(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-10
(45)【発行日】2023-11-20
(54)【発明の名称】付加プリント用フィラメント材料
(51)【国際特許分類】
B29C 64/314 20170101AFI20231113BHJP
B29C 64/118 20170101ALI20231113BHJP
C08J 5/04 20060101ALI20231113BHJP
C08K 7/06 20060101ALI20231113BHJP
C08K 7/14 20060101ALI20231113BHJP
C08L 23/12 20060101ALI20231113BHJP
C08L 101/00 20060101ALI20231113BHJP
【ＦＩ】
B29C64/314
B29C64/118
C08J5/04 CEZ
C08K7/06
C08K7/14
C08L23/12
C08L101/00
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021510125
(86)(22)【出願日】2019-08-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-12-16
(86)【国際出願番号】 US2019047237
(87)【国際公開番号】W WO2020041291
(87)【国際公開日】2020-02-27
【審査請求日】2022-08-16
(31)【優先権主張番号】62/720,497
(32)【優先日】2018-08-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】508020155
【氏名又は名称】ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア
【氏名又は名称原語表記】ＢＡＳＦ ＳＥ
【住所又は居所原語表記】Ｃａｒｌ－Ｂｏｓｃｈ－Ｓｔｒａｓｓｅ ３８， ６７０５６ Ｌｕｄｗｉｇｓｈａｆｅｎ ａｍ Ｒｈｅｉｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100100354
【弁理士】
【氏名又は名称】江藤 聡明
(74)【代理人】
【識別番号】100167106
【弁理士】
【氏名又は名称】倉脇 明子
(74)【代理人】
【識別番号】100194135
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 修
(74)【代理人】
【識別番号】100206069
【弁理士】
【氏名又は名称】稲垣 謙司
(72)【発明者】
【氏名】ウィン，ヴィンセント ペー
(72)【発明者】
【氏名】ヴィーユ，マルティン
【審査官】坂本 薫昭
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１９３６０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１９３８０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０６５９７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２１－５２１０２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０９６５７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００９６５７６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ６４／１０，６４／１０６，６４／１１８，６４／２０，
６４／３０，６４／３１４，６４／４０
Ｂ３３Ｙ １０／００，３０／００，４０／００，５０／００，７０／００，
８０／００
Ｃ０８Ｊ ５／０４
Ｃ０８Ｋ ７／０６，７／１４
Ｃ０８Ｌ ２３／１２，１０１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
付加プリント用フィラメントストランド（４０）であって；ガラス繊維（６２）を含む第１コア（６３）であって、前記フィラメントストランド（４０）のｌ０質量％～５０質量％で含まれる第１コア（６３）；
炭素繊維（６４）を含む第２コア（６５）であって、前記フィラメントストランド（４０）の５質量％～３０質量％で含まれる第２コア（６５）；
前記フィラメントストランド（４０）の５０質量％～８０質量％で含まれる熱可塑性マトリックス（６０）；及び
第１コア（６３）及び第２コア（６４）の少なくとも一方をコーティグする熱可塑性相溶性サイジング剤（６６、６７）、
を含み、
前記熱可塑性相溶性サイジング剤（６６、６７）が、前記第１コア（６３）をコーティングする第１熱可塑性サイジング剤（６６）、及び前記第２コア（６５）をコーティングする第２熱可塑性相溶性サイジング剤（６７）である、付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項2】
前記熱可塑性マトリックス（６０）が、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ６、ＰＡ８、ＰＡ1１、ＰＡ１２）、又はポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリフェニルエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）のうちの少なくとも1つを含む、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項3】
前記熱可塑性マトリックス（６０）がポリプロピレンを含む、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項4】
前記ガラス繊維（６４）がチョップドストランドである、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項5】
前記フィラメントストランド（４０）の前記チョップドストランドの最終寸法が、２００μｍから５００μｍである、請求項４に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項6】
前記第１コア（６３）が、前記フィラメントストランド（４０）の１５質量％～２５質量％で含まれる、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項7】
前記第１コア（６３）が、前記フィラメントストランド（４０）の２０質量％で含まれる、請求項６に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項8】
前記第２コア（６５）が、前記フィラメントストランド（４０）の８質量％～１２質量％で含まれる、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項9】
前記第２コア（６５）が、前記フィラメントストランド（４０）の１０質量％で含まれる、請求項８に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項10】
前記熱可塑性マトリックス（６０）が、前記フィラメントストランド（４０）の６５質量％～７５質量％で含まれる、請求項９に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項11】
前記第１コア（６３）が前記フィラメントストランド（４０）の１５質量％～２５質量％で含まれ、前記第２コア（６５）が前記フィラメントストランド（４０）の８質量％～１２質量％で含まれ、前記熱可塑性マトリックス（６０）が前記フィラメントストランド（４０）の６５質量％～７５質量％で含まれる、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項12】
前記熱可塑性相溶性サイジング剤（６６、６７）が、前記第１コア（６３）をコーティングする第１熱可塑性サイジング剤（６６）、及び前記第２コア（６５）をコーティングする第２熱可塑性相溶性サイジング剤（６７）である、請求項１１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項13】
前記熱可塑性マトリックス（６０）がホモポリマーである、請求項１に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）。
【請求項14】
付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）であって：ガラス繊維（６２）を含む第１コア（６３）に第１熱可塑性相溶性サイジング剤（６６）を適用すること；
炭素繊維（６４）を含む第２コア（６５）に第２熱可塑性相溶性サイジング剤（６７）を適用すること；
熱可塑性マトリックス（６０）を溶融状態に加熱すること；
前記第１コア（６３）及び前記第２コアを前記熱可塑性マトリックス（６０）と混合して、組成物（７２）を形成すること；及び
前記組成物（７２）を押し出してフィラメントストランド（４０）を形成すること、を含み、
前記第１コア（６３）が、前記フィラメントストランド（４０）のｌ０質量％～５０質量％で含まれ；
前記第２コア（６５）が、前記フィラメントストランド（４０）の５質量％～３０質量％で含まれ；
前記熱可塑性マトリックス（６０）が、前記フィラメントストランド（４０）の５０質量％～８０質量％で含まれる、付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【請求項15】
前記組成物（７２）を押し出すことが、前記フィラメントストランド（４０）に１つ以上の望ましい最終寸法を与えるための配合工程及び押し出し工程を含む、請求項１４に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【請求項16】
前記フィラメントストランド（４０）の１つ以上の所望の寸法が、１．５ｍｍ～１．９ｍｍの直径である、請求項１４に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【請求項17】
前記フィラメントストランド（４０）の１つ以上の所望の寸法が、２．５ｍｍ～３．１ｍｍの直径である、請求項１４に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【請求項18】
前記第１コア（６３）が前記フィラメントストランド（４０）の１５質量％～２５質量％で含まれ、前記第２コア（６５）が前記フィラメントストランド（４０）の８質量％～１２質量％で含まれ、及び前記熱可塑性マトリックス（６０）が前記フィラメントストランド（４０）の６５質量％～７５質量％で含まれる、請求項１４に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【請求項19】
前記ガラス繊維（６２）が、チョップドストランドである、請求項１４に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【請求項20】
前記フィラメントストランド（４０）の前記チョップドストランドの最終寸法が、１００μｍから１５００μｍである、請求項１９に記載の付加プリント用フィラメントストランド（４０）を製造する方法（５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年８月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／７２０４９７出願の優先権の利益を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。
この出願は、２０１８年８月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／７２０４９７出願の優先権の利益を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、ガラス繊維を含む第１コア、炭素繊維を含む第２コア、熱可塑性マトリックス、並びに第１及び第２コアのうちの少なくとも一方をコーティングする熱可塑性サイジング剤を含む、付加プリント用のフィラメントストランドに関する。
【背景技術】
【0003】
付加製造システムは、デジタルモデルから３Ｄ部品をプリント又は構築するために使用されており、迅速なプロトタイピング及び製造に有益であり得る。最も一般的な付加製造技術の１つは、溶融フィラメント製造として知られる方法であり、プリント材料を層で配置することを含む。プリント材料は、スプールに巻かれたフィラメントの形態である。フィラメントは巻きを解かれ、熱可塑性プリント材料の場合には、プリントして部品を製造するために、溶融され押し出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ポリ乳酸（ＰＬＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及びポリエチレンテレフタレートグリコール（ＰＥＴＧ）などの熱可塑性材料が、それらの耐熱特性のため、付加製造に用いられる。通常、ポリプロピレン（ＰＰ）は、反りが大きく、層の密着性が不十分であるため、ＰＰでプリントするのが困難であり得るため、付加製造のための望ましい材料ではない。さらに、ＰＰは、ＡＢＳ及びＰＬＡと比較して、引張弾性率が低く、衝撃強度が低く、溶融強度が低い。付加製造プリント材料の機械的特性の改善は、付加的に製造される部品が射出成形部品と同様の機械的特性を有することが望ましいため有利である。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一態様では、本開示は、ガラス繊維を含む第１コアであってフィラメントの約ｌ０質量％～５０質量％で含まれる第１コア、炭素繊維を含む第２コアであってフィラメントの約５質量％～３０質量％で含まれる第２コア、フィラメントの約５０質量％～８０質量％で含まれるポリプロピレンマトリックス、及び第１及び第２コアの少なくとも一方をコーティグする熱可塑性サイジング剤を含む、付加プリント用フィラメントに関する。
【0006】
別の態様では、本開示は、付加プリント用のフィラメントを製造する方法であって、ガラス繊維を含む第１コアに第１熱可塑性サイジング剤を適用することと、炭素繊維を含む第２コアに第２熱可塑性サイジング剤を適用することと、ポリプロピレンマトリックスを溶融状態に加熱することと、第１コアと第２コアをポリプロピレンマトリックスと混合して混合物を形成することとを含む、方法に関し、前記第１コアは、前記フィラメントの約ｌ０質量％～５０質量％で含まれ、前記第２コアは、前記フィラメントの約５質量％～３０質量％で含まれ、前記ポリプロピレンマトリックスは、前記フィラメントの約５０質量％～８０質量％で含まれる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図面において、
【図1】本明細書に記載される様々な態様による付加プリント方法を示す概略図である。
【図2】本明細書に記載される様々な態様による付加プリント用フィラメントストランドの形成方法を示す概略図である。
【図3】本開示の態様によるフィラメントストランドの形成方法を示すフローチャートである。
【図4】本明細書に記載される様々な態様による付加プリント及び射出成形に使用される材料の曲げ弾性率を示す概略棒グラフである。
【図5】本明細書に記載される様々な態様による付加プリントに使用される材料の引張弾性率を示す概略棒グラフである。
【図6】本明細書に記載される様々な態様による付加プリント及び射出成形に使用される材料の曲げ強度を示す概略棒グラフである。
【図7】本明細書に記載される様々な態様による付加プリントに使用される材料の耐熱性を示す概略棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本明細書に記載の様々な態様による付加プリント用フィラメント材料の有益かつ有利な特徴は、熱可塑性マトリックス中に熱可塑性サイジング剤を有するガラス繊維及び炭素繊維強化材の組み合わせによる機械的性能の向上を含む。具体的には、引張弾性率、曲げ弾性率、及び熱特性は、ガラス繊維強化材のみを有する付加プリント用フィラメント材料と比較して、著しい増加を示す。
【0009】
さらに、これに加えて、ガラス繊維と炭素繊維強化材との組み合わせによる付加プリント用フィラメント材料の機械的性能の増加は、ハイブリッド強化フィラメントで製品をプリントする場合に、最終プリント製品の反り及び変形を制限することができる。
【0010】
図１は、本明細書に記載の様々な態様による付加プリント方法を示す。付加プリント方法は、構築プラットフォーム１０、及びノズル２２、２４を有する押出ヘッド２０を含むことができる。付加プリント用フィラメントストランド４０としても知られる構築材料及び支持材料４２のスプール３０、３２は、ノズル２２、２４にそれぞれ結合することができ、付加プリント用フィラメントストランド４０及び支持材料４２は、プリントのために加熱及び押し出し、又は分配され得る。押出ヘッド２０は、所定の順序で構築プラットフォーム１０に対してｘ、ｙ、及びｚ方向に移動して、付加プリント用フィラメントストランド４０及び支持材料４２を構築プラットフォーム１０上の層に堆積させることにより、部品５０を形成することができる。付加プリント用フィラメントストランド４０及び支持材料４２の層は、固化して、部品５０を形成することができる。支持材料４２は、プリントプロセス中に部品５０に構造を提供するように、取り外し可能な部品５０の部分５２を形成するために使用され得る。図１は、支持用の部分５２を有する部品５０を示しているが、部品５０を支持材料４２なしでプリントすることも可能である。
【0011】
図２を参照して、本開示の一態様による付加プリント用フィラメントストランド４０は、第１補強用繊維６８、第２補強用繊維７０、及び熱可塑性マトリックス６０を含む組成物７２などのハイブリッド材料から形成され得る。任意で、プリント用フィラメントストランド４０は例えば、ＵＶ防止染料、カップリング剤、難燃性添加剤、粘度調整剤、充填剤、安定化剤、靱性調整剤、熱安定化剤、相溶化剤、加工助剤、分散助剤、及び表面添加剤、ならびに他の添加剤などの顔料を含むがこれらに限定されない添加剤をさらに含むことができる。
【0012】
熱可塑性マトリックス６０は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ６、ＰＡ８、ＰＡ1１、ＰＡ１２）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリフェニルエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、又は任意の他の適切な熱可塑性材料であり得る。一例では、熱可塑性マトリックス６０は、ポリプロピレンホモポリマーである。熱可塑性マトリックス６０は、フィラメントストランド４０の５０質量％～８５質量％の範囲、好ましくはフィラメントストランド４０の６５質量％～７５質量％の範囲であり得る。
【0013】
第１補強用繊維６８は、熱可塑性相溶性サイジング剤６６でコーティングされた第１コア６３を含むことができる。第１コア６３は、約１０．０μｍの初期直径及び約４．０～４．５ｍｍの長さを有するチョップドストランドなどのガラス繊維６２を含むことができる。ガラス繊維６２は、フィラメントストランド４０の１０質量％～５０質量％の範囲、好ましくは１５質量％～２５質量％の範囲であり得る。一例では、熱可塑性相溶性サイジング剤６６は、ガラス繊維６２に適したポリプロピレン熱可塑性相溶性サイジング剤６６である。
【0014】
第２補強用繊維７０は、熱可塑性相溶性サイジング剤６７でコーティングされた第２コア６５を含むことができる。第２コア６５は、チョップドファイバーなどの炭素繊維６４を含むことができる。一例では、炭素繊維６４は、約７．０μｍの初期直径及び約６．０ｍｍの長さを有する。炭素繊維６４は、フィラメントストランド４０の５質量％～３０質量％の範囲、好ましくはフィラメントストランド４０の８質量％～１２質量％の範囲とすることができる。一例では、熱可塑性相溶性サイジング剤６７は、炭素繊維６４に適したポリプロピレン熱可塑性相溶性サイジング剤６７である。
【0015】
熱可塑性相溶性サイジング剤６６、６７、又は熱可塑性サイジング剤は、ガラス繊維６２及び炭素繊維６４の表面で保護コーティングとして機能することによって、これらの繊維の加工性を向上させることができる。さらに、熱可塑性相溶性サイジング剤６６、６７は、ガラス繊維６２及び炭素繊維６４と熱可塑性マトリックス６０との結合を強化するためのカップリング剤を提供することができる。熱可塑性相溶性サイジング剤６６、６７は、熱可塑性マトリックス６０内の熱可塑性材料と相溶し、ガラス繊維６２及び／又は炭素繊維６４をコーティングするのにも適した任意のサイジング剤であり得る。一例において、熱可塑性相溶性サイジング剤６６は、ガラス繊維６２に適切なポリプロピレン熱可塑性相溶性サイジング剤６６であり得る一方、熱可塑性相溶性サイジング剤６７は、炭素繊維６４に適切なポリプロピレン熱可塑性相溶性サイジング剤６７であり得る。あるいは、本開示の別の態様において、ガラス繊維６２及び炭素繊維６４をそれぞれコーティングするための熱可塑性相溶性サイジング剤６６、６７は、同じ熱可塑性相溶性サイジング剤６６、６７を含むことができる。
【0016】
補強用繊維６８、７０を形成するために使用される熱可塑性相溶性サイジング剤６６、６７の量は、繊維６２、６４の表面上の材料のパーセントであり、補強用繊維６８、７０のそれぞれの総質量の質量パーセンテージによって定義される。質量パーセンテージは、強熱減量値によって測定される。強熱減量（ＬＯＩ）は、ＩＳＯ １８８７：２０１４「繊維ガラス－可燃性物質含有量の測定」を用いて試料の質量が変化しなくなるまで、揮発性物質を逃がすように、特定の温度で材料の試料を強く加熱又は点火することによって測定することができる。一例では、ガラス繊維６２及び熱可塑性相溶性サイジング剤６６を含む第１補強用繊維６８のＬＯＩは、第１補強用繊維６８の０．５５質量％及び０．７５質量％の範囲内とすることができる。他の例では、炭素繊維６４及び熱可塑性相溶性サイジング剤６７を含む第２補強用繊維７０のＬＯＩは、第２補強用繊維７０の２．５０質量％及び３．００質量％の範囲内とすることができる。
【0017】
図３を参照して、本開示の一態様による付加プリントのためのフィラメントストランドを形成するためのプロセス又は方法５００が示されている。方法５００は、付加的プリント用フィラメントストランド４０に関連して記載されているが、本明細書に記載されているプロセスは、本明細書に明示的に記載されていない他のフィラメントストランドを形成するために使用されてもよく、異なる論理的順序で行われてもよく、又は追加の又は介在する工程が含まれてもよい。
【0018】
付加プリント用フィラメントストランド４０を形成するための方法５００は、第１及び第２補強用繊維６８、７０を形成するためのコーティング工程５０５、組成物７２を形成するための配合工程５１０、次いで、工程５２０でフィラメントストランド４０を形成するための１以上の押し出し工程５１０、５１５を含む。フィラメントストランド４０が工程５２０で形成されると、フィラメントストランド４０をスプール化することができ、任意でさらに工程５３０で調整することができる。
【0019】
５０５において、第１コア６３の約０．５５～０．７５質量％間のＬＯＩを有する第１熱可塑性サイジング剤６６は、ガラス繊維６２を含む第１コア６３に適用されて、第１補強用繊維６８を形成し、第２コア６７の約２．５～３．０質量％間のＬＯＩを有する第２熱可塑性サイジング剤６７は、炭素繊維６４を含む第２コア６５に適用されて、第２補強用繊維７０を形成する。
【0020】
配合工程５１０において、組成物７２は、熱可塑性マトリックス６０を第１補強用繊維６８及び第２補強用繊維７０と混合又は配合することによって形成される。一例において、共回転スクリューは、熱可塑性マトリックス６０を溶融状態に加熱し、補強用繊維６８及び７０を熱可塑性マトリックス６０と混合して組成物７２を形成する。本開示の一態様において、組成物７２は、フィラメントストランド４０の約１０質量％～５０質量％を含む第１コア６３と、フィラメントストランド４０の約５質量％～３０質量％を含む第２コア６５と、フィラメントストランド４０の約５０質量％～８０質量％を含むポリプロピレンなどの熱可塑性マトリックス６０とを含む。別の態様において、組成物７２は、フィラメントストランド４０の約１５質量％～２５質量％を含む第１コア６３と、フィラメントストランド４０の約８質量％～１２質量％を含む第２コア６５と、フィラメントストランド４０の約６５質量％～７５質量％を含むポリプロピレンなどの熱可塑性マトリックス６０とを含む。
【0021】
５１０において、組成物７２を共回転スクリューから直接押し出してフィラメントストランド４０を形成することができ、又は任意に５１５において、組成物７２を単一スクリュー押出機のような第２の押出機に供給することができる。組成物７２は、任意で、工程５１０及び／又は工程５１５において所望の添加剤と混合することができる。５２０において、組成物７２は、ノズルを通して引き出され、フィラメントストランド４０を形成することができる。フィラメントストランド４０の最終直径は、フィラメントストランド４０が最終ダイに入る前に押出機のノズルから引き出されてフィラメントストランドの最終形状を与える速度及び圧力によって制御することができる。フィラメントストランド４０の最終直径は、約１．７５ｍｍ（＋／－０．０５ｍｍ）又は２．８５ｍｍ（＋／－０．０５ｍｍ）とすることができる。５３０において、フィラメントストランド４０は、温水タンクに供給されることができ、そこでは、フィラメントストランド４０を冷却して、円形断面を形成することができる。その後、フィラメントストランド４０は、フィラメントストランド４０が室温に冷却されることができるように、冷水タンクに通して供給されることができる。フィラメントストランド４０が冷却されると、フィラメントストランド４０をスプール３０に巻き取ることができる。
【0022】
表１は、ガラス繊維６２及び炭素繊維６４の配合工程２１０後の初期長さの変化を、ＩＳＯ規格２２３１４：２００６「プラスチック－ガラス繊維強化製品－繊維長の決定」に従って決定された最終フィラメントストランド４０と比較して示す。
【0023】
【表1】
【0024】
図４では、棒グラフ１００は、射出成形ｖｓ付加プリントを使用して、本明細書に記載される様々な態様による例示的な組成物を有する材料の曲げ弾性率を比較している。ｘ軸１１０は種々な材料のそれぞれを識別し、ｙ軸１１２は各材料のギガパスカル（ＧＰａ）で測定した曲げ弾性率を示す。第１材料１２０は、約３０質量％のガラス繊維を有する組成物である。第２材料１３０は、約２０質量％のガラス繊維、１０質量％の炭素繊維、及び熱可塑性相溶性サイジング剤を有する組成物である。第３材料１４０は、約２０質量％のガラス繊維、１０質量％の炭素繊維、及び熱硬化性相溶性サイジング剤を有する組成物であり、第４材料１５０は、約１０質量％の炭素繊維及び熱可塑性相溶性サイジング剤を有する組成物である。第２材料１３０は、出願人の開示の例示的な実施形態による組成物を表す。
【0025】
グラフ１００に示されるように、第１材料１２０は、３Ｄプリント時には、バー１２２によって示されるように、７．０ＧＰａの曲げ弾性率を有し、射出成形時には、バー１２４によって示されるように、６．０ＧＰａの曲げ弾性率を有する。第２材料１３０は、３Ｄプリント時には、バー１３２によって示されるように、９．８ＧＰａの曲げ弾性率を有し、射出成形時には、バー１３４によって示されるように、８．１ＧＰａの曲げ弾性率を有する。第３材料１４０は、３Ｄプリント時には、バー１４２によって示されるように、８．４ＧＰａの曲げ弾性率を有し、射出成形時には、バー１４４によって示されるように、６．９ＧＰａの曲げ弾性率を有する。第４材料１５０は、３Ｄプリント時には、バー１５２によって示されるように、５．６ＧＰａの曲げ弾性率を有し、射出成形時には、バー１５４によって示されるように、４．２ＧＰａの曲げ弾性率を有する。
【0026】
グラフ１００から明らかなように、第２材料１３０は、他の材料１２０、１４０、１５０と比較した場合、優れた曲げ弾性率特性を有する。付加プリント用フィラメントストランド４０として使用される場合、第２材料１３０の曲げ弾性率はおおよそ、第１材料１２０よりも４０％高く、第３材料１４０よりも１７％高く、そして第４材料１５０よりも７５％高い。射出成形フィラメントとして使用される場合、第２材料１３０の曲げ弾性率はおおよそ、第１材料１２０よりも３５％高く、第３材料１４０よりも１７％高く、第４材料１５０よりも９３％高い。したがって、第２材料１３０におけるような熱可塑性相溶性サイジング剤を有するガラス繊維と炭素繊維の組み合わせは、第１材料１２０におけるようなガラス繊維のみを有する材料、又は第３材料１４０におけるような熱硬化性相溶性サイジング剤を有するガラス繊維と炭素繊維を有する材料、又は第４材料１５０におけるような熱可塑性相溶性サイジング剤を有する炭素繊維のみを有する材料と比較して、曲げ弾性率の増加を示す。
【0027】
図５は、本明細書に記載される様々な態様による付加プリントに使用される第１材料１２０、第２材料１３０、及び第４材料１５０の、ギガパスカル（ＧＰａ）で測定された引張弾性率を比較する棒グラフ２００を示す。第３材料１４０との比較は完了していない。ｘ軸２１０は、種々な材料のそれぞれを識別し、ｙ軸２１２は、各材料のギガパスカル（ＧＰａ）で測定した引張弾性率を示す。
【0028】
グラフ２００に示されているように、第１材料１２０は、バー２２２で示されるように、３Ｄプリント時に７．６０４ＧＰａの引張弾性率を有する。第２材料１３０は、バー２３２で示されるように、３Ｄプリント時に９．８２５ＧＰａの引張弾性率を有する。第４材料１５０は、バー２５２で示されるように、３Ｄプリント時に５．８１０ＧＰａの引張弾性率を有する。
【0029】
グラフ２００から明らかなように、第２材料１３０は、他の材料１２０及び１５０と比較して優れた引張弾性率特性を有する。付加プリント用フィラメントストランド４０として使用される場合、第２材料１３０の引張弾性率は、第１材料１２０よりも約２９％高く、第４材料１５０よりも約６９％高い。したがって、第２材料１３０におけるような熱可塑性相溶性サイジング剤を有するガラス繊維及び炭素繊維の組合せは、第１材料１２０におけるようなガラス繊維のみを有する材料、又は第４材料１５０におけるような熱硬化性相溶性サイジング剤を有する炭素繊維を有する材料と比較して。引張弾性率の増加を示す。
【0030】
図６は、本明細書に記載される様々な態様による様々な材料組成物を有する材料１２０、１３０、１４０及び１５０の、＃３Ｄプリントｖｓ射出成形の場合の曲げ強度を比較する棒グラフ３００を示す。ｘ軸３１０は、様々な材料１２０、１３０、１４０及び１５０のそれぞれを識別し、ｙ軸３１２は、メガパスカル（ＭＰａ）で測定された各材料の曲げ強度を示す。
【0031】
グラフ３００に示されるように、第１材料１２０は、３Ｄプリント時には、バー３２２によって示されるように、１４９．０ＭＰａの曲げ強度を有し、射出成形時には、バー３２４によって示されるように、１４３．０ＭＰａの曲げ強度を有する。第２材料１３０は、３Ｄプリント時には、バー３３２によって示されるように、１５２．０ＭＰａの曲げ強度を有し、射出成形時には、バー３３４によって示されるように、１４１．０ＭＰａの曲げ強度を有する。第３材料１４０は、３Ｄプリント時には、バー３４２によって示されるように、１１１．０ＭＰａの曲げ強度を有し、射出成形時には、バー３４４によって示されるように、１０５．０ＭＰａの曲げ強度を有する。第４材料１５０は、３Ｄプリント時には、バー３５２によって示されるように、１０２．０ＭＰａの曲げ強度を有し、射出成形時には、バー３５４によって示されるように、９１．０ＭＰａの曲げ強度を有する。
【0032】
グラフ３００から明らかなように、第２材料１３０は、第１材料１２０と比較した場合、同様の曲げ強度特性を有し、他の材料１４０及び１５０と比較した場合、優れた曲げ強度特性を有する。付加プリント用フィラメントストランド４０として使用された場合、第２材料１３０の曲げ強度は、第３材料１４０よりも約３７％高く、第４材料１５０よりも約４９％高い。射出成形フィラメントとして使用された場合、第２材料１３０の曲げ強度は、第３材料１４０よりも約３４％高く、第４材料１５０よりも５５％高い。したがって、第２材料１３０におけるような熱可塑性相溶性サイジング剤を有するガラス繊維及び炭素繊維の組み合わせは、第３材料１４０におけるような熱硬化性相溶性サイジング剤を有するガラス繊維及び炭素繊維を有する材料、又は第４材料１５０におけるような熱可塑性相溶性サイジング剤を有する炭素繊維のみを有する材料と比較して、曲げ強度の増加を示す。
【0033】
図７は、第１材料１２０と第２材料１３０の耐熱性を比較した棒グラフ４００を示している。ｘ軸４１０は材料を識別し、ｙ軸４１２は材料１２０、１３０の摂氏で測定された熱撓み温度を示す。第１材料１２０と第２材料１３０の熱撓み温度は、ＩＳＯ ７５標準法Ａによって１．８ＭＰａの荷重で試験された。熱撓み温度は、標準テストバーがある荷重下で指定された距離だけ撓む温度として定義される。熱撓み温度は、短期的な耐熱性を決定するために使用される。
【0034】
グラフ４００に示されるように、第１材料１２０は、バー４２２に示されるように、１２０°Ｃの熱撓み温度を有する。第２材料１３０は、バー４３２に示されるように、１５０°Ｃの熱撓み温度を有する。したがって、第２材料１３０は、第１材料１２０よりも約２５％高い耐熱性を有する。このように、熱可塑性相溶性サイジング剤を有するガラス繊維及び炭素繊維の組み合わせを含む第２材料１３０は、ガラス繊維のみを有する第１材料１２０と比較して、熱特性の増加を示す。
【0035】
本明細書に記載の本開示の態様は、射出成形部品と同等の機械的特性を有する最終部品を提供することができる付加製造用プリントフィラメント材料を含むことができる。したがって、本明細書に記載される態様によるプリント用フィラメントストランドを用いて製造される部品又はプロトタイプは、プロトタイプを製造するために金型を必要としないため、射出成形と比較して費用効果の高い解決策であり得る。さらに、本明細書に記載の態様によるフィラメントストランドから製造されたプロトタイプは、従来のプリントフィラメントで付加的に製造された部品と比較して機械的特性が増大しているため、実際の条件で試験することができる。
【0036】
まだ説明されていない範囲まで、様々な実施形態の異なる特徴及び構造は、所望により互いに組み合わせて使用することができる。１つの特徴を全ての実施形態で説明することができないということは、それができないと解釈されることを意味するのではなく、説明を簡潔にするために行われている。したがって、異なる実施形態の様々な特徴は、新しい実施形態が明示的に記載されているかどうかにかかわらず、所望に応じて混成及び整合されて、新しい実施形態を形成することができる。
【0037】
本発明をその特定の実施形態に関連して具体的に説明してきたが、これは例示であって限定ではないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神から逸脱することなく、前述の開示及び図面の範囲内で合理的な変形及び修正が可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】