栃木県産業技術センター

研究報告No.20 (2023)

経常研究

樹脂 3D プリンタ造形物の機械的性質と造形限度に関する調査
髙岩徳寿＊

石川信幸＊

Investigation on Mechanical Properties and Modeling Limits ofResin 3Dprinter Models
TAKAIWA Norihisa and ISHIKAWA Nobuyuki
本研究では，栃木県産業技術センターに導入した熱溶解積層と光造形の 2 種類の樹脂 3D プリンタについて，造形物の機械的性質や造形限度，品位について調査した。その結果，熱溶解積層の材料 4 種，光造形の材料 4 種について，機械的性質は熱溶解積層では積層方向による異方性が大きく影響し，光造形については異方性が比較的小さいことがわかった。また樹脂 3D プリンタが一般的に苦手とする形状を造形し，それぞれの形状での造形限度，品位について知見を得ることができた。
Key words: 3D プリンタ，積層造形，機械的性質，造形限度，品位１

はじめに表１に使用する材料を示す。熱溶解積層の材料は，近年，樹脂 3D プリンタは，幅広い産業分野においてPLA は Polymaker 社の PolyLitePLA，ABS は Polymaker

試作開発サイクルの短縮やコスト削減のために盛んに社の PolyLite ABS，PC は Polymaker 社の PolyLite PC，活用されている。樹脂 3D プリンタ造形物は，積層方向

PEEK は INTAMSYS 社の PEEK を使用した。光造形の材料によって機械的性質に異方性があることが知られていは，全て Formlabs 社の材料を使用した。造形条件はそる 1)2)。また，複雑形状の造形を得意としているが，形れぞれの材料に対応した，3D プリンタメーカーの標準状によってはそのままでは造形できず，サポートの付条件を使用した。

与や設計変更が必要となる3)。樹脂 3D プリンタを効果的に活用するためには，造形物の機械的性質や造形限表１

度，品位を的確に把握することが必要となる。そこで

熱溶解積層

PLA，ABS，PC，PEEK

本研究は，栃木県産業技術センターに導入した樹脂 3D

光造形

Clear，Tough2000，プリンタ（図１）について，造形物の機械的性質や造造形方式毎の調査対象材料

Rigid10k，Flexible80A

形限度等を調査し，それぞれの装置で使用可能な樹脂毎の特性を評価した。

表２に実施項目及び準拠した JIS 番号と試験片形状，試験回数を示す。Flexible80A は軟質材料であるので，

２２．１

研究の方法

曲げ試験及びシャルピー衝撃試験は実施しなかった。

機械的性質等の調査

引張試験と曲げ試験は，万能材料試験機（島津製作所

図１に研究に用いた熱溶解積層（INTAMSYSHT Enhanced）と光造形（Formlabs

FUNMAT

AG-50kN-XV）を用いて実施した。引張試験の試験速度

Form 3L）の樹脂は 20mm/min，曲げ試験の試験速度は 2mm/min とした。

3D プリンタを示す。

シャルピー衝撃試験は，ノッチ加工機（安田精機製作所 No.189-PNCA）でノッチ先端半径が 0.25mm，ノッチ後残り幅が 8mm となるように加工し，ハンマー容量は2.0J として衝撃試験機（東洋精機製作所 IT）を用いて実施した。硬さ試験は，Flexible80A 以外はロックウェ
ル硬さ試験機（フューチュアテック LC-200R）を用いて R スケールで，Flexible80A はデュロメータ硬さ計（a）熱溶解積層
図１＊（b）光造形

樹脂 3D プリンタ

栃木県産業技術センター（テクロックGS-719G）を用いて実施した。粗さ試験は，表面粗さ測定機（テーラーホブソン PGI840）を用

機械電子技術部- 58 -栃木県産業技術センター

いて，引張試験片の平行部を評価した。寸法測定は，
マイクロメータ（Mitutoyo２．２

研究報告

No.20 (2023)

造形限度，品位の調査

MDE-25MX）を用いて，引それぞれの造形方式における造形限度や造形物の品張試験片の平行部を 1 材料につき 5 本，1 本につき 5位を確認するために，表３に示す形状を造形した。熱回ずつ実施した。

溶解積層の材料は，Polymaker 社の PolyLiteABS を使用

表２

実施項目及び試験方法した。光造形の材料は，Formlabs 社の Tough2000 を使

項目

JIS

試験片

回数用した。穴については垂直方向と水平方向で調査した。

引張試験

K7161-11A形

5熱溶解積層では使用する材料の消費を抑える目的で，

K6251

3号形

造形物の内部の充填率をスライスソフトで設定できるのが一般的である。設定した充填率で造形した後，造（Flexible80A）
曲げ試験

K7171

シャルピー

短冊形

K7111

短冊形

5形物の 3D 形状を X 線 CT 三次元測定機（ニコン10で取得し，内部の体積から設定値に対する実際の充填MCT225）率を調査した。

衝撃試験
硬さ試験

K7202-250×50

K6253-3×10mm

10
表３造形限度，品位の調査項目

項目内容傾斜水平から 15，30，45，75，90°

球

直径 0.5，1，3，5，10mm

各試験片の造形方向について図２に示す。また熱溶ピン

直径 0.1～1(0.1 毎)，3，5，10mm

解積層の斜め方向の造形物の写真を図３に示す。図２

穴

直径 0.1～1(0.1 毎)，3，5，10mm

ブリッジ

1，3，5，7，10，15，20，30，40，50mm

充填率

20，40，60，80，100%（熱溶解積層のみ）（Flexible80A）
粗さ測定

B0601

寸法測定

引張試験片

3

引張試験片

5のとおり，水平方向，斜め方向，垂直方向の 3 方向で造形し，それぞれの方向で各試験結果の異方性を評価した。また，斜め方向については各装置のスライスソフトにおいて自動でサポートを生成し，造形後にニッパー等で除去した状態で試験を実施した。図３に示す

３とおり，熱溶解積層では造形物の反りによる剥がれを抑制するためにラフトを作製し，造形後にニッパー等

３．１

結果及び考察機械的性質等の調査

表４に各材料の引張強さの平均値を示す。熱溶解積で除去した。

層の造形物は水平，斜め，垂直の順に引張強さが小さくなる傾向があり，造形方向による影響を受けることが分かった。熱溶解積層は材料によって異方性の強さが異なるが，これは材料毎の層と層の密着性の違いが現れており，層間の密着性が高い材料は異方性が小さく，密着性が低い物は異方性が強く表れていると考え
図２

造形姿勢の模式図られる。一方，光造形の造形物は造形方向による引張強さの低下はあまり見られなかった。光造形の一部の材料で引張強さが低下しているものがあるが，薄板形造形物状では洗浄，二次硬化によって試験片が反ってしまう場合があり，造形方向の影響よりも形状変化の影響で強度が低下していると思われる。

サポート
図３

ラフト

熱溶解積層における斜め方向の造形物- 59 -

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表４

研究報告

No.20 (2023)

引張強さの平均値

瞬間的に力が加えられ積層面が剝がれるように破壊されるため，光造形においても造形方向の影響が表れていると推測される。
表６

シャルピー衝撃値の平均値

表５に各材料の曲げ強さの平均値を示す。熱溶解積層の造形物は水平，垂直，斜めの順に曲げ強さが小さくなる傾向があり，造形方向の影響を受けることが分かった。曲げによる変形でせん断方向の応力が強くなり，斜め方向の曲げ強さが低下していることが推測さ

表７に各材料の硬さの平均値を示す。熱溶解積層のれる。材料間の異方性の強度の違いは，引張強さと同造形物は，垂直方向が一番小さくなるものが多いが材様の理由と考えられる。光造形の造形物は造形方向に料によって傾向が異なっている。光造形の造形物は造よる曲げ強さの差はあまり見られない。

形方向による硬さの大きな変化は見られなかった。

表５

曲げ強さの平均値

表７

硬さの平均値

表６に各材料のシャルピー衝撃値の平均値を示す。
熱溶解積層の造形物は水平，斜め，垂直の順に衝撃値が小さくなっている。光造形の造形物は引張強さや曲表８に各材料の表面粗さの平均値を示す。水平方向げ強さの傾向とは異なり，水平方向が最も強くなり，と斜め方向はアップスキン（斜め方向の造形時にサポ斜め，垂直方向は同程度に小さくなっていることが分ートが付く面と反対の面）を表，ダウンスキン（斜めかった。衝撃試験では，引張試験や曲げ試験のように方向の造形時にサポートが付く面）を裏と定義して評荷重のかかり方が緩やかではなく，ハンマーによって価した。また表８の※はサポートを付与し造形されて- 60 -

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いる面で，造形後にサポートを除去して表面粗さを評

表９

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No.20 (2023)

寸法測定の平均値価した。熱溶解積層では，水平方向裏面の表面粗さが一番悪く，次に斜め方向の粗さが悪い傾向があった。
PEEK では斜め方向裏面の表面粗さが悪く，水平方向裏面の表面粗さがあまり悪くないが，これはサポートが造形物との密着性が良く剥がしにくいのに対して，ラフトと造形物は密着性が低く，ラフトから造形物を剥がしやすいことが影響していると考えられる。PLA，ABS，PC においてはラフトとサポートのどちらも造形物との密着性が良く，造形物から剥がしにくく水平方向裏面
ではラフトは造形物全体についてしまう影響で裏面全体の粗さが悪化し，斜め方向裏面ではサポートが付く箇所と付かない箇所があるため，水平方向裏面よりは粗さが良くなっていると考えられる。また斜め方向表面では，緩斜面となっている影響で垂直方向よりも積層段差が目立ちやすく，粗さも悪くなることが分かっ

３．２

造形限度，品位の調査た。光造形では，緩斜面の影響で斜め方向の粗さが若図４に傾斜の造形物を示す。すべて造形可能であっ干悪くなる傾向があるが，全体的には良好な表面粗さたが，熱溶解積層ではダウンスキンの品位が大きく低となっている。

下することが分かった。

表８

表面粗さの平均値（a）ABS（b）Tough2000

図４

傾斜の造形物

図５に球の造形物を示す。熱溶解積層は 1mm 以上で造形可能，光造形はすべて造形可能であった。どちらもダウンスキンの品位や形状は良くないことが分かった。

1mm1mm（a）ABS

表９に各材料の引張試験片の平行部の幅

図５（b）Tough2000
球の造形物（Flexible80A は 5mm 狙い。その他は 10mm 狙い）の寸法測定の平均値を示す。溶解積層の造形物は，狙いの図６にピンの造形物を示す。熱溶解積層は 0.5mm，光寸法より大きめにできる傾向のものが多く，誤差は造形は 0.6mm 以上で造形可能であった。どちらも 1mm0.2mm 程度であった。光造形の造形物はおおむね狙い通以下では傾きや倒れが発生することが分かった。

りの寸法であり，誤差は 0.1mm 以下であった。

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表10設定値(%)

実測値(%)

2017.804031.586056.568093.47

10099.87

1mm1mm（a）ABS
図６

各充填率の設定値と実測値（b）Tough2000
ピンの造形物図７に穴の造形物を示す。熱溶解積層の垂直方向は0.3mm 以上，水平方向は 3mm 以上で，光造形の垂直方向は 0.6mm 以上，水平方向は 0.8mm 以上で貫通穴が造形可能であった。どちらも垂直方向ではダウンスキンで品位が低下していることが分かった。
ダウンスキン
図９

充填率 20％の造形物の CT 画像
４

おわりに樹脂 3D プリンタ造形物の機械的性質や造形限度等を調査し，各樹脂材料の特性を把握し，次の結論が得ら
0.3mm（a）ABS
図７0.6mm（b）Tough2000

れた。
（1）熱溶解積層の造形物は、引張強さ、曲げ強さ、シ穴の造形物（垂直方向）

ャルピー衝撃値、表面粗さ等で異方性があること

図８にブリッジの造形物を示す。熱溶解積層は 40mmが分かった。

まで，光造形は 30mm まで造形可能であることが分かっ（2）光造形の造形物では、異方性はあまりないことがた。どちらも 10mm 以上からダウンスキンの品位が低下分かった。ただし、試験片のような薄板形状ではすることが分かった。

反りが発生する場合があり、強度に悪影響を及ぼす可能性があることが分かった。
（3）それぞれの造形方式での、造形限度や品位を把握することができた。造形可能であっても、ダウンスキン の粗 さや形 状が 大き く悪化 する 場合が あることが分かった。

（a）ABS
図８（b）Tough2000

ブリッジ（10mm）の造形物

参考文献
1) 太田崇文，岡田耕治，齊藤梓，吉田一也，村澤剛，川上勝，古川英光："日本機械学会論文集 "，vol.83

表 10 に各充填率での設定値と，造形物の CT データ

No.850，1-11,（2017）から実測した充填率を示す。図９に充填率 20％の造形

2) 佐藤一志，角田圭佑，石川信幸： "仙台高等専門学

物の CT 画像を示す。60％までは設定値より実測値の方

校名取キャンパス研究紀要 "，第 51 号，7-10,（ 2015）

が小さいが，80％では設定値より実測値の方が大きく

3) 安齋正博 : "日本ゴム協会誌 "，第 87 巻 第 9 号，なる傾向があった。

20-25,（2014）- 62 -