(57)【要約】【課題】造形物の原料との共通性があるため造形物とプラットフォームシートとの親和性が良好であり、結果的に造形物の環境温度の低下により発生する「反り」の事態を抑止できる３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法を提供すること。【解決手段】熱溶解積層法を利用して造形物を形成する３次元印刷装置のプラットフォームに造形物を定着させる方法であって、造形物の原料として用いられるフィラメントにポリエチレンを添加すると共に、プラットフォームの上面部にポリエチレン製のシートを貼付した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱溶解積層法を利用して造形物を形成する３次元印刷装置のプラットフォームに造形物を定着させる方法であって、
造形物の原料として用いられるフィラメントにポリエチレンを添加すると共に、前記プラットフォームの上面部にポリエチレン製のシートを貼付したことを特徴とする３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法。
【請求項２】
前記ポリエチレンは、３〜５重量％の範囲内で添加されていることを特徴とする請求項１記載の３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法。
【請求項３】
前記フィラメントは、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを含有することを特徴とする請求項１記載の３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法に関し、特に、フィラメントを用いた３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光造形型、インクジェット型、粉末焼結型、熱溶解積層型（熱溶解積層法）など、各種方式の３次元印刷装置が開発及び販売され、特に、溶融樹脂材料を線状にしたフィラメントを用いてプラットフォームの上面部に積層することで所望形状の立体状造形物を作製する熱溶解積層型が安価であることから人気を得ている。
【０００３】
熱溶解積層法による場合には、特に、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ樹脂、ポリプロピレン、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等の、実際の工業製品に使用される熱可塑性樹脂を材料として使用できる点で他の方式に比して有利である。
【０００４】
熱溶解積層型の３次元印刷装置の場合、プリンタヘッド部から高温で溶融されたフィラメントがプラットフォーム上に供給された場合、室温との間での温度低下により熱収縮が発生し、作成中の造形物に「反り」が発生し、造形物の形状が予定のものとは異なってしまう、という事態があった。この事態は、使用されるフィラメントの樹脂が特に結晶性樹脂の場合には深刻な問題であった。
【０００５】
また、フィラメントを積層させる際に、特に、プラットフォームの上面部に位置する第１層目が定着し難い（以下、「定着不良」とも称する）、という問題をも有していた。
【０００６】
このような第１層目の定着不良は、第２層目以降の積層も困難となってしまううえ、プラットフォームの上面部にポリイミドテープ（カプトンテープ）やマスキングテープを貼着することで吸着力を上げる必要が生じてくる。
【０００７】
しかしながら、このような吸着力の向上を目的として造形物を上述した各種テープを用いて補強すると、離型する際に各種テープも一緒に破れてしまって、貼着し直す必要が発生し、手間を要していた。
【０００８】
そこで、プラットフォームシート等と称される専用のシートが開発され、利便性の高いものとして重宝されている。
【０００９】
一方、溶融樹脂材料についても、導電材料としてカーボンナノチューブ又はグラフェンを含む炭素同素体が配合された樹脂を用いるなど、離型性や定着性等を考慮したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実用新案登録第３２１２６２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、プラットフォームシートは１枚単価が高価であるうえ、使用可能回数も低く、コストパフォーマンスに劣るという問題が生じていた。
【００１２】
また、溶融樹脂材料の検討についても、特に上述したような第１層目における定着不良と離型性の双方を考慮した具体的な材料は未だ提案なされていないのが実情である。
【００１３】
本発明は、上述のような課題を解決するために、作業性が高く、しかも、安価でありながら、定着性と離型性を向上してサイズの大きい造形物の作製をも可能とすることができる３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１記載の発明に係る３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法は、上記目的を達成のため、熱溶解積層法を利用して造形物を形成する３次元印刷装置のプラットフォームに造形物を定着させる方法であって、造形物の原料として用いられるフィラメントにポリエチレンを添加すると共に、前記プラットフォームの上面部にポリエチレン製のシートを貼付したものである。
【００１５】
したがって、ポリエチレンを添加したフィラメントを用いて上面部にポリエチレン製のシートを貼付したプラットフォームにおいて造形物が作製される。
【００１６】
請求項２記載の発明は、前記ポリエチレンは、３〜５重量％の範囲内で添加されているものである。すなわち、フィラメントは、溶融樹脂材料を主成分としている一方で、そのうちの３〜５重量％の範囲内でポリエチレンが添加されている。
【００１７】
請求項３記載の発明は、前記フィラメントは、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを含有することを特徴とするものである。したがって、フィラメントの溶融樹脂材料にはポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとが主成分とされる。
【００１８】
従って、本発明に係る３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法は、フィラメントにポリエチレンを３〜５重量％で添加するとともに、３次元印刷装置のプラットフォームの上面部にポリエチレン製のシートを貼り付け、そのポリエチレン製のシートの表面部に溶融したフィラメントを積層して造形物を作製する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１〜３記載の発明にあっては、造形物の原料として用いられるフィラメントにポリエチレンが添加されると共に、プラットフォームの上面部にはポリエチレン製のシートが貼付されることから、造形物の原料との共通性があるため造形物とプラットフォームシートとの親和性が良好であり、その結果、造形物の環境温度の低下により発生する「反り」の事態を抑止できる。
【００２０】
また、ポリエチレン製のシートは、従来より販売されているポリエステルを素材とするプラットフォームシートよりも製造コストを低減することができるため、熱溶解積層方式を使用した３次元印刷装置により造形物を作成した場合に造形物に発生する「反り」の問題を、コストを低減した状態で有効に解消することが可能となる。
【００２１】
プラットフォームヘの溶融樹脂の定着性は弱すぎても強すぎても良くなく、例えば、定着性が弱すぎると造形時に積層間で溶融樹脂材料が剥がれてしまったり、造形物が倒れたりする虞が生じ、定着性が強すぎると造形後に造形物がプラットフォームから剥がれなくなり、造形物の底面が破壊される虞が生じる。
【００２２】
そこで、ポリエチレン添加量を３〜５％にすることにより、定着性を維持しつつ造形物の剥離作業を行い易くして作業性を向上させることができる。
【００２３】
さらに、フィラメントの溶融樹脂材料にはポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとが主成分とされることにより、フィラメントの良好な送り出しを可能とすることができる。
【００２４】
したがって、熱溶解積層法を利用した３次元印刷装置によって造形される造形物の原料として用いられるフィラメントの主成分をポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを含有する溶融樹脂材料を用い、ポリエチレンを３〜５重量％の範囲内で添加するとともに、３次元印刷装置のプラットフォームの上面部に貼付したポリエチレン製のシートの表面部に溶融したフィラメントが積層されるように構成されていることから、材料コストを削減しつつ、作業性が高く、しかも、安価でありながら、定着性と離型性を向上してサイズの大きい造形物の作製をも可能とすることができる。
【００２５】
この際、ポリエチレン製のシートは安価で使い捨てにも適しているうえ、造形物の作製ごとにプラットフォームの上面部から剥がしても、専用のプラットフォームシートの使用回数に対する耐用性に比べても廉価であり、造形物との剥離性も高く、綺麗に除去することができる。
【００２６】
このように、溶融樹脂材料におけるポリエチレンを適正に添加するとともにプラットフォームの上面部にポリエチレン製のシートを貼着することにより作業性が高く、しかも、安価にサイズの大きい造形物の作製を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法の一実施の形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、本発明に係る一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
図１に示すように、熱溶解積層法を利用した３次元印刷装置１は、ロール状に巻回した線条の溶融樹脂材料からなるフィラメント２と、フィラメント２を引き出す搬送ローラ部３と、ヘッド部４と、ヘッド部４の下方に配置されたプラットフォーム５と、プラットフォーム５の上面部５ａに貼着られて表面部６ａに造形物Ｍが作製されるポリエチレン製のシート６と、を備える。
【００３０】
搬送ローラ部３は、フィラメント２を挟み込んで引き出しつつヘッド部４に供給するよう、駆動側ローラ７と従動側ローラ８とで対をなしている。なお、駆動側ローラ７と従動側ローラ８とは逆の配置でもよい。
【００３１】
次に、フィラメント２の具体的な合成溶融樹脂材料成分を説明する。
フィラメント２の原材料は以下のものである。
【００３２】
Ａ：ポリ乳酸樹脂
本実施形態におけるポリ乳酸樹脂（Ａ）は純度９５％以上で、５％以下の添加剤を含んでおり、融点は１７０℃である。
【００３３】
また、本実施形態におけるポリ乳酸樹脂（Ａ）は、Ｄ体含有量が１．０モル％以下であるか、又は、Ｄ体含有量が９９．０モル％以上であることが必要であり、中でも、０．１〜０．６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。
【００３４】
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。
【００３５】
Ｂ：熱可塑性エラストマー
本実施形態における熱可塑性エラストマー（Ｂ）は、スチレン系樹脂（Ｃ）と鉱物油系可塑剤（Ｄ）とを含有する。具体的には、（Ｃ）成分と（Ｄ）成分との重量混合比が、（Ｃ）成分／（Ｄ）成分＝２５／７５〜３０／７０であり、融点は１００〜１７０℃である。
【００３６】
Ｃ：スチレン系樹脂
本実施形態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。該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。望ましいスチレン系エラストマーはＳＥＢＳ、ＳＥＥＰＳである。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。
【００３７】
本実施形態におけるスチレン系エラストマーの質量平均分子量は１０万以上２０万以下の範囲でなければならない。質量平均分子量が１０万未満では、引張り強さ、引張り破断伸び等の機械的強度が悪くなり、質量平均分子量が２０万を超えると、透明性が悪くなる。
【００３８】
Ｄ：鉱物油系可塑剤
本実施形態においては、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。
【００３９】
本実施形態にあっては、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。
【００４０】
本実施形態に係るフィラメント２は、上記原材料を前提として、さらに、ポリエチレンを３〜５重量％の範囲内で添加することを必須の条件としたうえで、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとの割合を変化させ、熱可塑性エラストマーの含有率の異なるフィラメント２を製造することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態にかかるフィラメント２は、以下の配合比に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
【００４２】
ただし、以下の説明おいては、主成分としてのポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとの配合割合を示すため、説明の便宜上、ポリエチレンを３〜５重量％の範囲内で添加する状態を含めない、すなわち、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとで１００重量％となるフィラメント（１）〜（５）とする場合で説明する。
【００４３】
＜フィラメント（１）の調製＞
本実施の形態に係るフィラメント（１）にあっては、ポリ乳酸樹脂のペレットを１０重量部に対して、熱可塑性エラストマーのペレットを１重量部の割合（熱可塑性エラストマー含有率９．１％）で混合した後に、押出成形により製造する。
【００４４】
＜フィラメント（２）の製造＞
本実施の形態に係るフィラメント（２）にあっては、ポリ乳酸樹脂のペレットを２重量部に対して、熱可塑性エラストマーのペレットを１重量部の割合（熱可塑性エラストマー含有率３３．３％）で混合した後に、押出成形により製造する。
【００４５】
＜フィラメント（３）の製造＞
本実施の形態に係るフィラメント（３）にあっては、ポリ乳酸樹脂のペレットを１重量部に対して、熱可塑性エラストマーのペレットを１重量部の割合（熱可塑性エラストマー含有率５０％）で混合した後に、押出成形により製造する。
【００４６】
＜フィラメント（４）の製造＞
本実施の形態に係るフィラメント（４）にあっては、ポリ乳酸樹脂のペレットを１重量部に対して、熱可塑性エラストマーのペレットを２重量部の割合（熱可塑性エラストマー含有率６６．７％）で混合した後に、押出成形により製造する。
【００４７】
＜フィラメント（５）の製造＞
本実施の形態に係るフィラメント（５）にあっては、ポリ乳酸樹脂のペレットを１０重量部に対して、熱可塑性エラストマーのペレットを１重量部の割合（熱可塑性エラストマー含有率９０．９％）で混合した後に、押出成形により製造する。
【００４８】
ここで、ポリ乳酸樹脂の可塑化温度は１７０℃、熱可塑性エラストマーの可塑化温度が１００〜１７０℃であることから、本実施の形態に係るフィラメント２にあっては、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとが十分に分散して存在していると判断される。
【００４９】
なお、本実施の形態に係る３次元印刷装置１にあっては、加熱温度を２３０℃に設定することによって、熱可塑性エラストマーの含有率の異なるフィラメント（１）〜（３）を用いた場合であっても、加熱温度の設定を変化させることなく使用することができる。
【００５０】
また、本実施の形態に係るフィラメント２にあっては、硬度の大きいポリ乳酸樹脂と硬度の小さい熱可塑性エラストマーとが任意の割合で混合されたフィラメントが押出成形により製造されるので、ポリ乳酸と熱可塑性エラストマーとの割合によって、ポリ乳酸の硬度と熱可塑性エラストマーの硬度との間の任意の硬度を有するフィラメントに成形することができる。
【００５１】
このように、本実施形態に係るフィラメントにあっては、ポリエチレンを３〜５重量％の範囲内で添加することを必須の条件としたうえで、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用い、ポリエチレンを３〜５重量％の範囲内で添加したときに、合計１００重量％となるようにポリ乳酸樹脂と可塑性エラストマーとを混合した後に、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２を製造する。
【００５２】
プラットフォーム５ヘの溶融樹脂（フィラメント２）の定着性は弱すぎても強すぎても良くなく、例えば、定着性が弱すぎると造形時に積層間で溶融樹脂材料が剥がれてしまったり、造形物Ｍが倒れたりする虞が生じ、定着性が強すぎると造形後に造形物Ｍがプラットフォーム５から剥がれなくなり、造形物Ｍの底面が破壊される虞が生じる。
【００５３】
そこで、ポリ乳酸樹脂と熱可塑性エラストマーとを含有する溶融樹脂材料（原料）を主成分として用いるとともにポリエチレン添加量を３〜５％にすることにより、定着性を維持しつつ造形物Ｍの剥離作業を行い易くして作業性を向上させることができる。
【００５４】
この際、ポリエチレン製のシートは安価で使い捨てにも適しているうえ、造形物Ｍの作製ごとにプラットフォーム５の上面部５ａから剥がしても、従来技術で説明した専用のプラットフォームシートの使用回数に対する耐用性に比べても廉価であるうえ、造形物Ｍとの剥離性も高く、綺麗に除去することができる。
【００５５】
このように、溶融樹脂材料におけるポリエチレンを適正（３〜５重量％）に添加するとともにプラットフォーム５の上面部にポリエチレン製のシート６を貼着し、そのポリエチレン製のシート６の表面部６ａにフィラメント２を積層して造形物Ｍを作製することにより、作業性が高く、しかも、安価にサイズの大きい造形物Ｍの作製を可能とすることができる。
【００５６】
ポリエチレン製のシート６は、その素材としてはプラスチック素材の中において最も原料価格が安価であるとともに、プラットフォーム５の上面部５ａに対して簡単に貼り付けることができるうえ、プラットフォーム５の上面部５ａから容易に剥がすこともできるため、造形物Ｍを作製するごとに簡単に貼り替えることができる。
【００５７】
これにより、フィラメント２に安価かつ加工性の高いポリエチレンを３〜５重量％の範囲で添加していることと相俟って、プラットフォーム５の上面部５ａに造形物Ｍが直接貼り付いてしまう、或いは、造形物Ｍが安定しないなどの定着不良（特に、第1層目）を解消しつつ、作製後の造形物Ｍをポリエチレン製のシート６の表面部６ａから容易に剥がすことができる。
【００５８】
ところで、本発明に係る３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法は、上記に示したものに限定されるものではない。
【００５９】
例えば、プラットフォーム５の上面部５ａに貼付するポリエチレン製のシート６は、矩形や円形等の所定の大きさ（面積）を備えるテープ状の１枚シートでもよいし、幅広のポリエチレン製帯状テープを隙間なく短冊状に連列したシート状の場合を含ませることができる。
【００６０】
また、ポリエチレンを添加するフィラメント２の主材料は、上記（１）〜（５）に限定されるものではなく、例えば、上記（１）〜（５）の材料に対して、ポリ乳酸樹脂を添加せず、熱可塑性エラストマーのみにポリエチレンを添加してもよい。
【００６１】
以上説明したように、本発明に係る３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法は、作業性が高く、しかも、安価にサイズの大きい造形物の作製を可能とすることができるという効果を有し、フィラメントを用いた３次元印刷装置の造形物のプラットフォームへの定着方法全般に有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１  ３次元印刷装置
２  フィラメント
３  搬送ローラ部
４  ヘッド部
５  プラットフォーム
５ａ  上面部
６  ポリエチレン製のシート
６ａ  表面部
７  駆動側ローラ
８  従動側ローラ
Ｍ  造形物
【図１】
2020163671.tif 000003