3Dプリントに使用できるPA12の材料特性、印刷の問題、後処理プロセス

はじめに: ナイロン (ポリアミドまたは PA とも呼ばれます) は、スポーツウェアで繊維を強化するために使用できる柔軟で強力な素材です。耐摩耗性に優れているため、荷物の車輪にも使用できます。また、耐久性、軽量性、耐熱性に優れているため、自動車のインテークマニホールドや電子機器のハウジングにも使用できます。ナイロン PA12 は生体適合性も備えているため、3D プリントされたギプスや装具などの整形外科用製品にも使用されています。では、PA12 とは一体何でしょうか? どの 3D で使用できますか?後処理プロセスとは何ですか?心配しないでください。Antarctic Bear があなたの質問にすべて答えます。

ナイロンは 1 世紀近くにわたって使用されており、3D プリントでは一般的で信頼性の高い素材となっています。付加製造で最も一般的に使用されるプラスチック素材です。ナイロンは融点が低いため加工しやすく、3D プリントにおいて高い機械的特性を備えています。この素材は耐薬品性があり、寸法安定性があり、応力亀裂が発生しにくいです。機能プロトタイプだけでなく、治具や固定具、スペアパーツ、自動車部品、スポーツ用品などの最終用途部品にも広く使用されています。

次に、ナイロンの変種である PA12 (PA11 または PA6 の代わりに) に焦点を当て、それを粉末の形で 3D プリント用に使用する方法について説明します。まずはPA12の魅力的な材料特性を見てみましょう。

PA12ナイロンとは何ですか?

△3D Systems社のPA12素材「DuraForm」を使用したパーツ。

PA12 はポリアミド 12 の略で、ポリアミドまたはナイロンファミリーに属する熱可塑性ポリマーです。これは、12-アミノドデカン酸またはラウロラクタム分子の重合です。重合は、小さな分子（モノマーと呼ばれる）が結合して、より大きく複雑な構造（ポリマーと呼ばれる）を形成する化学プロセスです。

PA12 には 12 個の分子があるという事実は、3D プリントで使用される他の 2 つの一般的なナイロンである PA11 や PA6 よりも必ずしも強力というわけではありませんが、いくつかの異なる特性を与えています。一般的に、PA6 は高い強度と剛性を特徴とし、PA11 は柔軟性と耐薬品性が特徴です。 PA12 の特性は、一般的には強度、靭性、耐薬品性のバランスが取れた中間のどこかに位置し、最も人気のあるナイロンとなっています。

PA12 の特徴:
●強度、靭性、耐衝撃性 ●耐摩耗性 ●耐薬品性 ●熱安定性 ●寸法安定性 ●生体適合性

すべての PA12 が同じように作られているわけではありません。

PA12 は特定の種類のポリマーを指しますが、その配合と特性にはさまざまなバリエーションがあります。さまざまなブランドの PA12 は、さまざまな製造プロセスを通じて製造できます。材料メーカーは、特定の性能要件を満たすためにさまざまな添加剤を追加し、PA12 専用の配合を持つ場合がよくあります。

一部の材料メーカーやサプライヤーは、ナイロンを PA12 (または PA6 や PA11) として識別せず、代わりに独自の名前で呼ぶことを選択しています。たとえば、DuraForm ProX PA と ProX HST はどちらも、3D Systems が選択的レーザー焼結 3D 印刷技術で使用するために開発した PA12 材料です。 ProX PA は食品グレードのナイロンですが、ProX HST は同社が高温用途に推奨する素材です。

PA12 添加剤は通常、UV 耐性や耐熱性、難燃性、印刷性を向上させます。強度、剛性、寸法安定性などの機械的特性を高めるために、炭素繊維やガラス繊維などの強化材を使用した PA12 もあります。

△ Sinteritの粉末とプリンターを使用してPA12部品を印刷

リサイクル PA12 の形で「持続可能な」 PA12 もあります。たとえば、PowderMonkey ブランドの rePA12 は、低電力デスクトップ SLS プリンター用に設計された再生 PA12 と一部の未使用 PA12 のブレンドです。一部の PA12 材料は「再利用性が高い」です。例えば、50% の再利用粉末と 50% のバージン粉末の代わりに、60% 以上の再利用粉末が使用される場合があります。これにより、粉末の使用量と全体的なコストが節約されます。 PA12 はそれぞれ異なるため、PA12 の特定の配合とそれが持つ特定の特性を考慮し、使用前に材料の詳細な技術データシートを確認してください。

一般的な PA12 には次のような一般的な特性があります。

●極限引張強度最小/最大（MPa）：43/50
●最小/最大引張弾性率（MPa）：1550/1850
●最小/最大破断伸び率（％）：15/25
●曲げ弾性率最小/最大：1510/1600
●部品密度（g/cm3）：0.9
●ショア硬度：ショアD

PA12 は通常グレーまたは黒ですが、色を追加するのに最適な白もあります。このマテリアルは、通常は DyeMansion のシェーダを使用して後処理で簡単に色付けできます。または、ユーザーがペイントを適用するだけでもかまいません。

持続可能なリサイクルPA12ナイロン

△SculpteoのMulti Jet Fusion 3DプリンターはHPのPA12素材を採用

他の粉末床融合プロセスと同様に、各 3D プリントでは大量の未使用または余剰の材料が生成されます。幸いなことに、PA12 は特性を大幅に劣化させることなく、何度も溶かして再加工することができます。つまり、残った粉末はすべてホッパーに戻して次の印刷に使用できますが、常に未使用の新しい粉末と混合されるとは限りません。部品の品質に影響が出る前に同じ粉末を何回再利用できるかにも制限があります。

規制産業で使用するため、または認証基準を満たすために PA12 部品を 3D プリントする場合は、100% バージン粉末しか使用できない場合があります。ただし、部品に必要な機械的特性に応じて、最大 100% の再利用が可能ですが、通常は 60% ～ 70% の再利用となります。

PA12部品のリサイクル:

ナイロン PA12 は通常リサイクル可能です。ただし、特定のナイロン PA12 製品のリサイクル可能性は、その配合や添加剤など、いくつかの要因によって異なります。リサイクルプロセスでは通常、使用済みのナイロン PA12 製品を収集し、溶かして新しい製品に作り直す必要がありますが、これは同じ種類とブランドの PA12 をリサイクルする場合にのみ可能です。通常、ユーザーは古いプロトタイプや失敗した印刷物を産業リサイクル施設に送ることができます。

PA12 印刷のトラブルシューティング

△SLSプリンターメーカーのSinteritは、Sinterit Studioソフトウェアで調整できるオープンパラメータを提供しています。

SLS または MJF 3D プリンターには印刷プロセスを調整する設定がありますが、必ずしも完璧であるとは限りません。一部の SLS 3D プリンターは周囲が閉じているため、レーザー出力やベッド温度などの設定を調整できません。セットして忘れるタイプのマシンでも、オープンタイプのマシンでも、印刷の問題は発生します。最も一般的な問題と解決策をいくつか紹介します。

●粗さ: SLS 印刷における問題の 1 つは「オレンジピール」と呼ばれるもので、滑らかで平らな表面が粗く凹凸のあるように見え、多くの場合、層に沿っている表面仕上げ印刷アーティファクトです。これは、印刷する層の端が焼結領域と未焼結領域の間で温度勾配を経験し、収縮する傾向がある場合に発生します。多くのレイヤーでは、凹凸のあるアーティファクトが発生する可能性があります。この種の問題を解決するには、印刷プラットフォーム上で熱管理を行うか、ビルド領域の全容積を使用せずに中央で印刷する必要があります。

● 層間剥離: 一部の層が前の層に完全に焼結されていない場合に層間剥離が発生します。これはレーザーの問題である可能性があり、光学系を交換またはクリーニングすると改善される可能性があります。

●反り：プリントベッドの温度が適切に管理されていない場合、パーツがモデルサイズから外れてしまいます。反りは、ビルドチャンバーが適切に冷却されない場合や、ビルドチャンバーがまだ熱いうちに部品を開梱した場合にも発生する可能性があります。これは、印刷中に加熱が不十分な場合や、部品自体の壁の厚さが一定でなかったり、全体的に細すぎる場合にも発生する可能性があります。

●ピット：内部に粉末が閉じ込められた大きな部品など、特定の部品の形状によって冷却が不均一になると、表面にピット、へこみ、または凹凸が現れることがあります。これは、プリントベッドが過熱していることの症状である可能性もあります。

PA12の後処理と表面処理

△PA12パーツはDyeMansionの機械で染色

PA12 部品を 3D プリントして冷却したら、粉末床から取り外すことができます。この手順は、手作業でも機械でも実行できます。未使用の粉末は、真空吸引され、ふるいにかけられ、必要な割合で新しい粉末と再混合され、機械に戻されるか、保管されます。次に、ブラシ、エアジェット、またはローラーを使用して、部品から余分な粉末を取り除きます。

プリンターのユーザーは、後処理を自動化し、粉末を再混合する機械を購入できます。PA12 粉末は無毒ですが、粉末を取り扱うときは常に安全上の注意を払う必要があります。下図のような密閉された清掃ステーションは、危険を軽減することができます。

△ SLS パーツクリーニングステーションは、パーツを粉末ベッドから取り除いた後、余分な PA12 粉末を安全に除去するために使用されます。左が Sintratec、右が Formlabs の新しい Fuse Blast です。

PA12 はどのような表面仕上げに対応できますか?
PA12 は表面が粗い状態でプリンターから出てくるため、用途に適している可能性があります。そうでない場合は、他のオプションがありますが、その中には追加の機器が必要になるものもあります。

● 研磨と平滑化: PA12 部品の表面を研磨すると、層状の線が除去され、より滑らかな表面が作成されます。研磨は手作業またはツールを使用して行うことができます。

●塗装とコーティング: PA12 部品は、色を追加したり、美観を向上させたり、追加の保護を提供するために塗装またはコーティングすることができます。プライマーやクリアコートを含む幅広い塗料やコーティングが PA12 と互換性があります。

●染色：白またはライトグレーのPA12は通常、部品の色をカスタマイズするために染色されます。ポリアミド素材に適した特殊な染料を使用して染色することができます。

●蒸気スムージング：蒸気スムージングでは、PA12 パーツを蒸発する溶剤にさらすことで、印刷物の外層を溶かし、層状の線を減らし、より滑らかな表面仕上げを実現します。これは大量に実行できます。

△PA12は塗装しやすく、蒸気平滑化（積層造形技術）すると、グレー部分が滑らかな黒色の表面になります。

熱処理: PA12 部品は熱処理することで機械的特性を向上させることができます。これには、制御された時間にわたってコンポーネントを高温にさらすことが含まれる場合があります。

●インサートおよび埋め込み: 糸、磁石、その他のコンポーネントなどの金属インサートを、印刷中または印刷後に 3D プリントされた PA12 パーツに埋め込んだり挿入したりして、機能や組み立て機能を追加できます。

●超音波溶接：複数の PA12 部品またはコンポーネントを接続するには、超音波溶接を使用できます。この方法は、高周波振動を利用して部品間の強力な結合を形成します。

●電気メッキ: 場合によっては、PA12 部品に電気メッキ処理を施して薄い金属コーティングを施し、導電性、外観、耐腐食性を向上させることができます。

●サテン研磨：機械的または化学的な研磨方法を使用して、PA12 部品の表面仕上げを改善し、粗さを減らし、透明度を向上させることができます。

PA12ナイロンパウダーの一般的なブランド<br /> ナイロン 12 の独自の配合は、付加製造業界全体で一般的です。プリンターメーカーの中には、自社のマシン用に材料を微調整しているところもあれば、特定のサプライヤーから PA12 パウダーを「認定」して自社のマシンで使用しているところもあります。たとえば、Formlabs の Fuse 1 はオープンマテリアルプリンターではないため、ユーザーにとっての選択肢は Formlabs Nylon 12 のみとなります。ただし、望ましい結果を得るために必要な実験や予測作業が大幅に少なくなるため、これは良いことかもしれません。

オープンマテリアル 3D プリンターをお持ちの場合は、いろいろと調べて、用途に最適な PA12 を選択できます。公開されているすべての材料データシートを読むことは可能ですが、より簡単な方法としては、Senvol などの材料データポータルの 1 つにアクセスすることです。 PA12 の材料特性が重要でない場合は、プリンターの製造元またはプリンターサービスからサンプル部品を注文し、社内で独自のテストを行うことができます。

SLS 用の PA12 パウダーは、Evonik などの化学会社や Prodways などのプリンターメーカーを含む多数のメーカーから入手可能で、これらのメーカーは既存の材料を自社のプリンターで最適に機能するように調整しています。

Multi Jet Fusion の場合、PA12 材料は HP またはその販売代理店からのみ入手できます。

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