特開 2024-5099 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024005099

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【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

(51)【国際特許分類】

   D01D 5/088 20060101AFI20240110BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20240110BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240110BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20240110BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20240110BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20240110BHJP

   B29C 48/40 20190101ALI20240110BHJP

   B29C 48/88 20190101ALI20240110BHJP

   D01D 7/00 20060101ALI20240110BHJP

   B65H 54/70 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

D01D5/088

B29C64/118

B33Y30/00

B33Y80/00

B33Y70/00

B29C64/209

B29C48/40

B29C48/88

D01D7/00 Z

B65H54/70 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022105117

(22)【出願日】2022-06-29

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １．刊行物名 ＤＥＳＩＧＮシンポジウム２０２１予稿 ２．発行日 令和３年６月２９日 ３．公開者 佐藤浩一郎、寺内文雄、都淳朗、武藤稜介 〔刊行物等〕 １．集会名 ＤＥＳＩＧＮシンポジウム２０２１ ２．開催日 令和３年７月１６日 ３．公開者 佐藤浩一郎、寺内文雄、都淳朗、武藤稜介 〔刊行物等〕 １．刊行物名 ＤＥＳＩＧＮシンポジウム２０２１講演論文集 ２．掲載日 令和３年１０月１日 ３．公開者 佐藤浩一郎、寺内文雄、都淳朗、武藤稜介

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．テフロン

(71)【出願人】

【識別番号】304021831

【氏名又は名称】国立大学法人千葉大学

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(74)【代理人】

【識別番号】100217836

【弁理士】

【氏名又は名称】合田 幸平

(72)【発明者】

【氏名】寺内 文雄

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 浩一郎

【テーマコード（参考）】

4F207

4F213

4L045

【Ｆターム（参考）】

4F207AA03

4F207AA45

4F207AR08

4F207AR09

4F207KA01

4F207KA17

4F207KK13

4F207KM16

4F213AA03

4F213AA11

4F213AA45

4F213AC02

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL24

4F213WL26

4F213WL27

4L045AA05

4L045BA02

4L045BA32

4L045CA01

4L045CA06

4L045CB09

4L045CB14

4L045DA23

4L045DC02

4L045DC05

4L045DC21

(57)【要約】

【課題】三次元構造物の物性を連続的に変化させる。
【解決手段】フィラメント５は、２種以上の樹脂の混合割合が長手方向に沿って連続的に変化している。フィラメント５の最大の線幅と最小の線幅との差は、０．１ｍｍ以下である、
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２種以上の異なる樹脂材料を溶融混合して押出口からフィラメントを連続的に押し出す二軸押出機と、
前記押出口から押し出された前記フィラメントを冷却する冷却ファンと、
前記フィラメントを巻き取るスプールと、
前記スプールが前記フィラメントを巻き取る速度を調節するフィラメントワインダーと、を備える、フィラメント製造装置。

【請求項2】

前記冷却ファンは、前記フィラメントの鉛直方向の下方に配置されている、請求項１に記載のフィラメント製造装置。

【請求項3】

前記冷却ファンの回転数は、２５００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下である、請求項１に記載のフィラメント製造装置。

【請求項4】

鉛直方向において、前記スプールが前記フィラメントを巻き取る位置は、前記押出口より高い、請求項１に記載のフィラメント製造装置。

【請求項5】

前記スプールが前記フィラメントを巻き取る速度は、３ｍ／分以上５ｍ／分以下である、請求項１に記載のフィラメント製造装置。

【請求項6】

請求項１に記載のフィラメント製造装置を用いたフィラメントの製造方法であって、
前記二軸押出機が溶融混合する２種以上の異なる樹脂材料の割合を連続的に変化させながら、前記フィラメントを押し出す工程を含む、フィラメントの製造方法。

【請求項7】

前記スプールが前記フィラメントを巻き取る工程を含み、
前記スプールが前記フィラメントを巻き取る速度は、前記フィラメントワインダーによって、前記二軸押出機が前記フィラメントを押し出す速度に対応する速度に調節される、請求項６に記載のフィラメントの製造方法。

【請求項8】

２種以上の樹脂の混合割合が長手方向に沿って連続的に変化しているフィラメントであって、
当該フィラメントの最大の線幅と最小の線幅との差は、０．１ｍｍ以下である、フィラメント。

【請求項9】

前記２種以上の樹脂は、熱可塑性エラストマーと、ポリオレフィンと、を含む、請求項８に記載のフィラメント。

【請求項10】

当該フィラメントの長手方向の任意の位置において、前記熱可塑性エラストマーの割合は、８０質量％以下である、請求項９に記載のフィラメント。

【請求項11】

請求項８に記載のフィラメントを用いた三次元構造物の製造装置であって、
前記フィラメントが巻き取られたスプールを支持するスタンドと、
前記フィラメントを射出するノズルと、を備える、三次元構造物の製造装置。

【請求項12】

前記ノズルの内部は、テフロンで被覆されている、請求項１１に記載の三次元構造物の製造装置。

【請求項13】

前記スタンドは、回転可能であり、且つ前記ノズルに対して近づく方向及び遠ざかる方向に移動可能である、請求項１１に記載の三次元構造物の製造装置。

【請求項14】

請求項８に記載のフィラメントを用いて製造された三次元構造物であって、
当該三次元構造物に含まれる２種以上の樹脂の混合割合が、第１方向に沿って連続的に変化している、三次元構造物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、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、フィラメントを用いた三次元構造物の製造装置、及びフィラメントを用いて製造される三次元構造物に関する。

【背景技術】

【0002】

三次元構造物を製造する装置として、いわゆる３Ｄプリンタが知られている。３Ｄプリンタを用いることで、複雑な形状の三次元構造物を容易に製造できる。３Ｄプリンタは、例えば樹脂等からなる線状のフィラメントを溶融させて重ねることで、三次元構造物を製造する。

【0003】

製造される三次元構造物の物性は、フィラメントの物性に依存する。三次元構造物の物性を改良するために、フィラメントの物性を調整することが検討されている。例えば、非特許文献１では、フィラメントの製造過程においてフィラメントをなす樹脂の硬さを変化させる方法が検討されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】上野新葉、宮下芳明、“日本ソフトウェア科学会・インタラクティブシステムとソフトウェア研究会、第２４回ＷＩＳＳ２０１６”，３０９－３１０，２０１６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

フィラメントをなす樹脂の硬さ等のフィラメントの物性が変化している場合、当該フィラメントを用いて適切に三次元構造物を製造できないことがある。本件発明者らが検討した結果、フィラメントを用いて適切に三次元構造物を製造するためには、フィラメントの線幅が略一定であることが重要であることが判明した。物性が連続的に変化しているフィラメントの線幅を略一定にすることが困難である。

【0006】

本開示は、三次元構造物の製造装置を用いて製造される三次元構造物の物性を連続的に変化させることを可能にするフィラメントを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一実施の形態は、以下の［１］乃至［１４］に関する。
［１］
２種以上の異なる樹脂材料を溶融混合して押出口からフィラメントを連続的に押し出す二軸押出機と、
前記押出口から押し出された前記フィラメントを冷却する冷却ファンと、
前記フィラメントを巻き取るスプールと、
前記スプールが前記フィラメントを巻き取る速度を調節するフィラメントワインダーと、を備える、フィラメント製造装置。
［２］
前記冷却ファンは、前記フィラメントの鉛直方向の下方に配置されている、［１］に記載のフィラメント製造装置。
［３］
前記冷却ファンの回転数は、２５００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下である、［１］または［２］に記載のフィラメント製造装置。
［４］
鉛直方向において、前記スプールが前記フィラメントを巻き取る位置は、前記押出口より高い、［１］乃至［３］のいずれかに記載のフィラメント製造装置。
［５］
前記スプールが前記フィラメントを巻き取る速度は、３ｍ／分以上５ｍ／分以下である、［１］乃至［４］のいずれかに記載のフィラメント製造方法。
［６］
［１］乃至［５］のいずれかに記載のフィラメント製造装置を用いたフィラメントの製造方法であって、
前記二軸押出機が溶融混合する２種以上の異なる樹脂材料の割合を連続的に変化させながら、前記フィラメントを押し出す工程を含む、フィラメントの製造方法。
［７］
前記スプールが前記フィラメントを巻き取る工程を含み、
前記スプールが前記フィラメントを巻き取る速度は、前記フィラメントワインダーによって、前記二軸押出機が前記フィラメントを押し出す速度に対応する速度に調節される、［６］に記載のフィラメントの製造方法。
［８］
２種以上の樹脂の混合割合が長手方向に沿って連続的に変化しているフィラメントであって、
当該フィラメントの最大の線幅と最小の線幅との差は、０．１ｍｍ以下である、フィラメント。
［９］
前記２種以上の樹脂は、熱可塑性エラストマーと、ポリオレフィンと、を含む、［８］に記載のフィラメント。
［１０］
当該フィラメントの長手方向の任意の位置において、前記熱可塑性エラストマーの割合は、８０質量％以下である、［９］に記載のフィラメント。
［１１］
［８］乃至［１０］のいずれかに記載のフィラメントを用いた三次元構造物の製造装置であって、
前記フィラメントが巻き取られたスプールを支持するスタンドと、
前記フィラメントを射出するノズルと、を備える、三次元構造物の製造装置。
［１２］
前記ノズルの内部は、テフロンで被覆されている、［１１］に記載の三次元構造物の製造装置。
［１３］
前記スタンドは、回転可能であり、且つ前記ノズルに対して近づく方向及び遠ざかる方向に移動可能である、［１１］または［１２］に記載の三次元構造物の製造装置。
［１４］
［８］乃至［１０］に記載のフィラメントを用いて製造された三次元構造物であって、
当該三次元構造物に含まれる２種以上の樹脂の混合割合が、第１方向に沿って連続的に変化している、三次元構造物。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、三次元構造物の物性を連続的に変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、三次元構造物の一例を示す斜視図である。

【図2】図２は、フィラメントの一例を示す正面図である。

【図3】図３は、フィラメントが巻き取られたスプールを示す斜視図である。

【図4】図４は、フィラメント製造装置を概略的に示す正面図である。

【図5】図５は、二軸押出機の内部を示す断面図である。

【図6】図６は、三次元構造物の製造装置の正面図である。

【図7】図７は、フィラメントが巻き取られたスプールを支持するスタンドを示す斜視図である。

【図8】図８は、三次元構造物の製造工程の一例を示す正面図である。

【図9】図９は、片持ち試験に用いられる三次元構造物を示す斜視図である。

【図10】図１０は、片持ち梁曲げ試験の工程を説明するための図である。

【図11】図１１は、片持ち梁曲げ試験の工程を説明するための図である。

【図12】図１２は、片持ち梁曲げ試験の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。本件明細書に添付された図面における縮尺及び縦横の寸法比等は、図示と理解のしやすさのため、実物のそれらから変更され誇張されている。

【0011】

本明細書において用いられる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語ならびに長さや角度の値等は、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈される。

【0012】

図１には、本開示の一実施の形態に係る三次元構造物の一例が示されている。図１に示されている三次元構造物１は、いわゆるコップである。より詳細には、図１に示されている三次元構造物１は、第１方向ｄ１に延びる円筒形状であり、第１方向ｄ１に互いに対向する底部と開口部とを有する。三次元構造物１は、図１に示された例に限らず、任意の形状であってもよい。図１に示されている三次元構造物１は、第１方向ｄ１に沿って、物性が連続的に変化している。具体的には、図１に示されている三次元構造物１は、第１方向ｄ１に沿って硬さが連続的に変化している。より具体的には、図１に示されている三次元構造物１は、底部から開口部に向かって、柔らかくなっている。図１に示されている三次元構造物１には、液体を収容できる。底部の近傍が硬くなっているため、三次元構造物１は、液体を安定して収容できる。開口部の近傍が柔らかくなっているため、開口部の近傍を変形させることができる。開口部の近傍を適切な形状に変形させることにより、三次元構造物１に収容された液体を外部に容易に注ぐことができる。三次元構造物１は、強度と柔軟性を両立している。さらに、図１に示されている三次元構造物１は、第１方向ｄ１に沿って底部から開口部に向かって、色彩が連続的に変化している。三次元構造物１にグラデーション状の優れた意匠が付与されている。三次元構造物１は、その色彩によって硬さを視覚的に認識させることができる。

【0013】

三次元構造物１は、樹脂を重ねることで製造される。三次元構造物１は、２種以上の樹脂を含んでいる。第１方向ｄ１に沿って物性が連続的に変化するよう、具体的には第1方向ｄ１に沿って柔らかくなり且つ色彩が連続的に変化するよう、図１に示されている三次元構造物１は、２種以上の樹脂の混合割合が第１方向ｄ１に沿って連続的に変化している。樹脂の混合割合が連続的に変化していることで、三次元構造物１において、樹脂の混合割合の違いによる層間剥離が生じにくい。

【0014】

図１に示された三次元構造物１は、図２に示すようなフィラメント５を用いて製造できる。フィラメント５は、２種以上の樹脂を含む線状の成形体である。図２に示されたフィラメント５は、２種以上の樹脂の混合割合が長手方向ｄＬに沿って連続的に変化している。樹脂の混合割合が連続的に変化していることで、フィラメント５において、樹脂の混合割合の違いによる層間剥離が生じにくい。樹脂の混合割合の連続的な変化により、フィラメント５の物性が長手方向ｄＬに沿って連続的に変化している。例えば、フィラメント５の硬さや色彩が、長手方向ｄＬに沿って連続的に変化している。フィラメント５は、その色彩によって硬さを視覚的に認識させることができる。フィラメント５の線幅は、例えば１．７ｍｍ以上１．８ｍｍ以下である。フィラメント５の線幅は、略一定となっている。具体的には、フィラメント５の最大の線幅と最小の線幅との差は、例えば０．１ｍｍ以下であり、好ましくは０．０５ｍｍ以下である。フィラメント５の線幅とは、フィラメント５の長手方向ｄＬに直交する方向におけるフィラメント５の長さである。

【0015】

三次元構造物１及びフィラメント５は、粘弾性特性が異なる２種以上の樹脂から構成されていることが好ましい。フィラメント５が粘弾性特性の異なる２種以上の樹脂から構成されており、それらの構成割合を変えたフィラメント５を用いて三次元構造物１を製造することによって、上記のような硬さが連続的に変化する三次元構造物１を得ることができる。粘弾性特性が異なる２種以上の樹脂は、例えば熱可塑性エラストマーと熱可塑性樹脂との組み合わせである。

【0016】

熱可塑性エラストマーは、例えば、α－オレフィン由来の構成単位と該α－オレフィンと異なる他のオレフィン由来の構成単位とを含む共重合体である。α－オレフィンは、通常、炭素数２～２０のα－オレフィンを１種単独で含んでもよいし、２種以上を組み合わせて含んでいてもよい。好ましいα－オレフィンは、炭素数が３以上であるα－オレフィンであり、炭素数３～８のα－オレフィンが特に好ましい。炭素数２～８のα－オレフィン由来の構成単位と炭素数２～３のオレフィン由来の構成単位とを含む共重合体は、後述する熱可塑性樹脂（特に、ポリプロピレン）との相溶性に優れるため、三次元構造物とした場合に層間剥離をより一層生じにくく、好ましい。

【0017】

熱可塑性樹脂は、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン系重合体（プロピレン単独重合体（ＰＰ）等）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、スチレンアクリロニトリルコポリマー（ＡＳ樹脂）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）等の汎用プラスチック；ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ－ＰＰＥ、変性ＰＰＥ、ＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）等のエンジニアリング・プラスチック；ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等のスーパーエンジニアリング・プラスチック；であり、ポリエチレンやポリプロピレン系重合体等のポリオレフィンであることが好ましく、特に、上記した熱可塑性エラストマーを使用する場合は、ポリプロピレン系重合体を併用することが好ましい。プロピレン系重合体は、プロピレンの単独重合体であってもよいし、プロピレンと他の単量体との共重合体であってもよい。

【0018】

三次元構造物１及びフィラメント５は、上記した樹脂の他に、例えば、紫外線吸収剤、安定剤、酸化防止剤、可塑剤、着色剤、整色剤、難燃剤、帯電防止剤、蛍光増白剤、つや消し剤、衝撃強度改良剤等の添加剤が配合されていてもよい。

【0019】

フィラメント５及びフィラメント５を用いて三次元構造物１を適切に製造できるよう、熱可塑性エラストマーの割合は多すぎないようになっている。フィラメントの長手方向ｄＬの任意の位置において、熱可塑性エラストマーの割合は、用いる熱可塑性エラストマーの種類にもよるが、例えば８０質量％以下である。言い換えると、フィラメント５からどの部分を取り出しても、フィラメント５に含まれている熱可塑性エラストマーの割合は、例えば８０質量％以下である。フィラメント５を用いて製造される三次元構造物１の任意の位置においても、熱可塑性エラストマーの割合は、例えば８０質量％以下である。言い換えると、三次元構造物１からどの部分を取り出しても、三次元構造物１に含まれている熱可塑性エラストマーの割合は、例えば８０質量％以下である。

【0020】

熱可塑性エラストマーの割合は、用いる熱可塑性エラストマーの種類によって適宜に変更され得る。用いる熱可塑性エラストマーの種類は、用いる熱可塑性樹脂の種類に応じて適宜に選択され得る。

【0021】

図３には、フィラメント５が巻き取られたスプール４０が示されている。スプール４０に巻き取られていることで、フィラメント５を容易に取り扱うことができる。

【0022】

スプール４０に巻き取られたフィラメント５を製造するフィラメント製造装置１０について説明する。図４には、フィラメント製造装置１０が概略的に示されている。図４に示されている例では、フィラメント製造装置１０は、二軸押出機２０と、冷却ファン３０と、スプール４０と、フィラメントワインダー５０と、を有している。

【0023】

二軸押出機２０は、２種以上の樹脂材料を溶融混合して連続的に押し出す。押し出された樹脂がフィラメント５となる。図５には、二軸押出機２０の内部が示されている。図４及び図５に示されているように、二軸押出機２０は、投入口２１と、シリンダ２２と、２つのスクリュー２３と、押出口２４と、を有している。投入口２１は、二軸押出機２０が押し出すフィラメント５の材料となる樹脂組成物のペレットが投入される入口である。投入口２１には、２種以上の樹脂材料をその割合を連続的に変化させながら投入できる。投入口２１は、シリンダ２２に通じている。シリンダ２２は、円筒形状であり、その内部に投入口２１から投入された樹脂組成物が入る。シリンダ２２には、図示しない電熱線等の加熱手段が設けられている。加熱手段は、シリンダ２２の内部を加熱し、樹脂組成物を溶融させる。加熱手段により、シリンダ２２の内部は、例えば１５０℃以上２００℃以下に加熱される。スクリュー２３は、回転することで溶融した樹脂組成物をシリンダ２２の内部において押出口２４に向かって進める。２つのスクリュー２３が、シリンダ２２の内部に配置されている。２つのスクリュー２３が回転することにより、異なる種類の樹脂材料を適切に混合できる。スクリュー２３は、図示しない駆動部によって回転駆動される。スクリュー２３の回転速度を制御することにより、二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度を制御できる。押出口２４は、シリンダ２２の先端に設けられている。混合した樹脂が、押出口２４から線状のフィラメント５となって連続的に押し出される。押し出されるフィラメント５の線幅は、押出口２４の内径に依存する。押出口２４の内径は、例えば１．７ｍｍ以上１．８ｍｍ以下である。

【0024】

冷却ファン３０は、空気を送風することで、二軸押出機２０の押出口２４から押し出されたフィラメント５を冷却する。空気の送風によって冷却することで、フィラメントを水中に入れて冷却することに比べて、フィラメント５が湿気によって劣化することを抑制できる。冷却ファン３０は、二軸押出機２０の押出口２４から押し出されたフィラメント５を素早く冷却できるよう、押出口２４の近傍にフィラメント５の進行方向に沿って配置されている。冷却ファン３０は、フィラメント５を十分に冷却できるよう、フィラメント５に沿って十分な長さにわたって配置されている。冷却ファン３０が配置されている長さは、例えば３００ｍｍ以上５００ｍｍ以下である。十分な長さにわたって配置されるよう、複数の冷却ファン３０が配置されていてもよい。図４に示されている例では、４つの冷却ファン３０が配置されている。冷却ファン３０は、フィラメント５の鉛直方向の下方に配置されている。冷却ファン３０は、フィラメント５に鉛直方向の下方から空気を送風する。冷却ファン３０は、回転することで空気を送風する。冷却ファン３０の回転速度は、例えば２５００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下である。

【0025】

スプール４０は、冷却ファン３０によって冷却されたフィラメント５を巻き取る。スプール４０は、フィラメント５を周回させながら巻き取ることができる円盤状の巻き筒である。スプール４０が一方向に回転することで、スプール４０の円周に沿ってフィラメント５を巻き取ることができる。スプール４０がフィラメント５を巻き取る位置は、鉛直方向において、二軸押出機２０の押出口２４より高い。スプール４０がフィラメント５を巻き取る位置とは、巻き取られるフィラメント５がスプール４０またはスプール４０に巻き取られているフィラメント５に接触する位置のことを意味する。

【0026】

フィラメントワインダー５０は、スプール４０の回転する速度を調節して、スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度を調節する。フィラメントワインダー５０は、スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度を二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度に対応するように調節する。より詳しくは、フィラメントワインダー５０は、スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度を二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度と等しくなるように調節する。フィラメントワインダー５０が調節することにより、スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度を、例えば３ｍ／分以上５ｍ／分以下にできる。

【0027】

上述したフィラメント製造装置１０によるフィラメントの製造方法の一例について説明する。フィラメントの製造方法は、樹脂材料となる樹脂組成物を投入する工程と、樹脂材料を溶融混合して押し出す工程と、フィラメント５を冷却する工程と、フィラメント５をスプール４０が巻き取る工程と、を含む。

【0028】

樹脂材料となる樹脂組成物を二軸押出機２０の投入口２１に投入する。樹脂組成物はペレットとなっている。２種以上の異なる樹脂材料が投入口２１に投入される。例えば、ポリオレフィンのペレットと熱可塑性エラストマーのペレットとが投入される。投入される異なる樹脂材料の割合は、フィラメント５が製造されるにつれて連続的に変化させる。投入される異なる樹脂材料の割合は、目視で確認しながら手作業で変化させてもよいし、装置を用いて自動的に変化させてもよい。

【0029】

投入された樹脂材料を溶融混合して押し出す。投入口２１に投入された樹脂組成物は、二軸押出機２０のシリンダ２２の内部に入る。シリンダ２２の内部において、樹脂組成物は、熱によって溶融されながら２つのスクリュー２３によって混合され、押出口２４に向かう。投入される異なる材料の割合が連続的に変化することで、二軸押出機２０が溶融混合する異なる材料の割合が連続的に変化する。押出口２４において、押出口２４の内径に依存した線幅で、線状に連続して延びるフィラメント５が押し出される。

【0030】

押出口２４から押し出されたフィラメント５を冷却ファン３０によって冷却する。冷却ファン３０は、フィラメント５の下方から送風することでフィラメント５を冷却する。冷却ファン３０は、例えば２５００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転数で回転している。冷却ファン３０は、フィラメント５に沿って適切な長さで配置されている。適切に冷却することで、フィラメント５の延びが抑制されて、フィラメント５の線幅が略一定に保たれる。

【0031】

冷却されたフィラメント５をスプール４０が巻き取る。スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度は、フィラメントワインダー５０によって調節できる。スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度は、二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度に対応する速度に調節される。より詳しくは、スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度は、二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度と等しくなるように調節される。スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度は、例えば３ｍ／分以上５ｍ／分以下である。スプール４０が適切な速度でフィラメント５を巻き取ることで、フィラメント５の線幅が略一定に保たれる。

【0032】

以上の工程により、スプール４０に巻き取られたフィラメント５が製造される。製造されるフィラメント５は、長手方向ｄＬに沿って樹脂材料の割合を連続的に変化させているため、長手方向ｄＬに沿って物性が異なっている。製造されるフィラメント５の線幅は、略一定に保たれる。

【0033】

フィラメント５を用いた三次元構造物の製造装置６０について説明する。三次元構造物の製造装置６０は、いわゆる３Ｄプリンタである。図６には、三次元構造物の製造装置６０が概略的に示されている。図６に示されている例では、三次元構造物の製造装置６０は、スプール４０と、スタンド７０と、ノズル８０と、を有している。スプール４０は、上述したフィラメント製造装置１０によって製造されたフィラメント５を巻き取ったものである。スプール４０が回転することで、フィラメント５を送り出すことができる。

【0034】

スタンド７０は、スプール４０を適切に支持する。スタンド７０は、ノズル８０より鉛直方向の上方に位置する。図７には、スプール４０を支持しているスタンド７０が示されている。図７に矢印で示すように、スタンド７０は、スプール４０からノズル８０に延びるフィラメント５の位置を適切に調節できる。具体的には、スタンド７０は、鉛直方向を軸とする回転方向ｄＲに回転可能であり、且つノズル８０に対して近づく方向及び遠ざかる方向ｄｘに移動可能である。スタンド７０の回転及び移動によってスプール４０が適切な位置に移動することで、スプール４０からノズル８０にフィラメント５を容易に送り出すことができる。

【0035】

ノズル８０は、フィラメント５を溶融させて射出する。フィラメント５を溶融させるよう、ノズル８０の内部は加熱される。フィラメント５がスプール４０からノズル８０に延びている。ノズル８０には、フィラメント５が連続的に供給される。ノズル８０から射出されたフィラメント５が重ねられることで、三次元構造物１が製造される。製造される三次元構造物１の形状に対応した位置にフィラメント５を重ねられるよう、ノズル８０は移動可能である。ノズル８０が溶融したフィラメント５を射出する射出孔の内径は、例えば０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。ノズル８０の内部においてフィラメント５が詰まることを抑制するため、ノズル８０の内部は、テフロンで被覆されていることが好ましい。

【0036】

上述した三次元構造物の製造装置６０による、スプール４０に巻き取られた上述したフィラメント５を用いた三次元構造物の製造方法の一例について説明する。三次元構造物の製造方法は、フィラメント５を溶融させる工程と、溶融したフィラメント５をノズル８０から押し出しながら、ノズル８０を移動させる工程と、を含む。

【0037】

フィラメント５を溶融させる。フィラメント５は、ノズル８０の温度が上昇することで、ノズル８０において溶融する。ノズル８０の内部がテフロンで被覆されていることで、溶融したフィラメント５が詰まることが抑制される。

【0038】

溶融したフィラメント５をノズル８０から押し出しながら、ノズル８０を移動させる。ノズル８０を移動させることで、所望の位置にフィラメント５を押し出すことができる。図８には、ノズル８０からフィラメント５を押し出す工程が示されている。図８に示すように、押し出されたフィラメント５が第１方向ｄ１に重なっていくことで、三次元構造物１が製造される。三次元構造物１の製造工程において、第１方向ｄ１は、例えば鉛直方向である。

【0039】

ノズル８０が移動すると、スプール４０の回転方向に対するノズル８０の方向が連続的に変化し得る。スプール４０を支持するスタンド７０が回転方向ｄＲに回転することで、スプール４０から送り出されるフィラメント５がノズル８０の方向を向くことができる。フィラメント５がスプール４０から送り出される際にフィラメント５が受ける抵抗を小さくできる。スプール４０から延びるフィラメント５の向きによっては、フィラメント５が他の部材に接触して抵抗を受け得る。フィラメント５が三次元構造物の製造装置６０の他の部材に接触することを抑制するよう、スプール４０を支持するスタンド７０がノズル８０に対して近づく方向又は遠ざかる方向ｄｘに移動できる。フィラメント５が他の部材に接触して抵抗を受ける可能性を小さくできる。

【0040】

従来のフィラメントは、物性が連続的に変化していると、三次元構造物を製造するのに適さないものとなることがある。例えば、フィラメントの一部が柔らかすぎる場合、フィラメントの柔らかい部分が用いられると、三次元構造物を製造する際に三次元構造物の製造装置のノズルが詰まってしまう。

【0041】

本実施の形態のフィラメント５は、２種以上の樹脂の混合割合が長手方向に沿って連続的に変化しており、フィラメント５の最大の線幅と最小の線幅との差は、０．１ｍｍ以下である。本実施の形態のフィラメント５は、樹脂の混合割合が連続的に変化することで、物性が連続的に変化しており、且つ、線幅が略一定である。このようなフィラメント５を用いることで三次元構造物の製造装置６０によって三次元構造物１を適切に製造でき、且つ製造される三次元構造物１の物性を連続的に変化させることができる。

【0042】

フィラメント５は、熱可塑性エラストマーと、ポリオレフィンと、を含んでいる。ポリオレフィンは比較的硬い樹脂であり、熱可塑性エラストマーは比較的柔らかい樹脂である。これらの樹脂の混合割合が連続的に変化することで、フィラメント５の物性を適切に連続的に変化させることができる。

【0043】

フィラメント５の長手方向の任意の位置において、熱可塑性エラストマーの割合は、８０質量％以下である。フィラメント５において熱可塑性エラストマーが多すぎると、フィラメント５が柔らかくなりすぎて、ノズル８０の内部でフィラメント５が詰まってしまう。本件発明者らが確認したところ、フィラメント５の長手方向の任意の位置において、熱可塑性エラストマーの割合は、８０質量％より多いと、ノズル８０の内部でフィラメント５が詰まった。フィラメント５において熱可塑性エラストマーが８０質量％以下であると、ノズル８０の内部でフィラメント５が詰まることなく、三次元構造物１を製造できる。

【0044】

本実施の形態のフィラメント５を製造するフィラメント製造装置１０は、二軸押出機２０と、冷却ファン３０と、スプール４０と、フィラメントワインダー５０と、を有している。二軸押出機２０は、２種以上の異なる樹脂材料を溶融混合して押出口２４からフィラメント５を押し出す。樹脂材料の割合を連続的に変化させることで、製造されるフィラメント５の物性を適切に連続的に変化させることができる。冷却ファン３０は、押出口２４から押し出されたフィラメント５を冷却する。押出口２４から押し出されたフィラメント５を素早く冷却することで、フィラメント５が延びることを抑制できる。フィラメントワインダー５０は、スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度を調節する。フィラメント５が適切な速度で巻き取られることで、フィラメント５が延びることを抑制できる。フィラメント５が延びて線幅が細くなくことが抑制される。本実施の形態のフィラメント製造装置１０により、物性が連続的に変化しており、且つ、線幅が略一定であるフィラメント５を製造できる。

【0045】

冷却ファン３０は、フィラメント５の鉛直方向の下方に配置されている。冷却ファン３０は、フィラメント５に鉛直方向の下方から空気を送風することでフィラメント５を冷却する。送風された空気により、フィラメント５は、鉛直方向の上方への力を受ける。フィラメント５が重力によって鉛直方向の下方に延びることが低減される。フィラメント５が延びて線幅が細くなることが抑制される。

【0046】

冷却ファン３０の回転数は、２５００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下である。冷却ファン３０の回転数が大きすぎないため、送風された空気によってフィラメント５が揺れてしまい、スプール４０によるフィラメント５の巻き取りが不安定になることが抑制される。冷却ファン３０の回転数が小さすぎないため、フィラメント５の冷却が不十分でスプール４０に巻き取られる際にフィラメント５が延びて線幅が細くなることが抑制される。

【0047】

鉛直方向において、スプール４０がフィラメント５を巻き取る位置は、押出口２４より高い。押出口２４から押し出されたフィラメント５がスプール４０に巻き取られるまでの間で撓んで線幅が細くなることが抑制される。

【0048】

スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度は、二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度に対応する速度に調節される。スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度が二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度に対して速すぎて、フィラメント５が延びて線幅が小さくなることが抑制される。スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度が二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度に対して遅すぎて、押し出されたフィラメント５が塊になって線幅が大きくなることが抑制される。

【0049】

スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度は、３ｍ／分以上５ｍ／分以下である。スプール４０がフィラメント５を巻き取る速度を二軸押出機２０がフィラメント５を押し出す速度に対応した適切な速度にできる。

【0050】

三次元構造物の製造装置６０において、ノズル８０の内部は、テフロンで被覆されている。テフロンは滑り性に優れるため、溶融したフィラメント５がノズル８０の内部で詰まることが抑制される。特に、フィラメント５が柔らかい場合、言い換えるとフィラメント５が含む熱可塑性樹脂の割合が大きい場合、ノズル８０の内部がテフロンで被覆されていることで、溶融したフィラメント５がノズル８０の内部で詰まることが抑制される効果を顕著に奏することができる。

【0051】

三次元構造物の製造装置６０において、スタンド７０は、回転可能であり、且つノズル８０に対して近づく方向及び遠ざかる方向に移動可能である。スプール４０から送り出されるフィラメント５がノズル８０の方向を向くよう、スプール４０を支持するスタンド７０が回転することで、フィラメント５がスプール４０から送り出される際にフィラメント５が受ける抵抗を小さくできる。スプール４０を支持するスタンド７０がノズル８０に対して近づく方向又は遠ざかる方向に移動することで、フィラメント５が他の部材に接触して抵抗を受ける可能性を小さくできる。フィラメント５をスプール４０からノズル８０に適切に送ることができる。

【0052】

三次元構造物の製造装置６０によってフィラメント５を用いて製造される三次元構造物１に含まれる２種以上の樹脂の混合割合は、第１方向ｄ１に沿って連続的に変化している。フィラメント５を用いることで、第１方向ｄ１に沿って物性が連続的に変化している三次元構造物１を得ることができる。例えば、第１方向ｄ１に沿って硬さや色彩が連続的に変化した三次元構造物１を得ることができる。

【0053】

以上のように、本実施の形態のフィラメント５は、２種以上の樹脂の混合割合が長手方向に沿って連続的に変化しており、フィラメント５の最大の線幅と最小の線幅との差は、０．１ｍｍ以下である。フィラメント５を用いて三次元構造物１を製造することで、三次元構造物１の物性を連続的に変化させることができる。

【0054】

本開示の態様は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した実施の形態に係る内容に限定されない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される各開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

【実施例0055】

以下、実施例を用いて本開示をより詳細に説明するが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。例えばフィラメント５を製造する条件やフィラメント５に含まれる熱可塑性エラストマーの割合等は、用いられる熱可塑性エラストマーの種類やポリオレフィンの種類等によって適宜に選択され得る。

【0056】

フィラメント製造装置を用いて、以下の条件でフィラメントを製造した。フィラメント製造装置の二軸押出機の投入口に、ポリオレフィンの一種であるポリプロピレン（プライムポリマー社製 Ｐｒｉｍｅ Ｐｏｌｙｐｒｏ Ｊ１０５Ｇ）のペレット及び／又は熱可塑性樹脂であるオレフィン系熱可塑性エラストマー（三井化学社製 オレフィン系熱可塑性エラストマーミラストマー６０３０ＮＳ）のペレットを投入した。投入する材料の割合は、実施例及び比較例によって異なる。二軸押出機のシリンダの内部の温度は１８０℃であり、スクリューの回転速度は１０ｒｐｍとした。押出口の内径は１．７５ｍｍであった。

【0057】

二軸押出機から押し出されるフィラメントを冷却するよう冷却ファン（Ｍａｕｋｎｃｉ社製 ＭＵ－８ＣＭ２ＫＩ）を配置した。フィラメントが延びる方向に沿って、直径８０ｍｍの冷却ファンを４つ並べた。冷却ファンの間隔は３０ｍｍとした。冷却ファンは、フィラメントの鉛直方向の下方に配置した。冷却ファンの回転数は、２８００ｒｐｍであった。

【0058】

フィラメントを任意の速度でスプールに巻き取るよう、フィラメントワインダー（ｎｏｚｔｅｋ社製 Ｎｏｚｔｅｋ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｗｉｎｄｅｒ １．０）を配置した。フィラメントワインダーの巻き取り速度は、４ｍ／分であった。

【0059】

フィラメント製造装置の二軸押出機に投入する樹脂材料の割合を連続的に変化させて、実施例及び比較例に係るフィラメントを製造した。実施例１のフィラメントは、二軸押出機に投入するポリプロピレンとオレフィン系熱可塑性エラストマーとの割合を１０：０から２：８に連続的に変化させて製造した。実施例２のフィラメントは、二軸押出機に投入するポリプロピレンとオレフィン系熱可塑性エラストマーとの割合を２：８から１０：０に連続的に変化させて製造した。比較例１のフィラメントは、ポリプロピレンのみを二軸押出機に投入して製造した。比較例２のフィラメントは、二軸押出機に投入するポリプロピレンとオレフィン系熱可塑性エラストマーとの割合を２：８で一定にして製造した。

【0060】

各実施例及び各比較例のフィラメントを用いて、三次元構造物の製造装置（Ｒａｉｓｅ３Ｄ Ｐｒｏ ２）によって、図９に示す試験用三次元構造物３を製造した。三次元構造物の製造装置において、ノズル（Ｒａｉｓｅ ３Ｄ 純正ノズル Ｊ３Ｄ０Ｆ７）の内部の温度は２４０℃、ノズルからフィラメントを射出する速度は３０ｍｍ／秒とした。ノズルの射出孔の内径は、０．５ｍｍである。ノズルの内部は、テフロンで被覆されている。

【0061】

フィラメントが巻き取られているスプールは、スタンド（Ｒａｉｓｅ ３Ｄ 首振りスタンド ＲＳＪＰ３Ｄ－０２）に支持されている。スタンドは、回転可能であり、且つノズルに対して近づく方向及び遠ざかる方向に移動可能である。スタンドが適切に回転及び移動しながら、フィラメントがスプールからノズルに送り出される。

【0062】

製造される試験用三次元構造物３は、高さ２０ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍの筒型であった。各実施例及び各比較例のフィラメントを用いた試験用三次元構造物に対して、試験装置９０（卓上試験機 株式会社島津製作所製 ＥＺ－Ｓ）を用いて、片持ち梁曲げ試験を行った。

【0063】

片持ち梁曲げ試験では、図１０に示すように試験用三次元構造物３の長さ方向における一端を治具９１に固定し、図１１に示すように他端に加重部９５によって上方から下方に力を加えて、他端の変位Ｘを測定した。実施例１の試験用三次元構造物３では、治具９１に固定された一端に近い部分おいてポリプロピレンが多く含まれており、加重部９５によって力を加えられる他端に近い部分において、オレフィン系熱可塑性エラストマーが多く含まれている。実施例２の試験用三次元構造物３では、治具９１に固定された一端に近い部分おいてオレフィン系熱可塑性エラストマーが多く含まれており、加重部９５によって力を加えられる他端に近い部分において、ポリプロピレンが多く含まれている。加重が適切に加わるよう、試験用三次元構造物３の他端には、図示しない蓋が設けられいる。

【0064】

各実施例及び各比較例の試験用三次元構造物３について、他端の変位Ｘと加重部９５が加えた力との関係を図１２のグラフに示す。

【0065】

図１２において、実施例１，２と比較例１，２との比較から、固定された一端に近い部分における樹脂によって他端に加重を加えたときの物性の傾向が異なることが理解される。実施例１と比較例１との比較及び実施例２と比較例２との比較から、三次元構造物の製造に用いられるフィラメントに含まれる材料の混合割合が長手方向に沿って連続的に変化していることで、三次元構造物の物性が連続的に変化していることが理解される。実施例１と実施例２との比較から、三次元構造物の物性が同様に連続的に変化していても、固定された一端に近い部分における樹脂が異なると物性が大きく異なることが理解される。

【符号の説明】

【0066】

１ 三次元構造物
３ 試験用三次元構造物
５ フィラメント
１０ フィラメント製造装置
２０ 二軸押出機
２１ 投入口
２２ シリンダ
２３ スクリュー
２４ 押出口
３０ 冷却ファン
４０ スプール
５０ フィラメントワインダー
６０ 三次元構造物の製造装置
７０ スタンド
８０ ノズル
９０ 試験装置
９１ 治具
９５ 加重部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】