治具製作に適した3Dプリンタ用フィラメントの分析レポート

はじめに

3Dプリンタは、近年、製造業をはじめとする様々な分野で活用が広がっており、試作品製作や治具製作にも利用されるようになってきました。その点を踏まえて、下記の治具製作に関する入門的なガイダンス記事を以前にまとめました。

【コスト激減】製造業を変える3Dプリンタ治具製作ガイド

さらに精度や強度を考慮して3Dプリンタで造形する際には、材料となるフィラメントの選定が重要となります。特に治具製作においては、使用環境や用途に応じた適切なフィラメントを選択することで、耐久性、耐熱性、寸法精度などに優れた治具を製作することが可能となります。

本レポートでは、治具製作に適した3Dプリンタ用フィラメントについて、種類、特性、選定基準などを分析し、具体的な選定例を提示します。

3Dプリンタ用フィラメントの種類と特性

3Dプリンタ用フィラメントには、様々な種類があり、それぞれ異なる特性を持っています。

一般的なフィラメント

• PLA (ポリ乳酸) 1

• 耐熱性: 低い (50～60℃)
• 強度: 中程度
• 柔軟性: 低い
• 価格: 安価
• 特徴: 入手しやすく、扱いやすい。印刷時の収縮や反りが少ない。
• 用途: 試作品、模型、造形など

• ABS (アクリロニトリルブタジエンスチレン) 2 1

• 耐熱性: 高い (210～240℃) 2
• 強度: 高い
• 柔軟性: 中程度
• 価格: 安価
• 特徴: PLAよりも強度や耐熱性に優れる。印刷時に収縮や反りが発生しやすい。2
• 用途: 機能部品、筐体、治具など

• PETG (ポリエチレンテレフタレートグリコール) 1 3

• 耐熱性: 高い (70～85℃)
• 強度: 高い
• 柔軟性: 中程度
• 価格: 中程度
• 特徴: 耐衝撃性、耐薬品性に優れる。PLAとABSの中間的な特性を持つ。
• 用途: 機械部品、容器、ボトルなど

• ナイロン 4 5

• 耐熱性: 高い
• 強度: 非常に高い
• 柔軟性: 高い
• 価格: 高い
• 特徴: 耐摩耗性、耐衝撃性に優れる。吸湿性があるため、保管に注意が必要。
• 用途: 耐久部品、ギア、ヒンジなど

• PC (ポリカーボネート) 4 6

• 耐熱性: 非常に高い (150℃)
• 強度: 非常に高い
• 柔軟性: 中程度
• 価格: 高い
• 特徴: 耐熱性、耐衝撃性、透明性に優れる。印刷が難しい。
• 用途: 高温環境下での使用、レンズ、保護具など

寸法精度

治具製作において、寸法精度は非常に重要な要素です。3Dプリンタで造形する際、フィラメントの種類によっては、印刷後の冷却過程で収縮や反りが発生し、寸法精度に影響を与える可能性があります。

• PLA: 収縮や反りが比較的少ないため、寸法精度が求められる治具に適しています。1
• ABS: PLAに比べて収縮や反りが大きいため、寸法精度が重要な治具には注意が必要ですが、保温等の環境整備とパラメータ調整を行えばPLAと同等の精度管理は可能です。2
• ナイロン: 吸湿性があるため、湿度管理を適切に行わないと、収縮や反りが発生しやすくなります。4

特殊なフィラメント

• 炭素繊維(カーボンファイバー)強化フィラメント 2 7

• 炭素繊維を配合することで、強度、剛性、耐熱性を向上させたフィラメント。
• 軽量で高強度な治具を製作可能。

• ガラス繊維強化フィラメント

• ガラス繊維を配合することで、強度、剛性、耐熱性を向上させたフィラメント。
• 炭素繊維強化フィラメントよりも安価。

• TPU (熱可塑性ポリウレタン) 1 8

• ゴムのような柔軟性を持つフィラメント。
• 耐摩耗性、耐衝撃性に優れる。
• 用途: グリップ、緩衝材、柔軟な部品など

• ESD-safeフィラメント 9

• 静電気を帯電しにくいフィラメント。
• 静電気による電子部品の破損を防ぐ必要がある治具に適しています。

治具製作に適したフィラメントの選定基準

治具製作に適したフィラメントは、使用用途や環境によって異なります。以下の点を考慮して選定する必要があります。

• 治具の種類: 位置決め治具、検査治具、組立治具など、治具の種類によって求められる特性が異なる。例えば、位置決め治具では寸法精度が特に重要となります。
• 用途: 使用するワークの材質、形状、重量、精度などを考慮する。繊細なワークを扱う場合は、傷をつけにくいTPUのような柔軟なフィラメントが適しています。
• 使用環境: 温度、湿度、薬品、衝撃など、使用環境によって求められる耐性が異なる。高温環境では、PEEKやPEKKのような耐熱性に優れたフィラメントが適しています。

強度と柔軟性のトレードオフ

フィラメントの選定において、強度と柔軟性のバランスを考慮することが重要です。ナイロンやPCのようなフィラメントは高い強度を有しますが、TPUに比べると柔軟性に欠けます。一方、TPUは柔軟性に優れていますが、高負荷がかかる用途には適していません。4 6 8 治具の用途に合わせて、強度と柔軟性のどちらを優先するかを判断する必要があります。

耐熱性や耐久性に優れたフィラメント

高温環境や高負荷環境で使用できるフィラメントとして、以下のものが挙げられます。

• PEEK (ポリエーテルエーテルケトン) 9 10 11 12

• 非常に高い耐熱性 (260℃) と耐薬品性を持つスーパーエンジニアリングプラスチック。
• 高価で印刷が難しい。

• PEKK (ポリエーテルケトンケトン) 10

• PEEKと同様の特性を持つが、PEEKよりも耐薬品性、耐加水分解性に優れる。

• Ultem (ウルテム) 10

• 高い耐熱性 (170℃) と強度を持つ非晶性熱可塑性樹脂。
• 耐薬品性、難燃性にも優れる。

PEEK、PEKK、Ultemは、いずれも高い耐熱性を持つフィラメントですが、それぞれ特性が異なります。PEEKは最も耐熱性が高く、PEKKは耐薬品性、耐加水分解性に優れています。UltemはPEEKやPEKKよりも安価で、印刷が容易です。10 11 12

各フィラメントのメリットとデメリット

具体的なフィラメントの選定例

• 例1: 電子部品の検査治具

• 静電気による電子部品の破損を防ぐため、ESD-safeフィラメント 9
  を使用。

• 例2: 高温環境下で使用する位置決め治具

• 高い耐熱性が必要となるため、PEEKフィラメント 12 やPEKKフィラメント 10 を使用。

• 例3: 柔軟性が必要な組立治具

• ワークに傷をつけずに固定するため、TPUフィラメント 8 を使用。

• 例4: 釣り用ルアー等のホビー用途の製作 13 14 15

• ルアーのボディを製作する際には、ABSフィラメントが適しています。13
• ルアーの可動部分やソフトプラスチック製のルアーには、柔軟性のあるフィラメントが適しています。14
• 水中で使用するルアーは、防水処理を行う必要があります。13

まとめ

治具製作に適した3Dプリンタ用フィラメントは、使用用途や環境によって異なります。PLAやABSのような汎用フィラメントから、PEEKやPEKKのような高機能フィラメントまで、様々な種類があります。

フィラメントを選定する際には、治具の種類、用途、使用環境に加えて、強度、耐熱性、柔軟性、寸法精度、コストなどを考慮する必要があります。本レポートで紹介したフィラメントの種類、特性、選定基準を参考に、最適なフィラメントを選定することで、高品質な治具を製作することが可能となります。

一般的に、治具製作には、強度と耐久性に優れたABS、PETG、ナイロンが適しています。しかし、高温環境や高負荷環境では、PEEKやPEKKのような耐熱性、耐薬品性に優れたフィラメントが必要となります。また、柔軟性が必要な場合は、TPUが適しています。

最終的には、個々の治具の要件に合わせて、最適なフィラメントを慎重に選択することが重要です。

引用文献

1. 3D Printer Filament Types: A Complete Guide(2024) – QIDI Tech、 https://qidi3d.com/blogs/news/3d-printer-filament-types-complete-guide
2. The Main 3D Printer Filament Types: Properties, Uses, and Selection Guide – Kingroon、 https://kingroon.com/blogs/3d-printing-guides/3d-printer-filament-types
3. Types of Filament for 3D Printing: The Ultimate Guide – Wevolver、 https://www.wevolver.com/article/3d-printer-filament-types-functional-filaments
4. The Complete Overview of 3D Printer Filament Types – All3DP、 https://all3dp.com/1/3d-printer-filament-types-3d-printing-3d-filament/
5. The Strongest 3D Printer Filament – All3DP、 https://all3dp.com/2/strongest-3d-printer-filament/
6. Most Durable 3D Printer Filament – Ankermake US、 https://www.ankermake.com/blogs/buying-guides/most-durable-3d-printer-filament
7. The Top 6 Most Heat-Resistant 3D Printing Filaments – Filamatrix、 https://filamatrix.com/the-top-six-most-heat-resistant-3d-printing-elements/
8. Types of 3D Printer Filaments – Dassault Systèmes、 https://www.3ds.com/make/solutions/blog/types-3d-printer-filaments
9. 9+ Filament Materials for 3D Printed Fixtures and Jigs – Nexa3D、 https://nexa3d.com/blog/9-filament-materials-for-3d-printed-fixtures-and-jigs/
10. Best Heat Resistant Filament Materials for 3D Printing、 https://www.filamentive.com/heat-resistant-filament-for-3d-printing-guide/
11. Heat-Resistant 3D Printing Materials Guide: Compare Processes, Materials, and Applications | Formlabs、 https://formlabs.com/blog/heat-resistant-3d-printing/
12. Heat resistant filaments : r/3Dprinting – Reddit、 https://www.reddit.com/r/3Dprinting/comments/15j8yoh/heat_resistant_filaments/
13. 3d Printer Lure Makers – Hard Baits – TackleUnderground.com – Tackle Building Forums、 https://www.tackleunderground.com/community/topic/36371-3d-printer-lure-makers/
14. 3D Printing and Fishing – Tacklemaking – Bass Fishing Forums – Bass Resource、 https://www.bassresource.com/bass-fishing-forums/topic/223363-3d-printing-and-fishing/
15. Just got my 3d printer. Planning on making fishing lures. Anyone else have experience doing that? – Reddit、 https://www.reddit.com/r/3Dprinting/comments/tc26wd/just_got_my_3d_printer_planning_on_making_fishing/