(57)【要約】【課題】本発明は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を基材として使用することができる熱融解積層方式の三次元積層造形方法を提供する。【解決手段】本発明の熱溶解積層方式の三次元積層造形方法は、樹脂材料からなる基材３０をヒーター手段１５に送り込み、前記ヒーター手段によって前記基材を加熱溶融させ、溶融した前記基材３２をノズル１６から押し出して立体構造物４０を作製する熱溶解積層方式の三次元積層造形方法であって、前記基材を構成する前記樹脂材料は、ポリ塩化ビニルであり、前記ヒーター手段は、ノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように前記樹脂材料を加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂材料からなる基材をヒーター手段に送り込み、
前記ヒーター手段によって前記基材を加熱溶融させ、
溶融した前記基材をノズルから押し出して立体構造物を作製する熱溶解積層方式の三次元積層造形方法であって、
前記基材を構成する前記樹脂材料は、ポリ塩化ビニルであり、
前記ヒーター手段は、ノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように前記樹脂材料を加熱する、
熱溶解積層方式の三次元積層造形方法。
【請求項２】
前記基材はフィラメントの形態であり、前記フィラメントの送込み速度は、１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎである、
請求項１に記載の熱溶解積層方式の三次元積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材としてポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を採用した熱融解積層方式の三次元積層造形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三次元プリンタの積層方式として、熱融解積層方式の三次元積層造形（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）が知られている。熱融解積層方式の三次元積層造形装置では、熱可塑性樹脂材料からなる基材を加熱溶融し、平面内で移動可能なノズルから溶融した基材を押し出すようにしている。そして、ノズルから押し出された溶融状態の基材をプリントベッド上に順次積層することで立体構造物が作製される（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
基材を構成する熱可塑性樹脂材料として、ＡＢＳ樹脂（acrylonitrile butadiene styrene copolymer）やポリ乳酸（ＰＬＡ：poly（lactic acid））が一般的に使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したＡＢＳ樹脂やポリ乳酸の如き熱可塑性樹脂材料は高価でるため、比較的安価なポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のような汎用の樹脂材料を基材として用いた三次元造形が求められている。そこで、発明者らは、ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸に代えて、ＰＶＣで基材を作製し、三次元造形を試みた。しかしながら、ノズルを通過する際に腐食性ガスの発生が認められ、また、ＰＶＣが塊状になってノズルに付着し、造形を上手く行なうことができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を基材として使用することができる熱融解積層方式の三次元積層造形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱溶解積層方式の三次元積層造形方法は、
樹脂材料からなる基材をヒーター手段に送り込み、
前記ヒーター手段によって前記基材を加熱溶融させ、
溶融した前記基材をノズルから押し出して立体構造物を作製する熱溶解積層方式の三次元積層造形方法であって、
前記基材を構成する前記樹脂材料は、ポリ塩化ビニルであり、
前記ヒーター手段は、ノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように前記樹脂材料を加熱する。
【０００８】
前記基材はフィラメントの形態であり、前記フィラメントの送込み速度は、１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎであることが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の三次元積層造形方法によれば、基材となるＰＶＣを、ヒーター手段にてノズル温度が１７０℃〜２７０℃となるように調整することで三次元積層造形を好適に行なうことができた。ノズル温度が１７０℃未満であると、ＰＶＣがノズルからＰＶＣが押し出されずノズルが詰まった。一方、２７０℃を超えると、ＰＶＣが部分的に塊状となってしまうことがあり、また、塩化水素ガスなどの腐食性ガスが発生した。
【００１０】
望ましくは、基材となるＰＶＣをフィラメントとし、フィラメントのヒーター手段への送込み速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎに調整することで、ＰＶＣのフィラメントを好適に加熱して、ノズルから押し出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る熱融解積層方式の三次元積層造形装置の概略図である。
【図２】図２は、ノズルから押し出された一定の紐状、表面平滑な基材の写真である。
【図３】図３は、ノズルから押し出され、ギザギザ状になった基材の写真である。
【図４】図４は、ノズルから押し出され、塊状物が形成された基材の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る熱融解積層方式の三次元積層造形装置１０について説明を行なう。
【００１３】
三次元積層造形装置１０は、基材３０をヘッド１４に供給し、溶融した状態でプリントベッド２０の上にその第１層４２を形成し、第２層４４以降をすでに形成された層の上に形成することで、立体構造物４０を作製する装置である。
【００１４】
基材３０は、塩化ビニル（ＰＶＣ）である。ＰＶＣは、汎用性が高く安定性にすぐれる樹脂であり、ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸（ＰＬＡ）に比べて安価であり、製造コストの低減に有効である。なお、基材３０の非極性樹脂材料には、所望の特性を得るために、所謂フィラー（充填剤）や安定剤、可塑剤、着色剤の添加剤を配合することもできる。添加剤として鉛系安定剤、錫系安定剤を例示できる。
【００１５】
基材３０は、フィラメント、或いは、ペレットの形態のものを例示することができる。フィラメントの太さ、ペレットの大きさは、三次元積層造形装置１０の能力や作製される立体構造物４０によって適宜決定される。
【００１６】
図示の実施形態では、フィラメント状の基材３０を使用しており、基材３０は、三次元積層造形装置１０のガイドチューブ１１を通り、モーター（図示せず）により回転する送りローラー１２により引き出されて、押出手段となるヘッド１４に供給される。送りローラー１２は、フィラメントの送込み速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３００ｍｍ／ｍｉｎとなるように調整することが好適である。送込み速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ未満であると、造形速度が低下し、造形に時間が掛かる問題がある。また、送込み速度が３００ｍｍ／ｍｉｎを超えると、基材３０が十分に加熱されず、溶融状態にならない虞がある。なお、基材３０としてペレット状のものを採用する場合、上記と同程度の量がヘッド１４に供給されるように調整すればよい。
【００１７】
ヘッド１４には、ヒーター手段１５とノズル１６を具え、ヒーター手段１５において基材３０を加熱溶融し、溶融した基材３２をノズル１６から下方に向けて押し出す。たとえば、ノズル１６は直径０．４ｍｍのものを採用できる。
【００１８】
ヒーター手段１５は、基材３０を１７０℃〜２７０℃に加熱する。基材３０を１７０℃以上に加熱することにより、基材３０を溶融状態でノズル１６から押し出すことができる。基材３０の加熱温度が１７０℃未満であると、溶融が不十分で基材３２がノズル１６に詰まってしまうことがある。一方、基材３０の加熱温度が２７０℃を超えると、基材３２が部分的に塊状になり（実施例の図４参照）、また、塩化水素ガスなどの腐食性ガスが発生する虞がある。腐食性ガスは、ヘッド１４や三次元積層造形装置１０の部品の腐食を招く。２７０℃を超えて加熱すると、基材３０がノズル１６等に焼き付いてしまう虞もある。なお、基材３０の加熱温度の下限は、望ましくは１９０℃、より望ましくは２１０℃である。基材３０の加熱温度の上限は、望ましくは２５０℃、より望ましくは２１０℃である。
【００１９】
ヘッド１４は、平面内で移動可能に配置され、立体構造物４０の第１層４２は、プリントベッド２０に向けて押し出され、第１層４２を形成した後、プリントベッド２０を降下させて第２層４４が形成される。
【００２０】
プリントベッド２０は、鉛直方向に昇降可能なプレートであり、たとえばガラス、アルミニウムや鋼鉄などから作製される。溶融した基材３２をプリントベッド２０に好適に接着させるために、プリントベッド２０の表面にのりを塗布又はスプレーすることができ、また、テープを配置することが望ましい。
【００２１】
然して、本発明の三次元積層造形装置１０は、フィラメント状の基材３０をセットし、モーター駆動により送りローラー１２を回転させることで、ヘッド１４に基材３０が供給される。基材３０がペレット状である場合、ヘッド１４にペレットが投入される。そして、基材３０は、ヘッド１４のヒーター手段１５により加熱溶融され、溶融状態になる。ヘッド１４は、平面内で移動させつつノズル１６から溶融状態の基材３２をプリントベッド２０に向けて押し出す。押し出された基材３２は、プリントベッド２０の表面に接着する。ヘッド１４を平面内で移動させることで、所望の形状の第１層４２を形成することができる。なお、基材３２の接着性を高めるために、プリントベッド２０にはのりを塗布又はスプレーしたり、テープを配置しておくことが望ましい。また、プリントベッド２０には、樹脂製のプラットフォームシートを載置するようにしてもよい。
【００２２】
そして、第１層４２が形成されると、プリントベッド２０を降下させ、第１層４２の上に第２層４４、第３層等を形成し、立体構造物４０が作製される。
【００２３】
本発明によれば、基材２０として汎用樹脂であるポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を採用することができ、ＰＶＣにより立体構造物４０を作製することができる。
【実施例】
【００２４】
基材として、ＰＶＣのフィラメント（直径１．７５ｍｍ）を使用し、三次元積層造形装置を用い、ヒーター手段による加熱温度と、送りローラーのフィラメント送込み速度変えて基材の押し出しを行なった。３Ｄプリンタ用フィラメント吐出試験機として、エス．ラボ株式会社製の型式ＳＮ１を使用した。そして、加熱により溶融した基材がノズルに詰まることがないか、また、塊状になることなく押し出されるかどうか、腐食性ガスの発生がないか等を観察した。なお、ノズル径は０．４ｍｍである。
【００２５】
基材は、鉛系安定剤を添加したＰＶＣ（発明例１）と、錫系安定剤を添加したＰＶＣ（発明例２）とし、フィラメントの送込み速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎの三種類、ヒーター手段による加熱温度は、１６０℃〜２７０℃までの１０℃刻みとした。
【００２６】
ノズルから押し出された基材の状態を観察し、以下で評価した。
Ａ：直径が一定の紐状であり、表面平滑である。
Ｂ：直径が一定の紐状である。
Ｃ：直径が変動する紐状である。
Ｄ：吐出が不安定（ギザギザ）、吐出されない、または、塊状物が形成される。
発明例１に関する結果を表１、発明例２に関する結果を表２に示す。
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
図２は、評価Ａと判定された発明例２（送込み速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、温度２１０℃）の基材が凝固した状態を示す写真である。図を参照すると、基材には塊状物は形成されておらず、ほぼ一定の太さの紐状に基材が押し出されていることがわかる。
【００２９】
一方、図３は、評価Ｄと判定された発明例２（送込み速度３００ｍｍ／ｍｉｎ、温度１７０℃）の基材が凝固した状態を示す写真である。基材は、吐出が不安定になることによりギザギザ状になっていることがわかる。このギザギザは、立体構造物を作製する際に、不均質な挙動となり、基材の積層を阻害する。また、ノズルの詰まりの原因にもなることがある。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、発明例２の基材について、送込み速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、温度２８０℃の条件で実施した参考例を示す写真である。基材が２７０℃超に加熱されることで、基材に塊状物が形成されてしまうことがわかる。この塊状物は、立体構造物を作製する際に、不要な出っ張りとなり、基材の積層を阻害する。
【００３０】
表１を参照すると、１９０℃〜２７０℃の範囲で、何れの送込み速度に対しても評価Ｃ以上であり、基材３０の加熱温度は、１９０℃〜２７０℃が好適であることがわかる。一方、評価Ｂの範囲を参照すると、１００ｍｍ／ｍｉｎでは２００℃〜２４０℃、２００ｍｍ／ｍｉｎでは２１０℃〜２４０℃、３００ｍｍ／ｍｉｎでは２３０℃〜２６０℃での範囲がそれぞれ望ましいことがわかる。
【００３１】
表２を参照すると、評価Ｃの範囲は、１００ｍｍ／ｍｉｎは１７０℃以上、２００ｍｍ／ｍｉｎは１８０℃以上、３００ｍｍ／ｍｉｎは１９０℃以上であり、これら温度範囲が好適であることがわかる。また、評価Ｂの範囲を参照すると、１００ｍｍ／ｍｉｎで１９０℃〜２５０℃、２００ｍｍ／ｍｉｎで２００℃〜２６０℃、３００ｍｍ／ｍｉｎで２１０℃〜２７０℃の範囲がそれぞれ望ましいことがわかる。さらに、１００ｍｍ／ｍｉｎの２１０℃は唯一の評価Ａであり、もっとも望ましい値であることがわかる。
【００３２】
なお、送込み速度が速くなるにつれて基材のヘッドでの滞留時間は短くなるが、表１、表２の何れも評価Ｂの範囲を参照すると、送込み速度に合わせて加熱温度を高めることで好適に基材を加熱、押出しできることがわかる。
【００３３】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  三次元積層造形装置
１４  ヘッド
１５  ヒーター手段
１６  ノズル
２０  プリントベッド
３０  基材
３２  基材（溶融状態）
４０  立体構造物
４２  第１層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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