執筆者 Lynn Xmake | 8月 30, 2024
高強度で軽量な素材が必要だが、適切な材料選びに悩んでいませんか？チタンはその優れた特性から、航空宇宙や医療など多くの日本の産業で活用されております。
この記事では、チタンの特徴を中心に、その用途と加工方法を解説します。
チタンとは？
チタンは、軽量で高強度、耐食性に優れた金属元素です。原子番号22、記号Tiで表されます。チタンは地殻中に第9位の豊富な元素で、主に酸化チタン(TiO2)の形で存在しています。
チタンの基本的な特徴
軽量でありながら高強度
チタンはその優れた特性により、軽量でありながら非常に高い強度を持つ金属です。密度が鉄の約60%と軽い一方で、強度は鋼に匹敵するため、重量が重要な要素となる航空機やスポーツ用品、自動車の部品などで広く利用されています。
この特性により、製品の軽量化を図りながらも、高い耐久性と信頼性を確保できることが大きなメリットです。
耐食性が高い
チタンは優れた耐食性を持つ金属で、酸や塩基、さらには海水にも強いことが特徴です。この耐食性は、チタンの表面に自然に形成される酸化チタンの保護膜によって実現されており、腐食を防ぎます。
これにより、チタンは化学プラントや海洋構造物、医療機器など、過酷な環境での使用に適しており、長期間にわたり高い性能を維持します。
生体適合性が優れている
チタンは生体適合性が非常に優れており、人体に対して安全でアレルギー反応を引き起こしにくい金属です。
この特性により、医療分野では人工関節や歯科インプラント、骨接合用のプレートやスクリューなど、体内に埋め込まれる医療機器に広く利用されています。チタンは人体との相性が良く、腐食や劣化もほとんどないため、長期間にわたる信頼性の高い医療材料として選ばれています。
熱伝導性と電気伝導性の特性
チタンは、他の金属と比べると熱伝導性と電気伝導性が比較的低い特性を持っています。具体的には、熱伝導率がステンレス鋼よりも低く、アルミニウムや銅に比べて電気伝導性も劣ります。
このため、チタンは断熱性や電気絶縁性が求められる用途に適しています。特に、航空宇宙産業や自動車部品、電子機器などで、温度制御や絶縁が必要な状況でその特性が活かされています。
チタンのメリット
長寿命でメンテナンスが少ない
酸化チタンの保護膜が表面に形成されることで、錆びや腐食から金属を守り、過酷な環境下でも劣化しにくくなります。耐食性と耐摩耗性に優れているため、交換や修理の頻度が低くなります。
これにより、長期間にわたって安定した性能を発揮し、ライフサイクルコストを抑えることができます。
環境にやさしい素材
リサイクル可能で、製造過程でも比較的少ないエネルギーで済むため、環境への負荷が低いです。また、耐食性が高く長寿命であるため、頻繁な交換が不要で資源の浪費を抑えることができます。
これにより、エコフレンドリーな製品作りに貢献し、環境保護に寄与します。
生体親和性が高くアレルギーを引き起こしにくい
チタンは生体親和性が高く、人体に対してアレルギーを引き起こしにくい金属です。非反応性のため、体内に埋め込まれる医療機器やインプラントに適しており、免疫系にほとんど影響を与えません。
これにより、医療機器の長期使用においても高い信頼性を提供します。
耐高温性による高温環境での使用
チタンは優れた耐高温性を持ち、極端な高温環境でも性能を維持できる特性があります。高温にさらされても強度が保たれ、変形や劣化が少ないため、航空機のエンジン部品や高温プロセスの装置などに最適です。
この特性により、過酷な条件下でも長期間の信頼性を確保し、高温による性能低下を防ぐことができます。
チタンのデメリット
工具の消耗が激しい
チタンは硬度が高く、耐摩耗性が優れている一方、加工時に工具の消耗が激しくなるデメリットがあります。特に切削や加工においては、工具の摩耗が早く、交換頻度が高くなりがちです。
このため、加工コストや時間が増加する可能性があり、高精度な加工を行うためには適切な工具と条件が必要です。また、チタンの熱伝導率が低いため、工具の発熱も問題となります。
高価格
チタンの生産過程や精製に手間と費用がかかるため、他の金属と比べて価格が高くなることが多いです。
特に大量生産や低コストが求められる用途では、チタンの使用がコスト制約となることがあります。
曲がりにくい
チタンは高強度と硬度により、曲がりにくい特性を持っています。このため、柔軟性が求められる部品や構造物には不向きで、加工時に過度な力が必要になることがあります。
特に、曲げ加工や変形が要求される設計では、チタンの硬さが扱いにくさを引き起こし、製造の難易度が上がる可能性があります。
長期留置による抜去困難
チタンは長期留置される医療機器やインプラントにおいて、その耐久性と生体適合性が高く評価されていますが、一度埋め込まれると抜去が困難なデメリットがあります。
チタンが骨や組織と強く結合するため、除去時に手術が複雑で、患者に対する負担が増加する可能性があります。
日本の産業におけるチタンの用途は？
航空宇宙産業：軽量性と高強度を活かした部品
部品製造: チタン合金は軽量で高強度な特性から、航空機のエンジン部品や機体構造に広く使用されています。特に高温環境に耐えるため、ジェットエンジンのコンポーネントやタービンブレードに適しています。
宇宙探査機: 宇宙探査機やロケットの部品としても利用され、耐高温性と軽量性が要求される場面で重宝されています。
医療分野：インプラント、手術用器具など
インプラント: チタン合金の生体適合性の高さから、人工関節や歯科インプラント、骨接合用プレートなどに使用されています。体内に長期間留置しても安全で、アレルギー反応を引き起こしにくい特性があります。
手術用器具: 高い強度と耐食性を持ち、手術用の器具や医療機器にも利用されています。
自動車産業：エンジン部品や スポーツカー
エンジン部品: チタン合金は高温に耐える特性から、自動車のエンジン部品や排気系統に使用されます。軽量で高強度のため、パフォーマンス向上や燃費改善に寄与します。
スポーツカー: 高性能スポーツカーの部品としても使われ、軽量化と耐久性向上に貢献しています。
建築とインフラ：耐久性と耐食性を活かした建材
建材: チタン合金は耐食性が高く、外壁材や屋根材として利用されることがあります。特に耐久性が求められる建築物や構造物で使用されます。
橋梁: 橋梁の部材としても使用され、長寿命でメンテナンスが少ない特性が活かされます。
海洋産業：船舶部品
船舶部品: 海水に対する耐食性から、船体や海底ケーブル、海洋構造物の部品に使用されます。海洋環境での耐久性を確保するために重要です。
スポーツ用品：ゴルフクラブ、自転車フレーム
自転車フレーム: チタン合金の軽量性と高強度から、自転車のフレームやパーツに使用されています。耐久性が高く、振動吸収性も優れています。
ゴルフクラブ: ゴルフクラブのヘッドやシャフトに使用され、パフォーマンス向上と耐久性の向上が図られています。
チタンの加工方法
切削加工
CNC切削加工は、チタンの高精度な加工に適した方法です。高精度の機械を使用して、チタンのブロックやシートを切削し、複雑な形状や微細な部分まで精密に加工します。チタンの硬度と耐熱性が高いため、切削速度の管理や冷却剤の使用が重要です。また、工具の摩耗を防ぐために、コーティングされた切削工具を使用することが一般的です。
レーザー切断
レーザー切断は、高精度で複雑な形状をチタンから切り出すのに適しています。レーザー光をチタンの表面に集中させて熱を発生させ、その熱でチタンを溶かして切断します。この方法は、チタンの薄板や細かいパーツの加工に非常に有効です。レーザー切断は非接触式のため、機械的なストレスを与えずに加工できるという利点があります。
3Dプリンター（積層造形）
3Dプリンターは、チタン粉末を使用して複雑な形状の部品を一層ずつ積み重ねて作る方法です。特に選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）などの技術が使用され、医療用インプラントや航空宇宙部品などの製造に適しています。この方法は、材料の浪費が少なく、軽量化やカスタマイズが求められる部品の製造に適しています。
金属3Dプリンターについて気になる方は下記の関連記事をご覧ください。
3Dプリンター素材の選び方：特徴、精度、価格で見る最適な材料 | XMAKE
加工時の注意点
熱伝導率が低い
チタンは低い熱伝導性を持ち、加工中に熱が局所的に蓄積しやすいです。過度な熱はチタンの性質を変え、工具の摩耗を早めるだけでなく、材料の酸化や表面の品質低下を引き起こします。
そのため、加工時には冷却液を十分に供給し、熱を効率的に管理することが重要です。また、低速での切削速度と適切な切削深さを設定し、発熱を最小限に抑えることが推奨されます。
変形抵抗が大きい
チタンは高い硬度と弾性率を持ち、外部からの力に対して形状を保つ力が強いです。結果として、切削加工や曲げ加工中に大きな力が必要となり、工具の摩耗が激しくなることがあります。また、加工時に発生する熱が逃げにくく、材料の変質や加工精度の低下を引き起こすことがあるため、特殊な工具や冷却対策が求められます。
適切な工具の選定
チタンは高硬度であるため、加工工具への負荷が大きく、摩耗が早いです。そのため、チタン加工には高品質な工具材料、例えばカーバイドやコーティングされた工具（ダイヤモンドコーティングなど）を使用することが推奨されます。これらの工具は、チタンの硬度に耐え、長期間の使用が可能です。また、工具の刃先の形状や角度も重要で、適切に選定することで工具の寿命を延ばし、精度の高い加工が可能になります。
まとめ
チタンはその優れた強度と軽量性、耐食性から、日本の産業を支える重要な金属素材です。航空宇宙、医療、自動車、化学工業など、さまざまな分野で利用されています。特に、軽量で強度のある特性が、航空機や自動車の部品、医療用インプラントなどの高性能製品の製造に適しています。環境への耐久性も高いため、長寿命で信頼性のある製品作りに貢献しています。
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執筆者 Lynn Xmake | 8月 27, 2024
PLA樹脂（ポリ乳酸）は、環境に優しいバイオプラスチックとして注目されています。本記事では、PLA樹脂の特徴や幅広い用途に加え、加工方法や使用時の注意点についても詳しく解説します。3Dプリンターや包装材などで人気のPLAを、理解しやすくまとめましたので、ぜひ最後までご覧ください。
PLA樹脂（ポリ乳酸）とは？
PLA樹脂は「Polylactic Acid（ポリ乳酸）」の略称で、植物由来の原料を使用して製造されるバイオプラスチックの一種です。
トウモロコシやサトウキビなど、再生可能な植物資源から得られるデンプンを発酵させて乳酸を生成し、その乳酸を重合することで合成されます。
植物由来の生分解性に優れたPLAプラスチックの特徴
バイオマスプラスチック
PLAは、トウモロコシやサトウキビなどの再生可能な植物資源から作られています。これにより、石油ベースのプラスチックと比べて、原材料の供給が持続可能であり、環境への負荷が低減されます。
生分解性
PLAは、適切な条件下で自然に分解される生分解性プラスチックです。工業的なコンポスト施設で高温・高湿度の環境に置かれると、数ヶ月から数年で分解します。これにより、廃棄物の削減と環境への影響の低減が可能です。
カーボンニュートラル
PLAの製造過程では、原料となる植物が成長する際に二酸化炭素を吸収します。これにより、カーボンフットプリントが低く、二酸化炭素排出量の低減に貢献し、環境にやさしいです。
無毒性
PLAは人体に対して無害であり、食品包装や医療用具など、直接的に人体に接触する製品にも使用されています。また、燃焼しても有害なガスを発生しません。
優れた加工性
PLAは、射出成形、押出成形、ブロー成形、3Dプリントなどの一般的なプラスチック加工方法で容易に加工できます。特に3Dプリンターでは、低温でのプリントが可能で、収縮や変形が少ないため人気があります。
透明性
PLAは透明度が高く、美しい光沢を持っています。この特性により、パッケージングやディスプレイ製品など、見た目が重要な用途に適しています。
剛性と脆さ
PLAは比較的高い剛性を持ち、形状保持性が良いですが、他のプラスチック（例えば、ポリエチレンやポリプロピレン）に比べて脆い傾向があります。衝撃に弱く、割れやすい場合があるため、耐衝撃性が重要な用途には適さないことがあります。
耐熱性
耐熱性が比較的低く、約60℃以上で軟化することがあります。そのため、高温環境での使用には制約があることに注意が必要です。
PLA樹脂の用途は？
食品包装
PLAは無毒であり、食品と直接接触しても安全です。そのため、食品包装材として、カップ、容器、フィルム、トレイなどに使用されます。特に、使い捨てのレジ袋や飲料ストローなど、短期間で廃棄されるアイテムに最適です。
生分解性があるといった特徴だから、廃棄後に適切な条件下で自然に分解されやすくて、プラスチックごみによる環境負荷を軽減します。
医療用具
生体適合性が高く、無毒であるため、PLAは医療用具に適しています。縫合糸、固定具、手術用インプラント、ドラッグデリバリーシステムなど、体内に一時的に使用されるアイテムに利用されます。手術後の体内に残る必要のある部品も、PLAの生分解性を活用して時間経過とともに自然に分解される設計が可能です。
生分解性により、再手術の必要がないため、患者の負担を軽減します。また、無毒性と生体適合性が患者の安全性を高めます。
繊維製品
PLAは繊維としても使用され、衣類、カーペット、テキスタイル製品に利用されます。繊維製品は、耐久性が高く、快適性を提供します。カーペットの繊維やフィルター素材としても利用されることがあります。
自然素材であるため、肌に優しく、アレルギー反応を引き起こしにくいです。また、PLA繊維は環境に優しく、廃棄後に生分解します。
農業用フィルム・マルチング材
農業で使用されるフィルムやマルチング材としても、PLAの生分解性が役立ちます。作物を保護し、雑草の成長を抑えるために使用され、収穫後はそのまま土に残しておくことで自然に分解します。
そのメリットは使用後の除去作業が不要で、土壌への負担も少ないため、農作業の効率化と環境保護の両方に寄与します。
家電製品
PLA樹脂は、家電製品の試作や部品に利用されます。軽量で加工が容易、無毒性で環境に優しいため、設計プロトタイプやデザイン要素として最適です。ただし、高温に弱いため、実際の家電製品では耐熱性が求められる部分には不向きです。
PLA樹脂の加工方法は？
射出成形
PLA樹脂の射出成形は、溶融したPLAを金型に高圧で注入し、冷却して成形品を作るプロセスです。この方法は、複雑な形状や高精度が求められる製品の大量生産に適しています。PLAは低温で溶融するため、エネルギー効率が良く、製品の収縮も少ないのが特徴です。主に食品容器、使い捨てのカトラリー、医療用具などに使用され、生分解性を活かした環境に優しい製品の製造に貢献します。
押出成形
PLA樹脂の押出成形は、加熱して溶融したPLAを口金から連続的に押し出して製品を形成する方法です。このプロセスは、フィラメント、シート、チューブ状の製品を効率的に生産するのに適しています。PLAの低温での加工が可能な性質を利用し、エネルギー消費を抑えながら製造できます。押出成形は、3Dプリンター用フィラメントの製造、食品包装フィルム、農業用マルチング材などの製造に広く使用されています。
3Dプリンター
PLA樹脂は、3Dプリンターのフィラメント素材としてよく使われています。特にFDM（熱溶解積層）方式の3Dプリンターで使用されることが多く、低温で溶融しやすく、印刷中の収縮が少ないため、ディテールの再現性が高いです。
PLAは植物由来で無毒性なため、教育現場や家庭での使用にも適しており、簡単に取り扱えることが特徴です。試作品の作成、カスタムパーツの製造、教育用モデルの作成など、幅広い用途に対応し、持続可能な材料としても評価されています。
PLA樹脂を加工する際の注意点は？
加工温度の管理
PLAは比較的低温で溶融するため、加工温度の管理が重要です。通常、射出成形や押出成形の温度は180℃～220℃程度が適切とされます。温度が高すぎると、PLAが過熱して分解したり、変色したりする可能性があります。
冷却条件の調整
PLA樹脂は収縮率が高く、成形品の寸法精度が難しいです。冷却が急すぎると、ひび割れや変形が発生することがあります。そのため、成形後の冷却速度を適切に調整し、均一な冷却を心がけることで、製品の変形を防ぎます。また、冷却系統のメンテナンスも重要です。
湿度管理
PLA樹脂は吸湿性が高く、水分の吸収により物性が低下します。湿度に敏感で、高湿度の環境下で保管すると吸湿しやすく、加工中に気泡や品質低下を引き起こす可能性があります。使用前に原料を乾燥させることが推奨されます。
冷却ファンの設定
3Dプリンター中、冷却ファンの使用が適切でないと、PLAの層間接着が不十分になり、強度や外観に影響を与えることがあります。
特に、細かいディテールや橋梁構造の印刷時には冷却ファンを適切に設定することが重要です。
生分解性材料PHA、PCL、PBSとの違い
ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)
PHA樹脂は、バイオマス由来で生分解性の高いプラスチックです。PLA樹脂と同様に環境に優しく、土壌や海洋で分解されます。PHAはPLAよりも高い耐熱性を持ち、医療用具や包装材に適しています。両者は持続可能な素材として、エコフレンドリーな製品に利用されます。
ポリカプロラクトン(PCL)
PCL樹脂は、生分解性が高く、低温で加工できるプラスチックです。PLA樹脂よりも低い融点で、柔軟性に優れ、医療用具や包装材に使われます。PCLは形状記憶性や生体適合性があり、3Dプリンターにも適しています。
ポリブチレンサクシネート(PBS)
PBS樹脂は、生分解性があり、耐熱性と強度を兼ね備えたプラスチックです。PLA樹脂よりも高い耐熱性を持ち、食品包装や農業用フィルムに適しています。
PLA、PHA、PCL、PBS素材の比較表
| 特徴 |
PLA |
PHA |
PCL |
PBS |
| 原料 |
植物由来 |
微生物発酵 |
石油由来 |
植物由来 |
| 生分解性 |
良好 |
良好 |
良好 |
良好 |
| 透明性 |
良好 |
良好 |
良好 |
良好 |
| 耐熱性 |
中程度 |
中程度 |
低い |
高い |
| 柔軟性 |
中程度 |
中程度 |
高い |
中程度 |
| 成形性 |
良好 |
良好 |
良好 |
良好 |
| 主な用途 |
食品容器、包装、3Dプリンタ |
医療用品、包装 |
包装、コーティング |
包装、繊維、自動車部品 |
まとめ
PLA樹脂（ポリ乳酸）は、生分解性が高く、環境に優しいプラスチックです。食品包装や3Dプリンティング、医療用具に使われます。加工時は温度管理と湿度対策が重要です。また、生分解性材料として、PLAは低温で加工可能で、PHAは耐熱性が高く、PCLは柔軟性に優れ、PBSは強度と耐熱性を兼ね備えています。
XMAKEでは、PLA樹脂の射出成形加工と3Dプリンター加工のサービスを提供しています。射出成形では、高い流動性と寸法安定性により、精密な成形品を実現。3Dプリンターでは、スムーズな積層と高い寸法精度を発揮し、用途に合わせた多様な造形が可能です。気になる方、ぜひXMAKEにご相談ください。
執筆者 Lynn Xmake | 8月 26, 2024
ABS樹脂は、優れた耐衝撃性、耐熱性、加工性を持つ合成樹脂です。自動車部品、家電製品、玩具など、幅広い分野で使用されています。ABS樹脂の特徴と用途、加工方法、その代替プラスチック素材についても詳しく解説します。ABS樹脂の特性を理解し、適切な用途似合わせて加工方法を選ぶのが重要です。本記事では、ABS樹脂の活用に役立つ情報をお届けします。
ABS樹脂とは？
ABS樹脂は、「アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂」（Acrylonitrile Butadiene Styrene）の略称で、熱可塑性プラスチックの一種です。この樹脂は、次の3つのモノマーの共重合したものから構成されています。
アクリロニトリル (Acrylonitrile): 耐薬品性、耐熱性、強度を提供する成分です。
ブタジエン (Butadiene): 柔軟性、耐衝撃性を向上させるためのゴム成分です。
スチレン (Styrene): 加工性を良くし、光沢や硬度を提供する成分です。
ABS樹脂の主な特徴を解説
耐衝撃性が高い
ABS樹脂はブタジエン成分により、非常に優れた耐衝撃性を持っています。そのため、割れにくく、耐久性が求められる製品に最適です。
加工しやすい
熱可塑性樹脂であるため、加熱することで容易に成形や加工が可能です。射出成形や押出成形など、さまざまな加工方法に適しています。
良好な耐熱性
アクリロニトリル成分により、ABS樹脂は耐熱性を持ち、比較的高温環境でも形状を維持することができます。これにより、電子機器の筐体や自動車部品など、高温環境で使用されることが多いです。
高い強度
スチレン成分が硬度と剛性を提供し、製品の形状を安定させます。これにより、精密な部品や細部までこだわったデザインの製品に適しています。
優れた光沢性
表面に高い光沢を持ち、美しい仕上がりが得られるため、外観が重要な製品に適しています。日用品や玩具、家電製品などでよく利用されます。
良好な化学的耐性
多くの酸やアルカリ、油類に対して耐性があり、化学薬品に触れる可能性のある環境でも使用が可能です。ただし、強い溶剤には弱い場合があります。
絶縁性の高さ
電気的絶縁性が高く、電子部品や電気機器の外装材として適しています。これにより、電子機器の内部部品の保護に役立ちます。
その特性を活かしたABS樹脂の用途は？
自動車部品
バンパー: ABS樹脂は高い耐衝撃性を持つため、自動車のバンパーなど衝撃にさらされやすい部品に使用されます。衝突時の衝撃を吸収し、車体の損傷を軽減します。
ダッシュボード: 耐熱性や耐久性に優れているため、車内のダッシュボードやインテリアパーツにも使用されています。これにより、車内温度の変化に耐え、長期間使用しても劣化しにくい特徴があります。
ホイールカバー: 軽量でありながら強度を保つため、ホイールカバーの素材としても採用されています。
電子機器
テレビ、モニターの外装: ABS樹脂の耐衝撃性と美しい光沢が、テレビやコンピュータモニターの筐体に適しています。また、加工性が高いため、デザイン性のある外観を容易に成形できます。
スマートフォンのケース: スマートフォンのケースに使用されることも多く、軽量で衝撃を吸収し、機器を保護します。
電気絶縁部品: 絶縁性に優れているため、電気回路を保護する部品や、配線をカバーするための素材として利用されています。
日用品
家庭用品: キッチン用品、収納ケース、ハンガーなど、日常生活で使用される多くの製品にABS樹脂が使われています。これらの製品は、耐久性と加工のしやすさが求められるため、ABS樹脂の特徴が生かされています。
玩具: レゴブロックなど、精密さと耐久性が必要な玩具にもABS樹脂が使用されています。安全性が高く、様々な色に染色できるため、子供向け製品として広く利用されています。
医療機器
医療用ハウジング: 医療機器のハウジングやケースにも使用されます。ABS樹脂の耐薬品性が医療環境で求められる清潔さを維持するために役立ちます。また、機器の保護と同時に軽量化が可能です。
ABS材料の加工について
射出成形、押出成形、3Dプリンターで加工するのが一般的
射出成形
理由: 射出成形は、ABS樹脂の加工方法の中で最も一般的かつ広く利用されています。主な理由は、効率的に大量生産が可能であり、複雑な形状の部品でも高精度で成形できるためです。自動車部品、電子機器の筐体、家庭用品など、幅広い製品で利用されています。また、ABS樹脂の特性である耐衝撃性、耐熱性、加工性の良さが射出成形に非常に適しています。
押出成形
理由: 押出成形は、長尺の製品を連続的に生産するための方法で、ABS樹脂の優れた特性を利用してパイプ、チューブ、シートなどを作るのに適しています。この方法は、製品の長さに制限がなく、コスト効果が高い点が大きなメリットです。また、建材や包装材料としての需要が高く、ABS樹脂の耐久性と剛性を生かした製品が多く生産されています。
3Dプリンター
理由: 近年、3Dプリント技術の普及により、ABS樹脂はFDM方式の3Dプリンター用フィラメントとしても非常に人気があります。特に、プロトタイプの作成やカスタム部品の製造において、小ロット生産が容易であり、設計の柔軟性を提供することから、設計者やエンジニアに重宝されています。ABSの強度と耐熱性は、3Dプリントされた部品が実用的な応力に耐えるため、試作品だけでなく、機能部品としても使用されることがあります。
熱分解、収縮率、表面の光沢、塗装性、環境への配慮が大切
熱分解への注意
ABS樹脂は200℃以上の高温で熱分解が始まるため、射出成形や押出成形では、適切な温度管理が重要です。
収縮率への対応
ABS樹脂は収縮率が比較的高いため(0.4~0.8%)、金型設計や成形条件の調整が重要です。収縮による変形や寸法精度の低下を防ぐ必要があります。
表面の光沢への配慮
ABS樹脂は光沢のある表面が得られやすいが、過剰な光沢は避けたい場合があります。対策としまして、金型表面の粗さ調整や、添加剤の使用などで表面性状をコントロールします。
塗装性への留意
ABS樹脂は塗装性に優れているが、塗装の密着性を高めるために、プライマーの使用や表面の前処理を行う必要があります。
環境への配慮
ABS樹脂の加工時には有害な化学物質が発生する可能性があるため、換気や排気処理に注意が必要です。
ABS樹脂の代替プラスチック素材
ポリカーボネート(PC)
ポリカーボネートは、ABS樹脂に比べて分子構造が類似しているため、強度、剛性、耐熱性、外観、加工性などの特性が非常に似ています。
ABS樹脂と同様に高い強度と剛性を持ち、高温環境での使用にも適しています。また、光沢のある美しい外観を持ち、射出成形や押出成形などの加工も容易に行えます。
ポリプロピレン(PP)
ポリプロピレンABS樹脂と同様に優れた機械的強度、耐熱性、耐薬品性を持ち、加工性にも優れています。また、PPはABS樹脂に比べて軽量で、コストも低いのが特徴です。一方で、ABS樹脂ほどの剛性はありません。PPはABS樹脂の代替材料として、家電製品やカー用品などの分野で広く使用されています。
ポリスチレン(PS)
ポリスチレンはABS樹脂と同様に成形性に優れ、透明性や光沢性も高いのが特徴です。また、PSのほうはコストが低く、リサイクルしやすいという利点もあります。PSはABS樹脂ほどの耐衝撃性や耐熱性がありません。PSはABS樹脂の代替材料として、食品容器やおもちゃ、家電製品などの分野で広く使用されています。
ABS樹脂、PC、PP、PSの違い
| 特性 |
ABS |
PC |
PP |
PS |
| 強度 |
高い |
高い |
中程度 |
低い |
| 耐衝撃性 |
高い |
高い |
低い |
低い |
| 耐熱性 |
中程度 |
高い |
中程度 |
低い |
| 透明性 |
不透明 |
透明 |
不透明 |
透明 |
| 成形性 |
良好 |
良好 |
良好 |
良好 |
| 化学的耐性 |
中程度 |
高い |
高い |
中程度 |
| 価格 |
中程度 |
高い |
低い |
低い |
| リサイクル性 |
中程度 |
中程度 |
良好 |
良好 |
まとめ
ABS樹脂は高い耐衝撃性と加工性を持ち、自動車部品や家電製品に広く使用されています。主な加工方法には射出成形、押出成形、3Dプリントがあります。代替素材としては、ポリカーボネート（PC）、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)があり、それぞれ耐熱性、耐候性、強度などの特性で異なります。用途に応じて最適な素材を選ぶことで、性能とコストのバランスを取ることができます。
XMAKEでは、ABS樹脂を用いた高品質な射出成形と精密な3Dプリンターサービスを提供。短納期で高精度な部品を実現し、柔軟な対応でニーズに応えます。どうぞお気軽にご相談ください。
執筆者 Lynn Xmake | 8月 24, 2024
- 3Dプリンター用の素材はどのくらいの種類があるの？
- 特定の用途に最適な3Dプリンター素材は何かな？
- それぞれの素材の特徴をどうやって比較すればいいの？
…
本記事では3Dプリンターに関して、上記の悩みを抱えている方によく使われる素材を特徴、用途や造形方式に合わせて説明します。
3Dプリンター素材の種類を紹介
PLA（ポリ乳酸）は、3Dプリンター用の最も一般的なフィラメント素材の一つです。植物由来の材料で作られており、環境に優しい点がメリットです。
PLAは低温でプリンターが可能で、収縮や反りが少ないため、使いやすい素材です。また、色が豊富で、細かなディテールが表現しやすいです。
プロトタイプの製作や装飾品、教育用途のモデル作成などによく使われています。低価格で入手しやすく、初心者にも適した素材です。
ABS樹脂は、3Dプリンター用フィラメントの中で耐久性と耐衝撃性が優れた素材です。
高温でのプリンターが必要で、造形中に収縮や反りが発生しやすいため、加熱式のベッドやエンクロージャーが推奨されます。
ABSは耐熱性も高く、丈夫で長期間の使用に耐えるため、機械部品やエンジニアリングプロトタイプの製作に適しています。また、後加工が容易で、サンディングや塗装が可能です。車両部品、玩具、家電製品のケースなど、耐久性が求められる用途でよく使用されます。
PETGは、3Dプリンター用フィラメントとして人気があり、PLAとABSの長所を兼ね備えています。耐久性が高く、衝撃に強い一方で、PLAと同様に収縮や反りが少なく、造形が比較的容易です。
また、耐化学薬品性や耐水性も持ち、紫外線への耐性も備えているため、屋外での使用にも適しています。PETGは透明性があり、美しい光沢を持つため、ボトル、コンテナ、保護カバーなど、食品や飲料用容器の試作品や、透明パーツの製作に利用されることが多いです。
ナイロンは、3Dプリンター用フィラメントの中で非常に高い強度と耐久性を持つ素材です。優れた耐摩耗性と柔軟性があり、衝撃や荷重に強く、機械部品やエンジニアリング用途に適しています。水分を吸収する特性があり、これにより強度が向上しますが、印刷後の乾燥が必要です。
主な使用例としては、ギア、ベアリング、機械部品、工具のハンドルなどがあります。また、自動車部品や航空機部品のプロトタイプにも利用されます。
アルミニウムは、3Dプリンター用素材として優れた強度と軽量性を持つ金属で、耐食性が高く、機械加工後の仕上げが美しい特徴があります。
高い導電性と熱伝導性を兼ね備えているため、電子機器部品やヒートシンクの製作にも適しています。また、強度と耐久性が求められる用途に最適で、航空宇宙部品、自動車部品、産業機械の部品などの製造に広く利用されています。さらに、デザイン性も高く、独特の光沢と質感が求められる製品、たとえば装飾品や高級消費財の試作品にも用いられることが多いです。
ステンレスは、3Dプリンター用の金属素材として優れた耐食性と強度を持ち、過酷な環境でも長期間の使用に耐えます。高温にも強く、機械的な強度が必要な部品に最適です。表面の仕上げが良好で、鏡面のような光沢を持たせることも可能です。
主な使用例として、医療機器、歯科用インプラント、エンジニアリング部品、自動車部品などがあります。また、食品産業向けの部品やキッチン用品の製造にも適しています。耐久性が求められる製品や、機能性と美観の両方が重要なアイテムに広く利用されています。
チタンは、3Dプリンター用金属素材の中でも特に優れた強度と軽量性を兼ね備えた素材です。高い耐食性と耐熱性があり、酸化や腐食に強いため、過酷な環境でも長寿命です。また、生体適合性が高く、人体に安全なため、医療分野での使用が広がっています。
航空宇宙部品、医療用インプラント、歯科用プロテーゼ、スポーツ用品などに使われています。さらに、チタンの独特の光沢と耐久性から、高級消費財やデザイン性を重視した製品の製作にも利用されています。
レジンは、3Dプリンターで使用される液体素材で、UV光を照射することで硬化し、精密なパーツを製造できます。高い解像度と細部表現が可能で、滑らかな表面仕上げが特徴です。そのため、プロトタイプやデザインモデルの製作に最適です。また、透明や柔軟性のあるタイプなど、さまざまな特性を持つレジンが存在します。
主な使用例として、ジュエリーやアート作品の製作、歯科用モデル、医療器具の試作、フィギュアやミニチュアの製造が挙げられます。精度と美観を求める用途に適した素材です。
| 素材 |
PLA |
ABS |
PETG |
ナイロン |
アルミニウム |
ステンレス |
チタン |
光硬化樹脂(レジン) |
| 強度 |
中 |
高 |
高 |
高 |
非常に高 |
非常に高 |
非常に高 |
中 |
| 耐熱性 |
低 |
高 |
高 |
高 |
非常に高 |
非常に高 |
非常に高 |
中 |
| 柔軟性 |
低 |
中 |
高 |
高 |
低 |
低 |
低 |
中 |
| 寸法安定性 |
高 |
中 |
高 |
中 |
非常に高 |
非常に高 |
非常に高 |
高 |
| 造形精度 |
高 |
中 |
高 |
中 |
非常に高 |
非常に高 |
非常に高 |
非常に高 |
| コスト |
低 |
中 |
中 |
高 |
高 |
高 |
非常に高 |
高 |
| 用途 |
日用品、玩具 |
工業製品 |
工業製品 |
工業製品 |
金属部品 |
金属部品 |
医療、航空 |
プロトタイプ、ジュエリー |
3Dプリンター材料の選び方を解説
プロトタイプ制作向けの造形品はコストや造形性、機能性、外観などが重要
プロトタイプ制作では、製品の機能や外観を確認することが重要です。
PLA、ABS、PETGといったプラスチック系の素材は、熱可塑性樹脂として、成形性が良く、比較的低コストで入手できるため、プロトタイプ制作に広く使用されています。一方、光硬化樹脂（レジン）は、高精細な造形が可能で、外観の確認に適しています。
このように、プロトタイプ制作では、製品の用途や目的に合わせて、様々な素材の特性を活かしながら、効果的な検証が行われています。
工業部品向けの造形品は強度、耐久性、熱・化学的耐性などが重要
アルミニウム、ステンレス、チタンなどの金属粉末は、金属3Dプリンターで使用され、金属部品の製造に活用されます。ABSやナイロンは高強度樹脂として、機械部品などの強度が求められる用途に適しています。
これらの材料は、工業部品の製造において強度や耐久性が必要な場合に適しています。
デザインモデル向けの造形物は見た目の美しさや質感が重要
デザインモデル向けの3Dプリンター材料として、PLAは扱いやすく、色が豊富で細部表現が得意です。光硬化樹脂（レジン）は高解像度で滑らかな仕上がりが特徴です。両者とも美しいデザインに適しています。
画像出典：https://www.stratasys.com/en/
FDM方式（熱溶解積層方式）
FDM方式向けの3Dプリンター素材には、PLA、ABS、PETGが一般的です。PLAは低温で印刷でき、扱いやすく、初心者向け。ABSは耐久性と耐熱性が高く、機械部品に適しています。PETGは強度と耐衝撃性に優れ、収縮が少なく、機能部品やプロトタイプに向いています。各材料は用途に応じて選ばれます。
SLA方式（光造形方式）
SLA方式向けの3Dプリンター素材は、主に光硬化樹脂（レジン）です。UV光で硬化する液体樹脂で、高解像度の精密なパーツを作成できます。種類には、標準レジン（滑らかな仕上げ）、耐熱レジン（高温対応）、柔軟性レジン（弾力性あり）などがあり、デザインモデルや精密部品、プロトタイプに最適です。
DLP方式（デジタル光造形）
SLA方式と同様に光硬化樹脂（レジン）が主な素材です。DLPプロジェクターでUV光を照射して硬化する液体樹脂で、高精度な部品が作れます。
SLS 方式（粉末焼結積層造形）
SLS方式向けの3Dプリンター素材には、主にナイロン粉末やポリプロピレン（PP）粉末が使用されます。これらはレーザーで焼結して固化し、強度と耐久性が高い部品が製造できます。ナイロンは耐衝撃性と柔軟性に優れ、ポリプロピレンは耐化学薬品性が強いです。どちらも高機能なエンジニアリング部品やプロトタイプに適しています。
DMLS方式（直接金属レーザー焼結法）
DMLS方式向けの3Dプリンター素材には、主に金属粉末が使用されます。チタン合金、ステンレススチール、アルミニウムなどがあり、高強度と耐熱性が特徴です。レーザーで金属粉末を焼結し、高精度な部品を製造できます。航空宇宙、医療、エンジニアリングなどの高性能部品やカスタムパーツに適しています。
まとめ：特徴、精度、価格に合わせて最適な3Dプリンター素材を選びましょう！
PLAは扱いやすく低価格で、デザインモデルに最適。ABSは耐久性が高く、機械部品に適しています。PETGは強度と耐衝撃性が優れ、機能部品に向いています。ナイロンは高強度で柔軟性があり、エンジニアリング用途に最適。金属材料（アルミニウム、ステンレス、チタン）は、高強度と耐熱性を持ち、性能部品に使用されます。光硬化樹脂（レジン）は精密なディテールが得られ、デザインモデルに最適です。各素材の特性とコストを比較し、用途に応じた最適な材料を選びましょう。
執筆者 Lynn Xmake | 8月 21, 2024
PETGフィラメントは、3Dプリンター用素材として広く利用されているプラスチックです。強度と柔軟性を兼ね備え、耐熱性や耐薬品性に優れているため、多様な用途に対応できます。
本記事では、PETGフィラメントの特徴やメリット、具体的な活用方法について詳しく解説します。初心者から上級者まで、3Dプリントに興味がある方必見の内容です。
PETGフィラメントの基本情報
PETGとは何か？
PETGは、3Dプリンターで使用される熱可塑性樹脂の一種です。PETGは「ポリエチレンテレフタレート・グリコール」（Polyethylene Terephthalate Glycol）の略で、PET（ポリエチレンテレフタレート）にグリコールを加えて改良された素材です。
PETGフィラメントはどうやって作られるのか？
PETGフィラメントは、PETにグリコールを加え、柔軟で耐衝撃性を持つように改質して製造されます。
まず、PETを合成し、グリコールを加えて化学的に改質します。これをペレット状にし、押出機で溶かして細長いフィラメント形状に成形します。
画像出典：https://anisoprint.com/
PETGフィラメントの特性
PETGフィラメントは、3Dプリンターで使用される熱可塑性樹脂の中で、耐久性と印刷しやすさを兼ね備えた素材として人気があります。以下に、PETGフィラメントのメリットとデメリットを解説します。
メリット
高い耐衝撃性
PETGは衝撃に強く、耐久性が高いため、壊れにくい部品を作るのに適しています。この特性は、機械的負荷がかかる部品や長期使用を前提とした製品に非常に有利です。
優れた化学耐性
多くの化学薬品、酸、アルカリに対して優れた耐性を持っています。これにより、化学薬品に触れる環境や腐食性の高い環境でも使用でき、食品や医療関連の用途に向いています。
透明性
PETGは透明性が高く、光の透過性に優れています。これにより、見た目を重視するプロジェクトや照明カバー、ディスプレイケースなどの透明な部品に最適です。
印刷のしやすさ
PETGは反りが少なく、プリント中のトラブルが少ないため、初心者でも扱いやすい素材です。ABSに比べて低温での印刷が可能で、特別な装置を必要とせずに高品質な結果が得られます。
柔軟性
適度な柔軟性があり、応力がかかっても割れにくいのが特徴です。曲げやねじれが必要な部品の製作にも適しています。
低吸湿性
PETGは湿気を吸収しにくく、保管や使用中に品質が劣化しにくいです。これにより、長期間にわたって安定したパフォーマンスを発揮します。
環境に優しい
PETGはリサイクルが可能で、環境に優しい素材です。再利用可能なPETを基にしているため、エコフレンドリーな選択肢としても評価されています。
デメリット
耐熱性の制限
PETGは最大80℃程度の温度にしか耐えられません。これにより、より高温にさらされる環境や機械部品には向かない場合があります。ABSやナイロンなどの他の素材の方が、極端な温度条件には適しています。
印刷時の糸引き
PETGは印刷中に糸引き（stringing）やオーズ（oozing）が発生しやすい素材です。これにより、仕上がりに細かな糸状の樹脂が残ることがあり、手間をかけて仕上げる必要があります。
表面仕上げの光沢
PETGは光沢のある仕上がりになるため、マットな質感や特定の表面仕上げを求めるプロジェクトには不向きです。光沢を抑えるためには、後処理が必要です。
接着性の問題
一部の塗料や接着剤との相性が悪く、塗装や接着が難しいことがあります。これにより、後加工が必要な場合、素材の選定に注意が必要です。
剛性が低い
他のプラスチック素材に比べて剛性がやや低く、非常に高い剛性が求められる部品には向きません。特に高荷重がかかる構造部品には、より硬度の高い素材が必要です。
PETGフィラメントの用途
プロトタイピング
製品デザイン: PETGの透明性や表面の美しさから、消費者向け製品のプロトタイプ作成に適しています。見た目を重視したデザイン検討段階で使用されることが多いです。
機能プロトタイプ: PETGの耐衝撃性や耐久性を生かして、実際の使用環境に近い条件での試作部品の作成に使用されます。
機能部品
耐衝撃が必要な部品: PETGの高い耐衝撃性と柔軟性により、振動や衝撃に耐える必要のある部品に使用されます。例として、保護カバー、バンパー、フレームなどがあります。
高耐久性が求められる部品: 長期的に使用される部品や繰り返し使用に耐える部品に適しています。耐薬品性も高いため、産業用部品や機械部品にも使用されます。
医療および食品関連用途
医療機器のプロトタイプ: PETGの化学的安定性と透明性により、医療機器のプロトタイプや試験装置の製作に使用されます。無菌性が求められる用途でも使用されています。
食品容器: PETGは食品に安全とされる材料で、食品関連の容器やディスペンサーに使用されます。また、化学的耐性から、洗浄しやすく長期間使用可能です。
ディスプレイおよび照明カバー
透明な部品: PETGの高い透明性と光の透過性により、ディスプレイケース、ショーケース、照明カバーなどの透明な部品に最適です。展示用モデルや店舗ディスプレイなどにも使用されています。
看板・サイン: 屋外用の看板やサインにも使用されます。耐候性があり、長期間にわたり美しい見た目を保てるためです。
家庭用品
カスタム部品やツール: PETGは家庭用3Dプリントでの使用が容易なため、カスタムツール、ホルダー、家具パーツなど、家庭内での実用部品の製作に利用されています。耐久性が求められるパーツに適しています。
自動車および航空宇宙産業
試作および一部実用部品: 耐衝撃性と耐薬品性が求められる自動車や航空機の一部パーツに使用されます。特に軽量で耐久性のあるパーツを迅速に製作する際に有用です。
電子機器のケースやカバー
電子デバイスの保護: PETGの耐衝撃性と透明性により、電子機器の保護ケースやカバーに最適です。カスタムケースや小型の保護部品を迅速に製作する際に利用されます。
PETG製品のメンテナンス
PETG製品のメンテナンスを適切に行うことで、その耐久性や美観を長期間維持することができます。以下に、PETG製品のメンテナンス方法を詳しく説明します。
清掃
定期的な清掃: PETG製品の表面には、ほこりや汚れがたまりやすいです。柔らかい布やスポンジを使って、温かい石鹸水で拭き取ることで、表面の汚れを取り除けます。強力な洗剤やアルコール、アセトンなどの溶剤は使用しないでください。これらはPETGの表面を劣化させる可能性があります。
繊細な表面の保護: PETGは傷がつきやすい素材です。清掃時には、研磨性のあるスポンジや硬いブラシは避け、柔らかい素材を使用してください。また、清掃後は水分を完全に拭き取り、乾燥させることが大切です。
温度管理
適切な温度環境で使用: PETG製品は耐熱性があるものの、長時間高温にさらされると変形する可能性があります。特に、80℃を超える温度環境では形状が崩れる恐れがあるため、直射日光やヒーターの近くに置かないよう注意してください。
化学薬品への対応
化学薬品からの保護: PETGは多くの化学薬品に対して耐性がありますが、特定の強力な溶剤やアルカリ性の化学薬品には弱いことがあります。PETG製品が化学薬品にさらされる可能性がある場合は、事前にその薬品がPETGに適しているかを確認してください。
機械的ストレスの管理
負荷を避ける: PETG製品は高い耐衝撃性を持ちますが、過度な負荷や応力がかかると、ひび割れや変形が生じることがあります。特に、長期間にわたる機械的ストレスには注意し、負荷を分散させる工夫をしましょう。
保管時の配慮: 重い物を上に載せない、適切な支えを用意するなどして、形状を維持できるように工夫することが重要です。
表面仕上げの維持
光沢の維持: PETG製品の光沢を維持するためには、摩擦や強い衝撃を避けることが必要です。また、時間が経つにつれて光沢が失われる場合があります。その場合は、軽い研磨剤を使用して表面を磨くことで、光沢を回復させることができますが、慎重に行う必要があります。
修理とメンテナンス
小さなひび割れや傷の修理: 小さなひび割れや表面の傷は、3Dペンや接着剤を使用して修理することが可能です。修理する際には、同じPETGフィラメントや、相性の良い接着剤を使用することが推奨されます。
割れた部分の補修: 大きな破損が生じた場合は、破損部分を清掃し、適切な接着剤で接合します。接着後は、しっかりと固定し、乾燥させることが大切です。
定期的な点検
状態の確認: 定期的にPETG製品の状態を確認し、早期に問題を発見することが重要です。特に、負荷がかかる部分や頻繁に使用する部位は、変形や劣化がないかをチェックします。
まとめ
PETGフィラメントは、3Dプリンターでよく使用される素材です。高い耐衝撃性、優れた透明性、化学的耐性を兼ね備え、プロトタイピングから実用部品まで幅広い用途に対応します。扱いやすさも特長で、初心者にも最適です。
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執筆者 Lynn Xmake | 7月 24, 2024
金属3Dプリンターは、複雑な部品を高精度で製造する革新的技術です。しかし、造形の強度に関する懸念もあります。従来の切削加工や鋳造と比較して、形状の自由度が高く、設計変更が容易です。この文章では、金属3Dプリンターと従来の製造法の違いを詳しく解説し、それぞれの利点と適用範囲について説明します。
金属3Dプリンターとは？
金属3Dプリンターは、デジタル設計データを直接利用して金属部品を製造する積層造形技術です。CADデータを基に、層ごとに金属材料を積み重ねて製品を作成します。主な造形方式には、粉末床溶融結合（SLM、EBM）、指向性エネルギー堆積（DED）、バインダージェットがあります。これにより、複雑な構造の部品を高精度かつ効率的に製造することが可能で、航空宇宙、自動車、医療などの分野で広く活用されています。
金属3Dプリンターの造形方式
1.粉末床溶融結合（PBF ）
金属粉末を薄く敷き、レーザー（SLM）や電子ビーム（EBM）を照射することで溶融させ、層ごとに固化させる方式です。代表的な手法に、選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）があります。
2.指向性エネルギー堆積（DED）
金属粉末やワイヤーを供給し、レーザーや電子ビーム、プラズマアークで溶融させながら堆積する方式です。特に、大型部品の修復や追加加工に適しています。
3.バインダージェット
粉末床にバインダー（接着剤）を噴射して層を固め、その後に焼結（サイニタリング）して最終的な強度を得る方式です。高い生産性が特徴です。
| 造形方式 |
メリット |
デメリット |
主な用途 |
| SLM、EBM |
・高精度、高強度
・複雑な形状の製造が可能 |
・装置が高価
・製造速度が比較的遅い |
・航空宇宙部品
・自動車部品
・医療機器 |
| DED |
・大型部品の修復が可能
・柔軟な材料選択が可能 |
・表面仕上げが粗いことがある
・複雑な形状の製造には向かない |
・修復作業
・大型部品
・プロトタイピング |
| バインダージェット |
・高い生産性
・多様な材料に対応可能 |
・焼結工程が必要
・強度が他の方式に比べて劣る場合がある |
・ジュエリー
・鋳造用型
・試作部品 |
金属成形品の強度
金属3Dプリンター部品の強度はどうですか？
金属3Dプリンターの強度は近年大きく向上していますが、従来の製造方法と比較して一部の面で懸念が残ることがあります。例えば、選択的レーザー溶融（SLM）によって作られた部品は、密度が99.9%以上に達し、引張強度も従来の鍛造品と同等以上になることが多いです。しかし、内部に微小な気泡や不均一な構造が発生する可能性があり、これが部品の疲労強度に影響を与えることがあります。
航空宇宙産業では、GEのジェットエンジン用燃料ノズルが金属3Dプリンターで製造され、従来の製造方法に比べて5倍の耐久性と25%の軽量化を達成しました。このノズルは、20個の部品を1つに統合することで、溶接点を減らし、信頼性を向上させました。
一方で、自動車産業などで使用される高負荷部品では、依然として鍛造や鋳造などの従来の製造法が選ばれることがあります。これらの方法は、金属内部の均質性と強度が高く、極端な条件下でも安定した性能を発揮します。
金属成形品の強度をどうやって上がるのか？
ハニカム構造や格子構造を内部に設けることで、同等の重量でも高い剛性を実現できるのです。
例えば、ステンレス鋼の3Dプリント部品の引張強度は800 MPa以上に達することがあり、同等の鋳造品よりも20%以上高い強度を発揮します。また、チタン合金の3Dプリント部品では、積層方向の引張強度が800 MPa程度なのに対し、積層面内の強度は1,000 MPa以上に達することがあります。
適切な熱処理や表面処理などの後処理を行うことで、強度をさらに高めることができます。ステンレス鋼の3Dプリント部品では、熱処理を行うことで引張強度が1,200 MPaを超えることがあります。
このように、金属3Dプリンターは従来の加工方法を大きく上回る高い強度を実現できる技術であり、様々な産業分野での活用が期待されています。
金属3Dプリンターはどんな金属が加工できるのか？
3Dプリンターで造形できる金属：
| 材質 |
特徴 |
主な用途 |
| ステンレス鋼 |
・耐食性
・耐久性 |
・医療機器
・食品加工機器 |
| チタン合金 |
・軽量
・高強度 |
・航空宇宙
・医療分野 |
| アルミニウム合金 |
・軽量
・熱伝導性 |
・ヒートシンク
・自動車部品 |
| 銅合金 |
・電気
・熱伝導性 |
・電子機器部品 |
| 金合金 |
・耐食性
・装飾性 |
・宝飾品
・電子機器の接点材料 |
| コバルトクロム合金 |
・高強度
・耐摩耗性 |
・人工関節などの医療機器 |
| ニッケル合金 |
・耐熱性
・耐食性 |
・ガスタービンの部品 |
金属3Dプリンターの特徴
金属3Dプリンターは、設計データから直接製品を製造できるため、短期間での少量生産が可能です。
従来の製造方法と比べて、金型の作成や治具の準備などの工程が不要なため、製造リードタイムを大幅に短縮できます。
金属3Dプリンターは、CADデータに基づいて製造するため、従来の製造方法では困難だった複雑な形状の製品を容易に作ることができます。
内部構造の最適化や、組み立てが不要な一体成形など、新しい設計が可能になります。
金属3Dプリンターは、デジタルデータを直接製造に活用するため、製品のカスタマイズが容易です。
個別のニーズに合わせた製品を短期間で提供できるため、顧客満足度の向上につながります。
金属3Dプリンターは、必要な量の材料のみを使用して製造するため、従来の製造方法と比べて材料の無駄が少なくなります。
材料コストの削減や、環境負荷の低減につながります。
金属3Dプリンターは、切削加工などの従来の製造方法と比べて、騒音や粉塵の発生が少ないため、製造現場の環境負荷が低くなります。
工場の環境改善や、作業者の安全性の向上にも寄与します。
これらの特徴から、金属3Dプリンターは少量生産や複雑形状の製造、カスタマイズ性の高い製品づくりに適していると言えます。
従来の加工法との比較
| 項目 |
金属3Dプリンター |
従来の加工法（切削加工、鋳造など） |
| 強度 |
・強度の高い部品が作れる
・内部に微小な気泡が生じることがあり、疲労強度に影響する場合がある |
・鍛造や鋳造は一貫した内部構造と高い強度を持つ
・極端な条件下でも優れた性能を発揮できる |
| 精度 |
・高い精度で複雑な形状を製造可能 |
・高精度の製品を製造可能
・形状の複雑さにより加工の難易度が上がることがある |
| 内部構造 |
・層ごとに積層するため、異方性（方向依存性）が発生することがある |
・均一で一貫した内部構造を持ち、方向に依存しない強度を実現 |
| 製造時間 |
・複雑な形状の部品でも短期間で製造可能 |
・設計から製造までのプロセスが長い
・特に複雑な形状の場合に時間がかかる |
| コスト |
・初期投資が高い
・複雑な部品や少量生産ではコスト効率が良い |
・大量生産ではコスト効率が高い
・初期設計と金型製作に高いコストがかかる |
| 材料対応 |
・主に金属粉末やワイヤーが使用される
・材料の選択肢は増えているが特定の高性能材料に制限がある |
・広範な金属材料が利用可能
・安価な材料も多く、選択肢が豊富 |
| 形状対応 |
・複雑なジオメトリや内部構造を一度に造形でき、高いデザイン自由度を持つ |
・複雑な形状の製造には、複数の工程や組み立てが必要で、デザインに制約が生じることがある |
| 生産の柔軟性 |
・短納期でのプロトタイピングや少量生産に適しており、オンデマンド製造が可能 |
・大量生産に向いているが、型や治具が必要で、少量生産には不向き |
| 無駄 |
・必要な部分だけを造形するため、材料の無駄が少ない |
・切削加工などでは材料の削りかすが多く、廃棄物が発生しやすい |
| 表面仕上げ |
・造形後に追加の表面処理や仕上げ作業が必要な場合があり、積層跡が目立つことがある |
・高品質な表面仕上げが可能で、通常は後処理が少なくて済む |
| 後処理 |
・焼結、熱処理、機械加工などの後処理が必要になることがある |
・鋳造や鍛造では後処理が比較的少なくて済む場合が多い |
まとめ
金属3Dプリンターは、複雑な部品を高精度で製造できる革新的な技術ですが、強度に関する懸念もあります。従来の切削加工や鋳造と比べて、形状の自由度が高く、設計変更が容易ですが、内部構造の均一性や耐久性に差が見られることがあります。これらの違いを理解し、用途に応じた最適な製造方法を選ぶことが重要です。
今回ご紹介した「金属3Dプリンター」は、 XMAKEでお見積もり可能です。気になる方、是非チェックしてください！
参考文献
・貴大塚. (2023, December 29). 【2024】金属3Dプリンターとは？選び方や価格相場 – BIM/CIM研. BIM/CIM研 – BIM/CIMの使い方や最新トピックスを分かりやすく発信（BIM/CIM Lab）. https://bimcim-kenkyujo.com/3dprinter/kinzoku-3dprinter/
・葉冬森,楊釩,張大川,沈培良,呉磊,王倩倩, Dongsen, Y., Peiliang, S., Dachuang, Z., Fan, Y., Lei, W., & Qianqian, W. (2022, January 7). 3Dプリンターは従来の加工技術との違い. https://myfj.ijournals.cn/myfjsjyyj/article/html/20210422?st=article_issue
・金属3Dプリンタが生み出すアルミニウムの新機能 ～汎用元素の組み合わせで優れた高温強度を実現～. (n.d.). 名古屋大学研究成果情報. https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2023/04/3d-1.html
