【大塚化学】チタン酸カリウム繊維入り3Dプリンタ用材料のご紹介【PR】

大塚化学が開発した3Dプリンタ用フィラメント材料は、チタン酸カリウム繊維「ティスモ®」をエンジニアリングプラスチックに配合した樹脂複合材料「ポチコン®」（Potassium Titanate Compound）の機能を持ちながら、一般的な材料押出方式の3Dプリンタでの使用が可能です。優れた造形性、精度、強度、剛性を持ち、長時間造形も可能です。

現在3Dプリンタ用樹脂材料として、射出成形品と同材質の樹脂材料での開発が活発に進められています。さらに機械強度を高めるために炭素繊維やグラスウールなどの強化繊維を配合した材料開発が行われております。しかしながら、フィラメントを用いるFDM（熱溶解積層）方式の3Dプリンタのノズル径は、φ0.1～0.5mm程度と非常に小径です。一般的な強化繊維を配合したフィラメントを使用した場合では、繊維が3Dプリンタのノズル内を摩耗させ、傷めることで、吐出量が不安定になりがちでした。また繊維のノズル詰まりが原因で、長時間の安定した造形が難しいといった課題もありました。大塚化学はそれらの課題を、樹脂材料にティスモを配合したポチコンのフィラメントにより解決しました。

大塚化学は2020年2月26～28日に幕張メッセで開催される「第2回次世代3Dプリンタ展」に出展します（9ホール：47-5）。3Dプリンタ用ポチコン材料で造形した小型ギヤや部品、それらを組み込んで製作した自走式ロボットなどを展示いたします。ポチコン材料を用いた造形実演も行いますのでぜひ会場にお越しください。

チタン酸カリウム繊維は、一般式K2O・6TiO2やK2O・8TiO2で示される人造鉱物繊維で、耐熱性、断熱性、耐薬品性に優れているため、樹脂などの補強材、ブレーキパッド用摩擦調整材、フィルター、耐候性塗料などに使用されております。

大塚化学のチタン酸カリウム繊維のティスモは平均繊維長10～20μm、平均繊維径0.3～0.6μmの微細な繊維で、高強度、高弾性率、高アスペクト比といった特徴があり、優れた補強性能を示します。一方で、材料の硬さの指標となるモース硬度はアルミや鋳鉄と同等の硬さの4と硬すぎず、摩擦摺動時に相手材を削らない特徴を持ちます(写真1、表1)。

【写真１　ティスモD(8チタン酸カリウム繊維)のSEM写真】

【表１　チタン酸カリウム繊維の性質】

ティスモを配合した樹脂複合材料として、大塚化学はポチコンを製品化しております。ポチコンは、ティスモの優れた特性と各種エンジニリングプラスチックスの特性をうまく組み合わせた複合材料で、従来困難とされていた超薄肉成形や超精密成形を可能にしたほか、ガラス繊維や炭素繊維の弱点である表面平滑性の悪さの改善が可能です。さらにティスモの持つ低モース硬度という特性により、摩擦を伴う用途において相手材に対しての攻撃性が低いため、摩擦摩耗特性を向上することが可能です。ポチコンの特徴は上記以外にも、優れたリサイクル性、寸法精度と安定性、容易な成形加工性などもあり、他のプラスチック材料にない種々の特性を示します。

ポチコンは、高い寸法精度、耐熱性、耐久性が求められるOA機器部品、自動車駆動部材、スマートフォン、カメラ、モーター部品などさまざまな用途があります。特に精密部品分野では、寸法精度と強度のバランスが要求される樹脂ウォッチギヤなど、高機能部品に用いられています(写真2)。

【写真2　ポチコンのウォッチギヤでの適用例：先端までのミクロ補強や摺動性から採用されている】

ポチコン3Dプリンタ用フィラメント材料のベース樹脂として、植物由来ポリアミド（LEXTER：三菱ガス化学製）、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などがございます。フィラメント径は一般的に普及しているφ1.75mmのものをご用意しております。

比較的安価な材料押出方式の3Dプリンタを用いて「曲げ試験片」「遊星ギヤ」などの形状を造形し、造形性、精度を確認しました。以下に、3DプリンタでPEEK材料の曲げ試験片を造形した例を示します(写真3)。

【写真3　PEEKで曲げ片を3Dプリンティングした写真】
（左PEEKのみ、右PEEK/ティスモ10％配合）

ティスモが入っていない場合（写真3、左）端部が造形中に上方に反り上がって薄くなり、目的の形状が得ることができず、一方でティスモ入り（写真3、右）では反りが無く、目的の曲げ試験片形状となっていることが分かります。真鍮（しんちゅう）のノズルを使用しておりますが、ティスモ入りのフィラメントで連続150時間程度造形しても特に造形に影響はなく、同じノズルを用いて断続的に1000時間以上造形しても特に吐出性および造形性に問題が見られないことから、ティスモのノズル攻撃性は極めて低く、長時間の造形においても安定していることが確認できています。

機械強度についてはLEXTERを例にして、射出成形と3Dプリンタ造形を比較する形で曲げ試験片、ダンベル試験片サンプルを試作し、引張強度、曲げ強度を測定しました(図1、図2)。射出成形と3Dプリンタを比較しても、3Dプリンタ造形品は十分に機械強度が高いことが分かります。

【図1　LEXTER/ティスモ添加系での射出成型、3Dプリンタ造形品の引張強度比較】

【図2　LEXTER/ティスモ添加系での射出成型、3Dプリンタ造形品の曲げ強度比較】

またティスモの添加量が多いほど、曲げ強度と引張強度ともに物性が向上していることが分かります。ティスモを30％添加したものにおいては、引張強度で130MPa、曲げ強度で210MPa程度ありますので、3Dプリンタで造形したにもかかわらず、十分に補強効果を発現していることが分かります。

ティスモの3Dプリンタ用補強材としての特徴に着目して、自動車やエレクトロニクス、ロボット、医療など幅広い分野で適用検討を進めています。ロボットアクチュエータへの適用例として、LEXTERにティスモを添加したフィラメントを用いて自走式小型ロボットを制作しました(写真4、写真5)。

【写真4、写真5　自走小型ロボット（フィラメント材料：LEXTER/ティスモ20％）】

【写真6　2段遊星ギヤボックス（配合：PPS/ティスモ20％配合）】

これらのギヤ等の内部部品はすべて3Dプリンタで造形しておりますが、造形品の寸法精度が高いため、各部品を追加工なしで組み上げても動作し、かつ強度と耐久性にも優れています。

次にPPSにティスモを20％添加したフィラメントで、2段遊星ギヤボックスを造形しました(写真6)。こちらも各部品は追加工なしで組み上げても動作し、強度も高く耐久性があるうえ、PPS樹脂を使用しているために耐熱性が高く、高温にさらされる部材への適用にも期待できます。

第２回3Dプリンタ展～ティスモ・ポチコンについて～＜動画＞