金属3Dプリンタの材料調査と造形物の密度測定

当社で導入しました金属3DプリンタのMetal X（Markforged社製）はフィラメント材料や造形物について不明な点が多いため、今回は材料に含まれる金属粒子の大きさと造形物のボイド率について調査を行いました。

調査方法

材料の金属粒子径の測定

フィラメントから材料を削り出し、マイクロスコープにて金属粒子の観察・測長を実施。

造形物の密度の測定

アルキメデス法・ピクノメーター法による密度測定と、X線CT装置によるSTLデータからボイド率を算出。

材料の金属粒子径の測定

デジタルマイクロスコープ

・メーカー：㈱キーエンス
・型式：VHX-6000

観察・測定結果

フィラメント材料に含まれる金属粒子の拡大写真は右下の通りとなります。
粒子サイズは最小でφ3μm程度、最大でφ6μm程度のものが確認できました。

レーザ焼結タイプの金属3Dプリンタとの比較

レーザ焼結タイプの金属3Dプリンタの金属粒子はφ50μm前後と言われますので、Metal Xの造形物の表面状態が比較的滑らかなのは粒子径の違いによるものと思われます。

造形物の密度の測定

X線CT装置によるボイド率の算出

・メーカー：㈱ニコン
・型式：XT H 225 ST
・解析ソフト：VG STUDIO MAX
・ボイド率の算出：STLデータをVG STUDIO MAXで解析したところ、ボイド率は5.85％と算出されました。

密度測定からのボイド率の算出

・かさ密度：6.88g/cm3（アルキメデス法）
・真密度：7.41g/cm3（ピクノメーター法）
・ボイド率の算出：かさ密度と真密度からボイド率は約7.2%と算出されました。

装置メーカーの公称値との比較

メーカーから公表されている造形物の内部密度は98％とされていますので、ボイド率という意味で考えるとそれよりも4％～5％程度低い値となりました。
（※ただし、使用したノズルの大きさや造形物の形状等により内部密度は前後すると思われます。）

まとめ

Markforged製のMetal Xの造形物につきましては、内部密度がメーカーの公称値よりも実測値の方が低い結果とはなりましたが、フィラメント材料に含まれる金属粒子が非常に小さく（φ3～6μm程度）、レーザ焼結タイプの金属3Dプリンタよりも内部密度が高いと言われています。

ただ、レーザ焼結タイプの金属3Dプリンタの造形物の調査を行ったことがありませんので、サンプルが手に入りましたら同様の調査を行ってみようと考えております。

このように当社では3D造形だけでなく造形物についての様々な評価を行うことも可能ですので、3Dプリンタの活用方法や評価方法等についてご興味のある方はお気軽にご相談ください。