主要な定義と基本事項
強さ
強度とは、部品が破損するまでに耐えられる負荷の大きさのことです。強度は、部品が破損したり、永久的に変形したりするのを防ぐ能力と考えることができます。丈夫なクリップは、引っ張っても壊れることなく、元の位置に収まったり、物をしっかりと保持し続けます。
剛性
剛性とは、部品に荷重をかけたときにどれだけ曲がったり変形したりするかを示すものです。「剛性の高い」本棚ブラケットは、棚に重みをかけてもほとんど曲がりませんが、柔軟性の高いブラケットは大きく曲がります。剛性は、「通常の使用で形状を維持できるか」という問いに答えるものです。
靭性と延性
これらは強度の類縁関係にある。靭性とは、部品が破損するまでに吸収できるエネルギー量を指す。延性とは、材料が折れるまでに耐えられる永久変形量を指す。靭性の高い材料は剛性はそれほど高くないかもしれないが、衝撃を受けても粉々に砕けることはない。
幾何学が重要な理由
剛性は部品の形状に大きく左右されます。薄くて平らな帯状のものは簡単に曲がりますが、同じ材料でも厚みのある梁状やリブ付きの形状にすると、はるかに曲がりにくくなります。つまり、材料を変えるのではなく、形状を変えることで部品の剛性を高めることができる場合が多いのです。
強度＝「破壊に至るまでの力はどれくらいか？」
剛性＝「その力の下でどれだけ曲がるか？」
剛性と強度の関係
硬さと強度は関連しているが、必ずしも同時に増減するとは限らない。
・硬くて脆い素材は、ある程度までは非常に硬く（あまり曲がらない）、強度も高いが、予告なく突然壊れることがある。
・柔らかくゴムのような素材は、非常に柔軟（低剛性）でありながら丈夫です。破断する前に大きく伸びるため、脆い素材なら折れてしまうような衝撃にも耐えることができます。
形状効果により、材料を変えずに部品の剛性を大幅に高めることができます。例えば、厚いリブを追加したり、材料を部品の中心から遠ざけたりすることで、曲げを劇的に軽減できます。場合によっては、より剛性の高い材料に切り替えるよりもはるかに効果的な場合もあります。
現実世界でよくある状況：
・剛性要件を満たしているが、欠陥のある部品：荷重がかかってもほとんど曲がらないが、わずかな応力集中（鋭角な角や薄い壁）によって亀裂が生じ、破損する。
・強度は高いが柔軟性がありすぎる部品：負荷がかかっても壊れることはないが、曲がりすぎて本来の機能を果たせなくなる。
マテリアル効果
一般的な熱可塑性樹脂（FDM/FFF）
・おそらく皆さんが聞いたことがあるような例は、それぞれ異なる挙動を示します。かなり硬いがもろいものもあれば、より丈夫で柔軟なものもあります。
・硬い素材は曲げに抵抗する傾向がありますが、急な衝撃を受けると折れることがあります。丈夫なプラスチックほど、折れる前に大きく曲がります。
・多くのフィラメント材料は、印刷方法に大きく依存します。向き、温度、レイヤー設定によって、実際の性能が大きく変化します。
樹脂（SLA/DLP）
・樹脂製のパーツは非常に精巧な作りで、硬くて精密な感触のものが多い。
・印刷後の硬化処理（樹脂部品を仕上げる工程）によって、部品はより硬く、より丈夫になりますが、過度の硬化は部品を脆くする可能性があります。また、脆さを避けるために設計された、より強度のある樹脂配合も存在します。
粉末状プラスチック（SLS/MJF）
・これらの部品は、FDM方式で製造された部品よりも均一で積層構造が少ないという特徴があります。強度と柔軟性のバランスが良く、安価なフィラメントで製造された部品よりも安定した機械的特性を発揮することが多いです。
金属（SLM）
・金属3Dプリント部品は、通常、従来の方法で製造された金属部品と同様に、剛性と強度に優れていますが、これは適切なプリントと熱処理が施された場合に限ります。微細な内部欠陥や残留粉末があると強度が低下する可能性があるため、後処理が重要になります。
複合材料および繊維強化プリント
・繊維や連続した補強材を追加することで、繊維方向の剛性と強度を大幅に向上させることができます。これは、全体に大量の材料を追加することなく、特定の方向に非常に高い剛性が必要な場合に有効な手段です。
後処理および硬度や強度を変化させる処理
熱処理
制御された条件下で3Dプリント部品を加熱することで、内部の接着性を向上させ、内部応力を緩和することができます。一部のプラスチックでは、熱処理によって剛性と寸法安定性を向上させることが可能です。
金属3Dプリント部品は、本来の強度と耐久性を得るために、熱処理を受けることが多い。
UV後硬化
樹脂プリントは通常、プリント後に紫外線照射を受けます。この追加の硬化工程により、材料中の化学反応が完了し、部品がより硬く、より強固になります。
しかし、過度の硬化は、一部の樹脂をより脆くする可能性もあります。
3Dプリントされた部品、特に多孔質材料で作られた部品は、樹脂やその他の化学物質を浸透させることで、構造内の微細な隙間を埋めることができます。化学的な平滑化処理によって強度を高め、ひび割れに対する耐性を向上させることが可能です。
表面コーティング
エポキシ樹脂や保護層などのコーティングを施すことで、剛性をわずかに高め、耐久性を向上させることができます。また、コーティングは部品を湿気や環境による損傷から保護する効果もあります。
金属部品の熱間等方圧プレス加工
金属積層造形において、特殊な圧力および熱処理によって内部の気孔を除去し、構造全体の強度を向上させることができます。HIP処理は、積層造形された金属部品が従来製造された部品と同等の性能を発揮するのに役立ちます。
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