3Dプリンターで強度の高い造形物を作る方法とは

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この記事では、「3Dプリンターを使って強度の高い造形物を作りたい」と考えている方に向けた情報を紹介しています。物体の強度の種類や、3Dプリンターで高い強度を持つ造形物を作成するための方法や素材などについてまとめました。

3Dプリンターで強度の高い造形物は作れるのか？

3Dプリンターではさまざまな造形物を作成できますが、強度が足りないために作成を諦めているというケースがあるかもしれません。樹脂製の3Dプリンターの場合、従来工法と比較すると強度が低い傾向があるものの、造形方式や使用する素材を工夫することで強度を高められる場合もあります。

3Dプリンター造形における強度とは

3Dプリンター造形における強度の種類

物体の強度にはさまざまな種類があります。例えば「引っ張り力」や「圧縮力」「せん断力」などがありますが、全ての強度を満たした造形物を3Dプリンターで作成することは非常に難しいといえます。

さらに、強度は造形物の形状に左右されるという部分もあります、そのため、高い強度を実現するためには主な用途を満たしているサンプルデータを用いてテスト造形を行いつつ、機種の選定を行っていくことが必要と考えられます。

強度の低い箇所が生じる可能性

3Dプリンターによって造形を行う場合、基本的には積層を繰り返していく仕組みとなっているため、方式によっては強度の弱い部分ができてしまう可能性もあります。

例えば造形方式のひとつである「MEX方式」の場合、熱で溶かした樹脂をノズルから押し出し、ひと筆書きで一層ずつ重ねて造形を行います。1層目の冷えた樹脂の上に熱い状態の樹脂を造形する、という動きを繰り返しながら縦方向に積み上げるため、積み重なっている層の境界部分は樹脂のくっつきが弱くなります。すなわち、横方向と比較すると縦方向の方が「引っ張り力」が弱くなることになります。

このように、造形方式によっては物理的な特性が方向により異なる（＝異方性）場合があるため、強度を重視する場合には造形方向に注意する必要があります。

造形物の強度を高める方法

設計データや造形方向の調整

「MEX方式」など、縦方向に積み上げてモデルを造形する場合には、どうしても横方向と比較すると縦方向の引っ張り強度が弱くなります。もし引っ張り強度を高めることが必要な部分がある場合には、あらかじめ積層方向を考慮しながら3Dデータを作るという方法もあります。モデルの使用目的に合わせた形で造形方向を調整することによって、引っ張り強度が弱くなってしまう部分の調整が可能となります。

ただし、実際には造形してみないとわからない部分もあるので、まずは方向が異なるパターンを数種類作成した上で比較してみることがおすすめです。

後加工による強化

造形を行った後に加工を施すことによって強化する方法もあります。3Dプリンターで造形を行う場合、よりきれいな仕上がりにするために塗装や研磨、コーティングなどが行われますが、例えば「ネジ加工」を行う場合にも後加工が行われます。

3Dプリンターでネジ穴を作成した場合、強度が足りないことから数回ネジを脱着しただけで欠けてしまうケースがあります。そのため、インサートやヘリサートといった後加工を行うことによって、ネジ穴の強度や耐久性を向上させ、ネジの脱着を繰り返した場合でも欠けてしまわないように強化することが可能となります。

ネジ加工におけるインサートやヘリサートは、後加工によって強度を上げるひとつの例ですが、このように3Dプリンターによる造形のみで強度を確保する以外にも、後加工を組み合わせることによって強度を高めるという選択肢も考えられます。

強度の高い3Dプリンターの材料

金属材料

強度の高い造形物を作る方法として、金属材料を使用する金属3Dプリンターを使用する方法があります。金属3Dプリンターで造形を行う場合、チタンやアルミニウム、ステンレスなどの素材を使用して造形を行います。金属3Dプリンターを使用した造形物における引っ張り強度や耐力などの機械的特性は、鋳造品や鍛造品と同等であるといわれています。

金属材料を使用する金属3Dプリンターは、樹脂を材料として造形を行う3Dプリンターよりも導入費用が高額になることが一般的です。しかし、強度に加えて硬度や耐熱性に優れた金属材料を使用した造形を行う場合には、金属3Dプリンターの使用を検討することが必要になります。

CFPR（炭素繊維強化プラスチック）

プラスチックを炭素繊維で強化した複合素材であるCFPR（炭素繊維強化プラスチック）を使用するのもひとつの方法です。CFPRは非常に軽量で引っ張り強度に優れた素材で、航空宇宙や電気自動車、風力発電など、さまざまな分野で用いられています。

CFPRを使用して3Dプリンターで造形を行う場合、一般的な3Dプリンターでは対応できないため、専用の3Dプリンターを使用する必要があります。

エンプラ、スーパーエンプラ

エンプラ（エンジニアリングプラスチック）とは工業用に開発された樹脂であり、高耐久性・高耐熱性を持つ高性能な樹脂のことを指しています。さらに、エンプラの中でも特に高性能なものを「スーパーエンプラ（スーパーエンジニアリングプラスチック）」と呼んでいますが、この素材は機械部品自動車部品など、さまざまな工業部品などに用いられています。

エンプラやスーパーエンプラに対応した3Dプリンターを使用することによって、それぞれの特徴に応じた強度を持つ造形物の作成が可能となります。

よくある質問

Q1 金属3Dプリント品は、同じ材料の鋳造品や鍛造品と同じ強度になりますか？

A

同じ材料名でも、同じ強度になるとは限りません。疲労が問題になる部品では、一度の引張試験だけで判断できません。内部の空隙や仕上げ面が破損の起点になるため、求める寿命に合う試験を選びます。造形方式、方向、内部欠陥、熱処理、表面仕上げによって特性が変わります。

必要な引張強度や疲労寿命、硬さ、耐熱性を用途ごとに定め、候補条件の試験データと照合します。重要部品では実形状の試作と必要な検査を行って判断します。

Q2 軽量化と強度を両立したいとき、材料名だけで候補を選べますか？

A

材料の強さだけでは、部品としての性能は決まりません。炭素繊維入り樹脂や金属は候補になりますが、造形方向、肉厚、締結部、使用温度を含めて設計する必要があります。軽量化のために薄くし過ぎると、材料自体が強くてもたわみや締結部の割れが先に問題になります。部品全体の形状で比べる必要があります。

まず負荷と許容重量を決め、同じ形状・同じ荷重条件で候補材料を比較すると、過剰な材料選定を避けられます。

Q3 繰り返しネジを締める造形部品では、ネジ穴をどう補強しますか？

A

樹脂に直接タップを切るより、用途に合う金属インサートや埋め込みナットを使う方法があります。インサートを熱で圧入する場合は、周辺樹脂の溶け方や穴の設計で保持力が変わります。交換や修理が必要な箇所なら、ナットを取り替えられる構造も候補です。ただし、周囲の肉厚が足りないと補強部ごと割れる場合があります。

予定するネジ径・締付トルク・脱着回数を決め、代表形状で繰り返し試験をしてから採用すると安心です。

Q4 FDM造形品は、なぜ力をかける向きで強度が変わりますか？

A

溶けた樹脂の線を重ねて作るため、線の方向と層の境界では力の伝わり方が異なります。層間の弱さが問題なら、外周を厚くするだけでは改善しないことがあります。荷重を面内に受ける向きへ部品を置けるかが設計上の要点です。特に層を引き離す方向は弱くなりやすい傾向があります。

ただし差の大きさは材料や温度設定、形状でも変わります。部品が受ける主な荷重を示し、造形方向を変えた試験片で確認するのが確実です。

Q5 強度が不足したとき、データ設計と造形条件のどこを見直しますか？

A

まず破損位置と荷重方向を確認します。破損面が層に沿っているか、穴の縁から割れているかで対策は違います。前者なら造形方向や温度条件、後者なら形状や局所補強を先に見ます。薄肉、鋭い角、穴の周囲、積層境界が原因になっていないか見て、必要に応じて肉厚・曲率・造形方向を調整します。

充填率を上げるだけでは局所的な破損を解決できない場合もあります。変更点を一つずつ分けて試作し、同じ条件で比較してください。

Q6 引張・圧縮・せん断のすべてに強い造形物は、方式だけで選べますか？

A

一つの方式や材料だけで、あらゆる荷重条件を保証することはできません。例えば引張には十分でも、繰り返し曲げで割れる部品があります。最も厳しい荷重がどこにかかるかを特定し、その条件を優先して試験します。まず実際にかかる力、繰り返し回数、温度、破損した場合の影響を整理します。

そのうえで材料・造形方向・形状・後処理を組み合わせ、重要な荷重条件で試験します。評価項目を絞ることが、必要な強度を満たす近道です。