丈夫で耐久性のある3Dプリンティング材料

過酷な産業環境に耐えられる部品をプリントする必要がある場合、強度の高い3Dプリント材料を使用したいと思うでしょう。しかし、何が最適な選択肢なのかは、必ずしも明確ではありません。

材料の強度や耐久性を表す単一の普遍的な指標があれば、用途に合わせて「最も耐久性の高い」3Dプリント材料を簡単に選べれば理想的です。しかし、現実はもっと複雑です：

上の図は、Stratasysが提供する材料の一例に過ぎず、これはすべてのポリマー系3Dプリント材料の一部であり、当然ながら一般的な材料全体の一部に過ぎません。

また、この表にはこれらの材料の引張強度、衝撃強度、熱変形温度のみが示されています。材料の強度や靭性を測定する方法は他にもいくつかあります。

機能性プロトタイピングや量産に適したポリマーを選定するには、引張強度や耐熱性を比較するだけでは不十分です。用途によって重視すべき機械的特性は異なり、これらの数値を正しく解釈することが重要です。

以下のセクションでは、強度、剛性、靭性といった主要な性能指標を定義し、3Dプリント技術ごとにそれらがどのように異なるかを比較します。これにより、各技術のトレードオフを理解し、用途に最適な材料を見極める一助となるでしょう。

3Dプリント材料における強度と靭性の定義

強度、剛性、靭性は、いずれも耐久性のある材料にとって重要な特性です。しかし、これらの用語は実際には何を意味するのでしょうか？耐久性のある3Dプリント材料を選ぶ際、どれを優先すべきか、どのように判断すればよいのでしょうか？

• 剛性：材料が曲げやたわみ（技術的には「変形」）にどれだけ抵抗できるか
• 靭性：材料が破断することなくエネルギーを吸収し、塑性変形する能力。
• 強度 ：材料が破損（永久変形または破断）することなく、加えられた力に耐える能力。主な指標には以下が含まれます：
  
  
  • 降伏強度：材料が塑性変形し始める応力。
  • 引張強さ：材料が引張または伸長される際に耐えられる最大応力。

耐久性のある部品が必要な場合は、製造部品の信頼性と耐久性を確保するため、上記の特性に基づいて3Dプリント材料を選択してください。材料の仕様に加え、基盤となる3Dプリント技術も、選択において重要な要素となります。

それでは、以下の各カテゴリーにおける高強度な3Dプリント材料を見ていきましょう：

• 高強度FDM®フィラメント
• 高強度PolyJet™材料
• 高強度SAF^®（PBF）材料
• 高強度P3™ DLP材料

高強度FDMフィラメント

「強度の高い3Dプリント材料」といえば、おそらく真っ先にFDMフィラメントが思い浮かぶでしょう。それも当然です。FDM（溶融積層法）は、市場で最も強度の高い3Dプリントフィラメントの一つとして知られています。

ここには明らかなトレードオフがあることに気づくかもしれません。落下や一般的な摩耗・損傷に対して最も堅牢なフィラメントを求めるなら、PC-ABSを選ぶのが良いでしょう。ある程度の延性が必要な場合は、ナイロン12の方が適しています。非常に高い強度と耐熱性が求められる場合は、ULTEM™が最適でしょう。

事例：EANT GmbH

あるエンジニアリング企業は、カーボンファイバー素材であるナイロン12CFを使用して、海上用衛星アンテナ向けの軽量かつ高強度の支持マウントを製造しました。この素材の高い引張強度と剛性、そしてF900プリンターの大きな造形チャンバーが相まって、この用途に理想的な選択肢となりました。 3Dプリントされたアンテナ支持マウントにより、製造コストは20%削減され、製造時間は75%短縮され、部品の重量は38%軽減されました。

FDMに関するもう1つの注意点として、一般的にFDM材料は等方性ではないという点があります。各層内での強度は、積層された層間を横切る方向の強度よりも高くなります。このため、通常、XZ方向の強度とZX方向の強度という2つの別々の仕様が記載されています。 （上記の仕様はXZ方向のものです。完全な仕様が記載されたデータシートはこちらでご覧いただけます。）

高強度FDM材料の使用適応

FDM技術は、ミニマックス（最小・最大）アプローチの典型的な例です。強度やサイズを重視した造形が必要な場合、多くの場合これが最適な解決策となります。さらに、FDMマシンは一般的に導入や操作習得が最も容易な部類に入ります。

FDM技術を使用すべきでない場合

外観が重要な場合、FDM技術は最適な解決策ではない可能性があります。なぜなら、印刷された部品に目に見える層の境界線が残りがちだからです。また、FDMは、複数の色や素材を使用する部品、あるいは非常に高解像度で繊細な形状を持つ部品の印刷には適していません。

高強度なPolyJet材料

PolyJet技術は、従来、FDMと比較すると正反対の特性を持つものと見なされてきました。FDMが強度に最適化されているのに対し、PolyJetはその美観で高く評価されています。

PolyJetは、1回の印刷で複数の色や素材を印刷できます。非常に高い解像度（層厚は最小14μm）を誇ります。

しかし、靭性という点では、PolyJetは通常、第一の選択肢とはなりませんでした。しかし、最近「ToughONE」材料がリリースされたことで、この状況は多少変化しています。ToughONEは、強度、靭性、そして高い表面仕上げを独自に兼ね備えています。機能性プロトタイピングや最終部品の製造において、カラーや複数の材料と組み合わせて使用することが可能です。

PolyJetテクノロジーの使用適応場面

PolyJetは、高精度、微細なディテール、滑らかな表面仕上げが不可欠な用途に最適です。特に以下の用途に適しています：

• 機能性プロトタイピング：自動車部品や家電製品の筐体など、機械的試験や実用的な使用に耐えうる、多色・多素材を用いた詳細かつ正確なプロトタイプの作成。
• 生産支援：カスタム治具、固定具、金型部品など、強度と高品質な仕上げの両方が求められる最終部品の製造。
• 民生用製品：高品質な仕上げと複雑なディテールが求められる部品の製造。

PolyJetテクノロジーの使用を避けるべき場合

• 高温環境：部品が長時間高温にさらされる用途。
• 大型部品：FDM や SAF などの他の技術と比較して、PolyJet では大型部品の製造が難しく、費用対効果が低くなる場合があります。

SAF（選択的吸収溶融）は、粉末床溶融（PBF）の一種であり、以下の強靭な材料も使用可能です：

ここでも、非常に剛性の高い（高い曲げ強度）3D材料と、頑丈な（高い衝撃強度）3D材料との間に明確な違いがあります。耐熱性もここでは重要な要素となります。

ケーススタディ：3D Composites

ある製造サービス局は、SAFを利用して航空宇宙産業向けの部品を製造しました。これには、治具、固定具、金型、および量産部品の製造が含まれます。3D Compositesは、その剛性、形状再現性、および強度から、ナイロンPA12を推奨しました。 SAF技術により、一貫した品質での大量生産が可能となり、部品単価とリードタイムが削減されたため、同社は厳しい生産納期に対応することができました。

SAF技術の活用シーン

SAFは、高い再現性と部品あたりの低コストで知られています。12時間の印刷で数百個の部品を印刷することができ、年間製造量は数万個に達します。これに加え、優れた強度仕様も備えているため、中～大量生産に特に適しています。

SAF技術を使用すべきでない場合

SAFは、極めて滑らかな表面仕上げが求められる用途には推奨されません。そのような場合は、PolyJet、SLA、またはP3 DLPソリューションを選択した方が良いでしょう。

高強度P3 DLP材料

P3 DLPプリンターは、優れた強度と材料性能に加え、卓越した表面仕上げと精度を兼ね備えた、稀有な組み合わせで知られています。これにより、日常的な使用に耐える十分な強度が必要でありながら、高いレベルの表面仕上げと精度も求められる、生産用治具やその他の少量生産に最適です。

P3 DLPを使用すべきでない場合

ここでは「いつ使うべきか」というセクションは省略します。なぜなら、多くのケースで良好に機能するため、むしろ「いつ使わないべきか」を述べた方が分かりやすいからです。P3 DLPの性能が劣る領域は、基本的に以下の2つだけです：

1. 大型部品：DLPの造形サイズは一般的に小さめです。大型部品を造形する必要がある場合は、FDMやSLAの方が適している可能性があります。
2. 多色・多材料：プロトタイピングや小ロットのテストバッチなど、フルカラーや多材料を必要とする用途は、実質的にPolyJetでしか実現できません。

最適な高強度3Dプリント材料の選び方

どの3Dプリンティング技術が自身のニーズに最も適しているか把握したとしても、AMに適した材料を選定するという課題が残ります。材料の様々な特性を考慮する必要があります：

• 機械的特性：
  • 強度：外力に耐える能力。
  • 靭性：亀裂の進展に対する抵抗力。
  • 疲労強度：繰り返しの荷重に耐える能力。

• 熱的特性：
  • 耐熱性：高温下でも特性を維持する能力。
  • 熱膨張：温度変化に伴う寸法の変化

• 化学的性質：
  • 耐食性：化学的攻撃に耐える能力。
  • 化学的安定性：化学物質による劣化に対する耐性。
  • コストと入手性：経済的な実現可能性と材料の入手可能性。

まとめ

次回のプロジェクトでどのような材料仕様が適しているかお悩みでしたら、ぜひ当社の専門家にご相談ください。プロジェクトの詳細な要件について、徹底的にご説明いたします。それが私たちの役割です。