技術資料

山口県産業技術センター

研究報告

No.34

ｐ13-17(2022)

13

粉末樹脂積層モデルの実用的な利用に向けた基礎的な研究
近藤拓郎 *・松田晋幸 *2

Fundamental Study on Aiming for Practical Use of Plastic Powder Additive Manufacturing Model
Nobuyuki Matsuda and Takuro Kondo
本研究では，粉末焼結式樹脂造形機による造形物の実用的な利用に向けた基礎的な検討として PP(ポリプロピレン)材及び PA12(ナイロン)材の造形姿勢による引張強度や 接着性能，バレル 研磨による表面研磨の効果と形状変化について評価を行った ．その結果，造形姿勢や接着剤の種類による引張強度の差異や，研磨による表面粗さへの低減効果とエッジ部分への集中的な摩耗を確認し，活用のための指針を整理した ．
１．緒言

表1

粉末焼結式樹脂造形機で造形した粉末樹脂積層モデルは，製造や検査で使用される治具の他，一部の小ロット製品の名称で本研究では，PA12 材において造形方向の異なる引張試験粉末焼結式樹脂造形機(株 )アス ペク トレーザー :CO2(60W )(RaF aEl2plus

材 料 :PP(ポリプロピ レン )

300C-HT)片を造形して引張強度を評価した．また， PP 材と PA12 材

精密小型引張Instron 社

において分割して造形した引張試験片を接着し引張強度を圧縮試験機(5965)P A12( ナイロ ン )最 大 試 験 荷 重 :5 kN評価した．更に PA12 材において，市販のバレル研磨装置でメデ ィア:(有 )秋 山 産 業

研磨を行い，表面性状及び形状の変化を評価し，活用のた

Huanyu 社

AS-ART6(KT3010)

コンパ ウンド :(有 )秋 山 産 業

バ レル研 磨 機めの指針を整理した．

仕様(品 名 /型 式 )部品など実用的な用途での利用が多く，引張強度等の機械的特性の把握や表面研磨，接着等への要望も高い 1,2)．そこ使用した機器の仕様

メー カー

AS-AC- D

２．実験方法触 針 材 種 :ダイヤ モ ンド

図 1 に実験で使用した機器を，表 1 に使用した機器の仕様を示す．試験片及びサンプルは，全て(株)アスペクト製

表 面粗 さ計(株 )小 坂 研 究 所

先 端 半 径 :2μ m(SE-30K)

先 端 角 度 :60°の粉末焼結式樹脂造形機で造形した．実施した実験は，造形姿勢による引張強度の差異評価，接着剤種による引張強度の差異評価，バレル研磨機による表面研磨効果の評価である．

測 定 圧 力 :0.75mN
3D スキャ ナー

Steinbichler 社

レンズ :150mm(光 学 縞 投 影 )(COMET L3 D-8M)

点 間 距 離 :0.042 mm

２・１

造形姿勢による引張強度の違い

図 2 に造形時の姿勢を示す．造形姿勢は造形ステージに対して 0°，45°，90°の 3 種類とした．試験片形状は JIS
K7161-2 に記載されている 1A 形に準拠した．造形材料は，PA12 材である．造形した試験片の引張強度を精密小型引張a)粉末焼結式樹脂造形機

c)バレル研磨機
図1*技術支援部*2 技 術 支 援 部b)精密小型引張圧縮試験機d)表面粗さ計

技術管理室

定した試料数は姿勢ごとに 5 個とし，平均値を算出した．

e)3D スキャナー(光学縞投影)

実験に使用した機器

製品技術グループ

圧縮試験機で測定した．引張速度は，10mm/min とした．測45°0°
図2

造形時の姿勢90°

14２・２

山口県産業技術センター

研究報告No.34(2022)

接着剤種による引張強度の違い

表2

図 3 に接着剤種による接着性を評価するために分割して種別造形した試験片を示す．標準片は，JIS K7161-2 に記載されている 1A 形を二等分したモデルで造形した．造形材料

使用した接着剤
主な対象材料①シアノアクリレート系(A 社)②シアノアクリレート系(B 社)③シアノアクリレート系(C 社)④エポキシ系⑤変性シリコン樹脂系⑥シリル化ウレタン樹脂系

は，PP 材及び PA12 材である．造形時の姿勢は 0°,45°，90°とした．図 4 に各試験片間の接着状態を均一化するための接着用治具を示す．全ての試験片を同一の治具を用いて接着した．表 2 に使用した接着剤を示す．接着剤はシアノアクリレート系 3 種とエポキシ系，変性シリコン樹脂系，シリル化ウレタン樹脂系をそれぞれ 1 種ずつ使用した．評

金属，合成ゴム，硬質プラスチック 等
PP，PE，ウレタン，シリコン，ゴム 等金属，合成ゴム，硬質プラスチック 等
エンプラ，各種プラスチック，ステンレス 等

価した試料数は姿勢ごとに 5 個とし，平均値を算出した．

金属，ナイロン，アクリル，ゴム，ポリカーボネート等
金属，硬質プラスチック，合成ゴム，硬質プラスチック，木材，コンクリート 等

２・３

バレル研磨機による表面研磨の効果

図 5 にバレル研磨評価用サンプルを示す．サンプルは一辺が 40mm の立方体をベースにしており，評価の目的に応じて一部形状に変更を加えた．サンプル A は，コーナーエッジの摩耗が評価できるようにコーナーエッジを多く設けた形状で造形した．サンプル B は，フィレットを施したコーナーの摩耗が評価できるよう，エッジに R=2，4，6，8，10mm の半径が異なるフィレットを施した．造形材料は，PA12 材である．バレル研磨は，市販されている市販のバレル研磨機で 3 時間実施した．回転速度は，4 段階の設定が可能であり，最も速い回転速度を使用した．また，正転とa)接着前逆転を繰り返す反転機能を使用した．充填した研磨材料は，二酸化ケイ素と酸化アルミナを主成分とした荒研削用のセラミック系メディア 1kg，コンパウンド 20mL，水 1L とした．評価は表面粗さと寸法及び形状測定とした．
図 6 に表面粗さ及び寸法測定評価箇所を示す．表面粗さは，造形時に造形ステージと接触する下面と積層による段図3b)接着後分割して造形した試験片(PA12)が生じる側面，走査面となる上面の三箇所とした．また，表面粗さの測定条件は JIS B0601 に準拠しカットオフ値
λc=2.5mm，評価長さ 12.5mm，送り速度 0.5mm/s とし，Raで評価した．寸法及び形状測定は，3D スキャナー(光学縞投影)でサンプル形状を測定し，得られた形状データに対して 3D Systems 社製の 3D 検査用ソフトウェア GeomagicControl を用いて評価した．幅 W，奥行 D，高さ H の長さ測定とベストフィット処理を用いた形状比較を実施した．

a)接着治具本体

接着箇所b)使用時
図 4 接着用治具a)サンプル A
図5b)サンプル B

バレル研磨用サンプル

粉末樹脂積層モデルの実用的な利用に向けた基礎的な研究

1550
メーカー公称値：47MPa

Ｄ40上面

引張強度 [MPa]□面○面
上面
側面302010Ｗ

側面凹側面

Ｈ0凹下面

①②③④接着剤種⑤⑥下面下面a)造形材料 PA12粗さ測定箇所

図650

表面粗さ及び寸法測定評価箇所

３．実験結果３・１

造形姿勢による引張強度の違い

図 7 に造形姿勢と引張強度の関係を示す．なお，図中の破線はメーカーの公称値(47MPa)をである．造形姿勢は 0°

引張強度 [MPa]4030
メーカー公称値：21.4MPa
2010の際に最も引張強度が高く，メーカーの公称値 47MPa に対して 43MPa(公称値に対して約 91%)の強度を確認した．粉0①

末床溶融結合方式は，樹脂の再結晶化の仕組みを利用して②いることから異方性は小さいと推測されていたが 10%程度の差異が確認された．

③④接着剤種⑤⑥b)造形材料 PP
図8

接着剤種と引張強度の関係

50
メーカー公称値：47MPa

バレル研磨機による表面研磨の効果

図 9 にバレル研磨前後の表面粗さ Ra を示す．表面粗さ

45

引張強度 [MPa]３・３の差異は位置によって傾向が異なり，側面が最も変化が大きい結果となった．側面は積層による段が生じる面であり，40初期状態での表面粗さが上面よりも小さいにもかかわらず35研磨の効果が大きい．これは図 10 の粗さ曲線に示すように，積層によって生じる段差の間隔が造形時の走査間隔に3004590

造形姿勢[°]

よって生じる段差の間隔よりも細かく凸部を除去し易い形状をしていることが要因と考えられる．また，上面，○面，□面，凹下面は全て走査面であるが，バレル研磨による表図7

造形姿勢と引張強度の関係

面粗さ低減効果は類似している．このことから，多少の段差や凹部分であっても比較的均一に研磨できるという事が３・２

接着剤種による引張強度の違い確認された．

図 8 に接着剤種と引張強度の関係を示す．なお，図中の図 11 にサンプル A とサンプル B の面間幅寸法測定結果

破線はメーカーの公称値(PA12:47MPa，PP:21.4MPa)である．

を示す．全ての箇所で測定値が減少しているが，減少率は引張強度は，PA12 及び PP 共にシアノアクリレート系(①，0.2%程度であった．表面粗さ測定の結果から，方向によっ②，③)の接着剤を使用した際が高い傾向にあった．PA12 でては減少率に差異が生じると推測されていたが，減少率自は③の接着剤の平均引張強度が最も高く，19.7MPa でメー体が微小であり顕著な傾向は確認できなかった．

カーの公称値(47MPa)の約 42%程度であった．また，PP では

図 12 にサンプル A における形状比較及びコーナーエッ②の接着剤の平均引張強度が最も高く，11.2MPa でメーカジ測定箇所とその結果を示す．形状比較は CAD データとのーの公称値(21.4MPa)の約 52%程度であった． 接着剤を用比較であり，青い部分が CAD データに対して内側に小さくいた接合は，引張強度が半減する可能性が高く，注意が必なっている箇所である．形状比較から分かるようにコーナ要であることが確認された．

ーエッジに集中的な摩耗が確認された．コーナーエッジの16

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研究報告

摩耗量を確認するため，コーナーエッジ測定箇所に示す 8No.34

コーナーエッジ

1箇所で C 面の測定を実施した．研磨前と研磨後との比較に(2022)
12 34 56より，コーナーエッジはバレル研磨機による 3 時間の研磨で C0.5～1.0mm 程度の面取り効果があることが確認された．
図 13 にサンプル B における形状比較及びコーナーR 測定箇所とその結果を示す．コーナーR は研磨による変化が殆ど無く，0.5%未満の差異であった．

7
研磨前a)形状比較

研磨後78b)コーナーエッジ測定箇所

40(1-7 断面)

35

研磨前

251.2201.0151050上面

下面

側面○面□面凹下面

凹側面

C面取り寸法 [mm]Ra [μm]30

表面粗さ測定箇所

図90.80.60.40.2

バレル研磨前後の表面粗さ Ra0.0
1

研磨前

研磨後

2研磨後

3456コーナーエッジの箇所

78c)コーナーエッジ C 面測定結果
図 12形状比較及びコーナーエッジ測定箇所とその結果

コーナーＲR4a)上面
研磨前

研磨後
R2R8R6b)側面
図 10a)形状比較及びコーナーR 測定箇所

粗さ曲線
研磨前

研磨前

研磨後

10.0

研磨後

コーナーR寸法 [mm]40.2

寸法 [mm]

39.7

39.2

8.0
6.0
4.0
2.0

38.7
0.0
R238.2A(W)A(D)

図 11A(H)
B(W)
B(D)
サンプル及び測定箇所

面間幅寸法測定結果

B(H)

R4R6コーナーRの箇所

R8b)コーナーR 測定結果
図 13形状比較及びコーナーR 測定箇所とその結果

粉末樹脂積層モデルの実用的な利用に向けた基礎的な研究
４．結言

17た接着剤を正しく選定することが重要である．また，

本研究では，粉末焼結式樹脂造形機で造形した粉末樹脂接着剤による接合を予定している場合は，事前に十積層モデルにおいて，造形姿勢と引張強度の関係，接着剤分な安全率を確保した設計を行うことも重要である．

種と引張強度の関係，バレル研磨による表面粗さや寸法及

3) バレル研磨機による表面研磨は，表面粗さやコーナび形状の変化について評価した．得られた知見を以下に示

ーエッジには一定の効果があり，面間の 幅寸法変化す．

やコーナーR については殆ど効果が無い等，形状に

1) 造形姿勢は 0°が最も引張強度が高く，PA12 におい対する研磨の影響度や傾向を確認した．造形後にバてメーカーの公称値 47MPa に対して 43MPa(公称値にレル研磨機を使用する場合，得られた指針を考慮し対して約 91%)であることを確認した．造形姿勢によ元の形状に一部工夫する必要がある．っては強度が 10%以上低下する場合もあり，強度が参考文献必要な方向を考慮した造形姿勢の選択や，安全率を見込んだ設計等が必要である．
2) 接着剤種は PP 及び PA12 共にシアノアクリレート系

1) 新野俊樹:「樹脂造形―第 3 加工法への挑戦―」，日本機
械学会誌，115(1120)，p.160-161(2012)．

で 最 も 引 張 強 度 が 高 く ， PP で 19.7MPa ， PA12 で

2) 木暮尊志，横山幸雄，山内友貴，山中寿行:粉末焼結型

11.2MPa(公称値に対して PA12 約 42%，PP 約 52%)で造形による造形の機械的性質に対する造形方向の影響，あることを確認した．強度が低い接着剤においては

東 京 都 立 産 業 技 術 研 究 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， 8 ， p.72-

母材の数%程度の強度となる場合もあり，材料に合っ75(2013)．