PLA と ABS: 3D プリントの素材をどのように選択するか?

3D プリントポリマーに関しては、どの材料を使用するかを決めるのが難しい場合があります。特に、FDM/FFF 3D プリントを使用する初心者や愛好家にとっては、どのフィラメントが最も適しているかわかりません。 Antarctic Bear は、最も人気があり広く使用されている 2 つのフィラメント、PLA と ABS を比較します。パフォーマンスから印刷要件まで、PLA と ABS の類似点と相違点を詳しく調べると、印刷業者はどの材料を使用するかをよりよく理解できるようになります。

PLAとABSの特性と性能 PLA と ABS の特性について話すとき、最初に考慮すべきことは、それらが何から作られているかということです。どちらも熱可塑性プラスチックですが、異なります。ご存知のとおり、 PLA はトウモロコシやサトウキビなどの有機資源から作られていますが、ABS はほとんどの標準的なプラスチックと同様に石油から作られています。より具体的には、PLA はトウモロコシ、キャッサバ、トウモロコシ、サトウキビ、ビートパルプなどの植物性デンプンを発酵させて作られ、糖が乳酸に変換され、それが重合されてポリ乳酸になります。対照的に、ABS は、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの 3 つのモノマーで構成されています。アクリロニトリルはプロピレンとアンモニアから得られる合成（人工）モノマーであり、ブタジエンは石油炭化水素であり、スチレンはエチルベンゼンを脱水素化（化学反応によって水素を除去する）して作られます。これらの物質は環境の「持続可能性」に影響を与えます。

△上の写真（画像提供：Fictiv）の通り、PLAとABS 3Dで印刷した部品は見た目も性能も異なります。

PLA は生分解性があるため、より環境に優しい素材としてよく宣伝されています。しかし、適切な条件下でのみ真に生分解され、多くの都市ではその物質を適切に分解するための適切なツールがないことに留意することが重要です。つまり、可能ではあるものの、本当に「グリーン」になるのは、工業的な堆肥化を通じてのみ可能であるということです。一方、ABS は持続不可能な、または環境に優しくない素材であると考えられています。前述のように、ほとんどのプラスチックと同様に、これは石油から作られているため、その処理は持続可能ではありません。しかし、ABS はリサイクル可能であるという利点があり、PLA の生分解性が限られていることに気付いていない人が多いため、初心者の中には、PLA が適切に処分され、廃棄物が増えないことをより確実にしたいと考える人もいるかもしれません。

ABS と PLA は、材質の違い以外にも、耐熱性というもう一つの差別化特性を持っています。 ABS はある程度の耐熱性と高いガラス転移温度を備えていますが、PLA ははるかに低い温度で溶けるため、耐熱性がないと考えられています。もちろん、これは材料の適用に影響しますが、これについては後で詳しく説明します。

より優れた機械的特性を持つより強靭な素材をお探しの場合、Antarctic Bear は ABS を推奨します。耐熱性があり、熱変形が大きいことに加え、PLA よりも耐衝撃性、耐久性、軽量性に優れています。どちらの材料も引張強度は同等ですが (ABS の方がわずかに低い)、主に延性および破損に対する耐性が向上し、曲げ強度および破断前の伸びも高いため、ABS の方が一般的に工業用途に適しています。これらのさまざまな特性により、ABS は最終用途にも使用することができ、これが射出成形などの業界で非常に人気がある理由の 1 つです。

△ PLAとABSの特徴

PLA は ABS よりも強度と硬度が高いことに注目すべきです。ただし、融点が低いため、50 ℃を超えるとこれらの特性が失われ、高温の環境では使用できません。ただし、ABS は PLA よりもはるかに耐熱性に優れていますが、どちらも熱可塑性プラスチックであるため、紫外線や高温にさらされると時間の経過とともに劣化します。

簡単に印刷できます PLA と ABS の特性について説明したので、次のステップでは 3D 印刷プロセス自体について説明します。まず、2 つの熱可塑性プラスチックのガラス転移温度が異なるため、印刷の準備が異なります。これは、物質が熱力学的転移を起こす温度範囲を考慮する必要があるためです。 PLA の場合、ガラス転移温度は 60 ～ 100 ℃ の範囲ですが、ABS の場合は 105 ～ 200 ℃ の範囲です。これにより、スライサーに設定されるパラメータと、3D プリンターを加熱して必要な温度に達するまでにかかる時間が決まります。

同時に、印刷プラットフォームやプリントヘッドなど、製造プロセスの変数を正しく設定する必要があります。 ABS では 80 ～ 110 ℃ 程度のより高いプリントベッド温度が必要ですが、PLA では通常 60 ℃ です。 PLA の場合、押出機の温度も低く、具体的には 180 ～ 230°C 程度必要ですが、ABS の場合は 210 ～ 250°C が必要です。

使いやすさの点では、ABS は PLA よりも印刷が複雑であることが知られています。発生する印刷の問題は、各材料の温度と特性にも関連しています。 PLA は ABS よりも融点が低いため、部品の 3D 印刷プロセスが完了すると、層が固まる際の熱変化が少なくなります。ただし、ABS を溶かすにはより高い温度が必要なので、部品を冷却すると急激な変化が生じやすくなります。この熱収縮により部品が変形する可能性があります。最も一般的な問題の 1 つは、部品の端が縮んでパレットから離れ、変形する「反り」です。この現象を回避するには、 ABS で印刷する際に、温度と印刷環境を制御し、必要に応じて接着剤を使用することが重要です。

ABSは反りやすい性質があり、これは急激な温度変化によって材料が収縮することに関連する問題である。

印刷速度はどちらの材料でもほぼ同じなので、異なる材料に合わせてスライサーの速度パラメータを再調整する必要がありません。 PLA は通常 60 mm/s で印刷されますが、さらに高速で印刷するユーザーもいます。一方、ABS は通常 40 ～ 60 mm/s の範囲にあり、それ以上の速度に到達するのは困難です。

製造プロセス中に留意すべきもう 1 つの点は、製造プロセス中に生成される廃棄物の排出です。ほとんどすべての熱可塑性フィラメントは、印刷プロセス中に有害な臭気とガスを発生するためです。物質が加熱されると、健康に有害な粒子を含む物質が放出されます。 PLAの場合は天然植物由来なので強い臭いも出ませんので、心配はいりません。ただし、ABS は有毒ガスと不快な臭いを放出するため、Antarctic Bear では、ABS を使用する際には作業スペースに煙が放出されるのを防ぐために、密閉された印刷エンクロージャとエアフィルターを使用することを強く推奨しています。それでも、煙が肺に届かないように、印刷中は換気を続けることをお勧めします。これは、吸入すると人体に有毒な物質であるスチレンが ABS に含まれていることに関係しています。

Polymaker のマーケティングマネージャー、ルークテイラー氏は次のように説明しています。「 PLA は強度の弱い素材ですが、扱いやすく、印刷も簡単なのが利点です。加熱ベッドや高温は不要で、収縮率も非常に低いのに対し、ABS は収縮率が非常に高いです。一般的に、機械的特性が優れているほど、扱いが難しくなります。ただし、印刷性を変えずに PLA を強化するために、PLA に何かを加えることは可能です。」

△PolymakerのPLAフィラメントを使用したデジタル3Dプリント（写真提供：Polymaker）

後処理 ほとんどの後処理技術は、両方の熱可塑性プラスチックに使用できます。印刷後のパーツの仕上がりなど、目立った違いはいくつかありますが。 PLA 部品は表面がより光沢のある傾向があり、ABS は表面がよりマットな傾向があります。どちらの素材も印刷後に塗装することも可能です。一般的に、ABS は PLA よりも後処理が簡単です。まず、どちらも研磨できますが、ABS の耐久性によりプロセスが簡単になります。 PLA は耐熱性が低く溶けやすいため、研磨がより困難です。

同時に、これらの基本的な方法を使用すると ABS の後処理が容易になるだけでなく、ABS 製の部品をアセトン蒸気で滑らかにすることで、本当に光沢のある仕上がりにすることもできます。アセトンはプラスチックの溶剤としてよく使用される無色の液体です。 PLA では使用できませんが、ABS パーツの場合はアセトンを使用すると後処理が速くなり、光沢のある仕上がりになります。同様のプロセスを PLA でも実行できます。 PLA フィラメントで作られた部品を蒸気で滑らかにしたい場合は、THF またはテトラヒドロフランを使用して手作業で研磨することができます。

△アセトン処理により表面が光沢感のある仕上がりになっています（写真提供：Zortrax）

PLA と ABS の用途 PLA と ABS を比較する場合に見受けられるもう 1 つの大きな違いは、各材料が使用される応用分野です。 PLA は、主にメーカー環境で FDM 3D プリントで最もよく使用される材料です。これは主に、印刷が容易であることと、壊れやすく、太陽光や熱に敏感であることに起因します。このため、初心者ユーザーや装飾部品やおもちゃの作成に広く使用されています。

一方、ABS は高度な特性を持つより工業的な材料であり、印刷はより困難ですが、部品の品質はより優れています。そのため、プロトタイプ、ギア、ツールの開発によく使用されます。つまり、部品が物理的なストレスを受ける可能性があり、高い機械的耐性と熱耐性が求められる場合に実装されることが多いのです。したがって、積層造形プロセスを開始する前に、意図された用途に基づいて部品を製造するために、2 つの材料の違いを評価する必要があります。

△PLAは、メーカーのアプリケーション、装飾要素、玩具などによく使用されます。 ABS は、より高い機械的耐性と耐熱性が求められる用途に使用できます。

価格 価格面では、PLA と ABS の間に機能面での違いはありません。代わりに、価格はメーカーなどの要因によって異なります。クローズドシステムを備えた 3D プリンターに関しては、3D Maker が推奨される選択肢です。つまり、当該プリンターで使用できるフィラメントは、当該メーカーが製造または承認したもののみとなります。この決定は品質管理を確実にする方法として行われることが多いですが、価格に影響する可能性があります。それでも、閉鎖システムでは、ABS フィラメントと PLA フィラメントの価格は、同一ではないにしても、同程度になるでしょう。

一般的に、PLA および ABS フィラメント 1 kg の価格はおよそ 18 ドルから始まり、平均して基本的なフィラメントロールの価格はおよそ 20 ドルであることがわかりました。もちろん、より高品質のフィラメントや、マルチカラーやプロフェッショナルグレードなどの特別な機能が必要な場合は、価格がさらに高くなります。 PLA はおそらく最も人気のある 3D プリントフィラメントであるため、PLA フィラメントの色とオプションはより広範囲になる傾向があり、ほとんどの材料メーカーまたは 3D プリンターメーカーから販売されていることに注意してください。 ABS は、LEGO などのメーカーが使用する最も人気のある工業用プラスチックの 1 つであり、原材料としては実際にはより安価です。

△画像出典：ColorFabb

材料メーカー 積層造形市場では、材料開発に取り組んでいる企業の数は実に多いです。 FDM 3D プリントは初心者と産業企業の両方で最も広く使用されている技術であるため、ほとんどのメーカーは熱可塑性ポリマーフィラメントを開発しています。 PLA は ABS よりも人気があるため、見積価格がはるかに高くなります。現在では何百もの異なるブランド、色、ブレンドがあり、ABS フィラメントにも複数のブランドと色がありますが、PLA よりも量が少ないです。 PLA 素材のメーカーとしては、Polymaker、ColorFabb、Filamentum、MatterHackers など、フィラメント開発を専門とする企業が挙げられます。

△PLAとABSの比較（画像提供：3Dnatives）

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