レーザ走査方向を 30 度方向積層ピッチを 0.1mm としたガラスビーズを複合したナイロン 11 材料の造形条件を探索するため造形条件のうちレーザ出力輪郭描画出力オフセット Fill オフセット Out 走査幅ベースを表 1 に示す条件に設定し L18 直行表に割り付けて造形を行った

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かげたつおおばま
5 years ago
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1 樹脂粉末床溶融結合法による複合材料造形技術の構築 [ 要旨 ] *1 宮内宏哉上原 *2 忍 *3 村松遥子ファイバーレーザを光源とする樹脂粉末床溶融結合法においてナイロン 11 粉末にガラスビーズを複合した材料の造形を試みたガラスビーズ複合材料を安定して造形するためにはレーザ出力を高めることが有効であった粒径 15μm のガラスビーズを 30wt% 複合した造形品の引張弾性率及び曲げ弾性率はナイロン 11 造形品の約 2 倍となり造形精度も向上した 1 はじめに樹脂粉末床溶融結合法とは 3D プリンターとして知られている付加製造の一方法である樹脂粉末材料を敷いた層 ( 厚 0.1mm 程度 ) にレーザ光を走査してレーザ照射部のみを溶融させこの層を繰り返し積層溶融させた後溶融部を再凝固させて三次元構造体を作製する形状自由度が高く強度に優れた造形品が得られる利点があり形状確認だけでなく試作品として機構機能の評価にも用いることができる利点がある 1) 樹脂粉末床溶融結合法の課題の一つが造形可能な材料が限られている点である 2) レーザ光による樹脂粉末材料の溶融の際に材料の融点近くまで予熱するため造形可能な材料は装置の耐熱温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂に限られるまた再結晶温度と凝固点の温度差が大きい材料であることが求められるこれは溶融した樹脂粉末材料が再凝固する際に発生する応力を抑えるため溶融した樹脂粉末材料を再結晶温度と凝固点の間の温度に保ったまま次の層の造形を進め全 *1 基盤技術課主任研究員 ( 現 ( 公財 ) 京都産業 21) *2 基盤技術課主任研究員 *3 基盤技術課技師ての層の造形が終了した後に冷却するために必要であるこれら特性を満たす材料として樹脂粉末床溶融結合法ではナイロン 11 及び 12 が広く用いられている一方工業製品として最も広く利用されているナイロン樹脂はナイロン 6 であるナイロン 6 はナイロン 11 及び 12 に比べて弾性領域での強度が高いそのため樹脂粉末床溶融結合法によるナイロン 11 及び 12 の造形品はナイロン 6 を用いた部品の形状確認には使えるが機構機能の評価には利用できないことが課題となっているそこで本研究では樹脂粉末床溶融結合法によりナイロン 6 を用いた部品の機構機能を評価可能な試作品を提供するためナイロン 11 粉末にガラスビーズを複合した材料の造形を試み弾性領域での強度向上を目指したまた実用性を確認するため造形品の引張伸び及び形状精度を評価した 2 実験方法 2.1 造形装置粉末床溶融結合法による造形装置はアスペクト製 RaFaEl300F を用いた本装置の熱源はビーム径 0.17mm のファイバーレーザを採用している造形条件はレーザ走査速度を 10m/sec 1

に示す条件に設定し L18 直行表に割り付けて造形を行った表 1 造形条件 No.

ガラスビーズ No. 粒径 (μm) 拡大写真 α 69 D E オフセット Fill オフセット Out 0.10mm 0.17mm 0.25mm 0.07mm 0.10mm 0.15mm F 走査幅 0.

2 造形材料ナイロン 11 粉末材料には ASPEX-FPA 黒 ( 平均粒子径 ) を用いた拡大写真を図 1 に示す黒色部がナイロン 11 粉末である当該ナイロン 11

2 レーザ走査方向を 30 度方向積層ピッチを 0.1mm としたガラスビーズを複合したナイロン 11 材料の造形条件を探索するため造形条件のうちレーザ出力輪郭描画出力オフセット Fill オフセット Out 走査幅ベースを表 1 に示す条件に設定し L18 直行表に割り付けて造形を行った表 1 造形条件 No. 因子名水準 1 水準 2 水準 3 レーザ出力 10W 12W 14W A 15W 17W 21W C 輪郭描画 -5W -7W -9w 図 1 ナイロン 11 粉末材料拡大写真表 2 ガラスビーズ No. 粒径 (μm) 拡大写真 α 69 D E オフセット Fill オフセット Out 0.10mm 0.17mm 0.25mm 0.07mm 0.10mm 0.15mm F 走査幅 0.06mm 0.08mm 0.10mm G ベース無下上下 H ダミー無無無 β 造形材料ナイロン 11 粉末材料には ASPEX-FPA 黒 ( 平均粒子径 ) を用いた拡大写真を図 1 に示す黒色部がナイロン 11 粉末である当該ナイロン 11 粉末材料は粉砕法により調製されており形状サイズともに様々であることが確認できたガラスビーズは表 2 に示す 3 種類を用いガラスビーズが wt% になるようナイロン 11 粉末に添加して混合したガラスビーズはいずれも比重 2.5 のソーダガラスであり活性化処理は施していない粒径はレーザ回折式粒度分布測定によりメディアン径を求めた γ 強度評価造形品の強度はインストロン製万能材料試験機 1122 型 (5kN) を用い引張弾性率及び曲げ弾性率を測定した引張弾性率はつかみ具間距離 2

3 40mm 試験速度 1mm/min. とし引張ひずみ 0.05% 及び 0.25% における応力から算出した曲げ弾性率は試験間距離 64mm 試験速度 1mm/min. の三点曲げ試験における曲げひずみ 0.05% 及び 0.25% における応力から算出した 2.4 形状精度評価樹脂粉末床溶融結合法の造形では余剰熱の影響により凸は大きく穴は小さく造形される傾向があるそのため同じ寸法で造形した凸と穴の寸法差が小さいほど精度の高い造形が可能となる今回造形品の形状精度を確認するため図 2 に示す同じ寸法の凸と穴を有する試料を作製した凸及び穴は 5mm 3mm 2mm 1mm 角の 4 種類を設けたが今回寸法差が最も大きかった 5mm 角の凸と穴について画像測定で求めた寸法の差異を評価した 5mm 角 3mm 角 2mm 角 1mm 角図 2 形状精度確認試料 3 結果 3.1 造形条件検討結果ナイロン 11 粉末にガラスビーズを複合した材料の造形を導出するため品質工学手法 ( パラメータ設計 ) を用いて実験を行った信号因子はガラスビーズ複合量特性値は引張弾性率とした制御因子は表 1 に示す造形条件を用い誤差因子は表 2 に示すガラスビーズの粒径とした求めた SN 比の要因効果図を図 3 に示すレーザ出力 (A) の要因効果が最も大きくレーザ出力が大きくなるほど SN 比が向上した SN 比 (db) 制御因子図 3 SN 比の要因効果図 3.2 強度評価結果ナイロン 11 粉末単体及びナイロン 11 粉末にガラスビーズを複合した材料の造形品から求めた引張弾性率及び曲げ弾性率をそれぞれ図 4 5 に示す造形時のレーザ出力はナイロン 11 粉末にガラスビーズを複合した材料についてはいずれも 3) 21W ナイロン 11 材料は過去の研究で得られた最適条件である 17W としたガラスビーズα( 粒径 69μm) 及びβ(35μm) を複合した材料の引張弾性率曲げ弾性率は複合量が 40wt% までは向上したが複合量が 60wt% になると低下した一方ガラスビーズγ( 粒径 15μm) を複合した材料の引張弾性率曲げ弾性率は複合量が増えるほど向上し複合量が 60wt% の造形品が最も高い値を示した引張弾性率 (MPa) α 複合量 (wt%) β 複合量 (wt%) 試料図 4 引張弾性率 3

4 曲げ弾性率 (MPa) 寸法差 (mm) すガラスビーズγの複合量が増えるほど凸と穴の寸法差は小さくなり形状精度が向上したことが確認できた α 複合量 (wt%) 図 5 曲げ弾性率 β 複合量 (wt%) 試料ガラスビーズ 3.3 伸び評価結果引張弾性率及び曲げ弾性率の向上が著しかったガラスビーズγ( 粒径 15μm) 複合造形品について破断に至るまで引張試験を継続したその応力 / ひずみ曲線を図 6 に示す 20wt% 複合した造形品は弾性変形後に塑性変形を経て約 18% 伸びた後に破断した一方 40wt% 及び 60wt% 複合した造形品では弾性変形領域で破断しており 5% 未満のひずみ量であった図 7 凸と穴 (5mm 角 ) の寸法差引張試験片 (80mm 長 ) の端部における反り量を図 8 に示すガラスビーズγの複合量が増えるほど反り量は減少した反り量 (mm) 1 応力 (MPa) 40wt% 60wt% 20wt% Owt% ( ナイロン 11 のみ ) ガラスビーズ図 8 引張試験片 (80mm 長 ) 端部の反り量ひずみ (%) 図 6 応力 / ひずみ曲線 ( ガラスビーズ γ 複合造形品 ) 3.4 形状精度の評価結果ガラスビーズγ( 粒径 15μm) を複合した造形品について形状精度を評価した結果を図 7 に示 4 考察 4.1 強度及び造形精度の向上に係る考察ガラスビーズの複合によりナイロン 11 造形品の強度を向上させるためには粒径が最も小さいガラスビーズγが最も有効であったこれはナイロン 11 粉末の隙間にガラスビーズγ が入り込んだ状態で造形されることで緻密な造形品が得 4

られたことが要因と考えられるそこで造形品の密度を測定した結果を図 9 に示すガラスビーズγが最も密度が高くなっておりガラスビーズ γがナイロン 11 粉末の隙間に入って複合することにより強度向上に寄与したと推測される密度 (g/mm 3 ) α 複合量 (wt%) β 複合量 (wt%) 試料図 9 造形品密度評価結果 4.

ガラスビーズγを 30wt% 複合した造形品は 20wt% と 40wt% 複合した造形品の中間の強度と伸びを示しており強度と伸びを両立する意図通りの造形品となっていることが確認できた熱収縮率次にガラスビーズ複合による形状精度の向上について考察する樹脂粉末積層造形においては樹脂粉末がレーザにより溶融された後冷え固まって固体となる際に体積が収縮するため

5 られたことが要因と考えられるそこで造形品の密度を測定した結果を図 9 に示すガラスビーズγが最も密度が高くなっておりガラスビーズ γがナイロン 11 粉末の隙間に入って複合することにより強度向上に寄与したと推測される密度 (g/mm 3 ) α 複合量 (wt%) β 複合量 (wt%) 試料図 9 造形品密度評価結果 4.2 ガラスビーズ γの最適複合量の検証ガラスビーズγを 40wt% 以上複合させた造形品は図 6 に示すとおり弾性変形領域で破断しており靱性が低く実用には向かないことが示唆されたそこで強度と伸びを両立するガラスビーズγの複合量を検討するためガラスビーズγを 30wt% 複合した材料の造形を行いその引張弾性率曲げ弾性率及び伸びを評価したその結果を図 11~13 に示すガラスビーズγを 30wt% 複合した造形品は 20wt% と 40wt% 複合した造形品の中間の強度と伸びを示しており強度と伸びを両立する意図通りの造形品となっていることが確認できた熱収縮率次にガラスビーズ複合による形状精度の向上について考察する樹脂粉末積層造形においては樹脂粉末がレーザにより溶融された後冷え固まって固体となる際に体積が収縮するため造形品はレーザ走査に用いる三次元データよりも小さく出来上がるガラスビーズγ( 粒径 15μm) を複合した引張試験片について熱収縮率を算出した結果を図 10 に示すガラスビーズγの複合量が増えるほど熱収縮率は小さくなったこれにより熱収縮時の変形量が少なくなったことが反りの低減及び造形精度の向上に寄与したと考える引張弾性率 (MPa) 図 11 引張弾性率 ( ガラスビーズ γ 複合造形品 ) 曲げ弾性率 (MPa) 図 12 曲げ弾性率 ( ガラスビーズ γ 複合造形品 ) 図 10 熱収縮率 ( ガラスビーズ γ 複合造形品 ) 5

黒色が薄くなっているためレーザ光の吸収が低下し特にガラスビーズ α 及び β を 60wt% 複合した造形品では造形品密度及び強度が低下したことが想定される 4) 既存文献では白色の粉末材料はカーボン等で黒色に着色することでファイバーレーザを採用した樹脂粉末積層造形で造形できることが報告されているそこで今回ガラスビーズ β を 60wt% 複合した材料に

6 (a) 応力 (MPa) 図 13 応力 / ひずみ曲線 ( ガラスビーズ γ 複合造形品 ) 4.3 着色による影響の検証熱源に炭酸レーザを用いる樹脂粉末積層造形ではレーザ光はナイロン 11 樹脂に直接吸収されて発熱するため粉末材料の色彩についての制限は無い一方ファイバーレーザを採用した樹脂粉末積層造形ではレーザ光はナイロン 11 樹脂に吸収されないため粉末材料を黒く着色し黒色の着色剤にレーザ光を吸収させて発熱させる今回ガラスビーズを複合することで粉末材料の黒色が薄くなっているためレーザ光の吸収が低下し特にガラスビーズ α 及び β を 60wt% 複合した造形品では造形品密度及び強度が低下したことが想定される 4) 既存文献では白色の粉末材料はカーボン等で黒色に着色することでファイバーレーザを採用した樹脂粉末積層造形で造形できることが報告されているそこで今回ガラスビーズ β を 60wt% 複合した材料に更にカーボンブラックを 0.2wt% 添加して混合し粉末材料全体を黒色に着色したこの材料を用いて造形した結果を図 14 に示す 40wt% 60wt% 30wt% 20wt% ひずみ (%) Owt% ( ナイロン 11 のみ ) (b) 図 14 ガラスビーズ β 60wt% 複合造形品写真 (a) カーボンブラック無し (b) カーボンブラック 0.2wt% 添加カーボンブラックを添加した造形品 ( 図 14(b)) は造形不具合が発生した当該不具合は造形時に材料へ加える熱エネルギーが不足し層間の結合が弱い場合に発生する不具合とよく似ていた既存文献ではカーボンブラックの添加により造形材料を着色することで良好に造形できた旨が報告されている本研究ではカーボンブラックの添加によりレーザ光では溶融しないガラスビーズも着色された点が既存文献とは異なっているレーザ光がガラスビーズ側にも吸収され溶融したい樹脂に吸収されるレーザ光が減ったことが造形不具合の原因と推定される 5 まとめファイバーレーザを光源とする樹脂粉末床溶融結合法においてナイロン 11 粉末にガラスビーズを複合した材料の造形を試みたガラスビーズ複合材料を安定して造形するためにはレーザ出力を高めることが有効であった今回評価した粒径 15~69μm のガラスビーズでは粒径が最も小さい粒径 15μm のガラスビーズを 30wt% 複合した場合に造形品の弾性変形領域での強度が最も向上した粒径 15μm のガラスビーズを 30wt% 複合した造形品の引張弾性率及び曲げ弾性率はナイロン 11 造形品の約 2 倍であった伸びは低下したが当該ガラスビーズを 40wt% 以上複合した造形品は弾性変形領域で破断したが 30wt% 複合し 6

7 た造形品は塑性変形領域で破断しており使用しやすい材料と考えられるガラスビーズを複合した造形品はいずれも造形精度が向上したこれはガラスビーズ複合による熱収縮率の低下が寄与していると考えられる ( 参考文献 ) 1) 新野俊樹 : 日本機械学会誌,118,1154,p.12 (2015) 2) 丸谷洋二, 早野誠治 : 解説 3D プリンター, オプトロニクス社, p.60 (2014) 3) 宮内宏哉, 後藤卓三, 前田一輝 : 京都府中小企業技術センター技報, 43, p.1(2015) 4) 伊藤史朗, 新野俊樹 :2016 年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, p.309 (2016) 7

3D プリンタにより作製した樹脂部品の強度に関する研究尾形正岐阿部治長田和真西村通喜山田博之渡辺誠 Study on Strength of Resin Materials Processed by Fused Deposition Modeling Printer Masaki OGA

3D プリンタにより作製した樹脂部品の強度に関する研究尾形正岐阿部治長田和真西村通喜山田博之渡辺誠 Study on Strength of Resin Materials Processed by Fused Deposition Modeling Printer Masaki OGA 3D プリンタにより作製した樹脂部品の強度に関する研究尾形正岐阿部治長田和真西村通喜山田博之渡辺誠 Study on Strength of Resin Materials Processed by Fused Deposition Modeling Printer Masaki OGATA, Osamu ABE, Kazuma OSADA, Michiyoshi NISHIMURA,