ねじで組み立てようとすると簡単に折れてしまう 3D プリント部品や、繰り返しの使用に耐えられるほど頑丈に感じられるコンポーネントを握ったことがある人なら、すべての 3D プリント強度が同じように作られているわけではないことをすでにご存知でしょう。 3D プリンティング モデルのパーツ サプライヤーとして、私は耐久性のあるハウジングを必要とする小規模なロボット工学の新興企業から、正確で強力なプロトタイプを必要とする医療機器チームに至るまで、クライアントのこれらの正確な違いのトラブルシューティングに何年も費やしてきました。実のところ、3D プリントされたパーツの強度はランダムではありません。それは、材料の選択、印刷技術の設定、デザイン上の決定、後処理ステップの組み合わせによって形成されます。これらの各要因を分析し、私が仕事上で学んだ実際の教訓を共有し、それらを私たちが毎日生産する部品の種類に結び付けてみましょう。
何よりもまず、選択する材料が部品の強度の基礎となる要素です。重い物体を掴む必要がある人型ロボットや器用なロボット [リンク] 用のカスタム ロボット ハンド ハウジングを求めて顧客が当社に来たのに、印刷が速いという理由で低コストの樹脂を選択し、1 週間のテスト後にハウジングに亀裂が入ってしまったことが何度あったことかわかりません。樹脂は細かいディテールに最適ですが、ほとんどの標準的なフォトポリマー樹脂は、特にパウダーベッド印刷で使用される熱可塑性プラスチックと比較すると脆いです。耐荷重部品の場合、私は常にクライアントに表面仕上げだけでなく、材料固有の強度データを提示します。たとえば、高い引張強度や耐衝撃性が必要な部品を印刷する場合、PLA (一般的な熱可塑性プラスチック) とナイロン、金属とでは異なる結果が得られます。選択的レーザー焼結 (SLS) で加工されたナイロンは柔軟性と耐衝撃性を備えているため、ロボットの筐体に最適です。一方、SLM 3D プリントのステンレス鋼モデル [リンク] 部品は、産業機械のコンポーネントに極めて高い引張強度をもたらします。樹脂の中でも、エンジニアリング グレードの樹脂 (タフ レジンやハイインパクト レジンなど) は、標準の透明レジンよりもはるかに優れた強度を備えています。私たちは、お客様が同様の設計で標準レジンからエンジニアリング レジンにアップグレードし、印刷設定を調整することなくパーツの耐久性を 2 倍にした例を見てきました。また、印刷技術が異なれば使用される材料も異なることにも注目してください。樹脂 3D 印刷部品 [リンク] は液体フォトポリマーに依存していますが、SLS は熱可塑性粉末を使用し、SLM は金属粉末を使用するため、部品の最終用途に材料を適合させることは交渉の余地がありません。私がよく目にする間違いは、クライアントが素材の本質的な機械的特性ではなく、コストや印刷時間のみに基づいて素材を選択することです。私たちは常に、プリンターに触れる前に、最初に使用例を確認して素材の選択肢を絞り込みます。
次に、3D プリンティング技術とプロセスパラメータが、その材料の強度を最終部品に反映する上で大きな役割を果たします。最も影響力のある設定の 1 つであるレイヤーの高さから始めましょう。通常、層の高さが低い (層が薄い) と、隣接する層間の結合が増えるため、パーツがより強力になりますが、印刷に時間がかかります。先月、ロボット アーム用の機能ブラケットを印刷しているクライアントがいました。彼は時間を節約するために最初は 0.2 mm のレイヤーを使用しましたが、5 kg の荷重で持ち上げるとブラケットがレイヤーの線に沿って破損してしまいました。 0.1 mm の層に切り替えたところ、部品の層間接着力が大幅に向上し、8 kg を問題なく保持できるようになりました。ただし、レイヤーの高さだけがパラメータではありません。たとえば、SLS 印刷サービス [リンク] の場合、粉末粒子を融合するために使用されるレーザー出力が重要です。低すぎると粒子が完全に結合せず、隙間が生じて部品が弱くなります。高すぎると材料が劣化する危険があり、強度も低下します。樹脂印刷の場合、露光時間と硬化温度 (印刷中と硬化後の両方) が樹脂分子間の架橋に影響します。硬化が不十分だと部品が柔らかく脆弱になり、硬化しすぎると樹脂が脆くなる可能性があります。もう 1 つの重要な要素は、充填材の密度とパターンであり、当社はほぼすべてのクライアントに合わせて調整します。充填は部品の内部構造であり、100% 充填の部品は 20% 充填の部品よりもはるかに強度が高くなりますが、より重く、高価になります。耐荷重部品の場合は、通常、三角形または六角形のパターンで 50 ～ 70% の充填を推奨します。これにより、直線または格子パターンよりも応力が均等に分散されます。これをカスタムのロボット アーム コンポーネントでテストしました。三角形の充填物は、同じ密度の格子状の充填物よりも 30% 優れた耐衝撃性を実現し、クライアントは追加の材料を支払う必要がありませんでした。プリントベッド上のパーツの向きも重要です。層間の結合は層内の結合よりも弱いため、荷重に対して平行な層で印刷される部品は、ほとんどの場合、荷重に対して垂直な層で印刷される部品よりも弱くなります。強度の問題を解決するために、材料の変更を必要とせずに、クライアントの部品の方向を何度変更したかわかりません。たとえば、平らに印刷されたマウント (層が引っ張り力と平行) は 100N で折れます。 90度回転させて層を引っ張り力に逆らわせたところ、250Nを保持できました。これは大きな違いを生む簡単な修正です。
さらに、初めて 3D プリントを行うユーザーが見落としがちな、デザイン特有の要素もあります。最大の問題は部品の形状、特に応力集中です。鋭い角、薄い壁、アンダーカットにより応力が蓄積する箇所が生じ、亀裂や破損につながります。たとえば、90 度の直角を持つ部品は、丸い (フィレット) 角を持つ同じ部品よりも強度が大幅に低くなります。これは、丸い角のほうが応力がより均等に分散されるためです。当社では、負荷がかかる部品には常に少なくとも 1 mm のフィレットを追加し、壁が薄いことについてクライアントに警告しています。壁の厚さが 1.5 mm 未満の場合、特に脆い材料で作られている場合、曲がったり壊れたりしやすくなります。もう 1 つの設計要素は壁の厚さです。厚さが異なると印刷中の冷却が不均一になり、内部応力が発生するため、均一な壁の厚さが重要です。部品のある領域の厚さが別の領域の 2 倍である場合、厚い領域は冷却が遅くなり、反りや隙間が生じて部品が弱くなることがあります。私たちは、壁が平らでないデザインを提出したクライアントのために、多くのカスタム パーツを再設計する必要がありました。これは、パーツを印刷可能かつ強度の高いものにするための小さな調整です。 3D プリント金属部品 SLA アルミニウム ステンレス鋼 [リンク] コンポーネントなどの金属部品の場合は、サポート構造も考慮する必要があります。サポートが正しく配置されていない場合、取り外すときに粗い表面が残ったり、部品に損傷を与えたりして、弱点が生じる可能性があります。当社では、耐荷重金属部品専用にサポートの配置を設計し、印刷後の材料の除去を最小限に抑えるサポートの種類を選択することで、最終部品がベース材料と同じ強度になるようにします。
後処理は部品の強度を左右する最終ステップですが、最も過小評価されていることがよくあります。樹脂パーツの場合、後硬化は不可欠です。プリンターの硬化設定が完璧であっても、樹脂を完全に架橋させるためにパーツは印刷後に追加の UV 露光が必要です。私たちは二次硬化しなかった部品をテストしました。印刷直後は丈夫に感じられますが、1 週間使用すると柔らかくなり、もろくなります。 SLS 部品の場合、粉末除去とビード ブラストにより表面仕上げを改善できますが、過度のビードは薄壁を侵食し、強度を低下させる可能性があります。パーツごとにビードブラストの圧力と時間を調整することで、表面の平滑性と構造の完全性のバランスをとります。金属部品の場合、印刷プロセスによる内部応力を軽減するために、熱処理などの後処理ステップが一般的です。たとえば、SLM プリントされたステンレス鋼部品にはレーザー溶解プロセスによる小さな内部応力があり、緩和しないと反りや亀裂が発生する可能性があります。印刷後の熱処理によりこれらの応力が軽減され、場合によっては部品の強度が最大 20% 向上します。弊社ではコーティングや機械加工などの仕上げオプションも提供していますが、コーティングを厚くしすぎると応力が加わったり、正しく塗布されないとムラが生じたりする可能性があることを常にお客様に警告しています。
これを、私たちの前四半期の取り組みの実例と結び付けてみましょう。あるロボット工学会社は、最大 2kg の物体を掴むなどのラボテストでの毎日の使用に耐えられる、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 [リンク] を必要としています。彼らが提出した最初のデザインは標準的な樹脂でできており、20% のグリッド埋め込みで 0.2 mm の層で印刷され、鋭い角を持っていました。プロトタイプをテストしたところ、最初に掴んだ後に壊れました。私たちはその要因を一緒に検討しました。まず、材料を標準樹脂の 2 倍の引張強度を持つエンジニアリンググレードのタフレジン (樹脂 3D プリント部品 [リンク]) に切り替えました。次に、層間の接着力を向上させるために層の高さを 0.1 mm に調整し、充填材を 60% の三角形パターンに変更し、すべてのコーナーに 2 mm のフィレットを追加し、層がロボット グリッパーの引っ張り力に抗して走行するようにプリント ベッド上のパーツの向きを変更しました。また、樹脂の完全な架橋を確実にするために、24 時間の硬化後ステップも追加しました。最後の部品は破損することなく 5kg を保持できたので、クライアントはそれ以来、研究室用にさらに 50 ユニットを注文しました。このプロジェクトは、強度とは 1 つの要素だけではなく、部品の特定のニーズを満たすために適切な材料、プロセス パラメーター、設計、後処理を組み合わせることが重要であることを私に思い出させました。
サプライヤーとしての私たちの仕事は、クライアントが要求したものを印刷することだけではなく、これらの要素が最終部品にどのような影響を与えるかをクライアントに教育することです。小型のプロトタイプ、機能的な産業用コンポーネント、またはカスタムのロボット部品を印刷する場合、時間をかけてこれらの各要素を正しく理解することが、重要なときに機能する部品と故障する部品の違いを意味します。プロジェクトに取り組んでいて、3D プリントしたパーツが本来の用途に十分な強度を持っていることを確認したい場合は、材料の選択から最終仕上げまで、あらゆるステップをサポートします。お客様の要件について話し合い、プロジェクトに合わせた見積もりを取得するには、お問い合わせください。
参考文献
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