JP2018130871A - ３次元印刷装置用フィラメント - Google Patents
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Abstract
【課題】３次元印刷装置内においてフィラメントの良好な送り出しを可能とし、かつ、立体造形品に形状外の機能、例えば、香りを付与できる３次元印刷装置用フィラメントを提供すること。【解決手段】本発明では、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となる３次元印刷装置用フィラメントであって、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを８５重量％：１５重量％から１重量％：９９重量％までの任意の割合で含有させた。【選択図】 図１５
Description
本発明は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となる３次元印刷装置用フィラメントに関する。
従来より、試作品や治具等の立体造形品の作成には３次元印刷装置が利用されている。３次元印刷装置は３Ｄプリンターとも称され、３次元印刷装置はコンピュータ上に取り込まれた立体図面データに従って樹脂等の原材料から立体造形品を造形することができる。
立体造形品を造形する方法には種々の方法があり、その１つに熱溶解積層法（ＦＤＭ）が存在する。熱溶解積層法（ＦＤＭ）は、熱可塑性樹脂等の原料フィラメントをヘッドに設けられたヒーターにより加熱溶解しながらノズルから吐出し、ノズルを例えば平面方向に稼動させて立体造形品の第一層を形成し、次に第一層の上面に第二層、第三層というように積層させていくことにより立体造形品を得る方法である。
このような従来の熱溶解積層法（ＦＤＭ）の３次元印刷装置にあっては、例えば、ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂といったショアＡ硬度が大きい硬質樹脂から成る硬質フィラメントや、加工性や流動性を向上させるためにポリ乳酸と熱可塑性エラストマーから成る軟質フィラメントを用いて立体造形物を作製している（特許文献１）。
３次元印刷装置は、供給を受けたフィラメントを送り出し用のローラーで挟持して吐出用ヘッドまで搬送し、ヘッド部ヒーターで熱溶解しノズル部から吐出して立体造形物を形成していく。このフィラメントの断面形状が楕円やその他の偏った形状であると、上記ローラーとの接点に作用する挟持力などが強くなったり弱くなったりして、フィラメントが折れたり或いは送り出せなくなるという搬送不良を引き起こす。
従って、フィラメントは、その長さ方向の広い範囲に亘って断面の形状が真円に近いほど好ましい。
従って、フィラメントは、その長さ方向の広い範囲に亘って断面の形状が真円に近いほど好ましい。
また、フィラメントの搬送不良は、ヘッド部ノズルからの吐出ムラや吐出エラーとなって現れ、コンピュータ上に取り込まれた立体図面データの再現精度に関係する。
上述のフィラメントに求められる技術的要求により、原料であるフィラメントに立体的な造形という目的を超えた付加機能（例えば、香りや防塵効果）を付与して造形品の付加価値を高め利用範囲を広げることは困難である。
一般に上記付加機能を与える添加剤（以下、機能剤）は、純粋に立体造形の目的で開発されたポリ乳酸樹脂製のフィラメントなどにとって目的外の異物である。
その結果、付加機能を持つフィラメントは、これを持たない（例えばポリ乳酸樹脂のみの）フィラメントと比べて断面形状が不均一なものになり、搬送の不良や再現精度の低下をもたらす可能性がある。
従って、３次元印刷装置内においてフィラメントの良好な送り出しを可能とし、かつ、立体造形品に形状外の機能、例えば、香りを付与できる３次元印刷装置用フィラメントが従来より要請されていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、３次元印刷装置内においてフィラメントの良好な送り出しを可能とし、かつ、立体造形品に形状外の機能を付与できる３次元印刷装置用フィラメントを提供することを課題とする。
上述した課題を解決するため、請求項１に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となる３次元印刷装置用フィラメントであって、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを８５重量％：１５重量％から１重量％：９９重量％までの任意の割合で含有することを特徴とする。
「ポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂」は、乳酸をエステル結合によって重合して生成する合成樹脂である。融点が１７０℃でショアＡ硬度が１００以上である。
ここで、ショアＡ硬度とは、ＪＩＳ Ｋ ７２１５（プラスチック）、又はＪＩＳ Ｋ ６２５３（加硫ゴム及び熱可塑性ゴム）に規定された方法においてタイプＡデュロメータを用いて測定される硬度である。樹脂やゴムにおける硬質及び軟質の定義は種々のものがあるが、ここではショアＡ硬度が９５以上のものを硬質、ショアＡ硬度が９５以下のものを軟質と呼ぶこととする。
ここで、ショアＡ硬度とは、ＪＩＳ Ｋ ７２１５（プラスチック）、又はＪＩＳ Ｋ ６２５３（加硫ゴム及び熱可塑性ゴム）に規定された方法においてタイプＡデュロメータを用いて測定される硬度である。樹脂やゴムにおける硬質及び軟質の定義は種々のものがあるが、ここではショアＡ硬度が９５以上のものを硬質、ショアＡ硬度が９５以下のものを軟質と呼ぶこととする。
「熱可塑性エラストマー」は、オレフィン系エラストマー及びスチレン系エラストマーを含む概念である。
オレフィン系エラストマーとは、ポリプロピレンの中にポリエチレン−ポリプロピレンゴム（ＥＰＤＭ、ＥＰＭ）を分散させた熱可塑性エラストマーであり、常温でゴムのような柔軟性と復元性とを備えると共に、大きな摩擦係数を有し、一般の樹脂と同様に成形加工のできる合成樹脂である。
スチレン系エラストマーとは、ポリスチレンとポリエチレン−ポリブチレンとをブロック共重合させた熱可塑性エラストマーであり、ポリスチレンのドメインが物理架橋点となり架橋ゴムの架橋点に相当する役割を果たすため、弾性体としての性質を示す。一方で、１４０〜２３０℃の射出または押出成形可能な温度になるとポリスチレン部分もポリエチレン・ポリブチレンの部分も共に溶融され、熱可塑性樹脂としての流動特性を示す。
請求項２に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項１に記載の構成に加え、前記ポリ乳酸樹脂とオレフィン系樹脂とを６０重量％：４０重量％から３０重量％：７０重量％までの任意の割合で含有することを特徴とする。
「オレフィン系樹脂」は、オレフィン系エラストマーを含む概念である。
請求項３に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項１に記載の構成に加え、前記ポリ乳酸樹脂とスチレン系樹脂とを６０重量％：４０重量％から３０重量％：７０重量％までの任意の割合で含有することを特徴とする。
「スチレン系樹脂」は、スチレン系エラストマーを含む概念である。
請求項４に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項１に記載の構成に加え、前記熱可塑性エラストマーは、鉱物油系可塑剤を４０重量％から７０重量％の任意の割合で含有することを特徴とする。
「可塑剤」は、熱可塑性合成樹脂に加えて柔軟性や対候性を改良するための添加薬品類の総称である。
「鉱物油」は、鉱油とも呼ばれ、石油（原油）、天然ガス、石炭など地下資源由来の炭化水素化合物もしくは不純物をも含んだ混合物の総称である。一般的には、鉱物油は、パラフィン系オイル、ナフテン系オイルまたは高級脂肪酸のいずれかに分類される。
「鉱物油」は、鉱油とも呼ばれ、石油（原油）、天然ガス、石炭など地下資源由来の炭化水素化合物もしくは不純物をも含んだ混合物の総称である。一般的には、鉱物油は、パラフィン系オイル、ナフテン系オイルまたは高級脂肪酸のいずれかに分類される。
請求項５に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項１に記載の構成に加え、前記ポリ乳酸樹脂及び前記熱可塑性エラストマーの混合物と、前記立体造形物に対して形状以外の性質を与える機能剤とが混合して成ることを特徴とする。
機能剤は、３次元印刷装置用フィラメントによって製造される立体造形品に対して形状以外の機能を付与しうる有効成分を含有し、例えば、数十ナノメーターから数百ナノメーターの厚さの界面膜を持つエマルジョン液滴から成る。機能剤としては、ＳＲＯＰＥ（登録商標）を用いることができる。
請求項６に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項５に記載の構成に加え、前記機能剤を２０重量％以下の任意の割合で混合されることを特徴とする。
請求項７に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項５に記載の構成に加え、前記有効成分は、植物精油、潤滑油、芳香族エステル、又はパラベンのうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする。
請求項１〜請求項４に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、ポリ乳酸と熱可塑性エラストマーとを所定の割合で含有することで、ポリ乳酸から成るフィラメントと比較し、フィラメントの断面形状のムラを抑えやすくなる。
その結果、フィラメントの断面形状を真円に近づけることが容易となり、３次元印刷装置内でフィラメントとフィラメントを挟持して送り出すローラーとの接点に作用する挟持力が安定し、搬送不良が低減する。また、フィラメントの搬送不良が低減するため、ヘッド部ノズルからの吐出ムラが低減しコンピュータ上に取り込まれた立体図面データの再現精度を高めることができる。
また、ポリ乳酸と熱可塑性エラストマーを上記重量比で組合わせることにより、例えばＳＲＯＰＥ（登録商標）などの機能剤を含有させたとしても断面形状を真円に近づけることが容易なフィラメントを実現できる。
従って、３次元印刷装置内においてフィラメントの良好な送り出しを可能とし、かつ、立体造形品に形状外の機能を付与できる３次元印刷装置用フィラメントを提供することができる。
請求項５及び請求項６に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、請求項１の効果を発揮しつつ、立体造形品に対して形状以外の性質を与えることができ、立体造形品の用途価値が広がる。
ＳＲＯＰＥ（登録商標）は、エマルジョンの構造で存在する有効成分を有しているため、有効成分がエマルジョンの構造を持たない機能剤と比べて有効成分の放出が穏やかに進む。
請求項７に記載の３次元印刷装置用フィラメントにあっては、立体造形品に対して芳香、防塵、防虫、防カビ、又は抗菌の効果を付与できる。
添付図面を参照して、本発明に係る３次元印刷装置用フィラメントの実施形態を説明する。
［フィラメントの製造工程］
本実施形態に係る３次元印刷装置用フィラメントは、一般的な押出成形機（図示せず）により製造される。
例えば、６５φの押出機を用い、シリンダー温度はダイス１５０〜１８０℃、計量部１６０〜２００℃、圧縮部１６０〜２００℃、供給部１５０〜１８０℃である。
［フィラメントの製造工程］
本実施形態に係る３次元印刷装置用フィラメントは、一般的な押出成形機（図示せず）により製造される。
例えば、６５φの押出機を用い、シリンダー温度はダイス１５０〜１８０℃、計量部１６０〜２００℃、圧縮部１６０〜２００℃、供給部１５０〜１８０℃である。
また、限界温度は２４０℃、冷却水槽内の冷却水の温度は８〜１５℃、ダイ・サイザー間距離２〜５ｃｍ、引き落とし率０．８７〜０．９２、サイジング方式はドライバキュームである。
本実施形態に係る３次元印刷装置用フィラメントにあっては、ポリ乳酸樹脂のペレットと熱可塑性エラストマーのペレットとを合計１００重量％となるように混合した後に、押出成形機の注入口に混合したペレットを入れ、加熱しながらスクリューを回転させ樹脂を溶融させながら送り出し、先端の金型より、押し出して冷却水槽にて冷却・固化させて、直径１．７５ｍｍのフィラメントとして製造する。
[３次元印刷装置]
本実施形態の３次元印刷装置用フィラメントが適用される３次元印刷装置（図示せず）は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用しており、データ処理部とデータ処理部より供給される制御信号に基づいて３次元印刷を行う印刷部とを有して構成されている。
本実施形態の３次元印刷装置用フィラメントが適用される３次元印刷装置（図示せず）は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用しており、データ処理部とデータ処理部より供給される制御信号に基づいて３次元印刷を行う印刷部とを有して構成されている。
印刷部は、ヒーター部とノズル部とを備えたヘッド部を有し、ヘッド部は原料フィラメントをノズル部へ供給するドライブギアとローラーを有し、ドライブギアには溝部が設けられている。
本実施形態に係る３次元印刷装置にあっては、原料フィラメントをドライブギアとローラーにより挟持しながら繰り出してヘッド部へと搬送し、ヒーター部によって溶解された３次元印刷装置用フィラメントがノズル部から吐出されて印刷物が形成されるように構成されている。
［原材料］
＜ポリ乳酸樹脂＞
本発明におけるポリ乳酸樹脂は純度９５％以上で、５％未満の添加剤を含んでおり、融点は１７０℃である。また、本発明におけるポリ乳酸樹脂は、Ｄ体含有量が１．０モル％以下であるか、または、Ｄ体含有量が９９．０モル％以上であることが必要であり、特に、１〜０．６モル％であるか、または、９９．４〜９９．９モル％であることが好ましい。
＜ポリ乳酸樹脂＞
本発明におけるポリ乳酸樹脂は純度９５％以上で、５％未満の添加剤を含んでおり、融点は１７０℃である。また、本発明におけるポリ乳酸樹脂は、Ｄ体含有量が１．０モル％以下であるか、または、Ｄ体含有量が９９．０モル％以上であることが必要であり、特に、１〜０．６モル％であるか、または、９９．４〜９９．９モル％であることが好ましい。
Ｄ体含有量がこの範囲内であることにより、結晶性能に優れるため、成形性に優れる（成形サイクルが短くなる）とともに、得られる成形体は耐熱性が向上したものとなる。
＜熱可塑性エラストマー＞
本発明における熱可塑性エラストマーは、オレフィン系樹脂又はスチレン系樹脂と鉱物油系可塑剤を含有する。具体的には、オレフィン系樹脂又はスチレン系樹脂と鉱物油系可塑剤の重量混合比（オレフィン系樹脂（又はスチレン系樹脂）：鉱物油系可塑剤）が、例えば、２５重量％：７５重量％〜６０重量％：４０重量％であり、可塑化点（可塑化温度）は１００〜１７０℃である。
本発明における熱可塑性エラストマーは、オレフィン系樹脂又はスチレン系樹脂と鉱物油系可塑剤を含有する。具体的には、オレフィン系樹脂又はスチレン系樹脂と鉱物油系可塑剤の重量混合比（オレフィン系樹脂（又はスチレン系樹脂）：鉱物油系可塑剤）が、例えば、２５重量％：７５重量％〜６０重量％：４０重量％であり、可塑化点（可塑化温度）は１００〜１７０℃である。
＜スチレン系樹脂＞
本発明におけるスチレン系樹脂は、ハードセグメントであるポリスチレンブロックと、ソフトセグメントである共役ジエン重合体ブロックとを有し、低温では加硫ゴム状物性を示し、加熱状態では加熱溶融して流動性を示す。
本発明におけるスチレン系樹脂は、ハードセグメントであるポリスチレンブロックと、ソフトセグメントである共役ジエン重合体ブロックとを有し、低温では加硫ゴム状物性を示し、加熱状態では加熱溶融して流動性を示す。
スチレン系エラストマーとしては、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体（ＳＩＳ）、スチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン−エチレン／プロピレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）、部分水添スチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロック共重合体（部分水添ＳＥＢＳ）、スチレン・（エチレン−エチレン／プロピレン）−スチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）等が例示される。ＳＥＢＳやＳＥＥＰＳを使用すると、透明性が向上しかつ優れた滑り止め性が得られる。
＜鉱物油系可塑剤＞
本発明においては、熱可塑性エラストマーにおける可塑剤として、鉱物油系可塑剤を用いている。本発明にあっては、公知のパラフィン系オイル、ナフテン系オイル等の鉱物油を用いることができるが、その中でも、スチレン系エラストマーに対する相溶性が良好なパラフィンを主成分とした精製石油パラフィン系炭化水素油である鉱物油を用いるのが好ましい。
本発明においては、熱可塑性エラストマーにおける可塑剤として、鉱物油系可塑剤を用いている。本発明にあっては、公知のパラフィン系オイル、ナフテン系オイル等の鉱物油を用いることができるが、その中でも、スチレン系エラストマーに対する相溶性が良好なパラフィンを主成分とした精製石油パラフィン系炭化水素油である鉱物油を用いるのが好ましい。
＜ＳＲＯＰＥ（登録商標）＞
機能剤としてのＳＲＯＰＥ（登録商標）は、ＰＥ（ポリエチレン）ベースのＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）、及びＰＰ（ポリプロピレン）ベースのＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）の２種類を用意した。
機能剤としてのＳＲＯＰＥ（登録商標）は、ＰＥ（ポリエチレン）ベースのＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）、及びＰＰ（ポリプロピレン）ベースのＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）の２種類を用意した。
３次元印刷装置用フィラメントとして下記の比較例１〜３及び実施例１〜１０を用意し、夫々、断面形状の真円度の測定を行った。
[比較例１]
比較例１のフィラメントは、１００重量％のポリ乳酸樹脂の原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
比較例１のフィラメントは、１００重量％のポリ乳酸樹脂の原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[比較例２]
比較例２のフィラメントは、１００重量％のポリ乳酸樹脂の原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）の機能剤ペレットとを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
比較例２のフィラメントは、１００重量％のポリ乳酸樹脂の原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）の機能剤ペレットとを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[比較例３]
比較例２のフィラメントは、１００重量％のポリ乳酸樹脂の原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）の機能剤ペレットとを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
比較例２のフィラメントは、１００重量％のポリ乳酸樹脂の原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）の機能剤ペレットとを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例１]
実施例１は、６０重量％のポリ乳酸樹脂と４０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
実施例１は、６０重量％のポリ乳酸樹脂と４０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例２]
実施例２は、５０重量％のポリ乳酸樹脂と５０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
実施例２は、５０重量％のポリ乳酸樹脂と５０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例３]
実施例３は、５０重量％のポリ乳酸樹脂と５０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
実施例３は、５０重量％のポリ乳酸樹脂と５０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例４]
実施例４のフィラメントは、６０重量％のポリ乳酸樹脂と４０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
実施例４のフィラメントは、６０重量％のポリ乳酸樹脂と４０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例５]
実施例５のフィラメントは、６０重量％のポリ乳酸樹脂と４０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
実施例５のフィラメントは、６０重量％のポリ乳酸樹脂と４０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例６]
実施例６のフィラメントは、３０重量％のポリ乳酸樹脂と７０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
実施例６のフィラメントは、３０重量％のポリ乳酸樹脂と７０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例７]
[実施例７]のフィラメントは、４０重量％のポリ乳酸樹脂と６０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で８：２の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例７]のフィラメントは、４０重量％のポリ乳酸樹脂と６０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で８：２の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例８]
[実施例８]のフィラメントは、４０重量％のポリ乳酸樹脂と６０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例８]のフィラメントは、４０重量％のポリ乳酸樹脂と６０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例９]
[実施例９]のフィラメントは、３０重量％のポリ乳酸樹脂と７０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で８：２の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例９]のフィラメントは、３０重量％のポリ乳酸樹脂と７０重量％のスチレン系エラストマー（７０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＥ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で８：２の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例１０]
[実施例１０]のフィラメントは、８５重量％のポリ乳酸樹脂と１５重量％のオレフィン系エラストマー（４０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
[実施例１０]のフィラメントは、８５重量％のポリ乳酸樹脂と１５重量％のオレフィン系エラストマー（４０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットと、ＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）とを重量比で９：１の割合で混合した機能性原料ペレットを押出成形により製造した３次元印刷装置用フィラメントである。
＜断面真円度測定＞
上記の実施例１〜１０及び比較例１〜３のフィラメントについて、断面形状の真円度の測定を行った。測定は、タキカワエンジニアリング株式会社の測定装置（ＬＤＭ−３０３Ｈ−ＸＹ、非接触式レーザースキャニング方式）を用いて実施した。測定精度は±２μｍ、分解能は０．１μｍである。
上記の実施例１〜１０及び比較例１〜３のフィラメントについて、断面形状の真円度の測定を行った。測定は、タキカワエンジニアリング株式会社の測定装置（ＬＤＭ−３０３Ｈ−ＸＹ、非接触式レーザースキャニング方式）を用いて実施した。測定精度は±２μｍ、分解能は０．１μｍである。
図１はフィラメントの断面真円度測定の説明図であり、（ａ）は測定装置、（ｂ）は測定方法である。
測定は、図１（ａ）に示す測定装置１０の中心部１１に実施例１〜１０及び比較例１〜３のフィラメントを挿通して搬送し、各フィラメントの表面にレーザーを照射して行われる。
測定は、図１（ａ）に示す測定装置１０の中心部１１に実施例１〜１０及び比較例１〜３のフィラメントを挿通して搬送し、各フィラメントの表面にレーザーを照射して行われる。
断面真円度は、図１（ｂ）に示す方向Ａと方向Ｂの２方向からフィラメントの径寸法を測定し、方向Ａの径寸法（以下、Ａ方向径）、方向Ｂの径寸法（以下、Ｂ方向径）、そして、Ａ方向径とＢ方向径の平均（ＡＢ方向平均径）の互いのばらつきの程度を調べることで測ることができる。
Ａ方向径とＢ方向径の寸法差が大きいほど、フィラメントは真円度から大きく外れていることを意味する。また、断面真円度測定において、フィラメントを測定部１１の搬送方向と直交する方向に回転させることにより、フィラメントの周方向の異なる位置でＡ方向径及びＢ方向径を測定することができる。
図２〜図１４は、本実施の形態に係る３次元印刷装置用フィラメントの断面真円度測定の結果を示す図であり、１秒間隔（Draw Interval = 1.0 秒）でＡ方向径及びＢ方向径を取得しグラフ化したものである。各図の横軸は、測定部１１内を搬送されるフィラメントの断面真円度測定の開始からの経過時間（秒）を示し、縦軸は、測定結果であるフィラメントの径寸法（ミリメートル）を示す。
比較例１（図２）、比較例２（図３）、及び比較例３（図４）のフィラメントは、Ａ方向径とＢ方向径の差が０．０５ミリメートル〜０．１ミリメートル程度である。
実施例１（図５）、実施例２（図６）、実施例３（図７）、実施例４（図８）、実施例５（図９）、実施例６（図１０）、実施例８（図１２）、実施例９（図１３）のフィラメントは、Ａ方向径とＢ方向径の差が０．０５ミリメートル〜０．１ミリメートルより小さく、比較例１（図２）〜比較例３（図４）のフィラメントよりも断面真円度が良好である。特に、実施例３（図７）のフィラメントの断面真円度が良好である。
実施例７（図１１）及び実施例１０（図１４）のフィラメントの断面真円度は、ばらつきの平均値でみると、比較例１〜比較例３に比べて断面真円度が良好である。
図１５は比較例１〜比較例３及び実施例１〜実施例１０に係るフィラメントの断面真円度測定の結果をまとめた図である。
実施例７（図１１）は断面真円度が低い。この実施例７のフィラメントは、４０重量％のポリ乳酸樹脂と６０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットを用いている。
実施例７（図１１）は断面真円度が低い。この実施例７のフィラメントは、４０重量％のポリ乳酸樹脂と６０重量％のオレフィン系エラストマー（６０重量％の鉱物油系可塑剤を含有）を混合した原料ペレットを用いている。
このポリ乳酸樹脂とオレフィン系エラストマーの重量比は、共に実施例５（図９）と実施例６（図１０）の中間の値である。しかし、実施例５（図９）と実施例６（図１０）のフィラメントの断面真円度は高い。
従って、実施例７のフィラメントの断面真円度が低くなった原因は、ポリ乳酸樹脂及びオレフィン系エラストマーの混合物（原料ペレット）に対するＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標）（機能ペレット）の混合割合によるものと考えられる。即ち、フィラメントの断面真円度の観点では、原料ペレットに混合できる機能ペレット（例えばＰＰ−ＳＲＯＰＥ（登録商標））の限界は、２０重量％である。
また、実施例１０のフィラメントの断面真円度は低い。原料ペレットの構成として、ポリ乳酸樹脂が８５重量％より小さく設定することが好ましい。
＜効果＞
本実施形態に係る３次元印刷装置用フィラメントは、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となるもので、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを８５重量％：１５重量％から１重量％：９９重量％までの任意の割合で含有し、例えば、実施例１（図５）〜実施例６（図１０）、実施例８（図１２）、及び実施例９（図１３）が該当する。
＜効果＞
本実施形態に係る３次元印刷装置用フィラメントは、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となるもので、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを８５重量％：１５重量％から１重量％：９９重量％までの任意の割合で含有し、例えば、実施例１（図５）〜実施例６（図１０）、実施例８（図１２）、及び実施例９（図１３）が該当する。
このようにポリ乳酸と熱可塑性エラストマーとを所定の割合で含有することで、例えばポリ乳酸から成るフィラメントと比較して、フィラメントの断面形状のムラが抑えられるようになる。
即ち、フィラメントの断面形状を真円に近づけることが容易となり、３次元印刷装置内でフィラメントとフィラメントを挟持して送り出すローラーとの接点に作用する挟持力が安定し、搬送不良が低減する。
また、フィラメントの搬送不良が低減するため、ヘッド部ノズルからの吐出ムラが低減しコンピュータ上に取り込まれた立体図面データの再現精度を高めることができる。
また、ポリ乳酸と熱可塑性エラストマーを上記重量比で組合わせることにより、例えばＳＲＯＰＥ（登録商標）などの機能剤を含有させたとしても断面形状を真円に近づけることが容易なフィラメントを実現できる。
即ち、３次元印刷装置内においてフィラメントの良好な送り出しを可能とし、かつ、立体造形品に形状外の機能を付与できる３次元印刷装置用フィラメントを提供することができる。
ポリ乳酸樹脂とオレフィン系樹脂とを６０重量％：４０重量％から３０重量％：７０重量％までの任意の割合で含有し、又は、ポリ乳酸樹脂とスチレン系樹脂とを６０重量％：４０重量％から３０重量％：７０重量％までの任意の割合で含有するため、断面真円度測定の結果の通り、上記効果を容易に且つ確実に実現できる。
熱可塑性エラストマーは、鉱物油系可塑剤を６０重量％から７０重量％の任意の割合で含有するため、断面真円度測定の結果の通り、上記効果を容易に且つ確実に実現できる。
ポリ乳酸樹脂及び熱可塑性エラストマーの混合物と、立体造形物に対して形状以外の性質を与える機能剤としてのＳＲＯＰＥ（登録商標）とが混合して成るため、立体造形品に対して形状以外の性質を与えることができ、立体造形品の用途価値が広がる。
ＳＲＯＰＥ（登録商標）が２０重量％以下の任意の割合で混合されるため、フィラメントの断面形状を真円に近づけることが容易であるとともに、立体造形品に対して形状以外の性質を与えることができる。
ＳＲＯＰＥ（登録商標）は、エマルジョンの構造で存在する有効成分を有しているため、有効成分がエマルジョンの構造を持たない機能剤と比べて有効成分の放出が穏やかに進む。
機能剤は、植物精油、潤滑油、芳香族エステル、又はパラベンのうち、少なくとも１つを含むため、立体造形品に対して芳香、防塵、防虫、防カビ、又は抗菌の効果を付与できる。
以上、本発明に係る３次元印刷装置用フィラメントを説明してきたが、具体的な構成については、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り変更や追加等は許容される。
例えば、機能剤として、ＳＲＯＰＥ（登録商標）を用いる例を示したが、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを８５重量％：１５重量％から１重量％：９９重量％までの割合で含有するものであれば、ＳＲＯＰＥ（登録商標）に限定されることはない。有効成分がエマルジョンの構造で存在する機能剤、特に、ＳＲＯＰＥ（登録商標）は、３次元印刷装置用フィラメントに好適である。
本発明に係る３次元印刷装置用フィラメントは、熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となる３次元印刷装置用フィラメントとして広く利用することができる。
１０ 測定装置
１１ 測定装置の測定部
１１ 測定装置の測定部
Claims (7)
- 熱溶解積層法（ＦＤＭ）を利用して立体的な造形を行う３次元印刷装置で用いられ、立体造形物の原料となる３次元印刷装置用フィラメントであって、
ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを８５重量％：１５重量％から１重量％：９９重量％までの任意の割合で含有することを特徴とする３次元印刷装置用フィラメント。 - 前記ポリ乳酸樹脂とオレフィン系樹脂とを６０重量％：４０重量％から３０重量％：７０重量％までの任意の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷装置用フィラメント。
- 前記ポリ乳酸樹脂とスチレン系樹脂とを６０重量％：４０重量％から３０重量％：７０重量％までの任意の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷装置用フィラメント。
- 前記熱可塑性エラストマーは、鉱物油系可塑剤を４０重量％から７０重量％の任意の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷装置用フィラメント。
- 前記ポリ乳酸樹脂及び前記熱可塑性エラストマーの混合物と、前記立体造形物に対して形状以外の性質を与える機能剤とが混合して成ることを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷装置用フィラメント。
- 前記機能剤を２０重量％以下の任意の割合で混合されることを特徴とする請求項５に記載の３次元印刷装置用フィラメント。
- 前記機能剤は、植物精油、潤滑油、芳香族エステル、又はパラベンのうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の３次元印刷装置用フィラメント。
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