3Dプリンターのナイロンフィラメント完全ガイド

3Dプリンター用ナイロンフィラメントとは

3Dプリンター用材料の中において、高機能で汎用性が高い材料がナイロン(ポリアミド)です。ナイロンは、一般的には衣類の材料として有名ですが、さまざまな工業製品に使用されており、強度と耐熱性を持つエンジニアリングプラスチックとして有名です。

また、3Dプリンター用材料としても、高い強度と剛性を持ち、高い耐熱性を誇る強靭な素材としてエンジニアリング目的に使用されます。

その用途は幅広く、強度が求められる治具や工具から、機能性試験用のプロトタイプ、最終品まで幅広い分野で使用されます。3Dプリンター用のナイロンは、粉末焼結法やFDM®(熱溶解積層法)で使用されますが、特にFDM 3Dプリンターで使用する場合にはプリントに注意が必要です。

ここではFDM 3Dプリンターのナイロンフィラメントについてその特長や用途をご紹介するとともに、取り扱いの注意点や保管方法をお伝えします。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

3Dプリンター用ナイロンフィラメントの強みと弱み

3Dプリンター用ナイロンフィラメントは、フィラメント材料とFDM(熱溶解積層法)ならではの特長があります。

例えば、厚くプリントすると、充填密度が高く、肉厚なパーツに仕上げることができます。この肉厚パーツでは、大きな衝撃を吸収する耐衝撃性に優れた非常に強力なパーツとして使用することができます。

その一方で、ナイロンフィラメントで薄くプリントすると、衣類などで使用されるような非常に柔軟性に富んだ造形物にも仕上げることができるのです。

ナイロンフィラメントの強み

ナイロンフィラメントの強みは耐衝撃性に加え靭性、引張強度、耐熱性、耐摩耗性、耐油性、耐薬品性に優れ、ほぼ万能といえるような機能から、さまざまな造形に利用が可能です。

耐衝撃性:

ナイロンフィラメントの代表的な強みが耐衝撃性です。熱可塑性樹脂の中では、最高レベルの耐衝撃性を誇っており、工業用製品のパーツや治具など、さまざまな用途に使用されています。

引張強度:

ナイロンフィラメントの特長の一つが引張強度です。靭性にすぐれており、作られた造形物は柔軟で簡単には割れません。

耐熱性:

ナイロンフィラメントで作られた造形物は高い耐熱性を誇ります。フィラメントの種類によっては180℃までの耐熱性を誇り、高温下の環境でも高い強度を誇ります。

ナイロンフィラメントの弱み

ナイロンフィラメントの造形物は高強度で耐熱性にすぐれていますが、その一方で、材料として非常に吸湿性が高く、プリント中や保管中の十分な乾燥が必要です。吸湿による反りなどが起きやすい材料です。

ナイロンフィラメントの特性一覧

  • 靭性・引張強度:非常に強い引張強度をもち、対摩擦性は綿の10倍の強度を持つ
  • 耐熱性:180℃の高温下でも耐えうる。
  • 耐油性・耐薬品性:耐薬品性や耐油性に優れている。酸に対しては綿の100倍の強度を持つ。
  • 耐衝撃性:吸水により耐衝撃性や柔軟性が増す。

3Dプリンター用ナイロンでできること

ナイロンフィラメントはFDM 3Dプリンターの材料としても、さまざまな用途に使用されており、できることは幅広いです。強度、耐衝撃性、靭性などに優れることから、高機能が求められるパーツが最適です。

機能性テスト

3Dプリンター用ナイロンフィラメントのできることとしてまず挙げられるのが機能性テストパーツ作成です。機能性テストパーツは、形状確認だけではなく物理的な試験に耐えうる物性が求められます。

金属パーツの代替。高耐久パーツの作成と軽量化

次に既存の金属パーツの代替品としての役割があります。ナイロンフィラメントを使用することで、金属に匹敵する剛性や耐久性を保ちながら、パーツ自体の軽量化、コスト削減などに貢献します。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

オンデマンド製造

ナイロンフィラメントでは、最終品に求められる強度や耐久性、耐衝撃性を持っていることから、オンデマンド製造も可能です。設計データをCADで管理し、必要に応じて3Dプリンターでパーツを製造すれば、ビジネスを効率化してくれます。

また試作品の段階から最終品と同じ材料が使用できるため、設計から製造までを一元管理し、試作から改良、製造までの製造プロセスをシームレスにできます。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

多品種少量・カスタマイズ製造

ナイロンフィラメントと3Dプリンターならば、多品種少量生産も可能です。微妙な形状違いやデザイン違いのパーツも3Dプリンターであればデータの変更ですむため、カスタマイズして製造することが可能です。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

3Dプリンター用ナイロンで作れるもの

3Dプリンター用ナイロンフィラメントでは、さまざまなものを作ることができます。ここでは具体的な用途についてご紹介します。

試作・機能性プロトタイプ

ナイロンフィラメントの用途として、代表的なものが機能性プロトタイプです。機能性プロトタイプは、形状確認だけではなく強度や耐久性、耐衝撃性といったパーツの物性に関する試験ができるプロトタイプのことです。

特にナイロンは耐疲労性や靭性、耐衝撃性などにすぐれる強靭な素材であることから、強度が求められるパーツのプロトタイプに最適です。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

冶具・工具

ナイロンが持つ強度や耐疲労性、耐衝撃性、靭性などは、治具や工具の作成にも最適です。治具は生産工程において使用される留め具ですが、治具にもとめる対象物に応じた性能が求められます。

ナイロンの優れた強度は、より強度と耐久性が求められる治具の作成に適しています。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

最終品パーツ

ナイロンフィラメントでは最終品パーツを作ることができます。優れた靱性と摩耗特性(対摩擦性は綿の10倍の強度)を持ち、耐薬品性や耐熱性があることから、自動車業界や航空宇宙産業、軍需産業など過酷な環境の下での使用にも耐えうる素材として使用されています。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

3Dプリンター用ナイロンフィラメントの種類

3Dプリンター用ナイロンフィラメントは、ストラタシスのハイエンドモデルを中心に利用することができます。また最近では安価な家庭用(低価格)3Dプリンターのフィラメント材料としても登場しています。

家庭用(低価格)・デスクトップ3Dプリンターのナイロンフィラメント

3Dプリンター用ナイロンフィラメントは、家庭用(低価格)やデスクトップタイプの3Dプリンター用のフィラメント材料としても登場しています。

ただ低価格のFDM 3Dプリンターは機種によって性能が異なるため、ナイロンフィラメントに対応していないケースが多いです。また、プリンターの性能によっては、ミスプリントが起きる可能性があり、取り扱う時に注意が必要です。

PolyMide™CoPA(PolyMaker製)

低価格・デスクトップ3Dプリンターのナイロンフィラメントとして代表的な存在がPolyMakerのPolyMide™CoPAです。

PolyMide™CoPAは、ナイロン6とナイロン6,6のコポリマーをベースにして作られたフィラメント材料で、ナイロンの持つ強度と靭性を持ち、180℃までの耐熱性も備えています。

最大の特長が、ナイロンフィラメントの弱点であった、“反り”を抑えることに成功しています。

同社が開発する材料の微細構造と結晶化を制御する「ワープフリー技術」をフィラメント開発に取り入れることで、低価格でも高品質なナイロンフィラメントの製造に成功しました。

この技術は反りを抑えるとともに、ノズル温度も250℃~260℃でプリントが可能になりノズルの消耗も抑えられます。デスクトップタイプ用のフィラメントですが、主な用途はエンジニアリング向けを想定しており、機械的に強度や耐熱性などが求められるパーツ、治具などを想定しています。

また工業用途での利用も開始しており、上海の同済大学ではPolyMideとカーボンファイバーを使用しエコカーをプリントしています。カラーはナチュラルとブラックの2種類を備え、価格は税込みで9,980円です。

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

3Dプリンター用ナイロンフィラメント

PolyMide™CoPAのスペック

  • カラー:ナチュラル、ブラック
  • 重量:750g
  • フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
  • プリント温度:260℃
  • プリントスピード:40mm/s
  • プリントベッド温度:70℃
  • ベッド表面:接着剤付きガラス
  • 冷却ファン:OFF
  • 価格:9,980円(税込み)

PolyMide™CoPAの物性

  • ヤング率:2223±199 Mpa
  • 引張強度:66.2±0.9 Mpa
  • 曲げ強さ:97.0±1.1 Mpa
  • シャルピー衝撃強度:9.6±1.4 kJ / m 2
  • ガラス転移点:67℃
  • ビカット軟化温度:180℃
  • 融解温度:190℃
  • 乾燥設定:12時間80℃
  • 推奨サポート材料:水溶性サポート材PolyDissolve™S1

3Dプリンター用ナイロンフィラメントの注意点と対策

3Dプリンター用ナイロンフィラメントは、特に、デスクトップタイプの3Dプリンターを使用する際に注意が必要です。

ナイロンフィラメントの不具合

ナイロンフィラメントはプリント中に以下のような不具合を起こす可能性があります。

吸湿性が非常に高く不具合をおこす

ナイロンフィラメントは他のフィラメント材料に比べて、吸湿性が非常に高く、水分に非常に敏感です。例えば、24時間で水の密度の約10%を吸収してしまいます。

そのため保管する際には他の吸湿性フィラメントと同様、乾燥剤などを使用し、十分に乾燥しておくことが重要です。具体的には相対湿度20%以下で良質なプリントが実現できます。

反りが起きやすい

水を吸収したナイロンフィラメントでは、いくつかの不具合をおこします。第一が反りです。ABSフィラメントと同様、ナイロンフィラメントも吸湿による熱収縮が高く、造形中に反ってしまいます。

層間接着性が落ちる

第二に、層間接着性が落ちます。FDMはフィラメントを溶かして積み上げるため、層と層の密着性が重要です。しかし吸湿してしまうと造形物の表面は接着性が落ち仕上がり悪く、最悪の場合は押出ノズルから飛び散る可能性があります。

表面が汚くなる

ナイロンフィラメントを水を吸った状態で使用すると表面の仕上がりも汚くなります。外側に小さな穴や気泡ができたりします。

強度が低下する

ナイロンフィラメントで作れる造形モデルは、耐衝撃性や耐摩耗性など強度に優れます。しかし、十分に乾燥していない状態でプリントするとナイロン本来の十分な強度が出せない可能性があります。

対策

ナイロンフィラメントの不具合を防ぐ対策として、以下の方法があります。

フィラメント乾燥ボックスを使用する

第一に、3Dプリンターを使用する環境を十分除湿し、湿気を無くした状態にすることが必要です。3Dプリンターを使用する部屋のエアコンをつけ、十分乾燥させた状態を保ちます。

次に、フィラメント専用の除湿専用ボックスを使用するのが推奨です。例えばPolyMakerではフィラメント吸湿を防止するPolyBoxを用意しており、乾燥剤と一緒に保存することで、湿度を極力下げた状態を実現できます。

PolyBoxの優れた点は、協力な除湿剤と共に、湿度計が搭載されており、常にボックス内部の湿度を低く保つことが可能です。また、PolyBoxを使用すれば、乾燥状態を保ったままプリントも可能です。

PolyBox

まとめ

3Dプリンター用ナイロンフィラメントは、デスクトップ3Dプリンターで使用することで、手軽に高強度で耐熱性にすぐれ、さまざまな用途に使用できます。しかしその一方で、正確にプリントするためには管理や保存に最新の注意が必要で、使用できるプリンター選択が必要です。

2019.6.24 投稿者:i-maker

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