3Dプリンターのポリカーボネート(PC)フィラメント完全ガイド

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントとは

3Dプリンター用フィラメント材料の中で、エンジニアリング・プラスチックの部類に入るのがポリカーボネート(PC)フィラメントです。

エンジニアリング・プラスチックとは、通常のプラスチックよりも高強度で耐熱性にすぐれる材料です。ポリカーボネートはいわばその代表的な材料と言えるでしょう。

これまでポリカーボネートは、金型や切削でしか利用することができない材料でしたが3Dプリンターのフィラメント材料として登場することで、ものづくりの幅が大きく広がりつつあります。

また最近では、安価なデスクトップタイプのFDM®(熱溶解積層法)3Dプリンターでもポリカーボネート(PC)フィラメントが登場しており、新たな製品開発を広げてくれる材料として期待されています。

その一方で、ポリカーボネート(PC)フィラメントは、扱いが難しく、使用できる3Dプリンターも限定されます。

そこで今回はポリカーボネート(PC)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、フィラメント材料の種類や、注意点をご紹介します。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントの強みと弱み

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントは、その優れた物性から、さまざまな用途に使用することができます。

その一方で、デスクトップタイプのFDM 3Dプリンターで取り扱う際には、反りや糸引き、にじみなど、さまざまな注意点がある材料です。

ポリカーボネート(PC)フィラメントの強み

ポリカーボネート(PC)フィラメントの最大の強みは、その機械的特性です。高強度と耐熱性はさまざまな用途に使用することができます。

耐衝撃性:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、金型などで使用されるポリカーボネートと同様、高い耐衝撃性、靭性、強度を持った造形モデルをつくることができます。

こうしたエンジニアリング・プラスチックとしての高い性能は、フィラメント材料の中ではトップレベルの性能を誇ります。また、フィラメント材料のなかでは、ABSフィラメントと同様靭性などにも優れているため、加工後の研磨や塗装なども施すことができます。

耐熱性:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、最高レベルの耐熱性をもっています。通常110℃程度の熱たわみ温度を持っており高耐熱のパーツ製造や、機能テストモデルを作ることができます。

透明性:

ポリカーボネート・フィラメントは、他のフィラメントとちがい、透明性を持つフィラメント材料でもあります。FDM(熱溶解積層法)の積層跡が残るため、完全な透明性は再現することは難しいですが、造形後の研磨などにより、透明性を高めることもできます。

ポリカーボネート(PC)フィラメントの弱み

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、優れた物性の反面、取り扱いにはさまざまな注意点が必要になり、繊細な管理が求められます。

繊細な設定が求められる:

ポリカーボネート(PC)フィラメントの欠点が、造形に繊細な設定が求められる点です。のちの注意点と対策の部分で詳しくご紹介しますが、ポリカーボネート(PC)フィラメントで正しい造形を行うためにはノズル温度やプリント速度、フィラメントの管理まで適切な設定が必要です。

ポリカーボネート(PC)フィラメントの特性一覧

  • 耐久性:長く劣化せずに安定して使用することができる。
  • 耐熱性:高温の環境(100℃程度)での環境にも強い。
  • 耐衝撃性:衝撃などに強い特性を持つ。アクリル樹脂(PMMA)のおよそ10倍
  • 耐薬品性:酸やアルカリなど薬品による変化が少ない。
  • 引張強度:引っ張った時にも破れにくい。
  • 靭性・曲げ疲労性:ねじったり曲げたりした時にも壊れにくい。
  • 透明性:透明性を持つ。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントでできること

ポリカーボネート(PC)フィラメントは100℃以上の高温化に長時間さらされたとしても、一定以上の強度を保つことができるエンジニアリング・プラスチック材料です。

特にポリカーボネートは非常に高い耐衝撃性をもち、同時に美しい表面が特長的なことから、さまざまな工業製品やパーツ、治具などに使用されています。例えば身近な製品では、iPhone5の筐体などにも使用されたこともあります。

強度・耐衝撃性が求められる造形

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、エンジニアリング・プラスチックであることから強度や耐衝撃性が求められる造形に使用することができます。

一般的なABSフィラメントなどと比べ材料費も高額であることから、特別な機能性を求められるもの、機能性試験用のプロトタイプや、固定具などの治具に最適です。

パーツの軽量化

ポリカーボネート(PC)フィラメントでできることの一つが、パーツの軽量化です。従来金属が使用されていたパーツなどをポリカーボネートでつくることで、強度や耐久性を保ったまま軽量化することができます。

またポリカーボネートは金属よりも素材として安いため、コストの削減にもつなげられます。

オンデマンド製造

ポリカーボネート(PC)フィラメントのすぐれた強度、耐衝撃性、耐熱性は、最終品のオンデマンド製造にも最適です。

3Dプリンターでデータを管理することができ、必要に応じたオンデマンドのパーツ製造に利用することができます。余分な在庫を持つ必要もなくビジネスを効率化してくれます。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントで作れるもの

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)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。ここでは具体的な作れるものについてご紹介します。

試作・機能性プロトタイプ

強度や耐衝撃性、耐熱性に優れたポリカーボネート(PC)フィラメントの用途として最適なのが機能性プロトタイプです。

機能性プロトタイプとは、見た目だけの形状確認のモックアップとは違い、一定の機能性テストに使用するために作られるプロトタイプのこと。パーツの物性や機械的特性の試験には、ポリカーボネート(PC)フィラメントは最適です。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント

冶具・工具

ポリカーボネート(PC)フィラメントの優れた物性は、治具や工具の作製にも最適です。ポリカーボネート(PC)フィラメントは、アクリル(PMMA)に匹敵する最大引張強度を有し、引張破断強度もABSフィラメントなどよりも優れています。

つまり、ポリカーボネートの能力は、強くて硬いと同時に、ねじり応力に耐える能力が、他の熱可塑性樹脂をはるかに上回っている点です。

こうした特性により、何度も取り付け作業や固定を行う治具・工具に最適なフィラメント材料なのです。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント

最終品パーツ

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、強度、耐久性、耐衝撃性などの優れた物性から最終品の製造にも使用することができます。

パーツや筐体など、実際の使用を想定した機能を発揮することが可能です。また、ポリカーボネートの特性として、加工性の高さと光沢がありますが、造形後に研磨や塗装、磨きなどを行うことで、ポリカーボネート本来の光沢が表現でき、消費財の筐体などにも利用できます。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントの種類

ポリカーボネート(PC)フィラメントが使用できる3Dプリンターは、FDM(熱溶解積層法)タイプの3Dプリンターです。FDM(熱溶解積層法)は、加熱すると柔らかくなり、冷えると固まる性質を持つ熱可塑性樹脂を材料とする3Dプリンターです。

ポリカーボネート(PC)フィラメントはFDM(熱溶解積層法)3Dプリンターの中でも業務用のハイエンドタイプが中心です。また最近では、家庭用(低価格)などデスクトップタイプの3Dプリンターの材料も登場しています。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント PolyMax PC

家庭用(低価格)・デスクトップタイプ3Dプリンターのポリカーボネート(PC)フィラメント

ポリカーボネート(PC)フィラメントは家庭用(低価格)から中価格帯のデスクトップタイプのFDM 3Dプリンターで使用することができる種類がフィラメントメーカーのPolyMakerから登場しています。

PolyLite PC(PolyMaker製)

PolyLite PC (旧PC-Plus)は、PolyMaker社が開発するポリカーボネート(PC)フィラメントです。PolyLite PCは、優れたプリント性能をもち、優れた耐衝撃性に加え、破壊靭性を備えています。

耐熱性は110℃を持ち、他のほぼ全ての3Dプリント材料と比べてもより高い耐熱性を持っています。またPolyLIte PCのカラーは半透明で、ポリカーボネートの特長である光沢をもっています。

造形後には、サンドペーパーなどで研磨しクリアスプレーやラッカー塗料などでコーティングすれば、ガラスのような透明性と、美しく滑らかな表面を再現することが可能です。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント PolyLite PC

PolyLite PCのスペック

  • カラー:半透明
  • 重量:1000g
  • フィラメント径:1.75 mm ±0.02~0.05 mm
  • プリント温度:250℃~270℃
  • プリントスピード:30mm/S~90mm/s
  • プリントベッド温度:80℃
  • 冷却ファン:OFF
  • 価格:6,480円(税込み)

PolyLite PCの物性

  • ヤング率:2307±60 Mpa
  • 引張強さ:62.7±1.3 Mpa
  • 曲げ強さ:100.4±2.7 Mpa
  • シャルピー衝撃強度:3.4±0.1 kJ / m 2
  • ガラス転移点:113℃
  • ビカット軟化温度:119℃
  • 溶融温度:なし
  • 乾燥設定:80℃で8時間
  • 推奨サポート材料:PolySupport

PolyMax PC (PolyMaker製)

PolyMax PCも、PolyMaker製のポリカーボネート(PC)フィラメントです。PolyMax PCは、ポリカーボネートの持つ機械的強度をそのまま再現したフィラメント材料で、ABSフィラメントを超える強度を実現しました。

PolyLite PCと比べても耐衝撃性が大きく向上し、更に高強度なパーツを作ることができます。またエンジニアリング・プラスチックとして高温下での使用にも絶えることが可能です。

耐熱性はPolyLite PCと同様、110℃を持ち、他のほぼ全ての3Dプリント材料と比べてもより高い耐熱性を持っています。

またポリカーボネートの加工性も反映されており、プリント後は、研摩や塗装、クリアスプレーなどでの後加工も可能です。ブラックとホワイトの2色のラインナップです。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメント PolyMax PC

PolyMax PCのスペック

  • カラー:ブラック、ホワイト
  • 重量:750g
  • フィラメント径:1.75 mm ±0.02~0.05 mm
  • プリント温度:250℃~270℃
  • プリントスピード:30mm/S~90mm/s
  • プリントベッド温度:80℃
  • 冷却ファン:OFF
  • 価格:6,480円(税込み)

PolyLite PCの物性

  • ヤング率:2048±66 Mpa
  • 引張強さ:59.7±1.8 Mpa
  • 曲げ強さ:94.1±0.9 Mpa
  • シャルピー衝撃強度:25.1±1.9 kJ / m 2
  • ガラス転移点:113℃
  • ビカット軟化温度:117℃
  • 溶融温度:なし
  • 乾燥設定:80℃で8時間
  • 推奨サポート材料:PolySupport

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)のプリント設定

安価な家庭用(低価格)やデスクトップタイプの3Dプリンターでポリカーボネート(PC)フィラメントを使用する際にはいくつかの注意点が必要です。

ノズル温度

ポリカーボネート(PC)フィラメントを正しくプリントするためには、ノズル温度を約260℃から300℃にあげる必要があります。(例えば上記でご紹介したPolyLite PCやPolyMax PCは250℃~270℃)

このノズル温度の設定は3Dプリンターの種類によって異なりますが、一般的には260℃から310℃程度の高温が求められます。理想的は、300℃程度といわれていますが、この温度設定はフィラメントメーカーや材料の種類によって異なります。

デスクトップ3Dプリンター用のポリカーボネート(PC)フィラメントは、ポリカーボネート以外にも混ぜ物や配合が異なり、プリント温度はそれぞれで異なります。プリント速度などが遅い場合には290℃やそれ以下のホットエンドでもプリント可能です。

プリントベッド温度(造形プラットフォームの加熱)

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、ABSフィラメントと同様反りがあるため、造形プレートの加熱も必要です。

一般的な推奨プリントベッド温度は110℃程度です。ただしプリントベッド温度も材料の種類によって異なるため、最適な温度を設定します。

冷却ファン

ポリカーボネート(PC)フィラメントでプリントする際には、冷却ファンはオフにします。ポリカーボネート(PC)フィラメントは260℃~310℃の非常に高温でプリントされるため、冷却ファンによって急速に冷やされることで糸引きなどの不具合が起きる可能性があります。

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントの注意点と対策

3Dプリンター用ポリカーボネート(PC)フィラメントにはプリント時にさまざまな注意点があります。既に弱点の部分でもご紹介しましたが、ここではより詳しく起きうる不具合と対策についてご紹介します。

温度コントロール:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは非常に高温なノズル温度が求められます。材料の種類によってノズル温度は異なりますが、250℃~310℃の範囲の温度が必要です。

そのため温度が低い場合などは層間接着性が低くなり、造形モデルが正しく積層されない可能性があります。その一方で高すぎると、糸引きやにじみなどの不具合も発生します。

最適な温度設定は材料の種類によってことなりますが、5度単位でテストプリントを行い、造形モデルの品質を確かめます。

反り:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、ABSフィラメントと同様、造形中に歪む反りが起きやすいフィラメント材料です。反りに対してはポリカーボネート(PC)フィラメント専用のタックシートなどが有効です。

剥がれない:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは温度設定や3Dプリンターの種類によっては造形モデルがプレートから離れない場合やサポート材が一体化してしまい剥がれないケースがあります。

この場合の対策として、積層専用シートを使用することで解消することがあります。また、押出ノズルが2本あるデュアルヘッドの3Dプリンターの場合は、1本のノズルにサポート材を使用することで、造形後の除去が楽になります。

例えばPolyMakerのPolyLite PCやPolyMax PCは、サポート材専用フィラメントPolysupportを推奨しています。

対策:積層造形シートを使用する

ポリカーボネート(PC)フィラメントで正しくプリントするためには、専用の積層造形シートを使用することもおススメです。

これは3Dプリンターによって必要かどうかが異なりますが、ポリカーボネート(PC)フィラメントはFDM(熱溶解積層法)では造形プラットフォームにくっつきすぎることがあり、造形後の着脱を容易にしてくれる専用シートがあります。

この積層用シートは、フィラメントのくっつきをよくし、反りを防止する効果があります。ただし、温度設定によっては逆に造形モデルが反ってしまうため、テストプリントを行い最適な温度に設定する必要があります。

吸湿によるプリント不良:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、非常に吸湿性が高く、空気中の水分を吸収することでプリント不良を引き起こす可能性があります。開封後は、乾燥剤などと共にフィラメントボックスでの保管が必要になります。

対策:フィラメント専用ボックスを使用する

フィラメントは、吸湿性があるため十分に除湿されていない空間や、湿気が多い空間に長期間置いておくと、空気中の水分を吸収してしまい、溶着力が弱くなり、反りが起きやすくなります。

そのため、日常からフィラメントを乾燥剤と共に保管するなど除湿された空間で保管する必要があります。中でも、ポリカーボネート(PC)フィラメントは、特に吸湿性が高く、空気から水分を吸収やすいことから、保管やプリントに注意が必要です。

保管は、乾燥剤などを使い十分に除湿した状態で保管する必要があります。またプリント時も部屋の湿度を除湿し、温度を一定にするなど注意が必要です。密閉型の3Dプリンターでの造形をおススメします。

PolyMakerが提供するPolyBoxを使用すれば、造形中も保管中も常に吸湿した状態をキープすることが可能です。

糸引きやにじみ:

ポリカーボネート(PC)フィラメントは、押出ノズルの温度が非常に高温になります。そのため、プリント時のノズルのスピードによっては糸引きやにじみといった不具合が起きやすくなります。

糸引きやにじみを防ぐためにはプリントスピードをゆっくりすることで解消する場合があります。

まとめ

ポリカーボネート(PC)フィラメントを使用することで、デスクトップタイプの3Dプリンターでも最終品やそれに近い高強度の造形が可能になります。

その反面、取り扱いにはさまざまな条件があり、ノズル温度やビルドプラットフォームの調整、フィラメントの吸湿管理など、高品質でミスのない造形を行うためには、3Dプリンターの性能と合わせて調整が必要です。

2019.6.18 投稿者:i-maker

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