FDM印刷CCF/PLA複合材料の引張特性におけるノズル径と繊維体積分率の影響

本研究は、熱溶解積層法(FDM)で印刷された連続炭素繊維(CCF)強化ポリ乳酸(PLA)複合材料の引張特性と破壊メカニズムに、ノズル径とCCF体積分率が与える影響を調査した。ノズル径は1.0 mmと0.8 mmの2種類、CCF体積分率は0%、20%、30%、50%の4段階が採用され、6種類の試験片が単軸引張試験と電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)で評価された。CCF強化試験片はほとんど塑性変形を示さず主に繊維破断で破壊する一方、未強化PLAは明らかな塑性変形と引張破壊を示した。1.0 mmノズルでは、CCF体積分率50%、30%、20%で引張強度がそれぞれ36.4 MPa、34.8 MPa、19.8 MPaに達した。0.8 mmノズルで印刷された50% CCF試験片の引張強度は16.9 MPaであった。ノズル径が大きいほど引張強度は効果的に向上し、CCF含有量の上昇に伴いほぼ線形に増加した。顕微鏡観察により、1.0 mmノズルは均一な繊維分布と強い繊維-マトリックス界面結合を確保することが明らかになった。機械的性能とコストを考慮すると、30%が最適なCCF体積分率と判断された。軽量、高強度、環境適合性といった利点から、これらの複合材料は航空宇宙分野の軽量部品、自動車部品、土木工学の耐荷重構造、カスタム工具、医療機器に適している。