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3Dプリンティング材料:フィラメントとフィラメント製造

用途

3Dプリンティング材料に関するシリーズの第1回および第2回では、FFFプロセスそのものから特定のユースケースや機械的特性まで、さまざまな材料関連のトピックを見てきました。第3回および最終回では、材料に機械的特性を付与する添加剤やブレンドから、フィラメント製造の概要まで、フィラメントに関するすべてのトピックを取り上げます。

3Dプリンティングフィラメントとは

3Dプリンティング材料シリーズの第1回で説明したとおり、FFF 3Dプリンティングには熱可塑性樹脂が使用されます。熱可塑性樹脂は、加熱すると柔軟で成形可能な状態になり、冷却すると固体になるプラスチックポリマーです。

ポリマー(「ポリ」は「多数」を意味する)は、複数のモノマー(「モノ」は「1つ」を意味する)と呼ばれる分子が結合した物質です。モノマーは「重合」と呼ばれるプロセスにより、長い鎖状に結合できます。連結されたモノマーの鎖により、ポリマーに柔軟性や剛性などの固有の特性が備わります。

monomer
モノマーのイラスト
polymer
ポリマーのイラスト

一方で共重合体は、タイプの異なる複数のモノマーが結合することで形成される物質です。FFF 3Dプリンティングでは、共重合体によって特定の用途やユースケースに必要な、さまざまな機械的特性を付与できます。

copolymer
An illustration of a copolymer

フィラメントの作り方

3Dプリンティングフィラメントを製造するプロセスは、「コンパウンディング」と呼ばれます。まず、原材料のプラスチック樹脂はペレットの形で生産されています。このペレットを添加剤と混合することで、必要な機械的特性が得られます。次に、混合物を乾燥させ、希望する幅(通常1.75または2.85 mm)で押し出し、スプールに巻き付けます。巻き付けたら、その材料は3Dプリンティングで使用できる状態になります。

material production process
The filament production process

添加剤とブレンド  

ご存知のように、プラスチック樹脂に特定の機械的特性を付与するために加えられるのが添加剤です。ガラスや炭素繊維を含むフィラーを添加すると、フィラメントをより強く、より重くできます。顔料を添加すると着色できます。酸化防止剤を使用すれば、耐UV性と耐薬品性を備えたフィラメントを作ることができます。帯電防止剤を添加すると、静電気放電(ESD)を防ぐことができます。添加剤は、耐衝撃性の低減、難燃特性の付与、または柔軟性の向上のためにも使用できます。

一方でブレンドは、2種類以上のポリマーを混合することによって作られ、3Dプリンティングフィラメントの製造に使用されます。フィラメント製造プロセスの開始時に、ポリマーのペレットを混ぜ合わせます。ブレンドは、異なるポリマーの長所を組み合わせて、用途に適したフィラメントを作り出すために使用されます。

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