近年、世界中の企業が、技術的な部品を短時間で作成し、コストを削減するために3Dプリントを利用しています。 しかし、3Dプリントされた部品の開発には、新しい材料が使われるため、耐久性が低い可能性があります。 では、3Dプリントされた部品は強いのでしょうか？

特に防弾ガラスや暴徒鎮圧用の盾に使われるPEEKやポリカーボネートなどの特殊なフィラメントを使用した場合、3Dプリントパーツは非常に強い。 インフィル密度、壁厚、プリント方向を調整することで強度を上げることができる。

そこで今回は、3Dプリントで使用される素材とその強度、そして3Dプリントパーツの強度を高めるための工夫をご紹介します。

3Dプリンターで作られた部品は弱くなるのか、壊れやすくなるのか？

強度が出ない設定で3Dプリントしないと、3Dプリントした部品が弱くなったり壊れやすくなったりすることはありません。 インフィルを少なくして、弱い材料で、肉厚を薄くして、プリント温度を低くして3Dプリントすると、弱くて壊れやすい3Dプリントになる可能性があります。

3Dプリントした部品をより強くする方法とは？

ほとんどの3Dプリント素材は、それ自体で耐久性がありますが、強度を高めるためにできることがあります。 それは、主に設計プロセスの細かい部分になります。

そこで、これらの要素が3Dプリント構造物の強度にどのような影響を与えるかを見ていきましょう。

インフィル密度の向上

インフィルとは、3Dプリントパーツの壁を埋めるためのもので、壁の中にあるパターンがパーツの密度を高めてくれます。 インフィルがない場合、3Dパーツの壁は完全に空洞で、外力に対して弱くなってしまいます。

インフィルは、3Dパーツの重量を増やすと同時に、パーツの強度も向上させることができる優れた方法です。

3Dプリントの強度を高めるためのインフィルには、グリッドインフィルやハニカムインフィルなど、さまざまなパターンがあります。 しかし、どの程度インフィルがあるかで強度が決まります。

通常の3D部品であれば25％程度で十分ですが、重量や衝撃に耐えられるような部品であれば、100％に近い方がよいでしょう。

壁の数を増やす

3Dプリントパーツの壁を家の梁に見立てると、外壁が4枚しかなく、梁や内壁がない家では、どんな重さでも倒れたり、曲がったりしてしまう可能性があります。

同じように、3Dプリントの強度は、重量や衝撃を支える壁があって初めて成り立つものです。 だからこそ、3Dプリントの中の壁の数を増やすことで、構造体の強度を高めることができるのです。

これは、表面積の大きい3Dプリントパーツの場合に、特に有効な戦略です。

壁厚の増加

3Dプリントで使用される壁の厚さは、その部品がどれだけの衝撃や重量に耐えられるかを決定します。 ほとんどの場合、壁の厚さは、全体としてより丈夫で頑丈な部品となります。

ただ、壁が厚いと3Dプリントしたパーツを印刷するのが難しいという点はあるようです。

肉厚の調整は、面積に応じて肉厚を変えることができるので、半分に切って解剖しない限りは、肉厚にしたことが外部にわからないというのが最大の特徴です。

一般に、極端に薄い壁はかなり薄っぺらく、外装の重量を支えきれずに崩れてしまう。

一般的に、壁の厚さは1.2mm以上あれば、ほとんどの素材に耐久性と強度がありますが、より高いレベルの強度を求めるなら、2mm以上にすることをおすすめします。

3Dパーツに使われる素材の強さについて

3Dプリンターで作られた部品は、素材によって強度が異なります。

3Dパーツの素材としては、PLA、ABS、PETGの3つがありますが、それぞれの素材がどのようなもので、どのように使えるのか、そしてどの程度の強度があるのかを説明します。

PLA（Polylactic Acid）

PLA（ポリ乳酸）は、3Dプリンターで最もよく使われる素材です。 コストパフォーマンスが高いだけでなく、パーツをプリントするのに非常に使いやすい素材です。

そのため、プラスチック容器、医療用インプラント、包装材などの印刷によく使われています。 ほとんどの場合、PLAは3D印刷に使われる材料の中で最も強い材料です。

PLAは7,250psiという驚異的な引張強度を持つ素材ですが、特殊な環境下では少し脆くなる傾向があります。 つまり、強い衝撃を受けると割れたり砕けたりする可能性が高くなります。

また、PLAは融点が低いため、高温になると耐久性や強度が極端に低下します。

ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）。

ABSはアクリロニトリル・ブタジエン・スチレンとして知られ、PLAほど強くはありませんが、だからといって弱い3Dプリント材料というわけではありません。 実際、この材料は強い衝撃に耐える能力が高く、完全に粉々になるのではなく、しばしば曲がったり曲がったりします。

軽量でありながら耐久性に優れているABSは、3Dプリントに最適な素材のひとつです。

レゴなどの子供向け玩具やコンピュータの部品、配管などの印刷に使われるなど、世界中のあらゆる製品に使われている素材です。

また、ABSは融点が非常に高いため、あらゆる熱に耐えることができます。

PETG（ポリエチレンテレフタレート・グリコール変性品）

PETGはポリエチレンテレフタレートとして知られ、3Dプリントではより複雑なデザインやオブジェクトを開発するために使用されます。 PETGは他の3Dプリント素材よりもはるかに高密度で耐久性があり、より硬い傾向があるためです。

そのため、PETGは食品容器や看板など、さまざまな製品に使われています。

なぜ3Dプリンティングを全く使わないのか？

3Dプリンターで作られた部品が全く強くないのであれば、多くの物資や材料の代替生産方法として使われることはないでしょう。

しかし、鉄やアルミのような金属に匹敵する強度があるかというと、そうではありません！

しかし、新しいパーツをデザインし、安価にプリントし、それなりの耐久性を持たせるという点では、かなり有用です。 また、小さなパーツには最適で、そのサイズと厚みから、一般的に適切な引張強度を持ちます。

さらに素晴らしいのは、3Dプリントした部品を加工して、強度や耐久性を高めることができることです。

結論

3Dプリント部品は、衝撃や熱にも耐えられる一般的なプラスチック製品として十分な強度を備えています。 ほとんどの場合、ABSはPLAよりはるかに低い引張強度を持ちますが、耐久性が高い傾向にあります。

インフィル密度を上げ、壁の数を増やし、肉厚を増やすことで、3Dプリントの強度と耐久性を高めているのです。