

0020

本発明の造形材料を用いて3Dプリンターにて得られた造形品は、薬剤を用いて表面を溶解したり、表面を機械的に研磨したりすることで、その表面の平滑化処理を行うことが可能である。特に、本発明の造形材料によれば、ポリ乳酸系樹脂にポリ酢酸ビニル樹脂を所定量だけ添加したものであるために、ポリ乳酸系樹脂だけて構成された造形材料に比べて、上記した薬剤を用いた表面の溶解や、表面の機械的な研磨によって、その表面の平滑化処理を容易に行うことができる。そのための薬剤としては、メタノールエタノールイソプロピルアルコールなどのアルコール類アセトンメチルエチルケトンなどのケトン類酢酸エチル酢酸ブチルなどのエステル類などを、単独または複数種を混合した状態で、好ましく用いることができる。

0021

実施例1
ポリ乳酸系樹脂(ネイチャーワークス社製「6201D」、L−乳酸の含有量98.6モル%、D−乳酸の含有量1.4モル%)95質量%と、ポリ酢酸ビニル樹脂(デンカ社製「SN−09T」、重合度1000〜1150)5質量%とを原料とした。これらの原料を使用し、二つのシリンダーおよびダイスを190℃に設定した二軸混練装置(東洋製機社製)を用いて溶融混練し、押出した樹脂を20℃の水で急冷させて引き取ることにより、直径約1.75mmのストランド状物を得た。このストランド状物を減圧乾燥して、実施例1の造形材料を得た。

0022

実施例2
実施例1と比べて、ポリ乳酸系樹脂の割合を90質量%に変更するとともに、ポリ酢酸ビニル樹脂の割合を10質量%に変更した。そして、それ以外は実施例1と同様にして、実施例2の造形材料を得た。

0023

実施例3
実施例1と比べて、ポリ乳酸系樹脂の割合を80質量%に変更するとともに、ポリ酢酸ビニル樹脂の割合を20質量%に変更した。そして、それ以外は実施例1と同様にして、実施例3の造形材料を得た。

0024

実施例4
実施例1と比べて、ポリ乳酸系樹脂の割合を76質量%に変更するとともに、ポリ酢酸ビニル樹脂の割合を20質量%に変更した(ポリ乳酸:ポリ酢酸ビニル=79:21(質量分率))。さらに、ポリブチレンアジペートテレフタレート樹脂(BASF社製「Ecoflex F Blend C1200」)4重量%を添加した。そして、それ以外は実施例1と同様にして、実施例4の造形材料を得た。

0025

比較例1
実施例1と比べて、ポリ乳酸系樹脂の割合を100質量%に変更するとともに、ポリ酢酸ビニル樹脂の割合を0質量%に変更した。すなわち、ポリ乳酸系樹脂のみを原料とした。そして、それ以外は実施例1と同様にして、比較例1の造形材料を得た。

0026

比較例2
実施例1と比べて、ポリ乳酸系樹脂の割合を98質量%に変更するとともに、ポリ酢酸ビニル樹脂の割合を2質量%に変更した。そして、それ以外は実施例1と同様にして、比較例2の造形材料を得た。

0027

比較例3
実施例1と比べて、ポリ乳酸系樹脂の割合を70質量%に変更するとともに、ポリ酢酸ビニル樹脂の割合を30質量%に変更した。そして、それ以外は実施例1と同様にして造形材料を得ようと試みたが、ストランド状物を安定して採取できなかった。

0028

フィラメント加工性
実施例1〜4および比較例1〜3の造形材料を採取する際の操業性を、下記の指標で◎、○、×の3段階に評価した。

0029

◎ :吐出がきわめて安定しており、工程通過性優秀であった。

0030

○ :吐出または工程通過性が良好であった。

0031

× :吐出および/または工程通過性に不良が見られた。

0032

表面仕上げ試験
3Dプリンター「Moment(Moment社製)」を用いて、積層ピッチを0.2mmに設定し、処理温度190℃で造形した試験片(63mm×20mm×2mm)を、密閉空間中で、アセトンが蒸散している雰囲気下にて、それぞれ24℃で12時間置き、試験片表面平滑化を下記の指標で◎、○、×の3段階に評価した。

0033

◎ : 表面の凹凸が目立たず、十分平滑に仕上がった。

0034

○ : 表面の凹凸が緩和し、平滑になった。

0035

× : 表面の凹凸が殆ど変っておらず、表面仕上げできていなかった。

0036

評価結果は、下表のとおりである。適度な量のポリ酢酸ビニル樹脂を添加することにより、フィラメント加工性を維持しながら、表面仕上げ性を併せ持った造形材料を得ることができた。ポリ酢酸ビニル樹脂の添加量が少ないと表面仕上げ性が十分には得られず、添加量が多いとフィラメント加工時の操業性が悪化してしまった。

0037

実施例

0038

特に、実施例4の造形材料およびこれを用いて造形した試験片は、ポリブチレンアジペートテレフタレート樹脂を適量添加したものであったため、実施例3のものに比べて柔軟化しており、手で曲げたところ実施例3のものと比較して弾力性があり割れ難いものであった。

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