JP7123682B2 - COMPOSITION FOR THREE-DIMENSIONAL PRINTER AND METHOD FOR MANUFACTURING LARGE LAMINATED PRODUCT USING SAME COMPOSITION - Google Patents
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Description
本発明は、3次元(3D)プリンタでの使用に適した組成物、特に大型の積層造形物(造形物の積層厚みが10mm以上であるもの)を製造することが可能な3Dプリンタ用組成物及び、当該組成物を用いて大型積層造形物を製造する方法に関する。 The present invention is a composition suitable for use in a three-dimensional (3D) printer, in particular a composition for a 3D printer capable of producing a large laminate model (a model having a laminate thickness of 10 mm or more). And, it relates to a method for producing a large laminate-molded article using the composition.
三次元のデジタルデータに基づいて、立体造形物を積層造形する3Dプリンタは、様々な分野において実用化が期待されている。3Dプリンタで立体造形物を製造する方式としては、主に、光造形方式、粉末焼結積層方式、熱溶融積層方式、インクジェット方式が知られている。 3D printers that laminate-model three-dimensional objects based on three-dimensional digital data are expected to be put to practical use in various fields. As a method for manufacturing a three-dimensional object with a 3D printer, mainly a stereolithography method, a powder sintering lamination method, a hot fusion lamination method, and an inkjet method are known.
熱溶融積層法(FDM:Fused Deposition Modeling)では、原料として、PLA(ポリ乳酸)やABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)等の熱可塑性樹脂からなるフィラメントを用いて、溶融した樹脂を一層ずつ積層し、冷却固化することにより、熱可塑性樹脂からなる立体造形物を得ることが一般的である。 In FDM (Fused Deposition Modeling), filaments made of thermoplastic resin such as PLA (polylactic acid) and ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) are used as raw materials, and molten resin is laminated layer by layer. It is common to obtain a three-dimensional object made of thermoplastic resin by cooling and solidifying.
熱可塑性樹脂からなる製品ではなく、金属あるいはセラミックス製品を3次元プリンタで製造したい場合は、高出力のレーザーで無機粉末を直接焼結する方式や、あるいは光硬化樹脂に無機粉末を分散する方式が一般的に採用されている。しかしながら、これらの方式では、装置が高価になるという問題や、積層速度が遅いという問題がある。 If you want to manufacture metal or ceramic products with a 3D printer instead of products made of thermoplastic resin, there is a method of directly sintering inorganic powder with a high-power laser, or a method of dispersing inorganic powder in a photocurable resin. commonly adopted. However, these methods have the problem that the equipment is expensive and the lamination speed is slow.
これに対して、熱可塑性樹脂に、セラミックス又は金属粉末等を添加して作製したコンパウンドを使用して、3次元プリンタで造形物を製造し、その後、脱脂、焼結することによって金属あるいはセラミックス製品を製造する方法が提案されている(特許文献1)。
また、このようなコンパウンド(ペレット)を使用して造形物を製造できる3次元プリンタとして、押出装置を有する3次元プリンタが提案されている(特許文献2)。
On the other hand, by using a compound made by adding ceramics or metal powder to a thermoplastic resin, a modeled object is manufactured with a three-dimensional printer, and then degreased and sintered to produce a metal or ceramic product. has been proposed (Patent Document 1).
As a three-dimensional printer capable of manufacturing a modeled object using such a compound (pellet), a three-dimensional printer having an extrusion device has been proposed (Patent Document 2).
前記特許文献1の方法によれば、無機粉末を含むコンパウンドを原料として、熱溶融積層方式(FDM方式)の3次元プリンタを用いて造形物を製造した後に、粉末射出成形(PIM:Powder Injection Molding)で一般的に行われている脱脂、焼結(焼成)を行うことによって金属あるいはセラミックス製品を得ることができるため、装置が高価であるという問題や積層速度が遅いという問題を解決することが可能である。 According to the method of Patent Document 1, a compound containing inorganic powder is used as a raw material, and after manufacturing a modeled object using a three-dimensional printer of a hot melt lamination method (FDM method), powder injection molding (PIM) ), metal or ceramic products can be obtained by degreasing and sintering (firing) that are generally performed in ), so the problem of expensive equipment and slow lamination speed can be solved. It is possible.
しかしながら、バインダー成分としてポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリスチレンを用いたコンパウンドでは、FDM方式の3次元プリンタを用いて厚みが10mm以上である大型の造形物を製造した場合には、脱脂工程時において自重による変形が発生する、フクレや変形が生じやすいという問題があった。
一方、金属射出成形(MIM:Metal Injection Molding)等で変形対策で使用されるポリアセタールは、非結晶部と結晶部が混在しており、結晶性が高いと造形層間の密着性不良や冷却収縮が発生しやすいという問題があった。
However, in the case of compounds using polyethylene, polypropylene, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), and polystyrene as binder components, when a large-sized shaped object with a thickness of 10 mm or more is manufactured using an FDM three-dimensional printer, However, there is a problem that deformation due to its own weight occurs during the degreasing process, and blistering and deformation are likely to occur.
On the other hand, polyacetal, which is used as a countermeasure against deformation in metal injection molding (MIM), etc., has a mixture of amorphous and crystalline parts. There was a problem that it was easy to occur.
また、3次元プリンタを用いて、立体造形物を製造し、その後、脱脂、焼結を行って金属あるいはセラミックス製品を得る方法において、従来のPIMと同様のコンパウンドを使用すると、糸曳きが発生しやすいという問題があった。より具体的に説明すると、FDM方式の3次元プリンタによって、ノズルから溶融樹脂を吐出しながら所望の3次元構造体を積層造形した後、次の積層位置にノズルを移動させる際、造形後の3次元構造体と、移動中のノズル先端部の間に糸曳きが発生し、3次元構造体にヒゲ状のバリが付着して外観が悪くなるという問題があった。また、この糸曳きを改善しようとすると、脱脂時に不具合が生じやすくなるという問題があった。 Also, in the method of manufacturing a three-dimensional model using a three-dimensional printer, then degreasing and sintering to obtain a metal or ceramic product, if a compound similar to conventional PIM is used, stringing occurs. The problem was that it was easy. More specifically, after laminating and modeling a desired three-dimensional structure while discharging molten resin from a nozzle with an FDM three-dimensional printer, when moving the nozzle to the next lamination position, three There is a problem that stringing occurs between the dimensional structure and the tip of the moving nozzle, and whisker-like burrs adhere to the 3-dimensional structure, resulting in a poor appearance. In addition, when trying to improve this stringing, there is a problem that problems tend to occur during degreasing.
それゆえ、本発明は、無機粉末を含む組成物を原料として、FDM方式の3次元プリンタを用い、積層厚みが10mm以上である大型積層造形物を製造する際に、糸曳きを低減して外観の良い造形物を得ることができ、且つ、前記造形物から有機バインダーを除去(脱脂)する際に変形が生じにくい組成を有した3次元プリンタ用組成物を提供することを課題とする。
また、本発明の課題は、上記の3次元プリンタ用組成物を用いて、セラミックス、サーメット、あるいは金属からなる大型積層造形物を製造することが可能な方法を提供することでもある。
Therefore, the present invention uses a composition containing an inorganic powder as a raw material and uses an FDM three-dimensional printer to produce a large laminate model with a laminate thickness of 10 mm or more. To provide a composition for a three-dimensional printer, which has a composition capable of obtaining a modeled article with good ductility and is less likely to be deformed when the organic binder is removed (degreased) from the modeled article.
Another object of the present invention is to provide a method capable of manufacturing a large laminate-molded article made of ceramics, cermet, or metal using the composition for a three-dimensional printer.
本発明者は、前記課題を解決するために検討を繰り返した結果、無機粉末に、特定の有機バインダーを特定の割合で混合することによって、3次元プリンタで使用した際も糸曳き性(曳糸性)が少なく、且つ、脱脂時に不具合(変形、クラックなど)が生じにくく、積層厚みが10mm以上である大型積層造形物を製造するのに適した特性を有する組成物を得ることに成功した。 As a result of repeated studies in order to solve the above problems, the inventors of the present invention found that by mixing a specific organic binder with an inorganic powder in a specific ratio, it is possible to achieve stringiness even when used in a three-dimensional printer. The inventors succeeded in obtaining a composition that has properties suitable for manufacturing a large-sized laminate-molded product with a low degreasing property (deformation, cracks, etc.) and a lamination thickness of 10 mm or more.
前記課題を解決可能な、本発明の3次元プリンタ用組成物(コンパウンド)は、
(A)無機粉末、(B)有機バインダー及び(C)有機化合物を含有する3次元プリンタ用組成物であって、
前記有機バインダー(B)が、(B1)非結晶部と結晶部が混在した熱可塑性樹脂、(B2)2種類のモノマー構成単位から成る2成分コポリマーである相溶化ポリマー、及び(B3)B1及びB2以外の熱可塑性ポリマーを含有すること、
前記有機化合物(C)が、分子量又は重量平均分子量が2000以下の有機化合物であること、及び
前記無機粉末(A)の、前記有機バインダー(B)と前記有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(A)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=100/5~100/30であり、前記熱可塑性樹脂(B1)の、前記有機バインダー(B)と前記有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.05~0.25であり、前記熱可塑性樹脂(B1)と前記相溶化ポリマー(B2)の質量比率が、(B2)/(B1)=0.5~15.0であり、前記有機化合物(C)の、前記有機バインダー(B)と前記有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.1~0.5であること
を特徴とする。
The three-dimensional printer composition (compound) of the present invention, which can solve the above problems,
(A) an inorganic powder, (B) an organic binder and (C) a three-dimensional printer composition containing an organic compound,
The organic binder (B) includes (B1) a thermoplastic resin in which an amorphous part and a crystalline part are mixed, (B2) a compatibilizing polymer that is a binary copolymer composed of two types of monomer constitutional units, and (B3) B1 and containing a thermoplastic polymer other than B2;
The organic compound (C) is an organic compound having a molecular weight or weight average molecular weight of 2000 or less, and the weight of the inorganic powder (A) with respect to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) The ratio is (A) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C)] = 100/5 to 100/30, and the organic binder (B) of the thermoplastic resin (B1) and the mass ratio to the total amount of the organic compound (C) is (B1) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C)] = 0.05 to 0.25, and the thermoplastic The mass ratio of the resin (B1) and the compatibilizing polymer (B2) is (B2)/(B1)=0.5 to 15.0, and the organic compound (C) and the organic binder (B) The mass ratio of the organic compound (C) to the total amount is (C)/[(B1)+(B2)+(B3)+(C)]=0.1 to 0.5. .
また、本発明は、上記の特徴を有した3次元プリンタ用組成物において、前記無機粉末(A)が、イットリア安定化ジルコニア粉末、アルミナ粉末、タングステン粉末、タングステンカーバイド粉末、ステンレス粉末、鉄-ニッケル粉末及び、鉄-ケイ素粉末からなるグループより選ばれたものであり、前記熱可塑性樹脂(B1)が、ポリオレフィン系重合体変性ポリアセタールであり、前記相溶化ポリマー(B2)が、エチレン-酢酸ビニル共重合体樹脂、無水マレイン酸変性ポリポロピレン樹脂、エチレン-メタクリル酸グリシジル共重合体/ポリスチレン樹脂、及びポリプロピレン/アクリロニトリルスチレン樹脂からなるグループより選ばれたものであることを特徴とするものである。 Further, the present invention provides a three-dimensional printer composition having the above characteristics, wherein the inorganic powder (A) is yttria-stabilized zirconia powder, alumina powder, tungsten powder, tungsten carbide powder, stainless steel powder, iron-nickel It is selected from the group consisting of powder and iron-silicon powder, the thermoplastic resin (B1) is a polyolefin polymer-modified polyacetal, and the compatibilizing polymer (B2) is an ethylene-vinyl acetate copolymer. It is characterized by being selected from the group consisting of polymer resins, maleic anhydride-modified polypropylene resins, ethylene-glycidyl methacrylate copolymer/polystyrene resins, and polypropylene/acrylonitrile styrene resins.
また、本発明は、上記の特徴を有した3次元プリンタ用組成物において、前記熱可塑性ポリマー(B3)が、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトリルスチレン樹脂及びアモルファスポリオレフィンからなるグループより選ばれたものであり、前記有機化合物(C)が、ワックス類、滑剤、可塑剤及び酸化防止剤からなるグループより選ばれたものであることを特徴とするものでもある。 Further, the present invention provides a three-dimensional printer composition having the above characteristics, wherein the thermoplastic polymer (B3) is a polystyrene resin, an acrylic resin, an acrylonitrile-butadiene-styrene resin, a polypropylene resin, a polyethylene resin, a polyamide resin. , polybutylene terephthalate resin, polyethylene terephthalate resin, polycarbonate resin, acrylonitrile styrene resin and amorphous polyolefin, and the organic compound (C) is selected from waxes, lubricants, plasticizers and antioxidants. It is also characterized by being selected from a group of
更に本発明は、セラミックス、サーメット又は金属からなる大型積層造形物を製造する方法であって、当該方法は、以下の工程A~C:
工程A:前記3次元プリンタ用組成物を用い、熱溶融積層方式の3次元プリンタによって、積層厚みが10mm以上である大型積層構造体を造形する工程、
工程B:前記の大型積層構造体を脱脂する工程、及び
工程C:前記工程Bで得られた脱脂後の大型積層構造体を焼結する工程
を含むことを特徴とする。
Further, the present invention is a method for manufacturing a large-sized laminate-molded article made of ceramics, cermet or metal, the method comprising the following steps A to C:
Step A: A step of forming a large laminated structure having a lamination thickness of 10 mm or more by using the composition for a three-dimensional printer and a three-dimensional printer of a hot-melt lamination method;
Step B: a step of degreasing the large-sized laminated structure; and Step C: a step of sintering the degreased large-sized laminated structure obtained in the step B.
本発明の3次元プリンタ用組成物は糸曳き性が低く、FDM方式の3次元プリンタによって大型の積層構造体を造形する工程において、ヒゲ状のバリが発生しにくく、外観に優れた積層構造体を得ることができる。
また、本発明の組成物を用いた場合、加熱脱脂工程において変形、クラック、フクレ等が生じにくいため、PIMと同様の脱脂・焼結工程を使用して、大型のセラミックス製品等を造形することができる。このため、3次元CADデータなどに基づいて、難加工材であるセラミックス等からなる複雑な形状を有する製品を製造することも可能である。
The composition for three-dimensional printers of the present invention has low stringiness, and in the process of forming a large-sized laminated structure with an FDM three-dimensional printer, whisker-like burrs are less likely to occur, resulting in a laminated structure with excellent appearance. can be obtained.
In addition, when the composition of the present invention is used, deformation, cracks, blisters, etc. are less likely to occur in the heat degreasing process, so it is possible to use the same degreasing and sintering process as PIM to shape large ceramic products. can be done. Therefore, it is possible to manufacture a product having a complicated shape made of ceramics or the like, which is a difficult-to-work material, based on three-dimensional CAD data or the like.
本発明の3次元プリンタ用組成物で使用できる無機粉末(A)の例としては、金属粉末、セラミックス粉末、サーメット粉末等の焼結可能な粉末が挙げられる。
具体的には、金属粉末としては、例えば純鉄、鉄-ニッケル、鉄-コバルト、鉄-シリコン、ステンレススチールなどの鉄系合金、タングステン、炭化タングステン(WC)、超硬合金(WC-Co系合金など)、アルミニウム合金、銅、銅合金などの粉末が挙げられる。また、セラミックス粉末としては、Al2O3、BeO、ZrO2などの酸化物、TiC、ZrC、B4Cなどの炭化物、CrB、ZrB2などのホウ化物、TiN、ZrNなどの窒化物などが挙げられる。また、サーメット粉末としては、Al2O3-Fe系、TiC-Ni系、TiC-Co系、B4C-Fe系などが挙げられる。
本発明で使用する無機粉末(A)の特に好ましい例として、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)などの金属酸化物が挙げられる。前記ジルコニアは、イットリア部分安定化ジルコニアであってもよい。特に、平均粒子径(D50)が0.1~1.0μm、より好ましくは0.1~0.8μmである金属酸化物の粉末が好ましい。
Examples of the inorganic powder (A) that can be used in the three-dimensional printer composition of the present invention include sinterable powders such as metal powders, ceramics powders and cermet powders.
Specifically, as the metal powder, for example, pure iron, iron-nickel, iron-cobalt, iron-silicon, iron-based alloys such as stainless steel, tungsten, tungsten carbide (WC), cemented carbide (WC-Co-based alloys, etc.), powders of aluminum alloys, copper, copper alloys, and the like. Ceramic powders include oxides such as Al2O3 , BeO and ZrO2, carbides such as TiC, ZrC and B4C , borides such as CrB and ZrB2 , and nitrides such as TiN and ZrN. mentioned. Cermet powders include Al 2 O 3 --Fe system, TiC--Ni system, TiC--Co system, B 4 C--Fe system, and the like.
Particularly preferred examples of the inorganic powder (A) used in the present invention include metal oxides such as alumina (Al 2 O 3 ) and zirconia (ZrO 2 ). The zirconia may be yttria partially stabilized zirconia. Particularly preferred is a metal oxide powder having an average particle size (D 50 ) of 0.1 to 1.0 μm, more preferably 0.1 to 0.8 μm.
本発明で使用される有機バインダー(B)は、非結晶部と結晶部が混在した熱可塑性樹脂(B1)と、2種類のモノマー構成単位から成る2成分コポリマーである相溶化ポリマー(B2)と、上記B1及びB2以外の熱可塑性ポリマー(B3)を含む。
本発明では、上記(B1)、(B2)、(B3)を併用することによって、大型の造形物を製造する場合においても自重による変形が生じにくく、また、脱脂工程時においても脱脂が一度に進行せず、有機バインダーの除去が段階的に進行するため、脱脂時の変形を抑制することができる。
The organic binder (B) used in the present invention comprises a thermoplastic resin (B1) in which an amorphous part and a crystalline part are mixed, and a compatibilizing polymer (B2) which is a two-component copolymer composed of two types of monomer constitutional units. , including a thermoplastic polymer (B3) other than the above B1 and B2.
In the present invention, by using the above (B1), (B2), and (B3) in combination, deformation due to its own weight is less likely to occur even when manufacturing a large modeled object, and degreasing can be performed at once during the degreasing process. Since the removal of the organic binder progresses step by step without progressing, deformation during degreasing can be suppressed.
非結晶部と結晶部が混在した前記熱可塑性樹脂(B1)の例としては、ポリオレフィン系重合体変性ポリアセタールが挙げられ、このようなポリアセタール(POM)コポリマーとして特に好ましいものは、-(CH2O)n-(CH2CH2O)m-の化学構造を有したポリオキシエチレン構造部分を含むポリアセタールコポリマーである。
上記のポリアセタールコポリマーは、結晶性と非結晶性を持ち、後述する相溶化ポリマー(B2)と併含させることにより、積層間の密着性を向上させる。また脱バインダー時に造形物の強度を保持することにより、大型の造形物の場合に生じやすい変形を抑制し、造形物の形状を保持する作用を示す。
前記熱可塑性樹脂(B1)の重量平均分子量は1万~50万が好ましく、2万~20万がより好ましく、本発明において重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて求めることができる。
Examples of the thermoplastic resin (B1) in which an amorphous part and a crystalline part are mixed include a polyolefin-based polymer - modified polyacetal. )n-(CH 2 CH 2 O)m-.
The above polyacetal copolymer has both crystallinity and non-crystallinity, and when combined with a compatibilizing polymer (B2) described later, the adhesion between layers is improved. In addition, by maintaining the strength of the modeled object when the binder is removed, deformation that tends to occur in the case of a large modeled object is suppressed, and the shape of the modeled object is maintained.
The weight average molecular weight of the thermoplastic resin (B1) is preferably 10,000 to 500,000, more preferably 20,000 to 200,000. In the present invention, the weight average molecular weight is determined using gel permeation chromatography (GPC). can be done.
前記2種類のモノマー構成単位から成る2成分コポリマーである相溶化ポリマー(B2)は、分子中に極性のセグメントと非極性のセグメントを有しており、熱可塑性樹脂(B1)と、B1及びB2以外の熱可塑性ポリマー(B3)を相溶化させる作用を示し、ランダムコポリマーであってもブロックコポリマーであってもグラフトコポリマーであってもよい。
上記相溶化ポリマー(B2)の例としては、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)樹脂、無水マレイン酸変性ポリポロピレン樹脂、エチレン-メタクリル酸グリシジル共重合体/ポリスチレン(EGMA/PS)樹脂、ポリプロピレン/アクリロニトリルスチレン(PP/AS)樹脂等が挙げられ、これらの相溶化ポリマーは、本発明の3次元プリンタ用組成物中に2種以上が配合されてもよい。
上記の無水マレイン酸変性ポリポロピレン樹脂としては、例えば三洋化成工業株式会社製のユーメックス(商標)が利用でき、上記のEGMA/PS樹脂としては、例えば日油株式会社製のモディパー(登録商標)Aシリーズが利用できる。
本発明において、前記相溶化ポリマー(B2)の重量平均分子量は1万~50万が好ましく、2万~20万がより好ましい。
The compatibilizing polymer (B2), which is a two-component copolymer composed of the two types of monomer constitutional units, has a polar segment and a non-polar segment in the molecule, and the thermoplastic resin (B1), B1 and B2 It can be a random copolymer, a block copolymer, or a graft copolymer.
Examples of the compatibilizing polymer (B2) include ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) resin, maleic anhydride-modified polypropylene resin, ethylene-glycidyl methacrylate copolymer/polystyrene (EGMA/PS) resin, polypropylene/ Examples include acrylonitrile styrene (PP/AS) resins, and two or more of these compatibilizing polymers may be blended in the composition for three-dimensional printers of the present invention.
As the maleic anhydride-modified polypropylene resin, for example, Yumex (trademark) manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd. can be used, and as the EGMA / PS resin, for example, MODIPER (registered trademark) A series manufactured by NOF Corporation is available.
In the present invention, the weight average molecular weight of the compatibilizing polymer (B2) is preferably 10,000 to 500,000, more preferably 20,000 to 200,000.
前記熱可塑性ポリマー(B3)の例としては、ポリスチレン(PS)樹脂、アクリル(PMMA)樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂、ポリプロピレン(PP)樹脂、ポリエチレン(PE)樹脂、ポリアミド(PA)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、アクリロニトリルスチレン(AS)樹脂及びアモルファスポリオレフィンが挙げられる。
この熱可塑性ポリマー(B3)の融点は、170℃以下であることが好ましく、より好ましい樹脂の例としては、PS、アクリル樹脂、ABS、PPが挙げられる。糸曳き性を低減する観点からは、アクリル樹脂を使用することが好ましい。
Examples of the thermoplastic polymer (B3) include polystyrene (PS) resin, acrylic (PMMA) resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polypropylene (PP) resin, polyethylene (PE) resin, polyamide (PA). Resins include polybutylene terephthalate (PBT) resins, polyethylene terephthalate (PET) resins, polycarbonate (PC) resins, acrylonitrile styrene (AS) resins and amorphous polyolefins.
The melting point of the thermoplastic polymer (B3) is preferably 170° C. or less, and examples of more preferable resins include PS, acrylic resins, ABS and PP. From the viewpoint of reducing stringiness, it is preferable to use an acrylic resin.
前記熱可塑性ポリマー(B3)は、1種類を使用しても、複数種類を使用してもよいが、熱分解挙動が異なる複数の樹脂を併用することがより好ましい。熱分解挙動の異なる2種類以上の熱可塑性樹脂を併用することにより、脱脂時の不具合(特にクラック・フクレ)を十分に抑制することができる。 The thermoplastic polymer (B3) may be of one type or a plurality of types, but it is more preferable to use a plurality of resins with different thermal decomposition behaviors in combination. By using two or more types of thermoplastic resins having different thermal decomposition behaviors in combination, troubles (particularly cracks and blisters) during degreasing can be sufficiently suppressed.
複数の熱可塑性ポリマー(B3)を使用する場合の特に好ましい例として、アクリル樹脂又は、アクリル樹脂とPSの組み合わせが挙げられる。
アクリル樹脂とPSの質量比は、アクリル樹脂100に対して、PSが50~130であることが好ましく、60~110であることがより好ましい。
A particularly preferred example when using a plurality of thermoplastic polymers (B3) is an acrylic resin or a combination of an acrylic resin and PS.
The mass ratio of acrylic resin to PS is preferably 50 to 130, more preferably 60 to 110, with respect to 100 of acrylic resin.
アクリル樹脂としては、(メタ)アクリル酸の炭素数1~8のアルコールのエステルである、(メタ)アクリル酸エステルの重合体を使用することができる。このような(メタ)アクリル酸エステル単量体の具体例としては、たとえば、アルキル基の炭素数が1~8のn-アルキル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t-ブチル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-メトキシエチル(メタ)アクリレート、2-エトキシエチル(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらのうちでは特にn-ブチル(メタ)アクリレートのようなアルキル基の炭素数が1~4のn-アルキル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレートが好ましく、これらは単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 As the acrylic resin, a polymer of (meth)acrylic ester, which is an ester of alcohol having 1 to 8 carbon atoms of (meth)acrylic acid, can be used. Specific examples of such (meth)acrylic acid ester monomers include, for example, n-alkyl (meth)acrylates having 1 to 8 carbon atoms in the alkyl group, isopropyl (meth)acrylate, isobutyl (meth)acrylate, t-butyl (meth)acrylate, 2-ethylhexyl (meth)acrylate, 2-methoxyethyl (meth)acrylate, 2-ethoxyethyl (meth)acrylate and the like. Among these, n-alkyl (meth)acrylates having 1 to 4 carbon atoms in the alkyl group such as n-butyl (meth)acrylate, isopropyl (meth)acrylate, and isobutyl (meth)acrylate are particularly preferable, and these are preferably used alone. or two or more of them may be used in combination.
PSとしては、重量平均分子量が10~30万程度のものを用いることが好ましく、15~25万程度のものを用いることがより好ましい。
アモルファスポリオレフィンとしては、重量平均分子量が1000~8000、より好ましくは2000~4000程度のものを使用することができる。
It is preferable to use PS having a weight average molecular weight of about 100,000 to 300,000, more preferably about 150,000 to 250,000.
As the amorphous polyolefin, those having a weight average molecular weight of about 1,000 to 8,000, preferably about 2,000 to 4,000 can be used.
重量平均分子量又は分子量が2000以下である有機化合物(C)としては、無機粉末との混合物に良好な流動性を与え、かつ熱分解性に優れるという点で、ワックス類、滑剤、可塑剤等が好ましいが、これらに限定されるものではなく、酸化防止剤等の他の添加剤も使用できる。
前記有機化合物(C)の分子量(又は重量平均分子量)は、1,500以下が好ましく、1,000以下が特に好ましい。
As the organic compound (C) having a weight-average molecular weight or a molecular weight of 2000 or less, waxes, lubricants, plasticizers and the like are used in terms of imparting good fluidity to the mixture with the inorganic powder and having excellent thermal decomposability. Other additives such as, but not limited to, antioxidants can also be used.
The molecular weight (or weight average molecular weight) of the organic compound (C) is preferably 1,500 or less, particularly preferably 1,000 or less.
ワックス類としては、合成系、天然系のいずれも使用でき、その具体例としては、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ミツロウ、カルナバワックス、モンタンワックス、ポリアルキレングリコール等が挙げられる。
また、滑剤の具体例としては、例えば脂肪酸並びにエステル、アミド、金属塩等の脂肪酸の誘導体などが挙げられ、好ましくはステアリン酸などの高級脂肪酸が挙げられる。
また、可塑剤の具体例としては、例えば、フタル酸エステル(ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、4-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸ビス(2-エチルヘキシル)、1,2-シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステル等)、リン酸エステル、脂肪酸エステル(モノステアリン酸ソルビタンエステル等)が挙げられる。
Both synthetic and natural waxes can be used, and specific examples include paraffin wax, microcrystalline wax, polyethylene wax, beeswax, carnauba wax, montan wax, and polyalkylene glycol.
Specific examples of lubricants include fatty acids and fatty acid derivatives such as esters, amides and metal salts, preferably higher fatty acids such as stearic acid.
Specific examples of plasticizers include phthalates (dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, 4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic acid bis(2-ethylhexyl), 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid diisononyl ester, etc.). , phosphates, and fatty acid esters (sorbitan monostearate, etc.).
また、酸化防止剤の具体例としては、例えばフェノール系酸化防止剤が挙げられる。その具体例としては、1,1,3-トリス(2-メチル-4-ヒドロキシ-5-tert-ブチルフェニル)ブタン、4,4'-ブチリデンビス(6-tert-ブチル-m-クレゾール)、ビス[3-(3-tert-ブチル-4-ヒドロキシ-5-メチルフェニル)プロピオン酸][エチレンビス(オキシエチレン)]、ビス[3-(3-tert-ブチル-4-ヒドロキシ-5-メチルフェニルプロピオン酸](2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン-3,9-ジイル)ビス(2,2-ジメチル-2,1-エタンジイル)、ペンタエリトリトール=テトラキス[3-(3',5'-ジ-tert-ブチル-4'-ヒドロキシフェニル)プロピオナート]などが挙げられる。 Further, specific examples of antioxidants include, for example, phenolic antioxidants. Specific examples include 1,1,3-tris(2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl)butane, 4,4′-butylidenebis(6-tert-butyl-m-cresol), bis [3-(3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl)propionic acid][ethylenebis(oxyethylene)], bis[3-(3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenylpropionate) ionic acid](2,4,8,10-tetraoxaspiro[5,5]undecane-3,9-diyl)bis(2,2-dimethyl-2,1-ethanediyl), pentaerythritol = tetrakis[3- (3',5'-di-tert-butyl-4'-hydroxyphenyl)propionate] and the like.
また、ワックス類、滑剤、可塑剤、酸化防止剤以外の、(C)に該当する有機化合物の例として、金属不活性化剤、紫外線吸収剤、造核剤等の添加剤が挙げられる。 Examples of organic compounds corresponding to (C) other than waxes, lubricants, plasticizers, and antioxidants include additives such as metal deactivators, ultraviolet absorbers, and nucleating agents.
また、前記有機化合物(C)として、加熱減量の開始点が150℃以下のものを用いることが好ましい。加熱減量の開始点は、JIS K7120に規定されている熱重量測定法によって求めることができる。150℃以下で加熱減量が始まる有機化合物(C)を配合することによって、150℃以下でのバインダー含有量を減少させ、成形体の可塑性を小さくして変形を防止することができる。 Moreover, as the organic compound (C), it is preferable to use one having a starting point of weight loss on heating of 150° C. or lower. The starting point of weight loss on heating can be determined by the thermogravimetric method specified in JIS K7120. By blending the organic compound (C), which begins to lose weight on heating at 150° C. or lower, the binder content at 150° C. or lower can be reduced, and the plasticity of the molded body can be reduced to prevent deformation.
本発明の3次元プリンタ用組成物において、無機粉末(A)と有機バインダー(B)と有機化合物(C)の質量比率は、(A)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=100/5~100/30の範囲であることが適切である。(A)の質量100に対して、(B1)+(B2)+(B3)+(C)の質量が5未満であると、流れ値が低くなり、造形が困難になる。他方、(A)の質量100に対して、(B1)+(B2)+(B3)+(C)の質量が30を超えると、糸曳き性が大きくなり、且つ、脱脂時に変形などの不具合が生じやすくなる。
無機粉末(A)がセラミックス粉末(例えば、アルミナやジルコニア等の金属酸化物粉末)である場合、より好ましい質量比率は、(A)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=100/10~100/30であり、特に100/15~100/25が好ましい。
無機粉末(A)が金属粉末(例えば、ステンレススチール等)である場合、より好ましい質量比率は、(A)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=100/5~100/15であり、特に100/5~100/10が好ましい。
In the three-dimensional printer composition of the present invention, the mass ratio of the inorganic powder (A), the organic binder (B) and the organic compound (C) is (A) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C)]=100/5 to 100/30. If the mass of (B1)+(B2)+(B3)+(C) is less than 5 with respect to the mass of (A) being 100, the flow value will be low, making modeling difficult. On the other hand, if the mass of (B1) + (B2) + (B3) + (C) exceeds 30 with respect to the mass of (A) 100, the stringiness will increase and problems such as deformation will occur during degreasing. becomes more likely to occur.
When the inorganic powder (A) is ceramic powder (for example, metal oxide powder such as alumina or zirconia), a more preferable mass ratio is (A) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C )]=100/10 to 100/30, preferably 100/15 to 100/25.
When the inorganic powder (A) is a metal powder (for example, stainless steel, etc.), a more preferable mass ratio is (A)/[(B1)+(B2)+(B3)+(C)]=100/5 to 100/15, preferably 100/5 to 100/10.
本発明の3次元プリンタ用組成物において、熱可塑性樹脂(B1)の、有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する質量比率は、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.05~0.25であることが適切である。(B1)+(B2)+(B3)+(C)の質量に対する、(B1)の質量比率が0.05未満であると、造形物の強度が低下し、形状保持性が低下し、脱バインダー(脱脂)時に変形が生じやすくなる。他方、(B1)+(B2)+(B3)+(C)の質量に対する、(B1)の質量比率が0.25を超えると、造形物の強度が増加し、脱脂時の変形やクラック等は抑制できるが、造形層間の密着性不良や冷却収縮が発生し易くなる。 In the three-dimensional printer composition of the present invention, the mass ratio of the thermoplastic resin (B1) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (B1)/[(B1)+(B2) +(B3)+(C)]=0.05 to 0.25. If the mass ratio of (B1) to the mass of (B1) + (B2) + (B3) + (C) is less than 0.05, the strength of the modeled product will decrease, the shape retention will decrease, and the product will be removed. Deformation is likely to occur during binder (degreasing). On the other hand, when the mass ratio of (B1) to the mass of (B1) + (B2) + (B3) + (C) exceeds 0.25, the strength of the molded object increases, and deformation and cracks during degreasing occur. can be suppressed, but poor adhesion between the molding layers and cooling shrinkage tend to occur.
無機粉末(A)がセラミックス粉末(例えば、アルミナやジルコニア等の金属酸化物粉末)である場合、より好ましい有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する熱可塑性樹脂(B1)の質量比率は、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.05~0.25であり、特に0.05~0.20が好ましい。
無機粉末(A)が金属粉末(例えば、ステンレススチール等)である場合、より好ましい有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する熱可塑性樹脂(B1)の質量比率は、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.05~0.25であり、特に0.10~0.20が好ましい。
When the inorganic powder (A) is a ceramic powder (for example, a metal oxide powder such as alumina or zirconia), the mass of the thermoplastic resin (B1) with respect to the total amount of the more preferable organic binder (B) and organic compound (C) The ratio is (B1)/[(B1)+(B2)+(B3)+(C)]=0.05 to 0.25, preferably 0.05 to 0.20.
When the inorganic powder (A) is a metal powder (for example, stainless steel, etc.), the more preferred mass ratio of the thermoplastic resin (B1) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (B1) /[(B1)+(B2)+(B3)+(C)]=0.05 to 0.25, preferably 0.10 to 0.20.
本発明の3次元プリンタ用組成物において、熱可塑性樹脂(B1)と相溶化ポリマー(B2)の質量比率は、(B2)/(B1)=0.5~15.0であることが適切である。(B2)/(B1)の値が0.5未満であると、熱可塑性樹脂(B1)と熱可塑性ポリマー(B3)の相溶性が低下して造形層間の密着性が低下し、逆に、(B2)/(B1)の値が15.0を超えると、糸曳き性が悪くなる。 In the three-dimensional printer composition of the present invention, the mass ratio of the thermoplastic resin (B1) and the compatibilizing polymer (B2) is preferably (B2)/(B1) = 0.5 to 15.0. be. If the value of (B2)/(B1) is less than 0.5, the compatibility between the thermoplastic resin (B1) and the thermoplastic polymer (B3) is reduced, resulting in reduced adhesion between the molding layers. If the value of (B2)/(B1) exceeds 15.0, the stringiness is deteriorated.
本発明の3次元プリンタ用組成物において、有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する有機化合物(C)の質量比率は、(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.1~0.5であることが適切である。(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕の値が0.1未満であると、組成物の流動性が低下して造形性が悪くなり、逆に、(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕の値が0.5を超えると、造形層間の密着性が低下し、脱脂時に変形が生じやすく、クラックの発生も充分に抑制できなくなる。 In the three-dimensional printer composition of the present invention, the mass ratio of the organic compound (C) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (C)/[(B1) + (B2) + ( B3)+(C)]=0.1 to 0.5 is suitable. If the value of (C)/[(B1)+(B2)+(B3)+(C)] is less than 0.1, the fluidity of the composition is reduced, resulting in poor moldability. If the value of (C)/[(B1) + (B2) + (B3) + (C)] exceeds 0.5, the adhesion between the molding layers will decrease, deformation will easily occur during degreasing, and cracks will occur. cannot be sufficiently suppressed.
本発明の3次元プリンタ用組成物は、(A)無機粉末と、(B)有機バインダーと、(C)有機化合物を溶融混練することにより調製される。この溶融混練に使用される混練機の種類は特に限定されないが、好ましい形態の一例として、加圧型ニーダーが挙げられる。双腕ニーダー式混練機、バンバリー型混練機などのバッチ式や、1軸または2軸混練押出機などの連続式などの各種混練機を用いることが出来る。 The three-dimensional printer composition of the present invention is prepared by melt-kneading (A) an inorganic powder, (B) an organic binder, and (C) an organic compound. The type of kneader used for this melt-kneading is not particularly limited, but a preferred example is a pressure kneader. Various kneaders such as a batch type kneader such as a twin-arm kneader type kneader and a Banbury type kneader, and a continuous type kneader such as a single-screw or twin-screw kneading extruder can be used.
本発明の3次元プリンタ用組成物の形状は特に限定されないが、好ましい形態の一例として、PIMで使用されているようなペレット状の形態を挙げることができる。特に限定されないが、好ましい形態の一例として、混練後の押し出されてきた溶融物をロータリーカッターにて空気中でペレット状にカットするホットカット式ペレタイザーでペレット化されたものが挙げられる。 The shape of the composition for three-dimensional printers of the present invention is not particularly limited, but a preferred example is a pellet-like shape used in PIM. Although not particularly limited, an example of a preferred form is pelletized by a hot-cut pelletizer that cuts the extruded melt after kneading into pellets in the air with a rotary cutter.
また、本発明は、前記3次元プリンタ用組成物(無機粉末を高充填した組成物)を用いて、FDM方式の3次元プリンタにより大型の積層構造体を造形し、脱脂、焼結を行い、セラミックス、サーメット又は金属からなる大型積層造形物を製造する方法を提供し、この製造方法は、以下の工程A~C:
工程A:前記3次元プリンタ用組成物を用い、熱溶融積層方式の3次元プリンタによって、積層厚みが10mm以上である大型積層構造体を造形する工程、
工程B:前記の大型積層構造体を脱脂する工程、及び
工程C:前記工程Bで得られた脱脂後の大型積層構造体を焼結する工程
を含む。
上記の工程A~Cを含む本発明の製造方法では、熱変形に強いポリマー組成を有した3次元プリンタ用組成物を用いて大型の積層構造体を造形することができ、造形体の環境温度を一定(例えば、ワーク環境温度を25~80℃)に保つことによって、造形層間の密着性を保持し、冷却収縮による反りを抑制することが可能である。
Further, according to the present invention, a large laminated structure is formed by an FDM three-dimensional printer using the three-dimensional printer composition (a composition highly filled with inorganic powder), degreased and sintered, Provided is a method for manufacturing a large additive manufacturing article made of ceramics, cermets or metals, the manufacturing method comprising the following steps A to C:
Step A: A step of forming a large laminated structure having a lamination thickness of 10 mm or more by using the composition for a three-dimensional printer and a three-dimensional printer of a hot-melt lamination method;
Step B: a step of degreasing the large laminated structure, and
Step C: including a step of sintering the degreased large-sized laminated structure obtained in Step B;
In the manufacturing method of the present invention including the above steps A to C, a large laminated structure can be formed using a three-dimensional printer composition having a polymer composition resistant to thermal deformation, and the environmental temperature of the formed body is kept constant (for example, the work environment temperature is 25 to 80° C.), it is possible to maintain the adhesion between the molding layers and suppress warpage due to cooling shrinkage.
本発明における前記工程Aでは、3Dプリンタの特長として、大型の造形物を造形する場合でも組成物の充填率を容易に制御でき、脱バインダーの際の変形を抑制するのに効果的な表面積(空隙率)を確保することができる。
本発明において「大型積層造形物」とは、積層厚みが10mm以上(例えば、30mm以上、50mm以上、80mm以上又は100mm以上)のものを指す。
そして、本発明では、組成物の充填率を制御することによって脱脂時間を短縮することができ、変形を抑制する効果も得られる。尚、組成物の充填率が20%未満である場合には充分な造形体の強度が得られなくなり、脱脂時に変形が生じやすくなるので好ましくない。
In the step A of the present invention, as a feature of the 3D printer, the filling rate of the composition can be easily controlled even when forming a large modeled object, and the effective surface area ( porosity) can be ensured.
In the present invention, a "large-sized laminate-molded article" refers to an article having a lamination thickness of 10 mm or more (for example, 30 mm or more, 50 mm or more, 80 mm or more, or 100 mm or more).
In the present invention, the degreasing time can be shortened by controlling the filling rate of the composition, and the effect of suppressing deformation can also be obtained. In addition, when the filling rate of the composition is less than 20%, sufficient strength of the shaped body cannot be obtained, and deformation is likely to occur during degreasing, which is not preferable.
前記工程Aにて使用されるFDM方式の3次元プリンタとしては、例えば、特許文献2(WO2015/129733)に開示されているような、シリンダーと、スクリューと、ギヤポンプと、ノズルを有する押出装置と、前記押出装置のノズルに対向して位置するテーブル装置と、前記押出装置における前記ノズルからの樹脂の吐出を制御し、かつ、前記押出装置及び/又は前記テーブル装置の、基準面に対するX軸,Y軸,Z軸方向への移動を制御する制御装置を備えた3次元プリンタを使用することができる。 As the FDM three-dimensional printer used in the process A, for example, an extrusion device having a cylinder, a screw, a gear pump, and a nozzle as disclosed in Patent Document 2 (WO2015/129733) , a table device positioned opposite to the nozzle of the extrusion device, and an X-axis of the extrusion device and/or the table device with respect to a reference plane, which controls the discharge of resin from the nozzle in the extrusion device, A three dimensional printer can be used with controllers to control movement in the Y and Z directions.
前記工程B及び工程Cの脱脂・焼結の条件は、PIMの脱脂・焼結と同様でよく、組成物に含まれている無機粉末の種類等に応じて、適宜設定することができる。例えば、無機粉末がジルコニア(イットリア安定化ジルコニア等)やアルミナの場合は、昇温速度10~20℃/hで450~550℃前後まで昇温して脱脂を行い、その後昇温速度40~60℃/hで1300~1600℃まで昇温して焼結を行うことができる。無機粉末が金属の場合、不活性ガス雰囲気で昇温速度10~20℃/hで450~550℃前後まで昇温して脱脂を行い、その後昇温速度40~60℃/hで温度1300~1400℃まで昇温して焼結を行うことができる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。
The conditions for degreasing and sintering in steps B and C may be the same as those for degreasing and sintering PIM, and can be appropriately set according to the type of inorganic powder contained in the composition. For example, when the inorganic powder is zirconia (yttria-stabilized zirconia, etc.) or alumina, the temperature is raised to about 450-550° C. at a temperature elevation rate of 10-20° C./h for degreasing, followed by a temperature elevation rate of 40-60. Sintering can be performed by raising the temperature up to 1300 to 1600°C at a rate of °C/h. When the inorganic powder is metal, the temperature is raised to about 450 to 550°C at a temperature elevation rate of 10 to 20°C/h in an inert gas atmosphere for degreasing, and then the temperature is raised to 1300 to 1300°C at a temperature elevation rate of 40 to 60°C/h. Sintering can be performed by heating up to 1400°C.
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.
[原料]
(A)無機粉末、(B1)熱可塑性樹脂、(B2)相溶化ポリマー、(B3)B1及びB2以外の熱可塑性ポリマー、及び(C)有機化合物として、以下の物質を使用した。
なお、流れ値は、株式会社島津製作所製のフローテスター「CFD-500D」を用いて、直径1mm×長さ1mmのダイスをセットし、0.98MPa荷重をかけ、180℃の単位時間当たりの流れ量(ml/sec)を測定することによって求めた。この際、180℃では流動性が高すぎて正確な値を測定できないものについては、設定温度を140℃に変更して、流れ値を求めた。
[material]
The following materials were used as (A) inorganic powder, (B1) thermoplastic resin, (B2) compatibilizing polymer, (B3) thermoplastic polymer other than B1 and B2, and (C) organic compound.
The flow value was measured by using a flow tester "CFD-500D" manufactured by Shimadzu Corporation, setting a die with a diameter of 1 mm and a length of 1 mm, applying a load of 0.98 MPa, and measuring the flow per unit time at 180 ° C. It was obtained by measuring the volume (ml/sec). At this time, in the case where the fluidity was too high at 180°C and an accurate value could not be measured, the set temperature was changed to 140°C to obtain the flow value.
(A)無機粉末
・Y2O3を3モル%含むイットリア部分安定化ジルコニア粉末(BET比表面積は15m2/g;平均粒子径D50は0.15μm)
・Y2O3を3モル%含むイットリア部分安定化カラージルコニア粉末:黒(BET比表面積は8m2/g;平均粒子径D50は0.3μm)
・アルミナ粉末(BET比表面積は6m2/g;平均粒子径D50は0.52μm)
・ステンレス粉末(SUS316L)(平均粒子径D50は7.05μm、タップ密度4.6g/cm3)
・WC-Co粉末(平均粒子径D50は1.4μm)
(A) Inorganic powder : yttria partially stabilized zirconia powder containing 3 mol % of Y 2 O 3 (BET specific surface area: 15 m 2 /g; average particle diameter D 50 : 0.15 µm)
Yttria partially stabilized colored zirconia powder containing 3 mol % of Y 2 O 3 : black (BET specific surface area: 8 m 2 /g; average particle diameter D 50 : 0.3 μm)
Alumina powder (BET specific surface area: 6 m 2 /g; average particle diameter D 50 : 0.52 μm)
・Stainless steel powder (SUS316L) (average particle diameter D 50 is 7.05 μm, tap density 4.6 g/cm 3 )
・WC-Co powder (average particle size D50 is 1.4 μm)
(B1)熱可塑性樹脂
・POMコポリマー(180℃流れ値0.051ml/sec、融点163℃)
(B2)相溶化ポリマー
・EVA(重量平均分子量19万、180℃流れ値0.064ml/sec、荷重たわみ温度70℃)
・無水マレイン酸変性PP(重量平均分子量5万、融点123℃)
・エチレン-メタクリル酸グリシジル共重合体/ポリスチレン(EGMAを主鎖、PSを側鎖とするグラフトコポリマー、組成比(重量%)70/30、重量平均分子量10万)
(B3)B1及びB2以外の熱可塑性ポリマー
・PS(重量平均分子量19万、180℃流れ値0.064ml/sec、荷重たわみ温度70℃)
・アクリル樹脂(メタクリル酸n-ブチルとメタクリル酸メチルの共重合物、重量平均分子量5万、180℃流れ値0.110ml/sec)
・PP(重量平均分子量24万、180℃流れ値0.051ml/sec、融点163℃)
・アモルファスポリオレフィン(重量平均分子量3000、140℃流れ値0.32ml/sec、軟化点145℃)
(B1) Thermoplastic resin /POM copolymer (flow value 0.051 ml/sec at 180°C, melting point 163°C)
(B2) compatibilizing polymer
・EVA (weight average molecular weight 190,000, flow value 0.064 ml/sec at 180°C, deflection temperature under load 70°C)
・Maleic anhydride modified PP (weight average molecular weight 50,000, melting point 123°C)
・Ethylene-glycidyl methacrylate copolymer/polystyrene (graft copolymer with EGMA as main chain and PS as side chain, composition ratio (% by weight) 70/30, weight average molecular weight 100,000)
(B3) Thermoplastic polymers other than B1 and B2
・PS (weight average molecular weight 190,000, flow value 0.064 ml/sec at 180°C, deflection temperature under load 70°C)
・Acrylic resin (copolymer of n-butyl methacrylate and methyl methacrylate, weight average molecular weight 50,000, flow value 0.110 ml/sec at 180°C)
・PP (weight average molecular weight 240,000, 180°C flow rate 0.051ml/sec, melting point 163°C)
・Amorphous polyolefin (weight average molecular weight 3000, flow rate 0.32 ml/sec at 140°C, softening point 145°C)
(C)有機化合物
・パラフィンワックス(分子量472、融点70℃)
・マイクロクリスタリンワックス(分子量500~800、融点52℃)
・ステアリン酸(分子量284)
・フタル酸ジオクチル(DOP)(分子量391)
・モノステアリン酸ソルビタンエステル(分子量430、融点55℃)
・4-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸ビス(2-エチルヘキシル)(分子量394)
・1,2-シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステル(分子量428)
・フェノール系酸化防止剤(1,1,3-トリス(2-メチル-4-ヒドロキシ-5-tert-ブチルフェニル)ブタン)(分子量545、融点183~185℃)
(C) Organic compound /paraffin wax (molecular weight 472, melting point 70°C)
・Microcrystalline wax (molecular weight 500-800, melting point 52°C)
・Stearic acid (molecular weight 284)
- Dioctyl phthalate (DOP) (molecular weight 391)
・Sorbitan monostearate (molecular weight 430, melting point 55°C)
・Bis(2-ethylhexyl) 4-cyclohexene-1,2-dicarboxylate (molecular weight 394)
・1,2-cyclohexanedicarboxylic acid diisononyl ester (molecular weight 428)
・Phenolic antioxidant (1,1,3-tris(2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl)butane) (molecular weight 545, melting point 183-185°C)
[3次元プリンタ用組成物の製造]
上記(A)と、(B1)、(B2)、(B3)及び(C)を、表に示す割合で配合し、日本スピンドル製造株式会社(旧株式会社森山製作所)製加圧型ニーダーを用いて170℃で溶融混練を行った。得られた溶融物は株式会社トーシン製ペレタイザー型プランジャー押出機を使用して、直径3mm×長さ3mmのペレットを製造した。
[Production of composition for three-dimensional printer]
The above (A), (B1), (B2), (B3) and (C) were blended in the proportions shown in the table, and using a pressure kneader manufactured by Nihon Spindle Mfg. Co., Ltd. (former Moriyama Seisakusho Co., Ltd.) Melt-kneading was performed at 170°C. Using a pelletizer-type plunger extruder manufactured by Toshin Co., Ltd., the resulting melt was pelletized into pellets having a diameter of 3 mm and a length of 3 mm.
[糸曳き性の評価]
大型の積層構造体を製造する前に、以下の方法により組成物の糸曳き性を評価した。
上記で製造した各ペレットを原料にして、ペレット投入口を有する押出装置を備えたFDM方式の3次元プリンタ(エス.ラボ株式会社製CERA_P3 造形範囲 X150mm×Y150mm×Z150mm、スクリュー径φ20mm)を使用し、直径30mm×高さ100mmの円柱形状の積層構造体(造形物)を、各造形物間の距離が50mmとなるようにして5個製造した。この際、成形温度は140~180℃とし、ノズル径は1.0mmとし、充填率は99~99.5%とした。
糸曳き性の評価においては、一つの造形物を造形した後、次の造形位置にノズルを移動した際に糸曳きが見られる場合は、造形物の縁から糸先端までの長さを測定し、糸曳き長さとした。
糸曳き長さが、3mm未満の場合を○、3mm以上10mm未満の場合を△、10mm以上を×と判定した。
[Evaluation of stringiness]
Before manufacturing a large-sized laminated structure, the composition was evaluated for stringiness by the following method.
Using the pellets produced above as raw materials, an FDM three-dimensional printer (CERA_P3 manufactured by S.Lab Co., Ltd., molding range X150mm x Y150mm x Z150mm, screw diameter φ20mm) equipped with an extrusion device with a pellet inlet was used. , five cylindrical laminated structures (modeled objects) each having a diameter of 30 mm and a height of 100 mm were manufactured such that the distance between each modeled object was 50 mm. At this time, the molding temperature was 140 to 180° C., the nozzle diameter was 1.0 mm, and the filling rate was 99 to 99.5%.
In the evaluation of stringing property, after modeling one modeled object, if stringing is observed when moving the nozzle to the next modeling position, measure the length from the edge of the modeled object to the tip of the thread. , was taken as the stringing length.
When the stringing length was less than 3 mm, it was evaluated as ◯; when it was 3 mm or more and less than 10 mm, it was evaluated as Δ;
[造形性の判定]
造形性については、造形物間をノズルが移動した際の糸曳きの発生の有無、得られた造形物の層間の隙間の有無、造形物の傾き(造形時の層間密着不良によって造形物が傾く)の有無、造形中のノズルへの付着による造形の継続性で判断し、不具合がない場合は〇とし、不具合がある場合は×と評価した。
[Determination of formability]
Regarding the formability, the presence or absence of stringing when the nozzle moves between the molded objects, the presence or absence of gaps between the layers of the obtained molded object, and the tilt of the molded object ), and the continuity of modeling due to adhesion to the nozzle during modeling.
[脱脂・焼結性の判定]
上記で得られた積層構造体を試験片とした。得られた試験片をアルミナセッターに載せ、ジルコニア、アルミナは、大気中で昇温速度10℃/hで500℃まで脱脂したときの変形度合い(変形、クラック、フクレ)を確認した。
試験片各5個のうち、脱脂後に変形、又はクラック・フクレが確認されたものが1個以下の場合は〇とし、2~3個の場合は△とし、4個以上の場合は×と評価した。
脱脂後、大気中で昇温速度50℃/hでジルコニアは1450℃まで、アルミナは1600℃まで昇温して焼結を行い、焼結体を得た。
ステンレスは窒素ガス雰囲気で昇温速度10℃/hで500℃前後まで昇温して脱脂を行い、上記と同様に変形、又はクラック・フクレを確認した。その後昇温速度50℃/hで温度1350℃まで昇温して焼結体を得た。
WC-Coもステンレスと同様に、窒素ガス雰囲気で昇温速度10℃/hで500℃前後まで昇温して脱脂を行い、上記と同様に変形、又はクラック・フクレを確認した。その後昇温速度50℃/hで温度1390℃まで昇温して焼結体を得た。
焼結体の相対密度はアルキメデス法で測定した。
[Determination of degreasing and sinterability]
The laminate structure obtained above was used as a test piece. The obtained test piece was placed on an alumina setter, and zirconia and alumina were degreased to 500° C. at a heating rate of 10° C./h in the atmosphere, and the degree of deformation (deformation, cracks, blisters) was confirmed.
Out of 5 test pieces each, if deformation or cracks/blisters were confirmed after degreasing, 1 or less was evaluated as ◯, 2 to 3 as △, and 4 or more as x. did.
After degreasing, zirconia was heated up to 1450° C. and alumina was heated up to 1600° C. in air at a heating rate of 50° C./h, and sintered to obtain a sintered body.
The stainless steel was degreased by raising the temperature to around 500° C. at a rate of temperature rise of 10° C./h in a nitrogen gas atmosphere, and deformation, cracks, and blisters were confirmed in the same manner as described above. After that, the temperature was raised to 1350° C. at a heating rate of 50° C./h to obtain a sintered body.
As with stainless steel, WC--Co was also degreased by raising the temperature to around 500° C. at a heating rate of 10° C./h in a nitrogen gas atmosphere, and deformation, cracks, and blisters were confirmed in the same manner as above. After that, the temperature was raised to 1390° C. at a heating rate of 50° C./h to obtain a sintered body.
The relative density of the sintered body was measured by the Archimedes method.
3次元プリンタ用組成物(ペレット)の組成と試験結果が、以下の表1~表4に要約されている。尚、表1~表4中の各成分の数値は質量%を示している。 The composition and test results of the three-dimensional printer composition (pellets) are summarized in Tables 1 to 4 below. The numerical value of each component in Tables 1 to 4 indicates % by mass.
表1~表2に示されるように、無機粉末(A)の、有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(A)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=100/5~100/30で、熱可塑性樹脂(B1)の、有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.05~0.25で、熱可塑性樹脂(B1)と相溶化ポリマー(B2)の質量比率が、(B2)/(B1)=0.5~15.0で、有機化合物(C)の、有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.1~0.5の範囲にある実施例1~7(無機粉末としてジルコニア粉末使用)、実施例8(無機粉末としてアルミナ粉末使用)、実施例9(無機粉末としてステンレス粉末使用)及び実施例10(無機粉末としてWC-Co粉末使用)のペレットを用いた場合には、糸曳き性が少なく、造形性に優れた大型の積層構造体を製造することができ、且つ、造形体を加熱脱脂した際に、変形やクラック・フクレの発生がほとんど観察されず、相対密度の高い(97%以上)焼結体を得ることができた。 As shown in Tables 1 and 2, the mass ratio of the inorganic powder (A) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (A) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C)] = 100/5 to 100/30, and the mass ratio of the thermoplastic resin (B1) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (B1)/[ (B1) + (B2) + (B3) + (C)] = 0.05 to 0.25, and the mass ratio of the thermoplastic resin (B1) and the compatibilizing polymer (B2) is (B2)/(B1 ) = 0.5 to 15.0, and the mass ratio of the organic compound (C) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (C)/[(B1) + (B2) + (B3) + (C)] = Examples 1 to 7 in the range of 0.1 to 0.5 (zirconia powder used as inorganic powder), Example 8 (alumina powder used as inorganic powder), Example 9 ( When using the pellets of Example 10 (using stainless steel powder as the inorganic powder) and Example 10 (using WC-Co powder as the inorganic powder), it is possible to produce a large laminated structure with less stringiness and excellent moldability. In addition, when the shaped body was degreased by heating, almost no deformation, cracks, or blisters were observed, and a sintered body with a high relative density (97% or more) could be obtained.
これに対して、表3~表4に示されるように、無機粉末(A)の質量を100とした場合の、有機バインダー(B)と有機化合物(C)〕の合計質量が5未満である場合(比較例1)は、流動性が悪く造形を行うことができず、30を超える場合(比較例2)は、糸曳き性が良くなく、且つ脱脂時に変形、クラック等の不具合が生じた。
また、熱可塑性樹脂(B1)を含有しない場合、即ち、(B1)、(B2)、(B3)を合わせた有機バインダー(B)と有機化合物(C)の合計量に対する熱可塑性樹脂(B1)の質量比率が0.05未満である場合(比較例3)には、脱脂時に変形が生じ易くなり、クラックやフクレの発生も少し観察され、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕の値が0.25を超える場合(比較例4)には、造形層間の密着性不良や冷却収縮が発生し易くなった。
さらに、熱可塑性樹脂(B1)に対する相溶化ポリマー(B2)の質量比率((B2)/(B1))が0.5未満である場合(比較例5)には、脱脂時の不具合が生じなかったが、造形層間の充分な密着性が得られず、(B2)/(B1)の値が15を超える場合(比較例6)には、糸曳き性が良くなかった。
また、有機化合物(C)を含有しない場合、即ち、(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕の値が0.1未満である場合(比較例7)には、組成物の流動性が低下して造形を行うことができず、逆に、上記の値が0.5を超える場合(比較例8)には、造形層間の充分な密着性が得られず、脱脂時に変形が生じ、クラックが生じやすくなった。
On the other hand, as shown in Tables 3 and 4, the total mass of the organic binder (B) and the organic compound (C)] is less than 5 when the mass of the inorganic powder (A) is 100. In the case of (Comparative Example 1), flowability was poor and molding could not be performed, and in the case of exceeding 30 (Comparative Example 2), the stringing property was not good, and defects such as deformation and cracks occurred during degreasing. .
Further, if the thermoplastic resin (B1) is not contained, that is, the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) that are the sum of (B1), (B2), and (B3), the thermoplastic resin (B1) When the mass ratio of is less than 0.05 (Comparative Example 3), deformation is likely to occur during degreasing, and cracks and blisters are slightly observed. When the value of (B3)+(C)] exceeded 0.25 (Comparative Example 4), poor adhesion between the molding layers and cooling shrinkage tended to occur.
Furthermore, when the mass ratio ((B2)/(B1)) of the compatibilizing polymer (B2) to the thermoplastic resin (B1) was less than 0.5 (Comparative Example 5), no problem occurred during degreasing. However, when the value of (B2)/(B1) exceeded 15 (Comparative Example 6), the stringiness was poor.
Further, when the organic compound (C) is not contained, that is, when the value of (C)/[(B1) + (B2) + (B3) + (C)] is less than 0.1 (Comparative Example 7) When the above value exceeds 0.5 (Comparative Example 8), sufficient adhesion between the molding layers is obtained. deformation occurred during degreasing, and cracks were likely to occur.
本発明の組成物及び方法によれば、FDM方式の3次元プリンタを用いて大型積層造形物を製造することができ、造形時の自重による変形や、加熱脱脂時に生じる変形や不具合を効果的に抑制することが可能である。 According to the composition and method of the present invention, it is possible to manufacture a large-sized layered product using an FDM three-dimensional printer, and effectively eliminate deformation due to its own weight during modeling and deformation and defects that occur during heat degreasing. can be suppressed.
Claims (4)
前記無機粉末(A)が、金属粉末、セラミックス粉末、及びサーメット粉末からなるグループより選ばれた焼結可能な粉末であり、
前記有機バインダー(B)が、(B1)ポリオレフィン系重合体変性ポリアセタール、(B2)エチレン-酢酸ビニル共重合体樹脂、無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂、エチレン-メタクリル酸グリシジル共重合体/ポリスチレン樹脂、及びポリプロピレン/アクリロニトリルスチレン樹脂からなるグループより選ばれた少なくとも1つの相溶化ポリマー、及び(B3)アクリル樹脂を含有するB1及びB2以外の熱可塑性ポリマー、を含有すること、
前記有機化合物(C)が、分子量又は重量平均分子量が2000以下の有機化合物であって、且つ、ワックス類、滑剤、可塑剤、酸化防止剤、金属不活性化剤、紫外線吸収剤、造核剤からなるグループより選ばれたものであること、及び
前記無機粉末(A)の、前記有機バインダー(B)と前記有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(A)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=100/5~100/30であり、前記ポリオレフィン系重合体変性ポリアセタール(B1)の、前記有機バインダー(B)と前記有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(B1)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.05~0.25であり、前記ポリオレフィン系重合体変性ポリアセタール(B1)と前記相溶化ポリマー(B2)の質量比率が、(B2)/(B1)=0.5~15.0であり、前記有機化合物(C)の、前記有機バインダー(B)と前記有機化合物(C)の合計量に対する質量比率が、(C)/〔(B1)+(B2)+(B3)+(C)〕=0.1~0.5であること
を特徴とする3次元プリンタ用組成物。 (A) an inorganic powder, (B) an organic binder and (C) a three-dimensional printer composition containing an organic compound,
The inorganic powder (A) is a sinterable powder selected from the group consisting of metal powder, ceramic powder, and cermet powder,
The organic binder (B) includes (B1) polyolefin polymer-modified polyacetal , (B2) ethylene-vinyl acetate copolymer resin, maleic anhydride-modified polypropylene resin, ethylene-glycidyl methacrylate copolymer/polystyrene resin, and containing at least one compatibilizing polymer selected from the group consisting of polypropylene/acrylonitrile styrene resins , and (B3) a thermoplastic polymer other than B1 and B2 containing an acrylic resin ;
The organic compound (C) is an organic compound having a molecular weight or weight-average molecular weight of 2000 or less , and waxes, lubricants, plasticizers, antioxidants, metal deactivators, ultraviolet absorbers, and nucleating agents. and the mass ratio of the inorganic powder (A) to the total amount of the organic binder (B) and the organic compound (C) is (A)/[(B1 ) + (B2) + (B3) + (C)] = 100/5 to 100/30, and the organic binder (B) and the organic compound (C) of the polyolefin polymer-modified polyacetal (B1) is (B1) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C)] = 0.05 to 0.25, and the polyolefin polymer-modified polyacetal (B1) and the compatibilizing polymer (B2) have a mass ratio of (B2)/(B1)=0.5 to 15.0, and the organic compound (C) contains the organic binder (B) and the organic compound ( For a three-dimensional printer, wherein the mass ratio to the total amount of C) is (C) / [(B1) + (B2) + (B3) + (C)] = 0.1 to 0.5 Composition.
工程A:請求項1~3のいずれか1項に記載の3次元プリンタ用組成物を用い、熱溶融積層方式の3次元プリンタによって、積層厚みが10mm以上である大型積層構造体を造形する工程、
工程B:前記の大型積層構造体を脱脂する工程、及び
工程C:前記工程Bで得られた脱脂後の大型積層構造体を焼結する工程
を含むことを特徴とする大型積層造形物の製造方法。 A method for manufacturing a large-sized laminate-molded article made of ceramics, cermets or metals, the method comprising the following steps A to C:
Step A: A step of using the composition for a three-dimensional printer according to any one of claims 1 to 3 and forming a large-sized laminated structure having a lamination thickness of 10 mm or more by a three-dimensional printer of a hot-melt lamination method. ,
Step B: Debinding the large laminated structure; and Step C: sintering the degreased large laminated structure obtained in Step B. Method.
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