FDM 3Dプリンティング材料完全ガイド：PLA、ABS、そして新素材

はじめに

3Dプリンティング市場では画期的な新素材が定期的に登場しており、造形物に最適な材料を選ぶことがますます難しくなっています。FDM 3Dプリンティングでは、歴史的にPLAとABSの2大ポリマーが主流でしたが、その優位性は偶然の産物に過ぎず、今後他のポリマーが主要な役割を果たす上で大きな障壁はありません。

現在、純粋なポリマーと複合材料の両方で、新しい製品が人気を集めています。本稿では、現在市場に存在する主要な純粋ポリマー——PLA、ABS、PET、ナイロン、TPU（フレキシブル）、PC——に焦点を当て、それらの特性の主要な違いをスナップショット形式でまとめ、ユーザーが用途に最適なポリマーを迅速に判断できるようにしています。

方法論

材料は通常、機械的性能、視覚品質、プロセスの3カテゴリで評価されます。本稿ではこれらをさらに細分化し、各ポリマーの特性をより明確に描き出しています。材料選択は「何を造形するか」に依存するため、コストと速度以外の主要な決定基準を以下に列挙します：

• 造形しやすさ： ベッド密着性、最大造形速度、造形失敗の頻度、フロー精度、フィラメント供給のしやすさなど
• 最大応力： 徐々に引っ張った際に破断するまでの最大応力
• 破断時伸び： 破断するまでに伸びた最大長さ
• 衝撃耐性： 突然の衝撃で物体を破壊するのに必要なエネルギー
• 層間接着（等方性）： 材料層間の接着品質。「等方性」（全方向への均一性）と関連：層間接着が良いほど、造形物は等方的になります
• 耐熱性： 軟化・変形する前の最大温度

図表に含まれていない追加情報も、以下の2つの理由で提供しています：

• 本質的に「良い」も「悪い」もなく、用途によって適・不適が分かれる特性（剛性など）
• 定量的評価は難しいが重要な要素（耐湿性、毒性など）

結果

各材料を以下の基準で、1（低）〜5（高）のスケールで評価しました。これらはFDMプロセスにおける相対評価であり、他の製造技術を考慮すれば全く異なる結果になります。Optimatterのデータを用い、各ポリマーを様々な基準でランク付けしています：

PLA（ポリ乳酸）

PLAは最も造形しやすく、視覚品質に優れます。非常に剛性が高く、実際にかなり強靭ですが、非常に脆いという特徴があります。

メリット	デメリット
バイオベース、生分解性	耐湿性が低い
無臭	接着しにくい
サンドペーパーで後処理可能、アクリル塗料で塗装可能
耐UV性が良好

ABS

より高い耐熱性と靭性が求められる場合、ABSがPLAより選ばれます。

メリット	デメリット
アセトン蒸気で光沢仕上げの後処理が可能	UVに敏感
サンドペーパーとアクリル塗料で後処理可能	造形時に臭い
アセトンを強力な接着剤として使用可能	煙の排出量が多い可能性
耐摩耗性が良好

PET

PETはわずかに柔らかく、バランスの取れたポリマーで、大きな欠点が少ない興味深い特性を持ちます。

メリット	デメリット
食品接触可能	PLAとABSより重い
高い耐湿性
高い耐薬品性
リサイクル可能
耐摩耗性が良好
サンドペーパーとアクリル塗料で後処理可能

ナイロン

ナイロンは優れた機械的特性を持ち、特に非フレキシブルフィラメントとして最高の衝撃耐性を誇ります。ただし、層間接着に課題がある場合があります。

メリット	デメリット
耐薬品性が良好	吸湿性がある
高強度	煙の排出量が多い可能性

TPU（熱可塑性ポリウレタン）

TPUは主にフレキシブル用途で使用されますが、非常に高い衝撃耐性により他の用途への展開も可能です。

メリット	デメリット
耐摩耗性が良好	後処理が難しい
耐油・耐グリース性が良好	接着しにくい

PC（ポリカーボネート）

PCは全材料中最も強く、特性がABSと似ているため、ABSの代替として興味深い選択肢となります。

メリット	デメリット
滅菌可能	UVに敏感
後処理が容易（サンディング）

結論

適切なポリマー選択は、特に機能的用途の3Dプリント部品において、必要な特性を得るために極めて重要です。本記事が、必要な特性に応じた適切な材料選びの一助となれば幸いです。なお、材料サプライヤーはブレンドや添加剤により純粋ポリマーの特性を変更することがよくあります（例：カーボンファイバー添加による剛性向上）。これら複雑な配合については本稿では扱いませんが、弊社の最適化ツール「OptiMatter」で一部製品のデータを確認できます。

免責事項

• 本記事の評価は、一般的な化学組成を代表する平均的なポリマーに対するものであり、実際の製品やサプライヤーによって性能は異なります。
• 本研究の評価の基礎となるデータはすべて3D Matterにより測定されたものですが、耐熱性については複数のフィラメントサプライヤーが提示するガラス転移温度を使用しています。
• 「追加の考慮事項」セクションでは、サードパーティ評価と独自観察を組み合わせています。
• 本記事で扱うナイロンはナイロン6であり、ナイロン11や12ではありません。
• 視覚品質は、重要な後処理なしでテストしています。プリントを平滑化し、視覚品質を大幅に向上させる方法はいくつかあります（例：ABSへのアセトン蒸気処理）。
• 3Dプリンティングポリマーの毒性はまだ十分に解明されておらず、今後より重要な要素になる可能性があります。毒性に関する記述は、Azimiらの研究[1]に基づいています。

[1] Azimi et al, Emissions of Ultrafine Particles and Volatile Organic Compounds from Commercially Available Desktop Three-Dimensional Printers with Multiple Filaments, Environmental Science & Technology, 2016

本研究資料をコミュニティと共有してくれた3D Matterに深く感謝します。