3D プリント部品の機械的強度に対する FFF プリント パラメータの影響

この研究は、特に溶融フィラメント製造 (FFF) 技術を使用した 3D プリンティング パラメーターが、製造された部品の機械的特性に及ぼす影響を調査することを目的としています。分析には、押出温度、印刷速度、密度、充填材の形状、層の高さ、壁の数などの主要なパラメーターを変化させた 495 個の印刷サンプルの検査が含まれます。

BCN3D Epsilon W50 プリンターが採用され、このテクノロジーで一般的に使用される材料である PLA、PETG、ABS が使用されました。機械的強度の評価は、さまざまなパラメータを考慮した一軸引張試験によって実行されました。この研究は、UNE-EN ISO 527-2 Type 1A 標準に従って、プラスチック成形または押出試験モデルに準拠して、合計 495 個の試験片を試験することによって実施されました。

押出温度、密度、および壁の数が増加すると、印刷された部品の特性が向上すると期待されています。その結果、印刷速度の高速化と層の高さの減少は、機械的強度の低下につながる可能性がありますが、その影響の正確な程度は依然として不確実です。

主な仮説

• インフィルのタイプ :グリッド インフィルは、相互接続されたグリッド構造により、ジャイロイド インフィルやトライアングル インフィルと比較して優れた強度を提供すると仮定されています。
• 充填密度: 部品内のより多くの材料が応力耐性を強化する必要があるため、充填密度が高くなると機械的強度の向上に寄与すると予想されます。
• レイヤーの高さ: 層の高さが低いと、層間の接着力が弱くなるため、機械的強度に悪影響を及ぼすと考えられます。
• 印刷速度: 印刷速度を上げると、押し出しの不安定性や層間の結合効果の低下によりパーツの品質が低下し、機械的強度が弱まる可能性があると予測されています。
• 印刷温度: より高い温度範囲では層間の結合が改善され、それによって部品の機械的強度が強化されることが期待されます。逆に、温度が低いと冷間押出が行われ、材料が失われる可能性があります。
• 壁の数: 壁の数を増やすと、印刷パーツの機械的強度が大幅に向上し、構造の安定性が高まります。

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結果

次のセクションでは、さまざまな結果と結論をグラフに示します。詳細な分析とデータについては、ホワイトペーパーを参照してください。

インフィル タイプへの影響

得られたデータを分析し、材料に応じて、各充填タイプが異なる影響を与えることがわかると、パターンは部品の最終特性に重大な影響や関連する影響を与えないと結論付けることができます。ジャイロイド充填材を使用した ABS と PETG の両方の試験片が最も高い荷重を与えるのは事実ですが、PLA と比較した違いとばらつきがあるため、このタイプの充填材が機械的特性の向上という点で最適であるとは断言できません。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パフォーマンスが向上することを期待してこのテストを開始した前提は間違っています。

充填密度の影響

得られた結果を分析すると、テスト前に確立された前提が正しかったと結論付けることができます。言い換えれば、部品の機械的特性は密度の増加に関連して増加します。このことは、PLA と PETG ではより明確ですが、ABS では、60% 充填試験片と 80% 充填試験片の間で引張強度が増加しない程度にまで、あまり目立たありません。これは、それぞれの材料が形成するポリマー構造のタイプによるものと考えられます。PLA と PETG は結晶構造を持つ材料ですが、この ABS 配合物はより非晶質な構造を持っています。さらに、印刷された ABS パーツの密度を 60% 以上増加しても、機械的性能の向上は保証されないと結論付けることもできます。

レイヤーの高さの影響

予想どおり、層の高さが増加すると、印刷物のパフォーマンスが向上します。それは、前述したように、作品全体を通して「弱点」が少ないからです。これらの弱点は、各印刷層の接合部にあります。層間の接着力は素材自体と同じ機械的強度を持たないためです。

印刷速度の影響

データの分析後、印刷速度が高くなると材料の押し出しの不安定性が増し、その結果、印刷物に不完全性が生じて機械的抵抗が低下する可能性が高まるのと同様に、この印刷速度にも下限があると結論付けました。つまり、印刷速度が遅いと機械的抵抗が大きくなるというのは真実ではありません。各素材には、印刷に最適な使用温度範囲があります。作業温度がこの範囲より低い場合、材料は冷間で押し出されますが、印刷温度がこの範囲より高い場合、材料が劣化してポリマー構造が結晶化し、不正確な押し出しが発生する可能性があります。

以下の結論をよりよく理解するには、材料の印刷温度 (作業温度) について簡単に説明する必要があります。前に説明したように、印刷速度はフィラメントの押し出しに影響します。これは、この速度が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です。これは、フィラメントへの熱伝達の不足を補う必要があるため、ヒート ブロックの温度 (印刷温度) が材料の融点温度よりも高くなければならないことを意味します。言い換えれば、これにより、材料が通常 FFF で押し出される印刷温度は、材料の溶融温度よりもはるかに高いと結論付けられます。したがって、印刷速度が非常に遅い場合、押出成形中に材料が劣化し、機械的特性を含む材料自体の特性が失われる可能性があります。

印刷温度

得られたデータを考慮し、以前に印刷速度と、密度や層の高さなどのさまざまなパラメーターがどのように影響するかを分析したことを考慮すると、印刷温度は機械的特性の改善にあまり役立たない、あるいはむしろ、製造の最終結果を制御するための定数を確立するのが難しいと推測されます。つまり、印刷速度と同様に、印刷温度は各素材に異なる程度の影響を与え、必ずしも容易に予測できるわけではありません。

確かにPLAの場合は予想通りの傾向ですが、ABSやPETGの場合はそうではありません。おそらく、さまざまな材料のポリマー構造と各材料のガラス転移温度がこの傾向線を定義すると考えられます。

壁の数

このテストでは、テスト 2.2 (充填密度) および 2.3 (層の高さ) と同様に、壁の数が増加するたびに、各材料の試験片の引張強度がどのように増加するかを明確に観察することができました。 PETG の場合、各増分における進化はより明確になっていますが、これは他の各テストからの逸脱が原因である可能性があります。壁の数が増えるたびに同じように引張強度が増加することは当然であり、予想通りです。つまり、壁が増加するたびに、最大の力は同じ値を一貫して増加させます。これは PETG 試験片の試験ではっきりと観察され、試験片に壁が追加されるたびに最大力が 30% 増加します。 PETG を例として取り上げているのは、テストの偏差を確認した後、PETG が外部要因の影響を最も受けていないものであると推測するためです。

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