ES3036760T3

ES3036760T3 - Resin composition, filament and resin powder for three-dimensional printer, and shaped object and production rpocess therefor

Info

Publication number: ES3036760T3
Application number: ES17846236T
Authority: ES
Inventors: Kousuke Inada; Masagoro Okada; Akira Takarada
Original assignee: Otsuka Chemical Co Ltd
Current assignee: Otsuka Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2025-09-24
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: CN118146631A; KR102185890B1; JP6829724B2; EP3508534A4; US20190177510A1; WO2018043231A1; JPWO2018043231A1; EP3508534B1; CN109642082A; TWI726144B; TW201815978A; EP3508534A1; US20210115226A1; US11718732B2; KR20190046782A; US20210206947A1

Abstract

Se proporciona: una composición de resina fácil de producir que, al moldearse con una impresora tridimensional, permite obtener objetos con una separación interlaminar reducida, deformación y contracción reducidas; un filamento y un polvo de resina para impresoras tridimensionales; un objeto moldeado; y un proceso para su producción. La composición de resina se caracteriza por comprender fibras inorgánicas con una longitud promedio de fibra de 1-300 μm y una relación de aspecto promedio de 3-200, y una resina termoplástica, y por ser un material de moldeo para impresoras tridimensionales. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Composición de resina, filamento y polvo de resina para impresora tridimensional, objeto conformado y procedimiento de fabricación del mismo

Campo técnico

La presente invención se refiere a filamentos para impresoras tridimensionales basadas en modelado por deposición fundida, objetos conformados y métodos de producción de dichos objetos conformados.

Antecedentes de la técnica

Una impresora tridimensional (3D) es una tecnología para conformar objetos 3D calculando la forma de secciones transversales delgadas a partir de la introducción de datos tridimensionales mediante un sistema CAD o similar y depositando capa sobre capa de material basándose en los resultados del cálculo, también conocida como tecnología de fabricación aditiva. Las impresoras tridimensionales están atrayendo la atención como tecnología de producción de alta mezcla y bajo volumen porque no requieren el conjunto de moldes utilizados en el moldeo por inyección y permiten el conformado de estructuras 3D complejas que no podrían moldearse mediante moldeo por inyección.

Como materiales para las impresoras tridimensionales (también conocidos como materiales de fabricación aditiva), se han desarrollado diversos materiales en función del proceso o la finalidad de la impresora tridimensional. Los principales materiales utilizados incluyen resinas fotocurables, resinas termoplásticas, metales, cerámicas y ceras.

Dependiendo del método para realizar el conformado tridimensional de un objeto a partir de un material, la tecnología de las impresoras tridimensionales se clasifica en (1) proceso de inyección de aglutinante, (2) proceso de deposición de energía dirigida, (3) proceso de extrusión de material, (4) proceso de inyección de material, (5) proceso de fusión por lecho de polvo, (6) proceso de estratificación de láminas, (7) proceso de fotopolimerización en cubeta, entre otros. Entre los métodos mencionados, las impresoras tridimensionales que emplean el proceso de extrusión de material (también conocido como proceso de modelado por deposición fundida) son cada vez más demandadas para uso doméstico y de oficina debido a su bajo coste. Además, en relación con las impresoras tridimensionales que adoptan el proceso de fusión por lecho de polvo, ha avanzado el desarrollo de sistemas que logran mejoras en la reciclabilidad de los materiales en polvo. Por lo tanto, el proceso de fusión por lecho de polvo está atrayendo mucha atención.

El proceso de modelado por deposición fundida consiste en conformar un objeto mediante la fluidización de una resina termoplástica con forma de filamento u otras formas, con un dispositivo de calentamiento dentro de un cabezal de extrusión, descargando a continuación la resina fluida a través de una boquilla sobre una plataforma y enfriando la resina hasta alcanzar un estado sólido, mientras se deposita gradualmente capa sobre capa según las formas de sección transversal del objeto que se desea conformar. Sin embargo, si el conformado se realiza con una resina termoplástica sin aditivos (la denominada resina pura), surgen problemas como la delaminación del objeto conformado y la deformación del mismo. Además, si se utiliza una resina termoplástica mezclada con un relleno fibroso, tal como fibras de vidrio o fibras de carbono, el moldeado se ve dificultado por la obstrucción y el desgaste del cabezal de extrusión, entre otros problemas.

Por su parte, el documento de patente 1 divulga la obtención de un objeto conformado con la función deseada que no se puede conseguir con el uso de solo resinas termoplásticas, mediante el uso de una resina termoplástica mezclada con un nanorrelleno, como nanotubos de carbono, en una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida.

El proceso de fusión por lecho de polvo consiste en conformar un objeto mediante la formación de una fina capa de polvo de resina, su fusión con una fuente de energía, tal como un láser o un haz electrónico, según la forma de la sección transversal del objeto que se desea conformar, su solidificación, la deposición de una nueva capa fina de polvo de resina sobre el sólido, su posterior fusión con la fuente de energía, tal como un láser o un haz electrónico, según la forma de la sección transversal del objeto que se desea conformar, su solidificación y la repetición de estos pasos.

Lista de documentos citados

Documentos de patente

Documento de patente 1: JP-A-2016-28887

Documento de patente 2: CN 105504749 A

Documento de patente 3: CN 105602098 A

Documento de patente 4: CN 105176084 A

Documento de patente 5: JP 2016060048 A

Documento de patente 6: CN 105348761 A

Sumario de la invención

Problema técnico

Sin embargo, se sabe que la dispersión uniforme de un nanorrelleno en una resina termoplástica, como se describe en el documento de patente 1, no es fácil y que la viscosidad de fusión de la composición de resina termoplástica obtenida aumenta. Además, el documento de patente 1 no divulga ningún método específico para mejorar la resistencia a la delaminación de un objeto conformado, ni su resistencia a la deformación y a la contracción. Asimismo, en el proceso de fusión por lecho de polvo, puesto que la resina se deposita capa por capa, surgen problemas de delaminación, deformación y contracción de un objeto moldeado, al igual que en el proceso de modelado por deposición fundida.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un filamento para una impresora tridimensional, un objeto conformado y un método de producción de dicho objeto conformado, todos los cuales facilitan la producción de un objeto conformado y pueden mejorar, en el conformado mediante una impresora tridimensional, la resistencia a la delaminación, la deformación y la contracción del objeto conformado.

Solución al problema

La presente invención proporciona un filamento para una impresora tridimensional, un objeto conformado y un método para su producción, que se describen a continuación.

Más específicamente, los objetos de la presente invención se resuelven mediante las características de las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes, se definen realizaciones ventajosas adicionales.

Efectos ventajosos de la invención

La presente invención facilita la producción de un objeto conformado y puede mejorar, en el conformado mediante una impresora tridimensional, la resistencia a la delaminación, la deformación y la contracción del objeto conformado.

Breve descripción de los dibujos

[Fig. 1] La Fig. 1 es una fotografía que muestra un objeto conformado producido mediante el uso de una composición de resina según el Ejemplo comparativo 1.

[Fig. 2] La Fig. 2 es una fotografía que muestra un objeto conformado producido mediante el uso de una composición de resina según el Ejemplo 2.

[Fig. 3] La Fig. 3 es una vista lateral que muestra la forma de una muestra de ensayo de tracción.

[Fig. 4] La Fig. 4 es una vista en sección transversal que muestra la forma de una muestra de ensayo de flexión.

[Fig. 5] La Fig. 5 es una vista lateral esquemática que ilustra la cantidad de deformación de los objetos conformados con forma de placa plana fabricados en los Ejemplos de ensayo 1 a 3, 5 y 6, los Ejemplos de referencia 4 y 7 a 11, y los Ejemplos de ensayo comparativos 1 a 8.

[Fig. 6] La Fig.6 es una vista lateral esquemática que ilustra la cantidad de deformación de los objetos conformados de las muestras de ensayo de flexión fabricadas en el Ejemplo de ensayo 34 y los Ejemplos de ensayo comparativos 23 a 24.

Descripción de realizaciones

A continuación, se describe un ejemplo de una realización preferida para el funcionamiento de la presente invención. Sin embargo, la siguiente realización es meramente ilustrativa. La presente invención no está limitada en modo alguno por la siguiente realización.

<Composición de resina>

Un filamento para una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida según la presente invención está hecho de una composición de resina. La composición de resina contiene: fibras inorgánicas (A) con una longitud de fibra media de 1 pm a 300 pm y una relación de aspecto media de 3 a 200; y una resina termoplástica (B), y puede contener, además, aditivos adicionales (C) según sea necesario.

(Fibras inorgánicas (A))

Las fibras inorgánicas para su uso en la presente invención están formadas por polvo de partículas fibrosas y tienen una longitud de fibra media de 1 pm a 300 pm y una relación de aspecto media de 3 a 200. La longitud de fibra media es preferiblemente de 1 pm a 200 pm, más preferiblemente de 3 pm a 100 pm, y aún más preferiblemente de 5 pm a 50 pm. La relación de aspecto media es preferiblemente de 3 a 100, más preferiblemente de 5 a 50 y aún más preferiblemente de 8 a 40. El uso de fibras inorgánicas con las anteriores longitud de fibra media y relación de aspecto media facilita la producción de un objeto conformado y puede mejorar, en el conformado mediante una impresora tridimensional, la resistencia a la delaminación, la deformación y la contracción del objeto conformado.

El tipo de fibras inorgánicas es titanato de potasio.

Los titanatos de potasio conocidos hasta ahora pueden utilizarse ampliamente y algunos ejemplos son el tetratitanato de potasio, el hexatitanato de potasio y el octatitanato de potasio. No existe ninguna limitación particular en cuanto a las dimensiones del titanato de potasio, siempre que se encuentren dentro de las dimensiones de las fibras inorgánicas descritas anteriormente. Sin embargo, normalmente, su diámetro de fibra medio es de 0,01 pm a 1 pm, preferiblemente de 0,05 pm a 0,8 pm, y más preferiblemente de 0,1 pm a 0,7 pm, su longitud de fibra media es de 1 pm a 50 pm, preferiblemente de 3 pm a 30 pm, y más preferiblemente de 10 pm a 20 pm, y su relación de aspecto media es de 10 o más, preferiblemente de 10 a 100, y más preferiblemente de 15 a 35. En la presente invención, pueden utilizarse incluso productos comercializados, y entre los ejemplos que pueden utilizarse se incluyen "TISMO D" (longitud de fibra media: 15 pm, diámetro de fibra medio: 0,5 pm) y "TlSMO N" (longitud de fibra media: 15 pm, diámetro de fibra medio: 0,5 pm), ambos fabricados por Otsuka Chemical Co., Ltd.

La longitud de fibra media y el diámetro de fibra medio anteriores se miden mediante observación con un microscopio electrónico de barrido, y la relación de aspecto media (longitud de fibra media/diámetro de fibra medio) puede calcularse a partir de la longitud media y el diámetro medio de las fibras. Por ejemplo, se toman imágenes de varias fibras inorgánicas con un microscopio electrónico de barrido, de las imágenes observadas se seleccionan arbitrariamente imágenes de 300 fibras inorgánicas y se miden sus longitudes y diámetros. La longitud de fibra media se determina sumando todos los diámetros de las fibras y dividiendo la suma entre el número de fibras, mientras que el diámetro de fibra medio puede determinarse sumando todos los diámetros de las fibras y dividiendo la suma entre el número de fibras.

En la presente invención, se entiende por partículas fibrosas aquellas partículas con una relación L/B de 3 o más y una relación L/T de 3 o más, donde la longitud L representa la dimensión del lado más largo de, entre los cuboides que circundan la partícula (cuboides circundantes), un cuboide con el volumen mínimo, la anchura B representa la dimensión del segundo lado más largo del cuboide y el espesor T representa la dimensión del lado más corto del cuboide. La longitud L y la anchura B corresponden a la longitud de fibra y el diámetro de fibra, respectivamente. En este contexto, se entiende por partículas laminares aquellas con una relación L/B inferior a 3 y una relación L/T de 3 o más.

En cuanto a las fibras inorgánicas, con el fin de aumentar la humectabilidad con la resina termoplástica y mejorar aún más las propiedades físicas, tales como la resistencia mecánica, de la composición de resina obtenida, se pueden formar capas tratadas con un agente de tratamiento superficial sobre las superficies de las fibras inorgánicas para su uso en la presente invención. Ejemplos de agentes de tratamiento de superficies incluyen agentes de acoplamiento de silano y agentes de acoplamiento de titanio. Entre ellos, se prefieren los agentes de acoplamiento de silano y, más preferiblemente los agentes de acoplamiento de aminosilano, epoxisilano, vinilsilano y alquilsilano. Estos agentes pueden utilizarse solos o en mezcla de dos o más.

Entre los ejemplos de agentes de acoplamiento de aminosilano se incluyen N-2-(aminoetil)-3-aminopropilmetildimetoxisilano, N-2-(aminoetil)-3-aminopropiltrimetoxisilano, 3-aminopropiltrimetoxisilano, 3-aminopropiltrietoxisilano, 3-etoxisilil-N-(1,3-dimetilbutilideno)propilamina, N-fenil-3-aminopropiltrimetoxisilano y N-(vinilbencil)-2-aminoetil-3-aminopropiltrimetoxisilano.

Entre los ejemplos de agentes de acoplamiento de epoxisilano se incluyen 3-glicidiloxipropil(dimetoxi)metilsilano, 3-glicidiloxipropiltrimetoxisilano, dietoxi(3-glicidiloxipropil)metilsilano, trietoxi(3-glicidiloxipropil)silano y 2-(3,4-epoxiciclohexil)etiltrimetoxisilano.

Entre los ejemplos de agentes de acoplamiento de vinilsilano se incluyen viniltrimetoxisilano, 3-metacriloxipropilmetildimetoxisilano, 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano, 3-metacriloxipropilmetildietoxisilano y 3-metacriloxipropiltrietoxisilano.

Entre los ejemplos de agentes de acoplamiento de alquilsilano se incluyen metiltrimetoxisilano, dimetildimetoxisilano, trimetilmetoxisilano, metiltrietoxisilano, etiltrimetoxisilano, n-propiltrimetoxisilano, isobutiltrimetoxisilano, isobutiltrietoxisilano, n-hexiltrimetoxisilano, n-hexiltrietoxisilano, ciclohexilmetildimetoxisilano, n-octiltrietoxisilano y ndeciltrimetoxisilano.

Como método para formar capas tratadas compuestas por un agente de tratamiento superficial sobre las superficies de las fibras inorgánicas pueden utilizarse métodos de tratamiento superficial conocidos, y algunos ejemplos incluyen: un método húmedo que consiste en disolver el agente de tratamiento superficial en un disolvente que promueve la hidrólisis (por ejemplo, agua, alcohol o una mezcla de ambos) para preparar una solución y pulverizar dicha solución sobre las fibras inorgánicas; y un método de mezcla integral que consiste en mezclar las fibras inorgánicas y el agente de tratamiento superficial con la composición de resina.

No existe ninguna limitación particular en cuanto a la cantidad de agente de tratamiento superficial para el tratamiento de las superficies de las fibras inorgánicas con dicho agente, pero, en el caso del método húmedo, puede pulverizarse una solución del agente de tratamiento superficial en una proporción de 0,1 a 5 partes en masa, y preferiblemente de 0,3 a 2 partes en masa, por cada 100 partes en masa de fibras inorgánicas. Por otro lado, en el caso del método de mezcla integral, el agente de tratamiento superficial puede mezclarse con la composición de resina en una proporción de 0,1 a 20 partes en masa, por cada 100 partes en masa de fibras inorgánicas. Si la cantidad de agente de tratamiento superficial se encuentra dentro de los intervalos mencionados, la adherencia de las fibras inorgánicas a la resina termoplástica puede aumentar, mejorando así su dispersabilidad.

(Resina termoplástica (B))

Según la presente invención, la resina termoplástica es al menos una seleccionada del grupo que consiste en resina de poliacetal (POM); resinas de poliamida alifáticas (PA), tales como resina de poliamida 6, resina de poliamida 66, resina de poliamida 11, resina de poliamida 12, resina de poliamida 46, copolímero de resina de poliamida 6-resina de poliamida 66 (resina de poliamida 6/66) y copolímero de resina de poliamida 6-resina de poliamida 12 (resina de poliamida 6/12); resinas de poliamida semiaromáticas (PA) compuestas por una unidad estructural con un anillo aromático y una unidad estructural sin anillo aromático, tales como resina de poliamida MXD6, resina de poliamida 6T, resina de poliamida 9T y resina de poliamida 10T; resina de sulfuro de polifenileno (PPS); resina de poliéter sulfona (PES); resina de poliéster de cristal líquido (LCP); resinas de poliéter cetona aromáticas, tales como la resina de poliéter cetona (<p>E<k>), la resina de poliéter éter cetona (PEEK), la resina de poliéter cetona cetona (PEKK) y la resina de poliéter éter cetona cetona (PEEKK); resina de poliamida-imida (PAI); y resina de poliimida termoplástica (TPI).

En la impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida, se prefiere al menos una resina seleccionada del grupo que consiste en resina de poliacetal (POM), resina de poliamida alifática (PA), resina de poliamida semiaromática (PA), resina de sulfuro de polifenileno (PPS) y resina de poliéter éter cetona (PEEK).

También pueden utilizarse mezclas de al menos dos resinas termoplásticas compatibles seleccionadas de entre las anteriores resinas termoplásticas, es decir, también pueden utilizarse aleaciones poliméricas.

(Aditivos adicionales (C))

El filamento de la presente invención puede contener aditivos adicionales sin pérdida de sus propiedades físicas preferidas. Entre los ejemplos de aditivos adicionales se incluyen, por ejemplo, rellenos inorgánicos distintos de las fibras inorgánicas anteriormente mencionadas, estabilizadores, agentes nucleantes, antiestáticos, antioxidantes, impermeabilizantes, desactivadores de metales, absorbentes de rayos ultravioleta, agentes antibacterianos y antifúngicos, agentes desodorantes, aditivos conductores, dispersantes, suavizantes (plastificantes), colorantes, retardantes de llama, insonorizantes, neutralizadores, agentes antibloqueo, modificadores de flujo, agentes desmoldantes, lubricantes y agentes mejoradores de la resistencia al impacto. La composición de resina puede contener al menos uno de estos aditivos.

(Método de producción de la composición de resina)

La composición de resina con la que se fabrica el filamento según la presente invención puede producirse mezclando y calentando (en particular, mediante amasado en estado fundido) los componentes anteriores, es decir, las fibras inorgánicas (A), la resina termoplástica (B) y, según sea necesario, los aditivos adicionales (C).

Para el amasado en estado fundido puede utilizarse cualquier amasadora conocida, por ejemplo, una extrusora biaxial. Específicamente, la composición de resina puede producirse mediante: (1) un método que consiste en mezclar previamente los componentes con una mezcladora (una mezcladora de tambor, una mezcladora Henschel o similar), amasar en estado fundido la mezcla con una amasadora y, posteriormente, peletizarla con un dispositivo de peletización (como una peletizadora); (2) un método que consiste en ajustar una mezcla maestra de los componentes deseados, mezclarla con otros componentes según sea necesario y amasar en estado fundido la mezcla para formar gránulos con una amasadora; (3) un método que consiste en introducir los componentes en una amasadora en estado fundido para formar gránulos; u otros métodos.

No se impone ninguna limitación particular a la temperatura de procesamiento durante el amasado en estado fundido, siempre que se encuentre dentro de un intervalo de temperaturas en el que la resina termoplástica (B) pueda fundirse. Normalmente, la temperatura del cilindro de una amasadora en estado fundido para su uso en el amasado en estado fundido se controla dentro de este intervalo.

El contenido de fibras inorgánicas (A) en la composición de resina es, en una cantidad total del 100 % en masa de la composición de resina, preferiblemente del 1 % al 40 % en masa, más preferiblemente del 3 % al 30 % en masa, y aún más preferiblemente del 7 % al 25 % en masa.

El contenido de la resina termoplástica (B) en la composición de resina es, en una cantidad total del 100%en masa de la composición de resina, preferiblemente del 50 % al 99 % en masa, más preferiblemente del 60 % al 97 % en masa y aún más preferiblemente del 65 % al 93 % en masa.

No se impone ninguna limitación particular al contenido de otros aditivos (C) que pueden utilizarse como aditivos adicionales a los componentes esenciales descritos anteriormente en la presente invención, siempre que no se deterioren las propiedades físicas preferidas de la composición de resina. El contenido de los aditivos adicionales es normalmente del 10 % en masa o menos, y preferiblemente del 5 % en masa o menos, en una cantidad total del 100 % en masa de la composición de resina.

Ajustando los componentes de la composición de resina dentro de los intervalos mencionados anteriormente, puede mejorarse la resistencia a la delaminación, así como la resistencia a la deformación y la contracción de un objeto conformado durante el moldeado con una impresora tridimensional.

De esta manera, se produce una composición de resina que ejerce los efectos deseados.

El filamento según la presente invención es un material de conformado para impresoras tridimensionales. En la presente invención, el material de conformado para impresoras tridimensionales se refiere a un material que se utiliza para su aplicación en impresoras tridimensionales (también conocidas como aparatos de fabricación aditiva) para obtener un objeto tridimensional, y está compuesto por una composición de resina.

El material de conformado para impresoras tridimensionales puede utilizarse en cualquier método, siempre que este consista en dar forma a un objeto fundiendo el material de conformado por calor a partir de un diseño realizado en un ordenador. Por ejemplo, el material de conformado puede utilizarse adecuadamente en el proceso de modelado por deposición fundida.

El proceso de modelado por deposición fundida consiste en dar forma a un objeto deseado mediante la fluidización de una resina termoplástica con forma de gránulos, filamento u otras formas, con un dispositivo de calentamiento dentro de un cabezal de extrusión, descargando a continuación la resina fluida a través de una boquilla sobre una plataforma y enfriando la resina hasta alcanzar un estado sólido, depositándose gradualmente capa sobre capa. El uso del filamento según la presente invención como material de conformado permite el conformado mediante una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida sin obstrucción ni desgaste del cabezal de extrusión como puede ocurrir con una composición de resina mezclada con un relleno fibroso, como fibras de vidrio o de carbono. Por ejemplo, incluso a través de una boquilla delgada con un diámetro de cabezal de 0,5 mm o menos, se puede lograr el conformado sin obstrucción ni desgaste del cabezal de extrusión. Además, puede suponerse, aunque el motivo no está claro, que las fibras inorgánicas (A) no solo mejoran la resistencia a la deformación y la contracción del objeto conformado, sino que también aumentan la resistencia de la interfaz entre las capas de resina después del laminado, evitando así la delaminación del objeto conformado.

No se impone ninguna limitación particular al método de obtención del filamento según la presente invención y un ejemplo es un método que incluye: una etapa de extrusión que consiste en extruir una composición de resina en forma de hebra fundida a través de un orificio en una matriz de moldeo y guiar la hebra fundida a un baño de agua de refrigeración para obtener una hebra; una etapa de estiramiento que consiste en estirar la hebra en caliente para obtener un filamento; y la etapa de enrollado del filamento.

No se impone ninguna limitación particular a la forma del filamento. Entre los ejemplos de formas de las secciones transversales se incluyen formas circulares, rectangulares, planas, elípticas, formas de crisálida, formas de trébol y otras formas no circulares similares. Desde el punto de vista del procesamiento, es preferible el filamento circular. La longitud de los filamentos no está limitada y puede establecerse en cualquier valor según las condiciones de fabricación industrial o dentro de los límites que no impidan su uso en impresoras tridimensionales basadas en modelado por deposición fundida. Además, el diámetro de los filamentos tampoco está especialmente limitado y puede ser, por ejemplo, de 0,5 mm a 3 mm, y en particular de 1 mm a 2 mm. Cabe destacar que el diámetro de los filamentos se refiere al diámetro máximo obtenido al medir la sección transversal en la dirección perpendicular a la dirección longitudinal de los filamentos.

A diferencia del proceso de modelado por deposición fundida, el proceso de fusión por lecho de polvo consiste en conformar un objeto depositando polvo de resina capa sobre capa, fundiendo cada capa en una forma transversal específica con una fuente de energía, tal como un láser o un haz electrónico, y solidificándola.

Un objeto conformado según la presente invención es un objeto modelado a partir del filamento según la presente invención con una impresora tridimensional. Al utilizar la composición de resina en forma de filamento, puede producirse un objeto conformado, por ejemplo, introduciendo el filamento en una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida.

En un método de producción de un objeto conformado según la presente invención, se produce un objeto moldeado mediante una impresora tridimensional utilizando el filamento según la presente invención.

Al utilizar el filamento según la presente invención puede producirse un objeto moldeado, por ejemplo, introduciendo el filamento en una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida. Específicamente, puede producirse un objeto conformado alimentando el filamento en una impresora tridimensional basada en c modelado por deposición fundida, fluidizando el filamento con un dispositivo de calentamiento dentro de un cabezal de extrusión, descargando luego el fluido a través de una boquilla sobre una plataforma y enfriándolo hasta un estado sólido mientras se deposita gradualmente capa sobre capa de acuerdo con la forma de la sección transversal del objeto que se desea conformar.

Ejemplos

A continuación, se describirá en detalle la presente invención con referencia a los Ejemplos y Ejemplos comparativos, si bien la presente invención no se limita a estos ejemplos. Las materias primas utilizadas en los Ejemplos y Ejemplos comparativos se detallan a continuación. El diámetro de fibra medio y la relación de aspecto media se midieron con un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (MEB, S-4800, fabricado por Hitachi High-Technologies Corporation), la forma de las partículas se confirmó con el MEB, el diámetro medio de las partículas se midió utilizando, con la excepción del negro de humo, un dispositivo de medición de la distribución del tamaño de partícula por difracción láser (SALD-2100, fabricado por Shimadzu Corporation); y el diámetro medio de las partículas del negro de humo se midió con el MEB.

(Fibras inorgánicas)

Titanato de potasio (nombre comercial: TISMO D102, fabricado por Otsuka Chemical Co., Ltd., longitud de fibra media: 15 pm, diámetro de fibra medio: 0,5 pm, relación de aspecto media: 30); y

Wollastonita (nombre comercial: Bistal W, fabricado por Otsuka Chemical Co., Ltd., longitud de fibra media: 25 pm, diámetro de fibra medio: 3 pm, relación de aspecto media: 8)

(Resina termoplástica)

Resina de poliamida 12 (resina PA12);

Resina de poliamida MXD6 (resina pAmXD6);

Resina de copolímero de acrilonitrilo-butileno-estireno (resina ABS);

Resina de copolímero de olefina cíclica (resina COC);

Resina de tereftalato de polibutileno (resina PBT);

Resina de sulfuro de polifenileno (resina PPS)

(Otros aditivos)

Negro de humo (nombre comercial: #3050, fabricado por Mitsubishi Chemical Corporation, diámetro de partícula medio: 50 nm, partículas amorfas);

Talco (diámetro de partícula medio: 8 pm, partículas laminares); y

Perlas de vidrio (nombre comercial: EGB 063Z, fabricado por Potters-Ballotini Co., Ltd., diámetro de partícula medio: 25 pm, partículas esféricas)

<Producción de la composición de resina y del filamento>

(Ejemplos 1 a 3, 5 y 6, Ejemplos comparativos 1 a 8, y Ejemplos de referencia 4 y 7 a 11)

Los materiales se amasaron por fusión en cada proporción de composición que se muestra en las Tablas 1 y 2 utilizando una extrusora biaxial para producir gránulos. La temperatura del cilindro de la extrusora biaxial era de 190 °C a 230 °C en los Ejemplos 1 a 3, el Ejemplo de referencia 4 y los Ejemplos comparativos 1 a 4; de 230 °C a 270 °C en los Ejemplos 5 y 6 y el Ejemplo comparativo 5; de 200 °C a 230 °C en los Ejemplos de referencia 7 y 8 y el Ejemplo comparativo 6; de 210 °C a 240 °C en el Ejemplo de referencia 9 y el Ejemplo comparativo 7; y de 200 °C a 250 °C en los Ejemplos de referencia 10 y 11 y el Ejemplo comparativo 8.

Los gránulos obtenidos se cargaron en una extrusora de filamentos, obteniéndose así un filamento con un diámetro de 1,7 mm.

T l 11

� <Producción de objetos tridimensionales conformados mediante el proceso de modelado por deposición fundida>

(Ejemplos de ensayo 1 a 3, 5 y 6, Ejemplos de ensayo comparativos 1 a 8 y Ejemplos de ensayo de referencia 4 y 7 11)

Los filamentos obtenidos en los Ejemplos 1 a 3, 5 y 6, Ejemplos comparativos 1 a 8 y Ejemplos de referencia 4 y 7 a 11 se depositaron en capas en la dirección del espesor mediante una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida (fabricada por MUTOH INDUSTRIES, LTD., nombre comercial: MF1100) bajo las condiciones de impresión que se indican en las Tablas 3 y 4, produciendo así un objeto conformado con forma de placa plana de 100 mm de largo, 2 mm de ancho y 50 mm de espesor.

La Fig. 1 muestra una fotografía de un objeto conformado (Ejemplo de ensayo comparativo 1) producido con la composición de resina del Ejemplo comparativo 1, y la Fig. 2 muestra una fotografía de un objeto conformado (Ejemplo de ensayo 2) producido con la composición de resina del Ejemplo 2.

(Ejemplos de ensayo 12 a 14, 16 y 17, Ejemplos de ensayo comparativos 9 a 16 y Ejemplos de ensayo de referencia 15 y 18-22)

Los filamentos obtenidos en los Ejemplos 1 a 3, 5 y 6, Ejemplos comparativos 1 a 8 y Ejemplos de referencia 4 y 7 a 11 se utilizaron para fabricar probetas de tracción con forma de mancuerna tal y como se muestra en la Fig. 3, mediante una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida (fabricada por MUTOH INDUSTRIES, LTD., nombre comercial: MF1100) bajo las condiciones de impresión asociadas que se indican en las Tablas 5 y 6.

(Ejemplos de ensayo 23 a 25, 27 y 28, Ejemplos de ensayo comparativos 17 a 22 y Ejemplos de ensayo de referencia 26 y 29-33)

Se fabricaron muestras de ensayo de flexión con la forma mostrada en la Fig. 4 utilizando una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida (fabricada por MUTOH INDUSTRIES, LTD., nombre comercial: MF1100) con los filamentos obtenidos en cada uno de los Ejemplos 1 a 3, 5 y 6, Ejemplo comparativo 1, Ejemplos comparativos 4 a 8 y Ejemplos de referencia 4 y 7-11 bajo las condiciones de impresión asociadas que se indican en las Tablas 7 y 8.

<Evaluación>

(1) Cantidad de deformación

Los objetos conformados con forma de placa plana producidos bajo las condiciones de las Tablas 3 y 4 se midieron en términos de deformación con un calibrador. La cantidad de deformación W es, como se muestra en la Fig. 5, la diferencia de altura a lo largo de la dirección de conformado entre el centro y los extremos del objeto en la dirección de desplazamiento durante el conformado. Los resultados se indican en las Tablas 3 y 4.

(2) Contracción

Se midió la contracción de los objetos conformados con forma de placa plana producidos bajo las condiciones de las Tablas 3 y 4. La contracción se midió en la dirección de conformado y en la dirección de desplazamiento. La contracción en la dirección de conformado es una contracción del espesor b a lo largo de la dirección de conformado durante el conformado, tal como se muestra en la Fig. 5. La contracción en la dirección de desplazamiento es una contracción de la longitud a a lo largo de la dirección de desplazamiento durante el conformado, tal como se muestra en la Fig. 5. Los resultados se indican en las Tablas 3 y 4.

(3) Adherencia de la interfaz

Los objetos conformados con forma de placa plana producidos bajo las condiciones de las Tablas 3 y 4 se cortaron a lo largo de la dirección de construcción en tiras de 10 mm de ancho. La tensión de flexión de las tiras obtenidas se midió mediante un ensayo de flexión en tres puntos con una distancia entre los puntos de apoyo de 30 mm utilizando un comprobador Autograph AG-5000 (fabricado por Shimadzu Corporation). Los valores medidos se consideraron adherencias de la interfaz. Los resultados se indican en las Tablas 3 y 4.

(4) Resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción de las probetas de tracción tipo mancuerna producidas bajo las condiciones de las Tablas 5 y 6 se midió con un comprobador Autograph AG-1 (fabricado por Shimadzu Corporation). Los resultados se indican en las Tablas 5 y 6.

(5) Resistencia a la flexión y módulo de flexión

Las muestras de ensayo de flexión producidas bajo las condiciones de las Tablas 7 y 8 se midieron en términos de resistencia a la flexión y módulo de flexión mediante un ensayo de flexión en tres puntos con una distancia entre los puntos de apoyo de 60 mm, utilizando un comprobador Autograph AG-5000 (fabricado por Shimadzu Corporation). Los resultados del ensayo se indican en las Tablas 7 y 8.

Las Tablas 3 y 4 muestran que los Ejemplos de ensayo 1 a 3, 5 y 6, así como los Ejemplos de referencia 4 y 7 a 11, en los que se mezclaron fibras inorgánicas con resinas PA12, PAMXD6, ABS, COC o PBT mostraron niveles significativamente bajos de deformación y contracción, tanto en la dirección de acumulación como en la dirección de desplazamiento en comparación con los Ejemplos de ensayo comparativos 1 a 8, en los que no se mezclaron fibras inorgánicas con resinas PA12, PAMXD6, ABS, COC o PBT. Además, se observa una mejora significativa en la adherencia de la interfaz.

Como se desprende de la comparación del Ejemplo de ensayo comparativo 1 con los Ejemplos de ensayo comparativos 2 a 4, la adición de un aditivo inorgánico, como negro de humo o talco, a una resina termoplástica generalmente disminuye la adherencia de la interfaz. Sin embargo, por ejemplo, la comparación de los Ejemplos de ensayo 1 a 3 y del Ejemplo de referencia 4 con el Ejemplo de ensayo comparativo 1 muestra que la adición de fibras inorgánicas a una resina termoplástica produce un efecto imprevisto de mayor adherencia de la interfaz.

T l 1

Las Tablas 5 y 6 muestran que los Ejemplos de ensayo 12 a 14, 16 y 17, y los Ejemplos de referencia 15 y 18 a 22, en los que se mezclaron fibras inorgánicas con la resina, también exhibieron resistencias a la tracción elevadas en comparación con los Ejemplos de ensayo comparativos 9 a 16, en los que no se mezclaron fibras inorgánicas con la resina.

�� Las Tablas 7 y 8 muestran que los Ejemplos de ensayo 23 a 25, 27 y 28, y los Ejemplos de referencia 26 y 29 a 33, en los que se mezclaron fibras inorgánicas con la resina, también exhibieron resistencias a la flexión y módulos de flexión elevados en comparación con los Ejemplos de ensayo comparativos 17 y 19 a 22, en los que no se mezclaron fibras inorgánicas con la resina. El Ejemplo de ensayo comparativo 18, en el que se mezclaron partículas laminares con la resina, exhibió resistencia a la flexión y módulos de flexión elevados, pero las Tablas 3 y 5 muestran que no aumentó la contracción, la adherencia de la interfaz ni la resistencia a la tracción.

<Producción de la composición de resina y del polvo de resina>

(Ejemplo 12 y Ejemplos comparativos 9 a 10)

Los materiales se amasaron en estado fundido en cada proporción de composición que se muestra en la Tabla 9 utilizando una extrusora biaxial para producir gránulos. La temperatura del cilindro de la extrusora biaxial era de 270 °C a 300 °C. Los gránulos obtenidos y el óxido de polietileno se mezclaron en estado fundido a una temperatura de 280 °C a 300 °C y la mezcla resultante se sumergió en agua para disolver el óxido de polietileno, obteniendo así un polvo de resina esférico. El diámetro de partícula medio del polvo de resina esférico se midió con un dispositivo de medición de la distribución del tamaño de partícula por difracción láser (SALD-2100, fabricado por Shimadzu Corporation). Los diámetros de partícula medios del Ejemplo 12, Ejemplo comparativo 9 y Ejemplo comparativo 10 fueron de 70 pm, 50 pm y 50 pm, respectivamente.

<Producción de un objeto tridimensional conformado basándose en el proceso de fusión por lecho de polvo

(Ejemplos de ensayo 34 y ejemplos de ensayo comparativos 23 a 24)

Para el polvo de resina esférico obtenido en cada uno de los ejemplos 12 y comparativos 9 a 10 se utilizó una impresora tridimensional de fusión por lecho de polvo (fabricada por ASPECT Inc., nombre comercial: RaFaEl II 150-HT) y se fabricó una muestra de ensayo de flexión con la forma mostrada en la Fig. 4 bajo las condiciones de impresión asociadas indicadas en la Tabla 10.

<Evaluación>

(1) Cantidad de deformación

Los objetos conformados de las muestras de ensayo de flexión producidos bajo las condiciones de la Tabla 10 se midieron en términos de deformación utilizando un medidor de rugosidad y forma sin contacto (microscopio de medición de forma 3D de un solo disparo VR-3000 fabricado por Keyence Corporation). Como se muestra en la Fig. 6, la cantidad de deformación W es la diferencia entre la parte central y los extremos de la muestra de ensayo de flexión a lo largo de la dirección de acumulación durante el conformado. Los resultados se muestran en la Tabla 10.

(2) Contracción

Se midió la contracción de los objetos conformados de las muestras de ensayo de flexión producidos bajo las condiciones de la Tabla 10. La contracción se midió en la dirección de acumulación. La contracción en la dirección de acumulación es la contracción del espesor de la muestra de ensayo de flexión a lo largo de dicha dirección durante el conformado.

(3) Adherencia de la interfaz

Las respectivas resistencias a la flexión de los objetos conformados de las muestras de ensayo de flexión producidos bajo las condiciones de la Tabla 10 se dividieron entre sus respectivas densidades de empaquetamiento y los valores obtenidos se tomaron como adherencias de la interfaz. La densidad de empaquetamiento es un valor que se obtiene dividiendo la gravedad específica del objeto conformado de cada muestra de ensayo de flexión entre la densidad de una pieza moldeada por inyección (una pieza de la misma forma moldeada por inyección utilizando gránulos con la misma composición). La resistencia a la flexión del objeto conformado de cada muestra de ensayo de flexión, obtenida mediante el proceso de fusión por lecho de polvo, es la suma de las resistencias de la interfaz entre las partículas de polvo. A medida que disminuye la densidad de empaquetamiento, disminuye el área de la interfaz y, por lo tanto, también disminuye la resistencia a la flexión.

La resistencia a la flexión se obtuvo midiendo la tensión de flexión de cada muestra de ensayo de flexión producida en las condiciones de la Tabla 10 mediante un ensayo de flexión en tres puntos con una distancia entre los puntos de apoyo de 60 mm con un comprobador Autograph AG-5000 (fabricado por Shimadzu Corporation). La gravedad específica de cada objeto conformado se midió de acuerdo con la norma JIS Z8807.

(4) Resistencia a la flexión

La resistencia a la flexión de los objetos conformados de las probetas de flexión producidas en las condiciones de la Tabla 10 se midió mediante un ensayo de flexión en tres puntos con una distancia entre los puntos de apoyo de 60 mm, utilizando un comprobador Autograph AG-5000 (fabricado por Shimadzu Corporation). Los resultados del ensayo se muestran en la Tabla 10.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Filamento para una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida, compuesto por una composición de resina que contiene: fibras inorgánicas con una longitud de fibra media de 1 pm a 300 pm y una relación de aspecto media de 3 a 200; y una resina termoplástica,

en donde la resina termoplástica es al menos una seleccionada del grupo que consiste en resina de poliacetal, resinas de poliamida alifáticas, resinas de poliamida semiaromáticas, resina de sulfuro de polifenileno, resina de poliéter sulfona, resina de poliéster de cristal líquido, resinas de poliéter cetona aromáticas, resina de poliamidaimida y resina de poliimida termoplástica, y

en donde el tipo de fibras inorgánicas es titanato de potasio, y en donde la longitud de fibra media y la relación de aspecto media se determinan según la descripción.

2. Filamento según la reivindicación 1, en donde el contenido de fibras inorgánicas oscila entre el 1 % y el 40 % en masa, con una cantidad total del 100 % en masa de la composición de resina.

3. Objeto conformado, moldeado a partir del filamento según la reivindicación 1 o 2, con una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida.

4. Método para producir un objeto conformado, en donde el filamento según la reivindicación 1 o 2 se alimenta a una impresora tridimensional basada en modelado por deposición fundida.