3Dプリンターでの加工に対応したプラスチック(樹脂)材料の種類を解説

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※本シリーズは設計者の皆さまの学習にお役立ていただくために、一般的な製造手法のノウハウについてご紹介します。記事内でご紹介する内容はプロトラブズにて未展開のものも含まれます。

 


≪目次≫

1.プラスチック(樹脂)を用いた3Dプリンターの造形方式

(1)材料押出方式

(2)材料噴射方式

(3)液槽光重合方式

(4)粉末床溶融結合方式

2.3Dプリンターで使われる熱可塑性樹脂

3.3Dプリンターで使われる光硬化性樹脂


さまざまな業界で、3Dプリンターを用いたプラスチック(樹脂)加工により試作品や治具などを製作する機会が増えています。中には、完成品・最終製品として3Dプリンター製の部品が採用されているものもあります。3Dプリンターの造形方式にはさまざまな種類があり、造形方式に応じて適した材料が使われますが、樹脂(プラスチック)材料としてはどのような材料が使われるのか解説します。

 

1.プラスチック(樹脂)を用いた3Dプリンターの造形方式

 

はじめに、プラスチック(樹脂)を用いた3Dプリンターの造形方式には、どのようなものがあるか確認し、それぞれの特徴を紹介します。

ここで紹介するのは一般的に知られているものに限定されており、これ以外にも樹脂(プラスチック)を用いた3Dプリントに対応している造形方式は存在するでしょう。

また、現在進行形で技術開発が進められているため、新しい技術が生み出され続けています。

(1)材料押出方式

材料押出方式は、加熱し溶かした熱可塑性樹脂の材料を3Dプリンターのノズルから押し出す造形方式です。完成状態の製品の断面形状に樹脂(プラスチック)を押し出し、冷却され固化したら次の断面形状に押し出すということを繰り返していきます。

さまざまな熱可塑性樹脂に対応しているため、現在の3Dプリンターではもっとも多く用いられている造形方式です。

 

(2)材料噴射方式

材料噴射方式はインクジェット技術を活用した造形方式で、樹脂(プラスチック)の中でも光硬化性樹脂に対応しています。3Dプリンターのノズルからモデル材とそれをサポートするサポート材をステージに噴射し、紫外線を照射することで硬化させ造形します。

材料噴射方式では、造形をする際の目的に応じてモデルの色や物性を調整することが可能です。光硬化性樹脂のインクには、さまざまな添加物を加えることができるため、実現したい状態に合わせて、調整を行います。

高い精度で着色したモデルの造形が可能なため、3Dデザイン確認用のモデルやキャラクターのフィギュアなどに用いられることがあります。

 

(3)液槽光重合方式

液槽光重合方式は、一般的に光造形方式とよばれる造形方式です。材料タンクに液体状にした光硬化性樹脂を貯め、モデルの形状に合わせてレーザーや紫外線などを照射することで、材料を硬化、造形していきます。

光硬化性樹脂の一般的な特性として、強い直射日光など外的要因に弱く、耐久性もそれほど高くありません。液槽光重合方式で製造されたモデルを耐久試験や性能確認に用いるのは難しいため、あくまでデザインを確認するために用いるのが一般的です。

 

(4)粉末床溶融結合方式

粉末床溶融結合方式は、粉末状の樹脂(プラスチック)材料が敷き詰められた容器に対して、必要な部分にレーザービームや電子ビームを照射することで材料を溶融・造形していく方式です。主に熱可塑性樹脂が用いられます。

焼結されなかった部分がサポート材となるため、モデル材以外にサポート材を準備する必要がありません。高い精度を実現するためには、長い時間をかけて造形する必要があり、さらに造形後にはサンドブラストで形状を整えたり、特性を満足するために含侵処理が必要になったりする場合があります。

 

 

2.3Dプリンターで使われる熱可塑性樹脂

 

ここまで紹介したように、3Dプリンターで使われる樹脂(プラスチック)材料は、主に熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂に分類することが可能です。

熱可塑性樹脂の代表的なものとしては、ABS、ASA、PLA、ナイロン、ポリカーボネート、ポリプロピレンなどが挙げられます。

それぞれの特徴は以下のようになっています。

ABS 電化製品の外装やおもちゃなど幅広く使われている材料です。剛性・耐衝撃性・疲労強度などがバランスよく、後加工が比較的しやすいため適用範囲も広いです。
ASA ABSのブタジエン成分をアクリレートに置き換えた材料で、ABSに似た特性を持っています。耐候性が改善されているため、屋外の使用に適している点が特徴といえます。

PLA(ポリ乳酸)

植物由来の乳酸を重合して製造されており、熱による収縮が小さいため造形不良が起こりにくい点が特徴的です。一方で、機械強度や耐久性はそれほど高くありません。
ナイロン ナイロン6,11,12などそれぞれ特徴は異なりますが、結晶性のポリアミドでエンジニアリングプラスチックとして高い機械的特性を持ちます。
ポリカーボネート エンジニアリングプラスチックの中で特に耐久性に優れており、精密機器や自動車部品に採用されます。また、耐熱性・耐候性に優れている点も特徴的です。
ポリプロピレン 折り曲げに対して耐性が強く、酸やアルカリ、油などの薬品に対して優れた安定性を持ちます。

 

 

3.3Dプリンターで使われる光硬化性樹脂

 

光硬化性樹脂には、ABSライク、PPライク、ゴムライク、光硬化性アクリル樹脂などがあります。「ライク」とつく材料は、その材料に特性を近づけた光硬化性樹脂を指します。

それぞれの特徴は以下のようになっています。

ABSライク 耐候性や耐衝撃性が改善された材料ですが、ABSのように長期的な耐久性はありません。
PPライク ポリプロピレンに似せた物性を持つ材料で、高い柔軟性と強度が特徴です。
ゴムライク ゴムのように柔軟な素材で、光硬化性アクリル樹脂と混ぜることで、硬さを調節できる場合もあります。
光硬化性アクリル樹脂 この材料を用いて得られる造形品はすりガラスのような半透明さが特徴です。機械的強度は強くなく、紫外線による変色や熱による劣化が生じるため、注意が必要です。

 

 

まとめ

3Dプリンターでは、造形方式に合わせてさまざまな樹脂(プラスチック)が材料として用いられています。主に熱可塑性樹脂と光硬化性樹脂が用いられているため、それぞれの特徴を把握し、目的に合わせた材料を選択することが必要です。

今後も3Dプリンター本体と材料の両方について開発が進んでいく領域のため、定期的に情報収集をすることが重要だと考えられます。