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3Dプリンターの素材、PLAとABSについて知ろう【初心者向け】

こんにちは、YOKOITOの髙松です。

今回は3Dプリンター初心者の方向けの情報として、一般的なFDM式3Dプリンター(安価で手軽なパーソナル向けの3Dプリンター)で主に使用されている2つの素材、「PLA」と「ABS」について書いていこうと思います。

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今更かもしれませんが、皆さんは今使っている3Dプリンターでどの素材を使っているか意識していますか?

世の中にはメーカー推奨品から中国製のサードパーティ製品まで無数に3Dプリンター用の素材(=フィラメント)が存在しています。メーカーによっては推奨でなくカートリッジ式などで指定の素材しか使えないものもあるので、それを使っているという方も多いかもしれません。

例えば、XYZプリンティング社のダ・ヴィンチ1.0などの機種ではメーカーが販売しているABS樹脂しか使用することが出来ませんでした。メーカー指定品は機体に最適化されていますし色も豊富にあるので特に困ることはないかもしれませんが、やはり他社製フィラメントを使用したいという声があったのか、1.0Aという新しいモデルではPLA・ABSの両方に対応し、今年新たに発売された「プロフェッショナルモデル」と位置づけられたダ・ヴィンチProではその縛りが撤廃され、他社製ABSだけでなくPLA素材にも対応しました。

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fg_store_banner_davinci_pro_jp_jaXYZプリンティングジャパン公式サイトより  http://jp.store.xyzprinting.com/

パーソナル向け3Dプリンター製品のパイオニア的存在、Makerbot社のReplicatorシリーズについては、ほとんどのモデルでPLA素材には対応しています。Replicator2Xという機種ではABS素材にも対応しました。Makerbot社では推奨のフィラメントを販売していますが、中にはもちろん他社製フィラメントを使用している人もいます。
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 By Peabodybore – I took the photo in a 3D printing shop in London, with the permission of the shop owner., CC0, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=41030971

最近YOKOITOでも導入したUP miniなどに代表されるTiertime社の製品は概ねPLA、ABSのどちらも出力できるようになっています。土台の特性上ABS向きと言えるシリーズではありますが。他社製フィラメントも使用することが出来ます。UP plusのOEMであるAfiniaも同様です。

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Tiertime社公式ページより  http://www.tiertime.com

いくつか代表的な3Dプリンターとその素材対応について書きましたが、そもそもこの対応している/していないというのはどのような理由で生まれてくるのでしょうか。以下ではそれについて、PLA樹脂とABS樹脂の特性について説明しつつ解説していきます。

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PLA樹脂の特徴

PLA樹脂はポリ乳酸と呼ばれるもので、トウモロコシなどを原料にしたエコプラスチックです。

3Dプリント素材としてのPLAの特徴を簡潔に挙げると

・出力時の温度(≒融点)がABS樹脂に比べ低い

低い温度での出力が可能(およそ180-230℃程度)。一方50℃程度の温度でも力が加わると歪んでしまう。

反りにくい

→ABS樹脂に比較して。長いものや面積の大きく薄いもののプリントでは特に重要。

・硬い

→中々削れない。やすりがけなどの後加工が大変

・靭性に乏しい

→硬いために限度を超えた力がかかると一気に割れてしまう。これは3Dプリント物全てに言えることだが積層方向に水平の力に対しては特に脆い。

ABS樹脂の特徴

対するABS樹脂の特徴と言えるのは以下の通りです。ABS自体は一般的なプラスチック製品に広く使われていますね。フィラメントも多少違えど近い特性を持ちます。

・出力時の温度(≒融点)がPLA樹脂に比べ高い

高い温度でないと出力できない(230-260℃程度)。100℃くらいまでは変形しにくい。

反りやすい

→温度が下がった時の樹脂の収縮量がPLAよりも大きいため。薄く長い、平たいものの出力は苦手。

・加工しやすい

→PLAに比べてやすりがけなどが格段に楽。サポート材を外すのも非常に容易。

・靭性がある

→PLAに比べやや柔軟性があるので、曲げや伸びに対しても耐性がある。

 

PLAとABSを比較するとこのようになります。

では、なぜ機種によってそれぞれの素材を出力できる、できないがあるのでしょうか。

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まず言えるのは、ABSの方が3Dプリンターでの出力が難しい、ということです。理由としては先に挙げたように出力に高い温度が求められること――これはつまりノズルの温度を高く上げられなければいけないということ――があります。また、温度が急激に下がると出力中に大きく反ってしまうor割れてしまうため、造形エリア全体を囲うようにして高い温度を保ってやる必要もあります。造形物の定着と割れ防止のためには土台そして空間を温める機能、つまりヒーテッドベッドを装備した機体にしなければいけません。こうした機能を備えていないとABSの出力は困難なのです。

先に挙げたUP pulsやAfiniaはやや特殊で、ヒーテッドベッドは装備していますが造形エリア自体は囲われていません。反りを防ぐためパンチドボード(細かい穴の空いた土台)を採用して定着力を高めています。しかしそれでも造形物の割れは出てしまうことがあるようで、ユーザーの中には囲いを自作して使用している方もいます。

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このあたりの反りや剥がれといった失敗についてはよくある3Dプリントの失敗3つとその15の原因の記事でも取り上げていますのでお悩みの方はこちらもご覧下さい。

ABSは出力にやや難がある一方で、造形物の研磨しやすさや切削性は良好です。サポート材も簡単に外せます。出力がABS限定の機種は、こうしたメリットから3Dプリンターの性能を最大限発揮するためにABSのみという選択をしていると考えられます。

対してPLAは、出力が楽で非常に安定しているということが出来ます。ABSに比べ冷却時の収縮が少ないため反りや割れが起きにくく、またヒーテッドベッドや造形エリアの温度もABSほどの高温を求められません。一部製品ではヒーテッドベッドなしで糊やテープなどを用いて造形物を固定するものもあります。硬いので出力後に研磨したりする用途には不向きですが、安定して出力したいのであればPLAが最適でしょう。

目的別にすると……

・PLA

→デザインしたものの形状確認や、後加工の少ない実用品、大きいもの、耐摩耗性を確保したいもの向き

・ABS

後加工で研磨などを行う試作品や、プラモデル・フィギュアのパーツ、稼働機構を持たせたいもの向き

となるでしょうか。

PLA・ABSそれぞれに得意なことがあるので、場面によって使い分けていけると良いですね。どちらか一方しか出力できない機種をお持ちという方も、ご自身の機体が使える素材ではどう出力するのが最適かを考えて運用するだけで、様々な課題が解決していくことと思います。

また、サードパーティ製の製品を使用して機体のトラブルが発生した場合ほぼ自己責任となります。注意しましょう。メーカーが推奨している素材は大抵機体の性能に最適化されるよう素材を調整したり、混ぜものをしていたりと、それなりの理由とクオリティの担保があります。

とはいえ、FDM式3Dプリンターでは他にも柔軟性のある素材や木や金属の混ぜ物が入った素材なども種類豊富にあります。そちらについてもまた後日ご紹介します。

今回はPLAとABS樹脂の特性に絞って紹介をしましたが、いかがでしたでしょうか。皆さんの3Dプリントのお役に立てば幸いです。

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