FDM 方式 3D プリンタ のための傾斜機能フィラメントを用いた造形方法
千葉大学

デザイン・リサーチ・インスティテュート

教授 寺内 文雄
2023年12月21日

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従来技術とその問題点
フルカラー３Dプリンタはすでに製品化されており，色相を連続的に制御することは可能となっている．

ZIRO3D社製フィラメントZIRO Triple Color Co-extrusion Silky PLA
Filament

https://ziro3d.com/pages/products

3DPid.arts社製
フルカラー3Dプリンタ Crane Quad

https://idarts.co.jp/3dp/m3d-crane-quad/2

従来技術とその問題点
一方で，硬軟を連続的に制御する試みは少ないのが現状である．

上野新葉,宮下芳明：熱溶解積層方式 3D プリンタにおけるエクストルーダ内での相溶性を利用した硬軟制御手法, 第24回WISS2016,pp.309-310、2016.

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新技術の特徴
目的：造形物の硬軟を連続的に制御したフィラメントを作製し，従来の樹脂製品では難しかった機能を付与する．

3Dプリントフィラメント

造形物

傾斜機能を有するフィラメントを作製する
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新技術の特徴・従来技術との比較• 従来の３Dプリンタでは，フィラメントの色相を連続的に変化させることは可能であったが、硬い樹脂とより柔らかい樹脂を混錬して，硬さを連続的に変化させるたフィラメントの研究は十分行われてこなかった．

• そこで，硬さが連続的に変化するフィラメントを作製した後に，作製したフィラメントを用いて造形する技術を確立した．

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傾斜機能フィラメントの作製

ポリプロピレンエラストマー（Prime Polypro™ J105G）（三井化学社製ミラストマー6030NS）

PPES

硬軟

オレフィン系で親和性の高い２種類を用い，硬い樹脂と軟らかい樹脂の配合割合を変えていくことで、硬軟を連続的に変化させる．

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傾斜機能フィラメントの作製
巻き取り機
二軸押出機
冷却ファン

軟

硬二軸押出機ラボプラストミル

硬軟が連続的に変化する（東洋精機製作所製）

3Dプリンタ用フィラメント
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造形時の改善点
傾斜機能フィラメントで造形した際に失敗してしまう。
→ 送り出しに力がかかるとフィラメントの軟質部分の伸びや削れが発生し、ギアで挟めなくなる。

ギア(送り出し)ノズル(溶解)3Dプリンターのノズル部分

フィラメントを送り出す際の様子

× 伸び× 削れ3Dプリンターの設備や設定を改善し、送り出しにかかる力や伸び、削れを軽減することを試みた。
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造形時の改善点
ノズルとプレートの距離を離し、フィラメントの送り出しにかかる力を軽減

×

距離

○

プレート距離を調節する様子

ノズル

ノズル

プレートフィラメントの押し出される隙間が大きくなる様子

フィラメントが押し出される隙間を広げることで、スムーズにフィラメントが送られるように
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造形時の改善点
3Dプリンターの設定を変更し、送り出しにかかる力や伸び、削れを軽減
温度
205℃ → 250℃
リトラクト

造形速度50mm /s → 10mm /s
温度

造形速度

温度 → フィラメントを溶けやすく、造形速度 → 伸びを防ぐ、
リトラクト → 削れを防ぐ
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造形物の一例内部を充填した形状が造形できるようになり、形状の幅が広がった

軟軟充 填 率 10%

硬軟充 填 率 10%硬富士山型サンプル充 填 率 10%硬スイカ型サンプル

ひまわり型サンプル

硬軟の変化を視覚的に分かりやすくするため、着色材を用いて色相も同時に変化させた。
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片持ち梁曲げ試験による物性の検証
傾斜機能フィラメントで試験片を造形し、硬軟の変化を片持ち梁曲げ試験で確認した。
荷重

軟充 填 率 10%固定

硬試 験 片 寸 法 ：4 ×20 ×10 0m m

試 験 速 度 20mm /min、 最 大 試 験 力 2.5N

片端を固定し、もう片端に荷重を加えた際の変位を比較した。
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片持ち梁曲げ試験による物性の検証
試験片の向きによって試験力あたりの変位が変化した
条件①：軟 → 硬②硬 → 軟荷重

軟固定

硬①軟 → 硬条件②：硬 → 軟荷重

硬固定

軟傾斜機能フィラメントで造形した試験片では硬軟が連続的に変化している。

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片持ち梁曲げ試験による物性の検証②傾斜機能フィラメントで造形した試験片③硬軟が変化しない試験片④硬軟が断続的に変化する試験片を比較③硬②硬 → 軟

条件②：硬 → 軟荷重

硬軟

固定④硬 / 軟(折れ曲がる)

条件③：硬荷重

硬硬固定

傾斜機能の付加により、境界面へ

条件④：硬 /
軟

硬折れ曲がる
固定

荷重

軟の応力集中や 固定端への曲げ荷重を軽減できる可能性が示された。
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造形物活用時の課題
充填すると強度が上がってしまい、軟質部分ではフィラメントの時ほどの軟らかさがなくなってしまう

軟フィラメント時ほど軟らかくない
充 填 率 10%

硬傾斜機能フィラメントを活用するためには、硬軟の変化をより大きくする必要がある。
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新技術の活用例
形状や充填方法を工夫して、軟質部分がより軟らかくなるように考慮

軟軟充 填 率 10%

硬充 填 率 10%

硬①使い方によって難易度が変わる
リハビリ用ペグ②注ぎやすいコップ

傾斜機能フィラメントを活用した樹脂製品を２つ造形してみた
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新技術の活用例
提案例 ①リハビリ用ペグ
上肢機能や視空間認知のリハビリや訓練に用いられる。

https://www.tokyo-hospital.com/department/rehabilitation/kaifukuki/occupational/

ペグをつまんでボードの穴に入れていく作業を繰り返す。
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新技術の活用例①方向によって難易度が変わるリハビリ用ペグ

端を閉じる

端を閉じない端を閉じない形状に変える

格子状

線状

充填方法を線状に変える

端を閉じない形状、線状に充填することで軟質部分をより軟らかく
18新技術の活用例
傾斜機能により、方向によってつまみやすさや入れやすさが変わる
軟

硬軟

軟らかい方がつまみやすい

硬硬い方が入れやすい

形や大きさの違いで変えていた作業の難易度を硬軟の違いで変えることができる
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新技術の活用例
提案例

2mm②注ぎやすいコップ

軟充 填 率 10%硬薄い形状

線状に充填

薄い形状、線状に充填することで軟質部分をより軟らかく
20新技術の活用例
傾斜機能により、持つ時は変形せず、注ぐ時は変形する
軟

硬下部は硬いため、持つ時は変形しない

上部は軟らかいため、注ぐ時は変形する

コップ内の液体を注ぐときにこぼしにくくなる
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想定される用途• 本技術の特徴を生かすことで、これまでは形状によって応力集中を避けていた部品や構造において、形状ではなく硬軟の違いによっても応力集中を避けることができる。

• 形状と硬軟を組み合わせることによって，変形の自由度が向上することから，使用時の変形を制御したい用途に活用できる。

• 硬軟だけでなく、色相も自由に変化させることができることから、硬軟を視覚化したい場合に活用できる。
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実用化に向けた課題• 現在、硬軟と色相を連続的に変化させるところまでの技術は獲得している。しかしながら、フィラメントにフィラーを混錬するための技術は獲得できていない。

• 今後、フィラメントにフィラーを混錬した場合のフィラメントの太さの制御方法と、３Dプリンタによる造形技術を獲得する必要がある。

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企業への期待• 未解決となっているフィラメントに様々なフィラーを混錬する技術を有する企業との共同研究を希望する。

• また、硬さやテクスチャが連続的に変化するような部品や製品を開発中の企業、デザイン分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と考えられる。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：フィラメント製造装置、フィラメントの製造方法、フィラメント、三次元構造物の製造装置、三次元構造物• 出願番号：特願2022-105117
• 出願人
：千葉大学
• 発明者
：寺内 文雄25

お問い合わせ先
千葉大学
学術研究・イノベーション推進機構
産学官連携推進部
TEL 043-290-3048
FAX 043-290-3519
E-MAIL ccrcu@faculty.chiba-u.jp
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