耐久性・高性能ギア造形に最適な3Dプリントフィラメント TOP3

ギア造形に使える3Dプリントフィラメントは多数存在します。各フィラメントには固有の特性と挙動があり、ナイロン、ABS、PLA、PETGなど様々なタイプがあります。

ほとんどの3Dプリンターには1種類のフィラメントしか付属しないため、ギア造形など異なる用途で他のフィラメントを試したい場合は追加投資が必要です。

3Dプリントギアに適した材料を選ぶのは、機械的特性を見るだけでは簡単ではありません。印刷しやすさ、仕上げ品質、コストなど、考慮すべき要素がいくつもあるからです。

この記事では、私がギア造形で試してきた様々な3Dプリント材料の中から、お気に入りを紹介し、結論をまとめます。

ギア造形に最適な3Dプリント材料/フィラメント

基本的に、あらゆる熱可塑性フィラメントには長所と短所があります。ナイロンが最も強靭、PETGが低温性能に優れ、ABSが衝撃強度に優れ、PLAはその中間です。これらの選択は、あなたの具体的なニーズに基づくトレードオフになります。

一般的に言えば、ナイロンが最も長持ちし、ABSがPLAよりわずかに長持ちし、PLAがPETGよりわずかに長持ちします。

ナイロンは、その強度、耐熱性、ギア動作に潤滑剤を必要としない点から、ギア印刷に最適なフィラメントです。PLAは強度では僅差の2位ですが、高温に耐えられず、45〜50℃で変形します。ABSとPETGはギア用途には推奨しません。

1. ナイロン

脆くなく、扱いやすい材料を求めるならナイロン一択です。再生可能資源から作られるバイオプラスチックで、見た目も手触りもシルクのようです。滑らかで、強く、柔軟です。

ナイロンの低摩擦係数、高融点、高い層間接着性は、3Dプリントギアに理想的な材料です。

しかし、ナイロンの強い吸湿性は問題となり、造形結果に一貫性を欠かせます。押出式プリンターはホットグルーガンのように材料を押し出しますが、ナイロンはスポンジのように水を吸収し、膨張してあらゆる造形トラブルを引き起こします。

ナイロンフィラメントは空気中の水分を吸収して膨張します。1〜3%の水分含有で印刷時に失敗し、5〜8%で造形物自体に吸収が始まります。

これは造形プロセス中の問題だけでなく、完成品の寿命を大幅に縮め、屋外使用を不向きにします。

これらの長所と欠点を踏まえても、ナイロンは依然として3Dプリントギアの優れた候補です。

では、3Dプリントで最も一般的な3材料、PLA、ABS、PETGを見ていきましょう。

2. PLA

3DプリントにおけるPLAの良さは語り尽くせません。まず安価で、1kgスプール約20ドル。電気代を考慮しても、ABSのような極端な高温印刷が不要なため、総合的に見ても優秀なフィラメントです。

優れた柔軟性を持ちながら、十分な強度と耐摩耗性を維持するため、ABSやPETGよりギア用途に適していますが、ナイロンには及びません。

しかし、PLAは高温に弱く、真夏の直射日光下でも変形し始めます。

フィラメント選定の際はこれを考慮してください：ギアが高温環境下で使われるならナイロン、そうでなければPLAで十分素晴らしい結果が得られます！

3. ABS

おそらくあなたもABSでギア造形を試し、「この材料、ギアには向いてないな」と感じたことでしょう。

一方で、非常に高温で印刷する必要があり、ヒートベッドとエンクロージャー（一般的に）が必須で、高温印刷ゆえに反りやすいため、ギアを正しく印刷するまでに何度も試行錯誤が必要です。

それだけでなく、同一ギアをPLAとABSで比較すると、ABS製はPLAと同等の力に耐えられません。

実際に試してみてください：各材料でギアを数個印刷し、ペンチで力を加えてみてください。ABS製は簡単に潰れますが、PLA製はほぼ破壊不能です。

最後に、ABSは印刷時に有毒ガスを発生するため、少なくともギア用途では避けるべきもう一つの理由です。

4. PETG

PETGは一般的にABSよりわずかに安く、PLAよりわずかに高い価格帯です。

PLAとABSの方が安価で、より剛性が高く、より強靭です。PETG自体はいくつかの用途で良い材料ですが、汎用ギア設計には最適とは言えません。

材料特性データを見ても、PETGを最下位に置かざるを得ません。延性がある一方、ABSやPLAより柔らかく、柔軟で、耐傷性が劣るため、ギアには不向きです。

PETGもナイロン同様吸湿性があり、使用前の乾燥が必須です。もう一つの常識的な不満は「脆い」こと。その理由の一つはガラス転移温度が低く、80℃で軟化し始めることです。ABSなら約100℃、ナイロンなら少なくとも120℃まで耐えられます。

高温耐性が劣る上に他の問題も抱えているため、ナイロンやPLAの上にPETGをギア用途で推奨することはできません。

3Dプリントギアの潤滑

潤滑は摩擦と摩耗を減らします。プラスチック部品の摩耗率を測る良い方法がないため、潤滑が寿命を延ばすか断言できませんが、経験上、潤滑で長持ちするケースもあります。

スプライン型ではなく歯車型プラスチックギアを使う場合、潤滑は摩耗と騒音を減らし、効率も改善します。

しかし、グリスやオイルを「塗りたくる」一般的な方法は、PLA、ABS、PETGに対して間違ったグリスを使いがちな初心者には不向きです。

ギア用潤滑剤選びの第一歩は、使用プラスチックの種類を特定することです。プラスチック種類によって相性の良い潤滑剤が異なります。経験則として、プラスチックフィラメントは石油由来が多く、石油系潤滑剤と相性が良い傾向があります。

ナイロンとABSは石油化学製品由来のポリマーなので、適切なオイル系潤滑剤ならOKです。

一方、PLAとPETは植物由来の化学構造を持つ傾向があり、粘度の低い植物油の方が相性が良いです。オイルやグリスの種類を変えることで、プリンターの性能をニーズに合わせられます。

白色リチウムグリス、PTFE、シリコーン系潤滑剤は汎用性が高く、頻繁な再塗布なしで長持ちするベストチョイスです。

しかし、ナイロンは総じて優秀な結果を出し、ギアに物理的潤滑を一切追加しなくても問題ありません。

私は数個のギアを3ヶ月以上、無潤滑で稼働させていますが、ギア破損は一度もありません。

より強いギアを3Dプリントするには

強度において最も重要なのは材料そのものですが、いくつかの印刷設定で更なる強化が可能です。

フィラメントが十分に加熱されていることを確認する

FDM（熱溶解積層法）では、印刷層が互いに融着して一体化する必要があります。最初の層が最後の層と融着し、以下同様です。温度が高いほど層同士の「溶け合い」が良くなり、強度が増します。

インフィルオーバーラップを増やす

インフィルオーバーラップは、パリメーター（外周）とインフィル層が重なる領域です。この重なりは、インフィルとパリメーターの結合強度を高めるために必要です。

レイヤー高を増やすと、インフィル層とパリメーターの結合が良くなりやすいです。ただし、指数関数的にレイヤー高を増やすと、小型パーツでカーリング（縁反り）を招く恐れがあるため避けてください。

冷却を無効化または減らす

層間接着は極めて重要で、鍵は印刷温度と前層の温度を十分高く保つことです。毎層積極的に冷却すると、これが難しくなります。

冷却は3Dプリントにおける議論の的で、「高品質には冷却必須」から「冷却は品質改善に寄与しない」まで意見が分かれます。

私の知る限り、冷却は重要です。欠陥のないパーツ造形を可能にし、多くの困難な形状は冷却のおかげで実現できています。しかしトレードオフがあり、表面品質と強度のトレードオフです。

最大強度を目指すなら、冷却を減らすか完全に無効化してください。

最適なレイヤー高

3Dプリント速度の最も重要な「ルール」の一つ：レイヤー高を増やすと速度は上がるが、強度と品質は低下する。

レイヤー高を薄くすると層間接着が良くなり、造形物内部に弱点が生じる隙間が減ります。

ギアに適したインフィルは？

初めてギア印刷を考えたとき、100%インフィルが最強だと思っていました。

しかし実際は違い、50%インフィルで印刷したギアは、100%インフィルのものと同等の強度でした。

結論：少なくとも私の経験では、50%インフィル以上にする必要はありません。

比較表

フィラメント	ギア品質	ノズル温度	ヒートベッド	反りリスク	扱いやすさ	コスト
PLA	優秀	180〜230℃	不要	低	易	$10〜25
ABS	不向き	230〜250℃	約100℃	中	中級	$15〜25
PETG	不向き	230〜250℃	約100℃	低	易	$15〜20
ナイロン	最適	230〜260℃	80〜100℃	中	中級	$50〜65

結論

前述の理由からナイロンが明確な第一選択肢ですが、手元にナイロンがないことがほとんどでしょう。

しかし、PLAは素晴らしい結果を出し、強く信頼できるギアを作れます。幸い、ほぼすべてのメイカーが手元に持っていて、すぐに印刷できる材料です。

ナイロンが手に入るならそれを使い、そうでなければPLAで十分です！

この情報が役立てば幸いです！

素敵な一日を！