ロボットアーム用フィラメントの選び方
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FDM方式の3Dプリントは、ホビーや小規模なロボティクス開発において最も実用的な製造手段の一つになりました。迅速な試作、短い設計サイクル、低い製造コスト、専用治具なしで複雑な部品を製作できる自由度が得られます。設計を変更して再プリントし、数時間以内に試験まで進められるため、従来の製造方法よりもはるかに速く機構を開発できます。高価な設備や金型を用意しなくても、交換部品や小ロット生産が現実的になる点も利点です。
こうした利点の一方で、FDMプリントにはいくつかの技術的課題があります。プリント部品は切削品や成形品に比べて剛性・強度が低く、層間の異方性のために機械的特性がプリント方向に大きく依存し、多くの一般的な材料は比較的低い温度でも剛性を失ったり変形したりします。最終的な性能は材料そのものだけでなく、プリント設定、部品形状、後処理にも左右されます。
ロボットアームでは、これらの制約が実際の性能に直結します。構造部品は繰り返し荷重を受けても過度にたわまず、寸法精度を保ち、長期変形に耐え、温度の高い環境でも安定して機能しなければなりません。さらに、衝突、急激な動作、メカストッパーとの接触、落下、組み立て時の取り扱いなどによる突発的な荷重を受けることもあります。ゆっくりした荷重や持続荷重で良好な材料でも、衝撃を受けると割れたり破損したりする場合があります。
本記事では、入手しやすい炭素繊維強化フィラメント数種類を、基準材料である標準PLAおよびPETGとあわせて比較します。目的は、現実的なプリント条件のもとで構造用ロボット部品への実用的な適合性を評価することです。メーカーのデータシートだけに頼らず、曲げ剛性、耐熱性、長期変形、衝撃挙動を再現可能な形で実測して比較しました。
炭素繊維強化フィラメント
炭素繊維強化（CF）フィラメントは、PLA・PETG・PETなどの一般的な熱可塑性樹脂に短い炭素繊維を混合した複合材料です。炭素繊維は補強フィラーとして働き、FDMプリントの手軽さを保ったままプリント部品の機械的挙動を変化させます。
無強化の同系材料と比べると、CFフィラメントは一般により剛性が高く、寸法安定性に優れ、熱膨張が小さい部品になります。特有のマットな表面も特徴で、積層線が目立ちにくくなり、部品の見た目もより仕上がりの良いものになります。実際の向上幅はベース樹脂と炭素繊維の配合量に依存するため、PET-CF、PETG-CF、PLA-CFは同一材料のバリエーションではなく、別々の材料系として扱うべきです。
本研究では、炭素繊維強化フィラメントを基準材料の標準PLA・PETGと比較し、ロボットアームの構造部品に対してどの程度の実用的な向上が得られるかを評価します。
アニール処理
アニール処理とは、樹脂の融点より低い温度で行う制御された熱処理です。材料によっては内部応力が緩和され結晶化度が高まり、剛性、耐熱性、荷重下での寸法安定性が向上します。炭素繊維強化フィラメントのメーカーの多くは、工業用途で最良の機械特性を得るためにアニール処理を推奨しています。
アニールの効果はベース樹脂に大きく左右されます。PET-CF、PETG-CF、PLA-CFはそれぞれ異なる反応を示し、配合や処理条件によって効果はごくわずかなものから顕著なものまで幅があります。またアニールは収縮や反りといった寸法変化を招くことがあり、精密な機械アセンブリでは望ましくない場合があります。
実用上の利点を評価するため、本研究の炭素繊維強化フィラメントはいずれも、プリント直後の状態と、メーカー推奨の手順でアニール処理した状態の両方で試験しました。これにより、追加の処理時間や寸法変化の可能性と合わせてアニールの効果を判断できます。
試験プログラムの概要
構造用ロボット部品にフィラメントが適しているかどうかは、単一の材料特性では決まりません。非常に剛性が高くても高温で変形する材料もあれば、耐熱性は良好でも持続荷重で徐々にたわむ材料もあります。そこで、実際のロボットアーム性能の異なる側面を扱う4つの相補的な試験で材料を評価しました。
- 三点曲げ試験 — 4段階の制御された荷重で試験片のたわみを測定し、曲げ剛性を評価します。得られたデータから曲げ弾性率を算出することで、試験片ごとのわずかな寸法差に影響されずに材料間の剛性を比較できます。
- 耐熱試験 — 荷重をかけた試験片が65–70 °Cでどの程度形状を保持できるかを評価します。この温度域を選んだのは、ロボット関節内部のサーボモーターが連続運転時に同程度の温度に達するためです。モーターの熱で構造部品が軟化・変形すると、過大な外部荷重がなくても位置決め精度や機械的信頼性が低下します。
- 長期変形試験 — 持続荷重下でのクリープ耐性を評価します。ロボット用途では、アーム自体やペイロードの重量を支えながら、構造部品が長時間にわたって同じ力を受け続けることが少なくありません。
- 振り子式衝撃試験 — アイゾットとシャルピーの両構成で、突発的な荷重時に試験片が吸収できるエネルギーを比較します。2つの構成は支持と荷重の条件が異なるため、破壊挙動の異なる側面が現れます。
本研究の限界
本研究の目的は、制御された再現可能なプリント条件・試験条件のもとで、各フィラメントの挙動を比較することです。形状の影響を最小化するため、すべての試験片は同一設定で中実（充填率100%）にプリントしました。この方法により材料間の直接比較は可能になりますが、実際のロボットアーム部品の構造を完全に再現しているわけではありません。
実際には、構造用のFDM部品の多くは充填率30–40%、複数のウォール、積層造形に最適化された形状でプリントされます。リブ、ガセット、箱型断面、肉厚の増加といった要素は、重量とプリント時間を抑えつつ剛性と強度を大きく高めます。したがって、本研究で測定した絶対的なたわみ量を、完成したロボットアーム部品の挙動として解釈すべきではありません。
衝撃試験は、規格に基づく衝撃強さの測定ではなく材料の相対比較を目的とした、小型で非認証の振り子試験機で実施しました。結果は相対的な吸収エネルギー指数として示しており、ジュールやキロジュール毎平方メートルの衝撃強さとして解釈したり、メーカーのデータシートや規格化されたアイゾット・シャルピー値と直接比較したりすることはできません。
試験した材料
Polymaker Fiberon PET-CF17 は、ロボットアームの構造部品向け主要候補の一つとして選定しました。PET-CFはPETをベースにした炭素繊維強化フィラメントで、PETの寸法安定性と耐久性に炭素繊維補強による高剛性を組み合わせることを狙った材料です。より扱いの難しい高温エンジニアリング樹脂に踏み込まずに、剛性・プリント性・実用強度のバランスが得られる可能性がある点で、本プロジェクトにとって魅力的です。
Bambu Lab PETG-CF は炭素繊維強化のPETGフィラメントです。Bambu Labによれば、標準PETGに比べて機械的性能と表面の見栄えの双方を高めつつ、耐水性、耐油性、耐グリース性、耐UV性、耐衝撃性といったPETGの利点を維持するよう設計されています。コンシューマー向けプリンターで機能部品に使える材料として位置づけられ、通常のPETGよりも仕上がりが美しくたわみが少ないとされる点も、本プロジェクトに関係します。
CC3D PETG-CF は、PETGベースの炭素繊維複合材のもう一つの選択肢として加えました。Bambu Lab PETG-CFとの比較材料として有用で、両者は類似のPETG-CFという考え方に基づきながらメーカーが異なります。これにより、観察された挙動が主に材料タイプによるものか、メーカー固有の配合が剛性・表面品質・プリント品質に無視できない影響を与えるのかを確認できます。
Creality Hyper PLA-CF は、PLAベースの炭素繊維強化材料として加えました。PLAは一般にプリントが容易で良好な剛性を持ち、炭素繊維補強によってさらに剛性を高め、積層の質感を目立たなくできます。CrealityはHyper PLA-CFについて、高強度、良好な層間接着、マットな仕上がり、積層跡の少なさ、最大300 mm/sのプリント速度を挙げています。ロボットアーム部品では、比較的プリントしやすいまま高剛性と良好な表面品質が得られる可能性がある点で興味深い材料です。
Creality PETG は、無強化のPETG基準材料として試験しました。PETGは標準PLAより靱性が高く脆さが少ない一方、一般的なデスクトップFDMプリンターでプリントできるため、機能部品によく使われます。本研究では、炭素繊維補強が通常のPETGに対して剛性と曲げ挙動をどれだけ改善するかを評価するための基準となります。
Soleyin Ultra PLA は、標準PLAの基準材料として試験しました。PLAは広く普及しており、プリントが容易で寸法安定性が高く、仕上がりもきれいになります。ただしPETG系材料よりも脆くなりやすく、高温や衝撃荷重を受ける部品にはあまり適しません。本比較では、標準PLAが炭素繊維強化材と比べてどの程度の性能かを理解するための有用な基準となります。
試験装置と手法
三点曲げ試験
本試験の目的は、制御された荷重下での材料の弾性変形を測定することです。構造用ロボット部品では、破壊限界よりはるかに小さい荷重であっても過度なたわみは位置決め精度と再現性を損なうため、剛性は重要な特性です。
実験比較には、Stefan Hermann氏（CNC Kitchen）が公開している 三点曲げ試験機の設計 を使用し、手元にあるピン径に合わせてわずかに変更しました。試験形状の一貫性と比較可能性を保つため、試験片寸法はオリジナル設計のままとしています。
試験機は下側の支持ピン2本と上側の荷重ピン1本で構成されます。試験中、試験片は両端で支持され、スパン中央に鉛直荷重が加えられます。生じた中央たわみを、あらかじめ定めた荷重段階ごとにデジタルダイヤルゲージで測定します。これらの測定値から各試験片の曲げ弾性率を算出し、同一条件で材料の剛性を比較します。
曲げ弾性率の測定
本試験で比較する主要な値は曲げ弾性率であり、弾性域における試験片の曲げ剛性を表します。
実用的には、曲げ弾性率は既知の荷重に対してプリント試験片がどれだけ曲げに抵抗するかを示します。曲げ弾性率が高い材料は同じ力でのたわみが小さく、低い材料はより大きくたわみます。
ロボットアームの用途では、アームを最大に伸ばして標準的な荷重を保持したときの構造のたわみを最小化したいため、この点はとくに重要です。
三点曲げ試験では、各試験片について4つの基準荷重点を測定します。
(F₁, δ₁), (F₂, δ₂), (F₃, δ₃), (F₄, δ₄)
ここでFは加えた力、δは測定した中央たわみです。
これらの点から、荷重-たわみ曲線の傾きを求めます。
k = ΔF / Δδ
ここでkは試験片の曲げ剛性です。最初と最後の測定点から推定できます。
k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)
あるいは、4つの測定点すべてに直線を当てはめて求めることもできます。
三点曲げにおける矩形断面の試験片では、曲げ弾性率は次式で計算されます。
E = (kL³) / (4bh³)
ここでLは下側支持ピン間の距離、bは試験片の幅、hは曲げ方向の試験片厚さです。
実際の試験条件
試験片は、すべての材料で同一のプリント条件・測定条件を用いて三点曲げで試験しました。各試験条件につき最低2本の試験片を用意しています。炭素繊維強化フィラメントについては、ノーマル（プリント直後）とアニール後の双方をそれぞれ最低2本で評価し、基準材料のPLAとPETGはプリント直後の状態のみで試験しました。各試験片は、ウォール4本、積層ピッチ0.2 mm、ノズル径0.4 mmで中実にプリントしました。試験片の公称寸法は120 × 12 × 4 mmで、実寸は個別に測定して曲げ弾性率の計算に使用しています。下側支持ピン間の距離は102.5 mmです。
| パラメーター | 値 |
|---|---|
| フィラメント乾燥時間 | 6 時間 |
| ウォール数 | 4 |
| 充填率 | 100% |
| ノズル径 | 0.4 mm |
| 積層ピッチ | 0.2 mm |
| 試験片の公称寸法 | 120 × 12 × 4 mm |
| 支持スパン L | 102.5 mm |
| 1段あたりの基準質量 | 0.350 kg |
| 1段あたりの荷重 | 3.43 N |
表1. 三点曲げ試験のプリント条件と測定条件。
荷重は、再現性のある基準おもりを用いて4段階で加えました。基準質量は約0.35 kgで、標準重力下で1段あたり3.43 Nに相当します。4つの荷重レベルはおよそ3.43 N、6.86 N、10.30 N、13.73 Nです。各段階で中央たわみをデジタルダイヤルゲージで測定しました。ノーマル試験片はプリント直後に試験し、Fiberon PET-CF17、Bambu Lab PETG-CF、Creality PLA-CF、CC3D PETG-CFについては別途アニール処理した試験片でも試験しています。
| フィラメント | プリント温度 (°C) | アニール温度 (°C) | アニール時間 |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 300 | 110 | 6 時間 |
| Bambu Lab PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 時間 |
| Creality PLA-CF | 220 | 60 | 6 時間 |
| CC3D PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 時間 |
表2. 炭素繊維強化試験片に用いたアニール条件。
追加の試験条件
耐熱試験では、三点曲げ試験と同じ試験片形状を用いました。各試験片を100 mmのスパンで支持し、中央に110 g（約1.08 N）のおもりを吊り下げました。試験片を65–70 °Cの実験用オーブンに1時間入れ、その後の永久たわみを測定して初期状態と比較しました。
長期変形試験は、同じ三点支持で中央に1 kg（約9.81 N）の荷重をかけて実施しました。荷重をかけた直後に初期たわみを測定し、30分後に2回目の測定を行って時間依存の変形（クリープ）を評価しました。その後荷重を除去し、2分間回復させてから最終的な残留たわみを記録しています。この手順により、弾性変形、持続荷重下のクリープ、除荷後の永久変形を区別できます。
振り子式衝撃試験
衝撃試験の目的は、突発的な荷重を受けたときに各フィラメントの試験片がどれだけのエネルギーを吸収できるかを比較することです。徐々に加える力での変形を評価する三点曲げ試験を補完します。通常の荷重では非常に剛性が高い材料でも打撃を受けると急に破断することがあり、逆に延性の高い材料はより大きく曲がりながら破壊までに多くのエネルギーを吸収します。したがって、衝突、メカストッパーとの接触、落下など短時間の荷重を受け得るロボット部品では衝撃試験が有用です。
試験機は、Printablesで公開されているオープンソースの Izod Impact Test プロジェクト を参考設計として製作しました。再現性のある初期位置から振り子を解放し、試験片に当たった後どこまで振り子が振れ続けるかを機械式スケールで示す仕組みです。振り子の残りの振れが大きく減るほど、変形と破壊の際に試験片が多くのエネルギーを吸収したことになります。同じ試験機をアイゾット方式とシャルピー方式の両方に構成し、支持と荷重の異なる2つの条件で材料を比較しました。
振り子式衝撃試験の様子。
アイゾット構成では、試験片を垂直に配置して一端を固定し、上部を自由端としました。振り子が露出部を打撃し、動的な片持ち曲げ荷重を与えます。この構成は固定部付近に応力を集中させるため、突発的な局所荷重に対する耐性の比較に適しています。試験片の位置、つかみ代、振り子の解放位置、積層方向に対する打撃方向は、試験間で一定に保ちました。
シャルピー構成では、試験片を2つの支点の上に水平に置き、その間を振り子で打撃しました。全体の配置は三点曲げに似た動的曲げ荷重ですが、衝撃速度で加えられます。試験片は破断前に支持スパン全体で変形できるため、結果には破壊抵抗と曲げによるエネルギー吸収能力の両方が反映され得ます。2つの構成は応力分布が異なり、そのまま置き換えられる測定値ではないため、アイゾットとシャルピーの結果は別々に評価しました。
振り子のスケールは校正されたエネルギー値ではなく、相対的な指標として使用しました。相対吸収エネルギー指数は、衝撃後の振り子の読み値を100から引いた値として算出しており、値が大きいほどこの試験装置内でのエネルギー吸収が大きいことを示します。したがって結果は、同じ試験機で同じ条件で試験した試験片同士の比較として解釈すべきで、ジュールやキロジュール毎平方メートルによる規格化された衝撃強さではありません。
衝撃試験片にも、他の試験と同じフィラメント種とプリント条件を用いました。標準PLAとPETGはプリント直後の状態で試験し、各炭素繊維強化フィラメントはプリント直後とアニール後の両方で試験しています。アニール試験片は、前掲の表 2に示した材料ごとの温度と時間で処理しました。
三点曲げ剛性の結果
プリント直後の試験片では、Creality PLA-CFとFiberon PET-CF17が最も高い剛性を示し、算出した曲げ弾性率はそれぞれ2898 MPaと2891 MPaでした。いずれも荷重下でのたわみが最小で、プリント直後の状態では最も優れた結果です。CC3D PETG-CFは2319 MPaで3位となり、標準PETGと標準PLAの両方を上回りました。
基準材料の結果は、炭素繊維補強それ自体が性能向上を保証しないことを示しています。Creality PETG（2029 MPa）とSoleyin PLA（1862 MPa）は、炭素繊維をまったく含まないにもかかわらずBambu Lab PETG-CF（1595 MPa）より明らかに高剛性でした。炭素繊維の含有量だけでなく、ベース樹脂と配合全体が重要であることがわかります。
| # | フィラメント | 曲げ弾性率 E (MPa) | 最大たわみ (mm) |
|---|---|---|---|
| 1 | Creality PLA-CF ノーマル | 2898.32 | 1.58 |
| 2 | Fiberon PET-CF17 ノーマル | 2891.47 | 1.50 |
| 3 | Soleyin PLA | 1862.16 | 2.40 |
| 4 | Bambu Lab PETG-CF ノーマル | 1594.96 | 2.80 |
| 5 | Creality PETG | 2029.01 | 2.40 |
| 6 | CC3D PETG-CF ノーマル | 2319.00 | 2.00 |
| 7 | Fiberon PET-CF17 アニール後 | 3480.37 | 1.20 |
| 8 | Bambu Lab PETG-CF アニール後 | 1831.19 | 2.50 |
| 9 | Creality PLA-CF アニール後 | 2948.27 | 1.50 |
| 10 | CC3D PETG-CF アニール後 | 2495.82 | 1.90 |
表3. 三点曲げ剛性と最大たわみの結果。
荷重-たわみ曲線にも同じ傾向が視覚的に表れています。Fiberon PET-CF17（アニール後）は全荷重域で一貫して最小のたわみを示し、次いでCreality PLA-CFが続きました。Bambu Lab PETG-CFはアニール前後ともに最もたわみやすい材料で、その他の材料は中間に位置しました。
アニールが曲げ剛性に与える影響
アニール処理により、試験したすべての炭素繊維強化フィラメントで曲げ剛性が向上しましたが、その大きさは材料によって大きく異なりました。グラフに示すとおり、ほとんど測定できない程度の変化から、剛性の大幅な増加まで幅がありました。
アニールの効果が最も大きかったのはFiberon PET-CF17で、曲げ弾性率は2891 MPaから3480 MPaへと20%向上しました。プリント直後にはCreality PLA-CFとほぼ同等でしたが、これにより比較対象中で最も剛性の高い材料となりました。
Bambu Lab PETG-CFも1595 MPaから1831 MPaへと15%の明確な向上を示しました。試験した炭素繊維複合材の中では依然として最も剛性が低いものの、アニールによってPETG-CF系材料の剛性を目に見えて高められることを示しています。
CC3D PETG-CFの反応はより穏やかで、曲げ弾性率は8%の向上（2319 MPaから2496 MPa）にとどまりました。
Creality PLA-CFの変化はわずか2%（2898 MPaから2948 MPa）で、推奨されるアニール手順ではこの材料の剛性はほとんど上がらないことがわかります。
これらの結果は、アニールの効果をすべての炭素繊維強化フィラメントに一般化できないことを示しています。剛性はどの材料でも上がりましたが、その程度はベース樹脂と配合によって、わずかなものから大幅なものまで異なりました。最大剛性が主目的の用途では、試験条件下でFiberon PET-CF17がアニールから最も大きな実用的利益を得ました。
耐熱性
サーボモーターは連続運転時、とくに持続荷重下や密閉されたロボット関節内部で65–70 °Cに達することがあります。そのためモーター近傍の構造部品は、位置決め精度の低下や機械的干渉を避けるために高温でも形状を保つ必要があります。本試験では、実際の運転を想定した温度で一定荷重を支えながら形状を維持する各材料の実用的な能力を評価します。
試験片は三点曲げ試験と同じ公称形状で、65–70 °Cで1時間試験しました。各試験片を100 mmのスパンで支持し、中央に110 g（約1.08 N）のおもりを載せています。試験後に測定した中央たわみを、荷重下での耐熱性の指標としました。
| フィラメント | ノーマル (mm) | アニール後 (mm) | 改善率 |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 3.4 | 0.3 | 11.3× |
| Bambu Lab PETG-CF | 5.9 | 2.5 | 2.4× |
| CC3D PETG-CF | 6.0 | 2.3 | 2.6× |
表4. 1.08 Nの荷重下、65–70 °Cで1時間後の熱たわみ。
Creality PLA-CF、Soleyin PLA、無充填のCreality PETGは、この条件下で変形が大きすぎたため、比較可能な有意な測定値を得られませんでした。
結果は、アニールが室温での剛性よりも耐熱性能にはるかに大きく影響することを示しています。Fiberon PET-CF17の改善が最も大きく、たわみは3.4 mmから0.3 mmへと減少し、形状保持性は11倍に向上しました。2種類のPETG-CF材料もアニールの恩恵を大きく受け、たわみを半分以下に減らしましたが、アニール後のFiberon PET-CF17に比べると明らかに安定性は劣りました。
その他の材料は、試験条件下で形状を維持できませんでした。これはあらゆる用途に不適という意味ではありませんが、動作温度を試験範囲より十分に低く保てない限り、連続運転するサーボモーター近傍の構造部品には選ぶべきではないことを示しています。
長期変形
ロボットアームの部品は、アーム自体やペイロードの重量を支えながら持続的な荷重を受けることがよくあります。十分な剛性がある材料でも、時間とともに徐々に変形し、荷重を取り除いても完全には戻らない場合があります。本試験では、時間依存の変形（クリープ）に対する材料の抵抗と、長時間の荷重後に元の形状へ戻る能力を評価します。
各試験片に、前述と同じ三点支持で中央に1 kgのおもりを30分間載せました。荷重直後に初期たわみを記録し、30分後に2回目の測定を行ってクリープを評価しています。荷重を取り除いた後、2分間回復させてから残留たわみを測定しました。
| フィラメント | 初期たわみ (mm) | 30分後 (mm) | 残留たわみ (mm) |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 N | 1.08 | 1.18 | 0.10 |
| Fiberon PET-CF17 A | 0.82 | 0.92 | 0.02 |
| Bambu Lab PETG-CF N | 1.88 | 2.12 | 0.20 |
| Bambu Lab PETG-CF A | 1.80 | 2.00 | 0.15 |
| CC3D PETG-CF N | 1.60 | 1.64 | 0.14 |
| CC3D PETG-CF A | 1.57 | 1.63 | 0.20 |
| Creality PLA-CF N | 1.15 | 1.37 | 0.29 |
| Creality PLA-CF A | 1.00 | 1.13 | 0.40 |
| Soleyin PLA N | 1.60 | 2.05 | 0.30 |
| Creality PETG N | 1.70 | 1.83 | 0.10 |
表5. 1 kg荷重下の長期変形と2分間回復後の残留たわみ。
試験したすべての材料の中で、長期の寸法安定性が最も優れていたのはFiberon PET-CF17でした。アニールにより初期たわみは1.08 mmから0.82 mmに減少し、30分間の荷重中のクリープはどちらの状態でも小さく（0.10 mm）保たれました。さらに重要なのは、残留たわみが0.10 mmからわずか0.02 mmに減り、除荷後にほぼ完全に回復した点です。
Bambu Lab PETG-CFもアニールの恩恵を受け、残留たわみは0.20 mmから0.15 mmに減少しました。一方CC3D PETG-CFは本試験ではほとんど効果がなく、残留たわみはアニール後に0.14 mmから0.20 mmへとわずかに増加しました。炭素繊維複合材の中で残留変形が最も大きかったのはCreality PLA-CFで、アニール後に0.29 mmから0.40 mmへ増加しています。
これらの結果は、剛性と長期寸法安定性が別物であることを浮き彫りにします。アニールは試験したすべての炭素繊維フィラメントで曲げ弾性率を高めましたが、持続荷重後の回復を一様に改善したわけではありません。長時間にわたり荷重を支えるロボットアーム部品では、剛性・耐熱性・長期寸法安定性のすべてで明確な改善を示した材料はFiberon PET-CF17だけでした。
衝撃試験の結果
振り子式衝撃試験では、2つの異なる構成で突発的な荷重に対する材料の反応を比較しました。アイゾット構成では各試験片を垂直に固定した片持ち梁として荷重し、シャルピー構成では両端を水平に支持して支点間を打撃しています。2つの構成は応力分布が異なり、試験片が変形できる量も異なるため、結果は別々に示します。
記録した値は、振り子のスケールから算出した相対吸収エネルギー指数として表しています。値が大きいほど、衝撃時に振り子から多くのエネルギーが奪われたことを意味します。これらの値は同じ試験機で試験した試験片同士の比較のみを目的としており、規格化された衝撃強さとして解釈すべきではありません。
| フィラメント | 状態 | Izod | Charpy |
|---|---|---|---|
| Creality PLA-CF | ノーマル | 20 | 12 |
| Fiberon PET-CF17 | ノーマル | 15 | 5 |
| Soleyin PLA | ノーマル | 17 | 15 |
| Bambu Lab PETG-CF | ノーマル | 29 | 65 |
| Creality PETG | ノーマル | 24 | 60 |
| CC3D PETG-CF | ノーマル | 20 | 8 |
| Fiberon PET-CF17 | アニール後 | 8 | 10 |
| Bambu Lab PETG-CF | アニール後 | 25 | 22 |
| Creality PLA-CF | アニール後 | 18 | 12 |
| CC3D PETG-CF | アニール後 | 21 | 13 |
表6. アイゾットおよびシャルピー衝撃試験の相対吸収エネルギー指数。値が大きいほどエネルギー吸収が大きい。
最も明確だったのは、ノーマル状態のBambu Lab PETG-CFと標準Creality PETGにおけるシャルピーのエネルギー吸収が際立って大きかったことで、相対吸収エネルギー指数はそれぞれ65と60でした。同じ構成での他のノーマル試験片はいずれも15以下にとどまりました。アイゾットの結果はより接近しており、ここでもBambu Lab PETG-CFが最高値、次いで標準PETGとなりました。
アニールにより大きな変化がいくつか生じました。とくにBambu Lab PETG-CFのシャルピー値が65から22へ、Fiberon PET-CF17のアイゾット値が15から8へ低下しました。一方、ノーマルとアニール後で約5%程度の小さな差は本試験装置の実用的な限界の範囲内であり、改善・悪化が確認されたものとして解釈すべきではありません。
結果の考察
剛性と耐衝撃性
結果は、剛性と耐衝撃性が別々の材料特性であり、互いに置き換えて考えるべきではないことを示しています。三点曲げ試験は徐々に加える荷重に対する弾性変形への抵抗を測るのに対し、振り子試験は突発的な衝撃で吸収するエネルギー量を評価します。したがって、通常運転では非常に剛性が高い材料でも、打撃を受けると急激に破損することがあります。
この違いは、Fiberon PET-CF17とPETG系材料を比べるととくに明確です。Fiberonは最も剛性の高い部類で、アニール後には比較中で最も剛性が高くなりましたが、衝撃の結果は相対的に低いものでした。逆にBambu Lab PETG-CFは曲げ試験ではCF材料の中で最も剛性が低かったにもかかわらず、ノーマル試験片の中で最も高い衝撃指数を記録しました。標準Creality PETGも同様の傾向で、中程度の剛性と非常に高いシャルピーのエネルギー吸収を併せ持ちました。
これらの結果から、材料選定は部品に想定される荷重条件に応じて行うべきだといえます。剛性の高いリンク、サーボマウント、位置決め精度を保つ必要のある構造では、高い剛性と低いクリープが主に効きます。カバー、ガード、グリッパー部品、衝突にさらされる部品では、衝撃エネルギーを吸収できる延性のあるPETG系材料のほうが有利なことがあります。両方の特性が必要な場合は、単一の試験結果で材料を選ぶよりも、部品形状、肉厚、局所補強、交換可能な保護部品といった設計上の工夫のほうが効果的です。
炭素繊維強化フィラメントと標準フィラメント
結果は、炭素繊維補強がプリント構造部品の性能を大きく向上させ得る一方、炭素繊維を加えただけでは向上が保証されないことを裏づけています。炭素繊維の有無そのものよりも、ベース樹脂と配合全体の影響のほうが大きいようです。
プリント直後の試験片では、Fiberon PET-CF17とCreality PLA-CFが基準材料のPLA・PETGよりも大幅に高剛性でした。CC3D PETG-CFも三点曲げで標準PETGを上回りました。しかしBambu Lab PETG-CFは両方の基準材料より剛性が低く、炭素繊維強化フィラメントが無充填樹脂より自動的に剛性が高いわけではないことを示しています。
衝撃の結果は、もう一つの重要な違いを明らかにします。標準Creality PETGは本研究で最も高い部類のシャルピー吸収エネルギー指数を記録し、Bambu Lab PETG-CFをわずかに下回るだけで、他のCF複合材を大きく上回りました。これは、炭素繊維補強が必ずしも耐衝撃性を高めるわけではなく、破壊前に変形してエネルギーを吸収する能力をむしろ低下させ得ることを示しています。効果は配合によって大きく異なり、Bambu Lab PETG-CFはノーマル試験片中で最大の衝撃エネルギー吸収を示した一方、CC3D PETG-CFとFiberon PET-CF17のシャルピー結果ははるかに低いものでした。
炭素繊維補強は表面品質も明確に向上させました。試験したすべてのCF材料は均一なマット調で積層線が目立ちにくく、外観のための後処理はほとんど、あるいはまったく不要でした。総じて、CFフィラメントは無強化材の単なる上位版ではなく、剛性・熱安定性・クリープ耐性・衝撃挙動の固有の組み合わせを持つ独立したエンジニアリング材料として捉えるべきです。
実務におけるアニール
アニールは試験したすべての炭素繊維強化材料で剛性と耐熱性を向上させましたが、その大きさと総合的な有用性はフィラメントによって大きく異なりました。最大の効果が見られたのはFiberon PET-CF17で、曲げ剛性、耐熱性、長期寸法安定性のいずれも改善しました。Bambu Lab PETG-CFとCC3D PETG-CFも剛性が上がり高温での形状保持が改善しましたが、改善の範囲はより限定的でした。
長期変形試験と衝撃試験は、アニールを万能の改善策と見なすべきではないことを示しています。剛性の向上が必ずしも持続荷重後の回復改善につながるとは限らず、耐衝撃性は材料と試験構成によって向上も低下もし得ました。最も顕著な悪化はBambu Lab PETG-CFで、シャルピー吸収エネルギー指数がアニール後に65から22へ低下しました。Fiberon PET-CF17もアイゾット値が大きく低下しています。
したがってアニールは、完成部品にとって支配的な要求に応じて選択すべきです。熱安定性、剛性、緩やかな変形への耐性が主目的であれば非常に有効で、とくにFiberon PET-CF17で効果的です。一方、衝突や突発荷重を受け止める部品では、アニールが有用な延性を損なう場合があるため慎重な検討が必要です。効果はベース樹脂、繊維含有量、メーカーの配合、そして各ロボット部品に求められる特性のバランスに左右されます。
まとめ
本研究では、市販の炭素繊維強化フィラメント数種類を、三点曲げ剛性、荷重下での耐熱性、長期変形、アイゾットおよびシャルピー構成での振り子衝撃試験という4つの相補的な試験で比較しました。結果は、どのロボットアーム部品にも当てはまる最良のフィラメントを単一の特性だけで決めることはできないことを示しています。剛性、熱安定性、クリープ耐性、衝撃耐性は個別に検討する必要があります。
サーボモーター近傍にある剛性の高い構造部品や、持続荷重を受ける部品には、Fiberon PET-CF17が総合的に最も優れていました。非常に高い剛性に加え、優れた熱安定性と、長時間荷重後の最小の残留変形を両立しています。アニールによる追加の効果も大きく、本研究ではリンク、サーボマウント、その他の精度が重要な構造部品に最適な材料となりました。ただし衝撃の結果は比較的低いため、衝突耐性が最優先の用途にはあまり向きません。
CC3D PETG-CFは、中程度の剛性、アニール後の耐熱性向上、PETGならではのプリントしやすさ、良好な表面品質を重視する場合の実用的な第2の選択肢です。剛性・耐熱性・長期寸法安定性ではFiberonに及ばず、衝撃性能も限定的でしたが、一般的な構造部品には有用な妥協点となります。
突発的な曲げ、衝突、不意の打撃を受ける部品には、ノーマル状態で最も高いシャルピー結果を示したBambu Lab PETG-CFと標準Creality PETGが適します。剛性と耐熱性が低いため、発熱するモーター近傍の精密な構造部品には向きませんが、カバー、ガード、グリッパー部品、バンパーなど、高い剛性よりもエネルギー吸収が求められる部品にはより適しています。
Creality PLA-CFはプリント直後の剛性に優れる一方、高温への耐性が低く、衝撃エネルギー吸収も中程度にとどまりました。したがって、PLAの軟化域より十分に低い温度で動作し、熱や衝撃よりも高剛性と加工しやすさが重要となる、受動的あるいは軽負荷の構造に最も適しています。
アニールは万能の改善策ではありません。いくつかの材料、とくにFiberon PET-CF17では剛性と熱安定性を大きく高めましたが、長期の回復性を一貫して改善したわけではなく、衝撃エネルギー吸収を低下させる場合もありました。熱処理は自動的に適用するのではなく、最終部品にとって支配的な要求に応じて選択すべきです。
総じて、最適な材料は想定される破損モードによって決まります。剛性が高く熱的にも負荷のかかる構造にはFiberon PET-CF17、実用的な第2の構造用選択肢としてCC3D PETG-CF、最大剛性より衝撃耐性が重要な部品にはBambu Lab PETG-CFまたは標準PETGが適します。材料選定は、動作温度、持続荷重、必要な位置決め精度、突発的な衝撃の可能性に基づいて部品ごとに行うべきです。
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