柔軟な3Dプリンティングのガイド：材料、技術、および応用

フレキシブル3Dプリントとは何ですか？

フレキシブル3Dプリンティングとは、曲げ、伸縮、圧縮、あるいは衝撃を吸収しながら元の形状に戻るよう設計されたエラストマー材料を用いて部品を製造するプロセスです。このプロセスでは、TPU（熱可塑性ポリウレタン）などの柔軟な熱可塑性プラスチックやフォトポリマー、およびショア硬度や伸び特性が異なるその他のエラストマー材料が使用されます。 フレキシブル3Dプリンティングは、人間工学に基づいたグリップ、シール、ガスケット、ウェアラブル機器、緩衝材、および柔らかさ、弾力性、あるいは繰り返しの屈曲動作が求められる医療・歯科用部品の製造に広く利用されています。

フレキシブル3Dプリンティングとは、曲げ、圧縮、衝撃吸収といった大きな可逆的な変形を受け、力が除去されると元の形状に回復する部品を製造する技術です。材料によっては、荷重がかかった際のわずかなたわみから、完全にゴムのような反応まで、その挙動は多岐にわたります。

すべての柔軟性のある材料が同じように振る舞うわけではありません。フィット感や手触りをゴムに似せるように設計されたものもあれば、破損することなく繰り返しの応力、摩耗、または機械的な使用に耐えられるように作られたものもあります。この違いは、材料の選択と印刷プロセスの両方に影響を与えるため、初期段階で重要です。

ショア硬度と破断伸びは、これらを定量化する最も簡単な指標です。ショアA値が低いほど、材料は柔らかく、しなやかになります。値が高いほど硬く、より高い支持力を発揮します。破断伸びは、材料が破断するまでにどれだけ伸びるかを示します。

重要なのは、その部品にどのような性能が求められるかということです。グリップ、シール、オーバーモールド部品のリアルさを追求する場合は、通常、手触りや表面品質を最適化することになります。一方、保護カバー、工具、あるいは繰り返し曲げられる部品など、機能性を重視する場合は、耐久性や長期にわたる性能の安定性を重視することになります。

フレキシブル3Dプリント用材料の種類

柔軟性のある3Dプリント用材料は、強靭でわずかに柔軟性のあるプラスチックから、柔らかくゴムのような素材まで、幅広い特性を持っています。 適切な材料の選択は、単に「どれほど柔軟か」という点よりも、使用時にどのような性能が求められるか、例えば繰り返しの曲げ、表面のグリップ力、シール性、あるいは単に完成品の感触を再現することなどに大きく左右されます。

これらの材料は、その性能特性から理解するのが最も適切です。

• 熱可塑性ウレタン（TPU）や熱可塑性エラストマー（TPE）を含む柔軟な熱可塑性樹脂は、耐久性と実使用環境における部品性能で知られています。
• Agilus30™、Tango™、Elastico®などのゴムのようなフォトポリマーは、リアリティと細部表現が求められる場面で使用されます。
• P3™ シリコーン、P3™、Stretch™ IND475 および 80 樹脂などのシリコーンおよびエラストマーは、実用的な用途において、繰り返し変形、圧縮、弾性、および復元力が不可欠な場合に最適です。

セミフレックス光重合樹脂やポリプロピレン系材料など、柔軟性が限定的な材料もありますが、これらは本ガイドで取り上げるゴムのような挙動は示しません。

TPE、TPU、およびその他のフレキシブルフィラメント

熱可塑性エラストマー（TPE）は、柔軟な熱可塑性プラスチックの幅広いカテゴリーであると同時に、特定の種類のTPEでもあります。Stratasys FDM® システムで使用されるTPUは、TPEのカテゴリーに属し、柔軟性と耐久性のバランスに優れています。

FDM® TPU 92A のような材料は、柔軟性と耐久性のバランスに優れているため、表面仕上げよりも性能が重視される場面、つまり摩耗、振動、または繰り返しの動きに耐える必要がある部品の製造に適しています。

超ソフトなPolyJet素材

TissueMatrix® や GelMatrix® といった柔軟性の高い 3D プリント用ジェット樹脂は、この特性をさらに拡張し、非常に柔らかくゲル状の挙動を実現します。これらは、機械的強度よりも軟組織の反応を再現することがより重要となる、医療シミュレーションやトレーニングの分野で使用されています。

P3 エラストマー材料

P3 DLP用の柔軟性のある材料は、実環境下での荷重に対する挙動が重要な用途に適しています。

• P3 MED Silicone 25Aは、皮膚や軟組織の挙動を再現すると同時に、シールや圧縮用のエラストマーとしても機能します。純粋なシリコーンであるため、成形可能なシリコーンと同様に、過酷な熱的・機械的条件下でも長期的な弾性と復元性を発揮します。
• P3 シリコーン 25A は、P3 シリコーンファミリーの産業用製品であり、シールやウェアラブル機器など、長期にわたる圧縮性と柔らかさが求められる部品に使用されます。
• ストレッチ素材（Loctite 3D IND402、P3 Stretch IND475、P3 Stretch 80）は、ソフトグリッパーやハンドリングツールなど、繰り返しの変形と復元が求められる用途向けに設計されたエラストマー樹脂です。

シリコーン風素材と本物のシリコーン素材

「シリコーン」と称される3Dプリント部品が、すべて実際にシリコーンであるとは限りません。

P3 Silicone 25Aのような本物のシリコーン材料は、成形用シリコーンと同様の挙動を示します。これらは、圧縮やシール、繰り返しの変形に耐え、時間の経過とともに経年変化しますが、シリコーン風材料では通常、こうした特性は得られません。

これは、コンセプトから実用化へと移行する際に重要なポイントです。部品が実際の使用環境下で長期間にわたって性能を発揮する必要がある場合、外観よりも材料の挙動や経年変化の方が重要になります。

柔軟な3Dプリントを実現するStratasysのテクノロジー

Stratasysは、それぞれ異なる用途に適した複数の技術にわたるフレキシブル3Dプリンティングをサポートしています。選択の基準は、単に材料の柔らかさだけでなく、部品に求められる性能、使用方法、そして出力の均一性などです。

つまり、耐久性のある機能部品にはFDM、高精細なゴムのようなプロトタイプにはPolyJet、生産性能に近いエラストマー用途にはP3を選択することになります。それぞれが、耐久性、リアルさ、材料の挙動という点で異なる位置づけにあります。

柔軟なフィラメント向けのFDM

FDMは、機能的な柔軟性のある部品、特に耐久性や耐摩耗性が求められる部品に最適です。

TPU 92Aのような材料は、一度曲がるだけではありません。繰り返し曲げられたり、摩耗や日常的な使用による摩耗にさらされても、破損することなく耐え抜きます。そのため、保護カバー、ダクト、シール、ロボットアーム先端ツールなどに使用されています。 最高の表面仕上げは得られませんが、作業場や生産現場で稼働させるのに十分なほど頑丈で、予測可能かつ信頼性の高い部品が得られます。

エラストマー素材を採用したことで、ポラリス社のチームは、自社車両の1台に搭載する吸気ダクトについて、幾何学的に正確な複数の設計案を迅速に試作・検証することが可能になりました。

完全な設計の自由度で複雑な形状をプリント

柔軟な素材を使用することで、従来の製造方法では困難あるいは不可能な形状の設計が可能になります。これには、一体型シール、スナップフィット構造、ソフトヒンジ、アンダーカット、および多材料部品などが含まれます。

PolyJetのデジタル材料ブレンドを使用すれば、1回の造形工程で硬質材料と柔軟な材料を組み合わせることができ、組み立て工程を必要としないオーバーモールド風の設計が可能になります。これは、ソフトタッチゾーン、グリップ、または層状の材料特性を持つ製品に有用です。

柔軟な材料を使用することで、動きや接触に依存する設計のプロトタイプ作成や反復設計が容易になります。挙動を近似的に推測するのではなく、シールがどのように圧縮されて固定されるか、グリップの感触、あるいは部品が荷重下でどのように反応するかなど、直接テストすることができます。

柔軟な材料は、一見して似ているように見えても、その挙動には大きな違いがあります。ショア硬度は有用な目安となりますが、実際の使用における性能は、伸び率、強度、および材料の加工方法にも同様に左右されます。

以下の表では、FDM用フレキシブルフィラメント、PolyJet用ゴム系フォトポリマーおよびDigital Anatomy用材料、P3 DLP用エラストマーの代表的な特性を比較しています。