材料押出法における微細非平面積層の層間曲げ強度向上効果

大河原, 浩輔

doi:10.51094/jxiv.4771

##article.authors##

大河原, 浩輔義肢装具電子設計同好会 https://orcid.org/0009-0008-2832-2294

DOI:

https://doi.org/10.51094/jxiv.4771

キーワード:

積層造形、材料押出法、非平面積層、高分子材料、機械強度、応力集中、強度設計

抄録

材料押出法（material extrusion; MEX）造形における層間強度の低下は，造形物の機械的信頼性を制限する根本的なボトルネックとして残されている．本研究では，下層のツールパス上に微細な突起を断続的に形成し，次層によって包み込む新たな手法──上層嵌入積層と呼称する──を，微細非平面積層アプローチとして提案する．本手法が層間曲げ強度に及ぼす効果を，PLA 試験片の三点曲げ試験により評価した．ランダム化ブロック計画を用い，提案手法による Zパターン試験片 30 本および従来の平面積層による Sパターン試験片 30 本を造形し，線形混合効果モデルにより解析した．Zパターン試験片の曲げ強さは 44.80 ± 1.52 MPa であり，Sパターン試験片（28.43 ± 1.08 MPa）より 16.37 MPa（57.6%）高い値を示した（95% 信頼区間 15.83–16.91 MPa，p < 0.001）．また Zパターン試験片は見かけ密度から推定された充填率においても高い値を示し（87.9% 対 79.7%），非平面ツールパスによる追加材料供給が層間ボイドを局所的に充填していることが確認された．しかしながら，見かけ密度による正規化後も曲げ強さの Z/S 比は約 1.43 を維持しており（p < 0.001），充填率差以外の寄与因子の存在が示唆された．マイクロ X 線 CT 断面観察により，Sパターン試験片に認められた連続的な層間ボイドが，Zパターン試験片では突起間のストレート区間に対応する離散的なボイドに変換されていることが明らかとなった．これらの結果は，微細非平面積層が MEX 造形物の層間曲げ強度を有意に向上させることを実証するものである．

利益相反に関する開示

著者はインスタリム株式会社の創業時株主であるが，同社との雇用関係および本研究に対する資金提供はない．本研究は著者の個人的な研究活動として実施されたものであり，外部資金の援助を受けていない．

ダウンロード *前日までの集計結果を表示します

ダウンロード実績データは、公開の翌日以降に作成されます。

引用文献

Allum, J., Moetazedian, A., Gleadall, A. and Silberschmidt, V. V., Interlayer bonding has bulk-material strength in extrusion additive manufacturing: New understanding of anisotropy, Additive Manufacturing, Vol.34 (2020), Art. no. 101297, DOI:10.1016/j.addma.2020.101297.

Allum, J., Moetazedian, A., Gleadall, A. and Silberschmidt, V. V., Discussion on the microscale geometry as the dominant factor for strength anisotropy in material extrusion additive manufacturing, Additive Manufacturing, Vol.48, Part A (2021a), Art. no. 102390, DOI:10.1016/j.addma.2021.102390.

Allum, J., Kitzinger, J., Li, Y., Silberschmidt, V. V. and Gleadall, A., ZigZagZ: Improving mechanical performance in extrusion additive manufacturing by nonplanar toolpaths, Additive Manufacturing, Vol.38 (2021b), Art. no. 101715, DOI:10.1016/j.addma.2020.101715.

Allum, J., Moetazedian, A., Gleadall, A., Mitchell, N., Marinopoulos, T., McAdam, I., Li, S. and Silberschmidt, V. V., Extra-wide deposition in extrusion additive manufacturing: A new convention for improved interlayer mechanical performance, Additive Manufacturing, Vol.61 (2023), Art. no. 103334, DOI:10.1016/j.addma.2022.103334.

Atallah, H., Qufabz, T., Naeem, R., Bakhsh, H. R., Ferriero, G., Varga, D., Derkács, E. and Molics, B., The current state of 3D-printed prostheses clinical outcomes: A systematic review, Journal of Functional Biomaterials, Vol.16, No.10 (2025), Art. no. 370, DOI:10.3390/jfb16100370.

Duty, C., Failla, J., Kim, S., Smith, T., Lindahl, J. and Kunc, V., Z-pinning approach for 3D printing mechanically isotropic materials, Additive Manufacturing, Vol.27 (2019), pp.175–184, DOI:10.1016/j.addma.2019.03.007.

Elsherbiny, A., Mohiuddin, A., Dehgahi, S., Mertiny, P. and Qureshi, A. J., Z-stitching technique for improved mechanical performance in fused filament fabrication, Journal of Manufacturing and Materials Processing, Vol.9, No.3 (2025), Art. no. 97, DOI:10.3390/jmmp9030097.

Gao, X., Qi, S., Kuang, X., Su, Y., Li, J. and Wang, D., Fused filament fabrication of polymer materials: A review of interlayer bond, Additive Manufacturing, Vol.37 (2021), Art. no. 101658, DOI:10.1016/j.addma.2020.101658.

Kuznetsov, V. E., Solonin, A. N., Urzhumtsev, O. D., Schilling, R. and Tavitov, A. G., Strength of PLA components fabricated with fused deposition technology using a desktop 3D printer as a function of geometrical parameters of the process, Polymers, Vol.10, No.3 (2018), Art. no. 313, DOI:10.3390/polym10030313.

Lendvai, L., Fekete, I., Rigotti, D. and Pegoretti, A., Experimental study on the effect of filament-extrusion rate on the structural, mechanical and thermal properties of material extrusion 3D-printed polylactic acid (PLA) products, Progress in Additive Manufacturing, Vol.10, No.1 (2025), pp.619–629, DOI:10.1007/s40964-024-00646-5.

Pugatch, M., Teece, M., Lee, J., Patil, N., Dunn, R., Hart, K., Wetzel, E. and Park, J. H., Accelerated annealing of fused filament fabricated (FFF) thermoplastics via an improved core–shell filament, Scientific Reports, Vol.13 (2023), Art. no. 13538, DOI:10.1038/s41598-023-40855-6.

Polymaker, PolyLite PLA Technical Data Sheet, V4.0 (online) (2018), available from https://asset.dynamism.com/media/catalog/product/pdf/PolyLite_PLA_TDS_V4.pdf, (accessed on 20 December, 2025).

Seppala, J. E., Han, S. H., Hillgartner, K. E., Davis, C. S. and Migler, K. B., Weld formation during material extrusion additive manufacturing, Soft Matter, Vol.13, No.38 (2017), pp.6761–6769, DOI:10.1039/C7SM00950J.

Simunec, D. P., Jacob, J., Kandjani, A. E. Z., Trinchi, A. and Sola, A., Facilitating the additive manufacture of high-performance polymers through polymer blending: A review, European Polymer Journal, Vol.201 (2023), Art. no. 112553, DOI:10.1016/j.eurpolymj.2023.112553.

Wool, R. P. and O'Connor, K. M., A theory of crack healing in polymers, Journal of Applied Physics, Vol.52, No.10 (1981), pp.5953–5963, DOI:10.1063/1.328526.