3Dプリント強度アップ！強靭なパーツを作る5つの実証済み戦略

3Dプリントにおける構造的完全性は重要です。3Dプリントパーツは機能中に崩壊してはなりません。3Dプリントは提供する品質により広く受け入れられている人気の製造プロセスです。3Dプリントパーツの強度向上には、多くの要素が関わってきます。

この記事では、強い3Dプリントを作る方法を詳しく解説します。自家用3Dプリンターをお持ちの方にも、ラピッドプロトタイピングサービスへの外注をお考えの方にも役立ちます。自家用プリンターなら、最良の結果を得るための設定調整を学べます。外注なら、様々な材料と最新の後処理技術について知り、プロトタイピングサービスとより良くコミュニケーションできるようになります。強い3Dプリントパーツを作る方法の簡略版をご覧ください。

プリンター設定を調整する

自家用3Dプリンターは個人の製品製造により効率的で効果的です。しかし、3Dプリントに深く精通していない限り、強い3Dプリントを作るのは少し難しいかもしれません。3Dプリンターには高品質で強いプリントを実現するために調整できる設定がたくさんあります。以下にそれらを使った強い3Dプリントの作り方を示します。

インフィル密度を上げる

3Dプリントの強度を高める一つの方法は、内部密度を上げることです。インフィル密度は0%〜100%の範囲で、0%は完全中空、100%は完全ソリッドを意味します。

理論上、インフィル密度100%なら3Dプリントは非常に強くなるはずです。しかし実際には、多くの設計者が70%以上では強度向上への寄与が減少することに気づいています。代わりに、フィラメント使用量、プリント時間、コスト、プリンターへの負担が著しく増大します。

※ 最低20%のインフィル密度を確保し、可能なら壁厚（後述）を調整してからインフィル密度を上げることを推奨します。

壁厚を増やす

3Dプリント材料の壁厚は「壁ライン数」と「外壁ライン幅」で測定されます。壁の厚さを示し、これを増やすことは強い3Dプリントを作る上で極めて重要な方法です。壁厚を増やすと強度が増します。3Dプリントパーツは内側より外側により多くの歪みを受けるためです。

壁厚を増やすとプリント材料が強くなるだけでなく、オーバーハング（3Dモデルでプリントが難しい幾何学形状）と水密性も改善されます。

※ 一般的な製品では、壁厚 ≥ 1.2mm を確保してください。より強度が必要ならさらに増やせます。

薄い層を使う

薄い層を使うと、後続層間の接着と密度が良くなり、3Dプリントパーツが強化されます。設計者によると、0.1mm（100ミクロン）まで下げると強度が最大化されます。ただし、プリント時間も比例して増加します。

強力なインフィルパターンを使う

3Dプリントを強化するもう一つの方法は、適切なインフィルパターンを使うことです。インフィルパターンはインフィル密度と連携し、3Dプリントの内部サポート構造として機能します。また、パーツに剛性を与え、壁の変形を防ぎます。強い3Dプリントを作るには、30〜50%の範囲で密なインフィルパターンを使用すべきです。

使用するインフィルパターンのタイプも、3Dプリントの強度を決定します。試すべき3つのインフィルを以下に示します。

三角形インフィルパターン

三角形インフィルパターンは変形しにくく、最良のサポート構造を提供するため強力です。多くの3D愛好家は、三角形が最も強い形状であることに起因すると考えています。

三角形インフィルを使用すると、プリントヘッドの直線移動によりプリント速度も向上します。したがって、強度と速度の両面で、三角形インフィルは多くの3D愛好家にとって最良の選択肢です。

長方形（グリッド）インフィルパターン

長方形インフィルは、平行・垂直な押出のグリッドにより100%インフィル密度を達成できます。三角形インフィルと同様、プリントヘッドの直線移動により高速プリントが可能です。

六角形（ハニカム）インフィルパターン

正六角形が敷き詰められた構造で、最高の強度重量比を持ちます。前2つのインフィルパターンとは異なり、プリントヘッドが常に方向を変えるためプリントは遅くなりますが、3Dプリントの強化に効果的です。

フローレートを調整する

フローレートの調整も、3Dプリントパーツを強くする理想的な方法です。ただし、この方法を使う際は、アンダーエクストルージョンとオーバーエクストルージョンを引き起こさないよう注意が必要です。したがって、多くの設計者はわずかな変更のみを行います。

以下のフローレートを調整できます：

• 壁フロー（外壁フロー・内壁フロー）
• インフィルフロー
• サポートフロー

フローレートを調整して3Dプリントを強化できます。しかし、多くの人は体積フローの達成不能を修正したり、精度を改善したりするためにフローレートを調整します。

ライン幅を変更する

人気スライサーのCuraによると、ライン幅を層高さの偶数倍に調整すると3Dプリントを強化できます。ただし、この設定は押出に直接関係するため注意が必要です。ライン幅の大幅な変更はオーバー/アンダーエクストルージョンを招きます。

冷却を減らす

冷却は3Dプリントで重要なプロセスで、定着後の層間接着に影響します。急速冷却は、後続層が前層と結合できないため接着を低下させます。ただし、冷却は使用材料にも依存します。例えばPLAは強力な冷却ファン下で最良の結果を出します。したがって、使用材料に基づいて冷却率を下げるべきです。

強い材料を選んで強い3Dプリントを作る

3Dプリントには弱いことで知られる材料があります。したがって、強い3Dプリントを作ることは、強い3Dプリント材料を使うことでもあります。強度を意味する特性を持つ3つの主要材料があります。

ABS

ABSは、重用途には不向きですが強い3Dプリントを作るのに優れた材料です。強靭で軽量な熱可塑性プラスチックで、3Dプリントにおけるトップクラスのプラスチックポリマーです。

PLA

PLAは、重用途と高解像度に適したプリント向けの高価な3Dプリント材料です。引張強度7,250psiですが、光にさらされると劣化します。

PETG

最近人気を集めている新しいフィラメントで、その強度が注目されています。引張強度約4,100〜8,500psiで、PLAより強くABSより弱いです。しかし、PLAより柔軟性が低く、ABSより高いです。

適切な材料の選び方

3つから適切な材料を選ぶには、抵抗力、層間接着、曲げ力、剛性、衝撃耐性を考慮する必要があります。以下は各項目での比較です：

• 抵抗力：PETG > PLA > ABS
• 層間接着：PETG > ABS = PLA
• 曲げ力：ABS > PETG > PLA
• 衝撃耐性：ABS = PETG > PLA

PLAとABSの違いについて詳しくは、RapidDirectの記事をご覧ください。

パーツの向きを決定する

3Dプリントを強化するもう一つの方法は、パーツの向きを活用することです。パーツの向きとは、3Dプリンター上でのパーツの配置位置のことです。3Dプリンターは溶融材料の薄い層を、徐々に高さを増しながら堆積させます。この高さの漸増が3次元パーツを形成します。層が堆積すると、前の層と結合します。しかし、2層間の界面は弱点であり、3Dプリントはこれらの界面で破断します。

これを理解する良い方法は、棚用ブラケットを作ることを想像してください。最大の力は、ブラケットが棚に取り付けられる部分で下向きに作用します。したがって、力と反対側の界面を持つ側面でプリントするのが良いです。

パーツの向き決定が難しい場合は、層間接着傾向の良い材料、例えばPETGを使用すべきです。また、パーツの向きはプリント表面の滑らかさと、大量の材料が必要になるためプリントコストにも影響することに注意してください。

3Dプリントへのエポキシコーティング適用

これはプリント後に行われるため、強い3Dプリントを作る直接的な方法ではありません。エポキシ/ポリエポキシドを使用して3Dプリントを強化します。エポキシコーティングは、硬化剤とエポキシコーティングからなる不溶性表面コーティングで、耐溶剤性、耐久性、靭性に優れ、PLA、ABS、SLAなどの材料コーティングに適しています。

3Dプリントへのエポキシコーティング適用は簡単です。以下の手順で行えます：

• 製品設計通りに3Dプリントする
• 冷却し、表面を清掃する
• 少量をカップに入れ、粘性流体になるまで温める
• ブラシでモデルにエポキシコーティングを塗布し、側面に垂れないようにする。小さなブラシで隙間やコーナーにも塗る
• 3Dプリントを乾燥させる

少量で十分です。少量の硬化剤でコーティングし、プリントを強化できます。エポキシコーティングを3Dプリントに施すと、より強くなり、透明で光沢のある表面になります。

3Dプリントパーツを強くするその他の考慮事項

3Dプリンター設定の調整だけが、3Dプリントを強くする唯一の方法ではありません。エポキシコーティングという後処理法の他にも方法があります。以下に最近人気の重要な2つの方法を示します。

3Dプリントのアニーリング（焼きなまし）

アニーリングは、3Dプリントを高温にさらして強化する方法です。テストによると、アニーリングにより約40%の強度向上が見込めます。PLA、ABS、PETG、ASAなどと相性が良いです。

アニーリングは、プラスチックの構造が破損しやすいため、3Dプリント強化に重要です。3Dプリント前、プラスチックは非晶質/無秩序な微細構造を持ちます。しかし、3Dプリントを加熱すると、非晶質構造が再編成され結晶化し、これが破損しやすくなります。

ここでアニーリングが不可欠です。3Dプリントの結晶構造を大きな結晶から小さな結晶に変化させます。プラスチックポリマーまたは完成した3Dプリント製品をアニーリングできます。ガラス転移点以上、融点未満の温度で加熱します。

プラスチック3Dプリントの電解めっき

電解めっきは実用的で安価なため人気の方法です。3Dプリントを電解質とめっき金属（一般的な工業用金属は亜鉛、クロム、ニッケル）に浸し、電流を流すと金属イオンが3Dプリント周りにコーティングを形成します。これにより耐久性の高い長寿命3Dプリントが得られます。

目的に適していますが、高強度のより良い3Dパーツを作るには多くの層が必要になるという欠点があります。

結論

使用時に崩壊しない3Dプリントが強い3Dプリントであり、強い3Dプリントの作り方を知ることは非常に重要です。3Dプリントを強化するには3つの方法があります。一つはプロセス中に（3Dプリンター設定を調整して）、二つ目は適切な材料を使い、三つ目は後処理で行う方法です。これらの方法のいずれかを使えば、強い3Dプリントを作るか、プロトタイピングサービスと3Dプリントパーツの強化方法について話し合うことができます。

RapidDirect – カスタム3Dプリントサービスを提供

3Dプリントは品質、効率、効果、複雑なパーツ製造能力で人気の手法です。しかし、3Dプリントの強化には、3Dプリンターの仕組み、適切な材料、後処理技術に関する高度な知識が必要です。

強度、耐久性、美観、品質の面で適切な属性を持つ3Dプリントをご希望なら、中国トップクラスのラピッドプロトタイピングサービスであるRapidDirectと提携するのが最良の選択です。カスタム3Dプリントサービスを提供し、カスタム機械加工パーツの即時見積もりと全寸法検査レポートを取得できます。3Dプリントに関するあらゆることで、今すぐお問い合わせください。

よくある質問（FAQ）

PLA 3Dプリントを強化するには？

PLAは3Dプリントで最も頻繁に使用される材料の一つです。巨大な引張強度を持ち、構造パーツの製造に適しています。強力ですが、前述の方法でPLA 3Dプリントをさらに強化できます。一般的な強化方法には、エポキシ塗布、アニーリング、電解めっきがあります。

最も強い3Dプリント可能材料は？

3Dプリントで使用されるすべてのプリント可能材料の中で、ポリカーボネートが最強です。「デスクトッププリントの真の王者」と称され、その強度（引張強度9,800psi）と耐熱性で知られます。耐熱性のため、非常に高温が必要です（ベッド約145℃、ヘッド約290℃）。開放環境では反りやすいため、密閉環境も必要です。ポリカーボネートは高強度機能コンポーネントの製造に適しています。

プリントを強くするには？

プリントを強くする方法はたくさんあります。3Dプリンターの設定を調整したり、より強い材料に変更したり、エポキシコーティング、アニーリング、電解めっきなどの後処理方法を使ったりできます。