軟質部品の3Dプリントガイド：プロセス、材料、用途の比較

FDM方式は、硬質プラスチックフィラメントのスプールを溶かし、ノズルから押し出して一層ずつ造形していく3Dプリント方式で、エントリーレベルの低価格帯とわかりやすい仕組みにより、最もよく知られている方式と言えるでしょう。FDMで利用可能な材料には様々な種類があり、その中には軟質フィラメントも数種類含まれます。

軟質フィラメントを使用したFDM 3Dプリントの利点は、単純な柔軟部品や試作品を容易かつ安価に製作できることです。FDMによる3Dプリント製の柔軟部品は、良好な弾性、耐衝撃性、振動・衝撃吸収性、および伸び率を備えます。こういった特性は、ダンパー、アクチュエーター、エンドオブアームツール、ソフトケーシング、伸縮性エンクロージャなどの初期段階の試作品に最適です。

しかし、軟質フィラメントは押出時の溶融した状態でも一部伸縮性が備わっているため、FDMで軟質材料を3Dプリントする際には造形品質が問題になることが多々あります。オーバーハングやブリッジのような設計形状は、糸引き、不均一な表面品質、押出機の詰まり、機械的性能の低下といった問題につながることがよくあります。FDM 3Dプリント品はZ軸方向での化学的等方性がないため、伸長時に層間剥離が起こる可能性があります。曲げ伸ばしや勢いよく戻るような用途が想定される場合、層間剥離は部品の破損を引き起こします。

さらに、押出機が急な動きをしたりプログラムされた経路から意図せず外れた場合は、軟質フィラメントの固着に影響が出る可能性があります。軟質フィラメントは硬質フィラメントよりも固着不足に陥りやすく、ユーザーはプリンタが完全に安定していることを確認し、軟質フィラメントが押し出されて固着するまで十分な時間が与えられるよう、ノズルと押出機の移動スピードを非常に遅くすること、などを認識しておく必要があります。

FDM 3Dプリンタのほとんどは、何らかの軟質フィラメントに対応しています。軟質材料に適したFDMプリンタの選定方法として、押出機を約220℃まで加熱できること、そして加熱ベッド、直接駆動型押出機（糸引きの発生を最小限に抑えるため）、押出スピードの制御機能（軟質フィラメントの押出速度を変更するため）、冷却ファンが備わっていること、を確認すると良いでしょう。

3Dプリント用の軟質フィラメントは、熱によって変化しエラストマー特性を示すことから、全て熱可塑性エラストマー（TPE）に分類できますが、「TPE」と言う名前が特定のフィラメントだけを指す場合もあります。3Dプリント用軟質フィラメントの中で最も一般的な5種類は以下の通りです。

TPU（熱可塑性ポリウレタン）：TPUは最も一般的な軟質フィラメントの一種です。高強度で、衝撃や通常使用による摩耗に耐えることができ、カラーバリエーションも豊富です。ゴムのように見える製品の多くは、実際にはTPUで作られています。TPUは他の熱可塑性エラストマーより若干硬いため糸引きや垂れの可能性が少なく、最もプリントしやすい軟質フィラメントです。軟質TPUフィラメントを使用したFDM 3Dプリントは、初期段階の試作には役立ちますが、造形品の異方性により機能試作品や実製品用部品としては性能が劣る可能性があります。

TPC（熱可塑性コポリエステル）：TPCはポリエステル系の軟質フィラメントで、良好な熱安定性と耐薬品性を備えていますが、他のTPEよりは柔軟性に劣ります。TPC部品の一般的な例としては、バンパー、フレキシブルエアダクト、そして圧縮や衝撃からの保護を目的とした柔らかいケーシング、カバー、エンクロージャなどがあります。TPCでプリントする際は、プリンタにセットする前に材料を室温に戻すこと、直接駆動型押出機を使用すること、そして押出機が最低230℃に達したことを確認すること、が重要です。

TPA（熱可塑性ポリアミド）：TPAは、TPEと軟質ナイロンの化学共重合体で、滑らかで非常に柔軟です。よく知られている2つの軟質材料を組み合わせることで、滑らかで柔らかく、柔軟なフィラメントになります。TPAは繰り返しの衝撃や圧力に耐えることができ、高い耐久性があります。繰り返しねじったり、曲げたり、伸ばしたりする必要がある部品は、TPAでプリントが可能です。これらの特性により、TPAは機能試作品、ウェアラブル製品、エンジニアリング部品に最適です。ほとんどのTPAフィラメントのショア硬度は80A前後で、これは一般的にゴムとして認識されているものに近い値です。

TPE（熱可塑性エラストマー）：前述の通り、「TPE」は熱可塑性エラストマープラスチック全体を指すことも、特定の材料のみを指すこともあります。TPEフィラメントは非常に弾力性があり柔らかく、より硬質なTPUよりもプリントが難しい材料です。TPE軟質フィラメントは垂れやすく、またオーバーヒートによりノズル形状を保持できなくなる傾向があるため、押出機の温度を容易かつ精密に制御できる3Dプリンタを使用し、非常にゆっくりとプリントする必要があります。TPE軟質フィラメントは、リストバンドのようなウェアラブル製品やデバイスの周りに伸ばして装着するスマホケースのような消費者向け製品の3Dプリントに適しています。 

軟質PLA：軟質PLAは、化学処理された有機繊維で作られた軟質フィラメントです。硬い形状を容易に保持できますが、圧力を受けると元の形状に戻ります。この剛性のため、タイヤの試作品や、ほとんどの時間その形状を維持する必要がある丈夫なゴム状部品のようなアイテムによく使用されます。軟質PLAは最もプリントしやすい軟質フィラメントの一つですが、押出機が詰まりやすく、プリント速度を落とす必要があります。 

SLA光造形プリンタなどに代表されるレジンを材料とする3Dプリンタは、レーザーなどの光源を使用して液体プラスチックの槽を一層ずつ硬化させる方式で、柔軟性を備えた幅広い3Dプリント用材料が利用可能です。

光造形プリンタのメーカーはほとんどが材料を自社製造しているため、FDM 3Dプリントの軟質フィラメントのように識別や分類が容易ではありません。しかし、特性やプリント時の考慮事項が似ているため、多くの業界で幅広い用途に使用できます。

SLS（粉末焼結積層造形）方式は、レーザーで粉末粒子を一層ずつ焼結させる粉末床溶融結合方式3Dプリントプロセスです。造形中は未焼結のパウダーが造形品を支えるため、複雑で入り組んだ形状の造形品であってもサポート材は必要ありません。FDM方式3Dプリントと同様に、SLS 3Dプリントメーカーは、ナイロン、TPUといったエンジニアリング業界で一般的なパウダー材料が利用可能です。

アディティブマニュファクチャリングの利点の一つは、特定の用途に合わせて材料を選択できることです。利用できるフィラメント、レジン、パウダーには非常に多くの種類があります。従来の方法で製造されたゴム、シリコン、または熱可塑性エラストマーのように機能する3Dプリント製の柔軟部品の製作には、複数の技術、メーカー、材料の選択肢があります。

FormlabsのSLA光造形製品は、信頼性の高いハードウェアと特定用途や産業用途向けに開発された専門的で先進的な材料との組み合わせにより、軟質材料を使った3Dプリントを容易かつ直感的なものにします。Form 3/B/+およびForm 3L/3BLシリーズでは、ヘルスケア器具や医療器具の製造で新たな用途を可能にする生体適合性材料など、幅広い軟質材料が利用可能です。また、後処理についても自動化された後処理装置でクリーンかつシンプルな工程が実現できるため、軟質材料を使った簡単かつクリーンな光造形が可能です。