ナイロン 3D プリンティング フィラメント:材料、特性、および実際の用途

ナイロンには約 50 種類ありますが、そのすべてが 3D プリントに適しているわけではありません。ナイロンはもともと繊維として設計されたものです。デュポン社の研究者であるウォレス H. カロザースは、1935 年に最初の完全合成繊維を作ろうとしていたときにこの繊維を初めて発見しました。それ以来、ナイロンはパンストから建築、自動車、さらには航空宇宙で使用される高性能部品に至るまで、さまざまな目的で使用されてきました。それについてもっと学びましょう。

ナイロン 3D プリントとは何ですか?

ナイロンは、同様の組成を持つ半結晶性熱可塑性ポリアミドの一種です。これは、縮合重合と呼ばれるプロセスを通じて製造されます。このプロセスでは、2 つの異なるモノマー出発原料 (ジアミンと二酸) が一緒に反応してポリマーを形成し、水や HCl などの副生成物が生成されます。ただし、ナイロンの種類ごとに製造方法が若干異なります。ナイロン 6,6 を例に挙げると、これは 2 つの一般的な原料、ヘキサメチレンジアミンとアジピン酸の間の縮合反応によって作られます。別の方法は、ナイロン 6 を製造するための原料としてカプロラクタムを使用する開環重合です。さまざまなナイロンとその製造方法についての詳細は、もう少し下で説明します。

ナイロンは 20 年以上にわたって 3D プリントに使用されてきました。フィラメントの形では溶融堆積モデリング (FDM) プリンターで使用され、粉末としては選択的レーザー焼結 (SLS) およびマルチ ジェット フュージョン (MJF) プロセスに適しています。下の画像は、ナイロン フィラメントを使用して 3D プリンターで作成された部品を示しています。

ナイロンは加工が難しい素材だと聞いたことがあるかもしれませんが、これは嘘ではありません。ナイロンの問題は、吸湿性があること、つまり空気中の湿気を吸収することです。そのため、印刷前に適切に乾燥していないと、反りが発生しやすく、層の接着力が低下し、印刷品質が不安定になります。 

良いニュースは、ガラス繊維とカーボン繊維を添加することで、これらの問題のほとんどが解消され、同時に機械的特性が向上することです。ナイロン炭素繊維フィラメントは、フィラメントに押し出す前に、短い炭素繊維ストランドをナイロンに混合することによって作られます。これらの繊維は材料を安定させ、印刷中の反りを防ぎます。さらに良いニュースは、ナイロン フィラメントの体積の最大 25% がこれらのフィラーの 1 つである可能性があることです。適切なフィラーおよびプリンター設定と組み合わせると、ナイロンを使用して、耐摩耗性用途向けの強くて長持ちする機能的な部品を作成できます。 

利点

• 柔軟
• 厳しい
• 耐摩耗性
• アルカリ、油、燃料、有機溶剤に対する耐性
• 他のエンジニアリング熱可塑性プラスチック（PETG や ABS）よりも優れた耐衝撃性
• PLA や ABS よりも耐紫外線性が高い（UV 安定剤を添加するとさらに耐紫外線性が高くなります）
• リサイクル可能

デメリット

• 印刷中に反ったり、プリントベッドから剥がれたりする傾向があります
• 吸湿性があるため、印刷前後に湿気を吸収しやすく、欠陥が生じる可能性があります
• PETG や ABS などの他のフィラメントほど強度がありません
• 生分解性ではありません
• ハロゲンや無機酸に対して耐性がない

アプリケーション

• プーリーシーブ
• 歯車
• ファスナー
• ケーブルと結束バンド
• プラスチック製バックル
• 乾燥した屋外環境

ナイロン フィラメントの組成は何ですか?

ナイロンは、同様の組成を持つ半結晶性熱可塑性ポリアミドの一種です。ナイロンは一般に、縮合重合として知られるプロセスを通じて合成されます。このプロセスでは、2 つの異なるモノマー出発原料であるジアミンと二酸が一緒に反応して、ポリマーと水や HCl などの副生成物分子が形成されます。たとえば、ナイロン 66 は、ヘキサメチレンジアミンとアジピン酸という 2 つの一般的な原料から縮合反応によって作られます。開環重合と呼ばれる別の加工方法では、カプロラクタムを原料として使用してナイロン 6 を製造します。

ナイロンは、機械的特性や熱的特性を向上させるために、カーボンやガラス繊維と組み合わされることがよくあります。フィラメント体積の最大 25% をこれらのフィラーの 1 つにすることができます。 

ナイロン フィラメントの特性は何ですか?

以下に、ナイロン 3D プリンティング フィラメントの一般的な特性をいくつか示します。

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ナイロンは優れた柔軟性と靭性を備えており、過酷な負荷条件にさらされる用途に使用できます。 

ナイロンは耐摩耗性に優れているため、プーリーシーブによく使用されます。

ナイロンは、油、燃料、有機溶剤に対して優れた耐性を持っています。

ナイロンは、ABS などの一般的なエンジニアリング プラスチックと比較して、耐衝撃性に優れています。

ナイロンフィラメントの特性比較

しかし、ナイロンは、ABS、PETG、PP などの他の一般的な 3D プリンティング フィラメントとどのように比較できるのでしょうか?重要な詳細をすべて下の表にまとめました (参照しやすいようにナイロン 6 を再度表に示します)。

ナイロンを使用した 3D プリントの制限は何ですか?

ナイロンでの印刷には、以下に示すようないくつかの欠点があります。

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ナイロンは印刷中に反る傾向があり、プリント ベッドから剥がれる可能性があります。 

ナイロンは印刷前でも印刷後でも湿気を吸収しやすい素材です。フィラメント素材による吸湿により、印刷部分に欠陥が生じることがよくあります。

ナイロンは、PETG や ABS などの他の印刷可能な素材ほど強度がありません。

ナイロン 3D プリンティング フィラメントの利点の一部を以下に示します。

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ナイロンは耐摩耗性に優れており、プーリーシーブやギアに最適です。

ナイロンは、PETG や ABS などの他のエンジニアリング熱可塑性プラスチックと比較して、耐衝撃性に優れています。

ナイロンは PLA や ABS よりも耐紫外線性に優れており、乾燥した屋外環境でも使用できます。原材料に UV 安定剤を添加すると、耐 UV 性がさらに向上します。

3D プリントにナイロンが使用されるのはなぜですか?

ナイロンは、その靭性、耐薬品性、耐摩耗性により、3D プリントに使用されます。加工が難しい材料ですが、機能部品の印刷には使用できます。ナイロンカーボンファイバーフィラメントは、フィラメントに押し出す前に短いカーボンファイバーストランドをナイロンに混合することで作られる一般的な素材です。これらの繊維は材料を安定させ、印刷中の反りを防ぎ、機械的強度を高め、熱特性を向上させます。 

3D プリントでナイロンを使用する方法

ナイロン 3D プリント フィラメントは、反りやすく湿気を吸収する傾向があるため、プリントが困難です。ただし、正しいプリンター設定を使用すれば、優れた結果が得られない理由はありません。以下に、ナイロンをうまく印刷するためのヒントをいくつか示します。

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ナイロンは湿気を吸収しやすい素材です。この特性は、水分が蒸発するときに熱湯の気泡が膨張することによって生じる多孔性により、印刷パーツに悪影響を与える可能性があります。したがって、フィラメント材料を密閉容器に保管することが重要です。一部のコンテナでは、印刷中にフィラメントを保管できるため、長時間の印刷に特に役立ちます。

印刷環境が約 45 °C に維持されていないと、印刷中にナイロンが反ってしまいます。 

ナイロンを使用した 3D プリントに関する上記のヒントは、通常、すべてのナイロン プラスチックに適用できます。ただし、カーボンファイバー ナイロン フィラメントやガラス繊維入りナイロン フィラメントは、それほど反りにくいです。

ナイロン 3D プリントに最適な構成設定は何ですか?

前述したように、正しいプリンター設定と適切な種類のナイロンを使用すれば、優れた結果が得られない理由はありません。ここでは、3D プリントを成功させるためにすべてのナイロン プラスチック フィラメントに一般的に適用できる重要なヒントをいくつか紹介します。

1. まず、プリンターがこの素材に最適な設定に調整されていることを確認する必要があります。必要な特定のプリンター設定はナイロンの配合によって異なりますが、一般的なルールは次のとおりです。

• エクストルーダー/ノズルの温度 :230 ～ 260 °C
• ベッドの温度 :60 ～ 70 °C
• 印刷速度 :30 ～ 70 mm/s (特に細部のパーツの場合、最良の結果を得るには 50 mm/s が理想的です)
• 充填密度 :三角形の充填パターンで 20% (用途に応じて調整する必要があります。耐荷重用途では 50 ～ 80% が必要になる場合があります)
• 最適な壁の厚さ :1.5 mm (ほとんどの用途。部品の最終用途によって異なります)

2. ご覧のとおり、ナイロンを使用する場合は、ナイロンが歪んだりベッドから浮き上がったりしないように、加熱されたプリント ベッドが必須ですが、接着剤で準備する必要がある場合もあります。

3. 印刷環境を約 45°C に保ちます。

4. 反りにくいカーボン ファイバーまたはガラス繊維入りナイロン フィラメントを使用します。

5. ナイロン フィラメントは湿気のない気密容器に保管してください。一部のコンテナは印刷プロセス中にフィラメントを保管できるため、長時間の印刷に便利です。

6. これはすべての 3D プリント素材に当てはまりますが、最適な速度設定が見つかるまでさまざまな速度設定を試してください。プリンターと素材の組み合わせごとに、動作が若干異なります。

ナイロン 3D プリンティング フィラメントに関するよくある質問

ナイロンは他のプラスチック 3D プリント フィラメントとどう違うのですか?

ナイロンは PETG や ABS よりも耐衝撃性に優れ、PLA よりもはるかに丈夫で柔軟性があります。 PLA は硬くて脆く、繰り返し荷重下での耐疲労性が低いため、ナイロンがその点で有利です。 ABSはナイロンと同様に印刷が難しい素材ですが、ナイロンよりも扱いやすく、引張強度にも優れています。 PETG も印刷がはるかに簡単で、ナイロンよりも安価です。

ナイロンはリサイクル可能ですか?

産業リサイクル施設でリサイクルする必要があります。ナイロン 6 は単一の分子から作られているため、たとえばナイロン 6,6 よりもリサイクル可能です。これにより、重合が容易になりますが、ナイロン 6,6 は分離が難しい 2 つの分子から作られます。

湿気が 3D プリントに悪いのはなぜですか?

素材に水分が入り込むと、プリント部分が台無しになる可能性があります (そして、これまで見てきたように、ナイロンは湿気を吸収しやすいのです)。これは、沸騰した水の泡が膨張することによって生じる多孔性のためです。印刷中に水分が蒸発すると、素材が弱くなる可能性があります。

ナイロン 3D プリントの最高速度はどれくらいですか?

ナイロンは 30 ～ 70 mm/s の速度で印刷できますが、特に高レベルの詳細が印刷に必要な場合、最適な速度は約 50 mm/s になる傾向があります。他の 3D プリント プロセスと同様に、最適な動作速度が決定されるまで、いくつかの異なる速度設定を試す必要がある場合があります。プリンターとマテリアルの組み合わせごとに動作が若干異なります。 

ナイロン フィラメントの融解温度は何度ですか?

ナイロンフィラメントの融解温度は188.4℃です。カーボンまたはガラス充填ナイロン 3D プリント フィラメントの溶融温度は、ベース ポリマーの溶融温度と同等です。

ナイロンで印刷する場合、加熱された印刷ベッドが必要ですか?

はい、ナイロンで印刷する場合は加熱されたプリントベッドが必要です。ナイロンは反りやすいため、接着剤の準備や加熱が十分でないとベッドから浮き上がる可能性があります。

ナイロンの 3D プリントに適した肉厚はどれくらいですか?

ナイロンの 3D プリントに最適な壁の厚さは、プリントされる部品の最終用途によって異なります。ただし、一般に、ほとんどの用途には 1.5 mm の壁の厚さが理想的です。

ナイロンの 3D プリントに適した壁密度はどれくらいですか?

機能しないプロトタイプのナイロン 3D プリント部品の最適な充填密度は 20% です。ただし、この密度は用途に応じて調整する必要があります。耐荷重用途では、50 ～ 80% の充填密度が必要な場合があります。標準の三角形タイプの充填材は、ほとんどの用途に十分です。

ナイロンは生分解性ですか?

いいえ、他のほとんどの日用品やエンジニアリンググレードの熱可塑性プラスチックと同様、ナイロンは生分解性ではありません。

ナイロンは吸湿性がありますか?

はい、ナイロンは吸湿性があり、湿気を吸収しやすいのです。したがって、ナイロン フィラメント素材は湿気のない筐体に保管することをお勧めします。

3D プリントにおけるナイロンと PLA の違いは何ですか?

PLA は硬くて脆い材料であり、耐疲労性に劣ります。一方、ナイロンはより丈夫で柔軟性があり、繰り返し荷重に対する耐疲労性に優れています。

3D プリントにおけるナイロンと ABS の違いは何ですか?

ABS はナイロンと同様に印刷が難しい素材です。しかし、ナイロンよりも使いやすいです。 ABS は引張強度にも優れています。ただし、ナイロンは ABS よりも大幅に耐衝撃性に優れています。

3D プリントにおけるナイロンと PETG の違いは何ですか?

PETG はナイロンほど耐衝撃性がありません>ただし、ナイロンよりも印刷がはるかに簡単で、安価です。

カット・デ・ナウム

Kat de Nagam は、英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツ スペシャリストであり、20 年以上の執筆経験があります。 Kat はさまざまな製造組織や技術組織で執筆した経験があり、エンジニアリングの世界が大好きです。執筆活動の傍ら、キャットはほぼ 10 年間パラリーガルとして活動し、そのうち 7 年間は船舶金融業務に携わっていました。彼女は印刷物とオンラインの両方で多くの出版物に寄稿しています。キャットはキングストン大学で英文学と哲学の学士号を取得し、クリエイティブライティングの修士号を取得しています。

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