JP7650479B2 - Linear resin molding - Google Patents
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Description
本発明は、線条樹脂成形体に関するものであり、特に、いわゆる3Dプリンタのような3次元オブジェクト(物体)を構築するモデリング装置等において、原料素材として用いられる線条樹脂成形体に関するものである。 The present invention relates to a linear resin molding, and in particular to a linear resin molding used as a raw material in modeling devices that construct three-dimensional objects, such as so-called 3D printers.
3次元オブジェクトの形成方法として、いわゆる3Dプリンタが注目されており、これまで実現することが難しかった複雑な形状の3次元オブジェクトも簡単に作製可能になってきている。3Dプリンタを用いれば、樹脂や金属等、任意の材料を積み重ねていくことにより、通常の方法では実現不可能な形状であっても加工することが可能である。 So-called 3D printers have been attracting attention as a method for forming three-dimensional objects, and it is now possible to easily create three-dimensional objects with complex shapes that were previously difficult to realize. By using a 3D printer, it is possible to process shapes that would be impossible to realize using normal methods by stacking any material, such as resin or metal.
3Dプリンタには、いくつかの方式のものが知られており、その中で樹脂ストランド(線条樹脂成形体)を押出して積層堆積させる方式(熱溶融積層方式)のものは、コスト面で有利であること等から、各方面で開発が進められている(例えば、特許文献1や特許文献2等を参照)。
There are several known types of 3D printers, among which the type that extrudes and stacks resin strands (linear resin moldings) (fused deposition modeling) is advantageous in terms of cost and is being developed in various fields (see, for example,
例えば、特許文献1の積層造形システムでは、造形材料であるフィラメントを押し出しヘッドに供給し、押し出しヘッドに搭載される液化機にてフィラメントを溶融し、ノズルを通して、溶融したフィラメントをベース上に押し出す。押し出しヘッド及びベースは、3Dモデルを形成するために相対的に移動し、多数の線状及び層状の材料を積層していき、3Dモデルを製造する。
For example, in the additive manufacturing system of
特許文献2には、押出による積層堆積システムの押出ヘッドへ改質ABS材料を送出すること、押出ヘッドの応答時間を向上させる条件下で、送出された改質ABS材料を押出ヘッドにおいて溶融すること、3Dオブジェクトを形成するために、溶融された熱可塑性プラスチック材料を一層毎に堆積させることとを含む3Dオブジェクトを構築する方法が開示されている。
この種の方法では、樹脂材料を溶融堆積するというのが基本的な考えであり、原料素材として樹脂のストランド(線条樹脂成形体)が用いられる。特許文献3や特許文献4には、原料素材として用いる樹脂ストランドや、その供給方法等についての開示がある。
The basic idea of this type of method is to melt and deposit a resin material, and resin strands (linear resin moldings) are used as the raw material.
特許文献3には、3次元物体を作成するための組成物が開示されているが、造形物を作製する押出機では、押出ヘッドに可撓性フィラメントとして供給している。フィラメントは、押出ヘッドが携帯する液化機内で溶融される。液化機は凝固点よりもわずかに高い温度にフィラメントを加熱して、これを溶融状態にする。溶融材料は液化機のオリフィスを通じて台座上に押し出される。 US Patent No. 5,399,633 discloses a composition for creating three-dimensional objects, which is fed as flexible filaments to an extrusion head in an extrusion machine that produces the model. The filaments are melted in a liquefier carried by the extrusion head. The liquefier heats the filaments to a temperature slightly above their freezing point, causing them to become molten. The molten material is extruded through an orifice in the liquefier onto a base.
特許文献4には、3次元堆積モデリング機械内でフィラメントを供給するフィラメントカセットおよびフィラメントカセット受器が開示されている。特許文献4では、フィラメントを簡便な様態でモデリング機械に係合および分離する方法を提供し、環境における湿気からフィラメントを保護する様態で実現され得るようにしている。
前述の3Dプリンタにおいては、造形用の樹脂材料として形状記憶ポリマーを用いることもできる。形状記憶ポリマーは、成形形状と変形形状とを熱による温度操作で使い分けることのできる樹脂である。形状記憶ポリマーの成形体は、形状記憶ポリマーのガラス転移温度(Tg)以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度で変形を加え、その形状を保持した状態でガラス転移温度以下まで冷却することにより、変形形状を固定し、また、ガラス転移温度以上、溶融温度未満又は分解温度未満の温度に加熱することにより、元の成形形状を回復する。 In the 3D printer described above, a shape memory polymer can also be used as the resin material for modeling. A shape memory polymer is a resin that can be used to change between a molded shape and a deformed shape by controlling the temperature with heat. A molded body of a shape memory polymer is deformed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature (Tg) of the shape memory polymer and lower than its melting temperature or decomposition temperature, and the deformed shape is fixed by cooling the molded body to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature and lower than its melting temperature or decomposition temperature while maintaining the shape. The original molded shape can be restored by heating the molded body to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature and lower than its melting temperature or decomposition temperature.
ただし、このような形状記憶ポリマーをフィラメントにして3Dプリンタに用いた場合、吸湿により性能が低下することがわかってきた。形状記憶ポリマーは、その形状変化・記憶特性から、例えば様々なサポータや矯正器具としての使用が期待されているが、湿潤な環境(例えば口腔内での歯列矯正サポータ等)での使用において、ある一定上以上吸湿してしまうと性能が低下してしまうことが判明しており、その改善が課題となっている。 However, it has been found that when such shape-memory polymers are used as filaments in 3D printers, their performance deteriorates due to moisture absorption. Due to their shape change and memory properties, shape-memory polymers are expected to be used, for example, as various supports and orthodontic appliances. However, it has been found that when used in a humid environment (such as orthodontic supports in the mouth), their performance deteriorates if they absorb moisture above a certain level, and improving this is an issue.
例えば特許文献4においては、環境における湿気からフィラメントを保護することが試みられているが、造形物の吸湿に関しては何ら考慮されていない。
For example,
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、形状記憶ポリマーを3次元造形した造形物の吸湿を防ぐことができ、例えば湿潤な環境においても性能を保つことが可能な線条樹脂成形体を提供することを目的とする。 The present invention was proposed in consideration of the above-mentioned conventional situation, and aims to provide a linear resin molding that can prevent moisture absorption in objects 3D-modeled from shape memory polymers and can maintain its performance even in humid environments, for example.
前述の目的を達成するために、本発明の線条樹脂成形体は、熱溶融積層方式の3Dプリンタに用いられる線条樹脂成形体であって、形状記憶ポリマーを含む内層材の外側にエチレン-ビニルアルコール共重合体からなる外層を有することを特徴とする。あるいは、形状記憶ポリマーを含む内層材の外側に無機層状化合物及び樹脂を含有する水蒸気バリア組成物からなる外層を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the linear resin molding of the present invention is a linear resin molding used in a fusion lamination deposition model 3D printer, characterized in that it has an outer layer made of an ethylene-vinyl alcohol copolymer on the outside of an inner layer material containing a shape memory polymer, or characterized in that it has an outer layer made of a water vapor barrier composition containing an inorganic layered compound and a resin on the outside of an inner layer material containing a shape memory polymer.
形状記憶ポリマーからなる内層材の周囲を水バリア材からなる外層で被覆することにより、形状記憶ポリマーからなる内層材の吸湿が防止され、形状記憶ポリマーの性能低下が抑えられる。 By covering the inner layer material made of a shape memory polymer with an outer layer made of a water barrier material, moisture absorption by the inner layer material made of a shape memory polymer is prevented, and deterioration of the performance of the shape memory polymer is suppressed.
本発明の線条樹脂成形体によれば、形状記憶ポリマーを3次元造形する際に、造形物の吸湿を防ぐことができ、例えば湿潤な環境においても性能を保つことが可能である。 The linear resin molding of the present invention can prevent moisture absorption in the object when three-dimensionally modeling a shape memory polymer, making it possible to maintain performance even in a humid environment, for example.
以下、本発明を適用した線条樹脂成形体の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本実施形態の線条樹脂成形体の説明に先立って、先ず、線条樹脂成形体が用いられる3Dプリンタについて説明する。 Below, an embodiment of a linear resin molding to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. However, before describing the linear resin molding of this embodiment, a 3D printer in which the linear resin molding is used will first be described.
3Dプリンタの基本的な仕組みは、コンピュータで作成した3Dデータを設計図として、断面形状を積層していくことで立体物すなわち3D(三次元)オブジェクトを作成するものである。その方法としては、例えば、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていくインクジェット方式、粉末の樹脂に接着剤を吹きつけていく粉末固着方式、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていく熱溶融積層方式などの方法がある。本実施形態に係る線条樹脂成形体は、熱溶融積層方式の3Dプリンタに用いられるものであり、例えばリールに巻回された状態で3Dプリンタに供給される。 The basic mechanism of a 3D printer is to use 3D data created by a computer as a blueprint, and to create a solid object, i.e. a 3D (three-dimensional) object, by layering cross-sectional shapes. Methods for this include, for example, the inkjet method, in which liquid resin is irradiated with ultraviolet light or the like to gradually harden it, the powder adhesion method, in which powdered resin is sprayed with adhesive, and the fused lamination method, in which resin melted by heat is layered little by little. The linear resin molded body according to this embodiment is used in a fused lamination method 3D printer, and is supplied to the 3D printer, for example, wound on a reel.
図1は、3Dプリンタの一例を示す図である。本例の3Dプリンタは、駆動機構1によって3次元駆動される造形用ヘッド2と、当該造形用ヘッド2に樹脂材料からなる線条樹脂成形体(フィラメント)10を供給するカートリッジ4とを主要な構成部材とする。カートリッジ4に巻回される線条樹脂成形体10は、前記造形用ヘッド2へと導かれ、加熱溶融されて造形用ヘッド2のノズル2Aから押し出され、これを堆積し冷却することで基台5上に3次元造形物Mが成形される。
Figure 1 is a diagram showing an example of a 3D printer. The main components of the 3D printer in this example are a
図2及び図3は、本実施形態の線条樹脂成形体10を示すものである。本実施形態の線条樹脂成形体10は、内層材11の周囲を外層12で被覆した形態を有しており、2層構成の線条樹脂成形体10である。
Figures 2 and 3 show the
線条樹脂成形体10を構成する各層の構成材料について説明すると、本実施形態の線条樹脂成形体10の内層材11は、造形後にガラス転移温度以上に熱することで容易に形状を変化させ、冷却することでそのまま形状を保持させ、さらにガラス転移温度以上に再加熱することで元の形状に復元する3Dモデルの形成を可能とするため、形状記憶ポリマーを用いる。
Regarding the materials used for each layer of the
形状記憶ポリマーは、形状記憶特性を有する材料である。形状記憶特性とは、所定の回復温度以上に加熱することによって弾性によって原形状に復帰する特性を有する。回復温度は、材料ごとに定まる温度であり、例えば0~100℃であり、好ましくは、25~80℃であり、具体的には例えば、0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100℃であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 A shape memory polymer is a material that has shape memory properties. Shape memory properties mean that the material elastically returns to its original shape when heated to a certain recovery temperature or higher. The recovery temperature is a temperature determined for each material, and is, for example, 0 to 100°C, and preferably 25 to 80°C, and specifically, for example, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100°C, and may be within a range between any two of the values exemplified here.
形状記憶ポリマーの回復温度は、ガラス転移温度(Tg)であり、Tg以上の温度で外力を加えて二次形状に賦形し、外力を維持したままTg未満の温度に冷却すると、二次形状が固定される。Tg未満の温度では、外力を取り除いても原形状に復帰しない。一方、二次形状が付された形状記憶ポリマーをTg以上の温度に加熱し、外力を加えない状態にすると、弾性によって原形状に復帰する。原形状は、例えば形状記憶ポリマーを溶融させて所望の形状に成形することによって設定することができる。形状記憶ポリマーとしては、ゴム弾性を有するポリマーが挙げられ、例えば、ポリノルボルネン、トランスポリイソプレン、スチレン-ブタジエン共重合体、ポリウレタンなどが挙げられる。 The recovery temperature of a shape-memory polymer is its glass transition temperature (Tg). When it is shaped into a secondary shape by applying an external force at a temperature equal to or higher than the Tg, and then cooled to a temperature below the Tg while maintaining the external force, the secondary shape is fixed. At temperatures below the Tg, it does not return to its original shape even when the external force is removed. On the other hand, when a shape-memory polymer with a secondary shape is heated to a temperature equal to or higher than the Tg and no external force is applied, it returns to its original shape due to its elasticity. The original shape can be set, for example, by melting the shape-memory polymer and molding it into the desired shape. Examples of shape-memory polymers include polymers with rubber elasticity, such as polynorbornene, trans-polyisoprene, styrene-butadiene copolymer, and polyurethane.
内層材11における形状記憶ポリマーの配合量は、100質量%であってもよく、成形性等を考慮して、他の材料を配合しても良い。他の材料を配合する場合には、40質量%~89質量%とすることが好ましく、60質量%~79質量%とすることがより好ましい。
The amount of shape memory polymer in the
線条樹脂成形体10において、内層材11に前記形状記憶ポリマーを単独で用いると、堆積時の熱による影響等により形状が崩れやすく、造形速度を上げることができないことがある。そこで、放熱性を改善することを目的に、内層材11に無機充填材を配合してもよい。
When the shape memory polymer is used alone in the
無機充填材としては、繊維状のものや粉体状のものを使用することができ、その材質も任意であるが、熱伝導性の高いものが好ましい。例示するならば、炭素繊維(カーボンファイバ)、ガラス繊維(ガラスファイバ)、タルク、ナノクレイ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等を挙げることができ、熱伝導性の良好なカーボンファイバやガラスファイバが好適である。なお、繊維状の無機充填材を用いた場合、造形後の形状の復元性も高いという利点もある。 As inorganic fillers, fibrous or powdery materials can be used, and the material can be any, but materials with high thermal conductivity are preferable. Examples include carbon fiber, glass fiber, talc, nanoclay, calcium carbonate, magnesium carbonate, etc., and carbon fiber and glass fiber, which have good thermal conductivity, are preferable. In addition, when using fibrous inorganic fillers, there is also the advantage that the shape can be easily restored after molding.
無機充填材の添加量は、要求される性能(放熱性等)に応じて設定すればよいが、好ましくは、3質量%~30質量%であり、より好ましくは5質量%~20質量%である。無機充填材の配合量が3質量%未満であると、無機充填材を配合することによる効果が不十分になるおそれがある。逆に無機充填材の配合量が30質量%を越えて多くなりすぎると、相対的に形状記憶ポリマーの割合が少なくなりすぎて、造形物の層間剥離が起きやすくなり、造形が難しくなるおそれがある。 The amount of inorganic filler added can be set according to the required performance (heat dissipation, etc.), but is preferably 3% to 30% by mass, and more preferably 5% to 20% by mass. If the amount of inorganic filler is less than 3% by mass, the effect of adding the inorganic filler may be insufficient. Conversely, if the amount of inorganic filler is too high, exceeding 30% by mass, the proportion of shape memory polymer becomes relatively too low, which may cause delamination of the molded object and make molding difficult.
前述のように、線条樹脂成形体10の内層材11が形状記憶ポリマーを含む場合、吸湿による性能低下が問題となる。そこで、本実施形態の線条樹脂成形体10では、内層材11を覆って外層12を形成している。
As mentioned above, when the
外層12は、水分子の侵入をバリアする水バリア材により形成すればよく、例えば無機材料を蒸着することで水蒸気バリア性を有する外層12を無機被膜として形成することも可能であるが、線条樹脂成形体10の成形性や融着性等を考えると、水分子の侵入をバリアする水バリア性の熱可塑性樹脂であることが好ましい。
The
ここで、水分子の侵入をバリアする水バリア性の熱可塑性樹脂とは、吸水性の低い材料、または水蒸気バリア性を有する材料であり、例えば吸水性が低い材料とは、日本工業規格(JIS) K 7209「プラスチックの吸水率の求め方」に準じて測定される吸水率が0.1%以下の材料、好ましくは0.05%以下の材料である。具体的に例示するならば、ポリエチレン、ポリプロピレン、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂等を挙げることができる。 Here, the thermoplastic resin with water barrier properties that prevents the intrusion of water molecules is a material with low water absorption or a material with water vapor barrier properties. For example, a material with low water absorption is a material with a water absorption rate of 0.1% or less, preferably 0.05% or less, measured according to Japanese Industrial Standards (JIS) K 7209 "Determination of water absorption rate of plastics". Specific examples include polyethylene, polypropylene, liquid crystal polymer, polyphenylene sulfide, fluororesin, etc.
水蒸気バリア性を有する熱可塑性樹脂としては、例えばエチレン- ビニルアルコール共重合体樹脂を用いることが好ましい。エチレン-ビニルアルコール共重合樹脂は、エチレン-酢酸ビニル共重合体けん化物からなるものであり、公知のものがいずれも使用可能である。エチレン-ビニルアルコール共重合樹脂において、好ましくは、エチレン含有量が20~70モル%、酢酸ビニルのけん化度が95モル%以上であり、より好ましくは、エチレン含有量が25~50モル%、酢酸ビニルのけん化度が98モル%以上である。けん化度が低いと水蒸気バリア性が低下するおそれがある。 As a thermoplastic resin having water vapor barrier properties, for example, an ethylene-vinyl alcohol copolymer resin is preferably used. The ethylene-vinyl alcohol copolymer resin is made of a saponified ethylene-vinyl acetate copolymer, and any known resin can be used. In the ethylene-vinyl alcohol copolymer resin, the ethylene content is preferably 20 to 70 mol %, and the degree of saponification of vinyl acetate is preferably 95 mol % or more, and more preferably the ethylene content is 25 to 50 mol %, and the degree of saponification of vinyl acetate is 98 mol % or more. If the degree of saponification is low, the water vapor barrier properties may be reduced.
あるいは、無機粒子及び樹脂を含有する水蒸気バリア組成物を用いることことも可能である。水蒸気バリア組成物は、熱処理により例えば熱硬化性樹脂が接触して硬化すると、無機粒子が規則的に並ぶことで気体が透過し難くなり、いわゆる迷路効果により水蒸気バリア性を発揮するものである。 Alternatively, it is also possible to use a water vapor barrier composition containing inorganic particles and a resin. When the water vapor barrier composition is cured by heat treatment, for example by contact with a thermosetting resin, the inorganic particles are regularly arranged, making it difficult for gas to pass through, and the so-called maze effect is what exerts water vapor barrier properties.
したがって、無機粒子は、いわゆる無機層状化合物であることが好ましい。無機層状化合物は、単位結晶層が互いに積み重なって層状構造を形成しているものであり、具体例としては、グラファイト、リン酸塩系誘導体型化合物(リン酸ジルコニウム系化合物等)、カルコゲン化物、ハイドロタルサイト類化合物、リチウムアルミニウム複合水酸化物、粘土系鉱物等を挙げることができる。粘土系鉱物としては、カオリナイト等のカオリナイト-蛇紋石族の粘土鉱物、タルク等のタルク-パイロフィライト族の粘土鉱物、モンモリロナイト等のスメクタイト族の粘土鉱物、バーミキュライト族の粘土鉱物、テトラシリリックマイカ等のマイカ族の粘土鉱物、ザンソフィライト等の脆雲母族の粘土鉱物、クリノクロア等の緑泥石族の粘土鉱物等である。 Therefore, the inorganic particles are preferably so-called inorganic layered compounds. Inorganic layered compounds are compounds in which unit crystal layers are stacked on top of each other to form a layered structure, and specific examples include graphite, phosphate derivative compounds (zirconium phosphate compounds, etc.), chalcogenides, hydrotalcite compounds, lithium aluminum composite hydroxides, clay minerals, etc. Clay minerals include kaolinite-serpentine clay minerals such as kaolinite, talc-pyrophyllite clay minerals such as talc, smectite clay minerals such as montmorillonite, vermiculite clay minerals, mica clay minerals such as tetrasilylic mica, brittle mica clay minerals such as xanthophyllite, and chlorite clay minerals such as clinochlore.
樹脂としては、例えばポリビニルアルコール(PVA)、エチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、多糖類、ポリアクリル酸およびそのエステル類、ポリメタアクリル酸およびそのエステル類、アミド樹脂、イミド樹脂、エステル樹脂、一分子中に2種類以上の官能基を有する樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。 Examples of resins include polyvinyl alcohol (PVA), ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH), polyvinylidene chloride, polyacrylonitrile, polysaccharides, polyacrylic acid and its esters, polymethacrylic acid and its esters, amide resins, imide resins, ester resins, resins with two or more types of functional groups in one molecule, urethane resins, epoxy resins, phenolic resins, and melamine resins.
前記水蒸気バリア組成物としては市販のものが使用可能であり、例えば住友化学社製、商品名EXCEVIER NOH1200、商品名EXCEVIER NOH2200等を挙げることができる。 Commercially available water vapor barrier compositions can be used, such as those manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. under the trade name EXCEVIER NOH1200 and EXCEVIER NOH2200.
外層12の形成方法としては内層材11を覆って被膜を形成することが可能な方法であれば如何なる方法で形成してもよく、例えば共押出しにより内層材11と外層12を同時に形成することができる。あるいは、ディッピング(浸漬)や塗布等の方法により形成してもよい。
The
外層12の厚さも任意であるが、十分な吸湿防止効果を得ること、形状記憶性に悪影響を与えないこと等を考慮すると、数μm~数十μm程度とすることが好ましい。
The thickness of the
また、前述のように外層12を形成する場合、内層材11と外層12の剥離が懸念される場合には、内層材11と外層12の間に接着層を形成することも可能である。この場合、線条樹脂成形体10は3層構成ということになる。
In addition, when forming the
以上のような構成の線条樹脂成形体10の各層(内層材11や外層12)には、前記各材料の他、着色剤等、仕様等に応じて各種添加物を添加することも可能である。線条樹脂成形体10の層数も、2層や3層に限られず、必要に応じて層数をさらに増やすことも可能である。線条樹脂成形体10の外径寸法も、求められる仕様に応じて適宜設定可能であり、例えば直径1.75mm程度のフィラメントとする。あるいは、線条樹脂成形体10からなる構造体において、線条樹脂成形体10は偏平形状となるが、そのときの長径が0.4mm、短径が0.2mmとなるような線径のフィラメントとする。
In addition to the above-mentioned materials, various additives such as colorants can be added to each layer (
次に、線条樹脂成形体の製造方法(製造ライン)の一例について説明する。図4に示すように、線条樹脂成形体10の製造ライン30は、押出機31、金型32、サイジング装置33、水槽37、固定ローラ41、外径寸法測定装置42及び巻き取り装置43を含む。
Next, an example of a method (production line) for producing a filamentary resin molding will be described. As shown in FIG. 4, the
押出機31は、原料樹脂組成物を溶融混練し、これを連続的に金型32へと供給するもので、例えばスクリューが内蔵されるシリンダ、原料投入用のホッパ、射出ノズル等を備えて構成されている。原料投入用のホッパから投入された原料樹脂組成物は、シリンダ内でスクリューにより溶融混練され、射出ノズルから金型32へ射出される。
The
金型32は、押出機31からの溶融樹脂を水平方向に押し出すものであり、ここから押し出された溶融樹脂が冷却されて線条樹脂成形体10となる。原料樹脂組成物は、前述の形状記憶ポリマー及び水分子に対してバリア性を有する熱可塑性樹脂であり、これらを外側が水バリア性樹脂の層となるように共押出しする。
The
水槽37は、押出機31から押し出された線条樹脂成形体10の搬送方向に沿って長い箱状に形成される。線条樹脂成形体10は、水槽37の一端の壁から水槽37内に導入され、水槽37の他端の壁から導出される。水槽37には、線条樹脂成形体10を浸漬させ、線条樹脂成形体10を冷却する水37aが貯留される。
The
サイジング装置33は、水槽37の一端の壁の内側に配置されており、押出機31から水槽37内に送られた線条樹脂成形体10の断面を真円にし、かつ、線条樹脂成形体10の外径寸法を所定の寸法に均一化させる機能を有する。
The sizing
固定ローラ41は、サイジング装置33を経て水槽37内において線条樹脂成形体10の姿勢を安定させ、かつ、巻き取り装置43側に向けて線条樹脂成形体10を搬送する。
The fixed
外径寸法測定装置42は、水槽37で冷却された線条樹脂成形体10の外径寸法を測定する。巻き取り装置43は、外径寸法測定装置42を経た線条樹脂成形体10を挟んで下流側に搬送する上下一対の巻き取りローラ43aと、巻き取りローラ43aの下流側に配置され、線条樹脂成形体10を巻き取る巻き取り軸43cを有するボビン巻き取り機43bとを備える。
The outer
線条樹脂成形体10の製造方法は、押出工程、サイジング工程、冷却工程、寸法測定工程及び巻き取り工程を含む。押出工程では、押出機31においてホッパ31aから投入された樹脂ペレットを溶融し、溶融した樹脂を金型32から押し出す。押し出された線条樹脂成形体10の外径はD1である。
The manufacturing method of the
サイジング工程では、線条樹脂成形体10が搬送通路に沿って走行することで、搬送通路の内径に合わせた均一な外径D2に形成される。冷却工程では、線条樹脂成形体10が水槽37を通過することにより冷却され、線条樹脂成形体10の外径が縮径される。
In the sizing process, the
寸法測定工程では、線条樹脂成形体10の外径を測定し、測定値が適正な大きさであるか否かを判定する。線条樹脂成形体10の外径が規格外である場合、外径が規格内になるように、各製造条件を見直す。巻き取り工程では、線条樹脂成形体10の外径が規格内である場合、巻き取り装置43の巻き取りローラ43aでボビン巻き取り機43bに送り、巻き取り軸43cに線条樹脂成形体10の連続体を巻き取っていく。所定長さの線条樹脂成形体10が巻き取り軸43cに巻き取られたら、新しい巻き取り軸43cに線条樹脂成形体10を巻き取るようにする。
In the dimension measurement process, the outer diameter of the
以上の通り、形状記憶ポリマーからなる内層材11の外側に水バリア性を有する外層12を形成するこで、吸湿による性能低下が確実に抑えられる。
As described above, by forming an
また、内層材11に無機フィラーを充填させることで、高い剛性を造形物に持たせることができ、さらに復元する力をより向上させることが可能な形状記憶性を有する線条樹脂成形体を提供することができる。例えば、従来の形状記憶ポリマーを用いたフィラメントでは、3Dプリンタで3Dモデルを造形する際に、モデルの形状によっては造形が困難であったが、ガラスファイバーやカーボンファイバーを配合したフィラメントでは造形性が向上して、問題なく造形することができる。
Furthermore, by filling the
さらに、従来の形状記憶ポリマーでは剛性が低く、活用できる用途が限られていたが、ガラスファイバーやカーボンファイバーを配合したフィラメントを使用することで、強度が高く、且つ、高い復元する力を持たせて機能性を大きく改善することができる。したがって、形状記憶ポリマーに無機充填材を配合することで様々な機能性を付与した線条樹脂成形体を製造することが可能であり、より機能性を付与したモデリングが可能となる。すなわち、本実施形態の線条樹脂成形体を熱溶融積層方式の3Dプリンタによって成形することで形成される構造体は、吸湿による性能劣化が少ないことから、例えば歯列矯正具等に用いることができる。 Furthermore, while conventional shape memory polymers have low rigidity and limited applications, the use of filaments containing glass fiber or carbon fiber provides high strength and high recovery, greatly improving functionality. Therefore, by adding inorganic fillers to shape memory polymers, it is possible to manufacture linear resin molded bodies with various functionalities, enabling modeling with more functionality. In other words, the structure formed by molding the linear resin molded body of this embodiment with a 3D printer using the fused deposition modeling method is less susceptible to performance degradation due to moisture absorption, and can be used, for example, for orthodontic appliances.
以上、本発明を適用した実施形態についてを説明してきたが、本発明が前述の実施形態に限られるものでないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。 The above describes an embodiment of the present invention, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
(線条樹脂成形体の作製)
実施例1
ポリウレタン系形状記憶ポリマー(SMPテクノロジー社製、商品名MM-5520)を原料として用い、これを押出機にて溶融混練した後、ダイコアへ供給し、ダイコアに設けられた口金から引出した。この時、エチレン-ビニルアルコール共重合体を共押出しすることで、ポリウレタン系形状記憶ポリマーを内層材、ポリエチレンを外層とする線条樹脂成形体とした。
(Preparation of linear resin molded body)
Example 1
A polyurethane-based shape-memory polymer (manufactured by SMP Technology, product name MM-5520) was used as a raw material, which was melt-kneaded in an extruder, fed to a die core, and drawn out from a die provided on the die core. At this time, an ethylene-vinyl alcohol copolymer was co-extruded to form a filamentary resin molding having a polyurethane-based shape-memory polymer as an inner layer material and polyethylene as an outer layer.
口金である程度線径や線形を整えて線条樹脂成形体に賦形した後、冷却固化する水槽の入口部にサイジングを設けて、このサイジング部において線条樹脂成形体の最終的な断面形状(線径および線形)を整えた。サイジング部において形状を賦形した後、水槽にて冷却固化して、巻取機にて巻取りを行なった。さらに、巻取機から送り出された線条樹脂成形体はボビンに巻き取った。 After the wire diameter and linearity were adjusted to a certain extent using a die to form a filamentary resin molding, a sizing unit was provided at the entrance of the water tank where the resin was cooled and solidified, and the final cross-sectional shape (wire diameter and linearity) of the filamentary resin molding was adjusted in this sizing unit. After the shape was formed in the sizing unit, the resin molding was cooled and solidified in the water tank, and then wound up by a winder. The filamentary resin molding sent out from the winder was then wound up on a bobbin.
実施例2
ポリエチレンの代わりにエチレン-ビニルアルコール共重合体を外層とし、他は実施例1と同様に線条樹脂成形体を作製した。
Example 2
A filamentous resin molding was prepared in the same manner as in Example 1, except that an ethylene-vinyl alcohol copolymer was used as the outer layer instead of polyethylene.
比較例1
ポリウレタン系形状記憶ポリマー(SMPテクノロジー社製、商品名MM-5520)のみを原料として用い、単層の線条樹脂成形体を作製した。
Comparative Example 1
A single-layer filamentary resin molding was produced using only a polyurethane-based shape memory polymer (manufactured by SMP Technology, product name MM-5520) as a raw material.
実施例3
比較例1で作製した単層の線条樹脂成形体の外周面に水蒸気バリア組成物(住友化学社製、商品名EXCEVIER NOH1200)を塗布して外層を形成し、2層構成の線条樹脂成形体を得た。
Example 3
A water vapor barrier composition (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., product name EXCEVIER NOH1200) was applied to the outer peripheral surface of the single-layer filamentary resin molding produced in Comparative Example 1 to form an outer layer, thereby obtaining a two-layer filamentary resin molding.
(効果の確認)
作製した線条樹脂成形体を用い、3Dプリンタ(ボンサイラボ社製、商品名BS-01)にて3Dモデルの造形を行い、湿潤な環境下に保管する前後の造形物の復元力を引張試験にて剛性を測定することで評価した。なお、造形物を造形する際の条件として、215℃にて造形した。
(Verification of effectiveness)
The produced filamentous resin molded body was used to print a 3D model using a 3D printer (manufactured by Bonsai Lab, product name BS-01), and the restoring force of the molded object before and after storage in a humid environment was evaluated by measuring the rigidity using a tensile test. Note that the molded object was molded at 215°C.
復元力の強度は、長さ75mm×幅10mm×厚さ1mmの造形物を3Dプリンタにて造形した物を用いて、恒温槽付き万能試験機(万能試験機:島津製作所社製 商品名AGS-X 10kN、恒温槽:島津製作所社製 商品名TCRIA-200P)を使用し、以下の手順にて測定した。すなわち、先ず初めに、恒温槽内75℃雰囲気下でチャック間距離50mmにて造形物を挟んだ後、クロスヘッドを移動させて5mm引っ張った。その後、恒温槽内を35℃にした後、荷重がゼロになるまでクロスヘッドを下げ、再び恒温槽内を75℃に昇温させた際に万能試験機に掛かった力を復元力として測定した。 The strength of the restoring force was measured using a 75 mm long x 10 mm wide x 1 mm thick model created with a 3D printer, using a universal testing machine with a thermostatic chamber (Universal testing machine: Shimadzu Corporation, product name AGS-X 10kN; thermostatic chamber: Shimadzu Corporation, product name TCRIA-200P) in the following procedure. That is, first, the model was clamped with a chuck distance of 50 mm in an atmosphere of 75°C in the thermostatic chamber, and then the crosshead was moved and pulled 5 mm. After that, the temperature inside the thermostatic chamber was raised to 35°C, and the crosshead was lowered until the load became zero, and the temperature inside the thermostatic chamber was raised again to 75°C, and the force applied to the universal testing machine was measured as the restoring force.
その結果、水バリア性の外層を有する実施例1~3では、湿潤な環境下の保管する前後で復元力がほとんど変わらなかったが、形状記憶ポリマー単層の比較例1では、湿潤な環境下に保管した後には明らかな性能低下(復元力の低下)が見られた。 As a result, in Examples 1 to 3, which had a water-barrier outer layer, the restoring force was almost unchanged before and after storage in a humid environment, but in Comparative Example 1, which had a single layer of shape-memory polymer, a clear decrease in performance (decrease in restoring force) was observed after storage in a humid environment.
1 駆動機構
2 造形用ヘッド
4 カートリッジ
5 基台
10 線条樹脂成形体
11 内層材
12 外層
30 製造ライン
31 押出機
32 金型
33 サイジング装置
37 水槽
42 外径寸法測定装置
43 巻き取り装置
REFERENCE SIGNS
Claims (2)
形状記憶ポリマーを含む内層材の外側に無機層状化合物及び樹脂を含有する水蒸気バリア組成物からなる外層を有し、
前記外層は、熱硬化性樹脂が接触して硬化することにより無機層状化合物が規則的に並んでおり、
前記内層材と外層の間に接着層を有することを特徴とする線条樹脂成形体。 A filamentary resin molded body used in a fused deposition model 3D printer,
The inner layer material includes a shape memory polymer, and an outer layer is formed of a water vapor barrier composition containing an inorganic layered compound and a resin on the outer side of the inner layer material.
the outer layer is formed of an inorganic layered compound regularly arranged by contacting and curing a thermosetting resin;
The linear resin molding further comprises an adhesive layer between the inner layer material and the outer layer .
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