お客様の特定の付加製造用途に適した材料を使用することで、プリントの特性が大幅に改善されます。
お客様の特定の付加製造用途に適した材料を使用することで、プリントの特性が大幅に改善されます。CEAD Groupは、大規模プリントソリューションの開発と供給を行うだけでなく、適切な材料の使用に関するアドバイスも提供しています。この記事では、3Dプリントに適した材料の選択プロセスについて説明します。利用可能な素材の数は常に増加していますが、用途に最適な素材をどのようにして見極めるのでしょうか？
熱可塑性素材と熱硬化性素材
この記事は、大規模な3Dプリントを対象としています。中型およびデスクトップサイズのプリントには、熱可塑性素材と熱硬化性素材の両方が使用されています。一方、大判の積層造形（LFAM）には、熱可塑性素材が唯一の現実的な選択肢となります。
熱可塑性ポリマーは、何度でも溶かして形を変えることができます。熱硬化性ポリマーとは異なり、このタイプのポリマーは架橋結合しません。熱可塑性ポリマーは、ポリマー鎖の絡み合い、ファン・デル・ワールス力、水素結合によって結合します。この特性により、熱可塑性ポリマーは、リサイクルして再度プリントできるため、持続可能な用途に最適な素材となります。
3Dプリントおよび後処理用のハイブリッドFlexbotによる45度印刷戦略。これにより、プリントベッド上のパーツの位置を変更する必要がなくなり、生産プロセスの自動化が可能になります。
1: プリントに適したポリマーの種類を選択する
適切な材料を選択するプロセスにおける最初のステップは、適切なベースポリマーを選択することです。 常にそうであるように、プリントの用途が適切なポリマーの選択に影響を与えます。 弊社では、3Dプリントを、型と工具、構造部品、非構造部品、研究用に区別しています。
成形用の3Dプリントを例に考えてみましょう。プリントが別の工程用の型として使用される場合、その型がさらされる温度を考慮することが重要です。使用温度で寸法安定性の高いポリマーを選択することが正しいステップです。ABS、PC、PEIなどの材料は、それぞれ使用温度の限界値が異なるため、型の用途で使用されます。
さらに、その他の環境面も考慮する必要があります。水が関わる用途の場合、例えば印刷されたボートを考えてみると、水に触れても劣化しない素材を選択する必要があります。PPやHDPEなどのポリオレフィンは、吸水率が低いことで知られています。また、PETGのように多少の水分を吸収するポリマーでも、想定される動作温度範囲では安定性を維持できます。
最後に考慮すべき点は、ポリマー材料を攻撃する可能性のある化学物質に印刷物がさらされる可能性です。これは、工業用シールや、腐食性の高い油圧流体に接触する可能性のある航空宇宙用途など、特殊なケースです。PPS、PEEK、PEKKなどの芳香族骨格を持つポリマーは、化学物質に対する優れた耐性で知られています
1.1 半結晶性ポリマーと非晶性ポリマー
熱可塑性ポリマーの2つの主な種類は、半結晶性ポリマーと非晶性ポリマーです。 溶融状態から冷却されると、半結晶性ポリマーは、ポリマー鎖が秩序ある方法で配列し、結晶子を形成する領域を形成します。 これらの結晶子は、ランダムに配列した非晶性物質に囲まれています。 加工後に結晶状態にある材料の量は、結晶化度（DoC）と呼ばれます。
一般的に、以下の2つの特性を持つ高分子材料は半結晶性である。まず、その主鎖に一定の繰り返し単位の秩序があること。さらに、その主鎖側鎖が比較的小さいこと。この2つの特性を満たす高分子材料の例としては、PP、PLA、PA6、PPS、PEEKなどがある。
一方、非晶性材料もあります。これらのポリマーは冷却しても結晶化しません。また、半結晶性ポリマーの結晶構造とは対照的に、ポリマー鎖はランダムな配向を維持します。主鎖中のモノマーがランダムに配列している、または側鎖が比較的大きいポリマー材料は、一般的に非晶性です。非晶性の特性を持つ例としては、ABS、PETG、PC、PEIなどがあります。
45度の角度で印刷中のCEADロボット押出機のクローズアップ
半結晶性ポリマーと非晶性ポリマーの加工
非晶性ポリマーと半結晶性ポリマーの加工の違いをより詳しく説明するために、2つの例を挙げる。
大型の積層造形では、半結晶性ポリマーは加工がやや困難です。プリントが冷却されると、材料の結晶化度が変化します。材料の結晶部分は非結晶部分とは異なる密度を持つため、材料に内部応力が生じ、プリントされた構造が変形したり反ったりします。
また、すでに印刷された層の上に、印刷したばかりのポリマービーズ状の素材を適用する場合、新旧のビーズの界面がともに溶融して、ポリマー鎖が十分に移動し、適切な層結合が達成される必要があります。半結晶性素材の結晶子は、非結晶性素材と比較して、溶融させるために多くの余分なエネルギーを必要とします。結合プロセスに必要なこの余分なエネルギーは、新たに印刷されたビーズによってのみ追加されるため、比較的高い温度で印刷する必要があります。
1.2 エラストマー材料
熱可塑性プラスチックのもう一つの種類は、エラストマー材料またはエラストマーです。エラストマーは、伸びて元の形状に戻る性質を持つポリマーの一種です。これは輪ゴムに似ています。
この弾性プラスチックのグループはゴムと呼ばれ、天然または合成物質で、ゴムの弾性を印刷物に統合する能力があります。エラストマーは一般的に柔軟性が高く、剛性は低くなります。CEAD社のエクストルーダーはエラストマー素材の印刷も可能ですが、ほとんどは熱可塑性ポリマーで印刷します。
Addit Audioのサウンドシステムの一部であるホーンを印刷中のエクストルーダーロボットの写真
2: グレードの種類
適切なベースポリマーを選択した後、同じポリマーでもさまざまなグレードが存在することが分かるでしょう。 サプライヤーは、特定の用途やプロセスに最適化された複数の異なるグレードを提供することがよくあります。 ポリマーグレードを選択する際には、少なくとも次の2つの要素を考慮する必要があります。
粘度
溶融温度における材料の粘度は、LFAMを成功させる上で非常に重要です。 粘度が低すぎる（水状）場合、材料は押出ビードの形状を維持できず流れてしまい、構造をプリントすることができません。 粘度が高すぎる（ピーナッツバター状）場合、ビード内のポリマー鎖は前の材料層に適切に結合するだけの十分な可動性が得られません。
結晶化速度
すでに述べたように、半結晶性材料は加工がより困難です。結晶化が速いグレード（サイクル時間が短く、冷却速度が速いプロセス用に設計されたもの）は、冷却時に達成可能な最大値に近い結晶化度を迅速に達成します。
結晶化度が高いと、前の層にある結晶子をすべて溶かし、適切な層結合を実現するために、次の層で多くの余分な熱を加える必要があるため、印刷時には不利となります。 LFAMでは、結晶化の遅いグレードが好まれます。
大型の3Dプリントランプ。 インスピレーション源：ニット照明 - ヨアヒム・フロマン
3: 強化材とバージン材
材料選択プロセスの第3段階では、繊維強化材料と非強化（バージン）材料のどちらかを選択します。材料に繊維を加えると、その材料のプリント適性とプリントされたパーツの性能に影響します。繊維が存在することで、プリントされた材料の寸法安定性が向上します。また、強化材料を使用すると、収縮や反りの影響も軽減されます。ただし、この場合、溶融粘度は若干高くなります。
強化材はバレルやスクリューに摩耗効果をもたらす可能性があることに留意すべきです。そのため、強化材をプリントする際には耐摩耗性のバレルとスクリューを使用する必要があります。CEAD社のエクストルーダーは、強化材および非強化材のプリント用に常に設計されています。
強化繊維には、ガラス繊維、炭素繊維、バイオベース繊維の3種類があります。
ガラス繊維
ガラス繊維は、積層造形用樹脂の補強材としてコストパフォーマンスに優れています。価格と性能のバランスが取れた素材であり、プリント構造の剛性を大幅に向上させます。
また、ガラス繊維のもう一つの特徴は、熱伝導率が低いことです。ガラス繊維の熱伝導率は、炭素繊維よりも低くなっています。そのため、ガラス繊維を使用したプリントは、炭素繊維を使用した同様のプリントと比較すると、冷却にやや時間がかかります。
炭素繊維
機械的特性の最も大きな改善は、材料に炭素繊維を追加することで実現できます。炭素繊維はガラス繊維よりも軽量で、優れた強度と剛性を備えています。
さらに、炭素繊維は熱膨張係数（CTE）が低いため、プリント構造全体の熱膨張を低減することができます。これは、高温で使用される金型などの用途に非常に有利です。
炭素繊維は強化繊維の中で最も高価であり、プリントされたパーツの用途分野によって使用の是非を判断すべきです。
バイオベース繊維
積層造形に使用される繊維の最後の種類は、バイオベース繊維に分類されます。これらの繊維は再生可能な資源から作られ、多くの場合生分解性です。バイオベース繊維は持続可能な目的には最適ですが、ガラス繊維や炭素繊維と比較すると、プリントされたオブジェクトの強度は劣ります。
ほとんどのバイオベース材料と同様に、劣化が起こる前の最大プロセス温度には制限があり、材料は十分に乾燥させる必要があります。
産業用3Dプリンターを使用することで、自動車用オートクレーブ工具の製造時間を数週間から数日に短縮できる
4. 添加物
適切な繊維補強材を選択したら、最終ステップとして材料の添加物を検討します。添加物はポリマー業界全体で一般的に使用されており、特定の目的のためにポリマーグレードに添加されます。一般的に使用される添加物には以下のようなものがあります。
- UV安定剤：この添加剤は、ポリマーが太陽光に晒された際に劣化を遅らせる働きをします。カーボンブラックは優れたUV安定剤として知られています。
- 熱安定剤：この添加剤は、ポリマーが高温に晒された際に劣化を遅らせる働きをします。例えば、ペレット化プロセスや3Dプリントプロセス中に高温に晒された際に劣化を遅らせます。
- 難燃剤：この添加剤は、ポリマーの燃焼性を抑える働きをします。ある程度の難燃性が求められる輸送用途で一般的に使用されています。
- 抗菌添加剤：プリントが水中に浸される用途向け。抗菌添加剤はプリント表面での細菌の増殖を防ぎます。
- 着色添加剤：フィラメントと同様に、熱可塑性ポリマーも希望に応じて着色することができます。材料サプライヤーは、着色顔料を大量に添加した材料バッチとポリマーを混合することで着色を行います。
通常、3Dプリント材料のサプライヤーは、特定の添加剤を配合したグレードをいくつか用意しています。添加剤は3Dプリント材料のコストを押し上げるため、用途に必要な添加剤を慎重に選択してください。
積層造形材料に関するCEADからのアドバイス
CEADは、積層造形に使用される材料に関する幅広い知識を有しており、業界で活躍するほとんどの材料サプライヤーと良好な関係を築いています。Flexbotまたは押出機シリーズを使用したAM用途に最適な材料の選択をサポートいたします。