(57)【要約】【課題】本発明は、非極性樹脂材料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装置、三次元積層造形方法、及び、これに用いるプラットフォームシートを提供する。【解決手段】本発明の熱溶解積層方式の三次元積層造形装置１０は、樹脂材料からなる基材３０を溶融させて、平面内で移動可能なノズル１６から押し出す押出手段と、前記押出手段から押し出された前記樹脂材料を積層し、降下可能なプリントベッド２０と、を具え、前記基材を構成する樹脂材料は、非極性樹脂材料であり、前記プリントベッドには、非極性樹脂材料からなるプラットフォームシート２２が載置されており、前記ノズルは、前記プラットフォームシートの上に溶融した前記基材３２の第１層４２を積層する。【選択図】図１
2020104373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱溶解積層方式の三次元積層造形装置であって、
樹脂材料からなる基材を溶融させて、平面内で移動可能なノズルから押し出す押出手段と、
前記押出手段から押し出された前記樹脂材料を積層し、降下可能なプリントベッドと、
を具え、
前記基材を構成する樹脂材料は、非極性樹脂材料であり、
前記プリントベッドには、非極性樹脂材料からなるプラットフォームシートが載置されており、
前記ノズルは、前記プラットフォームシートの上に溶融した前記基材の第１層を積層する、
熱溶解積層方式の三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記非極性樹脂材料は、オレフィン系樹脂である、
請求項１に記載の熱溶解積層方式の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記オレフィン系樹脂は、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種を含む、
請求項２に記載の熱溶解積層方式の三次元積層造形装置。
【請求項４】
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、
溶融した前記樹脂材料をノズルからプリントベッドに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樹脂材料は、非極性樹脂材料であり、
前記プリントベッドには、非極性樹脂材料からなるプラットフォームシートを載置し、
前記ノズルは、前記プラットフォームシートの上に溶融した前記基材の第１層を積層する、
熱溶解積層方式の三次元積層造形方法。
【請求項５】
非極性樹脂材料からなる、
熱溶解積層方式の三次元積層造形装置用プリントベッドに載置されるプラットフォームシート。
【請求項６】
前記非極性樹脂材料は、オレフィン系樹脂である、
請求項５に記載の熱溶解積層方式の三次元積層造形装置用プリントベッドに載置されるプラットフォームシート。
【請求項７】
前記オレフィン系樹脂は、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種を含む、
請求項６に記載の熱溶解積層方式の三次元積層造形装置用プリントベッドに載置されるプラットフォームシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱融解積層方式の三次元積層造形に関するものであり、より具体的には、基材とプラットフォームシートに非極性樹脂材料を採用した熱融解積層方式の三次元積層造形装置、三次元積層造形方法、及び、これに用いるプラットフォームシート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。
【０００４】
ノズルから押し出される溶融状態の基材は、その第１層がプリントベッドに直接積層され、第２層以降は、プリントベッドを降下させて順次積層された層の上に形成される。このため、熱融解積層方式の三次元積層造形では、第１層を確実にプリントベッドに接着させることが必要である。しかしながら、基材がプリントベッドに上手く接着せず、ノズルに引きずられてしまうことがある。このため、プリントベッドの表面に糊やテープを配置し、基材をプリントベッドに接着し易くする提案もなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
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、比較的安価なポリエチレンやポリプロピレンのような汎用のオレフィン系樹脂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、オレフィン系樹脂で基材を作製し、三次元造形を試みた。しかしながら、第１層は直接プリントベッドには上手く接着しなかった。
【０００７】
そこで、プリントベッドの表面に糊やテープを配置して、オレフィン系樹脂による三次元造形を試みたが、第１層は同様に接着しなかった。
【０００８】
本発明の目的は、非極性樹脂材料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装置、三次元積層造形方法、及び、これに用いるプラットフォームシートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の熱溶解積層方式の三次元積層造形装置は、
熱溶解積層方式の三次元積層造形装置であって、
樹脂材料からなる基材を溶融させて、平面内で移動可能なノズルから押し出す押出手段と、
前記押出手段から押し出された前記樹脂材料を積層し、降下可能なプリントベッドと、
を具え、
前記基材を構成する樹脂材料は、非極性樹脂材料であり、
前記プリントベッドには、非極性樹脂材料からなるプラットフォームシートが載置されており、
前記ノズルは、前記プラットフォームシートの上に溶融した前記基材の第１層を積層する。
【００１０】
前記非極性樹脂材料は、オレフィン系樹脂とすることが望ましい。
【００１１】
前記オレフィン系樹脂は、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが望ましい。
【００１２】
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、
溶融した前記樹脂材料をノズルからプリントベッドに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樹脂材料は、非極性樹脂材料であり、
前記プリントベッドには、非極性樹脂材料からなるプラットフォームシートを載置し、
前記ノズルは、前記プラットフォームシートの上に溶融した前記基材の第１層を積層する。
【００１３】
また、本発明のプラットフォームシートは、
熱溶解積層方式の三次元積層造形装置用プリントベッドに載置されるプラットフォームシートであって、
非極性樹脂材料からなる。
【００１４】
前記非極性樹脂材料は、オレフィン系樹脂とすることが望ましい。
【００１５】
前記オレフィン系樹脂は、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
ＡＢＳ樹脂やポリ乳酸を基材として使用した場合、これら基材は、極性樹脂材料であるため、糊やテープをプリントベッドに配置することで、第１層の接着性が改善される。一方で、オレフィン系樹脂等の非極性樹脂材料を基材として使用した場合、これら基材は、主鎖又は側鎖に水素原子、炭素原子以外のヘテロ原子をほとんど含まないため、プリントベッドに糊やテープを配置しても第１層の接着性は改善されない。しかしながら、プリントベッドに非極性樹脂材料からなるプラットフォームシートを載置し、当該プラットフォームシートの上に直接非極性樹脂材料の基材を溶融して積層させることで、基材はプラットフォームシートに融着し、三次元造形を行なうことができた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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、実施例にて作製した第１層の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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の上に配置されたプラットフォームシート２２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。
【００２０】
基材３０は、非極性樹脂材料であり、たとえばオレフィン系樹脂を例示できる。オレフィン系樹脂の中でも、汎用性が高く、比較的安価であることから、ポリエチレンやポリプロピレンを採用することが好適である。なお、オレフィン系樹脂は、グレードの異なる材料（たとえば、ＬＤＰＥとＨＤＰＥ）を混合したものであってもよく、また、ポリエチレンとポリプロピレンなど、異なる材料を混合したものであっても構わない。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、着色剤等を配合することもできる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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。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。
【００２３】
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。本発明では、プリントベッド２０の表面に非極性樹脂材料製のプラットフォームシート２２をテープ止め等により装着している。プラットフォームシート２２は、たとえばオレフィン系樹脂を例示できる。オレフィン系樹脂の中でも、汎用性が高く、比較的安価であることから、基材３０と同様、ポリエチレンやポリプロピレンを採用することが好適である。なお、オレフィン系樹脂は、グレードの異なる材料（たとえば、ＬＤＰＥとＨＤＰＥ）を混合したものであってもよく、また、ポリエチレンとポリプロピレンなど、異なる材料を混合したものであっても構わない。プラットフォームシート２２は、溶融状態の基材３２により表面が溶融する必要があるため、基材３０と同種の材料を採用することが望ましいが、非極性樹脂材料であれば、異種材料の使用も許容される。
【００２４】
プラットフォームシート２２は、厚さ０．２ｍｍ〜１０．０ｍｍのものを例示でき、大きさはプリントベッド２０又は作製される立体構造物４０によって適宜決定することができる。もちろん、プラットフォームシート２２の厚さは、これに限らず、０．２ｍｍより薄いフィルム状のものや、１０．０ｍｍを超える板状のものであってもよい。さらには、プラットロームシート２２として、メッシュ状のもの、粉体を固めたもの、球状物を固定したものであってもよい。
【００２５】
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。プリントベッド２０には、プラットフォームシート２２が配備されているから、溶融状態の基材３２は、プラットフォームシート２２の表面に融着する。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をプラットフォームシート２２の上に形成することができる。
【００２６】
第１層４２がプラットフォームシート２２の上に形成されると、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。
【００２７】
本発明によれば、プリントベッド２０に非極性樹脂材料からなるプラットフォームシート２２を載置しているため、基材３０として非極性樹脂材料を採用した場合であっても、プラットフォームシート２２に基材３０を接着（融着）させることができ、立体構造物４０を作製することができる。
【実施例】
【００２８】
基材として、非極性樹脂材料であるポリエチレンを使用し、非極性樹脂材料製のプラットフォームシートの有無により、第１層が形成できるかどうか試験した。供試例は、発明例２例、比較例２例である。
【００２９】
基材は何れも直径１．７５ｍｍのフィラメントであり、発明例１は、基材に高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、プラットフォームシート２２に２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＨＤＰＥを使用している。また、発明例２は、基材に直鎖状短鎖分岐ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、プラットフォームシートに２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＬＬＤＰＥ、比較例１、比較例２は、基材にＨＤＰＥ、プラットフォームシートなしである。
【００３０】
三次元積層造形装置として、エス．ラボ株式会社製のＳ３ＤＰ２２２を使用した。ヘッドは、ノズル径０．４ｍｍとした。そして、ノズルを２０ｍｍ×６０ｍｍの矩形領域に対し９０°（発明例１、比較例１）、４５°（発明例２、比較例２）の角度で往復移動させることにより、第１層の形成を行なった。
【００３１】
発明例は、第１層を形成した後、プリントベッドからプラットフォームシートごと第１層を取り外した。また、比較例は、第１層を形成した後、プリントベッドから第１層を取り外した。
【００３２】
結果を図２に示す。写真を参照すると、発明例１及び発明例２は、プラットフォームシートの上に、第１層がきれいに形成されていることがわかる。これは、基材として非極性樹脂材料を使用しつつも、プラットフォームシートとして同じく非極性樹脂材料のシートを使用したことで、溶融した基材がプラットフォームシートに溶着したためである。
【００３３】
一方、比較例１及び比較例２は、写真から明らかなように、角部や周囲に樹脂材料の塊や形成されていない箇所が多々見られた。すなわち、比較例は、溶融した基材がプリントベッドに接着せず、ノズルに引きずられてしまい、上手く積層できなかったことがわかる。
【００３４】
上記より、汎用樹脂であるポリエチレンの如き非極性樹脂材料を基材として使用するに際し、非極性樹脂材料のプラットフォームシートをプリントベッドに載置し、プラットフォームシート２２の上に第１層を形成することで、立体構造物を造形できることが確認された。
【００３５】
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】
【００３６】
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
２２  プラットフォームシート
３０  基材
３２  基材（溶融状態）
４０  立体構造物
４２  第１層
【図１】
2020104373.tif 000003
【図２】
2020104373.tif 000004