(57)【要約】【課題】３Ｄプリンタを用いて得られた造形物と、他の樹脂を含む材料を加圧加工して成形品を製造する方法であって、圧縮強度が高く、かつ、外観に優れた成形品の製造方法および製造装置の提供。【解決手段】  樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを、３Ｄプリンタを用いて造形することと、造形した造形物に、樹脂を含む第二の材料を加圧加工して成形品を製造することを含み、造形物のボイド率が５〜３０％である、成形品の製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを、３Ｄプリンタを用いて造形すること、
前記造形した造形物に、樹脂を含む第二の材料を加圧加工して成形品を製造することを含み、
前記造形物のボイド率が５〜３０％である、成形品の製造方法；ここで、ボイド率とは、造形物から１ｃｍｘ１ｃｍの試料を切り取り、Ｘ線を使用してＣＴ−ｓｃａｎし、得られた断面データに対し、厚み方向に５か所の写真を切り出し、その写真に対し、画像解析を行って、造形物中のボイドの面積を測定して得られる、５か所の写真の（ボイドの面積／撮影した面積）×１００（単位：％）の平均値をいう。
【請求項２】
前記フィラメントは、樹脂を２０〜９０質量％含む、請求項１に記載の成形品の製造方法。
【請求項３】
前記フィラメントは、連続強化繊維を１０〜８０質量％含む、請求項１または２に記載の成形品の製造方法。
【請求項４】
前記加圧加工は、１ｋＰａ以上の圧力を付加して行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項５】
前記加圧加工は、５０〜４５０℃の温度で行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項６】
前記フィラメントがＵＤテープである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項７】
前記吐出時のフィラメント径が０．１〜３．０ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項８】
前記フィラメントに含まれる連続強化繊維が炭素繊維である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項９】
前記第二の材料がＵＤテープである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１０】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱可塑性樹脂である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１１】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ポリアミド樹脂である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１２】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ジアミン由来の構成単位とジカルボン酸由来の構成単位から構成され、ジアミン由来の構成単位の５０モル％以上がキシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１３】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱硬化性樹脂である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１４】
前記加圧加工を、プレス成形法、射出成形法、レジントランスファーモールディング法、引き抜き成形法およびオートクレーブ成形法から選択される方法によって行う、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１５】
前記造形物を、型に配置し、前記加圧加工を行う、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１６】
前記造形物を予備成形した後、前記加圧加工を行う、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の成形品の製造方法を実行するための製造装置であって、３Ｄプリンタと、加圧加工機を含む、製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は成形品の製造方法および製造装置に関する。特に、３Ｄプリンタで造形された造形物をさらに加工して成形品を得るための製造方法に関する。
【０００２】
３Ｄプリンタは、ラピッドプロトタイピング（３次元造形機）の一種で、コンピュータ上で作成したＣＡＤ、ＣＧなどの３Ｄデータを設計図として、プラスチック等からなる造形物（３次元のオブジェクト）を製造する立体プリンタである。
３Ｄプリンタは、積層方式により分類される。具体的には、アクリル系光硬化樹脂を使用したインクジェット紫外線硬化方式の３Ｄプリンタ（例えば、オブジェットジオメトリーズ社製、CONNEX、EDEN、キーエンス社製、AGILISTA-3000など）が知られている。また、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリフェニルスルフォン樹脂（ＰＰＳＦ）などの熱可塑性樹脂を使用した熱溶解積層方式の３Ｄプリンタ（例えば、ストラタシス社製、FORTUSシリーズ、DimensionシリーズおよびuPrintシリーズ、Solidoodle社製、Solidoodle3など）も知られている。さらに、樹脂系粉末材料や銅・青銅・チタン・ニッケルなどの金属系の粉末材料に高出力のレーザ光線をあて焼結または溶融させるＳＬＳ方式(Selective Laser Sintering)、またはＳＬＭ方式(Selective Laser Melting)の３Ｄプリンタ（例えば、3DSystems社製、SLSシリーズ、アスペクト社製、RaFael550、EOS社製、EOSIntシリーズなど）も知られている。
【０００３】
３Ｄプリンタでは、造形物の材料である樹脂（インク）を使用し、形状を作る。例えば、熱溶解積層方式に用いられる樹脂（インク）では、ＡＢＳ樹脂フィラメントなど熱可塑性樹脂をフィラメント状にしたものが用いられる。そして、熱溶解積層方式では、熱可塑性樹脂フィラメントを３Ｄプリンタから、溶融させながら吐出し、基板上に、所望の形状を構成するように、積層していく。熱溶解積層方式では、樹脂が溶融した状態で、基板上に吐出されるため、容易に所望の形状に造形できる。
【０００４】
これまで、製造業を中心に建築・医療・教育・先端研究など幅広い分野で、実際に製品を作る前にそれぞれの部品を３Ｄプリンタで出力できるサイズに縮小して出力して、デザインの検証・機能検証などの試作に使われてきた。しかしながら、近年、より精密な検証に用いられたり、実際の樹脂成形品の製造についても期待されている。
例えば、特許文献１には、ゴルフボールを形成する方法が、３Ｄプリンタを使ってコアを形成するステップと、圧縮成形および射出成形のうちの少なくとも一方を用いて、コアを取り囲むようにコアを覆うカバーを型成形するステップと、を含むことが開示されている。具体的には、コアを形成するステップと、上記コアを半径方向外側から取り囲むように上記コアを覆うカバーを型成形するステップであって、圧縮成形および射出成形のうちの少なくとも一方を用いて型成形するステップと、を含むプロセスによって形成されたコアとカバーを備えるゴルフボールにおいて、上記コアを形成するステップは、第１の複数の同芯状シェルを含む第１のコア部品をプリントするステップと、第２の複数の同芯状シェルを含む第２のコア部品をプリントするステップと、上記コアを形成するために、第１のコア部品と第２のコア部品とを融合させるステップと、による、ゴルフボールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１７−５０２８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載のように、３Ｄプリンタを用いて造形した造形物に、さらに、他の材料を用いて加圧加工することが検討されている。ここで、３Ｄプリンタを用いて造形した造形物と他の樹脂を含む材料とを加圧加工する場合、接合面の圧縮強度が問題となる。また、連続強化繊維を含むフィラメントを用いて、３Ｄプリンタで造形する場合、得られる造形物内では、加圧加工する際に、連続強化繊維の配向が変わりやすい。連続強化繊維の配向が変わると、得られる加圧加工品の外観が劣ってしまう。
本発明は、かかる課題を解決することを目的としたものであって、３Ｄプリンタを用いて得られた造形物と、他の樹脂を含む材料を加圧加工して成形品を製造する方法であって、圧縮強度が高く、かつ、外観に優れた成形品の製造方法および製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題のもと、本発明者が鋭意検討を行った結果、３Ｄプリンタを用いて造形した造形物のボイド率を所定の範囲とすることにより、上記課題を解決しうることを見出した。具体的には、下記手段＜１＞により、好ましくは＜２＞〜＜１７＞により、上記課題は解決された。
＜１＞樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを、３Ｄプリンタを用いて造形すること、前記造形した造形物に、樹脂を含む第二の材料を加圧加工して成形品を製造することを含み、前記造形物のボイド率が５〜３０％である、成形品の製造方法；ここで、ボイド率とは、造形物から１ｃｍｘ１ｃｍの試料を切り取り、Ｘ線を使用してＣＴ−ｓｃａｎし、得られた断面データに対し、厚み方向に５か所の写真を切り出し、その写真に対し、画像解析を行って、造形物中のボイドの面積を測定して得られる、５か所の写真の（ボイドの面積／撮影した面積）×１００（単位：％）の平均値をいう。
＜２＞前記フィラメントは、樹脂を２０〜９０質量％含む、＜１＞に記載の成形品の製造方法。
＜３＞前記フィラメントは、連続強化繊維を１０〜８０質量％含む、＜１＞または＜２＞に記載の成形品の製造方法。
＜４＞前記加圧加工は、１ｋＰａ以上の圧力を付加して行う、＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜５＞前記加圧加工は、５０〜４５０℃の温度で行う、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜６＞前記フィラメントがＵＤテープである、＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜７＞前記吐出時のフィラメント径が０．１〜３．０ｍｍである、＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜８＞前記フィラメントに含まれる連続強化繊維が炭素繊維である、＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜９＞前記第二の材料がＵＤテープである、＜１＞〜＜８＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１０＞前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱可塑性樹脂である、＜１＞〜＜９＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１１＞前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ポリアミド樹脂である、＜１＞〜＜１０＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１２＞前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ジアミン由来の構成単位とジカルボン酸由来の構成単位から構成され、ジアミン由来の構成単位の５０モル％以上がキシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂である、＜１＞〜＜１１＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１３＞前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱硬化性樹脂である、＜１＞〜＜１２＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１４＞前記加圧加工を、プレス成形法、射出成形法、レジントランスファーモールディング法、引き抜き成形法およびオートクレーブ成形法から選択される方法によって行う、＜１＞〜＜１３＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１５＞前記造形物を、型に配置し、前記加圧加工を行う、＜１＞〜＜１４＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１６＞前記造形物を予備成形した後、前記加圧加工を行う、＜１＞〜＜１５＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法。
＜１７＞＜１＞〜＜１６＞のいずれか１つに記載の成形品の製造方法を実行するための製造装置であって、３Ｄプリンタと、加圧加工機を含む、製造装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、３Ｄプリンタを用いて得られた造形物と、他の材料を加圧加工して成形品を製造する方法であって、圧縮強度が高く、かつ、外観に優れた成形品の製造方法および製造装置を提供可能になった。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】３Ｄプリンタを用いて、樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを造形する状態を示す概略図である。
【図２】実施例における幅方向のピッチを示す概略図である。
【図３】実施例における高さ方向のピッチを示す概略図である。
【図４】圧縮強度の測定方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下において、本発明の内容について詳細に説明する。なお、本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本発明における融点およびガラス転移温度は、特開２０１６−２１６６６１号公報の段落００１７の記載に従って測定され、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
【００１１】
本発明の成形品の製造方法は、樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを、３Ｄプリンタを用いて造形すること、および、前記造形した造形物に、樹脂を含む第二の材料を加圧加工して成形品を製造することを含み、前記造形物のボイド率が、５〜３０％であることを特徴とする。このような構成とすることにより、圧縮強度が高く、かつ、外観に優れた成形品の製造方法が得られる。
すなわち、図１に示す様に、３Ｄプリンタのノズル１１から吐出されたフィラメント１２が連続強化繊維１３を含む場合、得られる造形物１４中の連続強化繊維１３は、フィラメントの吐出方向に従って、連続した状態で含まれる。そのため、造形物１４に他の材料を付加するために加圧加工すると、成形品の加圧加工の際に、造形物１４中の連続強化繊維１３の配向が乱れやすく、得られる成形品の外観が劣るという問題がある。一方、連続強化繊維１３の配向を乱れないように加圧加工しようとすると、圧縮強度が低くなってしまう。本発明では、成形品のボイド率を５〜３０％とすることにより、加圧加工時に連続強化繊維１３を再配置させ、圧縮強度が高く、外観に優れた成形品の提供に成功したものである。
尚、図１では、連続強化繊維１３は点線で示されているが、実際は、連続した状態となっている。但し、連続強化繊維１３が造形物１４内で一度も途切れることなく連続していることを必然とするものではなく、詳細を後述するとおり、３０ｍｍ以上の数平均繊維長を有する強化繊維を連続強化繊維とする。
【００１２】
＜造形工程＞
本発明の製造方法は、樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを、３Ｄプリンタを用いて造形することを含む。造形に際しては、造形物のボイド率が所望の範囲となるように造形する。ここで、ボイドとは、全方位が成形品に囲まれた、成形品内部の空隙を意味する。ボイド率は、造形物中の空隙の割合をいい、造形物から１ｃｍｘ１ｃｍの試料を切り取り、Ｘ線を使用してＣＴ−ｓｃａｎし、得られた断面データに対し、厚み方向に５か所の写真を切り出し、その写真に対し、画像解析を行って、造形物中のボイドの面積を測定して得られる、５か所の写真の（ボイドの面積／撮影した面積）×１００（単位：％）の平均値をいう。より具体的には、後述する実施例に記載の方法に従って測定される。
所望のボイド率を有する造形物を得るには、３Ｄプリンタに用いるフィラメントのフィラメント径、特に、吐出時のフィラメント径を調整すること、３Ｄプリンタで造形するフィラメントのピッチを所定の範囲とすることなどが例示される。例えば、幅方向のピッチを０．０５〜３．０ｍｍとすることができる。また、高さ方向のピッチを０．０２〜３．０ｍｍとすることができる。特に、吐出時の（フィラメント径）／（高さ方向のピッチ）を、１．０〜５．０となるように調整することが好ましく、１．１〜４．０となるように調整することがより好ましく、１．２〜３．０となるように調整することがさらに好ましい。このように、フィラメント径よりも高さ方向のピッチが狭くなるように調整することにより、所望のボイド率を効果的に達成しやすくなる。なお、幅方向のピッチおよび高さ方向のピッチは、後述する実施例、図２および図３の記載に従う。
本発明では、造形物のボイド率は、５％以上であり、６％以上であることが好ましく、７％以上であることがより好ましく、１０％以上であることがさらに好ましく１２％以上が一層好ましい。また、ボイド率は、３０％以下であり、２８％以下であることが好ましく、２５％以下であることがより好ましく、２３％以下であることがさらに好ましく、２０％以下が一層好ましい。このような範囲とすることにより、本発明の効果がより効果的に発揮される。
【００１３】
本発明の製造方法において、造形物は、３Ｄプリンタからフィラメントを吐出することによって形成される。一例をあげると、図１に示す様に、フィラメント１１は、基材１５上に吐出する。基材１５は、３Ｄプリンタの基板であってもよいし、３Ｄプリンタの基板にフィルム等の基材を置いて、その表面に積層してもよい。
また、フィラメントの一端を基材に固定して吐出することも好ましい。
フィラメントの吐出の際には、基材１５を移動させて所望の形状となるように積層しても良いし、ノズル１１を移動させて積層しても良いし、基材とノズルの両方を移動させて積層してもよい。生産性の向上の観点からは、ノズルを移動させて積層することが好ましい。
また、ノズルの先端と基材の距離は近くても良いし（例えば、３ｍｍ以下）、遠くても良い（例えば、５ｍｍを超える）が、近い方がフィラメントの追従性をより向上させることができる。
吐出速度は特に定めるものではないが、例えば、０．５〜１００ｍｍ／秒とすることができ、さらには、１〜５０ｍｍ／秒とすることができ、特には、１〜２０ｍｍ／秒、１〜１０ｍｍ／秒とすることもできる。特に、高速化した場合には、２０ｍｍ／秒を超え１００ｍｍ／秒以下とすることもできる。
【００１４】
一方、フィラメントに含まれる樹脂は、吐出前、吐出時および吐出後の少なくとも一つの工程において溶融される。溶融とは、フィラメントに含まれる樹脂の少なくとも一部が溶融することをいい、好ましくは樹脂の８０質量％以上が溶融することをいい、より好ましくは樹脂の９５質量％以上が溶融することをいい、さらに好ましくは樹脂の９９質量％以上が溶融することをいう。
溶融温度は、樹脂が溶融する温度であれば、特に定めるものではないが、樹脂が結晶性熱可塑性樹脂である場合、熱可塑性樹脂の融点＋１０℃以上が好ましく、熱可塑性樹脂の融点＋１５〜６０℃がより好ましく、熱可塑性樹脂の融点＋２０〜４０℃の範囲がさらに好ましい。樹脂が非晶性熱可塑性樹脂である場合、熱可塑性樹脂のガラス転移温度＋１０℃以上が好ましく、熱可塑性樹脂のガラス転移温度＋１５〜６０℃がより好ましく、熱可塑性樹脂のガラス転移温度＋２０〜４０℃の範囲がさらに好ましい。
フィラメントに含まれる樹脂が熱硬化性樹脂である場合、０℃以上が好ましく、１０℃以上がより好ましい。上限値に格別な制約は無いが、４５０℃以下が好ましく、４００℃以下がさらに好ましい。
本発明では、溶融は、フィラメントの吐出時にノズル内部を加熱することによって行うことが好ましい。
また、ノズルから吐出した後、溶融させる場合、レーザを照射して、溶融させることが好ましい。レーザ照射は、ノズルから吐出した後、基材に積層するまでの間に行っても良いし、基材に積層してから行っても良いし、その両方であってもよい。
【００１５】
造形中の造形物１４は、樹脂が完全に硬化していないため、造形物１４が反ったり座屈してしまうことがある。そのため、造形物の造形において、基材１５も加熱することが好ましい。基材の加熱温度としては、例えば、５０〜１００℃とすることが例示され、さらには、５５〜９０℃とすることもできる。また、基材を実質的に加熱しない態様も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【００１６】
本発明の製造方法に用いる、３Ｄプリンタとしては、熱溶解積層方式に使用可能な３Ｄプリンタ、またはＳＬＭ法に使用可能な３Ｄプリンタが好ましく採用できる。熱溶解積層方式の３Ｄプリンタの市販品としては、例えば、ストラタシス社製、FORTUSシリーズ、 DimensionシリーズおよびuPrintシリーズ、Solidoodle社製、Solidoodle3などが例示される。ＳＬＭ方式の３Ｄプリンタの市販品としては、3DSystems社製、SLSシリーズ、アスペクト社製、RaFael550、EOS社製、EOSIntシリーズなどが例示される。
【００１７】
造形物１４の製造に際し、造形物１４の空間部分をサポートするサポート材を用いてもよい。サポート材を用いる場合は、サポート材の表面に、フィラメントを吐出する。サポート材としては、アクリル樹脂等が用いられる。しかしながら、本発明では、サポート材などを用いずに造形する態様においても、高い圧縮強度を達成できる。圧縮強度は、相対比で、例えば、１．２以上とすることができ、１．４以上、１．６以上、１．７以上とすることもでき。また、前記圧縮強度の条件は相対比で、２．５以下、さらには２．３以下、２．２以下とすることができる。圧縮強度（相対比）は後述する実施例に記載の方法に従って測定される。
【００１８】
本発明で造形される造形物の形状は、特に定めるものではないが、例えば、最も薄い部位が５ｍｍ以下、さらには３ｍｍ以下の薄肉の造形物も製造できる。下限値は特に定めるものではないが、例えば、最も薄い部位の厚さを０．０５ｍｍ以上とすることができる。本発明における造形物は、通常、立体構造物であるが、フィルムやシート状等の平面状の構造物であってもよい。特に、本発明の成形品の製造方法は、造形物が中空構造を有する場合に、効果的である。例えば、外径３〜１００ｍｍの丸パイプ形状、外径１０〜１００ｍｍ中空の球形状が挙げられる。
【００１９】
次に、フィラメントについて説明する。本発明におけるフィラメントは、３Ｄプリンタから吐出される、いわゆる３Ｄプリンタ用インクである。
３Ｄプリンタ用フィラメントのフィラメント径（直径）は、用途や用いるノズル等に応じて適宜定めることができるが、吐出時のフィラメント径の下限値が、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２ｍｍ以上であることがより好ましく、０．３ｍｍ以上であることがさらに好ましく、０．５ｍｍ以上であることが一層好ましい。また、吐出時のフィラメント径の上限値としては、３．０ｍｍ以下が好ましく、２．５ｍｍ以下であることがより好ましく、２．０ｍｍ以下であってもよく１．０ｍｍ以下であってもよい。３Ｄプリンタ用フィラメントの径および断面は、熱溶解積層法の３Ｄプリンタを用いる場合、ノズルの吐出口の形状によって調整することができる。吐出時とは、ノズルから吐出された直後のことをいう。
３Ｄプリンタ用フィラメントの１ｍあたりの質量は、０．０１〜４０ｇであることが好ましく、０．１〜５ｇであることがより好ましく、０．５〜２ｇがさらに好ましい。
【００２０】
３Ｄプリンタ用フィラメントは、弾性率が、１０ＭＰａ以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、フィラメントが、ある程度の硬さを持ち、３Ｄプリンタの内部を容易に移動できる。すなわち、フィラメントは、通常、糸状のものであるため、絡まったり、丸まったりすることがあるが、弾性率を上記値以上とすることにより、吐出性を向上させることができる。フィラメントの弾性率は、下限値が、１０ＭＰａ以上であることが好ましく、５０ＭＰａ以上であることがより好ましく、１０００ＭＰａ以上であることがさらに好ましく、１５００ＭＰａ以上であることが一層好ましい。フィラメントの弾性率の上限値は、１０，０００ＭＰａ以下であることが好ましく、８，０００ＭＰａ以下であることがより好ましく、６，０００ＭＰａ以下であることが一層好ましく、３，５００ＭＰａ以下とすることもできる。弾性率を１０，０００ＭＰａ以下とすることにより、フィラメントがしなやかになり、吐出性がより向上する傾向にある。
【００２１】
３Ｄプリンタ用フィラメントの形態は特に定めるものではないが、ＵＤテープ、混繊糸、樹脂モノフィラメントと強化繊維からなる組糸、樹脂含浸強化繊維などが例示され、ＵＤテープおよび混繊糸が好ましく、ＵＤテープがより好ましい。ここで、ＵＤテープとは、一方向テープ（Ｕｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔａｐｅ）を意味する。
【００２２】
３Ｄプリンタ用フィラメントは、樹脂を含む。本発明におけるフィラメントは、樹脂を１０〜９５質量％含むことが好ましく、１５〜９５質量％含むことがより好ましく、２０〜９０質量％含むことがさらに好ましく、３０〜８０質量％含むことが一層好ましく、３０〜６０質量％であってもよく、３０〜４９質量％であってもよい。３Ｄプリンタ用フィラメントは、樹脂を１種のみ含んでいてもよいし、２種以上含んでいてもよい。２種以上含む場合、合計量が上記範囲となることが好ましい。
樹脂としては、熱可塑性樹脂であっても、熱硬化性樹脂であってもよい。本発明におけるフィラメントを構成する樹脂の一実施形態は、熱可塑性樹脂が樹脂成分の９５質量％以上を占める態様である。また、他の一実施形態は熱硬化性樹脂が樹脂成分の９５質量％以上を占める態様である。
【００２３】
フィラメントを構成する熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリオキシメチレン樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、熱可塑性ポリエーテルイミド等の熱可塑性樹脂を用いることができ、ポリアミド樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、スーパーエンプラと呼ばれる高耐熱性熱可塑性樹脂を用いることもできる。スーパーエンプラの例としては、三井化学社製、ＡＵＲＵＭ（登録商標）、Ｖｉｃｔｒｅｘ社製、Ｖｉｃｔｒｅｘ（登録商標）ＰＥＥＫシリーズなどが例示される。
本発明で用いる熱可塑性樹脂は１種でも、２種以上であってもよい。
【００２４】
フィラメントを構成するポリアミド樹脂としては、ポリアミド４、ポリアミド６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド４６、ポリアミド６６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリヘキサメチレンテレフタラミド（ポリアミド６Ｔ）、ポリヘキサメチレンイソフタラミド（ポリアミド６Ｉ）、ポリアミド６６／６Ｔ、ポリキシリレンアジパミド、ポリキシリレンセバカミド、ポリキシリレンドデカミド、ポリアミド９Ｔ、ポリアミド９ＭＴ、ポリアミド６Ｉ／６Ｔ等が挙げられる。
【００２５】
上述のようなポリアミド樹脂の中でも、成形性、耐熱性の観点から、ジアミン由来の構成単位とジカルボン酸由来の構成単位を含み、ジアミン由来の構成単位の５０モル％以上がキシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂（以下、「ＸＤ系ポリアミド」ということがある）であることが好ましい。
また、ポリアミド樹脂が混合物である場合は、ポリアミド樹脂中のＸＤ系ポリアミドの比率が５０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましい。
【００２６】
ＸＤ系ポリアミドは、好ましくはジアミン由来の構成単位の７０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上、さらに好ましくは９０モル％以上、特に好ましくは９５モル％以上がメタキシリレンジアミンおよび／またはパラキシリレンジアミンに由来し、ジカルボン酸由来の構成単位の好ましくは５０モル％以上、より好ましくは７０モル％以上、さらには８０モル％以上、一層好ましくは９０モル％、より一層好ましくは９５モル％以上が、炭素原子数が好ましくは４〜２０のα，ω−直鎖脂肪族ジカルボン酸に由来する。
【００２７】
ＸＤ系ポリアミドの原料ジアミン成分として用いることができるメタキシリレンジアミンおよびパラキシリレンジアミン以外のジアミンとしては、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、２−メチルペンタンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、２，２，４−トリメチル−ヘキサメチレンジアミン、２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジアミン等の脂肪族ジアミン、１，３−ビス（アミノメチル）シクロヘキサン、１，４−ビス（アミノメチル）シクロヘキサン、１，３−ジアミノシクロヘキサン、１，４−ジアミノシクロヘキサン、ビス（４−アミノシクロヘキシル）メタン、２，２−ビス（４−アミノシクロヘキシル）プロパン、ビス（アミノメチル）デカリン、ビス（アミノメチル）トリシクロデカン等の脂環式ジアミン、ビス（４−アミノフェニル）エーテル、パラフェニレンジアミン、ビス（アミノメチル）ナフタレン等の芳香環を有するジアミン等を例示することができ、１種または２種以上を混合して使用できる。
ジアミン成分として、キシリレンジアミン以外のジアミンを用いる場合は、ジアミン由来の構成単位の５０モル％未満であり、３０モル％以下であることが好ましく、より好ましくは１〜２５モル％、特に好ましくは５〜２０モル％の割合で用いる。
【００２８】
ポリアミド樹脂の原料ジカルボン酸成分として用いるのに好ましい炭素原子数４〜２０のα，ω−直鎖脂肪族ジカルボン酸としては、例えばコハク酸、グルタル酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、アジピン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸等の脂肪族ジカルボン酸が例示でき、１種または２種以上を混合して使用できるが、これらの中でもポリアミド樹脂の融点が成形加工するのに適切な範囲となることから、アジピン酸またはセバシン酸が好ましく、セバシン酸がより好ましい。
【００２９】
上記炭素原子数４〜２０のα，ω−直鎖脂肪族ジカルボン酸以外のジカルボン酸成分としては、イソフタル酸、テレフタル酸、オルソフタル酸等のフタル酸化合物、１，２−ナフタレンジカルボン酸、１，３−ナフタレンジカルボン酸、１，４−ナフタレンジカルボン酸、１，５−ナフタレンジカルボン酸、１，６−ナフタレンジカルボン酸、１，７−ナフタレンジカルボン酸、１，８−ナフタレンジカルボン酸、２，３−ナフタレンジカルボン酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸、２，７−ナフタレンジカルボン酸といった異性体等のナフタレンジカルボン酸等を例示することができ、１種または２種以上を混合して使用できる。
【００３０】
ジカルボン酸成分として、炭素原子数４〜２０のα，ω−直鎖脂肪族ジカルボン酸以外のジカルボン酸を用いる場合は、成形加工性、バリア性の点から、テレフタル酸、イソフタル酸を用いることが好ましい。テレフタル酸、イソフタル酸の割合は、好ましくはジカルボン酸構成単位の３０モル％以下であり、より好ましくは１〜３０モル％、特に好ましくは５〜２０モル％の範囲である。
【００３１】
さらに、ジアミン成分、ジカルボン酸成分以外にも、ポリアミド樹脂を構成する成分として、本発明の効果を損なわない範囲でε−カプロラクタムやラウロラクタム等のラクタム類、アミノカプロン酸、アミノウンデカン酸等の脂肪族アミノカルボン酸類も共重合成分として使用できる。
ＸＤ系ポリアミドの詳細は、ＷＯ２０１６／０８０１８５号公報の段落００１３〜００２５の記載を参酌でき、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
【００３２】
本発明で用いるフィラメントは、上記熱可塑性樹脂に加え、エラストマー成分を含んでいてもよい。
エラストマー成分としては、例えば、ポリオレフィン系エラストマー、ジエン系エラストマー、ポリスチレン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー、フッ素系エラストマー、シリコーン系エラストマー等公知のエラストマーが使用でき、好ましくはポリオレフィン系エラストマーおよびポリスチレン系エラストマーである。これらのエラストマーとしては、ポリアミド樹脂に対する相溶性を付与するため、ラジカル開始剤の存在下または非存在下で、α，β−不飽和カルボン酸およびその酸無水物、アクリルアミド並びにそれらの誘導体等で変性した変性エラストマーも好ましい。
【００３３】
熱可塑性樹脂に、エラストマー成分を配合する場合、エラストマー成分の配合量は、熱可塑性樹脂の５〜２５質量％であることが好ましい。
【００３４】
さらに、本発明の目的・効果を損なわない範囲で、本発明で用いる熱可塑性樹脂には、酸化防止剤、熱安定剤等の安定剤、耐加水分解性改良剤、耐候安定剤、艶消剤、紫外線吸収剤、核剤、可塑剤、分散剤、難燃剤、帯電防止剤、着色防止剤、ゲル化防止剤、着色剤、離型剤等の添加剤等を加えることができる。これらの詳細は、特許第４８９４９８２号公報の段落番号０１３０〜０１５５の記載を参酌でき、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
尚、本発明で用いるフィラメントは、後述する連続強化繊維以外のフィラーを含んでいてもよいが、他のフィラーを実質的に含まないことが好ましい。他のフィラーを実質的に含まないとは、熱可塑性樹脂組成物中の他のフィラーの含有量が、３質量％以下であることをいい、１質量％以下であることが好ましい。
【００３５】
本発明で用いるフィラメントの好ましい実施形態として、熱可塑性樹脂の７０質量％以上（好ましくは８０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上）が、ポリアミド樹脂である形態が例示される。
【００３６】
一方、フィラメントを構成する熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリイミド樹脂が例示される。
【００３７】
３Ｄプリンタ用フィラメントは、連続強化繊維を含む。本発明におけるフィラメントは、連続強化繊維を５〜９０質量％含むことが好ましく、５〜８５質量％含むことがより好ましく、１０〜８０質量％含むことがさらに好ましく、２０〜７０質量％含むことが一層好ましく、４０〜７０質量％含んでいてもよく、５１〜７０質量％含んでいてもよい。連続強化繊維は１種のみ含んでいても、２種以上含んでいてもよく、２種以上含む場合は合計量が上記範囲となることが好ましい。
本発明で用いる連続強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、金属繊維（スチール繊維等）等の無機繊維、および、植物繊維（ケナフ（Ｋｅｎａｆ）、竹繊維等を含む）、アラミド繊維、ポリオキシメチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の有機繊維などが挙げられる。なかでも、炭素繊維、アラミド繊維およびガラス繊維の少なくとも１種であることが好ましく、炭素繊維およびガラス繊維の少なくとも１種であることがより好ましい。特に、軽量でありながら、高強度、高弾性率であるという優れた特徴を有するため、炭素繊維が好ましく用いられる。炭素繊維はポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維を好ましく用いることができる。また、リグニンやセルロースなど、植物由来原料の炭素繊維も用いることができる。
【００３８】
連続強化繊維とは、３０ｍｍ以上の数平均繊維長を有する強化繊維をいい、５０ｍｍ以上の数平均繊維長を有する連続強化繊維であることが好ましい。本発明で使用する連続強化繊維の数平均繊維長は特に制限はないが、成形加工性を良好にする観点から、１〜２０，０００ｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは１００〜１０，０００ｍ、さらに好ましくは１，０００〜７，０００ｍである。
本発明で用いる連続強化繊維の一例は、複数の連続強化繊維が束状になった連続強化繊維束である。本実施形態では、数平均繊維長１ｍ以上の連続強化繊維が好ましい。本発明で用いる連続強化繊維の他の一例は、数平均繊維長３０〜１５０ｍｍの連続強化繊維である。このような連続強化繊維の例としては、「stretch-broken carbon fiber」が挙げられる。
【００３９】
本発明で用いるフィラメントに含まれる連続強化繊維、特に、連続強化繊維は、処理剤で処理されたものを用いることが好ましい。このような処理剤としては、集束剤や表面処理剤が例示され、特許第４８９４９８２号公報の段落番号００９３および００９４に記載のものが好ましく採用され、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
【００４０】
具体的には、本発明で用いる処理剤は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シラン系化合物、イソシアネート化合物、チタネート系化合物、ポリアミド樹脂の少なくとも１種であることが好ましく、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シランカップリング剤、水不溶性ポリアミド樹脂および水溶性ポリアミド樹脂の少なくとも１種であることが好ましく、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、水不溶性ポリアミド樹脂および水溶性ポリアミド樹脂の少なくとも１種であることがより好ましく、水溶性ポリアミド樹脂であることがさらに好ましい。
【００４１】
前記処理剤の量は、連続強化繊維の０．００１〜１．５質量％であることが好ましく、０．１〜１．２質量％であることがより好ましく、０．５〜１．１質量％であることがさらに好ましい。
【００４２】
本発明で用いる３Ｄプリンタ用フィラメントは、樹脂と連続強化繊維で全体の８０質量％以上を占めることが好ましく、９０質量％以上を占めることが好ましく、９５質量％以上を占めることがさらに好ましい。
【００４３】
本発明で用いる３Ｄプリンタ用フィラメントの製造方法は、公知のＵＤテープの製造方法等を参酌することができる。
本発明のフィラメントとしては、上記の他、ＷＯ２０１４／１３６６６２号公報に記載の混繊糸、ＷＯ２０１６／０３９２４２号公報に記載の混繊糸、ＷＯ２０１７／０３３７４６号公報に記載の材料、ＷＯ２０１６／１５９３４０号公報に記載の複合材料、特開２０１６−２１００２７号公報に記載の繊維強化複合材料等が例示され、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
【００４４】
＜加圧加工工程＞
本発明の成形品の製造方法は、前記造形した造形物に、樹脂を含む第二の材料を加圧加工する工程を含む。
加圧加工の際の圧力は、造形物の形状や大きさ、造形物の材料や第二の材料の種類によって、適宜定めることができる。加圧加工の際の圧力は、１ｋＰａ以上であることが好ましく、５ｋＰａ以上であることがより好ましく、１００ｋＰａ以上であることがさらに好ましい。また、加圧加工の際の圧力は、１００００００ｋＰａ以下であることが好ましく、５０００００ｋＰａ以下であることがより好ましく、１０００００ｋＰａ以下であることがさらに好ましく、５０００００ｋＰａ以下であることが一層好ましい。
また、加圧加工の際の温度は、樹脂の種類等に応じて適宜定めることができる。例えば、加圧加工の際の温度は、１０℃以上であることが好ましく、３０℃以上であることがより好ましく、５０℃以上であることがさらに好ましく、６０℃以上であることが一層好ましい。また、加圧加工の際の温度は、５５０℃以下であることが好ましく、５００℃以下であることがより好ましく、４５０℃以下であることがさらに好ましい。
第二の材料に含まれる樹脂が融点を有する熱可塑性樹脂である場合、融点＋１〜融点＋５０℃であることが好ましく、融点＋５〜融点＋４０℃であることがより好ましい。
第二の材料に含まれる樹脂がガラス転移温度（Ｔｇ）を有する熱可塑性樹脂である場合、Ｔｇ＋５０〜Ｔｇ＋３００℃であることが好ましく、Ｔｇ＋６０〜Ｔｇ＋２５０℃であることがより好ましい。
第二の材料に含まれる樹脂がガラス転移温度（Ｔｇ）を有する熱硬化性樹脂である場合、Ｔｇ−１００〜Ｔｇ＋１００℃であることが好ましく、Ｔｇ−８０〜Ｔｇ＋８０℃であることがより好ましい。
【００４５】
加圧加工の方法は特に定めるものではなく、プレス成形法、射出成形法、レジントランスファーモールディング法、引き抜き成形法およびオートクレーブ成形法から選択される方法が例示され、プレス成形法および射出成形法がより好ましく、プレス成形法がさらに好ましい。このように、３Ｄプリンタで造形した造形物と第二の材料を一体成形することにより、接着剤および粘着剤を用いずに、成形品を製造することが可能になる。
加圧加工の第一の実施形態は、造形物を、型に配置し、加圧加工を行う態様である。造形物を型に配置することにより、局所的に３Ｄプリンタで造形した造形物による補強ができる。また、本発明の型は、金属製およびシリコーン製が好ましい。
【００４６】
本発明では、造形物と第二の材料の接合部位の面積が１〜１００００ｍｍ2であることが好ましく、１０〜２５００ｍｍ2であることがより好ましく、１００〜１０００ｍｍ2であってもよい。
【００４７】
加圧加工の際に用いる第二の材料は樹脂を含む限り特に定めるものではない。第二の材料の形態としては、フィルム、板材、シート、テープ、織物および編物などの材料を用いることができる。また、溶融樹脂などを加圧加工する場合も本発明の好ましい形態に含まれる。第二の材料の形態は、特に好ましくは、フィルム、板材、織物および編み物である。
【００４８】
第二の材料に含まれる樹脂としては、３Ｄプリンタ用フィラメントに用いる樹脂のところで述べた樹脂と同様の樹脂が好ましく用いられる。すなわち、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂が例示される。さらに、熱可塑性樹脂は、ポリアミド樹脂が好ましく、ジアミン由来の構成単位とジカルボン酸由来の構成単位から構成され、ジアミン由来の構成単位の５０モル％以上がキシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂がより好ましい。
【００４９】
第二の材料は、強化繊維を含んでいてもよい。強化繊維としては、３Ｄプリンタ用フィラメントのところで述べた連続強化繊維の他、短繊維も例示される。
第二の材料の好ましい実施形態の一例は、ＵＤテープである。ＵＤテープは、３Ｄプリンタ用フィラメントのところで述べたものが好ましい。３Ｄプリンタ用フィラメントと第二の材料の両方にＵＤテープを用いる場合、ＵＤテープの組成は同一であっても異なっていてもよいが、組成の９０質量％以上が共通することが好ましい。このような構成とすることにより、より圧縮強度を向上させることが可能になる。
【００５０】
本発明では、前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱可塑性樹脂である形態が例示される。さらに、前記２つの樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ポリアミド樹脂である形態、特には、前記樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ジアミン由来の構成単位とジカルボン酸由来の構成単位から構成され、ジアミン由来の構成単位の５０モル％以上がキシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂である形態が例示される。また、前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱硬化性樹脂である形態も例示される。
本発明では、前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂の７０質量％以上が共通することが好ましく、８０質量％以上が共通することがより好ましく、９０質量％以上共通することがさらに好ましい。また、フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂に異なる種類を用いる場合、その樹脂の構成単位の一部が同一または類似していることが好ましい。特には、キシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂と、キシリレンジアミンを硬化剤に含むエポキシ樹脂が例示される。
【００５１】
本発明の成形品の製造方法は、前記造形物を予備成形した後、前記加圧加工を行ってもよい。予備成形とは、少なくとも温度および圧力のいずれかが前記加圧加工より低い条件での成形が例示される。
【００５２】
本発明の成形品の製造方法の具体的な実施形態を述べる。
第一の実施形態は、円筒形状で補強した締結部を有する成形品を製作する形態である。具体的には、３Ｄプリンタで造形した円筒形状の部材を金型に配置し、締結部となる第二の材料をともに加圧加工を行う。
第ニの実施形態は、加飾された球状成形品を製作する形態である。具体的には、３Ｄプリンタで造形した球状の部材を金型に配置し、加飾機能を有する第二の材料をともに加圧加工を行う。
第三の実施形態は、複数の針状物を有する成形品を製作する形態である。具体的には、３Ｄプリンタで造形した針状の部材を複数金型に配置し、第二の材料をともに加圧加工を行う。
第四の実施形態は、網目状に補強された成形品を製作する形態である。具体的には、３Ｄプリンタで造形した網目状の部材を金型に配置し、第二の材料をともに加圧加工を行う。ここでの網目状の部材とは、例えば、構造物の骨組みからなる構造物などが例示される。また、ロケット分野におけるラティス構造の構造物も網目状に部材に含まれる。
【００５３】
本発明で得られる成形品は、繊維強化樹脂成形品に広く用いられる。利用分野については特に定めるものではなく、自動車等輸送機部品、一般機械部品、精密機械部品、電子・電気機器部品、ＯＡ機器部品、建材・住設関連部品、医療装置、レジャースポーツ用品、遊戯具、医療品、食品包装用フィルム等の日用品、防衛および航空宇宙製品等に広く用いられる。また、これらの試作品にも好ましく用いられる。
【００５４】
本発明ではまた、上記成形品の製造方法を実行するための製造装置であって、３Ｄプリンタと、加圧加工機を含む、製造装置を開示する。これらの詳細は、上述の成形品の製造方法についての説明を参酌することができる。
【実施例】
【００５５】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。
【００５６】
１．合成例
＜ＭＰＸＤ１０の合成＞
撹拌機、分縮器、全縮器、温度計、滴下ロートおよび窒素導入管、ストランドダイを備えた反応容器に、セバシン酸（伊藤製油（株）製、ＴＡグレード）１０ｋｇ（４９．４ｍｏｌ）および酢酸ナトリウム／次亜リン酸ナトリウム・一水和物（モル比＝１／１．５）１１．６６ｇを仕込み、十分に窒素置換した後、さらに少量の窒素気流下で系内を撹拌しながら１７０℃まで加熱溶融した。
メタキシリレンジアミン（三菱ガス化学（株）製）とパラキシリレンジアミン（三菱ガス化学（株）製）のモル比が７０／３０である混合キシリレンジアミン６．６４７ｋｇ（メタキシリレンジアミン３４．１６ｍｏｌ、パラキシリレンジアミン１４．６４ｍｏｌ）を溶融したセバシン酸に撹拌下で滴下し、生成する縮合水を系外に排出しながら、内温を連続的に２．５時間かけて２４０℃まで昇温した。
滴下終了後、内温を上昇させ、２５０℃に達した時点で反応容器内を減圧にし、さらに内温を上昇させて２５５℃で２０分間、溶融重縮合反応を継続した。その後、系内を窒素で加圧し、得られた重合物をストランドダイから取り出して、これをペレット化することにより、ポリアミド樹脂ＭＰＸＤ１０を得た。
得られたポリアミド樹脂の融点は、２１３℃、数平均分子量は、１５４００であった。
【００５７】
２．ＵＤテープの製造
真空乾燥機により乾燥したＭＰＸＤ１０を３０ｍｍφのスクリューを有する単軸押出機にて溶融押出しし、５００ｍｍ幅のＴダイを介して押出成形し、表面に凹凸状シボを設けたステンレス製の対ロールにより、ロール温度７０℃、ロール圧０．４ＭＰａで加圧し、フィルム表面にシボを有するフィルム（ＭＰＸＤ１０フィルム）を成形した。ＭＰＸＤ１０フィルムのフィルム端部をスリットし、厚み５０μｍ、４８０ｍｍ幅のキャストフィルムを得た。
次いで、一方向に引き揃えた東レ（株）（Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）製ポリアクリロニトリル系炭素繊維（トレカ（ＴＯＲＡＹＣＡ）Ｔ３００−３０００、３０００フィラメント、１９８ｔｅｘ、引張弾性率：２３０ＧＰａ、平均繊維径７μｍ）を一方向に引きそろえたシート状物とＭＰＸＤ１０フィルムを、複数のロールを用いて２２０℃に加熱しながら１ＭＰａで加圧し、連続的に貼り合わせた後、４０℃のロールで冷却した。加熱圧縮するのに用いたロールは、ロール表面をフッ素樹脂でコーティングしたものを用いた。ついで、ＵＤテープを適度な幅を持つように切断しながら、巻きはじめの１０ｃｍ2をテープで紙製の芯材に固定し、巻き取り張力０．１ＭＰａ、巻き取り速度１ｍ／分、２５℃、相対湿度５０％の条件で巻き取った。
得られたＵＤテープは、熱可塑性樹脂と連続強化繊維の体積比率が５８：４２、また、連続強化繊維の割合は約５４質量％、樹脂の割合は約４６質量％であった。
【００５８】
３．シートの製造方法
真空乾燥機により乾燥したＭＰＸＤ１０を３０ｍｍφのスクリューを有する単軸押出機にて溶融押出しし、５００ｍｍ幅のＴダイを介して押出成形し、表面に凹凸状シボを設けたステンレス製の対ロールにより、ロール温度７０℃、ロール圧０．４ＭＰａで加圧し、表面にシボを有するシートを成形した。シート端部をスリットし、厚み２００μｍ、４８０ｍｍ幅のキャストシートを得た。
【００５９】
４．混繊糸の製造
＜連続熱可塑性樹脂繊維の製造＞
後述する表に示す熱可塑性樹脂を用い、以下の手法に従って繊維状にした。
熱可塑性樹脂を３０ｍｍφのスクリューを有する単軸押出機にて溶融押出しし、６０穴のダイからストランド状に押出し、ロールにて巻き取りながら延伸し、回巻体に巻き取った熱可塑性樹脂繊維束を得た。溶融温度は、熱可塑性樹脂の融点＋１５℃とした。
【００６０】
＜混繊糸の製造＞
１ｍ以上の長さを有する熱可塑性樹脂繊維の回巻体、および、１ｍ以上の長さを有する連続強化繊維の回巻体からそれぞれの繊維を引き出し、複数のガイドを通しながらエアブローにより開繊を行った。開繊しながら、熱可塑性樹脂繊維および連続強化繊維を一束とし、さらに、複数のガイドを通しながらエアブローを与え、均一化を進めた。
得られた混繊糸は、繊度約１３０００ｄｔｅｘ、繊維数約１３５００ｆ、連続熱可塑性樹脂繊維と連続強化繊維の体積比率が５０：５０、また、連続強化繊維の割合は約６９質量％、樹脂の割合は約３１質量％であった。
【００６１】
５．ボイド率の測定
ボイドとは、全方位が成形品に囲まれた、成形品内部の空隙を意味し、以下の通り測定した。
造形物から１ｃｍｘ１ｃｍの試料を切り取り、Ｘ線を使用してＣＴ−ｓｃａｎした。得られた断面データに対し、厚み方向に５か所の写真を切り出し、その写真に対し、画像解析を行って、造形物中のボイドの面積を測定した。ボイド率は、ボイドの面積／撮影した面積（単位：％）として示した。５つの断面写真のボイド率の平均を、その造形物のボイド率とした。
Ｘ線を使用した撮影には、Ｘ線ＣＴ−ｓｃａｎ（ヤマト製、ＴＤＭ  １０００Ｈ−ＩＩ）を使用した。画像解析は、画像解析ソフトＡ像くん（旭化成エンジニアリング社製）を用いて選択し、その面積を測定した。
【００６２】
６．吐出時のフィラメント径の測定
吐出時のフィラメント径は、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡ＶＫ−９５００（コントローラー部）／ＶＫ−９５１０（測定部）（キーエンス社製）を使用した。造形物を構成するフィラメントの配向に対し、垂直な向きから顕微鏡図を取得し、フィラメント径を測定した。フィラメントの形状が真円でない場合は、長軸の長さをフィラメント径とした。
【００６３】
実施例１
上記で得られたフィラメント（ＵＤテープ）を、Solidoodle3（Solidoodle社製）にセットし、フィラメントの一部を引き出して、３Ｄプリンタの基材に固定した。
次いで、後述する表に示す吐出温度（ノズル内部の加熱温度）で、吐出速度２ｍｍ／秒にて、図２に示す様に幅方向のピッチが１．０ｍｍとなるようにフィラメントを基材上に並列に吐出して、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの層状物を形成した。さらに、前記層状物の表面に、図３に示す様に高さ方向のピッチが０．３ｍｍとなるように、フィラメントを層状に吐出し造形物を得た。造形物の厚さは２ｍｍとなるように、フィラメントを繰り返し吐出して積層した。尚、Solidoodle3（Solidoodle社製）のドライブギヤは駆動させずに吐出した。図２および図３において、１１は３Ｄプリンタのノズルを、１２は吐出されたフィラメントを、１４は造形物を、１５は基材をそれぞれ示している。図２は、基材の上（基材面に対し垂直な方向）から見た図であり、図３は、基材の側面から見た図である。幅方向のピッチ（図２の１６）および高さ方向のピッチ（図３の１７）は、それぞれ、二本のフィラメントの幅方向または高さ方向の中心間距離をいう。より具体的には、幅方向のピッチ１６は、吐出されたフィラメントの基材面方向の中心と、隣接する吐出されたフィラメントの基材面方向の中心との距離をいう。また、高さ方向のピッチ１７は、吐出されたフィラメントの基材面に垂直な方向の中心と、隣接する吐出されたフィラメントの基材面に垂直な方向の中心との距離をいう。実施例１では、吐出された高さ方向のフィラメント径が０．７ｍｍであるため、ピッチ（吐出されたフィラメントの高さ方向の中心間距離）が０．３ｍｍとなるように、吐出されたフィラメントは、既に吐出されているフィラメントに押し付けるように吐出した。幅方向も同様にピッチが１．０ｍｍとなるように吐出した。
得られた造形物は、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍであった。
【００６４】
得られた造形物と第二の材料の加圧加工は以下の方法により行った。
造形物を金型に配置し、次いで第二の材料として、上記で得られたＵＤテープを上記３Ｄプリンタで造形した造形物と同様の繊維配向となるように金型に配置しプレス成形を行い、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの第二の材料からなる部材を付加して成形品を得た。その際の加熱温度は２２０℃、加圧圧力は１００００ｋＰａとした。造形物と第二の材料から形成される部材の接合部位の面積は４００ｍｍ2であった。
【００６５】
実施例２
実施例１において、ＵＤテープにおいて、炭素繊維を連続ガラス繊維（日東紡績社製、ＥＣＧ  ７５  １／０  ０．７Ｚ、繊度６８７ｄｔｅｘ、繊維数４００ｆ）に変更した以外は同様に行った。
【００６６】
実施例３
実施例１において、フィラメントをＵＤテープから混繊糸に代えた以外は、同様に行った。
【００６７】
実施例４
実施例１において、ＵＤテープおよび第二の材料に含まれる樹脂を、それぞれ、ＭＰＸＤ１０からポリアミド６（宇部興産株式会社製、グレード１０２２Ｂ、融点２２５℃）に変更し、他は同様に行った。
【００６８】
実施例５
トレカプリプレグＰ３２５２Ｓ−２５（東レ（株）製、エポキシ樹脂（ガラス転移温度：１１２（℃）、（ＴＭＡ法による））および炭素繊維（Ｔ７００ＳＣ）からなり、熱硬化性樹脂：炭素繊維＝１００質量部：２００質量部である）を、幅０．８ｍｍにスリットし、直径０．５ｍｍのほぼ円形断面のフィラメントに加工した。得られたフィラメント（ＵＤテープ）をSolidoodle3（Solidoodle社製）にセットし、フィラメントの一部を引き出して、３Ｄプリンタの基材に固定した。
次いで、後述する表に示す吐出温度（ノズル内部の加熱温度）で、吐出速度２ｍｍ／秒にて、幅方向のフィラメント間のピッチが１．０ｍｍ、高さ方向のフィラメント間のピッチが０．３ｍｍとなるように吐出し造形物を得た。尚、Solidoodle3（Solidoodle社製）のドライブギヤは駆動させずに吐出した。
得られた造形物は、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍであった。
【００６９】
得られた造形物と第二の材料の加圧加工は以下の方法により行った。
得られた造形物を金型に配置し、次いで第二の材料として、トレカプリプレグＰ３２５２Ｓ−２５を金型に上記３Ｄプリンタで造形した造形物と同様の繊維配向となるように配置しプレス成形を行い、造形物に、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの第二の材料からなる部材を付加して成形品を得た。その際の加熱温度は１３０℃、加圧圧力は１０００ｋＰａとした。
造形物と第二の材料から形成される部材の接合部位の面積は４００ｍｍ2であった。
【００７０】
実施例６
実施例１において、高さ方向のピッチを０．５ｍｍとし、吐出後のフィラメント径が０．６ｍｍとなるように調整した以外は、同様に行った。
【００７１】
実施例７
実施例１において、ボイド率が９％となるように調整した他は同様に行った。
【００７２】
実施例８
実施例１において、加圧圧力を５０００ｋＰａにした以外は、同様に行った。
【００７３】
実施例９
フィラメント（ＵＤテープ）をSolidoodle3（Solidoodle社製）にセットし、フィラメントの一部を引き出して、３Ｄプリンタの基材に固定した。
次いで、後述する表に示す吐出温度（ノズル内部の加熱温度）で、吐出速度２ｍｍ／秒にて、幅方向のピッチが１．０ｍｍ、高さ方向のピッチが０．３ｍｍとなるように吐出し造形物を得た。尚、Solidoodle3（Solidoodle社製）のドライブギヤは駆動させずに吐出した。得られた造形物は、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍであった。
得られた造形物を金型に配置し、第二の材料と接する面以外に圧力が加わるようにプレス成形を行い、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの第二の材料からなる部材を付加して予備成形体を得た。その際の加熱温度は２０５℃、加圧圧力は２００ｋＰａとした。
造形物と第二の材料から形成される部材の接合部位の面積は４００ｍｍ2であった。
得られた予備成形体と第二の材料の加圧加工は以下の方法により行った。
予備成形体を金型に配置し、次いで第二の材料として、ＵＤテープを金型に配置しプレス成形を行った。その際の加熱温度は２２０℃、加圧圧力は１００００ｋＰａとした。
【００７４】
実施例１０
実施例３において、混繊糸の連続熱可塑性樹脂繊維と連続強化繊維の体積比率が６０：４０の混繊糸を用いた以外は、同様に行った。
【００７５】
実施例１１
実施例１において、第二の材料として、ＵＤテープに代えて、シートを用いた他は同様に行った。
【００７６】
実施例１２
上記で得られたフィラメント（ＵＤテープ）をSolidoodle3（Solidoodle社製）にセットし、フィラメントの一部を引き出して、３Ｄプリンタの基材に固定した。
次いで、後述する表に示す吐出温度（ノズル内部の加熱温度）で、吐出速度２ｍｍ／秒にて、幅方向のピッチが１．０ｍｍ、高さ方向のピッチが０．３ｍｍとなるように吐出し造形物を得た。尚、Solidoodle3（Solidoodle社製）のドライブギヤは駆動させずに吐出した。得られた造形物は、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍであった。
得られた造形物と第二の材料の加圧加工は以下の方法により行った。
造形物を金型に配置し、次いで第二の材料として、溶融樹脂（ＭＰＸＤ１０）を金型に注入し加圧加熱成形を行い、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの第二の材料からなる部材を付加して成形品を得た。その際の加熱温度は２３５℃、加圧圧力は１００００ｋＰａとした。
【００７７】
実施例１３
実施例１において、第二の材料として、ＭＰＸＤ１０の代わりにポリアミド６（宇部興産株式会社製、グレード１０２２Ｂ）を用いたＵＤテープを用い、他は同様に行った。
【００７８】
比較例１
実施例１に記載のＵＤテープを、実施例１の３Ｄプリンタで造形した場合と同様の繊維配向となるように、金型に配置して、２５０℃で加熱して、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの予備成形体を作成した。２枚の得られた予備成形体を実施例１と同様にプレス成形した。得られた成形品について、実施例１と同様に評価した。
【００７９】
比較例２
実施例１において、高さ方向のピッチが０．９ｍｍとなるように成形した他は、同様に行なった。
【００８０】
比較例３
実施例１において、第二の材料を付加する際に加圧を行わなかった。
【００８１】
得られた成形品について、以下の評価を行った。
【００８２】
＜圧縮強度（相対比率）＞
図４に示す様に、得られた造形物（厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）と第二の材料（厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）からなる成形品Ａの接着面（２０ｍｍ×２０ｍｍ＝４００ｍｍ2）に対し、スパン間距離１０ｍｍ、試験速度１０ｍｍ／分の条件で圧縮し、荷重を測定した。荷重曲線の降伏点を圧縮強度とした。図４において、１４は造形物を、１８は第二の材料から形成される部材を、１９は圧縮がかけられる部位を、２０はスパン間距離を示している。
圧縮および荷重の測定は、インストロン製インストロン型万能試験機(Type4206)を使用した。
また、下記表の参考例で示す相対比率算出用の成形品Ｂを作製した。すなわち、部材ａの原料を金型内に配置し、樹脂の融点＋１５℃、１ＭＰａで１５分プレスし、３Ｄプリンタで造形した造形物とほぼ同様の形状の部材ａを得た。エポキシ樹脂に対しては温度を１３０℃にした以外は同様に作製した。部材ａの原料が連続強化繊維を含む場合、対応する成形品Ａの３Ｄプリンタで造形した造形物と同様の繊維配向となるように配置した。
得られた部材ａを用い、部材ｂの原料を金型に配置しプレス成形を行い、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの部材ｂを付加して成形品Ｂを得た。加工条件は、下記表に示す通りとした。部材ａと部材ｂの接合部位の面積は４００ｍｍ2であった。部材ｂの原料が連続強化繊維を含む場合、対応する成形品Ａの第二の材料由来の部位と同様の繊維配向となるように配置した。
得られた相対比率算出用の成形品Ｂ（参考例）に対する、造形物と第二の材料を加圧加工した成形品Ａの圧縮強度の相対比率を示した。
相対比率＝成形品Ａ／成形品Ｂ
【００８３】
＜外観＞
得られた成形品を目視にて観察し、以下の通り評価した。
Ａ：成形品の継ぎ目が目立たず、表面平滑性が良い
Ｂ：成形品の継ぎ目が目立たないが、表面平滑性がやや不良
Ｃ：成形品の継ぎ目が目立ち、表面平滑性がやや不良
Ｄ：表面平滑性が不良
【００８４】
【表１】
2019018399.tif 000003
【００８５】
【表２】
2019018399.tif 000004
【００８６】
【表３】
2019018399.tif 000005
【００８７】
本発明の製造方法では、圧縮強度が高く、外観に優れた成形品が得られた（実施例１〜１３）。これに対し、ボイド率が本発明の範囲を外れる場合（比較例１、２）、外観か圧縮強度の何れか一方が劣ってしまった。また、第二の材料を付加する際に加圧を行わない場合（比較例３）、圧縮強度が低く、かつ、外観も劣っていた。
【符号の説明】
【００８８】
１１    ３Ｄプリンタのノズル
１２    吐出されたフィラメント
１３    連続強化繊維
１４    造形物
１５    基材
１６    幅方向のピッチ
１７    高さ方向のピッチ
１８    第二の材料から形成される部材
１９    圧縮がかけられる部位
２０    スパン間距離
【図１】
2019018399.tif 000006
【図２】
2019018399.tif 000007
【図３】
2019018399.tif 000008
【図４】
2019018399.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月14日(2018.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂と連続強化繊維とを含むフィラメントを、３Ｄプリンタを用いて造形すること、
前記造形した造形物に、樹脂を含む第二の材料を加圧加工して成形品を製造することを含み、
前記造形物のボイド率が５〜３０％である、成形品の製造方法；ここで、ボイド率とは、造形物から１ｃｍｘ１ｃｍの試料を切り取り、Ｘ線を使用してＣＴ−ｓｃａｎし、得られた断面データに対し、厚み方向に５か所の写真を切り出し、その写真に対し、画像解析を行って、造形物中のボイドの面積を測定して得られる、５か所の写真の（ボイドの面積／撮影した面積）×１００（単位：％）の平均値をいう。
【請求項２】
前記フィラメントは、樹脂を２０〜９０質量％含む、請求項１に記載の成形品の製造方法。
【請求項３】
前記フィラメントは、連続強化繊維を１０〜８０質量％含む、請求項１または２に記載の成形品の製造方法。
【請求項４】
前記加圧加工は、１ｋＰａ以上の圧力を付加して行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項５】
前記加圧加工は、５０〜４５０℃の温度で行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項６】
前記フィラメントがＵＤテープである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項７】
前記吐出時のフィラメント径が０．１〜３．０ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項８】
前記フィラメントに含まれる連続強化繊維が炭素繊維である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項９】
前記第二の材料がＵＤテープである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１０】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱可塑性樹脂である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１１】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ポリアミド樹脂である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１２】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、ジアミン由来の構成単位とジカルボン酸由来の構成単位から構成され、ジアミン由来の構成単位の５０モル％以上がキシリレンジアミンに由来するポリアミド樹脂である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１３】
前記フィラメントに含まれる樹脂および前記第二の材料に含まれる樹脂が、同じ種類または異なる種類の、熱硬化性樹脂である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１４】
前記加圧加工を、プレス成形法、射出成形法、レジントランスファーモールディング法、引き抜き成形法およびオートクレーブ成形法から選択される方法によって行う、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１５】
前記造形物を、型に配置し、前記加圧加工を行う、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１６】
前記造形物を予備成形した後、前記加圧加工を行う、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の成形品の製造方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の成形品の製造方法を実行するための製造装置であって、３Ｄプリンタと、加圧加工機を含む、製造装置。