(57)【要約】【課題】  ３Ｄプリンターにおいて、設計図さえあれば、誰でも簡単に三次元造形物が作れるというメリットがある反面、拳銃等容易に作れてしまうという反社会的な問題が潜在されていることがクローズアップされ、また、樹脂製の拳銃や刃物は空港などのセキュリティー検査で発見することが困難なため、大きな問題を包含する。このような問題を解決する手段を提供する。【解決手段】熱溶解積層方式３Ｄプリンター用造形材料であって、熱可塑性樹脂により構成され、該熱可塑性樹脂中にＸ線不透過剤を含有していることを特徴とする造形材料。また、熱可塑性樹脂がポリ乳酸であることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱溶解積層方式３Ｄプリンター用造形材料であって、熱可塑性樹脂により構成され、該熱可塑性樹脂中にＸ線不透過剤を含有していることを特徴とする造形材料。
【請求項２】
熱可塑性樹脂がポリ乳酸であることを特徴とする請求項１記載の造形材料。
【請求項３】
熱可塑性樹脂が平均分子量７万以上のポリ乳酸であることを特徴とする請求項２記載の造形材料。
【請求項４】
造形材料の形態が、モノフィラメント糸の形態を呈していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の造形材料。
【請求項５】
Ｘ線不透過剤が硫酸バリウムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の造形材料。
【請求項６】
Ｘ線不透過剤を含む熱可塑性樹脂を溶融押出後、液体浴中で冷却・固化し、モノフィラメント糸の形態とすることを特徴とする熱溶解積層方式３Ｄプリンター用造形材料の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５記載の造形材料を用い、熱溶解積層方式３Ｄプリンターを適用して得られる三次元造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱溶解積層方式３Ｄプリンターによって三次元造形物を得る際に使用する造形材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ上の設計図をもとに三次元のものを作り出す３Ｄプリンターは、金型や溶融装置を用いずにプラスチック製の部品、治具、製品を作ることができ、企業を中心に急速に普及している。特に、熱可塑性樹脂を造形材料に用いる熱溶解積層方式の３Ｄプリンターは廉価版も販売され、個人にまで普及し始めている。
【０００３】
このような熱溶解積層法式３Ｄプリンターに用いられる造形材料としては、特許文献１に記載のごとき形状を呈する供給材料が開示されており、また、造形材料を構成する素材としては、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリ乳酸などの熱可塑性樹脂が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５２３３９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような３Ｄプリンターは設計図さえあれば、誰でも簡単に三次元の造形物が作れるというメリットがある反面、拳銃や刃物なども作れてしまうという反社会的な問題が潜在されていることがクローズアップされた。特に、樹脂製の拳銃や刃物は空港などのセキュリティー検査で発見することが困難なため、大きな問題を包含することになる。
【０００６】
また、３Ｄプリンターは精密機器などの部品の試作品を容易に、短期間で作ることができ、試作品を実際に精密機器の内部に取り付けて、寸法や動作状況の確認と問題点の抽出を行うことができる。この結果、部品の開発期間を大幅に短縮できるため、部品の試作を目的に使用されることも多い。しかしながら、樹脂製の試作品を精密機器の内部に取り付ける場合、精密機器そのものをスケルトン構造にしないと、試作品の動作状況を観察することが難しい。
【０００７】
本発明者らは、このような問題について解決する手段を提供することを発明の課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、課題を解決するために検討した結果、熱溶解積層方式３Ｄプリンターにより得られる造形物にＸ線を照射することで、造形物の形状を容易に確認・観察することができるようにすれば、問題が解決しうるのではないかと考えた。そして、この着想に基づき検討を重ねた結果、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち、本発明は、熱溶解積層方式３Ｄプリンター用造形材料であって、熱可塑性樹脂により構成され、該熱可塑性樹脂中にＸ線不透過剤を含有していることを特徴とする造形材料を要旨とするものである。また、本発明は、前記造形材料を用い、熱溶解積層方式３Ｄプリンターを適用して得られる三次元造形物を要旨とするものである。
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１１】
本発明において、熱溶解積層方式３Ｄプリンター用造形材料とは、熱溶解積層方式３Ｄプリンターに適用して三次元造形物を得る際の材料であって、熱可塑性樹脂によって構成される。この造形材料を使用し、コンピュータ上の設計図に基づき、造形ヘッドにて、造形材料を構成する熱可塑性樹脂を加熱により溶融させ、ノズルから射出・積層して所望の造形物を作るのである。
【００１２】
本発明において、造形材料を構成する熱可塑性樹脂としては特に限定しないが、熱溶解積層法式３Ｄプリンターの仕様を考慮して、すなわち、造形ヘッドの溶融温度を考慮して、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリ乳酸を好ましく用いる。なかでもポリ乳酸を好ましく用いる。
【００１３】
ポリ乳酸としては、光学異性体であるＬ−乳酸とＤ−乳酸を主成分とした重合体、Ｌ−乳酸とＤ−乳酸との共重合体が挙げられ、この中でも光学純度が９５．０〜９９．５％、特に９６〜９９％のポリ−Ｌ−乳酸を用いることが好ましい。光学純度を上記範囲のポリ−Ｌ−乳酸とすることにより、融解温度が低下し過ぎず、造形材料を得る際の操業性や加工性が良好であり、また、得られる造形物が耐熱性を有するものとなる。さらには、数平均分子量が７万以上、好ましくは９万以上のポリ乳酸がよい。数平均分子量が７万未満では、造形材料を製造する際の溶融体の流動性が悪く、溶融時の粘度が低くなるため、溶融押出工程で糸切れを起こしやすく操業性が低下する。
【００１４】
熱可塑性樹脂により構成される造形材料の形態は３Ｄプリンターに装着できるものであれば限定しないが、連続線状に成形されたものとする。例えば、直径１．７５ｍｍ〜３．００ｍｍの線状体、いわゆるモノフィラメント糸の形態を呈する成形体がよい。連続線状であるモノフィラメント糸の形態を呈する成形体はボビンに巻いたものとする、あるいは、かせ状にすることにより、コンパクトな形態にできるため好ましい。
【００１５】
本発明の造形材料は、造形材料を構成する熱可塑性樹脂中にＸ線不透過剤を含有する。ここでいうＸ線不透過剤とは、硫酸バリウム、次硝酸ビスマス、酸化タングステン、酸化トリウム、酸化セシウム等が挙げられる。中でも硫酸バリウムは、Ｘ線不透過性に優れ、かつ、耐熱性、結晶安定性が高く、一次粒子径が小さく二次凝集しにくく、分散性が良好であり好ましく用いる。
【００１６】
造形材料中に含まれるＸ線不透過剤の量は、Ｘ線不透過剤の種類や形状、造形物の形状によるＸ線不透過性等によって適宜決定するとよい。
【００１７】
また、Ｘ線不透過剤は、造形材料中に均一に含有されてもよく、一部に偏在させたものであってもよい。偏在させる形態としては、例えば、連続線状のモノフィラメント糸の形態を呈する造形材料において、モノフィラメント糸の横断面形状として、芯鞘構造のものを選択し、芯部を構成する熱可塑性樹脂と鞘部を構成する熱可塑性樹脂において、芯部のみ、あるいは鞘部のみにＸ線不透過剤を含有させることにより、造形材料中において偏在させることが挙げられる。
【００１８】
本発明における造形材料は、以下の方法により得ることができる。すなわち、所望の量のＸ線不透過剤を熱可塑性樹脂の中に混ぜ合わせ、溶融押出機から吐出し、空気中または水などの液体浴中で冷却・固化させ、連続線状のモノフィラメント糸の形態とすることで製造できる。
【００１９】
次に、造形材料として、熱可塑性樹脂としてポリ乳酸、Ｘ線不透過剤として硫酸バリウムを含有させた造形材料を得る方法等について説明する。
【００２０】
まず、熱可塑性樹脂であるポリ乳酸中には硫酸バリウムを含有させる。硫酸バリウムの量は、ポリ乳酸に対し２質量％以上、好ましくは２０質量％以上、より好ましくは４０質量％以上含有させる。含有させる硫酸バリウムの量が増えると、Ｘ線不透過性により優れる傾向となる。
【００２１】
硫酸バリウムをポリ乳酸に添加するにあたっては、溶融押出する際に添加してもよいが、あらかじめ高濃度の硫酸バリウムをポリ乳酸に練り込んだマスターバッチを作成し、このマスターバッチとバージンのポリ乳酸を所定の比率で混ぜ合わせ溶融押出することにより、硫酸バリウムをポリ乳酸中により均一に分散することができる。
溶融押出する際の溶融押出機におけるポリ乳酸の溶融温度は、ポリ乳酸の融点（一般的にはポリ乳酸の融点は１５０℃〜１８０℃）よりも２０℃以上高い温度に設定することで、ポリ乳酸を溶融し、押出する。押出されて、連続線状のモノフィラメント糸状になったポリ乳酸を液体浴中で冷却・固化する。冷却・固化温度はポリ乳酸のガラス転移温度（一般的にはポリ乳酸のガラス転移温度は５５〜６０℃）よりも−５０〜＋２０℃の設定温度の範囲内で冷却・固化するとよい。
【００２２】
冷却・固化に使用する液体としては、水、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、シリコーンなどが使用できるが、液体浴を高温にする必要がないため、作業性のよい、水が最も好ましい。
【００２３】
冷却・固化されたモノフィラメント糸は乾燥後、そのまま巻き取ってもよい。あるいは、必要に応じて、温度２０〜８０℃の雰囲気中で延伸してもよい。延伸する場合は、一段または二段以上の多段で行うことができる。
【００２４】
本発明の造形材料は、熱溶解積層方式３Ｄプリンターの造形材料として適用し、コンピュータ上の設計図等に基づき所望の造形物を得ることができる。本発明の造形材料を用いて得られる三次元造形物は、Ｘ線不透過剤を含むため、Ｘ線照射により、造形物の形状を識別することができる。したがって、本発明の造形材料で得られた造形物は、空港などのセキュリティー検査で、その形状を識別することが可能となる。また、部品の試作品として容易に作成された三次元造形物を、精密機器等の内部に取り付けて寸法や動作状況の確認を行う場合に、Ｘ線照射しながら、内部に取り付けた試作部品の動作等を容易に確認することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の造形材料は、熱溶解積層方式３Ｄプリンター用の造形材料として実用上十分な造形性能を有し、かつ、この造形材料を用いて熱溶解積層方式３Ｄプリンターで造形された三次元造形物にＸ線を照射することで、Ｘ線不透過剤の作用により、造形物の形状を容易に識別することが可能となる。したがって、得られる造形物が外から見えない状態であっても、Ｘ線照射することにより容易に識別可能となるため、様々な分野への適用が期待できる。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
ポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）に硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）の含有量が４０質量％になるように調整したマスターバッチとポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）を１：１９の割合で混合したものをエクストルーダー型溶融押出機に供給し、温度：２３０℃で溶解した後、孔径：５ｍｍの紡糸孔を有する紡糸口金より吐出させ、３０℃の水中で冷却・固化し、加熱ローラーで６０℃に加温後、延伸倍率：１．２０で延伸し、熱セット・乾燥後、８０ｍ／分の速度でボビンに巻き取り、Ｘ線不透過剤を２質量％含む実施例１の造形材料を得た。
【００２７】
実施例２
ポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）に硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）の含有量が４０質量％になるように調整したマスターバッチとポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）を１：３の割合で混合したものをエクストルーダー型溶融押出機に供給し、温度：２３０℃で溶解した後、孔径：５ｍｍの紡糸孔を有する紡糸口金より吐出させ、３０℃の水中で冷却・固化し、加熱ローラーで６０℃に加温後、延伸倍率：１．２０で延伸し、熱セット・乾燥後、８０ｍ／分の速度でボビンに巻き取り、Ｘ線不透過剤を１０質量％含む実施例２の造形材料を得た。
【００２８】
実施例３
ポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）に硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）の含有量が４０質量％になるように調整したマスターバッチを芯側エクストルーダー型溶融押出機に、ポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）を鞘側エクストルーダー型溶融押出機に供給し、温度：２３０℃で溶解した後、孔径：５ｍｍの芯鞘型紡糸孔（芯鞘比率１：１）を有する紡糸口金より吐出させ、３０℃の水中で冷却・固化し、乾燥後、８０ｍ／分の速度でボビンに巻き取り、Ｘ線不透過剤を２０質量％含む実施例３の造形材料を得た。
【００２９】
実施例４
ポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）に硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）の含有量が４０質量％になるように調整したマスターバッチをエクストルーダー型溶融押出機に供給し、温度：２３０℃で溶解した後、孔径：５ｍｍの紡糸孔を有する紡糸口金より吐出させ、３０℃の水中で冷却・固化し、乾燥後、８０ｍ／分の速度でボビンに巻き取り、Ｘ線不透過剤を４０質量％含む実施例４の造形材料を得た。
【００３０】
比較例
ポリ乳酸（数平均分子量：８１，４７５、ポリ−Ｌ−乳酸の光学純度９８．５％、ＭＦＩ値：２３．６、融点：１６９．５℃）をエクストルーダー型溶融押出機に供給し、温度：２３０℃で溶解した後、孔径：５ｍｍの紡糸孔を有する紡糸口金より吐出させ、３０℃の水中で冷却・固化し、加熱ローラーで６０℃に加温後、延伸倍率：１．２０で延伸し、熱セット・乾燥後、８０ｍ／分の速度でボビンに巻き取り、Ｘ線不透過剤を含まない比較例の造形材料を得た。
【００３１】
実施例１〜４および比較例の造形材料を用いて、下記（１）の３Ｄプリンターを用いて三次元造形物を作成し、得られたそれぞれの三次元造形物について、下記（２）に基づきＸ線不透過性について評価した。
（１）３Ｄプリンターによる造形
アビー株式会社（旧株式会社オープンキューブ）製３Ｄプリンター（製品名：パーソナル３ＤプリンターＳＣＯＯＶＯ  Ｃ１７０）、造形材料として実施例または比較例の熱可塑性成形体を用いて、直径：２ｃｍ、高さ：５ｃｍの円柱の造形物を造形した。
（２）Ｘ線不透過性
管電圧８０ｋＶ、管電流４００ｍＡのＸ線発生装置（陽極：タングステン）にて、Ｘ線照射距離を１ｍとして、照射時間を０．０６３秒とした撮影条件にて得られた造形物のＸ線写真を目視判定し、造形物のＸ線不透過性を評価した。
【００３２】
実施例１〜４で得られた三次元造形物は、いずれも目視判定において、造形物の形状を確認することができ、Ｘ線不透過性に優れるものであった。なかでも実施例３、４により得られた造形物は、極めて鮮明に形状を識別することができた。
【００３３】
一方、比較例で得られた三次元造形物は、目視判定において、造形物の形状を識別することはできなかった。