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3Dプリンター用フィラメントとは?種類別の特徴・選定ポイントが丸わかり!

【初心者向け】3Dプリンター活用のために~3Dプリンターの導入メリット、成功事例

熱溶解積層方式または材料押出方式(MEX方式:Material Extrusion、FDM方式:Fused Deposition Modeling、FFF方式:Fused Filament Fabricationとも呼ばれます)の3Dプリンターで使われる材料(フィラメント)に関して説明します。フィラメントの定義、種類、代表的な材料と特長に関して紹介しながら賢い選び方を考えていきます。

フィラメントとは

フィラメントは一般的には「糸状に連続した繊維」という意味で使われますが、3Dプリンターの分野では、熱可塑性樹脂などの材料を加熱、溶融させ、ノズルから押し出し、積層しながら固化させるMEX方式/ FDM方式/FFF方式で利用される3Dプリンター用材料のことを指します。多くの場合、釣り糸のようにリールに巻かれている形状で用意されており、現在では広く樹脂、一部では金属のAM加工を行う際に利用されています。

一般的なフィラメント材料

もともとFDM方式は米ストラタシス社が開発したということで、長らく特許に守られていたのですが、2009年に特許切れを迎え、多くの企業が模倣を始めました。昨今では、3Dプリンターの装置メーカー以外にも、さまざまな材料メーカーがサードパーティー材料を発売し、年々種類が増加している状況です。


3Dプリンターフィラメントの種類と特徴について

3Dプリンターの材料としてさまざまなフィラメントが登場していますが、大きな注意点としては、射出成型用のペレット材など比較すると添加剤が多く含まれた独自の材料となっている点です。「細く長く均一」で「リールに巻いても形状が変わらない」上に「熱を加えて造形できること」を実現するために、本来の樹脂以外の成分を混錬させ製品化しています。

例えば、ABS樹脂に添加剤を加えると物性が変化するため、「ABSライク樹脂」のように正確にはABSではないという意味合いを込めて呼ばれています。似ているけれど物性が違う点に留意が必要です。材料メーカーによって配合が異なるため、本来は一つ一つ検証していく必要があるでしょう。

フィラメント材料の種類と特徴一覧表

3Dプリンターで利用できる材料は年々増加しています。代表的なPLA樹脂を含め、一般的に利用できる材料に関して簡単にご紹介します。

種類長所短所利用用途例
PLA安価で生分解性を持つ。汎用性が高く入手しやすい。3Dプリンターでは結晶化ができないため、強度や耐久性が低い。耐熱性が低く50度から60度程度の温度でも歪みが発生する。 農業用シートや食品トレイや、包装用フィルム、レジ袋など
ABS汎用性が高く機械的特性に優れる。塗装や研磨など後処理も行える。温度管理や湿度の管理が悪いと反りやヒビが発生しやすくなる。造形中に臭気が発生する。耐候性が低い。自動車部品、電化製品の外装
強化PLA添加剤を加え機械的特性を強化されたPLA。生分解性を持つ。添加剤の配合により性質が大きく変化する。耐久性が求められる試作品
TPU(ゴム)柔軟性にすぐれ高い引張強度を誇る。造形時に設定の細かい調整が必要。柔軟性、耐衝撃性が求められる部品
ASA
ABSと同じような衝撃性や耐摩耗性を備える。造形時に反りや歪みが起こりやすい。自動車外装、建築資材などの屋外用途
PA (ナイロン)高機能で汎用性が高い。非炭素元素と反応しやすい。自動車や車両関係など
HIPS(耐衝撃性ポリスチレン)安価で生産量が多いポリスチレンにゴムを配合した耐衝撃性を持つ。ゴムを配合したことで耐熱性・剛性が低下。透明性もない。OA機器やテレビといった家電製品のハウジング、内部パーツなど
PC(ポリカーボネート)非常に高い耐衝撃性、自己消火性や透明性を持つ。傷がつきやすい。耐薬品性は低い。自動車のライトのカバーや透明な屋根、樹脂製のネジ、警官の使う盾
PP(ポリプロピレン )耐衝撃性・耐摩耗性・耐久性に優れる。太陽光が間当たる屋外使用には不適。塗装や接着に向かない。家電製品、CDケース、ヒンジ、自動車パーツ、繊維素材など
PVA(ポリビニルアルコール)水に溶ける。造膜性、耐薬品性に優れる。水に溶ける。主に水溶性サポート材
TPE(ゴムライク)ゴム同様の高い柔軟性と弾性を持ち耐摩耗性、耐衝撃性、耐薬品性などに優れる。積層時に歪みやノズル詰まりが起きやすい。ホース、パッキン、シューズなど
フィラメント材料の種類と特徴

代表的な樹脂フィラメントの特徴と性質

試作造形を行う際に定番として利用されるのが、価格が安く入手しやすいPLAとABSです。

PLA樹脂(ポリ乳酸)

コストパフォーマンスがよく、低い温度でも造形できるため多くの3Dプリンターで利用されている汎用材料です。既に3Dプリンターを持っている方の中には、取りあえずPLA樹脂という方も多いのではないでしょうか。

強度はそれほどでもないため、後加工が逆に難しい場合もあります。生分解性プラスチックであるため、サステナブルなプラスチックとしても注目されています。

ABS樹脂

PLA樹脂よりも丈夫に作りたいという際に、おすすめできるのがABS樹脂です。機械的特性に優れるため、積層痕を研磨して消したり塗装してより本格的な形状確認を行う際に使える材料です。

耐衝撃性、耐摩耗性、引張強度、靭性・曲げ疲労耐性が高く、耐熱性にも優れていますが、フィラメントとして製品化される際に、添加物が配合されるため、メーカーによって物性が大きく変わる場合があります。

特殊フィラメントの特徴と性質

樹脂材料の種類は多岐にわたります。目的に合わせて適切に選んでいくべきですが、高機能な材料の選択肢が増えてきました。最近注目の造形材料に関してご紹介していきます。

カーボンファイバー

Markforeged(マークフォージド)社が口火をきってリリースした、ナイロン材料にカーボンファイバー素材を混錬させた材料です。アルミ同等の強度を持つとも言われており、アルミ削り出し加工していた治工具をカーボンファイバー配合のナイロン樹脂に対応した3Dプリンターで造形することで、大幅なコストダウンを実現できるということで、大ヒット材料に成長しました。

材料価格が汎用的な樹脂材料よりも高額で、利用できる装置も限られますが強度面で大きなアドバンテージを持つ材料です。

ゴムライク

2020年あたりから大きく注目を集めているゴムライク樹脂。従来は硬い樹脂しか材料のラインナップになかった3Dプリンター材料ですが、エラストマー樹脂などをベースにした造形材料が各社から発売されたことで、手軽に利用できるようになってきました。

材料の価格は高額になりがちですが、ロボットハンドや緩衝材部分などやわらかく柔軟性に富むことを活かした用途に利用が可能です。手術練習用の医療模型の造形などにも利用されています。

ナイロン

自動車業界などでも広く利用されるナイロン樹脂は人気の材料です。サービスビューロなどでも対応されるケースが増えてきました。流通量が多いため、思ったよりも価格がこなれているケースもあるようです。

金属配合フィラメント

熱可塑性の樹脂に金属粉末やセラミックス粉末を混錬させフィラメントとして製品化している製品があります。添加剤として樹脂の性質を強化するために混錬されている場合もありますが、こうした金属配合フィラメントを対応している3Dプリンターで造形した後に、脱脂処理や熱処理を加えることで金属組織として結合させ金属部品を製造することができると言われています。脱脂・焼結で体積が縮小するため、事前に縮小した際の形状をシミュレーションするなど高度な制御が必要になります。

その他:リサイクルフィラメント

樹脂を溶融させて一定の線径を保ちながら糸状に加工できれば、フィラメントになります。簡単な原理ではありますが、加熱した際の造形が問題無くできるように材料の組成を工夫する必要があるため、製品として製造するにはノウハウが求められます。

特に溶かす元材料がばらばらなリサイクル樹脂フィラメントの場合、成分を均一にできないと物性も安定しません。こうした課題をクリアするためには、再利用する樹脂の種類を一定にするなどの工夫も必要になります。コストは高額になりがちですが環境対応を推進するために、自ら開発に取り組む企業も増えてきました。また単純なリサイクルではなく、リサイクルの過程で添加剤を加えることで性能を高めより付加価値の高い用途へ利用するアップサイクルという考え方も出てきました。

材料選びのポイントーたくさんあるフィラメントをどうやって選ぶ?

他の工法と同じく3Dプリンターで造形する際も、材料選びは目的によって変わってきます。装置に対応しているか、いつも使っている材料にするか、コストを優先するか、特別な性能が必要かどうかを順に判断していきます。

STEP1:造形装置が対応しているか

まず第一に考えなければいけないのは、造形装置が対応しているかという点です。

エクストルーダーのヘッド温度が低い場合、エンプラやスーパーエンプラは溶融できませんので、造形できません。またフィラメントの線径が対応していないほど細かったり、太かったりする場合も造形ができないでしょう。ご自身で利用する3Dプリンターを分解してメンテナンスできる場合は、多少のスペック違いでもトライする価値はありますが、その時間がかけられない場合や、機構が複雑で故障を自分で修理できない場合は、メーカーが保証する材料や、販売店の推奨製品を利用する必要があります。

STEP2:「いつもの材料」か「安価な材料」か

その上で、すでに他工法で利用している「いつもの材料」があれば、そちらを試してみる必要があるでしょう。物性はそこまで問わずに形状を確認するだけで問題ない場合は、PLA樹脂のように単価が安い材料を選定するとよいでしょう。

安価な家庭用3Dプリンター用以外でも、ストラタシスなどの産業用3Dプリンターの装置メーカーに対応する互換性のある材料の販売も盛んになってきました。互換性のあるフィラメントは、単価が数倍違います。試験造形などでリスク要因を確かめながら、取り組んでいくことで大きなコストメリットを創出できるかもしれません。

STEP3:性能面で不足がないか

強度が物足りず造形がうまくいかない場合は、造形に利用する3Dプリンターが使用可能な材料から、強度がより強いものを選定します。

ABS樹脂、ナイロンにカーボンファイバーやガラス繊維を配合した複合材料などが候補に挙がってくることでしょう。ESD材料のように静電気耐性がある材料や透明材料を使う際は、造形サンプルに触れられるのであれば確認するべきです。サンプルが手に入らない場合、試験造形して自分の手で確かめるしかありません。透明部品をFDM方式で造形すると白い濁りや積層痕が許容範囲かどうか確認する必要があります。どの程度実現できているかを手に取って確かめることが非常に重要になります。この試行錯誤が造形ノウハウにつながっていきます。

STEP4:保管上の問題がないか

またせっかく特性を把握している材料でも、日本のように高温多湿な環境の場合、湿度を吸ってフィラメントの特性が変化してしまう場合があります。例えばABS樹脂のフィラメントを梅雨時に放置すると水分を吸って、そりが生まれやすくなると言われています。

最適な材料を選ぶためにも、生の情報に触れよう

人気があるフィラメントでも、自分が使っている3Dプリンターで使えなければ意味がありません。まだまだ産業用3Dプリンターの材料に関しては、実際の造形結果や使い心地に関して情報は少ないいのも実情です。所有している3Dプリンターのユーザーグループが組織されている場合は、コミュニティに使い心地を聞くのも重要な手段になるでしょう。メーカーや販売店主催のセミナーの後にユーザー交流会が企画される場合もありますので、そういった場で生の情報を得ることも重要になってきます。

おわりに:フィラメントについて

熱溶解積層方式または材料押出方式(MEX方式/FDM方式/FFF方式)で使うフィラメントには、スタンダードな樹脂材料だけではなく、透明な樹脂、エンプラやスーパーエンプラ、金属やセラミックスを混錬した材料など多様な種類があります。モノづくりに必要な要件や後処理を考慮にいれながらさまざまな造形に活用することができます。

その多様性の半面、品質規格や装置への対応状況が明確でなく、添加剤の配合や生産状況によって、物性に当たり外れがある場合もあります。造形が安定するヘッド部分の温度や造形エリアの温度を確認しながら、実際に自分が試しながら最適な材料を探っていくことが必要です。

この面倒で手間がかかる部分が材料への知見というノウハウにつながっていくため、地道な実施結果の蓄積を軽んじるわけにはいかないと言えます。

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