# XYZ方向がFDMの引張強度を左右する理由
FDMパーツは異方性を持ちます。つまり、方向によって引張強度が異なります。X方向またはY方向に荷重をかけたプリントバーは、主に堆積されたロードと外周シェルに沿って引っ張られます。同じ材料でもZ方向に荷重をかけると、層間の結合を引き剥がすことになります。この差は小さな補正では済みません。多くの実用的なプリントでは、特に層間接着、冷却、湿度、低ノズル温度が最適化されていない場合、Z軸の引張強度はXY値の半分以下になることがあります。この推定ツールは、荷重軸が指定されるまで計算を拒否します。指定されていない方向では誤解を招く構造数値が生成されるからです。フィラメントのデータシートに記載された50 MPaという材料値は、通常、成形または慎重に印刷された試験片で測定されたものであり、考えられるすべての印刷方向で測定されたものではありません。構造用FDM設計は、具体的な問いに答える必要があります。加えられた引張荷重は堆積層に対して平行ですか、それとも層の積み重ねに対して垂直ですか？この計算機は、断面幅、断面高さ、押出線幅も入力として求めるため、応力の推定から荷重の推定へと変換できます。MPa単位の引張強度は応力であり、これを平方ミリメートル単位の有効断面積に掛けると、ニュートン単位の力が得られます。「このプロファイルは約28 MPaです」と言うのと、「この20×10 mmの断面は、選択された方向下での最大引張破断前に約520 kgfと推定されます」と言うのでは大きな違いがあります。 X/Y 荷重は押出経路および層平面にほぼ平行
Z 荷重は層間結合を引き剥がす
40-70% XYプリントと比較した一般的なZ強度の低下率
単一の材料強度をすべての印刷方向に使用してはいけません
荷重経路が層ラインを横切る場合、そのパーツは層間結合の問題として扱うべきです。XYZの方向性を無視することは、ブラケット、フック、クランプ、タブ、ヒンジ、治具、プリント交換部品を過大評価する最も早道の一つです。
# プリントパーツにおける平行荷重と垂直荷重
平行荷重とは、プリントされた層平面内で作用する引張荷重です。通常のプリンター座標系では、ベッドに平らにプリントされたパーツのX方向またはY方向を意味します。荷重は外周壁、ラスターロード、インフィル経路によって分散されます。垂直荷重とは、Z方向に沿った引張荷重であり、各層は熱結合と界面での分子拡散によって次の層に力を伝達する必要があります。この区別が重要なのは、外周がX/Yの引張には非常に効果的である一方で、層間のZ継ぎ目を魔法のように除去できないからです。外周を増やすことで、断面積を増やし応力集中を減らしてZ荷重パーツを助けることはできますが、破壊モードは多くの場合、剥離のままです。重要なパーツでは、より多くのサポート材が必要になっても、最大の引張荷重が層を直接引き剥がさないようにモデルを回転させてください。| 荷重ケース | 層との関係 | 予想される破壊挙動 | 設計対応 |
|---|---|---|---|
| 平面プリントのX方向引張 | 平行 | ロード伸張、外周破壊、インフィルせん断 | 壁を増やし、ロードを荷重に合わせる |
| 平面プリントのY方向引張 | 平行 | Xと類似、経路配置によりやや低くなる場合あり | 壁の連続性とシーム位置を確認 |
| 高さ方向のZ引張 | 垂直 | 層分離と剥離 | パーツの向きを変えるか機械的補強を追加 |
| 斜め方向の実際の引張 | 混合 | ロード破壊と層剥離の複合 | 荷重を成分に分解し、Z成分を保護 |
最初にパーツに力の矢印を描くことから始めましょう
インフィルを変更する前に、予想される引張力の方向をプリント方向に描いてみてください。矢印が層の積み重ねを貫く場合、Z軸の推定値が関連する警告数値です。# 材料の選択: PLA、PETG、ABS、PC、ナイロン
材料は、基礎となる引張強度と層間の結合品質の両方に影響します。PLAは高い剛性と強力なXY引張値を示すことが多いですが、脆く熱に敏感な場合があります。PETGは剛性が低いものの、延性に優れ、層間接着も多くの場合良好です。ABSは、冷却応力が層間接触を弱める可能性があるため、チャンバー温度に大きく依存します。ポリカーボネートは強度を発揮できますが、十分に高温で印刷され、乾燥状態に保たれる必要があります。ナイロンは靭性と耐疲労性に優れていますが、湿気、柔らかさ、印刷温度によって結果が大きく変わります。PLA
高い剛性と良好なXY強度。熱曝露が少ない剛性治具に有用。
- ロードが強い
- 脆性破壊
- 高温環境での余裕が少ない
PETG
適度な強度と実用的な延性、実用的な層間接着。
- PLAより脆くない
- workshop治具に良好
- 持続荷重下でクリープの可能性
ABS、PC、ナイロン
確かなZ強度を得るために、密閉筐体、温度制御、乾燥フィラメントを必要とするエンジニアリング向け材料。
- 耐熱性に優れる
- プロセス感受性が高い
- 湿気と反りが重要
方向変更ではなく、より靭性の高い材料を選ぶ
メリット
- より靭性の高いポリマーは衝撃を吸収し、脆性破壊を低減できる。
- PCとナイロンは耐熱性と耐疲労性を向上できる。
- PETGは多くのブラケットでPLAよりも安全な延性材料の選択肢になる。
デメリット
- 荷重が層に対して垂直であれば、依然として剥離する可能性がある。
- 乾燥不足や低ノズル温度が利点を台無しにする可能性がある。
- 弾性係数が低く、継続的な応力下でクリープする可能性がある。
材料データシートはプリントパーツの普遍的な値ではありません
フィラメントの強度値は、成形試験片、理想的なテストバー、またはベンダー固有の印刷設定に由来する場合があります。これらを材料のコンテキストとして使用し、インフィル、シェル、パターン、特にZ軸荷重に対する推定値を低減してください。
印刷品質は主に層の完全性を変える
ドラフト、標準、高強度の各オプションは、X/YよりもZ軸に対して意図的に強く作用します。より高温で低速、より乾燥した印刷は層間結合を改善できますが、高速で冷却されたドラフトプロファイルはXYロードを許容範囲に保ちつつ、パーツを剥離に対して脆弱なままにする可能性があります。# インフィル率が構造限界をどのように変えるか
インフィル率はパーツ内部の荷重支持面積を増加させますが、その効果は完全に線形ではありません。10%から30%への増加は、パーツが応力を伝達する内部経路を増やすため、大きな改善をもたらすことがよくあります。70%から100%への増加は、特に外周がすでに引張荷重の大部分を支えている場合、同じ比例的な利得なしに印刷時間と質量を増加させる可能性があります。多くの構造用FDMパーツでは、単にインフィルを100%に上げるよりも、外周と方向性の方が強力です。インフィル率が低いパーツでも、壁が厚く断面積が大きい場合は曲げに対して強くなり得ますが、狭いタブやラグを通る引張強度は、断面を横切る連続材料の量に依存します。引張経路がまばらなインフィルを通過する場合、パーツは内部の空隙で破壊する可能性があります。引張経路が強固な外周に沿っている場合、追加のインフィルは主に座屈と局所的な圧壊を支えることになり、純粋な引張には寄与しません。| インフィル範囲 | 機械的意味 | 典型的な構造用途 |
|---|---|---|
| 0-15% | 主にシェル支配、内部空隙が局所応力を制御 | カバー、軽量ハウジング、外観重視の荷重 |
| 16-40% | 過剰な質量なしで有用な内部荷重分散 | 適度な安全率の治具、マウント、ブラケット |
| 41-70% | 小さな断面に対する強力な内部支持 | 耐荷重タブ、クランプ、ツールホルダー |
| 71-100% | ほぼ中実に近い挙動だが、時間と材料コストが高い | 小さな重要断面または試験片 |
引張パーツのインフィルルール
Z軸剥離荷重を補償するためにインフィル率を使用しないでください。
荷重がパーツの外側近くで支えられる場合は、インフィルよりも先に外周を増やしてください。
引張断面が小さいか穴あきの場合は、より高いインフィルを使用してください。
スライサーで生成されたインフィルが予想荷重経路全体で連続していることを確認してください。
# 異方性強度のためのグリッド、ジャイロイド、キュービックインフィル
インフィルパターンは、内部ロードが力を分散させる方法を変えます。グリッドは印刷される方向に単純で剛性がありますが、繰り返し交差する点が局所的な応力特性を生み出す可能性があります。ジャイロイドは荷重を3次元的に均等に分散し、荷重方向が完全に分かっていない場合に有用です。キュービックインフィルはより空間的な内部ネットワークを形成し、良好な剛性を提供できますが、印刷時間が増加し、経路固有の挙動を生じる可能性があります。面積計算は、40%のインフィルが40%の中実プラスチックのように振る舞うと仮定するのではなく、パターンで重み付けされます。ジャイロイドは、その連続表面が混合荷重をより良く分散するため、より高い内部効率が与えられます。キュービックは剛性のある3次元格子として扱われ、グリッドはそのロードが方向性を持つため、より積極的に低減されます。これにより、静荷重推定値は、単純な矩形面積にインフィル率を掛けたものよりも、実際のFDM印刷挙動に近いものになります。グリッド
効率的で予測可能、検査が容易だが、方向性があり複雑な荷重下での許容性に欠ける。
- スライシングが速い
- ロード方向が明確
- 応力の流れが滑らかでない
ジャイロイド
多方向荷重にバランスが良く、ねじりや複合曲げが予想される場合に有用。
- 連続表面
- 混合荷重挙動に優れる
- 剛性推定値がやや低め
キュービック
印刷時間と経路複雑性が許容範囲であれば、良好な剛性と3次元支持を提供。
- 強力な内部格子
- 圧縮支持に優れる
- 重量が増える可能性がある
パターンは層の異方性を除去できない
より強力なインフィルパターンは内部の荷重分散を改善できますが、Z軸の引張破壊は依然として層間の結合に依存します。剥離が支配的なリスクである場合、正しい対策は方向転換または補強です。
- 既知の軸に沿った単純な引張部材にはグリッドを使用する。
- 荷重が混合、曲線、または不確かな場合はジャイロイドを使用する。
- 剛性と3次元支持が印刷時間より重要な場合はキュービックを使用する。
- スライス経路を検査すること。パターンの名前よりも、荷重断面全体のロード連続性の方が重要である。
# 外周、シェル、そして壁が引張を支える理由
外周はパーツの外側の周囲を連続的に取り巻くストランドです。多くの引張および曲げケースでは、これらの外側ストランドは中立軸から最も遠く、穴、タブ、ブラケットの周囲を連続的に走ることが多いため、応力の大部分を支えます。パーツが荷重経路全体にこれらのロードを配置するのに十分な壁厚を持つ場合、外周数を増やすことは、インフィルを上げるよりも確実に強度を向上させることができます。外周の利点はやがて飽和します。小さなタブが壁の重なりによってすでにほぼ中実である場合、外周を追加しても有用な新材料が生まれない可能性があります。荷重がZ方向の場合、より多くの外周は断面積を増やしますが、層は依然として結合されたプレートのように積み重なっています。穴、鋭い角、シーム位置、層の開始点は、公称壁数よりも強力な破壊予測因子になる可能性があります。- 外周
- パーツの境界の周囲に印刷される外壁ロード。多くの場合、最も連続した引張経路。
- ラスター
- 層内の印刷ロード方向。通常はインフィルまたは中実の天面/底面領域の一部。
- 層間結合
- ある印刷層と次の層との間の融着界面。
- 剥離
- フィラメントロード自体が破断するのではなく、層が分離する破壊。
- 弾性係数
- 永久変形が支配的になる前の応力とひずみの間の剛性比。
穴とタブの周囲に外周を使用する
ボルト穴、フック、ケーブルラグは、局所的な応力集中によって破損することがよくあります。これらのフィーチャーの周りに余分な外周を配置することは、実際の応力経路から遠く離れた拡散インフィルよりも一般的に価値があります。# MPaとGPaの出力を正しく読む
MPa単位の引張強度は、推定された応力限界（力を断面積で割った値）を示します。最小荷重支持断面が分かるまでは、ニュートン単位の安全荷重を直接与えるものではありません。たとえば、20平方ミリメートルの断面での30 MPaの推定値は、安全率を考慮する前で約600 Nに相当します。同じ形状がZ方向に荷重され、推定値が15 MPaに低下した場合、理論的な力の限界は半分になります。GPa単位の弾性係数は剛性を表し、最終破壊を表すものではありません。弾性係数が低い材料は、最終強度が許容範囲であっても、同じ荷重下でより多く伸びる可能性があります。ナイロンとPETGはPLAよりも衝撃に耐えられますが、ブラケットや治具でより大きくたわむ可能性があります。構造設計には両方の数値が必要です。強度は破壊リスクのため、弾性係数はたわみリスクのためです。| 出力 | 意味 | 使用方法 |
|---|---|---|
| 引張強度 MPa | 選択された荷重軸での引張破壊時の推定応力 | 最小断面積を掛けて理論的な力を推定 |
| 弾性係数 GPa | 選択された軸に沿った推定剛性 | 材料と方向間のたわみ比較に使用 |
| 臨界剥離軸 | 層分離によって最も破壊しやすい軸 | その軸に主引張荷重をかけない |
| Z軸ペナルティ | XY強度からZ強度への推定損失 | 現在の設定で異方性がどの程度重要かを示す |
安全率を使用する
プリント構造部品は推定された最大強度で設計すべきではありません。疲労、クリープ、熱、衝撃、印刷欠陥、湿気、応力集中はすべて、重要なアプリケーションでは安全率と実際の試験を必要とします。
線幅は有効断面を変える
0.45 mmの線幅は、同じ壁数でも0.40 mmの線幅よりも多くの外周材料を生成できます。この推定ツールは、インフィル寄与を適用する前に線幅を使用してシェル面積を近似するため、純粋な矩形面積計算よりもスライサーの現実をより適切に反映します。# 剥離リスクと臨界軸
臨界剥離軸は通常Zです。プリントされた層の積み重ねが最も弱い引張方向だからです。Z方向に荷重されたパーツは、見た目は中実に見えても、層ラインに沿って割れることがあります。これは、平らに印刷されたフック、上向きに引っ張られる垂直タブ、剥離荷重を受けるスナップフィーチャー、ネジ荷重が層を引き剥がそうとするブラケットでよく見られます。一度層界面が開くと、亀裂が印刷面に沿って伝播する可能性があるため、破壊は突然発生する可能性があります。一部の形状では、臨界領域が純粋なZから移動します。適切に配置されていないXまたはY荷重は、シーム、穴、薄肉、またはインフィルの中断部で破壊する可能性があります。この推定ツールは簡略化された異方性モデルから最も弱い軸を報告しますが、ユーザーは実際の形状を応力集中について検査する必要があります。フィレット、より厚い断面、より優れた荷重分散材、ワッシャー、インサート、連続外周は、材料の選択と同じくらい重要になる可能性があります。層ラインは亀裂経路である
加えられた力が層を次の層から剥がす可能性がある場合は、設計を剥離問題として扱ってください。より高いノズル温度、より低いファン、より良い乾燥、筐体制御が役立つ可能性がありますが、方向性が依然として最初の構造的決定です。
剥離リスクを低減する方法
引張がZではなくX/Yで作用するようにパーツを回転させる。
荷重経路と穴の周囲の壁数を増やす。
フィレットとより大きな断面を使用して応力集中を低減する。
層間結合が制限要因である場合は、より高温または低速で印刷する。
重要な荷重には、機械的ファスナー、インサート、または繊維補強を使用する。
# 構造用FDMパーツの実践的なワークフロー
材料ではなく、実際の荷重方向から始めます。ビルドプレート上のパーツの向きに応じて、X、Y、またはZを選択します。熱、剛性、延性、環境に基づいて材料を選択します。スライサープロファイルに一致するインフィルと外周を入力します。次に、軸マップを比較します。選択した荷重がZ値に近い場合、設計はおそらく層間接着によって支配されます。選択した荷重がXまたはYであるが、形状に穴や鋭い角が含まれている場合は、外周と応力低減に焦点を当てます。重要なパーツについては、同じ方向、材料、ノズル、層高、温度、冷却、湿度条件でクーポンまたは簡略化されたテストピースを印刷します。小さなテストフック、タブ、または引張ストリップは、モデルがロード破壊、層分割、穴の引き裂き、またはクリープのいずれで破損するかを明らかにします。計算機は計画ツールです。検証は破壊モードと環境に一致する必要があります。- 強度値を読む前に荷重軸を指定する。
- 可能な場合は、フック、タブ、ブラケットにZ方向の引張を避ける。
- 引張荷重が外側シェルに沿う場合は、より多くの外周を使用する。
- インフィルは方向性の代わりではなく、断面を支えるために使用する。
- 構造用プリントを信頼する前に、熱、クリープ、疲労、衝撃、湿気を考慮する。
最良の構造用プリントは、通常、意図的に方向づけられているように見える
強力なプリント部品は、多くの場合、より多くのサポート材または不便な方向性を使用します。これは、主な引張荷重が層を引き剥がすのではなく、連続したロードに沿うためです。