3 次元技術を利用した 3D プリンタ出力物の比較強度試験（第 1 報）疋田武士*，佐藤幸志郎*，兵頭敬一郎*，佐藤寿喜*, 谷口秀樹**,*

製品開発支援担当, **工業化学担当,

Comparative Strength Test of 3D Printer Output Using 3D Technology (1st Report)
Takeshi HIKIDA*，Koushirou SATOU*，Keiichiro HYODO*， Hisaki SATOU*，Hideki Taniguchi ***Product Design and Development Section, **Industrial Chemistry Section,

要 旨
当センターで行っている三次元技術に関する支援の更なる向上,3D プリンタの最終製品への応用を目指すため,本研究に取り組んだ.本年度は3D プリンタ造形物と射出成型物の比較評価,表面粗さによる強度への影響,インフィル構造による強度への影響について確認した.

１． はじめにする FORTUS360mcs(Fig.1)と(一社)大分県工業連合会が三次元積層造形装置は,一般に AM 装置,3D プリンタと保有する L-DEVO(Fig.2),県内プラスチック加工会社が呼ばれ,本来は工業用として製品の部品サンプルを試作保有する射出成型機の三機を利用して作成を行った.

するために活用されてきた機器である.近年,3D プリン
タ,周辺三次元ソフト（3DCAD,CAE）の低価格化が進行す
る に つ れ 急 速 に 3D プ リ ン タ の 普 及 が 広 が っ て い
る.3DCAD,CAE を活用することで従来の用途である試作を迅速化するラピッドプロトタイピングに加えて,型や治具を作成するラピッドツーリング,最終製品として利用するラピッドマニュファクチャリングが広がっている.大分県では 3D プリンタの機器貸付,3DCAD 研修など三次元技術に関する支援を継続的に行っている.
3D プリンタ造形物は一般的に異方性があり同形状のFig.1 FORTUS360mcs

Fig.2 L-DEVO

射出成型物と比較して強度に差異があるとされる.CAE
解析では射出成型品のような積層を考慮しない解析を使用する樹脂は 3D プリンタはそれぞれメーカー専用行うため 3D プリンタ造形物に対する CAE 解析の改良ののものを使用,射出成型では比較のため FORTUS 専用フィ余地は多い.我々はこれまでセンターで保有する 3D プリ

ラメント ABS-M30 をペレット化し成型に用いた.

ンタにて JISK7139 のダンベル形状を作成し CAE 測定と試験片形状は FORTUS360mcs での予備試験にて JISｋの差異の確認を目的とし評価を行った.3DCAD 試験片デ7161 ダンベル形状では造形する際に各層でウォールラータの CAE 解析と比較した結果,実態試験の結果は CAEインの開始点が揃えられるため,引張試験で開始点の継解析結果と比較して最大引張強さが小さくなること,加ぎ目から千切れてしまうことが確認されたため，試験片えて積層方向による強度の差異を確認した.本研究はそを直方体にすることでウォールラインの開始点を角にの続きとして 3D プリンタ造形物と射出成型物の比較評移動させ,引張試験への影響を排除した.

価,表面粗さによる強度への影響,インフィル構造による強度への影響について調査したので,以下に報告する.

2．試験片作成と実験方法
2.1 試験片（引張試験）
引張試験での試験片作成にあたり,当センターで保有

Fig.3 試験片簡易図

加えて射出成型した板をレーザー加工機にて直方体に打ち抜くことで,できるだけ多くの試験片サンプルの結果を得ることを考慮した.FORTUS360mcs は専用スライ
スソフト Insight11.5 によって,L-DEVO は発明プリンタ用のオープンソースの CURA によって条件を設定し出力を行った.
Table.1

条件毎に作成した試験片サンプル数
Fig.4

表面処理容器表面粗さを測定するためレイヤー高さ 0.1270mm の辺20ｍｍの立方体に対し試験片と同様の条件にてアセトン処理を実施後，JISB0633 の表面粗さ測定を実施した.

2.2 CAE 測定
引張試験で使用する試験片形状を用いて,ABS-M30 の物理的特性であると仮定したときの最大引張強度を求める.

2.3 引張試験
31 パターンの条件設定を行ったサンプル 540 本の試験片を卓上万能試験機オートグラフ（Fig.5）にて，試験片の最大点試験力（N）,最大点変位（mm）,最大点応力（MPa）について，JISK7161 の引張試験を実施した.

Fig.5 卓上万能試験機オートグラフ
2.4 試験片（圧縮試験）
FORTUS360mcs では造形の際のサポート材料を除去すインフィルのパターンによって強度の差異を確認するため,圧縮試るための強アルカリ液の強度への影響を確認するため 5

験の試験片作成にあたり, (一社)大分県工業連合会の L-DEVO,時間の強アルカリ超音波洗浄を実施した試験片を作成

汎用的な3D プリンタENDER3（Fig.6）を利用して作成を行った.

した.
3D プリンタ最終製品ではアセトンを利用した積層痕を消す仕上げを行うことがある.加えて予備試験により表面粗さによる強度の差異が確認されていたためアセトンによる表面処理を施した試験片を作成した.試験片とアセトンを密閉できる容器の中に入れ,ファンで気流を発生させることでアセトンを拡散させた容器内で 1 時間の表面処理を実施後，表面処理後密閉されていない空間で二日間のアセトン抜きを実施した.

Fig.6 ENDER3
使用する樹脂は L-DEVO 専用フィラメントを使用した．予備試験に

より ABS 樹脂を使用した場合,熱収縮による反り,割れ等を確認した

個 の 試 験 片 卓上万能試験機オートグラフにて引張試験を実ため,より形状としての強度を測定するため安定した出力が可能であ施.XYZ 方向より圧縮試験にかけるため,それぞれの面にるPLA 樹脂を成型に用いた.

U（up）,F(front),L(left)の文字を刻印し，それぞれ 3

試験片形状はインフィルのパターンによる異方性からXYZ方向の強個ずつのサンプルを用いて JISK7181の圧縮試験を実施しした.

度に差異があると考えられるため,各方向から圧縮試験を実施するた
めJIS7181 を参考に辺20ｍｍの立方体を作成した.

Fig.8 12 パターンのインフィル設定を行ったサンプル

３．実験結果および考察
3.1 表面処理
表面粗さの試験結果よりアセトンを利用した表面処理は積層の凹凸が平準化されたことを示唆された.見た目も表面処理を 5 分したものと 60 分したものを比較し積層痕が大幅に減っていることが確認された.

Fig.7 インフィルパターンイメージ
Fig.9 表面処理無Table.2

出力条件

L-DEVOENDER3

レイヤー高さ

0.3ｍｍ

初期レイヤー高さ0.2ｍｍ

ライン幅0.4ｍｍ

インフィル密度
壁の厚さ
マテリアル

15%
0.8ｍｍ
PLA（灰）

PLA（黒）

印刷温度

197 度

ビルドプレート温度

60 度

印刷速度

60ｍｍ/ｓ

移動速度

120ｍｍ/ｓ

Fig.10 表面処理有2.5 圧縮試験
12 パターンのインフィルに設定を行ったサンプル 216

Fig.11 アセトン処理表面の 5 分（左）60 分（右）3.2 CAE 解析

Table.3

引張試験結果CAE 解析より物理的特性による最大引張強度を確認した.3D プリンタで出力した実体試験片結果と比較した結果，試験力は近似しているが応力が小さいことが確認された.

Fig.11 CAE 解析結果 試験力 750 N 応力 36 Mpa
インフィル構造によるパターンの違いがXYZ方面の圧縮強度に大きく影響することが確認された.インフィル構造を G-code から STL に変換することで CAE 解析により詳細の強度を確認することができる可能性が示唆された.

3.3 引張試験
引張試験結果より射出成型物の引張強度は ABS-M30 の物理特性と近似している結果を確認した.
アセトンによる表面処理をした試験片は積層の表面凹凸が平準化されることで強度が上がることが期待されたが,今回の試験では表面処理を行っていない結果と近似もしくは引張強度が小さくなることが確認された.アセトンが ABS 樹脂より抜け切れていないため強度が小さくなった可能性がある.
アルカリ超音波洗浄処理を実施した試験片は強度に差異はないと予想していたが引張強度が小さくなる傾向にあることが確認された.アルカリによる影響ではなく超音波による積層面の剥離の可能性がある.
射出成型物と 3D プリンタ出力物の断面形状を揃えるためレーザー加工にて同様の条件で直方体に打ち抜いた試験片は想定の通りウォールラインが無くなってしまうため大幅に引張強度が小さくなることが確認された.
通常レイヤー高さが 0.1270ｍｍの造形物は引張強度が大きくなるのが一般的であるが,アルカリ超音波洗浄,アセトン表面処理等を施していないプレーンの状態の試験片の引張強度が小さいことを確認.
キャリブレーション不足であった可能性がある.
積層高さ,ライン幅のツールパスを調整することで引張強度にも影響があることが確認された.
Fig.12

引張試験結果（最大点試験力の比較）

3.4 圧縮試験

L-DEVO

試験結果より L-DEVO,ENDER3 の両機器にてインフィル構造パターンにおいて近似した圧縮強度の順序になっていることが確認された.
中でもトライヘキサゴンが平均して一番圧縮強度があることを確認.
ほぼすべてのパターンが UP の面の圧縮強度が強いがキュービックはすべての面が近似しており FRONT,LEFT の圧縮強度は一番であることを確認した.すべての平均では特質して高い強度があるわけではないが荷重方向が不明な場合,または均一に荷重がかかる可能性がある場
合は最も破断しにくい可能性がある.
L-DEVO と比較しENDER3 の強度が全体的に小さいのは機器の特性かPLA 樹脂の色による違いが影響している可能性がある.

ENDER3

Fig.13

Fig.14

圧縮試験結果（L-DEVO 最大点試験力比較）

Table.4

インフィル構造パターン毎の圧縮試験平均値

圧縮試験結果（ENDER3 最大点試験力比較）

4.まとめ・射出成型物の引張試験の結果は，メーカー公表値の物理的特性に近似していることが確認された.また,3D

プリンタ造形物は射出成型物と比較し引張強度が小さくなる機械的特性があることが確認された.
・アセトンによる表面処理によって引張強度が小さくなることが確認された.
・インフィル構造によるパターンの違いがXYZ 方面の圧縮強度に大きく影響することが確認された.またXYZ 各方向,平均の圧縮強度に優位性のあるインフィルパターンを確認された.

参考文献１）髙橋 智 ・児玉 和也

3D プリンタ造形物の強度評価と充填構造の設計 Strength Evaluation and Infill Structure
Design of Objects by 3D Printing ｐ10～162）Jayanth N. P. Senthil C. Prakash Effect of chemicaltreatment on tensile strength and surface roughness of 3Dprinted ABS using the FDM process ｐ1～93）田中 徹 ほか CAE 解析を利用した樹脂部品の設計検討に関する研究 ｐ19～20