溶解性フィラメントサポートでFFF 3Dプリントを革新：選び方と活用ガイド

FFF 3Dプリントの、他の付加製造技術と比較した主な制限の一つは、プリントされる各層の領域が、以前にプリントされた層によって支えられている必要があることです。これは、部品のどの部分であっても、45°を超えるオーバーハングや10mmを超えるブリッジにはサポート構造が必要であることを意味します。

シングルエクストルーダーFFF 3Dプリンターでは、サポート構造生成の唯一の選択肢は部品と同じプリント材料を使用することです。これらのサポートはプリント完了後に機械的に除去する必要があり、低密度構造でサポートを作成し、サポートと部品の間に分離層を設けるなど、除去を容易にする様々な戦略が用いられます。これにより工具なしで手動除去が可能になりますが、サポートと接触する面の表面仕上げがしばしば不良になります。

画像1：3Dプリント部品のサポート。出典：3DHubs

デュアルエクストルーダーFFF 3Dプリンターでは選択肢が広がり、部品とサポートで同一材料を使用する必要がなくなります。これにより、部品材料を溶解または劣化させない溶媒で溶解する材料の使用が可能になります。これにより、ワークピースと接触する高密度サポートを使用でき、接触面の優れた仕上げを保証します。

画像2：Raise3D Pro2デュアルエクストルーダー。出典：Raise3D

溶解性サポートフィラメントには多くの種類がありますが、すべてが同じではなく、互換性も異なります。溶解性サポート材料を選択する際、プリント材料との互換性を確保するためにいくつかの特性を考慮することが重要です。これらの特性は：

• 部品に使用される材料を損傷または劣化させない溶媒で溶解すること。

• 部品のフィラメントと熱的に互換性があること、つまり類似のプリント温度とベース温度、類似の軟化温度を持つこと。
• 部品に使用される材料との良好な密着性を持つこと。
• 容易にプリントでき、層間密着性が良好であること。

現在、溶解性サポート材料には主に3タイプあります：

• 有機溶媒溶解性フィラメント
• 活性剤使用による水溶性フィラメント
• 水溶性フィラメント

有機溶媒溶解性フィラメント

これらは部品に使用される材料と類似した特性を持ちますが、それらを補完する材料を溶解または攻撃しない溶媒で溶解する材料です。

現在、このタイプのフィラメントにはそれほど多くの選択肢がありません。主に2つの問題によるものです：一方では、互いに適合する類似の物理化学的特性を持つ材料は、一般的にほとんどの溶媒に対して類似の挙動を示すため、適切な溶媒を見つけるのが困難です。他方で、これらの有機溶媒の多くは高毒性またはほとんどのユーザーがアクセスできず、専門的な廃棄物処理を必要とします。

画像3：D-リモネン。出典：Filament2print

このタイプで最も一般的に使用されるフィラメントはHIPSで、その特性によりほとんどのABSおよびASAベース材料と互換性があります。類似の熱特性を持つことに加え、ABSおよびASAへの良好な密着性があります。現在、最も広く使用されているサポート材料の一つであり、ABSとの互換性だけでなく、低コストと、アクセスしやすく安価で低毒性の有機溶媒であるD-リモネンで溶解可能なことが理由です。

活性剤使用による水溶性フィラメント

これらはATPベースポリマー（アクリレートテルポリマー）です。これらの材料はアルカリ性溶液で溶解する特性を持ちます。ABSおよびASAベース材料と優れた互換性を持ち、ポリカーボネートとも使用可能です（ただし互換性はやや低い）。

これらは直接水に溶解せず、水がアルカリ性pHである必要があるため、3DWashのような緩衝活性剤の使用が必要です。

画像4：3DWash。出典：Traxer

これらはHIPSの完璧な代替であり、有機溶媒を必要としないだけでなく、サポート材として専用に開発・添加されたフィラメントであるため、一般的により速く溶解し、部品により少ない残留物を残します。

動画1：PolyDissolve S2プレゼンテーション動画。出典：Polymaker

代表的なフィラメントとしてPolyDissolve S2とZ-SUPPORT ATPがあります。

水溶性フィラメント

メーカーの主な目標の一つは、直接水に溶解するサポートフィラメントを得ることでした。これは有機溶媒やアルカリ性溶液を必要とせず、ほとんどのユーザーにとって最も安全でアクセスしやすい代替手段だからです。

これが最も多様な材料があり、幅広いフィラメントと互換性のあるオプションを持つカテゴリです。

水溶性フィラメントには2タイプがあります：

低温材料と互換性のある水溶性フィラメント： これらはPVA（ポリビニルアルコール）またはBVOH（ブテネジオールビニルアルコール）ベースのフィラメントです。両材料ともPLAと優れた互換性を持ち、PAとも使用可能（ただし互換性はそれほど良くない）です。BVOHはPVAの進化形と見なせ、PVAよりいくつかの利点があります。例えば、PETGや一部フレキシブルフィラメントとのより良い互換性、冷水でのより高い溶解速度などです。一部のPVAフィラメントはLAY-PVAやPVA Raise、MowiflexやZ-SUPPORT PremiumはBVOHベースです。

動画2：PVAとBVOHの比較。出典：BCN3D

高温材料と互換性のある水溶性フィラメント： これらは現在利用可能な最も先進的なサポートフィラメントです。 これらは水溶性ポリマー（前項類似）と糖（一般的にトレハロース）のブレンドで構成される材料で構成されています。トレハロースは水に速やかに溶解し高熱安定性を持つ多糖類です。ポリマーと糖の比率、各メーカー固有の特定添加剤の使用により、ABSからPEEKやULTEMまで幅広い温度範囲の材料と互換性のある、様々な配合の水溶性材料が得られます。

画像5：Aquatek X1で作られたサポート付きPA-CF部品。出典：3DXTech

Aquasys 120やAquatek X1のようなフィラメントは、PLAだけでなくABS、ASA、PA、PETG、一部フレキシブルフィラメントとも互換性があります。Aquasys 120はPCやPPとも使用可能です。さらに、両材料はチャンバー温度120℃まで耐えられるため、産業用プリンターでも使用適しています。

さらに一歩進んだのがAquasys 180で、おそらく今日利用可能な最も先進的で最も互換性の高いサポート材料です。Aquasys 120と同じ材料と互換性があることに加え、PEKK、PEEK、ULTEM、PPSUとも使用可能で、チャンバー温度180℃まで耐えられます。

画像6：Aquasys 180で製造されたサポート付き部品。出典：Infinite Material Solutions

しかし、このタイプのフィラメントの主利点（水への高溶解性）は、同時に主な欠点でもあります。環境湿度に非常に敏感だからです。これにより、保管中も使用中もこれらのフィラメントを特別な容器で保管する必要があります。さらに、これらのフィラメントは湿気を吸収すると密着性が悪化し、詰まりリスクが増加します。

最適な溶解性フィラメントの選び方

最適な溶解性フィラメントを選択するには、補完する材料を分析する必要があります。

• ABS/ASA: 一般的にHIPSの使用は避けるべきです。有機溶媒の取り扱いと直接廃棄できない廃棄物発生を伴うためです。この場合、活性剤使用の水溶性ATPフィラメントが最も推奨されます。これら材料と優れた互換性を持ち、低湿度感受性で保管・使用が容易、プリント失敗リスクを最小化します。

• PLA: PLAとの最良互換性を持つ材料はPVAおよびBVOHベースです。これらの中で、BVOHベース材料は湿度感受性が低いですが、一般的にPVAベース材料の方がわずかに安価です。

• PETG/PA: PVAとBVOHをPETGとPAのサポート材として使用可能ですが、互換性は特に良くありません。この場合、Aquasys 120のような高温材料互換水溶性フィラメントが最良の選択です。

• フレキシブル: サポート材とフレキシブル材料の互換性は特に良くありません。BVOHやAquasys 120のような材料を一部フレキシブルフィラメントで使用可能ですが、各フレキシブルフィラメントで互換性をテストして確認する必要があります。

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: この場合最良の選択はAquasys 180です。このタイプの材料との最良互換性を保証し、高温での最高熱安定性を持つ材料だからです。

• 通常異なる材料で溶解性サポートを使用する場合、各材料ごとに異なるものを持つより、Aquasys 120やAquatek X1のようにすべての材料と互換性のある単一材料を使用するのが理想的です。

溶解性フィラメントはしばしば単一グループとして語られますが、実際には独自の非常に特定の特性を持つ異なる材料で構成されています。現在では、PLAからPEEKまで、市販のほぼすべての材料と互換性のある高品質溶解性フィラメントを見つけることが可能です。