最も強い 3D プリンターのフィラメントはどれですか?耐久性とパフォーマンスに関する専門家ガイド

FDM/FFF (フィラメント堆積モデリング/溶融フィラメント製造) 品種のプリンターは、フィラメントとして知られるプラスチック原料のストランドを使用して部品を構築します。プラスチックを溶かして押し出し、3D モデルを構築します。 3D プリンターのフィラメントには、強度と耐久性で知られるいくつかの種類があります。ただし、最も強いものの定義は、印刷部品の特定の用途と要件によって異なります。 

3D プリンターのフィラメントの引張挙動に適用できる「強度」には 2 つの基本的な解釈があります。それらは、完成部品の最終的な引張荷重によって異なります。 

あるケースでは、部品はフィラメントと並ぶ方向に荷重がかかります。この場合、未加工フィラメントの高い引張強度は、完成品の良好な引張強度にもつながります。 

もう 1 つのケースは、パーツがプリントのレイヤーに対して垂直にロードされた場合に発生します。この時点で、「最強の 3D フィラメント」は、固有のフィラメント強度ではなく、隣接する結合フィラメント間の接着強度を表すことになります。この後者の状況は、強度の問題を「どのフィラメントが最も確実に結合するか」という定義につながります。

これらのフィラメント特性は (他の特性とともに) 両方とも、高弾性、耐屈曲性、耐摩耗性のモデルを構築する場合に重要です。最終的な構築では、引張強度、曲げ強度、摩耗時の硬度、衝撃時の靭性などを目標として、要求のバランスを取る必要があります。各フィラメント タイプはモデルに異なる利点をもたらしますが、すべての状況に適したものはありません。また、プリンターがすべての造形材料を受け入れられるわけではなく、一部のフィラメントには他のフィラメントよりも設計上の制約があることにも注意してください。また、どのタイプを選択しても、最終製品の特性は、設計の品質と製造設計 (DFM) 原則に込められた考え方に大きく依存します。

この記事では、特性のバランスが取れていると考えられるいくつかの 3D プリント フィラメントを検証し、それらを設計する際に留意する必要があるいくつかの概念を確認します。 

3D プリンターのフィラメントの種類は何ですか?

FDM/FFF フィラメントには多くの材料があり、耐摩耗性、引張強度、曲げ靭性などの特定の特性を強化するさらに幅広い添加剤が含まれています。以下は、3D プリント モデルで最高の強度、靭性、耐久性を提供すると広く考えられているフィラメント ベース素材です。

1.ポリカーボネート

ポリカーボネート (PC) フィラメントは、高強度、高靭性、耐熱性のモデルを生成します。フィラメント軸方向の引張強度は66MPaです。その利点には、高強度、温度耐性、光学的透明性が含まれます。一方、PC は印刷が難しく、湿気を吸収しにくい傾向があります。 PC は直径 1.75 mm で 1 kg あたり 70 ～ 200 ドルかかります。詳細については、「ポリカーボネートとは何ですか?」に関するガイドを参照してください。

2.ナイロン

ナイロンフィラメントで作られたモデルは、その強度と耐摩耗性で知られています。この材料の引張強さはグレードに応じて 50 ～ 90 MPa です。ナイロンは丈夫で安価な素材です。ただし、高品質のモデルを印刷するのは難しい場合があり、水分含有量が低下しすぎると素材が著しく弱くなります。ナイロンは直径 1.75 mm で 1 kg あたり 40 ～ 100 ドルで購入できます。詳細については、ナイロン 3D プリンティング フィラメントのすべてに関するガイドを参照してください。

3. TPU

熱可塑性ポリウレタン (TPU) は、重大な衝撃や摩耗に耐えることができる、弾力性と弾性の高いアイテムを製造します。固有の弾力性により、この素材は多くの点で「強い」素材となります。 TPUの引張強度は50MPaです。問題は、プリンターのノズルが詰まりやすいため、ゆっくりと印刷する必要があることです。 TPU は直径 1.75 mm で 1 kg あたり 30 ～ 60 ドルかかります。詳細については、熱可塑性ポリウレタン、エンジニアリング (ETPU) に関するガイドを参照してください。

3D プリンターのフィラメントの引張強度とは何を意味しますか?

3D プリント フィラメントの引張強度は、フィラメントが破断するか永久的な (非弾性で回復不能な) 伸びを起こす前に耐えることができる最大引張荷重を表します。 FDM/FFF 印刷で使用されるような熱可塑性ポリマーには、弾性伸長荷重制限があります。荷重がフィラメントの弾性限界を下回る場合、荷重が取り除かれるとフィラメントは元の寸法に戻ります。弾性負荷応力を超えると、永久変形または破壊が発生します。

3D プリンターのフィラメントの衝撃強度とは何を意味しますか?

3D プリント フィラメントの耐衝撃性は、突然の衝撃や衝撃荷重に対するフィラメントの反応の尺度です。強い材料は衝撃エネルギーを吸収し、破損することなく変形する必要があります。これは、機械部品、玩具、保護具などに使用される材料にとって重要な特性です。

3D プリントアイテムの耐衝撃性は、独立したフィラメントだけで決まるわけではないことに注意してください。衝撃に対するビルド方向、「内部」格子充填構造/密度、フィラメント層の融着などの要因も性能に影響します。多くの場合、これらの要因は集合的に未加工フィラメントの衝撃特性よりも重要になります。 

3D プリンターのフィラメントに使用される他の強度指標は何ですか?

プリンターのフィラメントには、設計プロセスにとって重要な強度関連の特性が他にもあります。この分析では、強度を維持する特性も考慮する必要があります。これらはフィラメントのプロパティである場合もありますが、 これらをモデルのプロパティとして表示する方が便利です。 、フィラメントタイプを使用して構築されています。 。これらの強度指標を以下に示します。

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曲げ強度: 曲げ力を受けたときのフィラメントまたはモデルの破損や永久歪みに対する抵抗を測定します。 

破断点伸び: 負荷が増加するにつれて永久的な (非弾性) 歪みを受けることによって、定常的な引張負荷の下でフィラメントまたはモデルが破損に抵抗する能力を測定します。最終的に骨折が発生すると、骨折の両側で塑性変形が測定可能になります。

せん断強度: 材料またはモデルがせん断荷重下での破壊や変形に耐える能力を測定します。バルク材料のせん断強度は、印刷パーツのせん断強度とはわずかに関係します。せん断荷重の状況は多くの場合複雑で、材料の純粋なせん断を表しません。このため、実際のテスト結果は、基本的なフィラメントの特性よりも、印刷方向、部品設計、負荷シナリオに大きく依存することになります。

圧縮強度: フィラメントまたはモデルが圧縮または押しつぶされる力に耐える能力を測定します。これは、圧縮下で全体が曲がるというモデルの傾向とは異なります。この傾向は、代わりに曲げの復元力に依存しています。実際には、プリントが固体で断面が非常に単純でない限り、フィラメントの圧縮強度は 3D プリントの圧縮強度にわずかしか関係しません。 

耐摩耗性: 同様に硬い（またはより硬い）材料で繰り返し摩耗した場合の、剥離または研削による破損に対するフィラメント モデルの表面抵抗を測定します。

疲労耐性: 物理的限界に近づく周期的荷重に対する材料の耐性を定義します。このような荷重のひずみ速度、回復時間、および合計サイクル数はすべて、材料に悪影響を与える可能性があります。それは、材料自体の主要な特性だけでなく、構築方向やその他の構築パラメータの関数である可能性もあります。 

引裂強度: フィラメントとモデルの引き裂きに対する抵抗力を測定します。これは、裂け目が層平面に沿っている場合の印刷パラメータの関数になります。引裂きがフィラメントの軸方向に発生した場合にのみ、この強度は完全に材料の固有特性に基づいています。引き裂きとせん断は密接に関連したモードです。

耐熱性: 温度が上昇しても他のプロパティを維持するモデルの能力を定義します。ポリマーのガラス転移温度が高い場合、強度が低下する前に、より高い使用温度に耐えることができます。

耐クリープ性: 長期間継続する定常荷重下でモデルの寸法安定性を維持するモデルの能力を定義します。

耐薬品性: 溶媒、酸、塩基などの過酷な化学物質、または UV 暴露などの条件にさらされたときに、材料がその特性を維持する能力を定義します。 

上記のパラメータの中には、フィラメント素材の基本特性と密接に一致するものもありますが、印刷されるアイテムのデザインや構成に大きく依存するものもあります。 

3D プリンター用のフィラメントとは何ですか?

3D プリンターのフィラメントは、プリンターの押出機を通して供給され、印刷されたモデルの構築のために溶融されるポリマー原料です。この原料は、さまざまなポリマーのいずれか 1 つであり、ポリマーの特性を変更する他の添加剤を含む場合があります。フィラメント原料は、すぐに設置できるロールに乗せて供給され、ガイドを介して固定位置から押出機に材料を供給します。フィラメントは、ギアまたはピンチホイールのフィーダー機構によって掴まれ、必要に応じてリールからフィラメントを引き出し、押出機の加熱されたノズルに押し込みます。

高性能ポリマーとは何ですか?

高性能ポリマーは、考えられる多くの材料特性によって、歩行者向けの材料と区別されます。高性能素材は通常、次の特性の少なくとも 1 つにおいて優れています。

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引張強さ

せん断強度

曲げ強度

特性が劣化し始める前の温度限界

化学的回復力

耐摩耗性

耐クリープ性

弾力性

複合フィラメントとは何ですか?

FDM/FFF 用の複合フィラメントは、基本的なフィラメント ポリマー内に添加剤を含む 3D プリンティング フィラメントです。木繊維、金属粉末、カーボンまたはケブラー® 繊維、その他多くの材料などの添加剤は、基本的な高性能印刷ポリマーの特定の特性を強化するために使用されます。複合材料は、純粋なポリマーよりも特性や機能性を向上させることを目的としています。 

丸い断面と滑らかな表面を持つ木質繊維により、印刷パーツの強度、剛性、密度が向上します。 Kevlar®、カーボンファイバー、またはグラフェンを充填したフィラメントは、優れた強度、靭性、剛性を有する傾向があります。グラフェンの割合が十分に大きいと、材料に導電性を与えることさえできます。青銅、銅、ステンレス鋼の粉末を含むフィラメントでは強度は向上しませんが、金属のような外観が得られます。複合フィラメントを使用すると、3D プリントされたパーツの 1 つまたは複数のプロパティを変更できますが、印刷上の問題があり、このような材料を単純なマシンで使用するのが困難になる可能性があります。

私が選択できる最も強力な 3D プリンター フィラメントは何ですか?

最も強力な 3D プリンタ フィラメントは、予想される荷重タイプ、荷重強度、設計と製造の向き、3D プリント部品の充填密度などの詳細によって異なります。ただし、現在入手可能な最も強力な 3D プリンタ フィラメントは次のとおりです。

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炭素繊維強化ナイロン: これにより、カーボンファイバー添加剤による強度向上とナイロンの靭性と耐久性が組み合わされ、一般的に最も強力な 3D プリント素材となります。

ポリカーボネート: PC は高温にも耐えられる丈夫で耐久性のあるフィラメントです。優れた耐衝撃性をはじめとする高レベルのパフォーマンス特性を備えています。

ポリエーテルイミド (ウルテム / PEI): 優れた強度、耐熱性、耐薬品性を備えた熱可塑性プラスチックであるウルテムは、航空宇宙部品のプロトタイピングに広く使用されると考えています。

これらのフィラメントは特殊なプリンタ設定を必要とすることが多く、単純な FDM/FFF プリンタと互換性がない可能性があることに注意することが重要です。印刷はかなり難しい場合があるため、時間の制約がある中で機能的なモデルを構築する前に、これらの高性能マテリアルを使って練習することが重要です。