KSK-GH28-1

平成 28 年度
｢安全・安心｣及び｢生活の質の向上｣に資する技術革新

障害者の生活の質の向上に資する
3Dプリンタ出力製品の高付加価値化
補助事業

平成 29 年 3 月
一般財団法人 機械振興協会 技術研究所
この事業は競輪の補助により実施しました。

http://ringring-keirin.jp

障害者の生活の質の向上に資する３Ｄプリンタ出力製品の高付加価値化
―― 目
次 ――
1. はじめに ……………………………………………………………………………………… 1
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 2
2. これまでの取り組み…………………………………………………………………………… 2
2.1 専門委員会……………………………………………………………………………… 2
2.2 関連調査………………………………………………………………………………… 3
2.3 簡易式 3D プリンタによる実習………………………………………………………… 3
2.4 ビジネスモデルの構築………………………………………………………………… 3
2.5 3D プリント出力作業の試行実験……………………………………………………… 4
3. 3D プリント出力製品の高付加価値化……………………………………………………… 5
3.1 3D プリント出力製品に望まれる機能………………………………………………… 5
3.2 機械的特性評価………………………………………………………………………… 6
3.2.1 引張試験………………………………………………………………………… 11
3.2.2 圧縮試験…………………………………………………………………………… 13
3.2.3 曲げ試験………………………………………………………………………… 15
3.2.4 疲労耐久試験…………………………………………………………………… 16
3.2.5 硬さ試験………………………………………………………………………… 19
3.3 シミュレーションによる造形物評価………………………………………………… 20
3.4 まとめと考察…………………………………………………………………………… 23
4. 結論 ………………………………………………………………………………………… 24
謝辞 ……………………………………………………………………………………………… 24-i-

＜研 究＞

障害者の生活の質の向上に資する３Ｄプリンタ出力製品の高付加価値化
藤塚 将行※1，保戸塚 久善※1，飯塚 保※1，木村 利明※2，松丸 誠一※3

High value-added of 3D printed product contribute to the improvement of QOLof handicapped persons
Masayuki FUJITSUKA，Hisayoshi HOTOZUKA，Tamotsu IIZUKA，Toshiaki KIMURA & Seiichi MATSUMARU

創生総合戦略 1)において2050年代までの人口10 万人を

１.はじめに維持することを目標としてまちづくり，ひとづくり，し近年、途上国の人口爆発による資源枯渇が不安視されごとづくりの観点で各種の施策に基づいた事業に取りる一方で，先進国と呼ばれる国々ではいずれも少子高齢組むことを掲げている． とりわけ合計特殊出生率の急化による人口の減少が歯止めなく進む傾向にあり，各国

激な回復が望めない現状において喫緊の課題といえるは相対的に増え続ける高齢者層を労働力して活用するのは労働力人口の減少に歯止めをかけることであり，
経ことや少子化対策に様々な政策を打ち出している．
この

済成長力の低下を抑制するだけでなく，介護福祉の領域

問題は我が国にとっても例外ではなく，高い医療技術ににおける「支えられる人」が「支える人」として元気による世界最高水準の高齢化と子育て世代の負担軽減が活躍することに大きな期待が集まっている．
その期待を遅れていることによる少子化の二つの大きな理由によ担う層として注目をされているのが高齢者や障害者とり，
むしろ世界的に例を見ない超高齢社会として注目をされ，
この方々の労働参加の拡大がひとつの解として期集める状況にある．
政府の掲げる一億総活躍社会の観点待されている．
特に障害者の労働参加は定年退職後の元では減り続ける労働力人口の確保を目指し，
働く女性へ

気で働ける期間に限定されてしまう高齢者の労働参加の支援，
定年の延長などの各種対応策を政府主導で展開を推進することに比べて，就労可能期間が長く，自立にしているが，
内閣府のまとめによる労働力人口の長期予より支えられる側から支える側への転換が生じること

測推移はこれらの策を講じても今後2060 年に向けて大による社会保障費の削減が中長期的に期待できるなど幅に減少することが示されている．

利点も多い．
これまでの調査研究では障害者就労の高付

このような課題は，市区町村というミクロな視点でも全く同様の問題であり，技術研究所が立地する東久留米市においても現在11万5千人程度の人口が2040年には10 万人を下回り，2060 年には8 万人以下になることが予測されているため，東久留米市まち・ひと・しごと※1※2
技術開発センター
企画管理室※3
産学官連携センター（東久留米）

加価値化を通じて我が国の直面する労働力人口の減少と社会福祉関係費増大の両課題を解決しうる取組みについて平成26 年度から検討を行ってきた．これまでの調査研究で明らかになった障害者就労の大きな課題としては，職種が限定されてしまうこと，賃金・工賃が極めて低いことによりなかなか自立に繋がらないといったことが挙げられる．
これらの課題を解決するため本研
究では職種として製造業に着目している．
製造業は一般－ 1－

に熟練が必要とされるだけでなく危険を伴う作業も多評価にシミュレーションソフトによる解析が可能であいとされ，障害者の就労として未開拓な分野である．3D

るか検証をおこなう．
最後に４章で本報告書を総括する．

プリントサービスは障害者が取り組むことのできる製造業としては安全性が高く，高付加価値な就労であることから従来の障害者就労に比べ，やりがいや楽しみが多く感じられるだけでなく賃金・工賃の面でもメリットの参考文献
1) 東久留米市まち・ひと・しごと創生総合戦略（平成 28 年 3 月版）

多い作業といえる．
そこに機械産業に関する当協会の技術・ノウハウを活用して作業の簡素化や安全性向上等をhttp://www.city.higashikurume.lg.jp/_res

検討し，障害者の高付加価値な就労の実現に繋がること/projects/default_project/_page_/001/005/2を目指している．

29/3_sougou2803.pdf

これまでのアプローチでは障害者が3D プリンタを活用し，高付加価値な就労により具体的には障害者の高付

２.これまでの取り組み

加価値就労として3D プリントサービスに着目し，持続的なビジネスモデルの立案とマーケットの視点，
人との本事業では，障害者の高付加価値就労としてマッチングの視点，3D プリンタの設備・技術の視点か

3D プリントサービスビジネスの実現を支援し，ら，その実現性を検証した．その後，技術研究所近隣の「障害のある人が幸せに暮らせる社会創造」を

障害者就労支援事業所の協力のもと，立案したビジネス行うことを目的としている．その実現のため平モデルの中でも中心的な作業といえる商用の3D プリン

成 26 年度には実現可能なビジネスモデル（マータで造形された様々なモデルの仕上げ作業の試行実験

ケット，人，設備）を創出することを目的としとその評価を行った．
また実作業に先駆けて必要不可欠て様々な検討を行った．また平成 27 年度は立案な作業の安全性の確保と障害のある方が働きやすい環

した3D プリントサービスのビジネスモデルが事業とし境整備も併せて行った．
今年度は実際にビジネスとしてて成立するかを判断する大きなポイントとして障害者成り立つかを実際の受発注を通して商流に組み込むこによる実作業の試行実験とその評価を行い，持続的な事とで検証するとともに，JKA の補助事業としては 3D プ

業化に向けた検証を行った．
本章ではこれまでの調査研

リンタによる造形物に強度等の信頼性持たせることに究で取り組んできた内容を紹介する．

よる高付加価値化を実現することを目的とした検証を行った．本報告の構成は以下の通りである．
2 章ではこれまでの調査検討結果及びビジネスモデ
ル化に関する取り組み，
さらには昨年度実施した障害者の方々による試行実験についてまとめて紹介を行う．3
章では3D プリンタ出力製品の高付加価値化を考えた際に望まれる機能について検討した後，機械的特性について引張，圧縮，曲げ，疲労，硬さといった複数の材料評
価法による試験とその結果から考察を行う．また3D プ
リンタ出力製品は従来の加工法よりも柔軟に様々な形状が造形できるため，3D プリンタでの出力された製品

2.1 専門委員会
障害者就労の領域，3D プリンタの領域は共にこれまで技術研究所が培ってきた技術や経験が活かせる領域とは大きく異なる領域であるため，外部有識者の意見を集約する場が必要となった．
そこで本事業を円滑に実施展開させるための発案・提言を行うことを目的として，
学術・福祉・企業・行政関係者で構成する専門委員会を設置した．平成26 年度においては委員からの話題提供
や障害者就労の現状報告，
今後の進め方などについて全
9 回の委員会活動で議題としてとりあげ，障害者による－ 2－

3D プリントサービスのビジネスモデル構築に向けた活ノウハウの宝庫であり，規模も業種も様々な6 事業所に発な議論が行われた．平成27 年度においては障害者がついて調査を行った．また3D プリンタの設備・技術の安全かつ快適に作業できる環境整備に関する議論や就視点では3Dプリンタ製造メーカや実際に3Dプリントサ

労支援作業所に勤務される委員の方々との仕上げ作業

ービスを行う会社などを訪問調査し造形後の後処理体の試行実験に関する調整や試行後の結果の報告などが験を行うなど，障害者が活躍しやすい造形方法や受注に行われた．
今年度は造形物の強度評価状況の共有や実際つながる機器選定などについての知見を得ることがでのビジネスとしての受発注に関する議論の場として 28

きた．

年度も継続設置される．
この専門委員会の今年度の概要
は以下の通りである．

2.3 簡易式3D プリンタによる実習
障害のある方々が元気に生き生きとやりがいを感じ

委員会名：ながら3D プリント作業に取り組むことを念頭に置いた障害者の就労に資する3D プリンタ技術普及専門委員会

時，大きな課題となるのが障害の種類・レベルと作業内

委員数：委員長1 名，委員10 名，事務局5 名容とのマッチングである．この点を検討するため，就労委員：

支援事業所の指導者，行政向けに3D プリンタの実習セ

学術

福祉

明治大学

ミナーを関連調査と並行して合計5 回開催し，参加した

日本社会事業大学

専門家の意見を汲み上げ，障害者の3D プリント出力サ

玉川大学

ービスへの適用性を検証した．
日ごろから障害者の就労

特定非営利活動法人 武蔵野の里に関わる指導者の方々からのコメントには現場ならで社会福祉法人 森の会

はの意見が多く，作業内容，作業時の接し方だけでなく

特定非営利活動法人 コイノニア

機器選定にも必要な情報を得ることができた．

社会福祉法人 椎の木会

2.4 ビジネスモデルの構築

東久留米市立 さいわい福祉センター
企業

株式会社JMC行政

東久留米市 福祉保健部

障害者の高付加価値就労として 3D プリントサービ
スのビジネスモデルを立案し，マーケットの視点，障事務局：

害のある人との作業とのマッチングの視点，3D プリン

一般財団法人 機械振興協会 技術研究所

タの設備・技術の視点から，その実現性を検証した．
これらの事業実施において，機械振興協会の技術・ノ2.2 関連調査

ウハウを活用し技術的課題の解決をはかった．

本事業の目的は3D プリンタを活用した高付加価値な
障害者就労を持続的なビジネスとして実現することである．
そのため事業の成否に関するポイントはビジネスだけでも障害者就労だけでもなく，様々な視点に立った動向調査が不可欠であった．
調査を行った主な視点としては障害者就労の現場から見たマーケットの調査と 3D
プリンタの設備・技術に関する調査である．特に障害者立案したビジネスモデルを図2.1 に示し，以下に説明する．法人，コンシューマ等の顧客は3D プリントサービス企業に 3D プリントを発注する．通常，3D プリ
ントサービス企業は顧客から3D データを受け取り，所有する3D プリンタで3D プリントを行って，納品／請
求を行う流れとなる．

の方々が多く日々活躍される特例子会社の現場は種類

3D プリントは一般的に時間がかかり（数時間～数十やレベルが様々な障害者が活躍するために蓄積された時間），繁忙期等は仕事が溢れ，外注を求めるケース－ 3－

も多いと言われている．本事業で目指すビジネスモデ

2.5 3D プリント出力作業の試行実験

ルは，福祉事業所やそれらをとりまとめるNPO 法人が3D プリント出力を 3D プリントサービス企業から下請けとして請け，障害者が作業を行うモデルである．3D
プリントサービス企業との受発注の窓口や管理は，障害者就労のためのNPO 等の団体が行うことを想定している．機械振興協会は，商用3D プリンタを導入してその団体への貸出しと技術支援，および作業スペースの貸出しを行う．
これらの活動が円滑に進められるよう，近隣自治体とも協調していく．

障害者の高付加価値就労として立案した3D プリントサービスのビジネスモデルが成り立つかを検証する際に不可欠なのは，就労する障害者と作業内容とが円滑かつ持続的にマッチングするかという点である．
この点を検証する取り組みとして3D プリント出力事業が可能な作業環境を商用の3D プリンタの導入や作業の安全性を十分に考慮して構築し，ビジネスモデルの中から3D プ
リントサービスの後処理工程の内容を図 2.2 に示した
（1）～(6)までに分割して切り出し，本事業に参画してなおビジネスモデル検証のために設定した3 つの視点では事業化を進める際にさらに詳細な検討が必要でいる就労支援団体の協力により，障害者の方々に試行していただいた．

ある．具体的には安定的な受注，障害の特性や幅広い個
人差にあった作業工程・方法の選択などの配慮，選定・導入される3D プリンタの造形手法や機種に依存する部
分の安全性確保などは昨年度から継続的に設置される専門委員会と3D プリントサービスの試行実験を通じて検討を行っていく予定である．

試行実験の実施概要は以下の通りである．
参加人数：障害者5 名以内程度，指導員1 名以上
団体毎の試行回数：4 回（週1 回ペースを基本）
試行スケジュール：11 月1 団体，12 月1 団体
1 月3 団体
試行で用いる造形物：4 種類（(株)JMC から提供）
一日の作業時間：10～16 時（12～13 時は昼休憩）
施行後の評価：アンケートによる意見集約と(株)JMC の協力のもと機械振興協会技術研究所が実施
試行実施日のスケジュールとして一般的なものは次の通りである．朝10 時に技術研究所に集合し，はじめに当日作業のレクチャーを行う．
作業に取り掛かる準備として保護具等を装着ののち3D プリンタから造形物を取り外す．サポート外しと一次洗浄を行い，二次洗浄終了時またはUV 硬化の前後で昼休憩となる．午後は主に磨きとアルコール洗浄の作業が中心であり，最後に総評とアンケートをとって解散となる．
造形するモデルは図2.3に示す1回目から徐々に難易度が高くなるように用図 2.1 障害者による 3D プリント

意したモデルについて仕上げ作業に取り組み，
障害者就サービスのビジネスモデル案

労として妥当であるかを検証するだけでなく，作業者の技能の向上やノウハウの蓄積についても確認を行った．

－ 4－

３. 3D プリント出力製品の高付加価値化
障害者の高付加価値就労として3D プリントサービ
スビジネスの実現を支援し，「障害のある人が幸せに暮らせる社会創造」
を行うこと本事業の大目的として検討してきた．
これまでの取り組みでは障害者の就労事業として3D プリントサービスの実現に向けたビジネスモデルの構築や障害者の方が実作業に持続的に取り組んでいけるかの検証および環境整備を主なポイントとして進めてきた．本事業をビジネス的側面で評価した時，今後さらなる需要が見込まれる成長産業と評される業種
だが，同様の3D プリント事業者は協力関係にある株式
会社JMC の他にも数多く存在するため，障害者の方が参画する社会貢献的な側面が強い就労事業だから成立す
図2.2 3D プリント作業における試行内容

るのではビジネスとしての持続性を維持できない．
むし
ろ競合する他の事業者よりも優位性が発揮できるような状態でなくてはならず，
そこで機械振興協会技術研究
所が長年培ってきた試験計測といった製造業に関する評価技術を駆使することで3D プリンタ出力製品に高い付加価値をもたらすことができないかを検討した．
3.1 3D プリント出力製品に望まれる機能
これまで3D プリント出力製品の主な用途は試作品や形状確認，
宝飾やホビー用途としての模型や歯科における利用が中心であり，その他は流体が流れるいわゆる流路の検証，
さらにはロストワックス鋳造用のモデルなどである．
これらの様々な用途の出力製品は一見多岐に図2.3 試行で仕上げた造形物（2 回目は非公開）

わたる印象を受けるが，歯科利用以外のほとんどの用途
高難易度の造形物の仕上げ作業では断念する場合も予では製品に強度等の信頼性が求められていない．
つまり，想されたが，回を経るごとに習熟が進み，すべての参加

これまでの3D プリント出力製品には信頼性が必要とさ者が最後まで取り組むことができた．
それだけでなく習れていなかったため，
実使用部品としての信頼性の評価

熟が進み創意工夫を繰り返すことでやりがいを感じるが不足している．一方で，本事業で導入した3D プリン

方が多く，参加した障害者の95%が今後も関わりたい要

タのように高い寸法精度で造形できる3D プリンタの出望があり，十分な仕事量の確保と得手不得手のある作業

現により，
特に小ロット部品の製造についてはコスト的に関する分業化を検討する必要があることがわかった．

に許容できる場合もあり，造形された出力製品を実使用したいというニーズが高まってきている．
造形物の寸法
精度は積層ピッチごとの誤差の積算で推定可能である－ 5－

ため，本事業では高付加価値な3D プリント出力製品に望まれる機能として高信頼性に着目し，材料の機械的特性の評価検証を次節以降で行う．

① 試験片の種類（材質，造形機，造形条件，特徴など）
i. 光造形方式（TSR-883）
材料名：TSR-883

3.2 機械的特性評価
ものづくりの現場では製造された部品やそれらを用いた製品の構造的な性能を把握するため，使われた材料の強度を納品時の材料証明書（ミルシート）をから引用して用いたり，JIS 規格に記載されているような簡単な試験片による材料試験を行ったりしている．3D プリン
トに用いられる材料の多くは,材料製造元が諸特性を公表している．
しかし記載されている特性値には造形条件
や造形方向について言及されていないことから，
その結果がどういった由来の特性値であるのかは不確かなケースが多い．特に3D プリンタで造形する場合は造形条
件によっても特性が変わることが予想されるため，一般的な材料性能を示す意味においては敢えて3D プリンタでの造形を避け，バルク状態で固化させたりして作成された試験片を用いる場合もある．しかし，樹脂材料は硬化が進む過程で内部に残留応力が生じることが知られており，一層ずつ積み上げていく造形方法である3D プ
リンタで造形された出力品はその層間に不均一が生じることは避けられない．3D プリンタで造形された製品の機械的な性能を考えるとき，
この造形の方向により生じる不均一に由来する異方性を評価しなくては，製品の信頼性を確保することは難しい．そこで本研究では 3D

造形機：ATOMm-8000（シーメット社製）
積層ピッチ：0.15mm
特徴：紫外線硬化のエポキシ樹脂に紫外線レーザーを照射することで硬化し，それを積層させることで造形する．
熱溶融積層法や粉末焼結法に比べて効果時の収縮やそりが少なく，形状精度に優れる造形法である．用いられる材料はエポキシ系が多く，透明なモデルが造形できるため，流路の可視化モデルの作成などにも多用される．
装置のコストが高い一方で他の造形法に比べると材料費が安価であることから産業用3D プリンタとして主流といえる．
造形物には自重によるたわみを抑制するサポートが必要であるため，その取り外しや仕上げ作業が必須である．なお本装置は平成27 年度JKA 補助事業で使用した装置で，試験片制作も技術研究所内で行った．造形の様子を図 3.1 に，装置の仕様を表 3.1 に示す．図内には各試験に対応した試験片が後述する造形方向を変化させて造形されている様子が確認できる．
また最小
積層ピッチは 50μm と仕様に記載されているが造形が安定しない場合があるため0.15mm ピッチを利用しており，強度の低下が予想される．

プリント出力製品の高付加価値化を目的として，製品の機械的特性に着目し，造形方向を変化させて造形した試験片に対して引張試験，圧縮試験，曲げ試験，疲労耐久試験，
硬さ試験といった複数の材料試験法により評価を行うこととした．
またその結果を有限要素法によるシミュレーション解析によってさらなる検討を行う．
今回の実験に先立って各測定に必要な材料試験片を作成した．
試験片の寸法や形状等は各試験の項目で紹介するが，すべての試験片に共通する項目として試験片の種類と造形方向については以下に詳細に説明する．

図3.1 光造形試験片（TSR-883）作成の様子－ 6－

表3.1 ATOMm-8000 の仕様
Rapid Meister

モデル
搭載レーザ

ATOMm-8000
半導体励起固体レーザ
1.2W

80KHz

デジタルスキャナ方式
走査方式（TSS4)・ダイナミックフォー
カス制御方式

レーザ保証時間 1年間
最大走査速度
硬化径45m/sec
0.10～0.60mm（自動可変）

最大造形サイズ 800×600×400mm
Ｚテーブル

最小積層ピッチ50μm※樹脂により異なる

リコータ

ヴェントリコータ方式

液面制御

バルーン方式

電源仕様

AC100V×1回路

図3.3 光造形試験片（TSR-883）表面の全焦点画像
20A

装置外形寸法W1900×D1190×H2170mm

装置重量約1,200kg （樹脂含まず）

ソフトウェア

図3.3 にナノインデンターに組み込んだ3CCD リアルカ
ラーコンフォーカル顕微鏡H1200（レーザーテック社製）で撮影したTS-883 試験片表面を示す．この顕微鏡に採C-Sirius

用されている共焦点光学系で観察を行うと合焦点時以オペレーション 日本語版/英語版

外の像情報を受光しない．
この特殊な光学系で撮影された画像をレボルバー部に組み込んだ Z 軸移動機構で高図 3.2 に今回使用する材料の色や質感を示すため
TSR-883 で造形された曲げ試験片の写真を示す．図中の左から0 度，45 度，90 度の試験片で，微かに黄色がかった透明であることが確認できる．

さ方向に変化させながら連続的にスキャンさせると，
高低差の情報を含む三次元形状データや，焦点のあった画像を貼り合わせて合成させた全焦点画像を撮影することができる．
本画像は積層ピッチによる画像の高低差による不鮮明さを除去した全焦点画像である．
左から順に900μm×300μmの短冊状にトリミングした画像を0度，45 度，90 度と並べている．0 度の画像ではふき取り痕が確認できるほどの表面状態であるが45 度，90 度では造形により生じた積層による段差が生じている．特に90 度では900μm の中に0.15mm の積層ピッチが約6 層確認できる．
表3.2 にはメーカが公表している光造形用樹脂の特性表を示す．
いずれもベースはエポキシ系の樹脂で高強度な材料であることが確認できる．

図3.2 造形された試験片の例（TSR-883）－ 7－

表3.2 光造形用樹脂の特性表
項目/樹脂名TSR-883

TSR-821

ベース樹脂

エポキシ

エポキシ

粘度(m Pa.s)25℃

520

380

比重25℃

1.12

1.12

Ec(m J/cm 2)

18

20-25

D p(m m )

0.18

0.15

引張強度(M Pa)

60

49

伸度(% )

5-813-15

引張弾性率(M Pa)

2,730

1,800

曲強度(M Pa)9870

曲弾性率(M Pa)

2,710

2,225

37

48-49

高荷重H D T(℃)

54

49-52

低荷重H D T(℃)

59

55-56

表面硬度(Shored)

D 84

D 80-82

微黄色透明

淡白色

Izot衝撃強度(J/m ,ノッチ付)

外観
特徴

高剛性・靭性
非アンチモン

図3.4 造形された試験片の例（TSR-821）

靭性ABSﾗｲｸii. 光造形方式（TSR-821）
材料名：TSR-821
造形機：RM-3000（シーメット社製）
積層ピッチ：0.1mm
特徴：同じ光造形方式のTSR-883 と近い特徴を有するが，

図3.5 光造形試験片（TSR-821）表面の全焦点画像

本材料は先ほどの材料より剛性は低いが産業界で最も汎用性が高いとされる ABS 樹脂に近い性能を有する淡い白色の樹脂である．
光造形方式でよく使われる材料の一つとして評価対象に選んだ．
図3.4 に今回使用する材
料の色や質感を示すため TSR-821 で造形された曲げ試
験片の写真を示す．図中の左から0 度，45 度，90 度の試験片で，先ほどのTSR-883 に比べ透明度が低い材料であることが確認できる．
図3.5 はTSR-821 試験片表面の全焦点画像である．90 度の結果では 900μm の中に0.1mm の積層ピッチが約9 層確認でき，TSR-883 と同様の傾向であるといえる．

iii. 粉末焼結造形
材料名：PA650 （ナイロン12 ベース，ALM 社製）
造形機：SinterStation Hi-Q Base（3D Systems 社製）
積層ピッチ：0.1mm
造形時出力：16.4W
特徴：平均粒径55μm 程度のナイロン12 粉末を敷き詰－ 8－

めた上から赤外線ビームレーザを照射し，粉末同士を焼図 3.6 に今回使用する材料の色や質感を示すため粉末結させて作った薄い固化層を積み上げることで造形す

焼結で造形された曲げ試験片の写真を示す．
図中の左か

る．
ナイロンの高い機械的特性がそのまま反映されるたら0 度，45 度，90 度の試験片で，いずれも不透明で白め強度が高く，耐衝撃性，耐熱性，耐候性といった性能色であることがわかる．

に優れる．
表3.3 にはメーカが公表している粉末焼結造
形用樹脂の特性表を示す．
焼結の際に生じる収縮は一層の断面積が大きいほど大きくなるため，
造形のサイズや方向によって寸法精度に影響が出る場合がある．
粉末の粒状が造形物表面に現れるため，ざらついた仕上がりとなるため，表面の仕上げには研磨やサーフェサーによる目止めを行うことがある．
同様のざらつきは造形物内部にも存在するため試験片としては内部にボイドが生じていると状態であるため，試験片ごとのばらつきにも注意する必要がある．また，材料は不透明の白色であるた
め透過性を必要とする造形には向かない．
設備費が高価な造形法ではあるが材料の強度的特性に多くの利点を有する造形法でニーズが高いため試験対象とすることにした．

図3.6 造形された試験片の例（PA650）
図 3.7 に粉末焼結造形試験片の表面の全焦点画像を示す．これまでと同様に造形方向を変えた画像を左から0度，45 度，90 度と並べているが，粒径55μm 粉末が確

表3.3 粉末焼結形用樹脂の特性表
項目/樹脂名P A 650

ベース樹脂

ナイロン12

平均粒径（m icron）
比重 (gram s/cc)
A STM D 792
融点 (degree C )A STM D 3418
熱変形温度 (degree C )A STM D 648
最大引張強度 (M P a)
A STM D 638
最大引張弾性率 (M P a)
A STM D 638
曲弾性 (M P a)
A STM D 790

認できる他はどの角度においてもほぼ同様であり，
この視野においては造形方向の違いは確認できなかった．

55
1.02
181
86
48
1,700
1,500

図3.7 粉末焼結造形試験片表面の全焦点画像－ 9－

iv.石膏粉末造形
材料名：ZP131 （3D Systems 社製）
造形機：Z Printer 310 およびZ Printer 650（3D Systems 社製）
積層ピッチ：0.1mm
特徴：粉末固着造形とも呼ばれ，分類の上ではインクジ
ェット方式に分けられることもある造形法である．
プリ
ンタヘッドから樹脂の結合剤を吹き付け，石膏の粉末を

図3.8 造形された試験片の例（ZP131）

固めて造形するため，造形物は石膏粉末と結合剤の複合
材料状態となる．したがって，表面は石膏粉末によるざらつきが顕著で造形精度も低くなりやすいだけでなく，強度としても脆い上に不均一となる．
図3.8 に試験片の例を示す．
その一方で色情報を付加することでフルカラ
ー着色が可能な点，造形速度が最も速い造形法である点，サポートが不要で前後の処理が容易である点など多くの利点があり，3D プリントにおいてはよく利用される造形法であることから強度的な不安定さに懸念はある
ものの試験の対象とした．
表3.4 に石膏粉末造形の材料特性を示す．
この造形法には機械的特性が望めないため，他の材料のような内容は公開されておらず，強度等の検証を行っている事例もほとんど確認できなかった．図
3.9 に石膏粉末試験片表面の全焦点画像を示す．粉末焼結試験片の結果と同様に90 度において0.1mm の積層ピッチは確認できなかったが45度と90度において同じよ

図3.9 石膏粉末造形試験片表面の全焦点画像

うな粉末の粒度が確認されるのに対し 0 度においては造形の最後に吹き付けられた結合剤によるものと思われる細かな表面粗さが現れる結果となった．

② 試験片の造形方向

表3.4 石膏粉末造形の材料特性表
項目/材料名ZP 131

ベース素材

硫酸カルシウム

比重 (gram s/cm 3)

2.6-2.7

融点 (degree C )

1450

水溶性
（20℃ in gl/l）

0.83%

本研究では3D プリント出力製品の機械的特性について造形方向に依存した異方性が生じることを検証評価するものである．したがって，各種材料試験時に試験荷重がかかる方向を0 度とし，45 度，90 度と造形方向を変化させた試験片をそれぞれについて作成した．
例えば
圧縮試験片の場合は図3.10 の通りとなる．

－ 10－

造形方向

0度

45 度

90 度

図3.10 試験片の造形方向（模式図）

3.2.1 引張試験

図3.12 造形した引張試験片（TSR-821）

引張試験から得られる性質は材料の機械的特性を代表するものとして工業界において広く利用されるため，数多くある材料特性評価法の中でも引張試験は最も基本的とされる試験法である．
試験片形状に加工された材料に破断するまでの張力を与え，その際の荷重と伸び，さらには応力とひずみを測定することで引張強度や弾性率などの諸特性が把握されている．
本測定では引張強度を測定し，
材料および造形方向による違いを把握するだけでなく，
破断した荷重を疲労耐久試験における負荷荷重に用い目的で測定を実施した．

次に引張試験を行っている様子を図3.13 に示す．使用した装置はJT トーシ社製小型卓上試験機リトルセン
スターLSC-1/30 である．試験最大荷重は 1000N であり試験速度は1mm/min を用いた．
チャック用冶具には偏心ローラータイプのロールチャックと手動ネジ締付タイ
プの平行チャックが用意されており，ロールチャックは着脱が容易であったが，試験片のチャック部に偏った試
験力がかかり，
試験片に破損が生じるケースがあったた
め平行チャックを用いた．

試験片形状は薄すぎると硬化時に形状を損なうようなそりが生じたり，
大きなサイズで造形するとコストがかかりすぎたりしてしまうため，
本研究では発泡ポリエ
チレンなどで使われるJIS K6767におけるダンベル形状を用いることにした．図3.11 にその形状を示す．また
図3.12 に実際に用いた試験片の例としてTSR-821 で作成した試験片を示す

図3.11 引張試験片形状

図3.13 引張試験の様子－ 11－意味では今回設定した45 度が適していないことも考えられるため，傾斜による応力集中を避けるためには，角度を変えた詳細な検証が必要であることがわかった．
各試験片の各造形方向についての試験結果をまとめたものを表3.5 に示す．特徴的な結果としてはTSR-883の結果がメーカ公表値よりも低く，
逆にTSR-821 の結果がかなり高かったということが挙げられる．
これは造形
図3.14 引張試験結果の例（TSR-821 0 度）

時の積層ピッチによる影響であると予想される．
積層ピッチが変わると造形精度も変わってしまうため，試験片
形状に違いが生じる可能性もあり，
今回は検証できなかったが造形物に強度が必要な場合は細かな積層ピッチ
による造形をする必要がある．
光造形の2 種については
全体的な強度の他は似た傾向を示している．
粉末焼結に
ついては積層面での剥離的な破壊での強度低下よりもレーザー照射による焼結が試験片断面の端部まで行われている 0 度において最も強くなり，90 度が最も弱い

図3.15 引張試験結果の例（TSR-821 45 度）

結果となった．
この傾向は造形方法の異なる石膏粉末造形においても同様であった．ただし，造形法による不均一さから石膏粉末造形の結果には異常値と判定できる
ような結果もみられた．
一般的には引張試験の結果から引張強度だけでなく引張弾性率を導出するが，試験片作成の都合上小型の試験片を用いたことでひずみゲージの貼り付けが困難な
上，試験機のクロスヘッド移動量からのひずみ計測もチ

図3.16 引張試験結果の例（TSR-821 90 度）

ャッキング時および試験開始直後に大きく試験片が変図 3.14～図 3.16 に引張試験の荷重変位線図を示す．
造形方向による強度の違いは荷重方向に対して垂直な90 度で最も強く，45 度の試験片が最も弱かった．試験

形するため今回は引張試験からは引張強度の計測のみを行うこととし，弾性率については曲げ試験や硬度測定において押し込み弾性率を導出することにした．

片内に強度的な違いが存在する場合，
例えば接着継手のまた今回想定していた検証内容とは異なるが造形物ようなケースでは応力集中を避ける目的でスカーフ継の強度について光造形法特有の現象が確認できた．
それ手と呼ばれる接合法が用いられるが，このような接合法

は造形後の仕上げ作業終了から試験までの時間によりは大きく強度差が予想される場合に極めて弱い接着面

強度が変化する現象である．
今回採用した粉末焼結造形

積を広くするためであり，
この測定の場合は強度差よりや石膏粉末造形は後処理が簡単であることが特徴の一

も，造形方向による面粗さ等の法が支配的となったこと

つであることは前述したとおりだが，光造形法においてから効果的とはならなかった．
また応力集中を回避する

はサポートの取り外しや洗浄の際にアルコールと水の－ 12－

表3.5 引張試験結果
試料名

造形方向 N o.

0度

TSR-883

45度

90度

0度

TSR-821

45度

90度

0度

粉末焼結

45度

90度

0度

石膏粉末

45度

90度

程度の結果となった．
今回の試験片はサイズが小型であるためアルコールの揮発も硬化も比較的スムーズに進最大荷重 引張強度[N ][M P a]むため，3 日程度で十分な強度を発揮することができた

1

579.5

48.3

がサイズが大きな造形物については十分時間をあけて

2

589.5

49.1

3

584.5

48.7

1

552.5

46.0

光造形法において重要なポイントであり，また発注から

2

542.5

45.2

納品までの時間が他の生産方法に比べて極端に短い 3D

3

558.0

46.5

1

584.0

48.7

2

577.5

48.1

ことを想定した場合は，UV 硬化の他にもさらなるアル

3

596.5

49.7

コールを揮発させる目的で恒温槽に入れるなどのポス

1

690.5

57.5

2

687.0

57.3

トキュア処理を検討する必要がある．

3

683.5

57.0

1

635.0

52.9

2

637.0

53.1

3

647.5

54.0

1

731.0

60.9

板面にはさみ，徐々に圧縮荷重を加えて破壊する材料の

2

685.5

57.1

機械的特性を把握する試験法である．
圧縮試験は延性に

3

705.5

58.8

富んだ金属材料などには適さないとされる一方，
コンク

1

577.0

48.1

2

587.5

49.0

3

626.5

52.2

築業界では多用される試験である．
今回は石膏粉末造形

1

517.0

43.1

による造形物の脆性的な破壊をする材料の評価に適す

2

489.0

40.8

3

490.0

40.8

1

484.0

40.3

×10mm の正方形，高さを 50mm とした．図 3.17 に作成

2

456.0

38.0

した圧縮試験片の例（TSR-883）を示す．

3

455.0

37.9

1

313.0

26.1

2

287.0

23.9

3

237.0

19.8

1

262.0

21.8

2

284.5

23.7

3

162.0

13.5

1

252.0

21.0

2

243.5

20.3

3

192.0

16.0

使用する必要がある．
この点は産業用として多用されるプリント造形製品を実使用可能な部材として利用する

3.2.2 圧縮試験
圧縮試験は角柱，円柱，円筒形の試験片を2 枚の平行リートなどの脆性材料の評価には有効とされるため建ると想定し試験を行った．試験片形状は底面積が 10mm

化合物であるエタコールに浸す，また造形した後に UV硬化機で固化を進める．
これらの工程で試験片内に残留

図3.15 造形した圧縮試験片（TSR-883）

したアルコールが揮発しきるまで，さらにはUV 硬化機
処理の後，さらに硬化が進み，完全に硬化するまでは期次に圧縮試験を行っている様子を図3.18 に示す．使

待した性能が発揮できない．
今回の作成した引張試験片用した装置は島津製作所製万能試験機UH-500ｋNC であの場合は，仕上げの翌日でおおよそ80％，
翌々日で90％る．
試験最大荷重は500ｋN から10kN トンまでを5 段階－ 13－

に切り替え可能であるが，今回は1000N 以内で試験可能

表3.6 圧縮試験結果であると予測されたため10ｋN を採用した．
試験速度は
JIS 規格に記載の試験片高さを用いた計算式により

試料名

造形方向

1.5mm/min を用いた．
0度

T S R -883

45度

90度

0度

T S R -821

45度

図3.18 圧縮試験の様子
圧縮試験の試験結果をまとめたものを表3.6 に示す．

90度

当初の実験計画では座屈が生じる前に脆性的な破壊が生じて圧縮強度が導かれるはずだったが，想定よりも材

0度

料の強度が高かったため，石膏粉末造形の45 度の2 例
を除いて，ほぼすべての試験において座屈が生じる結果となった．
したがって本測定で得られた結果は圧縮強度

粉末焼結

45度

ではなく大半が座屈強度ということになる．
したがって
表中の強度は圧縮強度とせず強度と記載することにし

90度

最大荷重

強度

[N ]

[M P a]

1

6095

61.0

2

5520

55.2

3

5620

56.2

1

4620

46.2

2

5120

51.2

3

4610

46.1

1

5350

53.5

2

5010

50.1

3

4910

49.1

1

8125

81.3

2

7970

79.7

3

7910

79.1

1

7780

77.8

2

7650

76.5

3

7285

72.9

1

7960

79.6

2

7905

79.1

3

8020

80.2

1

5870

58.7

2

5690

56.9

3

5830

58.3

1

5680

56.8

2

5620

56.2

3

5765

57.7

1

5755

57.6

N o.

2

5620

56.2

た．なお，3D プリンタで造形された製品はデザイン性

3

5885

58.9

を重視すればスリムな構造も容易に作成することが可

1

735

7.4

2

948

9.5

3

590

5.9

1

378

3.8

0度

能なため，
細長い形状や薄い板状の部材で生じやすい座屈が起こりやすくなることが予想されるため，
造形デー
タのモデリング時には注意が必要となる．
試験結果は想

石膏粉末

45度

2

2845

28.5

定される圧縮強度より低い結果であることが確認され

3

1625

16.3

ているが，各材料間，造形方向間の相関は引張試験と同

1

450

4.5

2

365

3.7

3

484

4.8

様の傾向が把握できる．
石膏粉末試験片については造形された試験片の寸法精度が悪く，上下面が圧縮平行板に均等に当たらずに座屈よりもさらに早期に圧壊が生じていたことも予想され，石膏粉末造形物の信頼性向上は難しい点が多いといえる．

－ 14－

90度

3.2.3 曲げ試験

試験機は引張試験と同様でリトルセンスター

曲げ試験は他の試験と同様，材料試験の一種で，材料の曲げに対する強さや変形の様子を調べる方法である．
丸棒または角棒上の試験片の両端を支え，中央に荷重を加える3 点曲げと，
左右両支点から等距離の位置に同じ
大きさの2つの荷重を加える4点曲げによる方法とがある．
本研究では試験方法が簡便な3 点曲げにより測定を行った．試験片は 100×20×4mm とした．図 3.19 に造形した試験片の例（粉末焼結造形）を，図3.20 に曲げ試験を行っている様子を示す．

LSC-1/30 を用い，試験速度は2mm/min とした．支点間距離は試験片厚さh の16 倍で64mm，圧子の半径および支持台の半径はともに5mm である．図3.21～図3.23 に曲げ試験から得られた粉末焼結試験片の結果をグラフで示す．また曲げ強度，曲げ弾性率などについて詳細にまとめた結果を表3.7 に示す．
曲げ弾性率の導出には規定ひずみ区間の応力勾配から算出する割線法と曲げ荷重-たわみ曲線の直線部の初期勾配用から算出する接線法があるが，
本研究ではひずみ測定が困難であったため接線法を用いている．

図3.21 曲げ試験結果の例（PA650 0 度）
図3.19 造形した曲げ試験片（PA650）

図3.22 曲げ試験結果の例（PA650 45 度）

図3.23 曲げ試験結果の例（PA650 90 度）

図3.20 曲げ試験の様子－ 15－

表3.7 曲げ試験結果
試料名

造形方向 N o.

0度

T S R -883

45度

90度

0度

T S R -821

45度

90度

0度

粉末焼結

45度

90度

0度

石膏粉末

45度

90度

3.2.4 疲労耐久試験
疲労とは繰り返し負荷を与えた場合，静的負荷に比べ

曲げ荷重 曲げ強度 曲げ弾性率[N ][M P a][M P a]

1

236.5

71.0

1981.9

2

238.0

71.4

1944.3

験は破断に至った静的荷重よりも低い荷重で試験片が

3

238.5

71.6

2007.8

破断するまでの間，繰り返し負荷を続け試験片が破断す

1

198.5

59.6

1910.4るまでのサイクル数をプロットしていくことで材料の

2

234.0

70.2

2115.1

3

226.0

67.8

2104.1

耐久性に関する特性を把握する．
本研究では3.2.1 で実

1

224.5

67.4

2118.6施した引張試験の破断荷重から異常値除去後の平均を

2

253.0

75.9

2341.1

100％として 90%，80％，70％，60％と荷重を変えて繰

3

257.0

77.1

2323.4

1

294.0

88.2

2285.7

り返し負荷回数が 10000 回までの低サイクル疲労域に

2

293.0

87.9

2262.6

ついて検証した．
試験片は各材料各造形方向にそれぞれ

3

306.5

92.0

2354.5引張試験と同様のものを用意した．
疲労試験機は旭製作

1

291.5

87.5

2247.0

2

288.5

86.6

2327.3

所による特注疲労耐久試験機FRDH-20-0H であり振動発

3

287.5

86.3

2242.3

生機に SW-2015LV，超高速疲労耐久振動コンソールに

1

292.5

87.8

2363.1PD-300FCL L-MasterPro を組み合わせている．本システ

2

283.5

85.1

2226.1

3

285.5

85.7

2292.5

1

258.5

77.6

1944.3器接続ユニット APD-3NPA を介して電力増幅器 APD5000

2

256.0

76.8

1873.2に接続されている．これにより装置の最大試験力は

3

247.0

74.1

1884.7

1

243.5

73.1

1745.5

2

247.5

74.3

1775.7

3

246.0

73.8

1745.5

1

261.0

78.3

1884.7

2

272.0

81.6

1932.1

3

257.0

77.1

1861.8

1

79.5

23.9

4859.7

2

62.5

18.8

5120.0

3

54.5

16.4

5244.9

1

17.5

5.3

5015.5

2

51.0

15.3

2612.2

3

58.5

17.6

3477.7

1

71.5

21.5

2935.5

2

35.0

10.5

1792.0

3

65.0

19.5

2216.9てはるかに低い応力で破壊が生じることであり，
疲労試

ムは最大試験力を高荷重に対応するため外部電力増幅

3000N であり，疲労耐久試験では押し力と引き力で分けられることから±1500N の試験に対応可能となった．

TSR-821 は曲げ強度においてもTSR-883 に比べ，高い結果だったが，曲げ弾性率は文献値の2225MPa と良い一致を示している．
粉末焼結については曲げ強度は記載されていないため検証できないが，こちらも曲げ弾性率の
文献値 1500MPa に近い結果が得られており，後述する
FEM 解析に利用可能な特性値を得ることができた．

－ 16－

図3.24 疲労耐久試験機（試験実施部）

図 3.24 に装置の振動発生機を含んだ試験実施部を，

疲労耐久試験で用いた試験力を表 3.8～表 3.11 にま図3.25 に超高速疲労耐久振動コンソール（上）及び外

とめる．表中100％の試験荷重は先に説明した通り異常部電力増幅ユニット（下）の試験制御部を示す． 試験

値を除去した引張試験の破断荷重の平均値である．
引張実施に関わる操作はコンソール前面のスイッチジョグ

試験ではTSR-883とTSR-821の結果がメーカによる材料ダイヤルですべて可能であるが，PC 連携ソフトウェア

特性シートに記載された結果と異なり強弱が逆転してAPD300FCG-CSをインストールしたPCから操作することいたが疲労耐久試験の結果を検証することで，引張試験も操作できる．
本ソフトウェアを駆使することで予めプでの結果の妥当性もある程度検証できる． 次に各条件

ログラムした試験を連続実施できる疲労耐久試験モーの結果を縦軸に破断荷重のパーセント表示，
横軸に繰り

ドだけでなく，共振点を探せる共振点検出モード，本体

返し負荷回数をまとめたグラフを図3.27～図3.30に示の操作パネルをPC 上で再現する振動試験モードの3 つす．TSR-821 の結果を除き，60％までに10000 サイクルのモードが選択可能となる．図3.26 に試験を実施して以上の高サイクル疲労に達した結果となっている．

いる最中の試験片近傍を示す．
表3.8 疲労耐久試験の試験力（TSR-883）
TSR -883 100%

90%

80%

70%

60%

0度

586

527

469

410

352

45度

551

496

441

386

331

90度

583

525

466

408

350

表3.9 疲労耐久試験の試験力（TSR-821）
TSR -821 100%

図3.25 疲労耐久試験機（試験制御部）

90%

80%

70%

60%

50%

0度

687

618

550

481

412

344

45度

640

576

512

448

384

320

90度

707

637

566

495

424

354

表3.10 疲労耐久試験の試験力（PA650）
粉末焼結 100%

90%

80%

70%

60%

0度

597

537

478

418

358

45度

499

449

399

349

299

90度

465

419

372

326

279

表3.11 疲労耐久試験の試験力（ZP131）
石膏粉末 100%

図3.26 疲労耐久試験の様子

－ 17－

90%

80%

70%

60%

0度

300

270

240

210

180

45度

273

246

219

191

164

90度

248

223

198

173

149

どの条件でも 70％～60％において高サイクル疲労に移行するという点で大きな違いは確認できないがTSR-883 と粉末焼結では造形方向0 度の場合，同じパーセントでも試験荷重が他の造形方向に比べて高いにもかかわらず最大のサイクル数を記録しており，
荷重方向と造形方向を垂直にした時に最も疲労破壊しにくい結果となった．また，引張強度では物性シートのデータ以上のデータを示していた TSR-821 は他の試験片よりも
図3.27 疲労耐久験結果（TSR-883）

低サイクルで破断しており，同じ光造形材料のTSR-883に比べても繰り返し負荷に弱い挙動を示している．荷重％で比較する弊害として実際の荷重での違いがつかみにくいため，
この傾向が確かであることを検証する目的で光造形法の 2 種に限定し縦軸を荷重に変えたグラ
フを図3.31 のように作成した．荷重によるサイクル数を比較した結果，同じ荷重であればどの造形方向の結果と比べてもTSR-821はTSR-883を上回るサイクル数を示すことはなく，
疲労負荷時のTSR-883 のTSR-821 に対す

図3.28 疲労耐久験結果（TSR-821）

る優位性が確認された．

図3.29 疲労耐久験結果（PA650）
図3.31 光造形試験片の荷重によるサイクル数
石膏粉末造形の結果を確認すると低サイクル破壊時のサイクル数は著しく低いが 70％以下に荷重パーセン
トを下げると極端にサイクル数が増加する．
この挙動は低サイクル時では石膏粉末による不均一さや応力集中で破壊が生じ，低い荷重パーセントでは樹脂由来の粘弾性特性が発揮され，サイクル数を大きく増加させていると予想できる．
造形物が複合材料で構成される場合の挙図3.30 疲労耐久験結果（ZP131）

動解明には他の材料以上に注意が必要である．

－ 18－

3.2.5 硬さ試験

部で表面および圧痕観察を行い，左側のインデンター部

硬さ試験は材料試験として代表的な引張・圧縮・曲げ試験などの試験法と異なり，試料表面にわずかな平面があれば試験片形状によることなく，測定が可能であることが特徴である．また，その測定時間も数秒から数十秒と短時間であることから，
簡便かつ迅速な材料特性評価法といえる．近年,エンジニアリングプラスチックに代表される樹脂材料や樹脂を含む複合材料など粘弾性特性を示す材料が多用されるにつれ，従来の材料試験，硬さ試験では測定が困難となるような事例が増える一方

で押込み試験を行う．本試験機の特徴として，ダイヤモ
ンド圧子は試験片を固定するための筒状のカラー内部
を移動し，音や空気の振動による外乱の影響を受けにくい構造となっている．表3.12～表3.13 に試験結果を図3.34～図 3.35 に得られた荷重変位線図を示す．なお，
粉末焼結および石膏粉末造形に関して試験自体は可能であるものの表面粗さの影響で結果が安定せず，妥当な結果が得られなかったため硬さ試験については光造形法の2 種についての検証とする．

でそれらの硬さやヤング率などの機械的特性を明らかにする必要性が高まってきている．
本事業では様々にある硬さ試験の中から，透明な材料へ測定が可能，弾性率の導出が可能などの理由から計装化押し込み試験を採用することとした．
計装化押し込み試験法はナノ領域においてはナノインデンテーションと呼ばれる ISO14577に2002 年に規格化された試験法で，試験中の荷重と変位を連続的に計測することで材料の機械的特性を把握するものである．試験片は造形方向を変化させた直径25mm 厚さ10mm の円盤状であり，上下端は平行になるよ
うに作成した．図3.32 に作成した試験片の例として光造形によるTSR-883 の試験片示す．
図3.33 硬さ試験の様子

表3.12 硬さ試験の結果（TSR-883）
HM[N /m m 2]

図3.32 造形した硬さ試験片（TSR-883）
当研究所ではこれまでも計装化押し込み試験の精度

EIT/(1-vs^2)[M P a]

0度

94.0

14.1

1951.5

45度

87.3

10.9

2498.7

90度

67.9

10.4

1365.5

表3.13 硬さ試験の結果（TSR-821）
HM向上や応用範囲の拡大について検討を進めてきており，
本測定ではその際に試作をおこなった三次元形状観察

HV[N /m m 2]

HV

EIT/(1-vs^2)[M P a]

0度

107.2

15.6

2203.7

ナノインデンテーションテスターを使用した．図 3.33

45度

83.1

11.0

2135.8に試験をしている様子を示す．
本装置では右側の顕微鏡

90度

73.3

10.3

1628.9－ 19－

HM は押込み深さから導出されたマルテンス硬さ，HV

3.3 シミュレーションによる造形物評価

は除荷終了時の押込み深さから圧痕の幾何学的形状を見積もることにより得たビッカース硬さ，EIT は除荷曲線の接線から導出した弾性率である．
いずれの結果においても造形方向は0 度が高く順に45 度，90 度の結果となっている．
弾性率の結果は0 度の際に最表面が造形機により固められた層であることもあり，0 度の結果と曲げ試験から導出された曲げ弾性率に良い一致が確認された．

3D プリンタによる出力製品の形状は従来のものづくりでは製造できなかったような形状も含めてこれまで
以上に様々であり，本研究で検証してきたシンプルな試
験片形状による造形方向や造形条件の試験結果から実際の製品の性能を予測することは大変困難である．
そこ
で材料試験から得られた機械的特性を用いて3D プリン
タ出力製品の性能を推定するツールとして有限要素解
析によるシミュレーション解析により検討を行った．
有限要素解析ソフトに ANSYS 社製 ANSYS Mechanical CFDを使用し，今回実施した様々な材料試験から得られた特性値による解析および最適化を試みた．
最初に等方性材料と仮定した場合の引張試験について検証した．
有限要素解析では解析する形状を作成する必要がある．ANSYSの場合はソフトウェア内にSpaceClaim という形状作成ソフトがあり，二次元で作成した後，押し出して三次元形状に作成する．その様子を図3.36 に示す．

図3.34 硬さ試験の結果（TSR-883）

図3.34 SpaceClaim による形状作成
形状が複雑な場合は隣り合った物体がつながってい
るのか接触しているのかを定義し，材料情報を定義する．
造形方向による性能差が大きい時にはこの材料情報で異方性を設定する必要があるが，その際に入力が必要な
情報はかなり多いため，精度の高い解析には多くの実験による材料情報が不可欠である．
材料情報を入力後にモ
図3.35 硬さ試験の結果（TSR-821）

デルを分割して解析するのに必要なメッシュの生成を

－ 20－

行う．
詳細な解析が必要とされる箇所のメッシュは細か

数の大きく異なる二つのモデルではあるが線形解析にく設定をする必要があり，引張試験片についてメッシュ

は大きな影響は見られなかったが，非線形解析の場合にを細かく設定すると図3.37 のように，粗く設定するとおよそ3 倍の計算時間がかかっている．
少ない節点数で

図3.38 のようになる．

もほぼ同様の解析結果を得られていることから，
メッシ
ュ生成時の最適化は複雑な形状の解析をする際には必須であることが確認された．ANSYS では様々な解析が可能であるが引張試験片の解析例を示す．図3.39 はミー
ゼス応力，図3.40 は相当塑性ひずみである．ダンベル
形状の平板試験片ではくびれ部に応力が集中し，試験片
中心近傍が破断をするのが一般的であるため，当然の結果ではあるが材料試験の結果を有限要素解析で予測可能であることが確認できる．

図3.37 細かいメッシュ生成の例

図3.39 引張試験の解析例（ミーゼス相当応力）
図3.38 粗いメッシュ生成の例
それぞれのモデルを比較すると，デフォルトではそれ
ぞれ六面体形状に分割されており，各モデルにおける六面体の数（要素：エレメント）は図 3.37 で 11076，図3.38 で586 であり，その六面体の頂点（節点：ノード）は図3.37 で55154，図3.38 で3708 と15 倍近くの差が生じている．
今回の検証では構造がシンプルであるため解析に膨大な時間はかかるわけではないがメッシュの生成で最適化をすることにより解析時間が大きく変化する場合もあるので，検証が必要である．今回の二種類のメッシュの違いは解析すると表のとおりとなる．
節点

－ 21－

図3.40 引張試験の解析例（相当塑性ひずみ）表3.14 メッシュ数の違いによる比較

次に造形方向による異方性を考慮した解析を圧縮試
験片の場合について検証した．
通常の有限要素解析では
弾性率，ポアソン比，せん断弾性係数を用いるがポアソ

図3.43 圧縮試験片（90 度）の最小主応力

ン比やせん断弾性係数は導出が困難なパラメータである．そこでポアソン比は一般的な値として0.3，せん断弾性係数は等方性材料であると仮定した値を用い，弾性率については曲げ試験から得られた曲げ弾性率を使用して解析した．この時の最大主応力の解析結果を図3.41 から図3.43 に示す．

異方性のある試験片であっても角度が 0 度，90 度の場合はその影響が確認しにくいが，45 度の場合は図示
した最小主応力とともに変形が偏って生じていることが確認できる．
現状では解析に必要なパラメータに仮定値が多く，決して精度の高い解析とはいえないが，様々な条件による試験結果を積み上げることで造形方向の違いを反映できることがわかった．
その他の解析として曲げ試験についても検証したので図3.44 に全変形量を
図3.45 にミーゼスの相当応力の結果を示す．曲げ試験
は二点で支える試料台の上に置かれた板状試験片の中に荷重をかけていく試験で，支点は円筒形上である．したがって荷重をかけていくと試験片は支点部で内側へ向けて滑りながら変形する．
したがって曲げ試験の場合は試験片の拘束を試験片下部，
つまり支点で設定すると

図3.41 圧縮試験片（0 度）の最小主応力

実際の現象とは異なる解析となる．
また支点上に試験片を配置するだけの解析をすると拘束条件が不足し，物体が変形せずに移動や回転する剛体移動が発生してしまいエラーとなる．
そこで本解析では試験片が剛体移動しない程度の弱いバネで固定する拘束条件を追加することでエラーの生じない結果を得ることができた．
実際の造形物の解析の場合でも拘束条件により実際の現象と大きく異なる場合や剛体移動などによるエラーが生じる場合だけでなく，変形により造形物同士が接触する場
合など様々なケースに対応できるよう，さまざまな事例

図3.42 圧縮試験片（45 度）の最小主応力の蓄積が必要不可欠であるといえる．

－ 22－

あっても，
それにより他の条件より強度が低下している
様子は確認できなかった．
レーザー照射された箇所の強度が高いことはレーザーが照射された面が表面に露出している 0 度の硬さ試験結果が最も高強度であることからも確認でき，積層界面以外が表層に出来る45 度，
90 度で低強度の結果が得られた．したがって高強度の3D プリンタ出力製品を造形したいときはレーザー照射された高強度の箇所が多くなるように積層ピッチを細かく密にすることで実現可能であるといえる．
図3.44 曲げ試験片の全変形量

光造形法による出力製品は洗浄液であるエタコールの影響や硬化が完全に終了するまで間，強度低下が顕著であり，影響が確認できなくなるまで3 日間程度の時間を要した．
この現象は造形から納品までが短納期であることが多い3D プリント出力サービスでは製品性能が強度面で期待した通りに発揮できない重要な問題であり，高い信頼性の3D プリント出力製品を製造したい場合には造形日や仕上げ完了日の明記や時間経過による強度変化情報を添付するなどの対応が必須であるといえる．
特に今回は薄板形状での造形物について，問題を把握したが造形物の寸法が変化すると，溶剤の揮発や硬化の進

図3.45 曲げ試験片のミーゼス応力

捗が異なることが予測されるため，さらなる検証も併せて必要である．
粉末焼結法や石膏粉末造形法で造形された造形物は3.4 まとめと考察

光造形法によるものに比べ表面粗さや内部に生じる微ここでは本章で検討した様々な内容についてまとめ，細な空隙などの不均一要素が多く存在するため，
これら

高付加価値な3D プリント出力製品の実現について考察の造形法による製品ではサーフェサーなどの仕上げ工する．

程を採用することで信頼性を向上できる．
特に石膏粉末3D プリント出力製品の造形方向による強度の違いを把握するため，0 度，45 度，90 度と造形方向を変えた試験片を作成し，機械的特性を把握する試験を行った．
その結果，造形法により強度が発揮される方向に違いはあるがおおむね5～20％程度の強度差が確認できた．積層ピッチ界面での剥離を原因に強度低下が予想されたが，造形時にレーザーが照射されるなどした箇所は強度が高く，積層ピッチ間の界面で剥離的に破壊することは

造形は石膏粉末と樹脂の複合材料状態であるため，
疲労耐久試験の結果では石膏粉末による影響が低サイクル
で，樹脂による影響が高サイクルで顕著である．極端に強度差があるものを混合して複合材料状態にしていると，高強度材料による拘束により低強度材料内に応力集中が起きやすく，その箇所が制御できないため，組み合
わせる材料の強度を検討し，調整することで信頼性の向上を実現できる可能性がある．

－ 23－

3D プリント出力製品の強度解析について有限要素法に利用可能かを検証した．
解析条件や基本となる材料パ

によるシミュレーション解析の可能性を検証した．
シン

ラメータについてはデータの積み上げが不可欠である

プルな事例については実用的かつ十分な解析が可能でが，それらを充実させることで異方性や不均一さを含むあることがわかったが，造形法や使用される材料により3D プリント出力製品の強度解析は十分可能である．

解析条件が異なるだけでなく，解析に必要な機械的特性
値を様々な手法により把握する必要がある．
特にその特性値には測定が困難なものも含まれるため，精度の高いシミュレーション解析を実現するためには今後さらなる実験値の積み上げとその妥当性の検証が不可欠である．

したがって，
今後ますます利用範囲の拡大が予測される3D プリンタ出力製品を信頼性が要求される領域でも使用可能にする高付加価値化を実現することで，構築してきたビジネスモデルによる障害者就労支援事業の競争力の向上，優位性の確保だけでなく，3D プリント
出力サービスの利用拡大による仕事量をさらに増大さ４.結論せることができる．
これらによって今まで以上にたくさ

本事業では，
障害者の高付加価値就労として事業化を目指して立案した3D プリントサービスのビジネスモデ
ルが持続的な事業として成立するため，3D プリント出力製品に高い信頼性を担保し，出力された製品が実使用可能な部品となるなどの高付加価値化をはかることにんの障害者の方々がより高付加価値な就労にかかわり，
生きがい，
やりがいを感じながら高工賃を得られるため，
3D プリンタを用いた高付加価値な障害者就労支援事業に参画される方々の生活の質の向上に寄与することが可能となった．

よる競争力の確保と，3D プリント出力製品の利用範囲

今後は昨年度行なった障害者による3D プリンタ造を広げることによる障害者就労支援事業の参画者拡大

形物の仕上げ作業の試行実験において，作業者の多くがを目的としている．本研究では3D プリント出力製品の困難を感じた内容について作業の見える化，容易化，簡高付加価値化に望まれる機能として製品の機械的特性素化を技術的アプローチによって解決し，参加可能な障に着目し，以下のような検証をおこなった．

害者の範囲を拡大していきたい．その結果，多くの障害（1）3D プリント出力によく利用される3 種の造形法（光造形法，粉末焼結法，石膏粉末造形法），4 種の材料（TSR-883，TSR-821，PA650，ZP131）について造形方
向を0 度，
45 度，
90 度と変化させた試験片を作成した．

者が参加できる高付加価値化就労の実現することで，障害のある方たちにとって賃金・工賃の向上だけでなく，社会参加ができている・社会の役に立っているというモ
チベーションの向上につなげることで「障害のある人が幸せに暮らせる社会創造」の実現に寄与していきたい．

（2）3D プリント出力製品の機械的特性を把握するため，引張試験，圧縮試験，曲げ試験，疲労耐久試験，硬さ試験をそれぞれの試験片について実施した．
その結果

謝辞

から強度の高い製品を造形するための知見や，3D プリントによる造形物に特有な機械的特性の傾向を把握することができた．

最後に本事業を実施するにあたりご協力，
ご助言いた
だいた近隣の自治体，福祉団体，障害者のみなさん，学術関係者，民間企業の方々に心より感謝申し上げます．

（3）3D プリントサービスで出力される様々な形状の造形物の強度評価に対応するため有限要素解析を用いたシミュレーションによる解析が3D プリント出力製品

なお本事業は，公益財団法人ＪＫＡの競輪補助金（補助事業番号28-10）を受けて実施しました．ご支援いた
だいた関係各位に深く感謝の意を表します．

－ 24－