熱溶解積層法を用いた CFRP とポリプロピレンからなる機能性接合体の創製
群馬県立群馬産業技術センター 生産システム係
係長 須田 高史
（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016028）
キーワード：熱溶解積層法，CFRP，異種材料接合

１．研究の目的と背景製作に用いる二種類の樹脂として，上記のように剛性が積層造形法は３Ｄプリンタとして注目されている．これ求められる構造部分に CFRP を用い，ヒンジ特性が求めら

は付加加工の一種であり，大別すると，光造形法，粉末焼れる関節部分にポリプロピレンを接合することを検討す

結積層造形法，熱溶解積層法，インクジェット法等に分類

る．接合体の試作を成功させるためには材料選定が重要で１）される ．なかでも熱溶解積層法（FFF：Fused Filamentあり，幅広い材料を選べるようにするために本研究ではフFabrication）は装置が安価であることから，普及が予想ィラメント製造機を導入し，市販の射出成形用ペレットをされる．

用いてフィラメントの自作も検討する．

熱溶解積層法はフィラメントと称する熱可塑性樹脂の本研究の特色を以下に述べる．まず，CFRP とポリプロ線材を用いて立体を得る．フィラメントを溶融しながら一ピレンの組合せによって構成された一体構造の接合体は，層ずつ積層させていくため，成形可能な形状に関する制約

これまでに先行事例はほとんど見られない．CFRP の積層が少ない．また，熱可塑性樹脂をフィラメントに調製する造形は一部で取り組まれている．しかしながら積層造形をことができれば，樹脂が有する様々な性質を活用できる．

用いて構造体の主要部に CFRP を使用しつつ，関節部分に近年，熱溶解積層法において二種類の樹脂を使用可能なポリプロピレンを使用した事例はこれまでにほとんど見

3D プリンタが上梓されており，二種類の樹脂を接合体とられない．CFRP が有する剛性の高さを利用することによして出力することも可能になっている．形状の自由度が高り，外力に対する変形量を低減することが期待できるととく，樹脂の性質を活用できるといった特長を考慮すると，もに，関節部分にポリプロピレンを使用することにより，二種類の樹脂を適材適所で用いることにより，有用な接合ヒンジ特性を活用することができる．

体を提案できるものと考えられる．
熱可塑性樹脂は種類により様々な特性を有している．な
かでもポリプロピレンはヒンジ特性と称する繰り返しの折り曲げが可能であるといった特長を有している．また熱可塑性樹脂は他の材料と複合材料を構成することによって特性を改良することができる．特に炭素繊維を複合させ外骨格部 CFRP
関節部 PP
外骨格部 CFRPた炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は強度と剛性が大きいことから注目されている．これら二種類の樹脂を適材適所で用いることにより，従来よりも有用な構造体を提案できるものと考えられる．
本研究では，二種類の樹脂を使用可能な３Ｄプリンタを用いた新規接合体の創製を提案する．具体的には，CFRP

図１

本研究で提案する構造体と難接着性プラスチックであるポリプロピレンからなる接合体を製作する．強度や剛性に優れる CFRP とヒンジ特性に優れるポリプロピレンを使用することにより，昆虫や甲殻類の脚に見られるような外骨格と関節を有する構造体を構成する（図１）．ポリプロピレンは難接着性プラスチックであり，接着剤を用いた接合は困難であるが，熱溶解積層法を用いて溶着させることにより一体構造となった接合体を実現する．
CFRP とポリプロピレンとの界面には凹凸を設け，積層時における熱容着によって機械的に接合する方法を検討し，界面部分に有効な凹凸部の寸法を提案する（図２）．

関節部ポリプロピレン
図２

外骨格部 CFRP

接合部の詳細次に，接合方法に積層造形を用いることが特徴である．
ポリプロピレンは難接着性のプラスチックであり，接着剤を用いた接合は困難である．積層造形を用いることにより熱溶着による接合方法になるため，CFRP との接合が可能になる．また積層造形を用いることによって一体構造で製作できることから，接合の手間を省くことができ，また接表１

因子
Ａ 幅
Ｂ 厚さ
Ｃ 奥行
D

合部の信頼性も向上することが期待できる．積層造形を利水準１

Bi-matrix 複合体がある２）．これは，熱溶解積層法を用いた板材を作製しようとするものである．本研究では最終的にはロボットの腕や脚にも適用が期待できる梁構造部品を提案する．
加えて，市販の射出成形用ペレットを用いた積層造形用のフィラメントの自作を検討する．３Ｄプリンタメーカーから供給されるフィラメントでは材料の詳細が分からない面もあることから，フィラメント製造機を導入して市販の射出成形用ペレットから独自のフィラメント作製も試水準２0.80.85.0

水準３1.61.67.5

2.42.410.0※単位は mm，因子Ｄは誤差列とする用した接合体の先行事例として，武藤工業株式会社によるて二種類の樹脂を井桁状に積層しながら機械的に接合し因子と水準

表２

実験番号 Ａ 幅123456789直交表Ｂ 厚さＣ 奥行 D
0.80.850.8
1.67.50.82.4101.60.87.51.61.6101.62.452.40.8102.4
1.652.4
2.4
7.5

みる．これにより，将来的に幅広い材料選定が可能になることが期待できる．
なお，本研究の構成は以下のとおりである．はじめに，
CFRP とポリプロピレンとの界面部分における凹凸部寸法の検討をおこなう．次に，関節部におけるヒンジ部寸法の検討を行う．また，接合部の強度確認を行い，最後にフィラメント自作の検討を行う．

２．実験方法2・1

界面部分における凹凸部寸法の最適化

本接合体における CFRP とポリプロピレンとの界面部分の設計を行った．界面部分は，上記の図２で示した正方形断面を基本とする凹凸形状を設けることとし，界面部分の寸法をパラメータとして有限要素法による構造解析を行

図３

解析モデルって凹凸部における応力を算出し，寸法を導出した．
はじめに，凹凸部の寸法を決定するための設計変数を検討した．正方形断面の幅（板幅方向の長さ），厚さ（板厚方向の長さ）および奥行（長手方向の長さ）の三項目を設計変数とした．水準については本研究で用いる３Ｄプリンタのノズル径の倍数になるように調整した．実験計画法を用いて解析結果の応力が低くなる組合せを求めることと固定し，表１のように水準を設定して表２のようにＬ９直交表に割り付けた．全体の板幅や板厚もノズル径の倍数となるようにそれぞれ 4mm および 24mm とした．
次に，これらの表に基づいて界面部分を抽出したモデルを三次元 CAD で作成した．作成したモデルの例を図３に示50N

す．表２に基づいて九種類の寸法のモデルを作成した．
引き続き，作製したモデルを用いて有限要素法による構造解析を行った．解析ソフトは ANSYS18.2 を用いた．表２に示した九種類のモデルに対して，共通の境界条件として，片側端面を固定し，反対側の端面に引張荷重 50N を作用させた（図４）．

図４

構造解析の境界条件

2・2

関節部におけるヒンジ部寸法の検討

関節部におけるヒンジ部寸法の検討を行った．本接合体においては，図２に示すように関節部を薄肉とし，屈曲を可能とするための襞を設けることによってヒンジを構成することを検討する．ヒンジ部分の肉厚をパラメータとして有限要素法による構造解析と３Ｄプリンタによる試作を行い，適正な肉厚を導出した．
はじめに，関節部の肉厚を決定するための水準を検討した．屈曲を可能とするためには，できる限り薄く作ることが望ましい．しかしながら，本研究では３Ｄプリンタによ

図５

関節部検討用 CAD モデルる試作を想定していることから造形可能な肉厚はノズルの直径や積層条件の良否に左右される．本研究では３Ｄプリンタのノズル径と同じ 0.4mm と２倍の 0.8mm を設定し，比較を行った．
次に，関節部分を抽出し，関節部の肉厚を検討するためのモデルを三次元 CAD で作成した．作成したモデルの例を
図５に示す．
引き続き，作製したモデルを用いて有限要素法による構固定造解析を行った．解析ソフトは ANSYS18.2 を用いた．上で述べた二種類のモデルに対して，共通の境界条件として，片側の接合面相当部を固定し（図６），反対側の接合面相当部に 100Nmm のモーメントを作用させた（図７）．
また，薄肉部品における積層造形の可能性を確認するた
めに，上で述べた二種類のモデルを３Ｄプリンタにより試

図６

関節部検討用境界条件（１）作した．３Ｄプリンタとしてニンジャボット製 NJB-300Wを使用した．供試材料は㈱北陸エンジニアプラスチック製
ポリプロピレンフィラメント HEP-３DF を用いた．
2・3接合部の強度確認

接合部の検討に用いたモデル形状を３Ｄプリンタにて積層造形し，試験片を作製して引張試験を行い，接合部の強度を確認した．本研究では熱溶着を行うため，積層条件が強度に及ぼす影響は大きいものと推察される．そこで積層条件が成形品の強度に及ぼす影響について検討を行い，積層条件を変えた試験片の比較を行った．
はじめに，比較する積層条件について検討した．本研究では熱溶解方式の３Ｄプリンタによる熱溶着を行うこと

100Nmmmからノズル温度の影響が最も大きいと考えて，ノズル温度を変化させることとした．水準については，低温として

図７

関節部検討用境界条件（２）

CFRP 側ノズルを 260℃，ポリプロピレン側ノズルを 190℃に設定し，高温として CFRP 側ノズルを 270℃，ポリプロピレン側ノズルを 200℃に設定した．
次に，2・1 節で導出した最良条件の寸法を反映させた
三次元 CAD モデルを作成し，３Ｄプリンタにて上記二条件による積層造形を行った．供試材料として，CFRP はフィラメント工房（キョーラク㈱）製 PP/カーボンファイバーフィラメントを，ポリプロピレンは㈱北陸エンジニアプラ
スチック製ポリプロピレンフィラメント HEP-３DF を用いた．試験片は各条件で三個を引張試験に使用した．作製した試験片の一例を図８に示す．
引張試験条件を以下に述べる．引張試験機は(株)東京衡

図８

引張試験片

機試験機製 LSC-1/30-2 を使用し，試験速度は５mm/min とした．
2・4

フィラメント自作の検討

既に述べたように，３Ｄプリンタメーカーから供給されるフィラメントでは材料の詳細が分からない面もあることから，フィラメント製造機を導入して市販の射出成形用ペレットから独自のフィラメント作製を試みた．
供試材料は射出成形用の CFRP 製ペレット（TORAYCA
TLP8148 および TLP8169（東レ㈱）製）を用いた．母材はポリプロピレンであり，炭素繊維の配合率は TLP8148 が20%，TLP8169 は 30%となっている．
フィラメント製造機（Noztek 製 Noztek Touch Standard

図９

フィラメント製造機

Dual PID）を用いて CFRP 製のフィラメントを作製した(図９)．フィラメント作製時に設定する加工条件に関しては，スクリュー回転数とシリンダー温度の二つの因子を選定し，それぞれ二水準設定した（表３）．
作製後にフィラメントの外観を目視で観察した後，引張試験機（(株)東京衡機試験機製 LSC-1/30-2）を用いて引張試験を行い，最大荷重を比較した．なお，引張試験速度は5mm/min とし，試験体は各条件で三本とした．

表３フィラメント加工条件

実験番号 Ａ モータ回転数 rpm Ｂ ヒータ温度 ℃
130190230210350190450210３．実験結果と考察
3・1

界面部分における凹凸部寸法の検討

構造解析結果の一例を図１０に示す．解析の結果から，剛性の低いポリプロピレンの方が収縮するような変形を示すことが示唆された．
要因効果図を図１１に示す．図において，横軸は因子と水準を示し，縦軸は相当応力の大きさを示している．図より，因子を割り付けずに誤差列とした因子Ｄにおける変化よりも因子ＢおよびＣにおける変化の方が大きく，因子Ｂの厚さと因子Ｃの奥行が応力に及ぼす影響が大きいことが示唆された．
図１１より，相当応力を低くすることが期待できる水準の組合せとして，（幅，厚さ，奥行）が（1.6，1.6，10.0）または（2.4，1.6，10.0）のいずれかが示唆された．
（1.6，

図１０構造解析結果

1.6，10.0）（以下，組合せ１）の条件は表２の実験番号５番に存在する組合せのため，この条件と（2.4，1.6，10.0）（以下，組合せ２）の条件で解析結果を比較したところ，
図１２に示す結果となり，組合せ１の応力が低かったため，組合せ１を最良条件として決定した．
3・2

関節部におけるヒンジ部寸法の検討

肉厚が 0.4mm および 0.8mm の変形量の解析結果を図１３に示す．図より，肉厚が 0.4mm のモデルについては今回の解析条件でも十分に変形して屈曲することが示唆され，0.8mm のモデルの方が今回の解析条件では変形量が少ないことが示唆された．
二種類のモデルを３Ｄプリンタにより試作した結果を
図１４に示す．図より両方の肉厚ともに良好に造形でき，薄肉部品の積層造形が本研究で用いた機材でも可能であることが確認できた．

図１１

要因効果図

す．図より，今回のサンプルではスクリュー回転数，シリンダー温度ともに最大荷重に及ぼす明確な傾向が見られなかった．これは，外観に見られた縮れが引張試験に影響を及ぼし，同じ加工条件であっても最大荷重が安定しなかったものと考えられる．炭素繊維の比率が 20%と 30%の両方とも似たような傾向になり，品質が安定しないことから，自作フィラメントを用いた試作はできなかった．

図１２組合せの比較

破断

図１５(a)肉厚 0.4mm
図１３(b)肉厚 0.8mm

ヒンジ部モデルの解析結果(a)肉厚 0.4mm
図１４

破断後の引張試験片(b)肉厚 0.8mm

図１６

引張試験結果ヒンジ部モデルの試作結果

これらの結果より，小さな負荷でも十分に変形でき，かつ良好に造形できる 0.4mm を関節部の肉厚として採用することとした．
3・3

接合部の強度確認

引張試験後の試験片の一例を図１５に示す．図より，接合部で異種材料が抜けることなく CFRP の部分で破断した．
この傾向は今回試験した６本すべてで認められた．
また，ノズル温度が低温及び高温で造形した試験片の引張試験結果を図１６に示す．図より，今回の検討範囲では，積層条件による差は認められなかった．
3・4

フィラメント自作の検討

試作したフィラメント外観の一例を図１７に示す．外観の状態を詳細に見ると，市販のフィラメントには見られない縮れが局所的に発生しており，滑らかな円形断面の線材にならなかった．最大荷重値を比較したものを図１８に示図１７

試作したフィラメントの外観

(a)炭素繊維 20%(b)炭素繊維 30%
図１８％フィラメントの引張試験結果

４．結言

また，以上の検討結果に基づき，二種類の樹脂を用いた

本研究では，二種類の樹脂を使用可能な３Ｄプリンタを二色成形が可能である３Ｄプリンタによる積層造形を行用いた新規接合体の創製を提案した．具体的には，CFRPったところ，外骨格と関節を有し，屈曲が可能である構造とポリプロピレンからなる接合体を製作した．はじめに，体を試作することができた（図１９）．

CFRP とポリプロピレンとの界面部分における凹凸部寸法

今後の展開としては，今回提案した接合体よりも大きなの検討を行った．次に，関節部におけるヒンジ部寸法を検可動域を実現するための関節部設計の更なる検討や，フィ討した．また，接合部の強度確認を行い，最後にフィラメラメントを自作するための加工条件の更なる探究およびントの自作を検討した．

自作フィラメントを用いた積層造形の検討が考えられる．

これらより，以下のことが明らかとなった．

謝

１）３Ｄプリンタを用いた二色成形において，界面部に凹凸を設ける形状を提案し，構造解析と実験計画法の結果か

辞

本研究は，公益財団法人天田財団一般研究開発助成にら相当応力を低減できる寸法を見出した．

より行われたことを付記するとともに，同財団に感謝いた

２）接合体の関節部としてポリプロピレンを用い，構造解します．

析と試作の結果から薄肉関節部品の実現性を確認した．

参考文献

３）接合体の引張試験の結果から，接合部で異種材料が抜けることなく CFRP の部分で破断した．

1)新野俊樹：精密工学会誌,76-12（2010）,1340.

４）射出成形用ペレットからのフィラメントの試作に関し

2) https://www.mutoh.co.jp/3d/mr-5000.html（最終閲覧ては，縮れが発生して安定した加工ができなかった．

日 2019.2.4）(a)伸展状態（斜視図）(b)屈曲状態（側面図）
図１９％
構造体の試作結果