3Dプリントに適したエンジニアリングプラスチックの改質に関する研究

出典：プラスチック産業における省エネ推進

3D プリント技術は、近年開発された革新的な処理技術であり、デジタルモデルを物理的なオブジェクトに変換することができ、幅広い応用の見通しがあります。現在、3Dプリント技術で使用される材料は主にポリマー材料であり、加工が容易であるにもかかわらず、製品の機械的特性が悪く、強度と剛性の要求が高い分野（自動車、医療機器、家電製品など）には適していません。

そのため、3Dプリント技術に適した材料の開発と材料の機械的特性の向上が、3Dプリント技術の発展における重要な課題となっています。この問題を解決するために、さまざまな充填剤や繊維を添加した改良エンジニアリングプラスチックが誕生しました。これにより、ポリマー材料の機械的特性を効果的に改善し、3Dプリント技術で印刷された製品の応用範囲を拡大することができます。

画像提供: 3D Systems
1. 3Dプリント技術<br /> 現在、エンジニアリングプラスチックに適した 3D プリント技術は、熱溶解積層法 (FDM)、立体造形法 (SLA)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、積層造形法 (LOM) の 4 種類に分けられ、その中で FDM が最も広く使用されています。

1. FDM技術の紹介
FDM 成形プロセスは、主に押し出しプロセスと堆積プロセスの 2 つの部分に分かれています。つまり、熱可塑性ポリマーがノズルの加熱と圧力によって押し出され、ノズルが設定された軌道に沿って移動して 2 次元の層を層ごとに蓄積します。 FDM 技術は、低コスト、操作の容易さ、適用可能な材料の範囲の広さ、材料利用率の高さなどの利点により、幅広い注目を集めています。関連する研究には、医療、航空宇宙、教育など多くの分野が含まれます。
FDMテクノロジー
2. FDM 技術の発展 3D プリント技術の発展と普及に伴い、FDM 技術はより多くの分野に応用されるようになります。 FDM 技術は、航空機の複雑な構造や形状に適応し、航空機の性能と安全性を向上させるだけでなく、製造期間を短縮し、コストを削減することもできます。しかし、航空宇宙分野で求められる高い基準を満たすには、国内の FDM 技術と設備で印刷精度、安定性、信頼性をさらに向上させる必要があります。

海外と比較すると、国内のFDM技術は依然として比較的低いレベルにあります。製品の性能と品質を向上させ、より多くの産業ニーズを満たすために、国産のFDM技術は、設備の印刷精度を向上させるだけでなく、材料の品質も向上させる必要があります。データによると、海外の印刷設備の価格は国産設備の約4倍であり、印刷材料の価格は国産設備の10倍以上です。現在、海外との差を縮めるため、国内の多くの機関や企業もFDM技術の独自の研究開発や技術導入に力を入れています。

2. エンジニアリングプラスチック改質技術<br /> エンジニアリングプラスチックは優れた性能を備えていますが、エンジニアリングプラスチックの材料特性と 3D プリントの加工技術には、主に以下の点において大きな違いがあります。
（１）材料の流動性が悪いと、印刷工程で不安定性や不連続性が生じ、製品の表面品質や寸法精度に影響を及ぼします。

（２）材料の熱劣化温度は低く、印刷温度が高いと材料の機械的性質や耐久性に影響を及ぼします。

（３）材料強度が低いと製品の耐荷重性や耐衝撃性が制限され、製品の安全性や信頼性に影響を及ぼします。

（４）材料の冷却が不均一になると、製品の内部応力や変形が生じ、製品の幾何学的安定性や寸法精度に影響を及ぼします。同時に、エンジニアリングプラスチックの性能要件は、通常のプラスチックよりも高い場合がよくあります。したがって、3D プリントにおけるエンジニアリングプラスチックに存在する問題に対処するには、エンジニアリングプラスチックを 3D プリントのプロセス条件に適応させ、製品の性能要件を満たすように変更する必要があります。

一般的に使用されているエンジニアリングプラスチック改質技術には主に 4 つあります。

（１）潤滑剤、無機充填剤、粉体表面コーティング剤等の添加によりエンジニアリングプラスチックの流動性や加工性を向上させる流動性改質。

（２）ガラス繊維、金属繊維、木質繊維などの強化材を添加することで、エンジニアリングプラスチックの剛性と強度を向上させることができ、エンジニアリングプラスチックは３Ｄプリントの高温高圧条件に適応することができる。（３）適切な核剤の使用、熱容量の異なる金属の配合などにより、エンジニアリングプラスチックの凝固速度を速め、残留応力を低減する急速凝固改質。

（4）エンジニアリングプラスチックの機能改質により、電気伝導性、熱伝導性、自己修復性、生体適合性などの特殊機能を付与し、3Dプリント製造分野での応用範囲と可能性を広げる。

要約すると、エンジニアリングプラスチック改質技術は、エンジニアリングプラスチックの性能を向上させ、より幅広い用途を拡大し、3D プリントの選択肢と革新をさらに広げ、さらに多くの分野での 3D プリントの応用可能性をさらに拡大することができます。

3. 3Dプリント用に一般的に使用されるエンジニアリングプラスチックの改良
1. ABSの改造
ABS は、高強度、優れた靭性、加工と成形が容易という利点を持つ、一般的に使用されている熱可塑性ポリマー材料です。ABS の性能をさらに向上させるには、多くの場合、改良が必要です。

画像出典：ChimeiのChen Junyu氏らは、FDM技術を使用して、ABS材料を使用したガスタービンブレードモデルを印刷しました。このモデルを使用すると、8時間以内にガスタービン用の金属ブレードを製造でき、面倒で時間がかかり、コストが高い従来の製造方法の問題を解決します。この成果は、FDM 技術における改良エンジニアリングプラスチックの応用によるものです。

ガラス繊維は、ABS の強度、硬度、耐久性を向上させるためによく使用される強化材です。 3Dプリント自動車部品の用途では、ガラス繊維強化ABS複合材料は優れた性能を備えており、プリントされたアクセサリはより堅牢で耐久性に優れています。

有機モンモリロナイト（OMMT）は、材料の機械的特性と耐熱性を大幅に向上させることができる効果的なABS改質剤です。製造されたABS / OMMTナノ複合材料は、引張弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率、貯蔵弾性率が高く、線熱膨張係数と熱重量損失が大幅に減少します。

窒化ホウ素 (BN) は、高い熱伝導率を持つセラミック材料です。ABS を改質して、方向性熱伝導性を持つ ABS/BN 複合材料を形成するためにも使用できます。この方向性熱伝導性により、電子機器や熱管理機器でより幅広く使用できるようになり、3D プリント製造分野における ABS の応用範囲が拡大します。

画像出典: Bohuas Nano
ABS プラスチックは、変形耐性と耐腐食性に優れているだけでなく、耐熱性も高くなっています。しかし、高温印刷プロセス中は流動性が低下し、印刷されたアクセサリの品質が低下します。タルクパウダーとマイカパウダーは流動性の高い材料です。ABS の改質添加剤として使用すると、溶融粘度と熱応力を効果的に低減し、レオロジー特性を改善できるため、印刷プロセス中の流動性と印刷されたアクセサリの品質が向上します。同時に、タルク粉と雲母粉は ABS の剛性と耐熱性をさらに高め、高温環境での安定性を向上させます。

画像出典: United Micro Powder スチレン-イソプレン-スチレンブロック共重合体も、ABS の粘度を下げ、流動性と加工性能を向上させることができる改質剤です。同時に、ABS の靭性と耐熱性を高め、高温環境での安定性を向上させ、印刷プロセスにおける欠陥を効果的に削減し、印刷されたアクセサリの品質と美観を向上させることもできます。

Zhou MinganらはABS/ナノTiO2複合材料を作製した。この複合材料は、3D プリント後、ABS の主な性能パラメータの安定性を維持するだけでなく、ABS の機械的特性も向上し、より優れた強度と靭性を示します。

上記の変更により、ABS の応用の可能性が広がり、複数の分野での 3D プリントの材料オプションも向上します。

2.PAの変更<br /> ポリアミド（PA）は、高強度、優れた柔軟性、高い熱変形温度、小さな収縮などの利点により、日常生活で広く使用されている高性能エンジニアリングプラスチックです。 PA は ABS と比較して靭性が優れ、衝撃強度も高いため、3D プリントへの応用がますます注目されています。

Fang Liangらは、溶媒沈殿法を用いて、3Dプリントに適したPA6/PA12複合粉末を調製した。試験結果によると、PA12を添加すると、PA6の焼結温度が効果的に低下し、焼結温度範囲が広がり、3Dプリントが容易になることが示された。

同時に、改質により PA の機械的特性も向上し、その応用範囲がさらに広がります。 Zhang Zhengyiらは、固相せん断粉砕法を用いてPA12/MWCNTs複合粉末材料を調製し、引張強度とノッチ付き衝撃強度が大幅に向上した。

3.PEEK改質<br /> 特殊プラスチックPEEKは高性能ポリマー材料であり、耐高温性、耐摩耗性、寸法安定性、電気絶縁性、生体適合性などの優れた物理的および化学的特性により、3Dプリント技術、特に航空宇宙、自動車、医療などのハイエンド分野で大きな潜在力と研究価値を持っています。
PEEK材料は、複雑な構造部品や機能部品の製造に使用できます。3Dプリント技術の継続的な進歩と革新により、3Dプリント分野におけるPEEK材料の応用も多様化と広範な発展の傾向を示しています。欧州宇宙機関は、小型衛星の部品を 3D プリントするために PEEK 素材を使用しました。

PEEK は物理的、化学的特性に優れていますが、融点と粘度が高いため、従来の 3D プリンターで印刷することは困難です。これを踏まえ、戴静氏は、正の温度係数と熱放射ランプを追加することでエンジニアリングプラスチックの溶融プロセスを加速し、印刷パラメータを最適化する新しい3D印刷方法を提案した。結果は、新しい方法で PEEK 材料を印刷できることを示しており、供給速度が製品の充填速度に大きな影響を与えることがわかりました。この研究は、3D 印刷技術における特殊エンジニアリングプラスチックの使用に関する実現可能なソリューションを提供し、3D 印刷分野におけるエンジニアリングプラスチックの幅広い応用を促進するのに役立ちます。

結論
3Dプリントエンジニアリングプラスチック改質技術の研究開発は大きな意義があり、材料の機械的特性、耐熱性、耐腐食性、導電性を向上させることで、3Dプリント技術のさまざまな分野への応用を広げ、3Dプリント製品の機能と品質を向上させることができます。しかし、3Dプリントエンジニアリングプラスチック改質技術には、不安定な改質効果、不明瞭な改質メカニズム、高い改質コストなど、依然としていくつかの問題と課題があり、さらなる研究と探求が必要です。

参考文献：陳漢、李明謙、「3Dプリントに適したエンジニアリングプラスチックの改質に関する研究の進捗」、ゴムおよびプラスチック技術と設備、2023.10

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