FDM印刷材料を選択するための射出成形ショートロッド法

FDM印刷材料を選択するための射出成形ショートロッド法
寄稿者: Shan Cunqing-Wang Ling

FDM プロセスの代表的な材料は、ポリ乳酸 (PLA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)、ポリエーテルイミド (PEI) などの一般的な熱可塑性ポリマーであり、これらは趣味や一般市場、および高性能エンジニアリング部品の最も代表的な例です。しかし、機能的な用途では、従来の押し出し成形部品や射出成形部品と比較すると、層ごとの製造によって生じる異方性の機械的特性が FDM 成形部品の典型的な欠点および制限となります。

現在、最も一般的な FDM プロセス材料は非晶質ポリマーであり、結晶度の低い半結晶性ポリマー (PLA やナイロンなど) はごく少数のみが FDM プロセス フィラメントの製造に使用されています。したがって、FDM 技術として使用できる半結晶性プラスチックをさらに開発する必要があります。



図 1. 反り測定 (左)、機械試験片断面 (右) ポリプロピレン (PP) は、消費者製品や技術製品に使用される最も一般的な半結晶性熱可塑性ポリマー材料です。優れた機械的特性、卓越した加工性、高い耐薬品性、低密度を備えています。 さらに、PP はエチレンとの共重合や添加剤、充填剤との配合などにより、さまざまな用途に合わせて容易に改質することができます。 ポリプロピレン-エチレンランダム共重合体 (raco PP) は、フィルムや硬質充填剤などの用途で重要な役割を果たします。エチレンユニットの添加により、共重合体の結晶性は低下し、ラコ PP は透明性と柔軟性に優れたものとなり、耐衝撃性も向上するため、FDM 処理にも適しています。

図 2. 材料の反りと結晶化度 PP などの半結晶性ポリマーは冷却時に大きな体積収縮を示し、印刷中に大きな反りが生じるため、PP を FDM 印刷の原料として使用することに焦点を当てた研究はごくわずかです。ただし、印刷物にとって、許容できる反りよりも、良好な機械的特性を持つことの方が重要です。現在、FDM 原材料を開発するには、純粋なポリマーを標準的な単軸フィラメント押し出しを使用して配合および処理するのが一般的です。この方法では、さらなる FDM 成形に十分なフィラメント品質を達成するために、押し出しプロセスの最適化にかなりの時間と少なくとも 1 kg の材料が必要です。これまで、半結晶性ポリマーおよびコポリマーに対する効果的な FDM 印刷材料のスクリーニング方法や、印刷特性 (反り、接着強度など) の評価方法は確立されていませんでした。

ドイツのバイロイト大学の研究者らは、少量のポリマーのみを必要とする FDM 材料をスクリーニングし、薄壁形状を印刷することで材料の印刷性能を評価する処理方法を開発しました。研究者らは、まず少量(8.5 g)の原材料を円錐ミキサーで均一に混合し、直径3 mm、長さ14 cmの短い棒を6本射出成形しました。次に、改造したFDMプリンターを使用して、準備した短い棒を消耗品として正方形の単層試験片を印刷し、印刷された部品の反りの程度と接着強度をテストしました(図1)。機械的特性は、印刷方向の強度と層間結合強度に対応して、印刷方向に沿って 0° と 90° で正方形の単層試験片の壁から機械的試験片を切り出すことによってテストされました。正方形の単層試験片には、層間接着強度の試験結果に対する線間に印刷された細孔の影響を排除するために、層ごとに 1 つのパスのみがあります。


図3. PP材料の引張応力-ひずみ曲線 研究者らは上記の方法を使用して、図2と図3に示すように、3つの異なるPP射出成形原料と2つの既存のFDM PP連続フィラメント消耗品および1つのABS連続フィラメント消耗品の印刷性能を比較しました。テスト結果によると、1)材料の結晶化度が高いほど、印刷部品の反り変形の度合いが大きくなります。2)0°サンプルは、90°サンプルよりも破断後の引張強度と伸びが高くなっています。3)他の2つのPP材料と比較して、材料raco PP 2の印刷性能が優れています。

参考文献:
Jin, M., Giesa, R., Neuber, C., & Schmidt, H.-W. (2018). 射出成形ショートロッドによるFDM 3Dプリント用フィラメント材料のスクリーニング。高分子材料と工学、303(12). doi:10.1002/mame.201800507.

寄稿者: Shan Cunqing-Wang Ling 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

射出成形、ショートロッド、ロッド法、スクリーニング、FDM

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