樹脂と粉末: 3D プリントにはどちらの材料を選ぶべきでしょうか?

はじめに: 3D 印刷プロセスに応じてさまざまな材料を使用できますが、材料の種類が多岐にわたるため、ユーザーが選択するのは非常に困難です。プラスチック、セラミック、さらには金属であっても、3D プリント材料の組み合わせは、ユーザーが 3D プリントの分野に参入する際の最初の難関となる可能性があります。そのため、Antarctic Bear では、樹脂と粉末という 2 つのポリマー材料を直接比較します。現在、市場には金属粉末やセラミック樹脂など、さまざまな粉末および樹脂材料が存在しますが、この記事ではポリマーのみに焦点を当てています。

3D プリント用プラスチックには、熱硬化性プラスチックと熱可塑性プラスチックの 2 種類があります。これら 2 つの材料の主な違いは、加熱されたときの挙動です。熱硬化性プラスチックは硬化すると分解し、冷却後も再形成されません。最も一般的に使用されているのは熱可塑性プラスチックです。加熱すると、希望の形状になり、さまざまな溶融および凝固プロセスを経ることができます。再加熱するたびに、その特性がわずかに変化します。

樹脂と粉末

△プラスチックパウダーは自動車産業など多くの分野で利用可能（画像提供：EOS）

これら 2 種類の材料は、積層造形で最もよく使用される材料です。 Linkerのレポートによると、プラスチック粉末の市場規模は2029年までに30億ドルに達すると予想されており、Fortune Business Insightsによると、樹脂の市場規模は2029年までに7,500億ドルを超えると予想されている。各材料は、粉末の場合はレーザー溶融、樹脂の場合は材料噴射または光重合など、異なる 3D 印刷プロセスと互換性があります。以下では、後処理、価格、材料特性、メーカーなどとともに、それぞれについて詳しく説明します。

プラスチック粉末と樹脂の特性と性質<br /> 1. 3Dプリントポリマー樹脂

現在のポリマー市場には、さまざまな樹脂があり、その特性に応じてさまざまな分野でさまざまな用途に使用されています。樹脂を使用した 3D プリントにより、微細な構造を持つ小さな物体の製造が可能になります。市場で一般的に使用されている樹脂には以下のものがあります。

●標準樹脂: 市場で最も安価で広く使用されている樹脂の 1 つで、加工や研磨が容易で、手触りが柔らかいです。しかし、それらは壊れやすく、簡単に壊れてしまうため、主にラピッドプロトタイピングに使用されます。

●フレキシブル樹脂：曲げたり圧縮したりすることができ、柔軟性が非常に高く、ショア硬度を調整できる印刷物によく使用されます。

●水洗い可能な樹脂：名前の通り、イソプロピルアルコールで洗い流す必要がなく、水で洗い流すことができます。臭いが少なく、表面が乾燥しており、粘度が低いのが特徴です。

●工業用樹脂：硬い表面を必要とする部品の製造に適しており、主に2種類に分けられます。
▷耐熱樹脂：最高238℃の温度に耐えることができ、より精密なディテール、高精度、高い熱安定性が求められるプロトタイプの製造に使用されます。
▷ 焼結樹脂：高度なディテールと優れた表面仕上げを実現する樹脂であり、他の樹脂よりも硬化プロセスが高速です。注入後の工程がきれいで残留物が残らないのが最大の特徴です。

●歯科用樹脂：歯科分野には、必要に応じて着色、透明化、柔軟性の向上、硬度の向上が可能な特殊な樹脂があります。これらの樹脂は、歯科用ブリッジ、クラウン、リテーナー、スプリントの製造に使用されるため、滅菌可能でなければなりません。

△歯科業界では樹脂が重要な役割を果たしている（画像提供：Formlabs）

2. 3Dプリントポリマーパウダー 熱可塑性ポリマー粉末市場には多くの種類のプラスチックがありますが、その中で最も一般的なのはナイロンです。

●ナイロン:ポリアミドとも呼ばれ、最も一般的に使用されているのは PA12 と PA11 です。どちらのタイプのナイロンも水をほとんど吸収せず、その耐久性と摩擦性から、例えば自動車産業で使用されています。
▷ナイロン PA12:石油から作られたこの素材は、急激な温度変化に耐えることができ、さまざまな化学物質による腐食に耐性があります。
▷ナイロンPA11：ヒマシ油を配合したバイオベースのポリマーで、耐熱性、弾力性に優れ、PA12よりも環境に優しい素材です。

● PEEK:機械的特性、耐熱性、耐摩耗性、および高い比強度により、産業界で特定の金属を置き換えることができる半結晶性熱可塑性プラスチックです。しかし、特に温度の面で加工が難しい素材です。したがって、この材料は主に自動車、航空宇宙、医療業界で使用されています。

●複合材料:複合材料は、マトリックスポリマーと短繊維または長繊維で構成されています。最も一般的に使用されているのは、カーボンファイバーとグラスファイバーです。カーボンファイバーは、ポリマーとカーボンファイバーを混合して作られ、より軽量で強度と剛性に優れた素材です。グラスファイバーは、ポリマーとガラスファイバーの混合物で、カーボンファイバーと同等の強度を持ちますが、剛性が低く、密度が高くなります。

●ポリプロピレン：この熱可塑性プラスチック（PP）も半結晶性で、耐薬品性、優れた電気絶縁性、軽量という特徴がありますが、熱処理を制御する必要があるため印刷が困難です。

● TPU：熱可塑性ポリウレタンは、加工時に高い耐久性と柔軟性を備えた素材です。高温には耐えられませんが、衝撃、摩耗、加工に対しては高い耐性があります。

プラスチック粉末の利点の 1 つは、リサイクル可能であることです。 SLS および MJF に使用される粉末は熱可塑性プラスチックであるため、焼結プロセス後にふるいにかけ、新しい粉末と混合して余分な材料を再利用し、無駄を省くことができます。

△写真提供：BASF

3Dプリントデジタルワークフロー
1. 樹脂

樹脂 3D プリントでは、最も一般的に使用される方法の 1 つが光重合技術です。これには SLA、DLP、LCD プロセスが含まれ、樹脂を硬化させるために紫外線 (UV) を使用します。これらのプロセスの違いは、使用される光源です。たとえば、SLA ではレーザーを使用して樹脂を点ごとに硬化させますが、DLP ではプロジェクターを使用して、1 回の投影でトレイ全体の樹脂を硬化させます。樹脂と互換性のあるもう 1 つのまったく異なるプロセスは、透明樹脂の使用も含め、複数の樹脂を同時に使用するマテリアルジェッティングです。

ここで、後処理についてお話しする必要があります。印刷後、部品の表面に粘着性の樹脂残留物が残ることが多く、溶剤で洗浄して除去する必要があります。イソプロピルアルコールは最も一般的に使用されている溶剤であり、最も効果的です。プリンターは、設計プロセス中に追加されたサポートも削除する必要がありますが、これはもちろんパーツの形状によって異なります。この手順はペンチを使用して行うのが最適です。最後に、すべての硬化反応が印刷直後に必ずしも完了するわけではないため、樹脂から作られた部品には追加の熱処理が必要です。これは、単純な光重合（太陽光など）から硬化装置の使用まで、さまざまな方法で行うことができます。硬化時間は部位によって異なります。最後に、仕上げの段階では、機械加工などの表面処理によって表面を滑らかにし、部品自体を強化し、見た目に美しい表面を作り出すことができます。

樹脂に関するもう一つの特筆すべき点は、その毒性です。樹脂が皮膚に接触すると、特に太陽の紫外線にさらされると、重度の刺激やアレルギーを引き起こすことがよくあります。また、樹脂を取り扱う際には、蒸気を吸い込まないように注意してください。樹脂は非常に有毒で、使用者にめまいを引き起こす可能性があるため、適切な保護具を着用することが重要です。

△ 樹脂の後処理工程（画像提供：Formlabs）

2. パウダー プラスチック粉末を使用した 3D プリントでは、SLS、MJF、Stratasys の SAF が区別されます。 SLS テクノロジーでは、ビルドプレート上に粉末の薄い層を堆積させた後、レーザーを使用して粉末を選択的に焼結し、選択した領域を固めます。 HP のマルチジェットフュージョンプロセスでは、粉末層を塗布した後、粒子が融合される領域にフラックスを選択的に堆積します。同時に、ディテール剤を塗布することで、部品のエッジ部分の融合が軽減され、きれいで滑らかなエッジが得られます。 SAF（選択吸収核融合）の場合、主な違いは、この技術では、一度堆積されるとエネルギーを吸収する高エネルギー吸収流体を使用する点です。

樹脂を使用する場合とは異なり、ポリマー粉末にはサポートは必要ありません。実際、3D プリントされた部品は、いわゆる「パウダーブロック」内にあるため、印刷プロセス中にサポートされます。後処理工程では、まず粉末ブロックから部品を取り出します。これには、部品に応じて最大 10 時間かかる冷却プロセスが含まれます。次のステップは粉末を取り除くことです。これは手動で行うことも、機械を使って自動的に行うこともできます。粉体を吸い込むと健康被害が生じる可能性があるため、作業者は特別な保護具を着用する必要があります。プラスチック部品には、亜鉛メッキ、塗装、研磨など、他の多くの仕上げ工程も施されます。

プラスチック粉末および樹脂の価格帯<br /> これら 2 つの材料の価格は、それぞれの特性と用途によって大きく異なります。標準的な黒色樹脂の価格は500グラムあたり約25ドルから始まり、1リットルあたり400ドル以上になります。プラスチック粉末の価格帯: たとえば、PA 11 は 1 キログラムあたり 75 ドルから 320 ドルの費用がかかります。プラスチックパウダーを使用して印刷する場合、一定の割合（通常は 50%）まで再利用できます。

市場にはどんなメーカーがありますか?
市場でよく知られている材料メーカーは、原材料の生産を担当する化学会社と、その後それらを使用し、場合によっては化学グループと共同で開発する 3D 企業です。

●樹脂原料に関しては、Loctite Henkel、Covestro Additive Manufacturing、BASF、Arkemaなどが有名な材料メーカーです。BASFとArkemaは3Dプリンターメーカーと提携しており、独自の材料を開発することも多いです。 Zortrax、Formlabs、EnvisionTEC もこれらの分野で優れた仕事をしています。

●プラスチックパウダーの場合、HPおよびEOSと提携しているArkema、BASF、Evonikが有名なサプライヤーです。粉末製造業者の AM Polymers や Fabulous も市場に参入しています。一部の樹脂マシンはまだ閉鎖的であるため、つまりメーカー自身が開発した材料にしか対応していないため、現在ではより多くの独自の樹脂が利用可能です。

樹脂と粉末の応用<br /> 樹脂の場合、一般的には一定の精度要件が求められる用途シナリオとなります。たとえば、エンターテインメントやジュエリーなどの業界向けの小さな部品や、よりカラフルなコンポーネントなどです。樹脂は医療分野、特に歯科分野でも人気があり、特に手術ガイド、クラウン、インプラントの製造に使用されています。

プラスチック粉末の可能な用途としては、衛生分野での使用が考えられます。ナイロンは生体適合性があり、皮膚に直接接触できるため、義肢の製造に最適です。製造業界でも、機能プロトタイプや小規模および中規模のシリーズに使用されるため、このタイプの材料が頻繁に使用されます。たとえば、ギアやヒンジの作成にも使用できます。

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