3Dプリント用材料ガイド：種類、用途、特性

3Dプリント用の樹脂材料は多数あり、それぞれが特定の用途に最適な特性を持っています。製造予定の部品や製品に最適な材料を選ぶ際のヒントとして、まずは樹脂の主な種類とそれぞれの3Dプリント方式についてご説明します。

樹脂には主に2種類あります。

• 熱可塑性樹脂は、最も広く使われている種類の樹脂です。熱可塑性樹脂は何度も溶かしたり固めたりしてもあまり劣化せず、この点で熱硬化性樹脂と大きく異なります。熱可塑性樹脂は熱を加えることで希望の形に成形することができます。熱を加えても化学結合を起こさないため溶かして再利用が可能で、リサイクル材料としても使用できます。バターに例えられることの多い熱可塑性樹脂は、一度溶かして固形化した後も、再度溶かすことができます。ただし、溶かすごとに材料特性は若干変化します。

• 熱硬化性樹脂は、二次硬化による固形化後はその形を永久に維持します。熱硬化性樹脂に含まれるポリマーは、熱、光、または適度な放射線を当てることで二次硬化中に化学結合を起こします。熱硬化性樹脂は、熱を当てると溶けずに分解され、冷却しても元に戻りません。そのため、熱硬化性樹脂を再利用したり、元の基礎原料に戻したりすることはできません。熱硬化性樹脂はケーキの生地のようなもので、一旦焼き上がったら再び溶かして元の生地に戻すことはできないのです。

樹脂を使用する3Dプリント方式の中で、現在最も定評があるのは以下の3つです。

• FDM（熱溶解積層）方式3Dプリンタ：熱可塑性材料を溶かし、プリンタのノズルから造形エリアに押し出して積層することで造形していきます。

• SLA光造形方式3Dプリンタ：レーザーを用いた光重合という化学反応を利用し、熱硬化性の液体レジンを硬化させることで造形します。

• SLS（粉末焼結積層造形）方式3Dプリンタ：高出力レーザーを照射し、熱可塑性樹脂パウダーの小粒子を焼結することで造形します。

FDM（熱溶解積層）方式はFFF（Fused Filament Fabrication）とも呼ばれ、ホビイスト向けの3Dプリンタの登場により、一般消費者の間で最も広く支持されている3Dプリント方式です。

この方式は、基本的な概念実証モデルの製作や、通常は加工で作るシンプルな形状の部品の試作品を、迅速かつ低コストで製作したい場合などに適しています。

一般消費者用のFDMプリンタの精細度や精度は、樹脂を使った他の3Dプリント方式に比べて最も低く、複雑なデザインやディテールの凝った形状の造形には最適とは言えません。後処理工程で造形品に化学的・機械的な研磨を施すことで、表面を上質に仕上げられる可能性があります。工業用のFDM方式3Dプリンタでは、可溶性サポート材の使用でこうした問題を軽減できる他、様々な工学用熱可塑性材料や複合材料の使用が可能ですが、価格が高額です。

溶かしたフィラメントを積層していきますが、層間が完全に接着していないと空洞が生じてしまうことがあります。その結果、異方性の造形品が出来上がるため、耐荷重性や引き抵抗が重視される部品を製作する場合には考慮が必要になります。

最も一般的なFDM 3Dプリント用材料は、ABS、PLA、そして様々なブレンド材です。高度なFDMプリンタでは、耐熱性、耐衝撃性、耐薬品性、剛性など、その他特性を持つ特殊材料も使用できます。

SLA光造形方式は、世界初の3Dプリント技術として1980年代に発明され、現在工業用途で最もよく使われている技術の1つです。

SLA光造形方式でプリントした造形品は、樹脂を使う3Dプリント技術の中で解像度や精度、ディテールの再現性、表面品質の滑らかさが最も高い仕上がりになります。SLA光造形方式は、成形型、原型、実製品用部品などの機能部品や、公差要件が厳しく滑らかな表面品質が求められる繊細なディテールを持った試作品の製作に最適です。SLA光造形方式で3Dプリントした部品には、研磨、塗装、コーティング、その他様々な後処理を施すことができ、顧客に提示できる高品質な仕上がりを実現できます。

SLAの造形品は等方性があります。各層間で化学結合が起こることで、方向に関係なく安定した強度が得られるため、治具や実製品用部品、機能確認用試作など、意図した通りに機能することが求められる部品の製作が可能です。

SLA光造形3Dプリントは万能性が高く、スタンダード系・エンジニアリング系・工業系の熱可塑性樹脂に匹敵する様々な光学的・機械的・熱的特性を持つレジンが使用できます。SLA光造形は、使用可能な生体適合性材料が最も多い3Dプリント方式でもあります。

特定の材料の使用可否は、メーカーやプリンタによって異なります。Formlabsのレジンライブラリでは、SLA光造形3Dプリント用に40種類以上の材料を提供しています。

SLS（粉末焼結積層造形）方式3Dプリントは、高強度・高機能部品を製作できる方式としてさまざまな業界のエンジニアや製造業者から信頼されています。造形単価が低く、生産性が高く使用する材料も確立されているこの技術は、ラピッドプロトタイピングから治具製作、少量バッチ、量産前のテスト生産、カスタム製造に至るまで幅広い用途に適しています。

造形中は未焼結パウダーが造形品を支えるため、専用のサポート材が必要ありません。そのため、SLSは内部構造、アンダーカット、薄肉構造や中空構造など、複雑な形状の造形に最適です。

SLA光造形と同じく、SLSでも等方性のある部品を製作できます。SLSプリント品はパウダー粒子により表面が若干ざらついた表面に仕上がりますが、積層痕はほとんど見えません。また、SLS 3Dプリント品に後処理を施すことで、簡単に機械的特性や外観をさらに向上させられます。

SLS 3Dプリント用材料は、FDMやSLA光造形と比べて数は少ないものの、現在入手可能な材料は射出成形品に匹敵する強度と機械的特性を備えています。SLSで最もよく使われている材料は、優れた機械的特性で人気の高いエンジニアリング用熱可塑性ナイロンです。ナイロンは軽量、高強度、高弾力性を特徴とし、衝撃、化学物質、熱、紫外線、水、土に対する耐性があります。他にも、PPや軟質のTPUなどもSLS 3Dプリントで人気の高い材料です。

3Dプリンタの中には、樹脂だけでなく金属を使ったプリントが可能なものもあります。

• 金属FDM方式

通常のFDMプリンタと仕組みは同じですが、金属粉末とバインダー（結合剤）となる熱可塑性樹脂を混ぜ合わせたものを射出して造形します。出来上がったグリーン体（未処理の造形品）は、脱脂炉で焼き入れ（デバインド）をしてバインダーの樹脂を飛ばして取り除きます。

• SLM（レーザー溶融）方式とDMLS（直接金属レーザー焼結）方式

SLM方式、DLMS方式の金属3DプリンタはどちらもSLS方式プリンタと仕組みは同じですが、金属粉末にレーザーを照射することで積層し、造形していきます。SLMとDMLS方式でプリントした部品は、頑丈で高精細かつ複雑な金属製品を造形できるため、航空宇宙や自動車、医療用途に最適です。

• チタニウムは軽量で優れた機械的特性を備えた材料で、丈夫で硬く、熱や酸化、酸への耐性が高いことが特徴です。

• ステンレススチールは強度と靱性が高く、耐腐食性を備えた材料です。

• アルミニウムは軽量で耐久性と強度があり、優れた熱特性を有します。

• 工具鋼は硬質で傷がつきにくく、実製品用の金型やその他高強度部品のプリントに使われます。

• ニッケル合金は張力と耐クリープ性、破断強度が高く、熱と腐食への耐性があります。

樹脂を使用する3Dプリンタと比較して、金属3Dプリンタは遥かに高額かつ複雑で、ほとんどの企業には手が届きません。

一方、SLA光造形方式3Dプリンタには鋳造に対応した高精細材料が豊富にあり、従来型の鋳造方法に比べ、金属部品をデザイン上の制約なく、低コストかつ短時間で製作することができます。

SLA光造形部品に電解めっき処理を施し、電気分解によってプラスチック材料を金属の薄い層でコーティングするのも1つの方法です。これにより、導電性や耐腐食性、耐摩耗性といった金属の持つ優れた特性と、基本材料（通常は樹脂）の特性を両方備えた部品を製作できます。

多種多様な3Dプリント用材料や方式の中から、目的の用途に適したものを選ぶにはどうすればよいでしょうか。

こちらに、用途ごとに最適な3Dプリント用材料と3Dプリンタを選択するための基準をまとめました。

3Dプリントで使用する樹脂材料には、様々な化学的、光学的、機械的、熱的特性があり、それらが造形品の機能を左右します。機能要件は一般的に、生産工程が部品の完成に近づくにつれて高まります。

製品の機能要件を決定したら、その機能要件を満たすために必要な材料特性を確認します。そのための指標は通常、材料のデータシートに記載されています。

材料特性に関するさらなる詳細は、最も一般的な機械的・熱的特性に関するガイドをご覧ください。

機能要件と材料要件が固まったら、想定する用途に適した材料を1つまたは少数のグループに絞ることができます。

基本要件を満たす材料が複数ある場合、求める特性を多角的に検討しながら、各材料と3Dプリント方式の長所と短所、トレードオフを比較し、最終的な決定を行います。