3D プリンティング モデルの部品サプライヤーとして、私は過去 5 年間、航空宇宙関連の新興企業からロボット工学チームに至るまで、さまざまなクライアントのプロジェクトのトラブルシューティングに費やしてきました。その中で最もよく出てくる疑問が 1 つあります。「負荷がかかっても曲がったり、ひび割れたり、破損したりしない、硬くて信頼性の高い部品をどのようにプリントすればよいでしょうか?」これはひっかけ問題ではありません。3D プリント部品の剛性は、単に「硬い」材料を選択することよりも、材料科学、プリンタの設定、部品が直面する特定の負荷に適合する設計に依存します。設計者が ABS や PETG などの硬い素材に手を伸ばした結果、設定を微調整したり方向を手抜きしたりした結果、予想される荷重の数分の 1 で部品が曲がってしまい、素晴らしいプロジェクトが頓挫するのを見てきました。今日は、実際の使用に耐える高剛性 3D プリント部品を提供するためにここで使用している実践的で科学に裏付けられた手順を詳しく説明します。当て推量は必要ありません。
まず、基礎となる、適切な高剛性材料の選択について説明します。すべての硬い素材が同じように作られているわけではありません。間違った素材を選択することは、お客様が犯す最大の間違いです。私たちのために3D プリントモデルパーツお客様の場合、私たちは常に用途に対する材料の適合性から始めます。ロボット アーム ブラケット、航空宇宙の構造プロトタイプ、産業機器用のカスタム ハウジングなど、極度の剛性が必要な部品の場合、高い引張弾性率を備えた熱可塑性プラスチックは交渉の余地がありません。 ABS はここでの定番の素材であり、引張弾性率は約 2.2 GPa で、TPU などのより柔軟な素材よりもはるかに伸びや曲がりに強いことを意味します。私たちが定期的に利用しているのは、3D プリント サービス ABS プラスチック ラピッド プロトタイプこれらの部分の行。当社が使用する SLA (ステレオリソグラフィー) プロセスは、ABS 樹脂を硬化させて一貫した分子配列を持つパーツを生成し、低品質の FDM プリントによく見られる「レイヤー ラインの曲がり」を排除します。剛性と生体適合性の両方が必要な医療部品 (サージカル ガイドやインプラント固定具など) の場合、引張弾性率 3.5 GPa の特殊な SLA 樹脂を採用しています。SLA 医療部品の 3D プリントこのサービスにより、剛性を犠牲にすることなく、すべての部品が ISO 生体適合性基準を満たしていることが保証されます。私たちのようなよりニッチなプロジェクトであっても、ヒューマノイドおよび器用ロボット用のカスタム ロボット ハンド ハウジングロボット関節の繰り返しのトルクや衝撃に耐える高剛性のABS系樹脂を採用しました。ここで簡単な注意: 小さな装飾部品専用に販売されている「高剛性」樹脂は避けてください。これらのほとんどは、剛性はあるものの脆くなるフィラーを使用しているため、わずかな荷重でも砕けやすくなります。当社では、注文を処理する前に常に材料サンプルの引張弾性率と曲げ弾性率をテストします。そのため、見た目は硬くても使用できない部品に時間を無駄にすることがありません。
次に、剛性を考慮した設計は材料だけではなく、部品の形状も重要です。世界で最も硬い素材でも、薄く平らな板のように設計すれば曲がります。簡単な例として、5kg のセンサーをロボット アームに取り付けるブラケットを使用してみましょう。ブラケットを厚さ 2 mm のフラット バーとして設計すると、たとえ ABS であっても、センサーの重みでブラケットが曲がります。しかし、耐荷重エッジに沿って高さ 0.5 mm の湾曲したリブを追加すると、同じ 2 mm の厚さでも曲げ剛性が 3 倍になります。これは、3D プリント部品に直接反映される構造工学の基本的な概念であり、私たちが常に実践しているものです。3D プリントモデルパーツ設計レビュープロセス中にクライアントに伝えます。ここでの重要なルールは、幾何学的特徴のある「荷重パス」に従うことです。荷重は部品内を直線 (または制御された曲線) で流れるため、その経路を横切るリブ、ガセット、強化エッジなどの機能は、重量をあまり増やすことなく剛性を高めます。また、サポート材料が接触点で弱く不均一な結合を形成し、後に屈曲点となるため、サポート構造を必要とするオーバーハングも可能な限り避けます。ロボット部品の場合、厚い外壁の内側に中空のセル構造 (格子) を組み込むことがよくあります。これにより、材料の使用量が削減され、部品が軽量に保たれ、格子が荷重を均等に分散し、同じ外径サイズの固体部品と比較して剛性が 40% 向上します。クライアントが犯す一般的な設計ミスは、小さな機能や穴を追加しすぎることです。各穴によって応力集中が生じ、全体の形状が硬くてもパーツが弱くなります。私たちは設計レビューでこれらの応力ホットスポットを常にマークし、応力を軽減するために穴の周囲を滑らかにするか小さな半径を追加することを提案します。
さて、印刷設定に入りましょう。ここが科学と機械の出会いであり、3D 印刷が難しいところです。私は、2 つの同一の部品設計を同じプリンタで異なる設定で印刷するのを見てきました。1 つは 10 kg の荷重を支えるのに十分な硬さで、もう 1 つは 2 kg 未満で曲がります。ここでの最大の要因はレイヤーの位置合わせです。高剛性部品の場合、複数の層に鋭角で負荷がかかることは望ましくありません。部品の長さに沿って引張荷重がかかっている場合は、層をその荷重方向に対して垂直ではなく平行に配置する必要があります。たとえば、長軸に沿って引っ張られる長方形のロッドを印刷する場合は、ロッドの長軸が水平になるように印刷して、各レイヤーが荷重方向に沿って配置されるようにします。あらゆる角度から最適な向きを計算します。3D プリント サービス ABS プラスチック ラピッド プロトタイプ標準としてプロジェクト。当社の設計チームはシミュレーションを実行して、方向が剛性にどのような影響を与えるかをクライアントに示すため、クライアントは推測する必要がありません。次に層の高さです。層が薄いほど層間の結合が良くなり、層間の屈曲が少なくなります。ほとんどの高剛性部品では、速度を高めるために一般的な 0.2 mm の層ではなく、0.1 mm または 0.15 mm の層を使用します。トレードオフとして印刷時間は若干長くなりますが、層間の接着強度は 25 ～ 30% 増加し、剛性に大きな違いがあります。充填も重要な設定です。充填の割合とパターンは、部品のコアの剛性に直接影響します。高剛性の耐荷重部品の場合、プロトタイプによく使用される 10% の充填材ではなく、30 ～ 50% の密度でグリッドまたは直線の充填材を使用します。グリッド充填材は、荷重が直線全体に均等に分散されるため、六角形 (ハニカム) よりも硬く、外壁への接着力が高くなります。また、耐荷重部品のまばらな充填も避けます。 20% の固体充填材であっても、10% の六角形充填材よりも硬いです。フィラメントの代わりに液体樹脂を使用する SLA パーツの場合、重要な設定は層の露出時間とパーツの冷却です。露光不足の層は結合が弱いため、樹脂の種類ごとに露光時間を調整します。たとえば、当社の医療グレードの SLA 樹脂は、SLA 医療部品の 3D プリントは、完全な硬化と強力な層間結合を確保するために、標準より 0.5 秒長い、1 層あたり 2 秒の露光を使用します。最後に、FDM 部品 (ただし、当社の高剛性部品のほとんどは SLA または SLS です) の場合、ABS には 245 ～ 250℃ のノズル温度を使用します。これにより、フィラメントが十分に溶けて強力な層間接着が形成されます。また、ベッド温度は 110℃ で、反りを防ぐことができます。これにより、剛性が低下する不均一な応力が発生する可能性があります。
後処理は、多くの人が見落としがちな最終ステップであり、硬いパーツを作ることも壊すこともできます。完璧な素材、デザイン、設定があっても、後処理が不十分なパーツには隠れた弱点が存在します。 ABS 部品の場合は、必ずアセトン蒸気バスを使用します。これにより、外層が滑らかになり、各層の表面がわずかに溶けて、別々の層ではなくモノリシック (単一ピース) 構造が形成され、曲げ剛性が最大 40% 増加します。また、印刷前ではなく、印刷後にファスナー用のねじ山をドリルまたはタップ加工します。これは、印刷済みのねじ山をタップ加工すると、弱い層状構造に亀裂が入る可能性があるためです。医療部品については、SLA 医療部品の 3D プリント後処理には、樹脂を完全に硬化させるための 72 時間の UV 硬化が含まれており、これにより引張弾性率がさらに 15% 向上し、部品内の残留応力が除去されます。温度変化にさらされる部品 (航空宇宙のプロトタイプなど) については、ストレス リリーフ ベークを行います。ABS の場合は 80℃ で 2 時間、時間の経過とともに部品の反りや曲がりの原因となる内部応力を印刷プロセスから除去します。私はかつて顧客から衛星ペイロード用のブラケットを注文しましたが、ストレスリリーフベークを省略したためテストに失敗しました。印刷による残留応力により、真空や宇宙の温度変化にさらされたときにブラケットが曲がってしまったことが判明しました。この間違いから、私たちは、発送するすべての耐荷重部品について後処理を交渉の余地のないステップにする必要があることを学びました。
これを実際の例と結び付けてみましょう。3D プリントモデルパーツ仕事: 当社が最も人気のあるニッチ製品の 1 つであるヒューマノイド ロボット用に製造するカスタム ロボット ハンド ハウジング。クライアントは、8 個の小型モーターを保持し、ロボットのスイング動作による繰り返しの衝撃に耐える、たわみゼロのハウジングを必要としていました。私たちは、3.2 GPa の曲げ弾性率と生体適合性を理由に選ばれた、高剛性の ABS 状 SLA 樹脂から開始しました (ただし、ここでは必要ありませんでしたが、安全バッファーが追加されました)。次に、厚さ 1.5 mm の外壁、モーターが取り付けられる耐荷重エッジに沿った統合された 0.5 mm の湾曲リブ、および重量と荷重を分散するための内部空洞の中空格子構造を備えたハウジングを設計しました。モーター マウントからの負荷経路が印刷レイヤーと平行になるようにハウジングの向きを決め、0.15 mm レイヤー、40% グリッド インフィルを使用し、SLA 印刷中の露光時間を校正しました。最後に、2 時間のストレス リリーフ ベークと UV 硬化を行いました。最終部品の重量は 120 g、総荷重 2.2 kg をサポートし、目に見える曲がりもなく 10,000 回の衝撃サイクルに合格しました。これはまさにクライアントが必要としていたものでした。その後、さらに 12 台のユニットを注文し、ロボット工学カンファレンスのデモで使用され、話題になりました。
結局のところ、高剛性 3D プリント部品の印刷は、手を抜いたり、最も高価な材料を使用したりすることではなく、材料科学、設計意図、プリンタ設定、後処理を結び付ける総合的なアプローチが重要です。として3D プリントモデルパーツサプライヤーの皆様、私たちは単に部品をお送りするだけではありません。カスタムロボットハウジング、医療ガイド、航空宇宙プロトタイプなど、お客様の部品がその剛性要件を満たすように、当社はお客様と協力してあらゆるステップを改善します。信頼性の高い、高剛性の 3D プリント部品を必要とするプロジェクトに取り組んでいる場合、必要な結果を得るために材料の選択、設計の調整、生産設定をナビゲートするお手伝いをします。お客様の要件について話し合い、カスタマイズされたソリューションを入手するには、お問い合わせください。
参考文献
- ギブス、B. (2021)。 3D プリントされたポリマー部品の構造解析。ジャーナル・オブ・アディティブ・マニュファクチャリング、45、102018。
- ASTMインターナショナル。 （2018年）。プラスチックの引張特性の標準試験方法 (D638-18)。ペンシルベニア州ウェストコンショホッケン: ASTM.
- Mellor, S.、Hao, L.、および Zhang, D. (2014)。業界における積層造形アプリケーション: レビュー。製造プロセスジャーナル、16(1)、2-12。
- ISO 10993-5:2019。医療機器の生物学的評価 - パート 5: in vitro 細胞毒性試験。スイス、ジュネーブ: 国際標準化機構。
- Wang, Y. 他（2020年）。 FDM 3D プリント ABS 部品の機械的特性に対する層の配向の影響。マテリアルとデザイン、190、108557。
