FDM フィラメント PLA と ABS を比較すると、どちらを選択すべきでしょうか?

はじめに: ポリマー 3D プリントに関しては、適切な消耗品をどのように選択するかが常に悩みの種でした。これはほぼすべての 3D 印刷技術に当てはまりますが、FDM/FFF 3D 印刷を使用する初心者や愛好家にとっては特に問題となります。彼らにとっては、どのシルク素材が最も適しているかがわからないようです。
この記事では、Antarctic Bear が市場で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 の違いを比較します。機能から印刷要件などに至るまで、PLA と ABS の類似点と相違点を詳しく調べ、ニーズに応じてどちらを使用すればよいかをよりよく理解できるようにしました。

PLA と ABS の特性と性質 もちろん、PLA と ABS の特性について話すときに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（加熱すると柔らかくなり、その後冷却すると硬化するポリマー）と考えられていますが、類似点はそれだけです。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材料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ることによって生成されます。これらの糖は乳酸に変換され、その後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。当然のことながら、これらの材料の組成は、材料の持続可能性に影響を与えます。
△上の写真のように、PLAとABS 3Dで印刷した部品は見た目も性能も異なります（画像出典：Fictiv）。
PLA は実質的に生分解性であるため、より環境に優しい素材としてよく評価されています。しかし、適切な条件下でのみ真に生分解性があり、多くの町や都市にはこの物質を分解するための適切な施設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、実際には産業用堆肥化を通じてのみ実現できるということです。したがって、PLA は再生可能な資源から作られているため、多くの材料よりも確かに「環境に優しい」のですが、廃棄に関しては、よく主張されているほど環境に優しいとは言えないかもしれません。
一方、ABS は持続可能または環境に優しい素材とは見なされていません。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るものの、リサイクルセンターでは広く受け入れられていません。 PLA の生分解性がいかに限られているかに気づいていない人が多いことを考慮すると、プラスチックが適切に処分され、廃棄物が増えないことを確信できるため、初心者にとってはプラスとさえ言えるかもしれません。
材料のルーツ以外にも、ABS と PLA にはそれぞれ異なる独自の特性があります。その中で、印刷の利便性を議論する際の要素にもなるのが、各素材の耐熱性です。つまり、ABS は高温に耐性があり、ガラス転移温度も高いのに対し、PLA はより低い温度で溶けるため、耐熱性があるとは見なされません。もちろん、これは後で紹介する材料の適用に影響します。
一般的に言えば、より優れた機械的特性を持つ丈夫な素材を探している場合は、ABS を選択することをお勧めします。耐熱性があり、熱変形が大きいことに加え、耐衝撃性、耐久性、PLA よりも軽量という特徴もあります。つまり、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)、延性や可塑性が高く、曲げ強度や破断伸びも高いため、工業用途では ABS が好まれることが多いのです。本質的には、これは、より脆い PLA に比べて ABS の方が柔軟性が高いことを意味します。これらの要因により、ABS は最終用途にも有用であり、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。
△ポリ乳酸とABSの特徴しかし、他の面ではPLAが勝っています。 ABS よりも強度と硬度に優れている点が注目に値します。しかし、融点が低いため、摂氏 50 度を超えるとこれらの特性が失われ、熱を伴う用途ではあまり役に立ちません。ただし、ABS は PLA よりも耐熱性が大幅に優れていますが、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。そのため、屋外で使用する部品には別の素材を使用する方が良いでしょう。
印刷の便利さ PLA と ABS の特徴と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、これら 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、印刷の準備も異なります。これは、物質内で熱力学的遷移が発生する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 ℃ ですが、ABS の場合は 105 ～ 200 ℃ です。これにより、材料の融点、つまり材料が液体になり印刷できる状態になるタイミングが決まります。スライサーに設定されたパラメータに応じて、3D プリンターを加熱して目的の温度に達するまでに多少の時間がかかります。
関連して、プリントベッドやプリントヘッドを含む製造プロセスにおける変数を正しく設定することが重要です。 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 は通常 60 ℃ に設定されます。押し出し機に関して言えば、PLA はより低い温度、具体的には 180 ～ 230°C 程度が必要ですが、ABS 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。印刷時に発生する困難は、各材料の温度と特性にも関係します。 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の形状が崩れる可能性があります。実際、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落ち、変形してしまう反りです。この現象を回避するには、ABS で印刷する際の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。これが、ABS で印刷するときに、閉じたキャビティを備えた 3D プリンターを使用することが通常強く推奨される理由の 1 つです。
ABS は反りが発生しやすい傾向があり、これは急激な温度変化による材料の収縮に関連する問題です。
両方の材料の印刷速度はほぼ同じであるため、異なる材料に合わせてスライサーのパラメータを再調整する必要がないという利点があります。 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 の速度は通常 40 ～ 60 mm/s であり、それ以上の速度に到達することは困難です。
製造プロセス中に注意すべきもう 1 つの点は、製造プロセス中に生成される排出物です。ほぼ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いやガスを発生します。材料が加熱されると、人体に有害な粒子を含む物質が放出されます。ポリ乳酸の場合、天然植物由来なので強い臭いは発生せず、心配ありません。しかし、ABS は有毒ガスや不快な臭いを放出することが知られています。実際、これが、ABS を扱うときに、作業エリアに煙が放出されるのを防ぐためのエアフィルターだけでなく、密閉された印刷エンクロージャを使用することを強く推奨するもう 1 つの理由です。それでも、煙が肺に入らないように、常に部屋の換気をすることが推奨されます。これは ABS に含まれるスチレンに関係しており、吸入すると人体に有毒です。
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、印刷も非常に簡単という利点があります。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 は非常に高い収縮率を持っています。これは理にかなっています。一般的に、機械的特性が優れているほど、加工が難しくなります。ただし、印刷性を変えずに PLA を強化するために、PLA に何かを追加することもできます。」
△ PolymakerのPLAフィラメントを使用して3Dプリントしたフィギュア（画像提供：Polymaker）
後処理 PLA と ABS を比較すると、どちらの熱可塑性プラスチックにも同様の後の処理技術を使用できると言えます。ただし、いくつか顕著な違いがあり、その 1 つは印刷後のパーツの仕上がりです。 PLA パーツは取り外した直後は光沢がありますが、ABS パーツは表面がマットになる傾向があります。どちらの素材も、印刷後に塗装や装飾を施すことも可能です。
ただし、一般的に ABS は PLA よりも後処理が簡単です。これにはいくつかの理由があります。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、研磨も困難です。どちらも処理可能ですが、ユーザーは PLA に対してより注意する必要があります。
また、これらの基本的な方法を使用すると、ABS の後処理が簡単になるだけでなく、本当に光沢のある仕上がりにしたい場合は、ABS で作られた部品をアセトン蒸気で滑らかにすることができます。アセトンはプラスチックの溶剤としてよく使われる無色の液体です。 PLA では使用できませんが、 ABS パーツを扱う場合は、アセトンを使用すると後処理が高速化され、光沢のある表面を実現できます。ただし、PLA でも同様の処理が可能です。 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。
△アセトンで平滑化した後、印刷されたパーツは光沢のある仕上がりになります（画像提供：Zortrax）
PLA と ABS の用途 PLA と ABS を比較する際に見受けられるもう 1 つの大きな違いは、各材料の用途です。部品の用途に応じて、いずれかを選択できます。 PLA は FDM 3D プリントで最もよく使用される材料であり、主にメーカー環境で使用されます。これは主に、印刷が容易であることと、部品が壊れやすく、もろく、日光や熱に敏感になるという機械的特性によるものです。このため、初心者や装飾品やおもちゃの作成に広く使用されています。
一方、 ABSはより高度な特性を持つ工業用素材であり、印刷はより難しいものの、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に耐えることができ、高い機械的および熱的耐性が必要な場合に通常実装されます。したがって、積層造形プロセスを開始する前に、意図された用途に応じて部品を作成するために、2 つの材料の違いが評価されます。
△ PLA は、主にメーカーアプリケーション、装飾要素、玩具などに使用されます。一方、ABS は、より高い機械的耐性と熱耐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、メーカーがより大きな役割を果たします。つまり、上記のプリンターで使用できるフィラメントは、関連するメーカーが製造または承認したものだけになります。これは通常、品質管理を確実にするために行われる決定ですが、価格に影響を与える可能性があります。閉鎖系ではありますが、ABS フィラメントと PLA フィラメントは同じ価格ではないにしても、同等の価格になります。
一般的に、PLA および ABS フィラメント 1kg の価格は 120 ドル前後から始まることがわかりましたが、基本的なフィラメント 1 ロールの平均価格は 135 ドル前後です。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。とはいえ、前述のように、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フィラメントにはより多くの色とオプションが用意されている傾向があり、ほとんどの材料メーカーや 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。
△画像出典：ColorFabb
供給量が少ないため、ABS フィラメントが PLA フィラメントよりも高価になることもありますが、原材料の観点から見ると、実際には逆です。 ABS は、レゴ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、フィラメントなどの形状に加工される前の原材料としては、実際には比較的安価です。これは FDM プリンターにはそれほど影響しませんが、この場合 ABS は PLA よりも安価である可能性があるため、ペレットを使用する場合には要因となる可能性があります。
材料の製造元 積層造形市場では、材料開発に取り組む企業の数は実に多い。 FDM 3D プリントは最も広く使用されている技術であるため、初心者から工業企業まで、ほとんどのメーカーが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 よりも人気があり、民主化されているため、利用できる製品が多くあります。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、供給量は PLA よりも少ないです。 PLA 材料のメーカーとしては、Polymaker、ColorFabb、Filamentum、MatterHackers など、フィラメントの開発に特化した企業があります。
実際、ABS タイプのフィラメントを開発している企業は PLA も生産している可能性があります。適切なフィラメントを見つけるには、Polymaker、Hatchbox、Filamentum などの一般的なメーカーや、その他多くの企業に相談することができます。同時に、原材料が主な事業ではないものの、一部の時間を 3D プリント材料の開発にも費やしている Ultimaker、Zortrax、Flashforge などの機器メーカーを選択することもできます。
△PLAとABSの比較（画像提供：3Dnatives）

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