3D
プリンタ活用における造形技術等の研究
(
第２報
)
佐藤幸志郞
製品開発支援担当
Study on the modeling techniques of exploiting 3D printer
（
The 2nd report
）
Koushirou SATOU
Product Design and Development Sectiion
要 旨
当センターが企業を対象とした 3D プリンタ利用サービスを平成 26 年度から開始するにあたり，利用者に必要となる基本的
な造形技術及び造形物の機械的性質について平成 25 年度より継続して蓄積を行っている．本年度は県内企業の 3D プリンター
利用に対応する中で，造形ニーズの多いことが確認された，セルフタッピングねじによるパーツのアセンブルに必要となるボ
ス部分の造形の精度と強度について検討を行った．
1 . は じ め に
平 成 2 5 年 度 に 当 セ ン タ ー に ，「 形 状 試 作 」「 機 能 試 作 」
「 少 量 生 産 の 可 能 性 の 検 討 」 等 の 企 業 利 用 サ ー ビ ス を 目
的 と し て3Dプ リ ン タ が 導 入 さ れ た ．
一 般 に3 D プ リ ン タ はC A D 等 で 作 成 し た ３ 次 元 デ ー タ か
ら ， 複 製 型 を 用 い ず に 直 接 立 体 形 状 を 積 層 造 形 す る 機 器
の 総 称 で あ る ． 3 Dプ リ ン タ に よ る 造 形 は ， 通 常 の 型 を 用
い た 樹 脂 成 形 と は 異 な る 比 較 的 新 し い 製 造 技 術 で あ る た
め ， 造 形 技 術 等 の 運 用 デ ー タ が 十 分 整 備 さ れ て い な い ．
本 研 究 で は ， 造 形 技 術 や 造 形 物 の 機 械 的 性 質 等 に つ い
て の 運 用 デ ー タ を 積 み 重 ね る こ と に よ り ， 利 用 者 に 必 要
と な る 造 形 に 関 す る 基 本 的 知 見 を 整 備 し ， 当 セ ン タ ー の
3 Dプ リ ン タ 運 用 サ ー ビ ス を 向 上 さ せ る こ と を 目 的 と す る ．
さ て ，平 成26年 ４ 月 か ら 県 内 企 業 へ の 利 用 サ ー ビ ス が
開 始 さ れ ， こ れ ま で 様 々 な 企 業 の 利 用 に 対 応 す る 中 で ，
機 能 部 品 を 内 部 に 治 め る た め の 筐 体 部 品 の 造 形 に 数 多 く
対 応 し た ． そ の 際 に ， 造 形 品 の 精 度 ， 強 度 等 に つ い て 問
い 合 わ せ を 受 け る こ と も 多 い が ， 装 置 メ ー カ ー や 販 売 店
の 提 供 す る ，積 層 ピ ッ チ や ，J I S K 71 6 1等 に よ る 材 料 強 度
以 外 に 提 供 で き る 情 報 が 無 い た め ， 部 品 と し て ア セ ン ブ
ル 可 能 な 精 度 で の 造 形 の 可 否 や ， 機 能 検 証 等 に 耐 え ら れ
る 強 度 の 有 無 等 に つ い て ， 明 確 に 回 答 で き な か っ た ．
電 子 部 品 ， 回 路 基 盤 ， 機 械 部 品 等 の 機 能 部 品 を 内 部 治
め る 樹 脂 筐 体 の 製 品 は ， 樹 脂 筐 体 の ボ ス 部 分 が 機 能 部 品
と の 主 要 な 締 結 を な す 事 が 多 く ， 締 結 に は セ ル フ ・ タ ッ
ピ ン グ が 使 用 さ れ る こ と が 多 い ． 金 属 の タ ッ ピ ン グ ね じ
に よ り ， 樹 脂 側 の ボ ス 孔 に タ ッ ピ ン グ し な が ら 部 品 ど お
し の 締 結 を 行 う 方 法 で あ り ， 作 業 性 が 良 い の で 大 量 生 産
品 を 中 心 に 採 用 さ れ る こ と が 多 い 技 術 と な っ て い る ．
F i g . 1 セ ル フ タ ッ ピ ン グ に よ る 締 結
本 研 究 で は 当 セ ン タ ー の 3D プ リ ン タ 利 用 に お い て も 造
形 さ れ る 機 会 の 多 か っ た ボ ス 孔 を 持 つ 樹 脂 部 品 に つ い て ，
１ ． ボ ス 孔 の 造 形 精 度 と ， ２ ． 締 結 さ れ た タ ッ ピ ン グ ね
じ と ボ ス の 引 っ 張 り 強 度 に つ い て ，射 出 成 型 部 品 と3 Dプ
リ ン タ 造 形 部 品 を 比 較 し ， 3Dプ リ ン タ の 精 度 と 強 度 に つ
い て の 基 本 的 知 見 の 一 つ と し て 確 認 を 行 う こ と と し た ．
2 . 研 究 方 法
2 . 1 ボ ス 孔 の 造 形 精 度
当 セ ン タ ー の 保 有 す る3Dプ リ ン タ 「 St r a ta s y s F O RT US
3 6 0 m c- s」は FD M と 呼 称 さ れ る 方 式 の 積 層 造 形 装 置 で あ る ．
F D Mは 樹 脂 を 高 温 で 溶 融 さ せ ，最 小0. 2 54 m m径 の ノ ズ ル か
ら 幅0. 2 5 4m m，高 さ0 .1 2 7m mの 断 面 形 状 に て ，チ ュ ー ブ 状
に 連 続 し て 射 出 し ， 一 筆 書 き の 要 領 で 最 下 層 か ら 一 層 毎
に 造 形 を 繰 り 返 し て 上 方 向 に 積 層 造 形 を 行 う ．
射 出 成 形 の よ う な 一 般 の 型 を 使 っ た 樹 脂 造 形 に 比 べ ，
3 Dプ リ ン タ に て 造 形 さ れ た 樹 脂 の 形 状 は ， 精 度 限 界 付 近
の 形 状 や 寸 法 が ， 元 の C A Dデ ー タ と 異 な っ た も の と な っ
て い る 場 合 が し ば し ば 確 認 さ れ る ．C AD上 で は 問 題 の 無 い
パ ー ツ の ア セ ン ブ ル が ， 3 Dプ リ ン タ の 造 形 パ ー ツ で は ス
ム ー ズ に ア セ ン ブ ル で き な い 原 因 の 一 つ と な っ て い る ．
3 Dプ リ ン タ ー の 操 作 ソ フ ト ウ エ ア は ，3D -C A D等 で 作 成
さ れ た 三 次 元 デ ー タ を ， 造 形 に 必 要 と な る 各 層 の 断 面 か
ら 構 成 さ れ た ス ラ イ ス デ ー タ に 変 換 し ， さ ら に 各 層 の 断
面 を 樹 脂 で 隙 間 無 く 埋 め る た め の 樹 脂 の 射 出 ノ ズ ル が 動
く 経 路 の パ ス デ ー タ に 変 換 す る こ と が 主 な 役 割 で あ る が ，
当 セ ン タ ー に 導 入 さ れ た 装 置 は ， 各 層 毎 の 樹 脂 が 射 出 さ
れ た 様 子 （ 射 出 幅 や 隙 間 の 状 態 ） を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 表
示 さ せ る 機 能 を 持 っ て い る ． ( F ig . 3 )
本 研 究 で は ， こ の 樹 脂 が 射 出 さ れ た 様 子 の シ ミ ュ レ ー
シ ョ ン 表 示 と 実 際 の 造 形 形 状 ( F ig . 4 )を 比 較 し ，シ ミ ュ レ
ー シ ョ ン と 実 際 の 造 形 の 形 状 や 寸 法 の 差 異 を 把 握 す る こ
と に よ り ， 実 際 に 造 形 を す る 前 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 表 示
に よ り 造 形 ミ ス 等 の ト ラ ブ ル を 減 ら す こ と を 目 指 す ．
F i g . 3 射 出 さ れ た 様 子 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 表 示
F i g . 4 3 Dプ リ ン タ に よ る 実 際 の 造 形 形 状
2 . 2 締 結 さ れ た タ ッ ピ ン グ ね じ と ボ ス の 引 張 り 強 度
3 Dプ リ ン タ に よ り 造 形 さ れ た 樹 脂 部 品 の タ ッ ピ ン グ ね
じ に よ る 締 結 性 能 を 確 認 す る た め ， 金 型 を 用 い た 射 出 成
型 に よ り 製 造 さ れ た 樹 脂 部 品 の ボ ス と 同 じ 形 状 ， 同 じ 寸
法 の ボ ス を3 Dプ リ ン タ に て 作 成 す る ．
そ の た め に ， 特 殊 で は な い 樹 脂 製 品 の 代 表 と し て ， 一
般 の 電 気 工 事 等 に て 使 用 さ れ る ， 国 内 A 社 製 の 汎 用 樹 脂
ケ ー ス ( F ig . 5 )を 選 定 し ，メ ー カ ー 作 成 のCA D図 面 と 現 物
の 計 測 に よ り そ の ボ ス 部 分 の 形 状 と 寸 法 を 確 認 し た ．
F i g . 5 A社 製 の 汎 用 樹 脂 ケ ー ス
そ し て ， 確 認 さ れ た ボ ス 部 分 の 形 状 と 寸 法 に 基 づ き ，
3 D - C AD ( R hi n o ce r o us ) に よ り 形 状 デ ー タ (F i g .6 ) を 作 成 し ，
3 Dプ リ ン タ に よ る 試 験 片 ( Fig . 7 )の 造 形 を 行 っ た ．
F i g . 6 3 D -C A Dに よ り 作 成 さ れ た 形 状 デ ー タ
０
試 験 片 作 成 後 ， 強 度 試 験 機 を 使 い ， 汎 用 樹 脂 ケ ー ス と
3 Dプ リ ン タ に よ る 試 験 片 の ボ ス 部 分 と タ ッ ピ ン グ ね じ に
つ い て 上 下 か ら そ れ ぞ れ 引 張 り ， 試 験 片 が 破 断 も し く は
ね じ が 引 き 抜 か れ る 際 の 最 大 試 験 力 に つ い て 観 察 し た ．
F i g . 8 強 度 試 験 機 に よ る 引 張 試 験
3 . 結 果 及 び 考 察
3 . 1 ボ ス 孔 の 造 形 精 度
観 察 と 測 定 の 結 果 ， 以 下 の 知 見 が 得 ら れ た ．
・ 実 際 の 造 形 形 状 ( F ig . 4) は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 表 示
( F i g .3 )に 比 べ ， 凸 凹 し て お り 隙 間 も 大 き い ．
・パ イ プ 形 状 を 造 形 し た 場 合 ，5 .5 m m程 度 の パ イ プ 外 径 は
C A Dデ ー タ よ り も 小 さ く な る 傾 向 が あ る ．同 じ デ ー タ か
ら の 複 数 造 形 （ サ ン プ ル 数 ５ ） の ば ら つ き は 小 さ く 造
形 寸 法 は 安 定 し て い る ．
T a b l e. 1 パイプ 形 状 を造 形 した 場 合 の外 径 の計 測
・2. 4 mm程 度 の パ イ プ 内 径 はC A Dデ ー タ に 近 い 寸 法 に な る
傾 向 が あ る ．同 じ デ ー タ か ら の 複 数 造 形 の ば ら つ き は 小
さ く 寸 法 自 体 は 安 定 し て い る こ と と 併 せ て 精 度 は 高 い
言 え る ．
T a b l e. 2 パイプ 形 状 を造 形 した 場 合 の内 径 の計 測
ボ ス 部 分 の 造 形 に お い て は 内 径 の 精 度 が 強 度 確 保 に
重 要 で あ る た め ，内 径 の 精 度 が 高 い こ と はCA Dデ ー タ か
ら の3Dプ リ ン タ に よ る 造 形 は ， ボ ス 部 分 を 含 む 部 品 の
試 作 と 検 証 に お い て ，十 分 活 用 可 能 で あ る こ と が 確 認 さ
れ た ．
ま た ，内 径 に 比 べ 外 径 の 精 度 が 落 ち る の は ，全 て マ イ
ナ ス 方 向 で あ る た め ，樹 脂 の 冷 却 に よ る 収 縮 が 原 因 と し
て 考 え ら れ ，収 縮 前 の 造 形 中 の 精 度 は 高 い 可 能 性 が あ る ．
外 径 のC ADの 値 か ら の ず れ は 大 き い が ，サ ン プ ル 全 体
の ば ら つ き は 小 さ い た め ，造 形 サ イ ズ に よ る 収 縮 の 傾 向
が 把 握 で き れ ば ，収 縮 を 考 慮 し たCA Dの 値 を 与 え る こ と
で ，冷 却 後 の 造 形 精 度 を コ ン ト ロ ー ル で き る 可 能 性 は あ
る と 考 え て い る ．
3 . 2 締 結 さ れ た タ ッ ピ ン グ ね じ と ボ ス の 引 張 り 強 度
観 察 と 測 定 の 結 果 ， 以 下 の 知 見 が 得 ら れ た ．
・ 引 っ 張 り 強 度 試 験 に お い て ， 汎 用 射 出 成 型 製 品
( F i g .9 )， 3D プ リ ン タ に よ る 造 形 品 (F i g. 1 0 )の ど ち
ら も ， ボ ス か ら の ね じ の 抜 け が 起 こ る 前 に ， ね じ の
届 い て い な い パ イ プ 部 分 の 破 断 が 発 生 し ， タ ッ ピ ン
グ ね じ の 保 持 力 の 比 較 は 検 証 で き な か っ た ．
F i g . 9 汎 用 射 出 成 形 製 品 の 破 断 の 様 子
F i g . 10 3Dプ リ ン タ 造 形 品 の 破 断 の 様 子
・ 樹 脂 の 強 度 そ の も の の 比 較 と し て は ， 汎 用 射 出 成 型
製 品 に 比 べ ，3 Dプ リ ン タ に よ る 造 形 品 は1/ 3の 試 験
F i g . 11 汎 用 射 出 成 型 製 品 ， 3 Dプ リ ン タ
に よ る 造 形 品 の 引 っ 張 り 強 さ の 比 較
3 . 3 引 っ 張 り 強 度 試 験 の サ ン プ ル 形 状 の 変 更
先 の 実 験3 .2で は ， ボ ス か ら の ね じ の 抜 け が 起 こ る 前
に ，ね じ の 届 い て い な い パ イ プ 部 分 の 破 断 が 発 生 し ，タ
ッ ピ ン グ ね じ の 保 持 力 の 比 較 は 検 証 で き な か っ た の で ，
ボ ス の パ イ プ 部 分 を 直 接 ，治 具 で 挟 む 方 法 で 再 度 実 験 を
行 っ た ．
F i g . 13 サ ン プ ル を 変 更 し た 引 っ 張 り 強 度 試 験
観 察 と 測 定 の 結 果 ， 以 下 の 知 見 が 得 ら れ た ．
・ 今 回 も ， 汎 用 射 出 成 型 製 品 ， 3D プ リ ン タ に よ る 造 形
品 の ど ち ら も ， ボ ス か ら の ね じ の 抜 け が 起 こ る 前 に ，
ね じ 先 端 近 辺 の パ イ プ 部 分 の 破 断 が 発 生 し た ．
F i g . 14 汎 用 射 出 成 形 製 品 ， 3 Dプ リ ン タ
造 形 品 の 破 断 の 様 子
・ 引 っ 張 り 強 さ に つ い て は ， 汎 用 射 出 成 型 製 品 に 比 べ ，
3 Dプ リ ン タ に よ る 造 形 品 は ， 1 / 2の 応 力 で 破 断 し た ．
F i g . 15 汎 用 射 出 成 型 製 品 ， 3 Dプ リ ン タ
に よ る 造 形 品 の 引 っ 張 り 強 さ の 比 較 (再 試 験 )
実 験3. 3に つ い て は ，パ イ プ 部 分 が 強 度 試 験 機 の 締 結
圧 力 で 変 形 ま た は 割 裂 し て い る 可 能 性 が あ り ，ボ ス 孔 の
本 来 の 引 っ 張 り 強 度 が 現 れ て い な い 可 能 性 が あ る ．
3 . 4 引 っ 張 り 強 度 試 験 の サ ン プ ル 形 状 の 再 変 更
先 の 実 験3 .3で は ， ボ ス が 強 度 試 験 機 の 締 結 圧 力 で 変
形 し ，正 し い ボ ス の 引 っ 張 り 強 度 が 現 れ て い な い 可 能 性
が あ る た め ，ボ ス と 同 じ 径 の 孔 を 開 け た 試 験 機 の 締 結 で
は 変 形 し 難 い と 思 わ れ る 厚 み ( 1 5m m ) の サ ン プ ル を 作 成
し ，実 験3. 4を 行 い ，実 験3.3の 実 験 結 果 と 比 較 を 行 っ
た ．
F i g . 15 サ ン プ ル を 再 変 更 し た 引 っ 張 り 強 度 試 験
観 察 と 測 定 の 結 果 ， 以 下 の 知 見 が 得 ら れ た ．
・本 実 験 に て 、ボ ス か ら の ね じ の 抜 け を 起 こ す 現 象 が は
じ め て 観 察 さ れ た ．
・今 回 実 験3. 4は ，実 験3 .3の3 Dプ リ ン タ 造 形 品 の ２ 倍
以 上 の 引 っ 張 り 強 さ と な り ，予 想 し た と お り ，実 験3 .3
で は パ イ プ 部 分 が 強 度 試 験 機 の 締 結 圧 力 で 変 形 ま た は
割 裂 し て ，ボ ス 孔 の 本 来 の 強 度 が 現 れ て い な か っ た と 思
わ れ る ．
F i g . 17 汎 用 射 出 成 型 製 品 ， 3 Dプ リ ン タ
に よ る 造 形 品 の 引 っ 張 り 強 さ の 比 較 (再 試 験 )
実 験 3 . 3に よ る 汎 用 射 出 成 型 製 品 の 強 度 に つ い て も ，
実 験 3 . 4 と 同 条 件 で あ れ ば ， も っ と 強 い 本 来 の 引 っ 張 り
強 度 が 現 れ る 可 能 性 が 高 い と 思 わ れ る ．
以 上 か ら ， 締 結 さ れ た タ ッ ピ ン グ ね じ と ボ ス の 引 っ 張
り 強 度 に つ い て は ，汎 用 射 出 成 型 製 品 と3 Dプ リ ン タ ー に
よ る 造 形 物 の 強 度 を 明 確 に 比 較 で き る 結 果 を 得 ら れ な か
っ た が ， 3Dプ リ ン タ ー の 造 形 物 が ， 汎 用 射 出 成 形 製 品 の
半 分 程 度 の 強 度 は 期 待 で き る も の と な っ た ．
次 年 度 以 降 の 新 研 究 テ ー マ の 中 で も ， 両 者 の 厳 密 な 比
較 を 継 続 す る こ と を 検 討 し て お り ， 次 の 実 験 と し て ， 実
験3 . 4 で 使 用 し た3D プ リ ン タ の 造 形 物 と 同 じ 形 状 の 治 具
に 汎 用 射 出 成 形 品 の パ イ プ 部 分 を 埋 没 ・ 接 着 し た サ ン プ
ル に よ る 引 っ 張 り 強 度 試 験 を 計 画 し て い る ．
ま た ， 今 回 の セ ル フ ・ タ ッ ピ ン グ に よ る 締 結 性 能 は ，
ね じ 山 に 接 す る 樹 脂 側 の 形 状 や 寸 法 に 大 き く 左 右 さ れ る
と 考 え て お り ， 3 Dプ リ ン タ ー の 造 形 物 を 汎 用 射 出 成 形 製
品 の 強 度 に 近 づ け る 方 法 と し て ， 射 出 パ ス の 経 路 の 調 整
を 行 う こ と を 検 討 し て い る ．
3 Dプ リ ン タ の 操 作 ソ フ ト ウ エ ア の 射 出 ノ ズ ル の 経 路 パ
ス デ ー タ の 編 集 機 能 を 利 用 し ， 通 常 内 側 輪 郭 線 は 一 重 だ
が ， 輪 郭 線 を 多 重 化 す る こ と に よ り ， ね じ 山 と 接 す る 部
分 の 樹 脂 密 度 が 高 く な り ， 引 っ 張 り 強 度 の 改 善 を 狙 っ た
も の で あ る ．
具 体 的 に は ， 外 形 は 同 じ ボ ス 部 分 の 形 状 で ， 一 つ は 内
側 輪 郭 線 は 一 重 の も の ， も う 一 つ は 内 側 輪 郭 線 を 多 重 化
し た デ ー タ ( F ig . 1 8) を 準 備 し 造 形 を 行 い ， そ の 造 形 後 に
引 っ 張 り 強 度 試 験 を 行 い 比 較 し た い ．
内 側 輪 郭 線 一 重 内 側 輪 郭 線 三 重
F i g . 18 同 じ ボ ス 形 状 で 内 側 輪 郭 線 の 数 を 変 え た も の
以 上 の 具 体 的 な 計 画 に 限 ら ず 、 3Dプ リ ン タ の 特 性 に つ
い て は ， 今 後 も ， 技 術 相 談 や 機 器 利 用 に 対 応 す る 中 で 企
業 ニ ー ズ を 抽 出 し ， 経 常 研 究 等 に よ り 継 続 し て 確 認 作 業
