JP6385948B2 - ポリアミド消耗材料を用いたアディティブマニュファクチュアリング - Google Patents
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Description
本開示は、3次元(3D)部品及び支持構造をプリントするためのアディティブマニュファクチュアリングシステムに関する。具体的には、本開示は、アディティブマニュファクチュアリングシステムにて使用される消耗材料、該消耗材料を保持する消耗アセンブリ、3D部品をプリントするためにアディティブマニュファクチュアリングシステムにおいて該消耗材料及び該アセンブリを使用する方法、並びに、該プリントされた3D部品、に関する。
本開示の1つの局面は、アディティブマニュファクチュアリングシステムを用いて3D部品をプリントする方法に関する。本方法は、少なくとも1つの半結晶ポリアミドと、該少なくとも1つの半結晶ポリアミドと実質的に混和可能な少なくとも1つの非晶質(アモルファス)ポリアミドとを含むポリアミドブレンドを有する消耗材料を提供することを含む。該消耗材料は、良好な部品強度及び延性を有しかつカールが少ない3D部品をプリントすることが可能であることが好ましい。また、本方法は、1つ以上の昇温温度まで該アディティブマニュファクチュアリングシステムのチャンバを加熱すること(又は、少なくとも堆積領域を局所的に加熱すること)、液化アセンブリに該消耗材料を供給すること、該液化アセンブリにて該消耗材料を溶融すること、及び、該3D部品を一層ずつプリントするために、加熱された該チャンバにおいて(又は局所的に加熱された該堆積領域において)、溶融された該消耗材料を該液化アセンブリから連続した路として押出すことを含む。
別途規定されない限り、本明細書で使用される以下の用語は、以下に定義される意味を有する。
用語「提供する(providing)」(例えば、「消耗材料を提供する(providing a material)」など)は、請求項にて記載される場合には、当該提供されたアイテムについて特定の搬送又は受領を必要とすることを意図するものではない。むしろ、明確にかつ読みやすくするために、用語「提供する」は、請求項の後続の要素にて記載されるであろうアイテムを引用するために使用されるにすぎない。
相対強度=(引張強度)(破断伸度率/100)・・・数式1
上記式において、引張強度及び破断伸度率はそれぞれ、ASTMのD638−10に準じて測定される。従って、PA材料の相対強度は、部品強度と延性測定値との組み合わせであって、プリントされた3D部品のロバスト性、疲労寿命、及び、許容値の有効な指標である。
本明細書に引用された構造の様々な特性及び特徴は、以下に説明される様々なテスト手順によって評価可能である:
カールバーテスト
本カールバーテストは、ポリアミド材料を用いてプリントされた3D部品から得られうるカール量を測定するための例示的なテストである。プリントは、ミネソタ州エデンプレイリーのストラタシス,インコーポレイテッドから商標名「FDM」及び「FORTUS 400mc」として市販されている押出し式のアディティブマニュファクチュアリングシステムを用いて一層ごとに行われ、該ポリアミド材料は、0.1778cm(0.07インチ)の平均径を有するフィラメントとして該システムに提供される。
本開示の範囲内における多くの修正例及び変形例が当業者には明らかであろうから、本開示は、単に例示のみであることが意図される以下の実施例において、より具体的に説明する。特に記述されない限り、以下の実施例にて記載された全ての割合(part)、パーセント、及び、比率(ratio)は、重量ベースである。また、実施例で使用されている試薬はすべて、以下に記載された化学物質供給業者から入手された或いは入手可能なものであるか、又は、従来技術によって合成され得るものである。
実施例1から実施例6のPA材料は、異なるポリアミドブレンド比を用いて調整され、機械的性質及びカールについて定量的に比較された。各PA材料は、同一の半結晶ポリアミド及び非晶質ポリアミドを含んでいた。半結晶ポリアミドは、ニュージャージー州フォーハムパークにある、BASF Corporationから商品名「ULTRAMID 8253HS」として市販されている、グラフトPA6脂肪族ポリアミドであった。非晶質ポリアミドは、ドイツのEvonik Industries AGから、商品名「TROGAMID T5000」として市販されている、PA6/3Tポリアミドであった。表1には、実施例1から実施例6のPA材料に関するポリアミドブレンド比が記載されており、該PA材料はいかなる添加剤をも含んでいなかった。
また、実施例4のPA材料は、押出し式のアディティブマニュファクチュアリングシステムにおける液化アセンブリの、異なるノズル寸法を有する、プリントヘッドの信頼性についてテストされた。テストの実施に先立って、実施例4のPA材料は、約0.1778cm(0.07インチ)の平均径を有するフィラメント形状に形成され、消耗アセンブリのスプール上に巻かれた。該テストの実施毎に、消耗アセンブリは、ミネソタ州エデンプレイリーのストラタシス,インコーポレイテッドから商標名「FDM」及び「FORTUS 400mc」として市販されている、押出し式のアディティブマニュファクチュアリングシステムに取り付けられた。そして、フィラメントは、消耗アセンブリから該システムのプリントヘッドを有する液化アセンブリへと供給され、溶融され、そして、プリントヘッドのノズルから押出されて3D部品をプリントした。
実施例7から実施例10のPA材料は、比較例Aから比較例Hの市販されている材料を用いて調整されたものであり、それらの破断伸度率、引張強度、及び、引張係数は、定量的に測定された。実施例7のPA材料は、上記実施例4と同じ配合(グラフト化されたPA6半結晶ポリアミドとPA6/3T非晶質ポリアミドとが、調湿状態で50/50でブレンドされた)であった。実施例8のPA材料もまた、上記実施例4及び実施例7と同じ配合であったが、乾燥状態(つまり、非調湿)であった。
実施例7及び実施例9のPA材料からプリントされたサンプルの3D部品、並びに、比較例Fの材料からプリントされたサンプルの3D部品もまた、切断されて(すなわち、切り開かれて)、各サンプルの層と多孔性とが観察された。図13から図15は、それぞれ、実施例7、実施例9、及び、比較例Fの内部層を示す。図13及び図14に示されるように、実施例7及び実施例9のサンプルは、視覚的に観察できる層又は多孔性を有していなかった。上述したように、比較的高い熱容量によって、押出された路であるPA材料は、互いにかつ続いて形成される層と、より完全に混合することができる。これによって、層間の結合が強化し、3D部品中の気孔率が減少し、図13及び図14に示されるような完全に固化した層が形成される。
実施例11及び実施例12の複数のPA材料は、実施例1から実施例10の材料とは異なる非晶質及び半結晶ポリアミドのブレンドを用いて調整され、機械的性質及びカールについて定量的に比較された。各PA材料について、半結晶ポリアミドは、サウスカロライナ州サムターにあるEMS−Chemie Inc.(事業部門のEMS−Grivory)から商品名「GRILAMID L16」として市販されている、グラフトPA12ポリアミドであった。非晶質ポリアミドは、サウスカロライナ州サムターにあるEMS−Chemie Inc.(事業部門のEMS−Grivory)から商品名「GRILAMID TR90」として市販されている、PA12ポリアミドであった。
Claims (19)
- アディティブマニュファクチュアリングシステムを用いて3次元部品をプリントする方法であって、該方法は、
少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドであって、ポリアミド主鎖にグラフト化された1つ以上の耐衝撃性改良剤を含む少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドと、前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドと実質的に混和可能な少なくとも1つの非晶質ポリアミドであって、ポリアミド主鎖にグラフト化された1つ以上の耐衝撃性改良剤を含み少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドを形成する少なくとも1つの非晶質ポリアミドとを含むポリアミドブレンドを有する消耗材料を提供するステップであって、前記消耗材料は、固化温度とガラス転移温度とを有し、前記消耗材料は、調湿状態における相対強度が少なくとも11,030kpa(1,600psi)以上である、ステップと、
前記消耗材料の前記固化温度と前記ガラス転移温度との間の温度まで、前記アディティブマニュファクチュアリングシステムのチャンバを加熱する、又は前記アディティブマニュファクチュアリングシステムの堆積領域を局所的に加熱するステップと、
前記アディティブマニュファクチュアリングシステムに保持されている液化アセンブリに前記消耗材料を供給するステップと、
前記液化アセンブリにて前記消耗材料を溶融するステップと、
前記3次元部品を一層ずつプリントするために、加熱された前記チャンバにおいて又は局所的に加熱された前記堆積領域において、溶融された前記消耗材料を前記液化アセンブリから連続した路として押出すステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記1つ以上の非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの50重量%から85重量%を構成する、方法。 - 請求項1又は2に記載の方法であって、
酸基、アルコール基、又は、それらの組合せを有する支持材料から支持構造を一層ずつプリントするステップをさらに含み、
加熱された前記チャンバにおいて又は局所的に加熱された前記堆積領域において、溶融された前記消耗材料を前記液化アセンブリから前記連続した路として押出すステップは、前記支持構造の上に前記路を堆積するステップを含む、方法。 - 請求項3に記載の方法であって、
前記3次元部品と前記支持構造との間に水素結合を形成するステップをさらに含む、方法。 - 請求項3に記載の方法であって、
前記3次元部品と前記支持構造とを水溶液に浸漬するステップをさらに含み、それによって、前記支持構造を少なくとも部分的に溶解し、前記3次元部品中の水分濃度を増加させる、方法。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載の方法であって、
前記3次元部品の延性を高めるために前記3次元部品中の水の濃度を増加させることによって前記3次元部品を調湿するステップをさらに含む、方法。 - アディティブマニュファクチュアリングシステムにて用いられる消耗材料であって、該消耗材料は、
少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドであって、ポリアミド主鎖にグラフト化された1つ以上の耐衝撃性改良剤を含む少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドと、前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドと実質的に混和可能な少なくとも1つの非晶質ポリアミドであって、ポリアミド主鎖にグラフト化された1つ以上の耐衝撃性改良剤を含み少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドを形成する少なくとも1つの非晶質ポリアミドとを含むポリアミドブレンドであって、前記消耗材料は、調湿状態における相対強度が少なくとも11,030kpa(1,600psi)以上である、ポリアミドブレンド
を有する消耗材料。 - 請求項7に記載の消耗材料であって、
前記少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの50重量%から85重量%を構成する、消耗材料。 - 請求項8に記載の消耗材料であって、
前記少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの60重量%から80重量%を構成する、消耗材料。 - 請求項7〜9の何れか1項に記載の消耗材料であって、
前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドは、ポリアミド主鎖にグラフト化された耐衝撃性改良剤を含む、消耗材料。 - 請求項7〜10の何れか1項に記載の消耗材料であって、
前記3次元部品のカールが0.0203cm(0.008インチ)未満である、消耗材料。 - 請求項7に記載の消耗材料であって、
前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドは、
及び、それらの脂肪族ポリアミドの組合せ、からなる群から選択された式を有する脂肪族ポリアミドを含み、
上記式において、R1、R2、及びR3のそれぞれは3個〜12個の炭素原子を含む炭化水素鎖であり、nは総数である、消耗材料。 - 請求項7に記載の消耗材料であって、
前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドは、耐衝撃性改良剤のペンダント鎖を用いてグラフト化された脂肪族主鎖を有するポリカプロラクタム(PA6)半結晶ポリアミドを含み、前記少なくとも1つの非晶質ポリアミドは、非晶質主鎖を有する、トリメチルヘキサメチレンジアミン及びテレフタル酸(PA6/3T)非晶質ポリアミド、から誘導される非晶質主鎖を含み、トリメチルヘキサメチレンジアミン及びテレフタル酸(PA6/3T)非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの30重量%から70重量%を構成する、消耗材料。 - 押出しベースのアディティブマニュファクチュアリングシステムにて用いられる消耗アセンブリであって、該消耗アセンブリは、
収納部と、
前記収納部に少なくとも部分的に保持される消耗フィラメントと、を備え、
前記消耗フィラメントは、
少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドと、前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドと実質的に混和可能な少なくとも1つの非晶質ポリアミドであってポリアミド主鎖にグラフト化された1つ以上の耐衝撃性改良剤を含み少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドを形成する少なくとも1つの非晶質ポリアミドとを含むポリアミドブレンドであって、前記少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの50重量%から85重量%を構成し、前記消耗材料は、調湿状態における相対強度が少なくとも11,030kpa(1,600psi)以上である、ポリアミドブレンド、を有する消耗フィラメントである、
消耗アセンブリ。 - 請求項14に記載の消耗アセンブリであって、
前記少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの60重量%から80重量%を構成する、消耗アセンブリ。 - 請求項15に記載の消耗アセンブリであって、
前記少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドは、前記ポリアミドブレンドの65重量%から75重量%を構成する、消耗アセンブリ。 - 請求項14〜16の何れか1項に記載の消耗アセンブリであって、
前記少なくとも1つのグラフト半結晶ポリアミドは、ポリアミド主鎖にグラフト化された耐衝撃性改良剤を有するグラフト半結晶ポリアミドを含む、消耗アセンブリ。 - 請求項14〜17の何れか1項に記載の消耗アセンブリであって、
前記少なくとも1つのグラフト非晶質ポリアミドは、芳香族ポリアミド、脂環式ポリアミド、又は、それらの組合せ、を含む、消耗アセンブリ。 - 請求項14〜18の何れか1項に記載の消耗アセンブリであって、
調湿状態における3次元部品の前記相対強度が、少なくとも13,789kPa(2,000psi)以上である、消耗アセンブリ。
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