3Dプリンターでは、樹脂素材をはじめとした様々な素材で造形物を出力することができる。

樹脂素材にも複数の種類があり、素材によって強度や耐久性・柔軟性などが大きく変わってくる。また、樹脂以外のナイロンや石膏・金属なども、3Dプリンターで出力可能な素材だ。

3Dプリンター初心者の中には、3Dプリンターの出力にどのような素材を使えば良いのか迷っている方もいるだろう。

この記事では、3Dプリンターで使用できる素材の種類から、用途別におすすめの樹脂素材を解説する。

3Dプリンターの素材とは

3Dプリンターでは、ABS樹脂やPLA樹脂などをはじめとした、樹脂素材を出力して造形物を形成する。

文書や写真を印刷する一般的なプリンターで使用するインクの代わりに、3Dプリンターでは樹脂素材などを出力することで立体物を造形することが可能だ。

3Dプリンターでは、3Dモデルのデータを用いて立体物を造形できるため、製品の試作品や部品だけではなく、実用可能な製品の出力も可能となっている。

近年では、3Dプリンターに使用できる素材の種類も幅広くなっており、樹脂素材だけではなく、ナイロンや金属などで出力することもできる。

出力品の仕上がりは使用する素材によって大きく異なるので、色々な素材を試してみて、理想とする仕上がりに近い素材を探して欲しい。

造形方式によって利用できる素材が変わる

 3Dプリンターに使用できる素材は、プリンターの造形方式によっても変わってくる。なので、使用したい素材によっては、プリンター選びから検討する必要がある。

ここでは、主な3Dプリンターの造形方式について紹介しよう。

熱溶解積層方式（FDM/FFF）

熱溶解積層方式の3Dプリンターでは、樹脂フィラメントを溶解させて層を積み上げて、造形物を出力する。

FDM/FFF方式の3Dプリンターは、3Dプリンターの中では主流の造形方式となっており、求めるスペックや価格に応じて幅広い選択肢から3Dプリンターを選べるのも魅力だ。

ABS樹脂やPLA樹脂などの樹脂フィラメントが素材として用いられる。

光造形

光造形方式の3Dプリンターでは、液状の3Dプリンター用レジンに紫外線を当てて、レジンを硬化させることで造形する。

光造形方式の3Dプリンターでは、さらにレジンの硬化方法で3つの造形方式がある。

・SLA方式：レーザーでレジンを点で硬化させる方式

・DLP方式：プロジェクターでレジンを面で硬化させる方式

・LCD方式：LCDパネルでレジンを硬化させる方式

硬化の方式によって、造形精度や価格に違いがあるので、目的に応じて3Dプリンターを選んで欲しい。

光造形方式の3Dプリンターでは、アクリル・エポキシのレジンを素材として用いる。ABSのような性質を持つABSライク、ゴムのような性質を持つゴムライクなど、レジンの種類が豊富な点も光造形方式の3Dプリンターのメリットと言える。

インクジェット

インクジェット方式の3Dプリンターは、プリンターヘッドから紫外線で硬化する樹脂などを噴射・積層させて造形物を出力する。

家庭用のプリンターなどにも用いられるインクジェットプリンターと似た仕組みとなっており、インクの代わりに液状樹脂などを噴射する点が特徴だ。

微細な液状素材を噴射して造形していくため、加工精度が高く、精密な造形物を作ることができる。また、フルカラーでの造形も可能となっている。

インクジェット方式の3Dプリンターでは、主に光硬化製の液体樹脂が用いられる。

レーザー焼結

レーザー焼結方式は「粉末焼結積層造形方式（SLS）」とも呼ばれ、敷き詰めた粉末材料をレーザーで一層ずつ焼結させ、積層して造形していく方式だ。

レーザー焼結方式では、高強度・高強度での造形が可能となっており、プロトタイプの造形だけではなく製品の造形にも耐えうるクオリティを持つ。

従来、レーザー焼結方式の3Dプリンターは数千万円と高価で、一部の企業でしか利用できなかったが、近年では低価格化が進み、個人用の3Dプリンターでもレーザー焼結方式の製品が発売されている。

使用できる素材も幅広く、ナイロンや金属・セラミックなど、様々な素材を利用できる点もメリットだ。

3Dプリンターで利用できる素材

3Dプリンターで利用できる素材は、プリンターの造形方式によっても変わる。

主な造形方式別に、使用できる素材は以下の通りだ。

使用する素材によって、出力品の強度や耐久性、透明度や弾力性などが変わるため、理想の仕上がりの造形物を出力するためには、適した特徴を持った素材を選択する必要がある。

ここでは、3Dプリンターで利用できる各種素材の特徴を紹介する。

ABS樹脂

ABS樹脂は、耐衝撃性・耐熱性・耐寒性・耐薬品性に優れ、電子部品の筐体や建材などにも用いられる素材だ。

加熱すると軟化し、冷却すると再び硬化する性質から、FDM/FFF方式の3Dプリンターで一般的に用いられる。切削性も良く、サンドペーパーでの研磨や塗装も可能で、多彩な造形物の出力に使用可能だ。

反面、硬化する過程で収縮する性質があることから、高い寸法精度が求められる造形には向かない。

PLA樹脂

PLA樹脂は、植物のデンプンから生成された植物由来の樹脂で、石油由来のABSに代わる素材として注目された自然還元可能なプラスチック素材だ。

PLA樹脂は比較的低い温度で溶解するため、出力品の温度差による歪みが生じにくいメリットがある。また、溶解時の臭いも少ないため、プラスチックが溶ける臭いが苦手な方にもおすすめできる。

ただし、仕上がりは硬く、サンドペーパーなどでの研磨は難しくなっています。

アクリル樹脂

アクリル樹脂は、合成樹脂の1つで高い透明度を持つ樹脂素材だ。透明度が高く、ガラスの代わりに利用したり、観賞魚用の水槽に利用されることもある。

液状のアクリル樹脂は紫外線による硬化が早く、光造形方式3Dプリンターのレジンや、インクジェット方式の3Dプリンターに用いられる。

アクリル樹脂は吸水性や耐熱性に難があり、造形後に変形が生じやすい点には注意したい。

エポキシ樹脂

エポキシ樹脂は、接着剤や塗料の原料に用いられる合成樹脂素材。寸法安定性・耐薬品性・電気絶縁性に優れているため、電子機器の基盤に用いられることも多い。

液状のエポキシ樹脂は紫外線で硬化するが、硬化の速度は遅く、光造形方式の3Dプリンターに使用される際には、2液式で硬化剤などと混合して使用される。ただし、紫外線の照射を停止しても硬化反応が継続するため、扱いにはコツが必要だ。

ナイロン

ナイロンは「ポリアミド樹脂」とも呼ばれる合成繊維の一種。衣類やバッグにも一般的に使用される身近な素材だ。

粉末状のナイロンはレーザー焼結方式の3Dプリンターで造形することが可能で、高強度、かつ柔軟性の高い造形物を出力できる。

ナイロンの粒子は細かく、多孔質の素材なため、表面がザラザラした触感になる点も特徴だ。

石膏パウダー

石膏パウダーは、粉末接着方式の3Dプリンターに用いられる素材で、3Dプリンター用の材料の中でも安価な素材の1つ。

造形物には塗装も可能なため、模型・フィギュアの原型確認などに用いられる。ただし、造形物は耐久性が弱く、製品の出力には利用できない。

金属

レーザー焼結方式の3Dプリンターでは、粉末の金属素材を使用して造形することも可能だ。

金属の造形物を出力できるため強度・耐久性は高く、試作だけではなく、最終製品としての出力にも使用できる。

ただし、レーザーで焼結する際に熱での歪みが発生するため、出力できる形が限定される。

3Dプリンターで使用する素材の選び方

3Dプリンターで出力される造形物の仕上がりは、使用する素材によって大きく変わってくる。

また、3Dプリンターの出力方式によって、使用できる素材が異なるため、利用できる素材の選択肢の中で理想の仕上がりを得られる素材を選択する必要がある。

ここでは、3Dプリンターで使用する素材を選ぶ際のポイントを解説しよう。

必要な造形精度や強度

出力品の造形精度や強度は、使用する素材に大きく影響する。出力の目的が試作品なのか製品なのかによって、使用する素材を変えるようにしよう。

既存の製品にも多く用いられているABS樹脂は、強度が高く、耐久性にも優れているため、製品の出力にも適している。ただし、冷却時に収縮する特性があるため、高い造形精度が求められる際には不向きであると考えられる。

高い造形精度が求められる場合、アクリルやエポキシなど、光造形方式の3Dプリンターで出力可能な素材が適しているケースもある。

また、石膏パウダーは耐久性が低く、製品出力には向かないが、安価で使用できるため造形の確認などに使用する際にはコストパフォーマンスの高い素材だ。

造形物に着色をするか

造形物に着色をするかどうかによっても、素材選びの選択肢は変わってくる。

PLA樹脂は造形精度も高く使いやすい素材だが、塗料の定着性は低く、造形後の塗装には向いていない。

また、インクジェット方式の3Dプリンターを使えば、出力の時点でフルカラーでの出力を行うことも可能だ。

フィラメントやレジンによっては、色付きの素材もラインナップされているので、パーツ分けして色ごとに出力して色を表現する方法もある。

石膏パウダーも塗装には適した素材のため、造形物のイメージを確認するにはうってつけの素材。

造形物を研磨する必要があるか

造形物の仕上げの方法によっても、使用する素材は変わる。

切削性の高さは使用する素材によって異なる。PLA樹脂は硬く、サンドペーパーなどでの研磨には向かないため、造形後の研磨による加工には向かない。

造形物を研磨して滑らかに仕上げたい場合、ABS樹脂やアクリル・エポキシなどの切削性の高い素材を選択するようにしよう。 

サポート材を活用しよう

3Dプリンターで造形物を出力する際には、サポート材を上手に活用することがポイントとなる。

サポート材は、空中に浮いた構造の造形物を支えるほか、構造物の反りや型崩れを抑える役割がある。ほとんどの3Dプリンターでは、造形物とサポート材は同一の素材で一緒に出力されるため、サポート材も含めたデータの造形が必要だ。

ただし、サポート材は造形後に除去して破棄される。高価な素材を使用して、サポート材をふんだんに使ったデータで出力してしまうと、コストパフォーマンスは悪くなってしまう。

また、サポート材を除去する際の手間も、使用する素材によって異なるため、サポート材の除去まで考えた設計を心がけたい。

押出ノズルが2本付いたFDM方式の3Dプリンターの場合、造形に使用する素材とサポート材に使用する素材を分けられる。比較的安価な素材をサポート材に使用できるほか、「溶液サポート材」は水溶性のため、サポート材の除去の手間を大幅に軽減できる。

サポート材を大量に使用する造形物を出力する場合、押出ノズルが2本付いたデュアルヘッドの3Dプリンターの導入も検討しよう。

3Dプリンターの素材は造形方式・３Dプリンターの相性で選ぼう

3Dプリンターで使用できる素材は、プリンターの造形方式によって変わる。

また、使用する素材によって、出力品の強度や耐久性、そして透明度や弾力性が変わるので、造形物によって素材を使い分けることが重要だ。

同じ素材を使用した場合でも、3Dプリンターと素材によって相性の合う・合わないがあることも少なくない。必ずしも純正品を使う必要は無いが、3Dプリンターとの相性も考慮して素材を選ぶようにしておこう。

弊社のSK本舗のホームページでは、素材別の出力の違いなども動画で確認できるので、3Dプリンターの素材選びに活用して欲しい。