適切な 3D プリント材料の選択:包括的なガイド
3D プリンティングでは、それぞれに異なる特性と用途を持つ多様な材料が利用されます。 3D プリントに適した素材を選択することは、プリントされるオブジェクトの品質、耐久性、機能に直接影響するため、非常に重要です。各素材には独自の特性と使用例があるため、各オプションの長所と短所を理解することが不可欠です。
この記事では、3D プリントに使用される最も一般的で最適な材料、その特性、およびその用途について説明します。
3D プリントに最適な素材
表 1 は、最も一般的な 3D プリント材料の長所と短所をまとめたものです。以下に、これらの 3D プリント マテリアルの簡単な説明を示します。
1. ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン)
ABS は、3D プリンティング、特に溶融堆積モデリング (FDM) プロセスで最も広く採用されている熱可塑性プラスチックの 1 つです。 ABS は石油ベースの原料から得られ、射出成形における役割でよく知られています。これは、レゴ® ブロック、携帯電話の保護ケース、自転車ヘルメットなどの家庭用製品や消費者製品によく使用されています。これらの用途では、高い耐衝撃性、良好な引張強度、適度な耐熱性などの ABS の注目すべき特性が活用されます。
商業および産業環境では、機械的強度と費用対効果の高さから、ABS が機能プロトタイピングや最終用途部品によく選ばれます。ただし、愛好家の間では、PLA や PETG などの印刷が容易な代替品に比べて、ABS はあまり好まれていません。これは主に、ABS が印刷中に反る傾向があるためです。通常、寸法精度を維持するには、加熱されたプリント ベッドと密閉されたビルド チャンバーが必要です。
ABS は手頃な価格と優れた強度重量比を誇ります。さらに、後処理が簡単になり、多様なカラーパレットが提供されます。 ABS は印刷プロセス中に臭気があり、潜在的に有害な揮発性有機化合物 (VOC) を放出することに注意することが重要です。これを軽減するには、換気の良い空間または囲いの中で印刷することをお勧めします。また、印刷領域から距離を保つことが賢明な予防策です。
詳細については、ABS プラスチックとは何ですか?
に関する完全ガイドをご覧ください。2. ASA (アクリル スチレン アクリロニトリル)
ASA はエンジニアリング グレードの熱可塑性プラスチックであり、3D プリンティングと射出成形の両方において ABS に代わる UV 安定性の高い代替品として一般的に考えられています。 ABS と同様の化学構造を共有していますが、ブタジエン成分をアクリレートゴムに置き換えることにより、紫外線、耐候性、および環境応力亀裂に対する耐性が大幅に向上しています。その結果、ASA は、日光に長時間さらされると ABS が色あせたり劣化したりする屋外用途に特に適しています。
ASA は、ABS と同等の強度、耐衝撃性、耐熱性を備えています。そのガラス転移温度は通常約 105°C です。ただし、UV 暴露下での優れた色安定性と黄変に対する優れた耐性により、長期的な美的耐久性が必要な用途では有利になります。また、ASA は 3D プリント中の反り傾向も低く、特に半密閉型または適切に調整されたデスクトップ プリンタにおいて、より安定した印刷品質に貢献します。
3. PP(ポリプロピレン)
ポリプロピレン (PP) は、優れた耐薬品性、低吸湿性、高い疲労耐久性により、さまざまな業界で広く使用されている半結晶性熱可塑性プラスチックです。 3D プリントでは、PP は繰り返しの応力に対する耐久性により、リビング ヒンジやフレキシブル コンテナなどの用途で高く評価されています。ただし、ビルド表面への接着力が弱く、反りやすいなど、印刷上の問題があります。これらの問題には、多くの場合、特殊なビルド プレートや接着技術が必要です。それにもかかわらず、PP は依然として、機能的なプロトタイプや軽量で耐薬品性の部品にとって実用的な選択肢です。
詳細については、PP (ポリプロピレン) に関するガイドを参照してください。
4. PLA (ポリ乳酸)
PLA (ポリ乳酸) は、デスクトップ 3D プリンティングで最も広く使用されているフィラメントであり、使いやすさと環境への影響の低さで好まれています。コーンスターチやサトウキビなどの再生可能資源に由来する PLA は、環境に優しい素材と考えられています。ただし、家庭で生分解可能ではなく工業的に堆肥化可能であり、通常は専門の施設でのみリサイクル可能です。 PLA は、比較的低い印刷温度 (190 ~ 215°C)、反りが最小限で、押出成形中の臭気が実質的にないため、ビジュアル プロトタイプ、モデル、および低応力アプリケーションに最適です。また、添加物や地域の規制によっては、食品との接触が制限されている場合でも安全であると考えられています。ただし、PLA には耐衝撃性の低下、脆さ、耐熱性の低さなどの制限があり、機械的ストレスや約 60°C を超える温度にさらされる機能部品には適していません。
PLA には、シルクのような、軽量、リサイクル、暗闇で光る、色が変わる、炭素繊維注入、木材注入、金属注入配合などの幅広いバリエーションがあり、特殊な使用例向けの柔軟で半透明の高温 PLA グレードも用意されています。
詳細については、PLA (ポリ乳酸) に関するガイドをご覧ください。
5.カーボンファイバー
炭素繊維強化フィラメントは、短い炭素繊維ストランドを PLA、ABS、または PETG などの標準的な熱可塑性プラスチックに注入することによって作成される複合材料です。この補強により、剛性と寸法安定性が大幅に向上し、同時に全体の重量が軽減されるため、高剛性が要求される機能部品に最適なフィラメントとなります。機械的性能を最小限に抑えることが多い木材や金属粉末などの他のフィラーとは異なり、カーボンファイバーは構造特性を向上させる傾向があります。ただし、カーボンファイバーは研磨性があるため、これらの材料は標準的な真鍮ノズルの摩耗を加速させ、詰まりのリスクを高める可能性があります。機器の損傷を防ぎ、印刷品質を維持するために、炭素繊維注入フィラメントで印刷する場合は、硬化鋼、ルビーチップ、またはその他の耐摩耗性のノズルを使用することをお勧めします。
6.ナイロン
一般的にナイロンと呼ばれるポリアミド (PA) は、その卓越した靭性と、高温と衝撃の両方に対する耐性で知られる、堅牢で耐久性のある 3D プリント材料です。優れた引張強度と機械的強度を誇るため、幅広い用途に最適です。
ナイロンは、カーボン、ガラス、Kevlar® などのさまざまな繊維で強化されることが多く、また強化を強化するために連続炭素繊維を埋め込むこともできます。その利用は、歯車、治具、治具、工具の作成を含む、ハイエンドのエンジニアリング領域で広く使用されています。さらに、ナイロンは粉末状でも入手できるため、用途の範囲が広がります。
PLA や PETG などの素材ほど印刷は簡単ではありませんが、ナイロンも依然として有力な選択肢です。ナイロンを効果的に処理するには、最大 300 °C に達する高温ノズルが必要になる場合があります。さらに、ナイロンは外気にさらされると湿気を吸収しやすいため、適切な保管が不可欠です。吸湿により素材の劣化が起こり、印刷品質が低下し、強度が低下する可能性があります。
7. HIPS (耐衝撃性ポリスチレン)
高衝撃ポリスチレン (HIPS) は、ポリスチレン プラスチックとポリブタジエン ゴムのブレンドで構成される独自の 3D プリント材料です。この組み合わせにより、優れた靭性と柔軟性を誇る素材が生まれます。
HIPS は ABS と類似点を共有していますが、強い衝撃力に対する優れた耐性によって区別されます。さらに、塗装のしやすさ、加工能力、幅広い接着剤との適合性など、多用途性を備えています。 HIPS は、食品加工用途に関して FDA 準拠のステータスも保持しています。
3D プリンティングでは、HIPS は主にサポート材料として使用されます。その主な利点は、リモネン溶液への溶解性にあり、研磨剤や切削工具などの労働集約的な除去方法が必要なくなります。このプロパティにより、印刷プロセスが簡素化されます。さらに、HIPS を平滑化して光沢のある表面を実現することもできますが、これは PLA ではしばしば困難なことでした。リモネンはレモンの皮から得られる入手可能な溶液ですが、HIPS 以外の 3D プリント材料に悪影響を与える可能性があることに注意してください。
8.ポリカーボネート
PC とも呼ばれるポリカーボネート フィラメントは、転移温度 (約 150 °C) が非常に高いため、高温用途に適した透明で耐久性のある素材です。 PC は自然な柔軟性を発揮するため、印刷物に大きなストレスがかかる場合でも、さまざまな状況に適しています。
それにもかかわらず、PC フィラメントは環境から湿気を吸収する傾向があることに注意することが重要です。この吸湿により、印刷時の反りや層の剥離などの問題が発生する可能性があります。これらの問題を軽減するには、可能な限り PC フィラメントを密閉容器に保管することをお勧めします。さらに、高い印刷温度が必要となるため、PC で作業する場合は熱保護対策を講じることが不可欠です。
詳細については、PC (ポリカーボネート) に関するガイドを参照してください。
9. PVA (ポリビニルアルコール)
ポリビニル アルコール (PVA) は、主に二重押出 3D プリンティングのサポート材料として、特に PLA やその他の低温フィラメントで使用される水溶性熱可塑性プラスチックです。溶解にリモネンを必要とする HIPS とは異なり、PVA は温水に完全に溶解するため、後処理が簡素化され、強力な化学薬品の必要性が軽減されます。 PVA は柔らかく生分解性があるため、独立した機能部品には適していません。ただし、内部キャビティやオーバーハングがあり、取り外し可能なサポートが必要な複雑な形状には最適です。
主な欠点は、押し出さずに加熱したままにするとノズルが詰まる傾向があることです。また、吸湿性が高いため、印刷品質を低下させる可能性のある吸湿を避けるために、乾燥した密閉環境で保管する必要があります。
10.樹脂
樹脂は 3D プリントで多用途に使用できる素材です。これには、バット重合におけるステレオリソグラフィー (SLA)、デジタル光処理 (DLP)、液晶ディスプレイ (LCD) などのさまざまな技術や、PolyJet などの材料噴射法が含まれます。樹脂は高精細な印刷に優れており、多くの場合、印刷後の加工に十分な強度を持っています。
高温樹脂は、小規模プロトタイプ用の射出成形金型を作成するのに費用対効果が高くなります。標準樹脂は、概念モデルや機能モデルなどの用途に適しています。 「ラフト樹脂」としても知られる急速樹脂は、急速に硬化し、部品の変形を防ぎます。 ABSに似た強靭な樹脂で機能部品に最適です。水で洗える樹脂により、アルコールの代わりに水で簡単に洗浄できます。柔軟な樹脂は、高い柔軟性を必要とする用途向けに、TPU と同様の弾性を提供します。植物由来の樹脂は大豆などの環境に優しい原料を使用しています。キャスタブル樹脂とワックス樹脂は、ワックス型を作成することでジュエリーの製造を容易にします。透明/透明樹脂は後処理が必要ですが、医療や模型製作の用途に適しています。暗闇で光る樹脂は発光モデルを生成し、生体適合性樹脂と歯科用樹脂は医療および歯科の要件を満たしますが、医療用途にはさまざまな規制への準拠が不可欠です。
11.ニチノール
ニチノールは、形状記憶と超弾性特性のユニークな組み合わせで最もよく知られているニッケル - チタン合金であり、ステント、ガイドワイヤー、歯科矯正コンポーネントなどの医療機器の貴重な材料となっています。用途に応じて、曲げやねじれなどの大きな変形が発生しても、熱にさらされたり、荷重が解除されたりすると元の形状に戻ります。この挙動は、オーステナイトとマルテンサイトの結晶構造の間の可逆的な相変態によるものです。引張強さだけの観点から見るとニチノールは最も強力な素材ではありませんが、永久変形や破損を起こすことなく極度の曲げに耐える能力で知られており、耐久性と柔軟性の両方が必要な用途での使用に適しています。
12.柔軟なフィラメント
TPE (熱可塑性エラストマー) は、プラスチックとゴムの特性を組み合わせた材料のクラスに属します。注目すべき例には、とりわけ、TPU (熱可塑性ポリウレタン) および TPC (熱可塑性コポリエステル) が含まれます。これらのプラスチックは、驚くべき柔らかさと柔軟性を示します。そのため、形状を失わずに伸ばしたり曲げたりできる変形可能な部品を作成する積層造形において、この製品の人気が高まっています。特に TPU は優れた耐久性を備え、摩耗、油、化学薬品、極端な温度に対する耐性に優れ、TPE フィラメントを上回ります。一方、TPC はその高温回復力と優れた耐紫外線性で際立っており、生物医学分野、ウェアラブル技術、医療機器などで貴重な用途が見出されています。 TPE は粉末および樹脂の形でも入手できます。
これらの素材は多用途性を備えていますが、3D プリントを成功させるには、適切に乾燥したフィラメントの使用、適切なベッド加熱、ノズル温度、プリント速度など、プリント プロセスを正確に制御する必要があります。
13.木材
Wood 3D フィラメントは、通常、木材繊維を注入した PLA で構成される複合材料です。現在、さまざまな木材 PLA 3D プリンタ フィラメントが入手可能で、松、杉、樺、黒檀、柳、桜、竹、コルク、ココナッツ、オリーブなどのオプションがあります。ただし、木材ベースのフィラメントの使用にはトレードオフが伴います。見た目の美しさと触感に優れていますが、他の素材に比べて柔軟性と強度がある程度犠牲になっています。さらに、木材入りフィラメントは 3D プリンターのノズルの磨耗を早める可能性があるため、使用する際は注意してください。過度の熱は焦げたりキャラメル状になったりする可能性があるため、印刷温度を制御することが重要です。ただし、切断、研磨、塗装などの印刷後の処理技術を使用して、木製作品の最終的な外観を向上させることができます。
詳細については、ウッドベース フィラメントに関する完全ガイドをご覧ください。
14.金属
金属は、積層造形、特に産業用途や高性能用途において最も急速に成長している材料カテゴリの 1 つです。主に直接金属レーザー焼結 (DMLS) および選択的レーザー溶解 (SLM) によって加工されます。金属溶融フィラメント製造 (一般にメタル FDM と呼ばれます) も、通常はプロトタイピングまたは少量生産に使用されますが、二次的な脱脂および焼結ステップが必要です。
DMLS と SLM は、従来の機械加工や鋳造方法よりもリードタイムが短縮され、材料の無駄が少なく、複雑で高強度の金属部品を製造できるため、航空宇宙、自動車、医療分野で広く採用されています。金型と複数のステップを必要とする鋳造とは異なり、金属 3D プリントでは、CAD モデルから直接ニアネットシェイプのコンポーネントを製造できるため、工具コストと組み立ての複雑さの両方が削減されます。
DMLS および SLM では、金属粉末が層ごとに選択的に溶融または焼結され、内部構造と形状の正確な制御が可能になります。金属積層造形で使用される一般的な材料には、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、工具鋼、青銅、ニッケル基超合金などがあります。これらの材料は、機能的なプロトタイプから航空宇宙、医療用インプラント、産業用工具の最終用途部品に至るまで、幅広い用途をサポートしています。
15. PET および PETG フィラメント
PETG は、ペットボトルと同じ素材であるポリエチレン テレフタレート (PET) から作られたフィラメントです。ただし、PETG では、エチレングリコールの一部が CHDM (シクロヘキサンジメタノール) に置換されており、名前の「G」は「グリコール変性」を表します。この改質により、未改質の PET と比較して、透明度が向上し、脆さが軽減され、使いやすさが向上したフィラメントが得られます。
PETG は ABS の代替品として適しており、有毒ガスを発生させずに耐熱性を備えています。食品にも安心な点でも人気です。さらに、PETG は、PLA と同様に、サンディングによる後処理が可能です。 PLA と互換性のあるほとんどの FDM プリンタは PETG も処理できますが、最適な結果を得るには、より多くの調整と労力が必要になる場合があります。
PETG の利点としては、ABS に比べて印刷が容易であること、滑らかな仕上がりを維持できること、保管に便利であることが挙げられます。ただし、高い印刷温度が必要なため、時間の経過とともにプリンターのコンポーネントが磨耗する可能性があるなど、いくつかの欠点があります。 PETG は粘着性が高いため、ブリッジングには優れていないかもしれませんが、この特性は優れた層密着性につながります。 PETG は PLA よりも吸湿性が高いため、露出したまま放置すると大幅な糸引きや空気からの吸湿などの問題が発生しやすくなることに注意してください。
16.グラファイトとグラフェン
グラフェンとグラファイトは 3D プリンティングにおける新興素材であり、その独特の電気的、熱的、機械的特性が評価されています。グラフェン (六方格子に配置された炭素原子の単層) は、その卓越した導電性、機械的強度、軽量構造で特に注目されています。 3D プリンティングでは、グラフェンは、独立した印刷可能な材料としてではなく、導電性と強度を高めるためのポリマー複合材料のフィラー材料としてよく使用されます。
これらのグラフェン強化フィラメントは、タッチセンサーやEMIシールド部品などのフレキシブル電子部品の製造に適しています。グラフェンは、エネルギー貯蔵デバイス、太陽電池、構造複合材料などの先進的な用途でも研究されています。まだ商業化の初期段階にありますが、グラフェンは柔軟性、強度、導電性の組み合わせにより、機能性およびマルチマテリアル印刷における有望な添加剤となっています。
3D プリントに使用される材料について知っておくべき理由
3D プリントのさまざまな材料オプションを知ることで、ユーザーは情報に基づいてどの材料がさまざまな用途に最適であるかを決定できるようになります。これにより、印刷オブジェクトが規格および機能要件を満たしていることも保証されます。次に、ユーザーがコスト効率の高い選択をし、印刷プロセスと予算を最適化するのに役立ちます。第三に、さまざまな素材が環境に与える影響を認識することで、持続可能で環境に優しい印刷慣行が促進されます。さらに、特定の 3D プリンターとの材料の互換性に関する知識により、スムーズな印刷プロセスが確保され、機器の損傷が最小限に抑えられます。さらに、医療や航空宇宙などの業界では、法的および安全性の問題を回避するために、材料に関する厳格な規制を遵守することが不可欠です。
詳細については、3D プリントのガイドに関する記事を参照してください。
3D プリントで最も一般的に使用される材料は何ですか?
PLA (ポリ乳酸) は非産業用途で最も一般的な 3D プリント プラスチックですが、ナイロンは産業用途で最も一般的なプラスチックです。
3D プリント コンポーネントの材料の選択は、その意図された目的に大きく依存し、特定の用途に合わせて調整された重要な特性が求められます。一般的な 3D プリントに不可欠ないくつかの基本的なプロパティを次に示します。
<オル>光造形 (SLA) 3D プリントに最適な材料
SLA 3D プリントは優れた汎用性を誇ります。標準、エンジニアリング、および工業用熱可塑性プラスチックと一致する広範な光学的、機械的、および熱的特性を備えたさまざまな樹脂配合に適しています。 3D プリントで使用される一般的な樹脂には次のものがあります。
<オル>選択的レーザー焼結 (SLS) 3D プリントに最適な材料
SLS は FDM や SLA に比べて材料の選択が制限されていますが、利用可能な材料は優れた機械的特性を示します。 SLS 3D プリントでプリントできるマテリアルは次のとおりです。
<オル>熱溶解積層法 (FDM) 3D プリントに最適な材料
FDM 3D プリントの主な素材は ABS と PLA で、さまざまな組み合わせが利用可能です。高度な FDM プリンタは、耐熱性、耐衝撃性、化学的弾性、剛性の向上など、優れた特性で知られる特殊な材料にも対応できます。 FDM 3D プリントに使用できるその他のマテリアルには次のようなものがあります。
<オル>デジタル ライト プロセス (DLP) 3D プリントに最適な素材
デジタル ライト プロセッシング (DLP) 3D プリンターは通常、フォトポリマー樹脂を使用して動作します。これらの樹脂は DLP テクノロジーで使用するために特別に配合されており、UV 光にさらされると硬化または固化するように設計されています。 DLP 樹脂材料の一般的なタイプには次のようなものがあります。
<オル>マルチ ジェット フュージョン (MJF) 3D プリントに最適な素材
マルチ ジェット フュージョン (MJF) 3D プリンティングは当初、ナイロン PA 12 パウダーに限定されていましたが、バランスのとれた機械的特性と再利用性により、今でも最も広く使用されている素材です。ただし、材料ポートフォリオは、業界のパートナーシップと継続的な開発を通じて大幅に拡大しました。 MJF 互換のマテリアルには次のものがあります。
<オル>直接金属レーザー焼結 (DMLS) 3D プリントに最適な材料
ダイレクト メタル レーザー シンタリング (DMLS) は、粉末金属材料を使用する金属 3D プリント技術です。 DMLS は、強力で複雑な金属コンポーネントの作成に適しています。 DMLS の一般的な資料は次のとおりです。
<オル>PolyJet 3D プリントに最適な素材
PolyJet は、インクジェット スタイルのプロセスを利用して、非常に詳細で正確な 3D オブジェクトを作成する 3D プリント テクノロジーです。これは、フォトポリマー樹脂の小さな液滴をビルド プラットフォーム上に層ごとに噴射し、UV 光で硬化させて固化させることで動作します。 PolyJet 3D プリントで印刷できるマテリアルのリストは次のとおりです。
<オル>電子ビーム溶解 (EBM) 3D プリントに最適な材料
電子ビーム溶解 (EBM) 3D プリンティングは、真空環境で高エネルギー電子ビームを使用するため、選択されたグループの導電性金属に限定されます。最も一般的に使用される材料には、チタン合金 (特に Ti-6Al-4V)、コバルト クロム合金、およびインコネル® 718 などのニッケルベースの超合金が含まれます。これらの金属は、その強度、耐熱性、航空宇宙、医療、産業用途への適合性で高く評価されています。いくつかの鋼粉が研究されていますが、その使用はあまり一般的ではありません。ポリマーやセラミックなどの非金属材料は、電気を通さず、真空処理条件に耐えられないため、EBM と互換性がありません。
自宅で 3D プリントできる素材
以下は、家庭環境で正常に印刷されたマテリアルのリストです。
<オル>3D プリントできない素材
3D プリントできないマテリアルのリストには次のものがあります。
<オル>最適な 3D プリント材料を選択する方法
正しい材料を選択するには、用途を定義することが重要です。以下は、最適な 3D プリント材料を選択する際に従うべき一般的なルールのリストです。
<オル>Xometry がどのように役立つか
Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、3D プリントの見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。
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ディーン・マクレメンツ
Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。
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