FFFプリントパラメータが3Dプリント部品の機械的強度に与える影響

この研究は、溶融積層造形（FFF）技術を用いた3Dプリントパラメータ、特に押出温度、プリント速度、密度、インフィル形状、層高さ、壁数といった主要パラメータの変化が、造形部品の機械的特性に与える影響を調査することを目的としています。分析には495個のプリントサンプルを用い、これらの主要パラメータを変化させながら検証しました。

BCN3D Epsilon W50プリンターを使用し、この技術で一般的に使用される材料であるPLA、PETG、ABSを採用。機械的強度の評価は、多様なパラメータを考慮しながら一軸引張試験により実施しました。この研究は、UNE-EN ISO 527-2 Type 1A規格に従い、プラスチック成形・押出試験モデルに準拠して、合計495個の試験片をテストすることで実施されました。

押出温度、密度、壁数の増加は、造形部品の特性向上につながると予想されます。その結果、プリント速度の上昇と層高さの低下は機械的強度の低下を招く可能性がありますが、その正確な影響の程度は不確かです。

主要な仮説

• インフィルタイプ： 相互接続されたグリッド構造により、グリッドインフィルがジャイロイドと三角形インフィルより優れた強度を提供すると仮定
• インフィル密度： より高いインフィル密度は、部品内の材料量が増えることで応力耐性が向上し、機械的強度の増加に寄与すると予想
• 層高さ： より低い層高さは、層間接着の弱さにより機械的強度に悪影響を与えると推定
• プリント速度： 高いプリント速度は押出の不安定性と層間結合の低下を招き、機械的強度を弱める可能性があると予測
• プリント温度： より高い温度範囲は層間結合を改善し、部品の機械的強度を向上させると期待。逆に低温ではコールドエクストルージョンによる材料損失の可能性
• 壁数： より多くの壁は、より大きな構造的安定性を提供することで、プリント部品の機械的強度を大幅に増加させると示唆

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結果

以下のセクションでは、チャートにさまざまな結果と結論を表示します。詳細な分析とデータについては、ホワイトペーパーをご参照ください。

インフィルタイプの影響

取得データを分析し、材料によって各インフィルタイプが異なる影響を与えることがわかり、インフィルパターンが部品の最終的な特性に有意または関連性のある影響を与えないと結論付けられます。ABSとPETGの試験片でジャイロイドインフィルが最高荷重を示したことは事実ですが、PLAとの差異と変動から、このインフィルタイプが機械的特性改善において最適であると断定することはできません。したがって、グリッドインフィル、次に三角形、最後にジャイロイドの順で性能が良いという当初の前提は誤りでした。

インフィル密度の影響

結果を分析すると、テスト前の前提が正しかったと結論付けられます。つまり、部品の機械的特性は密度の増加に関連して向上します。この傾向はPLAとPETGでは非常に明確ですが、ABSでははるかに顕著ではなく、60%インフィルの試験片と80%の試験片の間で引張強度の増加が見られません。これは各材料が形成するポリマー構造のタイプによるもので、PLAとPETGは結晶構造を持つ材料であるのに対し、このABS配合はより非晶質な構造を持っています。さらに、プリントされたABS部品の密度を60%以上増やしても、より高い機械的性能が保証されないことも結論付けられます。

層高さの影響

予想通り、層高さの増加はプリント部品の性能向上をもたらします。これは前述の通り、部品全体を通じて「弱点」が少なくなるためです。これらの弱点は各プリント層の接合部であり、層間接着は材料自体と同じ機械的強度を持つことはありません。

プリント速度の影響

データ分析の結果、より高いプリント速度が材料押出の不安定性を増加させ、結果としてプリント部品の不完全さの可能性を高め、機械的抵抗を低下させるのと同様に、プリント速度には下限も存在することが結論付けられました。つまり、プリント速度を下げれば機械的抵抗が高まるというのは真実ではありません。各材料にはプリントに最適な作業温度範囲があります。作業温度がこの範囲を下回ると材料はコールドエクストルードされ、上回ると材料が劣化し、ポリマー構造が結晶化して不正確な押出を引き起こす可能性があります。

以下の結論をよりよく理解するために、材料のプリント温度（作業温度）について簡単に説明します。前述の通り、プリント速度はフィラメントがヒートブロックを通過する速度であるため、フィラメント押出に影響を与えます。これはヒートブロックの温度（プリント温度）が材料の融点より高くなければならないことを意味し、フィラメントへの熱伝達不足を補う必要があります。つまり、FFFで材料が押出される典型的なプリント温度は、材料の融解温度よりもはるかに高いのです。したがって、プリント速度が非常に低い場合、材料が押出中に劣化し、材料自体の機械的特性を含む特性を失う可能性があります。

プリント温度

取得データを考慮し、以前にプリント速度と、密度や層高さなどのさまざまなパラメータがどのように影響するかを分析した結果、プリント温度が機械的特性の改善に大きく寄与しない、あるいはむしろ製造の最終結果を制御する定数を確立することが難しいと推測されます。つまり、プリント速度と同様に、プリント温度は各材料に異なる程度で影響し、常に容易に予測可能な方法ではないのです。

PLAの場合、期待通りの傾向が見られますが、ABSとPETGではそうではありません。各材料のポリマー構造とガラス転移温度がこの傾向ラインを定義している可能性が最も高いです。

壁数

このテストでは、テスト2.2（インフィル密度）と2.3（層高さ）と同様に、壁数の各増加が各材料の試験片の引張強度を明確に増加させることを観察できました。PETGの場合、各増加での変化がはるかに明確でしたが、これは他のテストからの偏差の影響かもしれません。壁数の各増加が引張強度を同じように増加させるのは理にかなっており、期待通りです。つまり、壁を1つ追加するごとに最大荷重が同じ値で一貫して増加します。これはPETG試験片のテストで明確に観察でき、壁が追加されるたびに最大荷重が30%増加します。テストの偏差を見て最も外部要因の影響を受けにくかったと推測されるため、PETGを例として取り上げています。

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