Markforged Metal X の実力検証|金属3Dプリンター受託造形サービスのことなら株式会社J・3D

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052-389-1901
事業内容 Markforged Metal X の実力検証
Verification of Markforged Metal X

Markforged「Metal X」 の実力は今までなぜかあまり公開されてこなかった。

理由はあまりよくわからないが、弊社ではMarkforged「Metal X」設置と共に様々な検証を行っている。

真の実力と、適用例などを挙げていけたらと思っています。

Markforged「Metal X」 をご検討際は是非お声掛けいただければと思います。

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Metal X造形

金属3Dプリンター造形品で1番気になるところは金属の強度になります。メーカーからマテリアルデーターシートが出されていますが、検証は必要です。

また、次に気になるところ、密度も合わせて検証する作業をした。

引張試験棒は∮11で作成し、∮8に加工。この試験棒は経産省の医療機器ガイドラインに基づく試験棒であり、金属粉末造形でも同試験をする際に用いている。

密度検査の試験片は単純な10mm立法で作成し、アルキメデス法、X線CTなどで密度を検証する。

が、その間に社内で出来る試験を実施しているので公開いたします。

10mm角検証

Markforged「Metal X」 では樹脂製のフィラメントに金属粉末を混ぜFDM方式と同じように積み上げていきます。

その後樹脂を抜き(脱脂)して焼結して固めるのですが、焼結後の寸法を測定したのが上の表になります。

データー上、10mm×10mm×10mmの立方体を作っていますが、X方向の測定値よりY方向。Y方向の測定値よりZ方向の寸法が大きくなっています。

なぜこのような現象が発生したのか造形物の観察を行いました。

Y方向
Y方向面観察
Z方向
Z方向面観察

まずはY方向面の観察写真を見てください。縦方向に変な筋がみえます。

これはノズルから樹脂と金属粉末の入ったフィラメントを溶かしながらスタートする場所であり、一層の終点でもあります。

どうやらスタート地点と終点の跡が筋となって出ているようです。この分を触ってみると若干膨らみを感じるため、X方向よりもY方向が寸法的に大きく出てしまうようです。

次にZ方向の面を観察しました。表面も少々ザラついていますが、裏面はガタガタになっています。

測定染みるとザラザラな面は約0.2㎜の深さがあります。

これはサポート材と製品の境界面にセラミックを敷き詰めるのですが、その間、間に次の層の金属フィラメントが押し込まれできた跡になります。

これを取り除けばX方向の寸法と同じになります。

FDM方式だから出る課題であると認識いたしました。



Markforged「Metal X」 では造形プログラムとして初めに輪郭を塗りつぶしていきます。

その後輪郭の内側を塗りつぶしていくことになります。

今回観察した試験片は10mmの立方体の上面になります。ペーパーを使用して約0.2mm程磨いて拡大して観察しております。

写真を見て頂いてわかる通り、輪郭とその内側部の境界面にてまっすぐなラインで巣が観察されました。

METAL X巣1
上面観察1
METAL X巣2
上面観察2

次に側面の巣の観察になります。寸法検証のところでもお話しましたが、FDM方式の場合ノズルから出す開始位置と終点があります。

どうにも気になっていたのでその面をペーパーを使用して約0.2mm程磨いて拡大して観察したところ、開始位置と終点部にいくつかの巣が確認されました。

METAL X開始位置と終点
側面観察1
METAL X巣3
側面観察2

前項では外観上の巣の発生を観察しましたが、内部の巣がどうなっているかはX線でなければ観察できません。

そこで試験片を名古屋工業研究所に持ち込みX線観察を依頼しました。

試験片は全部で5つ。

テスト観察後、一番巣の多そうな試験片を本試験にかけました。

中実で作成した試験片ですが、X線で観察してみるといたるところに巣?と思えるような黒い影がみえます。

しかし、よくよく観察してみるとノズルから出たままの形で黒い影が確認されます。

もちろん私たちからすればこれは巣なのですが、正確に言えば線と線の隙間?という跡のようです。

これらがどういったメカニズムで発生するのかは検証が必要ですが、考えられる原因としては

1.3Dプリンター内の温度が下がった
2.押さえつける力が足りていない、またはテーブル並行が狂った
3.ノズルからの流動性の悪化

などが考えられます。

N数を増やして更に観察しメカニズムを知る必要があります。

次は影の部分を切り取り実際の巣を確認してみようと思います。

METAL XのX線観察1
試験片1
METAL XのX線観察1
試験片2

X線の結果を信じていないわけではないが、内部にそれほどの巣が本当にあるのだろうかが気になったので検証した。

Z方向上面を0.5mmほどワイヤーカットで切断し6000番のペーパーにミガキ400倍で表面状態を観察。

すると、驚いたことにX線と同じような巣が確認できた。大きなところで0.4mmほど、小さなところで0.04mmほどの巣が確認できる。

しかし、やはり綺麗な配列上に巣が並んでいることから線と線の隙間であることが推察できる。

X線検証1
試験片1
X線検証2
試験片2
Metal X強度試験

いよいよ強度試験、X線観察、密度測定、電子顕微鏡観察、などの試験が名古屋工業研究所で開始されます。

データーが揃い次第随時試験結果を公開していきたいと思います。

今回の試験は17-4PHステンレス鋼での試験となりますので、17-4PHステンレス鋼のマテリアルデータシートの検証と追加テストになります。

Metal X試験2

試験2では大きさによる収縮率がどうなるのかを検証するために、単純形状で10㎜立方体、20㎜立方体、30㎜立方体、を造形。

全て同じ工程で焼結まで実施しその大きさの変化を見ることにした。

この検証は金属粉末造形で大きさにより異なる寸法偏差があったことから、この方式でも同じことがありうるか?という理由に基づくものである。

まずは測定結果を見て頂ければと思います。

試験2-1
試験2-2
試験2-3

まず最初に気が付くところは、寸法が小さくなっていることです。

10㎜立方体の予定が0.05マイナス。20㎜立方体が0.08マイナス。30㎜立方体が約0.1マイナスになっている。

大きさにより寸法偏差が大きくなっていることが何となく傾向としてあらわれている。

もうひとつ気が付く箇所が、メーカー発表では20%の収縮率と記載されていたが、実際の測定値では16~17%ではないか??もし弊社が20%だけがにならないんだとしたらそれはそれで問題になる。

Z方向に関してはサポート材境界面のざらつきがあるため正確な数値が取れないので記載はしていない。

N数が少ないためまだはっきりとした答えは出せないが、今回の試験は有意義な試験でもあった。

Metal X試験3

試験3では今までの金属造形でさんざん苦しめらてきた歪みの検証です。

金属粉末造形では、薄いものや横長のものは残留応力の影響で大きく歪みがでることがあった。

この試験では、造形では歪みが出ないことがわかっているので、焼結にて歪みが出るのかどうかの検証となる。

一つはグリーンパーツ時にサポート材から外してしまい熱処理。もう一つは縦造形で作った棒を横に寝かせて熱処理をしてみた。

結果だけをお話することにはなりますが、グリーンパーツから外した試験体も、横に寝かせた縦造形試験棒も歪みはほぼありませんでした。

Metal Xひげ

FDM方式の3Dプリンターを扱ったり見たことある方は「ひげ」をご存知かと思います。

造形の終点時によく起こる現象ですが、Markforged「Metal X」でも起こりうるのか何時間も3Dプリンター前に座り込み観察をしていました。

何個か同時に造形中に確認できました。

すぐに写真におさめましたが、やはりこの方式では「ひげ」が出ることがあるようです。これが品質に影響を及ぼすのかどうかはまだ未確認です。

また何かしらの現象が出たらご報告させて頂きます。

Metal X造形3

実際のところまだまだ試験は継続中です。試験結果については随時追加記入していきますが、現時点でのMarkforged「Metal X」 の評価としてはまずまずといったところです。

というのは、金属3Dプリンターではどの方式、どの機種でも実は削りは必要なのです。見た目の粗さは削ってしまえば違いはないので問題はありません。

懸念しているところとしては強度です。

試験結果からもわかるように巣のような穴が観察されています。大きさで言えば0.05ほどの小さな巣ではありますが、そこを起点として割れたりヒビが入ったりすることも否定できません。

しかし、試作という分野でそこまで強度が求められるのかどうかは使い方次第だと思っています。

金属粉末積層法では歪みが大きく出たものでも、Markforged「Metal X」 では出ないという利点があることも事実です。

どちらが良いとは言えない結果だと思っています。一長一短。どのように活用するかで使える金属3Dプリンターかどうかの判断になるのではないでしょうか。

個人的な意見として言わせて頂けるとしたら、非常に面白い金属3Dプリンターだということ。しかも価格的に嬉しい。ということでしょうか!

METAL X造形品4
造形後
METAL X造形品5
仕上げ後
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