JP7319253B2 - 相溶性熱可塑性フィルム上の材料押出３－ｄプリント - Google Patents

Description

本発明は、物品を３－Ｄプリントするためのベースシート、フィルム又は層としての相溶性熱可塑性材料（フィルム、シート、又は３Ｄプリントされた材料）の使用に関する。ベースフィルムの使用は、より大きな物品をプリントし、フィルムに直接プリントすることにより反りを低減する手段を提供する。プリントされた物品は、従来のプリンター表面（ガラス、金属、糊、又は再利用可能なフィルム）よりもフィルムによく接着する。プリントされた物品とフィルムは、溶融物中での相溶性、混和性、又は半混和性により、鎖の絡み合いを形成することで互いに溶着するためである。

３Ｄプリントされた部品（材料押出付加製造）とプリントすべき部品のためのプリンターのビルドプレートの間の接着力が強いことが必要である。材料を押し出すときのノズルの位置はプリント前にソフトウェアによって決定されるため、プリント中にプリントされた部品が移動したり反ったりすると、後続の層が正しくプリントされず、成形不良が発生する。

通常、３－Ｄプリントでは、物品はガラス又は金属上に直接プリントされる。テープとスティック糊を使用して接着力を高めることができるが、これでは接着力の改善はわずかである。ガラス又は金属への接着が不十分な状況では、ビルドプレート上にポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などの接着促進フィルムを配置し、それらのフィルムの上にプリントすることで、表面をさらに変更できる。これらのフィルムは、ビルドプレートへのプリント材料の接着性を高め、プリント後に物品を離すことができる。フィルムは再利用されることになる。プリント材料と接着促進フィルムの間に永久的な結合は形成されない。

３Ｄプリントの１つの問題は、優れた機械的、化学的、又は温度安定性を備えた特定の材料が収縮したり又は反ったりする傾向があり、ガラスや金属のベース材料、又はＰＥＩやその他の典型的なフィルムへの接着性が低いことである。

驚くべきことに、本発明の相溶性、混和性のあるフィルムは、プリントされた部品への優れた接着性を提供する。フィルムは破棄されるか、物品の永久的な部分になる。特定の理論に拘束されないが、フィルムと物品のポリマーは、溶融物中で混和性、相溶性、又は半混和性であり、鎖の絡み合いを形成し、２つのポリマーの溶着につながり、物品がベースから引き離されるのを防ぎ、優れた接着性と反りの低減につながると考えられる。これは、アモルファスポリマー製品よりも３Ｄプリントされた場合に反りが大きくなる傾向のある、結晶性及び半結晶性ポリマーにとって特に重要である。

本発明は、ポリマーフィルムに溶接された３Ｄプリントされた結晶性又は半結晶性の物品に関し、前記ポリマーフィルムは、プリント温度より５０℃低い温度未満、好ましくは８０℃低い温度未満、より好ましくは１００℃低い温度未満のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する。

あるいは、前記物品に接着された前記ポリマーフィルムは、前記物品の熱可塑性物質のＴｇ又は融解温度（Ｔｍ）よりも少なくとも１０℃、好ましくは少なくとも２０℃、好ましくは少なくとも３０℃、さらには５０℃より大きい差の低いＴｇ又はＴｍを有する。

本発明はさらに、ガラスビルドプレートとプリントされる物品との間にポリマーシートを配置する工程を含む、３Ｄプリントされた物品を成形するプロセスに関し、前記ポリマーフィルムは、溶融状態で前記物品と相溶性、混和性又は半混和性である。

この明細書内では、実施形態は、明快かつ簡潔な明細書を書くことができるように記載されているが、実施形態は、本発明から離れることなく様々に組み合わせたり、分離したりできることが意図され、理解される。例えば、本明細書に記載されているすべての好ましい特徴は、本明細書に記載されている本発明のすべての態様に適用可能であることが理解される。

本発明の各側面は以下を含む：
（１）
以下を含む、３Ｄプリントにより作製された物品：
ａ）結晶性又は半結晶性ポリマー物品、
ｂ）前記物品と３－Ｄプリンターのベースプレートとの間で、前記物品に接着されたポリマーフィルムであって、前記フィルムは、プリント温度より５０℃低い温度未満、好ましくは８０℃低い温度未満、より好ましくは１００℃低い温度未満のＴｇを有するポリマーフィルム。
（２）
前記結晶性又は半結晶性ポリマーが、ポリフッ化ビニリデンホモポリマー及びコポリマー、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される、側面（１）の物品。
（３）
前記結晶性又は半結晶性物品がポリフッ化ビニリデンのホモポリマー又はコポリマーであり、前記フィルムが、ポリ（メタ）アクリレートホモポリマー又はコポリマー、ポリカプロラクトン、及びポリ乳酸フィルムからなる群から選択される、側面（１）又は（２）の物品。
（４）
前記結晶性又は半結晶性ポリマー物品がポリアミドであり、前記フィルムが、アモルファスポリアミド又はコポリアミド、低融点ブロックポリエーテルアミド、及びポリアミドグラフト化ポリオレフィンからなる群から選択される、側面（１）～（３）のいずれかの物品。
（５）
前記結晶性又は半結晶性ポリマー物品がポリプロピレンであり、前記フィルムが、ポリエチレン、及び無水物グラフト化ポリオレフィンからなる群から選択される、側面（１）～（４）のいずれかの物品。
（６）
前記結晶性又は半結晶性ポリマー物品が半結晶性ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であり、前記フィルムが、アモルファスＰＥＥＫ、アモルファスＰＥＫＫ、及びポリエーテルイミドからなる群から選択される、側面（１）～（５）のいずれかの物品。
（７）
３Ｄプリントにより作製された物品であって、前記物品は、以下を含む：
ａ）結晶性又は半結晶性のポリマー物品、
ｂ）前記物品と３－Ｄプリンターのガラスのベースプレートとの間で、前記物品に接着されたポリマーフィルムであって、前記フィルムは、前記物品の熱可塑性物質のＴｇ又はＴｍよりも少なくとも１０℃、好ましくは少なくとも２０℃、好ましくは少なくとも３０℃、さらには５０℃より大きい差の低いＴｇ又はＴｍを有する、
物品。
（８）
３Ｄプリントされた物品を成形するためのプロセスであって、
ａ）ガラスのビルドプレートとプリントされる物品との間にポリマーフィルム又はシートを配置する工程であって、前記ポリマーフィルムは溶融状態で前記物品と相溶性、混和性又は半混和性であり、前記フィルム又はシートは、プリント温度より５０℃低い温度未満、好ましくは８０℃低い温度未満、より好ましくは１００℃低い温度未満のＴｇを有する、工程、
ｂ）前記フィルムを貼り付けてから、必要に応じて前記ビルドプレートの温度を上げ、又は下げる工程、
ｃ）前記ポリマーフィルム又はシート上に物品を３Ｄプリントする工程、
を含むプロセス。
（９）
前記ポリマーフィルム及び前記３Ｄプリントされたポリマー物品が溶着され、界面に絡み合ったポリマー鎖を有する側面（８）のプロセス。

フィルム
本発明のフィルムは、プリント物品を成形するために使用されるポリマーフィラメントと相溶性、混和性又は半混和性のいずれかを有する。混和性、半混和性、及び相溶性とは、ポリマーが、個別のバルク相に分離することなく単一の均質混合物が生成されるような比率でブレンドできることを意味する。

３Ｄプリントされた物品は、フィルムのポリマーと鎖の絡み合いを形成し、可能な限り最高の接着力を提供するため、従来のプリンターの表面やベースプレート（ガラス、金属、糊、及びその他のフィルム）よりもフィルムによく接着する。フィルムは、物品のポリマーとの相溶性／混和性、Ｔｇ、及びモジュラスで選択され、各プリント後に簡単に貼付け及び廃棄できる。本フィルムは物品に非常によく接着するため、再利用されない。フィルムの特性により、いずれの場合にも接着力と、反りの減少が決定される。

フィルムの選択は、３Ｄ素材の押出付加製造プロセスで使用されるポリマーの選択に依存する。フィルムは、溶融状態で相溶性、混和性、又は半混和性のために選択される。好ましくは、フィルムは、アモルファス又は低結晶性材料から製造され、プリント温度より５０℃、好ましくは８０℃、より好ましくは１００℃低い温度未満のＴｇを有する。たとえば、プリント温度が２６０℃の場合、フィルムのＴｇは２１０℃未満、好ましくは１８０℃未満、最も好ましくは１３０℃未満である。あるいは、フィルムが半結晶性材料から選択される場合、フィルムは、プリント温度より５０℃、好ましくは８０℃低い温度未満のＴｍを有する。

別の実施形態では、３Ｄプリントされた物品のポリマーとポリマーフィルムとの比較において、フィルムのＴｇ又はＴｍは、前記物品の熱可塑性物質のＴｇ又はＴｍよりも少なくとも１０℃、好ましくは少なくとも２０℃、好ましくは少なくとも３０℃、さらには５０℃より大きい差で低い。「Ｔｇ」はアモルファスポリマーに使用され、「Ｔｍ」は結晶性又は半結晶性ポリマーに使用される。

「フィルム」という用語は、３０μｍ～１０ｃｍ、好ましくは１～５ｃｍの厚さを含む、シート、ラフト及びフィルムを含む。厚いフィルムは反りに対する保護を強化する。

本発明において有用なフィルムの例には、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、（メタ）アクリレート、ポリアミド、ポリイミド、アモルファスポリアミド、ポリアミドセグメントでグラフトされた官能性ポリオレフィン、及び無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィンでドープされたポリオレフィンが含まれるが、これらに限定されない。

一実施形態では、アクリルフィルムは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）物品と組み合わせて使用される。アクリルフィルムは、アクリルフィルムのＴｇ付近で、加熱されたガラスプレートによく接着する。ポリメチルメタクリレートのＴｇよりも高い又は低いＴｇを有するアクリルコポリマーを使用することができる。より低いＴｇのフィルムはより早く溶け、より早い溶着とより良い接着を提供するが、より低いＴｇのアクリレートは反り低減の利点を失う。ＰＶＤＦホモポリマー及びコポリマーは、アクリルと溶融混和性であることが知られている。ＰＶＤＦ層を２６０℃で加熱されたアクリルフィルムにプリントすると、高温の界面がＰＶＤＦをアクリルフィルムに効果的に溶着させ、ＰＶＤＦとアクリルポリマーチェーンの絡み合いを可能にし、フィルムと物品の間の高い接着力をもたらす。アクリルフィルムの使用は、内部の応力、収縮及び反りを防止しないが、ビルドプレートからの分離を制限する。アクリルフィルムは実質的に、形成する３Ｄ部品の下で大きなラフトとして機能する。ラフトとブリムベース材料は、ガラスベースに直接３Ｄプリントされ、実質的に、製品をプリントできる現場の厚いフィルム層を提供する。これらは一般に、プリントされる製品と同じ材料で作られる。ラフト及びブリムのプロセスは、プリントされたベースが物品とは異なる材料である場合、又は物品と同じ材料のラフト又はブリムのプロセスが本発明のフィルム上で使用される場合、本発明を実施する手段として予想される。ラフト又はブリムのプロセスに対する単純なフィルムの利点は、プロセスに追加の時間をほとんど必要としないことである。

一実施形態では、本発明のフィルムは、３Ｄプリントされたポリマー物品のポリマーと混和性、相溶性又は半相溶性ではない領域又は相を含む。このような混合フィルムは、３Ｄプリントされた物品への必要な接着を提供する一方、非混和性、非相溶性又は非半相溶性領域がプリントされた物品からフィルムを除去するための手段を提供する。相溶性のある領域と相溶性のない領域の両方を備えたこのようなフィルムは、たとえば、多くのダイを使用した共押出しによって、混和性、相溶性、又は半相溶性のあるポリマーと、混和性、相溶性、又は半相溶性のないポリマーと交互で製造することができ、結果として一つのフィルム内に各ポリマーのストリップができる。相溶性及び非相溶性領域の両方を有するフィルムを製造する別の例の手段は、非相溶性成分のブレンドの溶融プロセスと、それに続く相の熱力学的分離を可能にする徐冷であり得る。

物品（ポリマーフィラメント）
ガラスのビルドプレートへの接着不良による反りを含む、接着不良の問題は、結晶性及び半結晶性のポリマーフィラメントから成形された製品の特有の問題である。結晶性及び半結晶性のポリマーフィラメントは、たとえば、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレンを含むが、これらに限定されない。他の高反り材料には、ＡＢＳ及び他のスチレンブロックコポリマーが含まれる。これらの材料の顕著な反りと貧弱なベースプレートの接着により、３Ｄプリント法によってこれらの材料から成形された物品のサイズが制限されてきた。

本発明のフィルムとの半結晶性又は結晶性物品の特定の組み合わせには、以下が含まれるが、これらに限定されない。
・ポリ（メタ）アクリレートホモポリマー又はコポリマーフィルム上のポリフッ化ビニリデン物品。
・ポリカプロラクトンフィルム上のポリフッ化ビニリデン物品。
・ポリ乳酸フィルムのポリフッ化ビニリデン物品。
・アモルファスポリアミド又はコポリアミド（例えばＡｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．社のＲＩＬＳＡＮ（登録商標）クリアー樹脂）上のＰＡ１１やＰＡ１２などのポリアミド物品。
・低融点ブロックポリエーテルアミド（例えばＡｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．社のＰＥＢＡＸ（登録商標）樹脂など）上のポリアミド物品。
・ポリアミドグラフト化ポリオレフィン（例えばＡｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．社のＡＰＯＬＨＹＡ（登録商標））上のポリアミド物品。
・ポリエチレン上のポリプロピレン。
・無水物グラフト化ポリオレフィン上のポリプロピレン。
・アモルファスポリエーテルケトンケトン又はポリエーテルエーテルケトン上の半結晶性ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）物品。例えばＡｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．社のアモルファス挙動のＰＥＫＫ６００シリーズ樹脂上の物品として、Ａｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．社のＰＥＫＫ７０００シリーズ樹脂である。ＰＥＫＫ６０００樹脂のＴｇは約１６０℃で、ＰＥＫＫ７０００のプリント温度は約３５０℃である。
・ＰＥＩフィルム（Ｔｇが約２１０℃のポリエーテルイミド）付きのＰＥＫＫ又はＰＥＥＫ物品。

結晶性又は半結晶性ポリマー組成物は、さらに任意的に、他の混和性、相溶性又は半相溶性ポリマーを、５０重量パーセント未満、好ましくは４０重量パーセント未満、より好ましくは３０重量パーセント未満、さらには２０重量パーセント未満又は１０重量パーセント未満で含むことができ、及び／又は、５０重量パーセント未満、好ましくは４０重量パーセント未満、より好ましくは３０重量パーセント未満、さらには２０重量パーセント未満又は１０重量パーセント未満のフィラー材料を含むことができる。重量パーセントは、結晶性又は半結晶性ポリマーの総重量に基づく。

一実施形態では、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）ホモポリマー又はコポリマーを有する、少なくとも５０重量パーセント、より好ましくは少なくとも６０重量パーセント、より好ましくは少なくとも７０重量パーセントのＰＶＤＦホモポリマー又はコポリマーである。このアロイのＰＭＭＡコポリマーは、少なくとも５０重量パーセント、より好ましくは少なくとも７５重量パーセントのメチルメタクリレートモノマー単位を含む。ＰＶＤＦとＰＭＭＡの溶融混和性ブレンドは、反りの低減と制御、所望の場合の光透過性の改善、収縮の低減、ベースの接着性の改善、層間の接着性の改善、ｚ方向の機械的特性の改善など、驚くべき多くの利点を提供する。さらに、全体的なプリント品質が驚くほど向上する。低粘度及び超低粘度の相溶性又は混和性の非フルオロポリマーを使用して、プリント適性を向上させることもできる。

有用な相溶性非フルオロポリマーは、少なくとも１つの混和性ブロックを含むブロックコポリマーであり得る。非混和性のブロックは、強化された耐衝撃性、延性、光学特性、接着特性などの他の特性を付与することが可能である。どちらのブロックにも官能基を含めることができる。一実施形態では、ポリ（メタ）アクリレートホモ及びコポリマーブロックを、ブロックコポリマー中の相溶性ブロックとして使用することができる。

フルオロポリマーと他のフルオロポリマー又は非フルオロポリマーとのブレンドは、異なるポリマーを乾燥成分として、又はラテックスの形で、又は溶融状態で物理的にブレンドすることを含む任意の実際的な手段によって達成できる。１つの実施形態において、２つ以上のポリマーのフィラメントは、コア－シース、海島、又は他の物理的構造において共押出される。

一実施形態では、フィラーは、炭素繊維、粉砕炭素繊維、炭素粉末、カーボンナノチューブ、ガラスビーズ、ガラス繊維、ナノシリカ、アラミド繊維、ポリアリールエーテルケトン粒子又は繊維、ＢａＳＯ₄、タルク、ＣａＣＯ₃、グラフェン、ナノファイバー、耐衝撃性改良剤、中空球、及びそれらの混合物からなる群から選択される。

プロセス
所望の組成、Ｔｇ、モジュラス、厚さ及び他の要素を含む本発明のフィルムは、所望のサイズにカットされ、加熱されたビルドプレート上に（接着剤あり又はなしで）配置され、ビルドプレートに対して均一に軽い圧力で押し付けされ、選択されフィラメントがフィルム上にプリントされる。いったん冷却されると、フィルムは物品から取り除くことができ、通常は破棄される。

アクリルフィルムを使用する一般的なプロセスは次のとおりである。
・ガラスのビルドプレートを８５Ｃ～９５Ｃ（フィルムのＴｇ）の範囲に加熱する。
・保護手袋を着用する。
・加熱されたガラスのビルドプレートにアクリルフィルムを置く。
・布又はペーパータオルを使用して、フィルムをガラスに対して縦横方向に均一に押す。
・気泡を取り除くためにこする。
ビルドプレートの温度は、アクリルフィルムのＴｇに近い値に調整できるが、いずれの場合も、それは近いか、わずかに高い必要がある。
・フィルムを貼り付けた後、必要に応じて、加熱されたガラスのビルドプレートの温度を上げ、又は下げることができる。範囲→６０℃～１２０℃；
・アクリルフィルムに物品を３Ｄプリントする。
・プリントが完了したら、ビルドプレートから取り外す。３Ｄプリントされた部品から余分なフィルムを切り取る。部品と接触しているアクリルフィルムは剥離できない。

あるいは、アクリルフィルム（通常は５０～３５０マイクロメートル）を３５０μｍを超えるシート厚に増やし、プリントされたＰＶＤＦ物品をビルドプレートから外し得る冷却中の内部応力に対抗することができる。この場合、アクリルシートとガラスビルドプレートの間に両面感圧接着テープを使用できる。この点では、ビルドプレートはシートの温度に影響しないため（シートが厚いため）、ビルドプレートを加熱しても何も変わらない。そのため、プリントは本質的に室温のプリントベッドに行われる。

上記の代わりに、前述のように、２つ以上のノズルを備えたプリンターを使用して、相溶性のあるフィルムをプリントできる。相溶性があり、反りの少ない材料を第１層又はラフト層として最初にプリントしてから、所望の材料を上にプリントできる。

例１
上記のプロセスを使用して、表１に示す次の材料上に３Ｄプリントされた物品を成形した。表には、さまざまなビルドプレート／ベースの接着条件で可能な、３ＤプリントされたＰＶＤＦホモポリマー部品のおおよその最大サイズが含まれる。

例２
上記のプロセスを使用して、次の材料フィルムが使用された。
３Ｄプリントされた物品はポリアミド１１である。
ベース材料：
・ブリム：非常に小さな部品を除いて部品が外れた。
・ラフト：部品が外れた。
・糊コーティング：大量の糊を使用した場合に保持可能、小さな部品（＜５ｃｍ）のみ。
・アクリルフィルム：化学的相互作用なし、フィルムなしよりも悪い。
・ＰＥＩフィルム：小さな部品（＜５ｃｍ）の接着はＯＫ。
・Ａｒｋｅｍａ アモルファスポリアミドフィルム（７０μｍ）：ＰＥＩと接着剤よりも強い接着力。

Claims (7)

1. 以下を含むポリマー複合物品：
   ａ）３Ｄプリントプロセスによって作製された、結晶性又は半結晶性ポリマーを含むポリマー物品であって、前記結晶性又は半結晶性ポリマーがポリフッ化ビニリデンのホモポリマー又はコポリマーである物品、
   ｂ）前記物品と３－Ｄプリンターのベースプレートとの間で、前記ポリマー物品に接着されたポリマーフィルムであって、前記フィルムは、前記物品と混和性、相溶性、又は半相溶性であり、前記フィルムが、ポリ（メタ）アクリレートホモポリマー又はコポリマー、ポリカプロラクトン、及びポリ乳酸フィルムからなる群から選択され、前記フィルムは、前記結晶性又は半結晶性ポリマーのＴｍより少なくとも１０℃低い、Ｔｇ又はＴｍを有する、ポリマーフィルム。
2. 前記結晶性又は半結晶性ポリマーを含む前記物品が、最大で５０パーセントの重量の混和性、相溶性又は半相溶性ポリマーをさらに含む、請求項１に記載のポリマー物品。
3. 前記結晶性又は半結晶性ポリマーを含む前記物品が、最大で５０パーセントの重量の一つ以上のフィラーをさらに含む、請求項１に記載のポリマー物品。
4. 前記フィルムが、前記３Ｄプリントされたポリマー物品と混和性、相溶性又は半相溶性でないポリマー相を最大４０重量パーセント含む、請求項１に記載のポリマー物品。
5. ３Ｄプリントにより作製された物品であって、前記物品は、
   ａ）結晶性又は半結晶性のポリフッ化ビニリデンのホモポリマー又はコポリマーの物品、
   ｂ）前記物品と３Ｄプリンターのガラスのベースプレートとの間で、前記物品に接着されたポリマーフィルムであって、前記フィルムが、ポリ（メタ）アクリレートホモポリマー又はコポリマー、ポリカプロラクトン、及びポリ乳酸フィルムからなる群から選択され、前記フィルムは、前記物品の熱可塑性物質のＴｍよりも少なくとも１０℃低いＴｇ又はＴｍを有する、
   物品。
6. 材料押出付加製造により３Ｄプリントされた物品を成形するためのプロセスであって、
   ａ）ガラスのビルドプレートとプリントされる物品との間にポリマーフィルム又はシートを配置する工程であって、前記ポリマーフィルム又はシートは溶融状態で前記物品と相溶性、混和性又は半混和性であり、前記フィルム又はシートは、ポリ（メタ）アクリレートホモポリマー又はコポリマー、ポリカプロラクトン、及びポリ乳酸フィルムからなる群から選択され、前記フィルム又はシートは、プリント温度より５０℃低い温度未満のＴｇを有する、工程、
   ｂ）前記フィルム又はシートを貼り付けてから、必要に応じて前記ビルドプレートの温度を上げ、又は下げる工程、
   ｃ）前記ポリマーフィルム又はシート上に、結晶性又は半結晶性のポリフッ化ビニリデンのホモポリマー又はコポリマーの物品を３Ｄプリントする工程、
   を含むプロセス。
7. 前記ポリマーフィルム又はシート及び前記物品が溶着され、界面に絡み合ったポリマー鎖を有する、請求項６に記載のプロセス。