PAEKフィラメント：3Dプリント用ハイパフォーマンス材料

FDM/FFF方式の3Dプリントの世界において、ここ数年で明確に頭一つ抜きん出ている材料ファミリーが存在する。それがPAEK（ポリアリールエーテルケトン）だ。このクラスに属する材料は半結晶性プラスチックであり、高温（約200℃）環境下でも高い機械的強度を維持する。

PAEKファミリーにはPEEK、PEKK、PEI（ULTEM 1010およびULTEM 9085）が含まれる。これらはすべて高い機械的強度、耐薬品性、高い難燃性を備えている。

PEEKフィラメント（ポリエーテルエーテルケトン）

PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、この3材料の中で最も結晶性が高い。つまり、カーボンファイバー複合材を除けば、最も高い機械的強度値を示す。しかし、これが問題を生む。分子が固体状態で三次元空間において反復秩序的なパターンに従うため、溶融時に不安定になりやすいのだ。これは、エキスパートユーザーや高性能3Dプリンターを用いても、PEEKフィラメントの3Dプリントが極めて困難であることを意味する。

PEKKフィラメント（ポリエーテルケトンケトン）

PEKK（ポリエーテルケトンケトン）は半結晶構造を持ち（PEEKより結晶性が低い）、非晶質領域と結晶領域という2つの明確な領域を持つ。この構造的特性により、結晶化速度が低下するためプリント容易性が向上し、PEEKと同等、あるいはそれ以上の強度値を維持できる。

PEKKは耐圧縮性においてPEEKを上回り、最大80%高い値を示す。さらに、このフィラメントは膨大な種類の流体に対する耐薬品性を持つ：ハロゲン化炭化水素（ベンゼン）、自動車用流体（冷却液）、アルコール、水性溶液（海水）など。

PEKKの用途

PEKKの用途は医療から軍事まで極めて広範囲にわたる。そのポテンシャルは高く、NASAでさえ宇宙空間での3Dプリントにこの材料を使用している。医療分野では、いくつかの開発センターが膝関節、股関節、その他の機能的インプラントをPEKKで作製し、患者において顕著な成功を収めている。その利点すべてが結実し、敵の照明光で発見されないよう反射防止機能を持つ軽量・高強度の軍用ヘルメットの開発に貢献した。さらに、大手航空機メーカーが航空機用の機能部品製造にPEKKを採用している。

PEIフィラメント（ULTEM 1010およびULTEM 9085）

PEI（ULTEM 1010およびULTEM 9085）はPAEKファミリー内で最も改良が加えられた材料であり、専門家からは樹脂の指定を受けるほどだ。この材料の耐熱性はFDM/FFF方式3Dプリント分野で最高レベルの一つであり、ガラス転移温度は215℃、0.45MPa圧力下での最高連続使用温度は200℃に達する。

PEIの利点は、これらの温度下でも機械的特性がほとんど変化しない点だ。優れた寸法安定性により、温度上昇時でも構造形状を維持できる。これは、FDM/FFF方式3Dプリントの既存材料の大半では考えられない特性である。

PEIの用途

ULTEM 1010は、短サイクル射出成型工具、カーボンファイバー積層工具、高圧力・高温環境（オートクレーブ）にさらされる各種金型の製造に一般的に用いられる。このタイプの高強度金型には、ゴムなどのプラスチック加硫プロセス用金型も含まれる。PEI ULTEM 1010金型を用いれば、従来の鋼製金型よりも速く、容易に、安価に金型を作製できる。一方、ULTEM 9085は航空業界における画期的材料だ。その耐熱性、耐薬品性、耐破壊性、高性能により、航空宇宙産業および認証機関が要求する最も厳格な試験およびトレーサビリティ基準を満たすことが可能だ。

PEKKフィラメント PEKK CFフィラメント PEIフィラメント PEI CFフィラメント

材料改良における継続的イノベーション

フランスのNanoviaなど大手フィラメントメーカーが、PEKKとPEI（ULTEM 1010）の両方をカーボンファイバーで改良し、市場に革命をもたらした。カーボンファイバーは疑似非晶質材料であり、これら材料に低い融点、遅い結晶化、高い結晶化温度（Tg＝160℃）の維持をもたらし、これがプリント容易性の向上につながる。さらに、この組み合わせは構造安定性を高め、機械的特性を改善する。以上の理由から、PEKK CFとPEI CFは、FDM/FFF方式3Dプリントにおいて最も強力かつ使いやすい材料カテゴリーに位置づけられる。また、これら2材料は、エンジニアリング業界で最も使用されている熱可塑性プラスチック（ポリサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリケトン）と総合的に競合するレベルにある。

画像2：PEI CF。出典：Nanovia

PAEK材料使用の要件

最後に、これら先進材料の使用は、高度な技術を持つ3Dプリンターを操作する経験豊富なユーザー向けであることを述べておく。これら材料を使用するためにFDM/FFF方式3Dプリンターが満たすべき最低要件は以下の通り：エクストルーダー温度370〜400℃、ベース温度150℃以上、チャンバー温度80℃以上。これらの値が必要なのは、これら材料が異なる温度の空気領域と接触した際の構造変形に敏感だからだ。

結論として、PAEKファミリーに属するすべての材料（PEEK、PEKK、PEI、PEKK CF、PEI CF）は、高い難燃性、耐薬品性、機械的強度、優れた強度/重量比により、産業用途の頂点に位置している。