Filamet™金属フィラメント：特徴と製造ガイドラインで高度なFDM 3Dプリントを実現

The Virtual Foundryは、数年の研究を経て金属フィラメントFilamet™シリーズを開発したアメリカ企業です。これらのフィラメントは、焼結ベースの後処理により、完全な金属部品の製造を可能にします。

このように、The Virtual FoundryはFDM 3D金属プリントのパイオニアかつ最高権威となりました。

Filamet™フィラメントとは

Filamet™フィラメントは、ベース金属と生分解性・エコなポリマー（PLA）で構成されています。これらのフィラメントは組成に高割合の金属粒子を含みます。しかし、バインダーとしてPLAを使用しているため、プリント特性はPLAと類似しており、極めてプリントしやすく、FDM 3Dプリンターユーザーなら誰でもこれらのフィラメントで部品を作成できます。

動画1：Filametとは？。出典：The Virtual Foundry.

市販のほとんどの金属フィラメントは金属粒子を最小限（約30%）しか含まず、通常装飾目的のみで開発されています。しかし、Filamet™フィラメントでプリントされた部品は、一度焼結すればベース金属の特性を持ちます。

例としてFilamet™ Copperフィラメントがあります：Filamet™ Copperでプリントされた部品は、焼結プロセスを経るまで導電性を持ちません。

画像1：非焼結と焼結済みの高炭素鋼Filamet™製コーン。出典：The Virtual Foundry.

3Dプリント部品の焼結後、結果は完全な金属部品となり、これは従来のFDM 3Dプリントでは考えられませんでした。このようにFilamet™により、DMLS技術で可能な特性に近いものが達成可能ですが、一定の制約があります。

PLAが除去される焼結プロセスが必要なため、部品には以下が生じます：

• 一定の多孔性
• 体積収縮
• 非等方性

動画2：Filametフィラメントの密度。出典：The Virtual Foundry.

現在、Filamet™には以下のフィラメントがあります：

• ステンレス鋼 316 L - 金属粒子80% + PLA 20%
• 青銅 - 金属粒子80% + PLA 20%
• 銅 - 金属粒子90% + PLA 10%
• 6061アルミニウム - 金属粒子65% + PLA 35%
• 高炭素鋼 - 金属粒子75% + PLA 25%
• タングステン - 金属粒子95% + PLA 5%

Filamet銅 Filamet青銅 Filamet
ステンレス316L Filamet
アルミニウム6061

Filamet™の特徴

Filamet™フィラメントの密度は標準PLAより遥かに高いです。高金属粒子含有率と関与する個々の金属の密度によるものです。

Filamet™フィラメントでプリントする際、フィラメントに高割合の金属粒子が含まれるため硬化鋼ノズルの使用が推奨されます。また、材料によっては詰まり防止のため最低0.6mm出口径のノズルを使用すべきです。Filamet™タングステンフィラメントは最大0.3mm出口径ノズル使用可能、Filamet™高炭素鋼フィラメントは最低0.8mm出口径ノズルが必要です。

画像2：真鍮ノズル vs 硬化鋼。出典：E3D.

これらのフィラメントの高金属粒子負荷のもう一つの結果は、溶融前のフィラメントの脆さが増すことです。組成中のバインダーポリマー割合が非常に小さいためです。しかし、The Virtual Foundryの継続的な研究開発により、この脆性はフィラメントでますます小さくなっています。以下の動画で確認できます：

動画3：Filametフィラメントの脆性。出典：The Virtual Foundry.

Filamet™フィラメントのプリントプロセスでは、フィラメントがエクストルーダーに入る前にできるだけ真っ直ぐであることが非常に重要ですが、巻き取りにより一定の曲がりがあります。これを解決するため、The Virtual FoundryにはFilawarmerがあり、フィラメントを加熱するシリンダーと温度コントローラーで構成されるデバイスです。

画像3：フィラメントコイル内に設置されたFilawarmer。出典：The Virtual Foundry.

このデバイスは垂直に、コイル内部に、入力をフィラメントコイルにできるだけ近づけ、出力をエクストルーダー入力穴と整列させて配置しなければなりません。The Virtual Foundryは、コイルが自由に回転できるよう加熱シリンダーを吊り下げることを推奨しています。

動画4：Filawarmer。出典：The Virtual Foundry.

材料が加熱シリンダーを通過すると、曲がりが解消され柔軟性が増し、引張強度を低下させて破損を防ぎ、プリントを容易にします。

Filamet™フィラメントでプリントする際、そのビルドベースへの優れた密着性を考慮する必要があります。密着が強いため、プリント部品取り外し時にプリントベースを傷めないようブルーテープの使用が推奨されます。

Filamet™の焼結

プリントベースから取り外した後、部品を焼結して完全な金属部品を得ます。このプロセスでフィラメントの一部を構成するPLAが除去されます。このプロセスが実行されるまで、部品には使用フィラメントのベース金属の特性はありません。

動画5：Filamet FAQ。出典：The Virtual Foundry.

焼結は、圧縮金属粉末で形成された物体に、融点未満だが金属粒子を強固に結合するのに十分な高温で熱処理を施し、完全な固体ブロックを得る固体部品製造プロセスです。

焼結は開放環境炉、または真空・不活性環境で実施可能です。弊社記事「FDMプリントで完全金属部品を実現する方法」で焼結と、このプロセスに使用可能な様々な炉について詳しく解説しています。

Filamet™フィラメントで3Dプリントした部品の焼結に必要な要件を満たす炉がない場合、弊社にご連絡いただければ、弊社施設での焼結の実現可能性と条件についてご案内します。

Filamet™の後処理

Filamet™フィラメントでプリントされた部品を焼結後、金属部品と同様にサンディングとポリッシングで表面後処理が可能です。プリントラインやその他の微小変形を低減するため耐水ペーパーの使用を推奨し、徐々に細かい目のペーパーを使用します。

最後に、回転工具にポリッシングディスクを装着し、研磨剤を塗布して希望の光沢を得ます。フィラメントのベース金属によっては、焼結後の部品を研削、熱間平滑化、さらには溶接可能です。

The Virtual FoundryのFilamet™フィラメントにより、比較的シンプルな後処理で、FDM 3Dプリントを通じて完全な金属部品を製造することが初めて可能になりました。

これは、3Dプリンターメーカー、バイオメディカルイノベーション、ジェットエンジン開発、放射線遮蔽、宇宙探査、原子力、歯科、アーティスト、ファッションデザインなど、様々な産業分野で非常に重要かつ有用なブレークスルーです。