3Dプリンターは、3Dデータに基づいた多種多様な造形を可能とする装置です。また、3Dプリンターによる造形品は、使用する素材によって様々な性質を付加することができます。
今回は、3Dプリンターの造形法による素材について解説します。
BMF Japan株式会社では、従来の切削加工や金型では難しい複雑で微細な試作を実現できる産業用3DプリンターmicroArchシリーズを取り扱っています。精度や予算など、重視したいポイントに合わせた製品のご提案も可能です。
また、医療機器、マイクロ流体、マイクロメカニクス、MEMS、科学研究など、様々な分野で、世界中のお客様のニーズに合わせた素材も豊富です。ぜひお気軽にご相談ください。
3Dプリンターの素材とは？種類と特徴
3Dプリンターは、3Dデータを基に特定の素材を硬化させて形作る造形方法です。３Dプリンターの素材は、いわゆる印刷機にとっての「インク」にあたり、素材の性質が完成品に強く影響します。
本項では、3Dプリンターの素材の種類とその特徴を解説します。
熱可塑性樹脂
3Dプリンターの素材として使用可能な熱可塑性樹脂には、多くの種類があります。ここでは代表的なものを紹介します。
ABS樹脂
ABS樹脂は、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンからなる有機化合物です。この樹脂は、いわゆるプラスチックの一種で、硬さや引張力などの機械的な特性や耐衝撃性に優れています。また、液体時の流動性の高さや塗装のしやすさも利点として挙げられます。
しかしながら、屋外で使用すると変色や劣化などを起こしやすい点や、石油由来であるケースが多い点から環境に配慮が必要な素材と言えるでしょう。
ABSライク樹脂
ABS樹脂に光硬化の特性を加えた樹脂です。
PP（ポリプロピレン）樹脂
加熱・加圧すると変形しやすくなり、冷えると硬くなる「熱可塑性樹脂」です。
冷却時に大きく収縮するため一般的に熱溶解方式には向きませんが、熱溶解方式にも使用可能なPP樹脂も開発されています。主に粉末焼結方式に使われます。
PPライク樹脂
ポリプロピレンに光硬化の特性を加えた樹脂です。
PLA樹脂
PLA樹脂は、トウモロコシやサトウキビなどから作られるポリ乳酸を原料としたプラスチックです。その特性は、ABS樹脂と同じく機械的な特性に優れており、環境への影響が少ない樹脂として注目されています。
しかしながら、ABS樹脂と比べて耐熱性および耐久性で劣るため、表面への塗装や研磨などの後加工に適さない点が弱点と言えるでしょう。
ラバー樹脂
ゴムと光硬化の特性を併せ持つ樹脂です。
ナイロン樹脂
機械的特性、耐熱性、耐薬品性などの特性を持ち、自動車や電子部品などの用途で使用可能です。
粉末焼結方式の3Dプリンターで利用されることが多い素材ですが、他の方式では機種によるため注意が必要です。
特別な機能を有する樹脂
3Dプリンターの素材は、以下のように特定の機能に特化した樹脂の開発も進んでいます。
光硬化樹脂
光硬化性樹脂は、光の照射によって連鎖的に起こる化学反応（光重合）の性質を持った素材です。耐熱性や高靭性を持った光硬化性樹脂など、様々な素材が開発されています。
先に紹介したABSライク樹脂やPPライク樹脂も、光硬化樹脂のひとつです。
耐熱性樹脂
耐熱性樹脂とは、熱に強い合成樹脂の総称で、耐熱プラスチックが代表例です。耐熱性樹脂は、以下のように使用される素材によって溶け始める温度（融点）が異なります。
| 融点 | 耐熱温度 | |
| ABS樹脂（耐熱性） | 100℃～125℃ | 70℃～100℃ |
| ナイロン６ | 225℃ | 80℃～140℃ |
耐熱性樹脂（特に熱可塑性樹脂）は、温度により素材の強度や形状を変化させる性質があるため、選定には融点だけではなく熱変形温度を考慮する必要があります。
高靭性樹脂
靭性とは、素材が降伏点を越えて破壊に至るまでの粘り強さのことです。
高靭性樹脂とは引張力に対して破損しにくい性質を持つため、曲げ強度が求められる部品（基盤ボックスや電源装置のカバーなど）に適した素材です。
生体適合性樹脂
生体適合性樹脂は、生体組織や器官との親和性の高い性質を持つ樹脂です。そのため、生体適合性樹脂の材料は、ISO10993による以下の項目で安全性を評価しています。
| 細胞毒性 | 細胞に与える影響を評価 |
| 感作性 | アレルギー反応のリスクを評価 |
| 刺激性または皮内反応 | 皮膚への刺激や炎症のリスクを評価 |
| 急性および亜急性全身毒性 | 全身に与える影響を評価 |
| 遺伝毒性 | 遺伝的リスクを評価 |
| 発熱性 | 材料由来での人体の発熱性を評価 |
| 埋植 | 生体組織に埋め込んだ時の影響を評価 |
| 血液適合性 | 血液との相互反応を評価 |
たとえばBMF Japan 株式会社では、ISO10993の認証を受けた生体適合性樹脂を提供しており、3Dプリンターによる微細加工を医療技術に展開し、医療分野の発展に貢献しています。
造形例：BMFの生体適合性樹脂を素材として3Dプリンタ―で製作した、公差：±25μmの心臓血管ステント
Part of the Week: Cardiovascular Stent
可溶性犠牲樹脂
代表的な3Dプリンターの素材以外にも、さまざまなユニークな素材の開発が進んでいます。
近年開発されたユニークな素材のひとつに、BMF Japan 株式会社の「可溶性犠牲樹脂」があります。
可用性犠牲樹脂の特徴は、硬化後に熱アルカリを用いて溶解できる点です。たとえば可溶性犠牲樹脂を使って、3Dプリンターでマイクロスケールの微細かつ複雑な形状のモールドを簡単に作製すれば、素材の制限なく射出成形による造形が可能になります。
詳しくは以下の動画を参考にしてください。
可溶性犠牲樹脂については、以下の記事も参考にしてください。
液体樹脂（レジン）
レジンは光造形3Dプリンターの素材として使用されます。
エポキシレジン
エポキシ樹脂と硬化剤の2剤の化学反応により硬化します。強度が高く、透明でなめらかな仕上がりが特徴です。
一方、エポキシレジンに含まれる有機溶剤は中毒を起こす可能性もあるため、取り扱いに注意が必要です。また、値段が高いこともデメリットでしょう。
UVレジン
UVレジンはガラスのように透明できれいな仕上がりが特徴ですが、傷がつきやすく、耐衝撃性は低いことに注意が必要です。紫外線によってすみやかに硬化します。
UVレジンの中にも多くの種類があります。それぞれに強度や弾性などさまざまな特徴があり、用途に合わせて適切なレジンを選定することで、目的に合った造形物を出力することができます。
レジンについては以下の記事で詳しく解説しています。
その他の素材｜セラミック、金属、石膏
セラミック
セラミックとは、シリコンなどの非金属からなる材料と金属材料を組み合わせた無機化合物を指します。セラミックは様々な元素の組み合わせが可能で、代表例として以下の素材があります。
| 陶器 | ケイ素（非金属）とアルミニウムや鉄（金属）を基とした焼結体 |
| セメント | ケイ素（非金属）とカルシウム（金属）の化合物 |
セラミックは素材の組み合わせにより、耐熱性や耐食性を持たせたり、絶縁性を付加したりすることも可能です。
金属
金属3Dプリンターの素材として使用されます。機種により使える金属が異なるため、注意が必要です。
鉄や銅、ステンレスやアルミニウムなど、すでにさまざまな金属が素材として使用されています。たとえばチタンを粉末状にして用いた場合、軽量かつ高強度になる点に加えて、生体適合性も高く、医療器具などへの応用もされています。
石膏
硫酸カルシウムが主成分の鉱物で、建材や工業用品など幅広く使用される素材です。また、天然の鉱物としても存在しており、安価かつ人体への刺激性や毒性が無く、着色性に優れる点が魅力です。
ただし、石膏はそれほど硬い素材ではなく、刃物などで簡単に傷を付けられる強度しかありません。強度を必要とする機械部品には使えず、模型や試作品の造形などに広く使われています。
3Dプリンターの造形法別素材と素材に求められる要素
ここでは、造形法ごとによく使用される素材と、3Dプリンターの素材として求められる要素を紹介します。
3Dプリンターの造形法別素材
熱溶解積層法に使用する素材
熱溶解積層法は、液状化させた素材およびサポート材を流し、冷却硬化させる造形法です。造形ステージに熱によって溶解するプラスチック素材が使われます。
熱溶解積層法で主に使用される素材は以下の通りです。
| ●ABS樹脂
●PLA樹脂 |
インクジェット法に使用する素材
インクジェット法は、紙に用いるプリンターのように、液状化した樹脂をノズルを使って噴射し、硬化させる造形法です。
インクジェット法の素材には、紫外線を照射すると固まる樹脂（光硬化樹脂）が使われます。
また、異なる素材を噴射できるノズルを持つ3Dプリンターでは、以下のような複数の素材が混じりあった複合素材を使うことができます。
| ●ABSライク樹脂
●PPライク樹脂 ●ラバー樹脂 |
上記の樹脂は、本来の素材特性（例えば、ABS樹脂では機械的特性など）を再現しつつ、光による硬化を可能とした素材です。
インクジェット法によって光硬化させると、熱溶解積層法よりも積層ピッチを細かくでき、微細な造形や滑らかな表面質感を実現できます。
粉末焼結法に使用する素材
粉末焼結法は、粉末状にした素材をレーザーで焼結（融点以下の温度で原子を結合させる現象）させ、造形する方法です。
粉末焼結法に使用される主な素材は、以下になります。
| ●ナイロン樹脂
●金属（銅やチタンなど） |
粉末焼結法は粉末ベースによる造形のため光硬化を用いる造形法に比べて、微細な造形を得意としません。耐熱性や生体適合性に適した素材を用いて、マイクロスケールの造形を行うには、別の手法が必要です。
粉末積層法に使用する素材
粉末積層法は、敷き詰められた粉末状の素材に接着剤を吹き付けて、一層ごとに硬化させていく造形法です。
粉末積層法の素材には、主に石膏が用いられます。
光造形法に使用する素材
光造形法は、液状の樹脂を入れたプールに紫外線レーザーを当てて硬化させる造形法です。
樹脂を入れたプールには、造形用のステージが用意されており、樹脂が硬化する度にステージが下がり、次の層を硬化させていきます。そのため、光造形法は各層の厚みをステージにより調整できるので、他の造形法と比べて細かい造形が得意という特徴があります。
光造形法の素材には、以下のような光硬化性樹脂が使用されます。
| ●ABSライク樹脂
●PPライク樹脂 |
光造形法の3Dプリンターは、機種によっては切削加工並みかそれ以上の高精細・高精度の製品を製作できるほどに技術は進歩しています。そしてその素材には、微細な造形を実現するだけの機能が求められます。
たとえば、2μm/10μmの優れた光学解像度と±10μm/±25μmの正確な公差制御、「0.01mm～100mm」の範囲で精密な3次元微細加工が可能な3Dプリンター「microArch®シリーズ」を開発したBMF Japan株式会社では、以下のような素材が使われています。
熱変形温度114℃〜217℃の耐熱樹脂
特徴
| ・一般的なABS樹脂よりも耐熱性に優れた造形が可能
・高温下で用いられるコネクタや高温消毒が必要な医療機器にも最適 |
造形例：BMFの耐熱性樹脂を素材として、3Dプリンタ―で製作した、微細穴の幅が0.16mmの電子コネクタ
Part of the Week: Electrical Connector Base
引張強度82.9MPa・曲げ強度122.4N/mm2の高靭性樹脂
造形例：BMFの高靭性樹脂を素材として3Dプリンタ―で製作した、1700個以上の台形孔が含まれるcLGAコネクタ
Part of the Week: Land Grid Array
3Dプリンターの素材に求められる要素
3Dプリンターの素材にはそれぞれに特徴があり、造形法によっても適した素材は異なります。完成品の目的に応じて選びましょう。
3Dプリンターの素材に求められる主な要素は、以下の3点です。
精度および強度
素材の精度や強度は、完成品の目的によって様々な要素が求められます。例えば、高熱部への使用を目的とした場合は耐熱性を、微細な部品を作成する場合は高精度となる素材を必要とします。
使用環境への適合性
3Dプリンターの素材は、完成品を使用する環境によっても変わります。例えば、医療器具などの人体に直接的に影響を及ぼす製品には、生体組織や器官との親和性の高い性質（生体適合性）の素材が必要です。
着色性
3Dプリンターでの造形品にデザイン性を求める場合は、素材の着色性も重要です。素材の中には、着色材と素材の相性によって特性（強度など）が変化するケースも少なくありません。
3Dプリンターの素材により必要なサポート材とは
3Dプリンターの造形には、サポート材がしばしば用いられます。JIS B9441によると、サポート材は「造形プロセス中に造形物を造形プラットフォームに固定するために、造形物形状とは別に追加した支持構造体」と定義されています。
例えば、温度により状態が変化する素材を用いた造形法（熱溶解積層法）で、H型ブロックを作成するためには、上図の様に左右に空間を作らなければなりません。そこで、造形時には液状化した素材が流れ落ちないように支持構造体（サポート材）を入れ、H型ブロックに必要な空間を作り出します。
このように、3Dプリンターのサポート材は空間をデザインするために使われます。
また、粉末積層法や粉末焼結法では、粉末層にレーザーや接着剤を用いて硬化するため造形部以外の粉末が造形支持の役割を果たします。そのため、これらの造形方式では3Dプリンターの造形にサポート材を必要としません。
まとめ
今回は、3Dプリンターの各造形法に適した素材を紹介しました。
3Dプリンターは、プラスチックや金属、石膏など用途に応じた様々な素材で高速かつ精密な造形を可能とします。
BMF Japan株式会社では、従来の切削加工や金型では難しい複雑で微細な試作を実現できる産業用3DプリンターmicroArchシリーズを取り扱っています。精度や予算など、重視したいポイントに合わせた製品のご提案も可能です。
また、医療機器、マイクロ流体、マイクロメカニクス、MEMS、科学研究など、様々な分野で、世界中のお客様のニーズに合わせた素材も豊富です。ぜひお気軽にご相談ください。
