プラスチックを使用した3Dプリントの概要

チャックハルが30年以上前に自宅で最初のプロトタイプを印刷して以来、プラスチックは積層造形の分野に最も関連する材料タイプでした。プラスチックを使用した3D印刷では、高品質のプロトタイプをすばやく作成できますが、印刷材料と技術の最近の進歩により、大量生産に適した機能部品を作成する機会も提供されています。この短いチュートリアルでは、プラスチックを使用した印刷で現在利用可能なオプションのいくつか、それぞれの長所/短所、およびプロジェクトの材料を選択する前に考慮すべき重要事項のいくつかを詳しく見ていきます。

積層造形用のプラスチック材料の進化

アディティブマニュファクチャリングプロジェクトで利用できる材料の数は、ここ数年で大幅に拡大しました。つまり、現在、さまざまなオプションが「プラスチック」の傘下にあります。したがって、何を印刷するかを決定する前に、プロジェクトごとにオプションを慎重に検討することが重要です。オプションは次のとおりです。

• ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）。 ABSは現在、排水管から自動車部品、さらにはレゴブロックに至るまで、幅広い機能部品に使用されています。 ABSは非常に用途が広く、特に丈夫で耐久性があり、サンディングや接着などの後処理技術に適しています。ただし、この材料は非生分解性であり、使用しないときは密閉容器に保管する必要があります。湿気を吸収し、日光に長時間さらされると、印刷部品の品質が低下する可能性があるためです。また、それが生成する煙は刺激を与える可能性があります。これは、印刷中に換気が必要であることを意味します（ただし、特定のプリンターにはこれを補うためのフィルターが組み込まれています）。
• PLA（ポリ乳酸）。 PLAは、再生可能な資源から作成された生分解性材料です。これは、使い捨てのアイテム、または環境要因が深刻な懸念があるあらゆる部分の印刷に特に適していることを意味します。それは、患者が治癒すると無害な乳酸に単純に分解する縫合糸および外科用部品を作成するために、医療用途でさえ使用されてきた。 ABSと同じように研磨して塗装することができますが、接着は少し硬く、熱にも耐えられません。また、ABSと同様に、湿気の吸収が印刷結果に影響を与える可能性があるため、慎重に保管する必要があります。
• PVA（ポリビニルアルコール）。 これは特殊な水溶性プラスチックであり、印刷プロセス中に部品の支持構造を作成するためによく使用され、後で簡単に溶解することができます。これにより後処理段階をスピードアップできますが、複数の押出機を備えたプリンターを使用してのみ達成できます。また、非常に高価であり、常に気密保管が必要です。
• PC（ポリカーボネート）。 これは非常に強力で耐性のある熱可塑性プラスチックであり、コンパクトディスク、防弾ガラス、および耐久性が重要な要素となるその他の製品の製造によく使用されます。衝撃強度が高く、透明感があり、多くのユーザーにとって魅力的です。ただし、ABSと同様に、適切にメンテナンスされていないと、ユーザーの目を刺激したり、プリンターヘッドを詰まらせたりする可能性のある微粒子が大量に生成されるため、印刷中に換気が必要になります。また、他の素材よりも反りやすいです。
• HDPE（高密度ポリエチレン）。 HDPEは石油ベースの熱可塑性プラスチックであり、ボトルなどのリサイクル可能な部品を作成するためによく使用されます。その主な欠点は、他の材料に接着することが非常に困難であり、他のオプションと比較して作業が非常に困難になる可能性があることです。ただし、製造に持続可能な環境に優しいアプローチを採用することに熱心な企業にとって、これは非常に魅力的なオプションです。
• HIPS（耐衝撃性ポリスチレン）。 これは、PVAと同様の別の可溶性支持材料ですが、水ではなくリモネンに溶解し、印刷時にABSと同様の材料特性を持ちます。これは比較的新しい材料であり、積層造形会社の間でまだ確立されています。
• PA（ナイロン） ナイロンは、3D印刷材料のファミリーに比較的最近追加されたもので、仕上げと色のオプションに関して信じられないほどの多様性を提供します。また、低摩擦素材であるため、歯車などの機械部品の印刷に非常に魅力的なオプションです。丈夫で耐久性があり、柔軟性がありますが、印刷する前に乾燥させる必要があり、冷却が速すぎると反りやすくなる可能性があることに注意してください。ナイロンで印刷する場合、通常、印刷温度は他の素材よりも高いため、プリンターがこれに対応できることを確認してください。
• PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）。 これは熱可塑性ポリマーであり、化学的に不活性で生体適合性があり、滅菌可能な性質があるため、外科用インプラントの作成に医療分野で一般的に使用されています。その優れた硬度と摩耗特性のおかげで、自動車産業での潜在的な用途を決定するための研究も進行中です。ただし、そのかなりの汎用性にもかかわらず、PEEKは印刷が難しい場合があるため、400°Cまでの温度に達することができる密閉されたチャンバーとヒートベッドを備えた専用プリンターが必要になります。
• TPE（熱可塑性エラストマー） TPEは、柔軟な部品（スプリング、電話ケースなど）の印刷に広く使用されている、用途が広く、毒性のないゴムのような素材です。ただし、フィラメントが特定のタイプの押出機で詰まりを引き起こすことが知られているため、すべてのプリンターでの使用には適していません。
• TPU（熱可塑性ポリウレタン）。 TPUは、機械的特性の点でTPEに似ていますが、耐摩耗性、溶剤、油、グリースに対する耐性が高いため、作業部品に適した印刷がわずかに簡単です。また、低温でも弾力性を維持します。
• PMMA（ポリメチルメタクリレート）。 アクリルプラスチックとも呼ばれるPMMAは、硬くて透明なプラスチックで、細かい部分がたくさんある小さなプリントに最適です。これにより、ミニチュアや彫刻などのクリエイティブなアプリケーションや、光の拡散が必要なパーツに非常に魅力的な選択肢になります。熱や応力にさらされる部品には適していません。達成可能な詳細レベルは非常に高いですが、個々のレイヤーは他のマテリアルよりもわずかに目立つため、これを3Dモデルに含める必要があります。また、PMMAを使用した印刷では、冷却プロセス中の収縮を最小限に抑えるために、密閉されたチャンバーを備えたプリンターで、ノズルとヒートベッドを微調整する必要がある場合があります。

最近、金属要素を組み込んだプラスチックベースの材料が数多く導入され、金属を使用した3D印刷の複雑さを増すことなく、金属部品の品質の一部でオブジェクトを印刷できるようになりました。

プラスチックを選択する際に考慮すべき重要なポイント

1. 最終的に印刷されるパーツに必要な材料特性は何ですか？これは、決定を下す前に完全に明確にする必要があります。最終的に何に使用されるかを検討してください。プロトタイプを意図したものですか、それとも日常的に集中的に使用される機能的な製品を意図したものですか？
2. フィラメントの直径をチェックして、プリンターと互換性があることを確認します。特定のプリンタは複数の直径を受け入れることができますが、購入する前に事前に確認する価値があります。
3. 印刷可能な最小/最大の壁の厚さを確認し、3Dモデルがこれに対応していることを確認してください。
4. 印刷中にサポートまたはオーバーハングが必要かどうかを検討し、安定性を確保するためにこれらがモデルに組み込まれていることを確認してください。プリンタで許可されている場合は、専用のサポート資料を検討することをお勧めします。
5. 適切な保管方法が使用されていることを確認してください。上で見たように、一般的に使用されるプラスチック3D印刷材料の多くは、高品質の結果を保証するために特別な保管方法を必要とします。プロジェクト間でフィラメントを保管するときは、必ず付属の手順に従ってください。
6. プリンタが選択した材料に対して適切な押し出し温度で動作できること、および適切な加熱ベッドが使用されていることを確認してください。温度が間違っていると、最適な結果が得られません。