3Dプリント部品の強度を高める実証済みテクニック

3Dプリンティングは強力なポリマーおよび金属部品を作成できます。しかし、特定の用途では3Dプリント部品により多くの強度が要求される場合があります。設計と材料選択は、3Dプリント部品の強度を決定する最も重要な要素です。しかし、他のシンプルで重要な強度向上テクニックを無視すると、よく設計された部品でも弱点を示し、使用中に故障する可能性があります。

3Dプリントを強化するさまざまなテクニックがあります。これらは大きく3つのカテゴリーに分類できます: 部品ジオメトリ、プリント設定、後処理。

部品ジオメトリ

部品のジオメトリは、3Dプリントの強度を決定する上で重要な役割を果たします。フィレットと面取りの使用はエッジの機械的強度を高め、リブとガセットは構造的サポートを提供します。

フィレットまたは面取りを使用

フィレットまたは面取りは、3D部品の薄い部分の強固な基盤を提供します。ノズルがプリントから繊細な部分をノックオフするのを防ぎます。

リブとガセットを使用

リブとガセットは、壁や面から垂直に突き出た薄い押し出し形状です。これらはサポートを提供し、部品の強度を高めます。リブの厚さは壁厚の半分で、最小距離は壁厚の2倍以上で配置すべきです。大きく高いリブは避け、代わりに複数の小さなリブを使用してください。

3Dプリンティング設定

より強い部品を生産するには、3Dプリンティングプロセスの最適な設定が必要です。これらの設定には以下が含まれます。

3Dプリンティングのインフィル

インフィルとは、3D部品の外壁内部の材料量を指します。この技術はFDM 3Dプリンティングで強度を高めるために一般的に使用されます。インフィル設定はインフィルパターンとインフィル密度の2通りで行われます。

インフィルパターン

これは3Dプリント部品の内部空間を埋める繰り返し構造です。通常は見えません。三角形、アーチ、長方形、ハニカム/六角形、同心円など多数のスタイルがあります。アーチインフィルパターンは円形または丸みを帯びた部品に最適。長方形インフィルパターンは平行・垂直グリッドにより100%高密度部品を実現可能。六角形インフィルパターンは最高の強度重量比を提供しますが、プリント時間が最も長くなります。

インフィル密度

0%インフィルはインフィルなし、100%インフィルは完全ソリッド部品です。100%インフィルが最も強い部品になります。しかし多くの場合、材料の不必要な使用で重量とコストが増加します。ハニカムパターンは50%未満に最適、長方形パターンは50%以上に最適。一般的なインフィル密度は20〜25%です。

パーツ方向

3Dプリント部品は、造形エンクロージャに平行な平面で最も強くなります。層内の分子結合が層間の接着結合よりはるかに強いためです。これらはXおよびY平面です。この技術はFDM 3Dプリンティングに一般的ですが、SLAやSLSでも強度向上に使用できます。パーツ方向は、部品のどの部分で荷重と圧力がかかるかに依存します。

シェル厚さ

これは3D部品の強化に重要な役割を果たします。厚いシェルは部品を強くします。FDMプリントでは、ノズル径の3〜4倍のシェル厚さが、重い持続的負荷を受ける部品に最適です。ほとんどの3Dプリンティングプロセスは約1mmの標準最小厚さを使用します。しかし、これを増やすと引張強度と衝撃強度が向上します。他の3Dプリンティング技術の推奨厚さについては設計ガイドを参照してください。

後処理

プリント部品の強度をさらに高めるため、後処理も検討できます。以下の後処理操作は3Dプリント部品の強度を大幅に向上させます。

アニーリング

アニーリングは、3Dプリント部品を加熱し、徐々に冷却して内部応力を緩和し、より靭性のある部品にするプロセスです。金属とガラスはアニーリング可能ですが、すべてのポリマーが可能なわけではありません。アニーリングに適した材料にはPLA、PET、PA 12があります。

電気メッキ

電気メッキは、部品を水と金属塩の溶液に浸す後処理技術です。溶液に電流を流すと、金属陽イオンが部品周りに薄いコーティングを形成。この技術はFDM、SLS、SLA、SCMプリンターからの3D部品に適用可能。部品に金属部品とほぼ同一の機械的特性を与え、いくつかの用途では金属3Dプリンティングよりはるかに安価な代替手段となります。

しかし、電気メッキ部品は内部がプラスチックのままなので、内部プラスチックの軟化温度より高い温度で加熱されると内部強度を失います。外部金属は溶けなくても。亜鉛、クロム、ニッケル、銅など複数の金属が電気メッキに使用可能。電気メッキ前に、グラファイトなどで3D部品をプライミングし、金属付着に適した導電性表面を確立することが重要です。

レジンコーティング

エポキシレジンまたはポリエステルレジンを3Dプリント部品のコーティングに使用できます。エポキシコーティングはエポキシ塗料で行われる不溶性表面コーティング。塗料にはエポキシレジンと硬化剤の2化学物質が含まれます。結果として得られるコーティングは通常、非コーティング部品より耐久性と靭性が高くなります。しかし、部品に極めて高い幾何学的精度とシャープエッジが必要な場合、エポキシコーティングは不適切です。一方、ポリエステルレジンは薄く、複雑な部品に広げられます。レジンは塗布後5分で硬化し始め、通常24時間で完全乾燥。レジンコーティングはあらゆるプリンターの部品に適用可能。

カーボンファイバー補強

カーボンまたはガラス繊維も3D部品の補強に使用できます。カーボンファイバーは優れた強度重量比を持ち、定常荷重条件の部品に最適。ガラス繊維は破断まで曲がります。繊維は2通りでラミネート可能:

• 短繊維補強

この方法では、繊維をチョップして熱可塑性樹脂と混合し、強度と剛性を向上させます

• 連続繊維補強

この技術では、繊維を熱可塑性樹脂に押出・堆積時に継続的に統合する必要があります。この技術には同時にプリントする2つのノズルが必要です。

結論

Xometry Europeでは、顧客の要望に応じて3Dプリント部品のさまざまな強化オプションを提供しています。インスタント見積もりプラットフォームでモデルをアップロードし、オプションを選択すれば、高強度3Dプリント部品が数日で届きます。