3Dプリンターの普及が進む中、造形方式ごとにそれぞれ異なる多様な材料が登場しています。適切な材料を選択することで、造形精度や耐久性が向上し、用途に応じた高品質な出力が可能になります。
本記事では、FFF方式（熱溶解積層方式）だけでなく、光造形方式（SLA/DLP/LCD）、粉末焼結方式（SLS/PBF）、インクジェット方式の材料についても詳しく解説し、それぞれの特性や適した用途について紹介します。
3Dプリンターの造形方式
3Dプリンターには複数の造形方式があり、それぞれ異なる材料が使用されます。どの方式を選ぶかは、用途やコスト、造形精度、耐久性などの要素によって決まります。以下では、代表的な造形方式とそれぞれに適した材料について詳しく解説します。
FFF/FDM方式（熱溶解積層方式）
FFF/FDM 方式（熱溶解積層方式）は、一般的に広く使用されている3Dプリント技術の一つです。この方式は、加熱されたノズルから溶かしたフィラメントを押し出し、層ごとに積み重ねることで造形します。家庭用から業務用まで幅広く採用されており、手頃な価格で導入できる点が魅力です。
- 概要：熱で溶かしたフィラメントを積み重ねて形状を形成する手法
- PLA樹脂、ABS樹脂、PETG樹脂、ナイロン樹脂、炭素繊維含有フィラメントなど
- 特徴：
- 扱いやすく家庭用3Dプリンターにも対応
- 多種多様なフィラメントが使用可能
- 標準的な強度や耐久性を備えた造形が可能
SLA/DLP/LCD方式（光造形方式）
SLA/DLP/LCD方式は、液体樹脂を使用し、光を照射することで硬化させながら精密な造形を行う技術です。一般的に、滑らかな表面仕上げが求められるプロトタイピングや細部にこだわる造形物の製作に適しています。特に、宝飾品や歯科分野、精密部品の試作に広く活用されています。
- 概要：液体の光硬化樹脂（レジン）を紫外線で硬化させながら造形
- 主な材料：スタンダードレジン、強化レジン、フレキシブルレジン、キャスタブルレジン、バイオレジン
- 特徴：
- 高精細な造形が可能
- 滑らかな表面仕上げ
- 強度が低めでUV劣化の可能性あり
SLS/PBF方式（粉末焼結方式）
SLS/PBF方式は、粉末状の材料をレーザーで焼結・溶融することにより、高い強度と耐久性を持つ造形物を作成する技術です。特に、航空宇宙、自動車、医療機器など、精度と耐久性が求められる分野での活用が進んでいます。また、従来の削り出し加工では難しかった複雑な形状の部品も、サポート材なしで造形できる点が大きな特長です。
- 概要：粉末材料をレーザーで焼結・溶融しながら積層する方式
- 主な材料：
- SLS（選択的レーザー焼結）：ナイロン樹脂、TPU樹脂、ガラス繊維入りナイロン樹脂など
- PBF（粉末床溶解結合）：アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金、コバルトクロム合金
- 特徴：
- 高い強度と耐久性
- サポート材不要で複雑形状の造形が可能
- 付帯設備が多く業務用向け
インクジェット方式
インクジェット方式は、液状の樹脂を微細なノズルから噴射し、UV光を照射しながら硬化させることで造形を行います。特に、高精細なカラー表現や異なる材料を組み合わせた造形が可能であり、試作品やデザイン用途での活用が進んでいます。
- 概要：液体樹脂をインクジェットヘッドで噴射し、UV硬化しながら積層
- 主な材料：フルカラー樹脂、マルチマテリアル樹脂、シリコンライク樹脂
- 特徴：
- フルカラー造形が可能
- 高精細な造形ができる
- 強度が低めでUV劣化の可能性あり
主要な3Dプリンター材料の種類と特徴
3Dプリンターで使用される材料には、さまざまな種類が存在し、それぞれに特性があります。
材料の選択は、プロジェクトの成功に直結する大切な要素であり、目的や用途に応じて慎重に検討する必要があります。
例えば、環境に配慮したい場合は生分解性のあるPLA樹脂が適しており、強度や耐熱性を重視する場合はABS樹脂や炭素繊維含有フィラメントが理想的です。一方、柔軟性や弾力性が求められる用途ではTPE樹脂やフレキシブルフィラメントが活躍します。
また、特殊な用途に対応する材料も多く開発されており、ナイロン樹脂やPETGのように耐久性と加工性を兼ね備えたもの、ASA樹脂のように温度や屋外環境に適応できるものなどがあります。
これらの材料の特徴を理解し、プロジェクトに適した材料を選ぶことで、製品の性能や仕上がりが大きく向上します。
以下の表では、主要な材料とその特徴を比較していますので、参考にしてください。
価格帯の目安は、★の数が多いほど高価であることを示しています。
| フィラメントの種類 | 概要 | 長所 | 短所 | 主な用途 | 価格帯の目安 |
| PLA樹脂 | 植物由来の生分解性プラスチック | 環境に優しく、収縮が少ないため造形しやすい | 耐熱性や耐衝撃性が低い | 試作品、教育用モデル、装飾品 | ★★☆☆☆ |
| ABS樹脂 | 一般的なプラスチック製品に広く使用される素材 | 高い強度と耐衝撃性、耐熱性を持つ | 造形時に高温が必要で、反りが発生しやすい | 自動車部品、玩具、電子機器の外装 | ★★☆☆☆ |
| 炭素繊維（カーボンファイバー）含有フィラメント | 炭素繊維を配合した複合材料 | 高い強度と剛性、耐熱性を持つ | 高価で、対応する3Dプリンターが限られる | ドローン部品、スポーツ用品、工業部品 | ★★★★★ |
| ナイロン樹脂 | 高い耐久性と柔軟性を持つ合成樹脂 | 耐摩耗性、耐薬品性に優れる | 吸湿性が高く、造形が難しい | 機械部品、歯車、工具 | ★★★☆☆ |
| PETG樹脂 | PETを改良した素材 | 耐熱性と靭性、透明性が高い | 造形時に高温が必要で、セッティングが難しい | 医療機器、照明カバー | ★★★☆☆ |
| TPE樹脂 | ゴムのような弾性を持つ熱可塑性エラストマー | 柔軟性と弾性が高い | 造形が難しく、特定のプリンターが必要 | スマートフォンケース、シール、グリップ | ★★★★☆ |
| PPGW樹脂 | ガラス繊維を含むポリプロピレン | 高強度で耐薬品性、耐熱性がある | 造形が難しく、収縮が大きい | 工業部品、化学容器、ヒンジ | ★★★☆☆ |
| SMP樹脂 | 形状記憶ポリマー | 特定の温度で形状を変えることが可能 | 温度管理が難しい | 医療デバイス、アクチュエーター、スマートテキスタイル | ★★★★☆ |
| ASA樹脂 | 耐候性を持つプラスチック | 耐候性、耐衝撃性、耐熱性に優れる | 造形時に反りが発生しやすい | 屋外看板、車両部品、スポーツ用品 | ★★★☆☆ |
| エンジニアリングプラスチック | 高性能な工業用プラスチック | 高強度、耐熱性、耐薬品性を持つ | 高価で、造形が難しい | 機械部品、電気部品、航空宇宙部品 | ★★★★★ |
| フレキシブルフィラメント | 柔軟性のある材料 | 弾性と柔軟性が高い | 造形速度が遅く、設定が難しい | ウェアラブルデバイス、シール、試作品 | ★★★★☆ |
| PEI樹脂 | 高性能な熱可塑性プラスチック | 高い耐熱性、耐薬品性、難燃性を持つ | 高価で、造形が難しい | 航空宇宙部品、医療機器、電子部品 | ★★★★★ |
| PEEK樹脂 | 超高性能な熱可塑性プラスチック | 極めて高い耐熱性、耐薬品性、機械的強度を持つ | 非常に高価で、特定のプリンターが必要 | 航空宇宙部品、医療インプラント、油田機器 | ★★★★★ |
| 光硬化性樹脂（レジン） | 光によって硬化する液体樹脂 | 高精細な造形が可能 | 光源に敏感で、取り扱いに注意が必要 | 歯科モデル、ジュエリー型、フィギュア | ★★★★☆ |
| アルミニウム合金 | 軽量で耐食性の高い金属素材 | 軽量、高い耐食性、熱伝導性が優れる | 強度が他の金属より劣る、機械加工が必要な場合がある | 航空機部品、自動車部品、電子機器 | ★★★★★ |
| ステンレス鋼 | 錆びにくく強度の高い合金 | 耐食性が高い、機械的強度が優れる | 比較的重い、造形時間が長くなることがある | 医療機器、食品加工機械、工具 | ★★★★★ |
| チタン合金 | 高強度で軽量な金属 | 優れた強度対重量比、耐食性、生体適合性が高い | 高価、加工が難しい、専用の設備が必要 | 医療用インプラント、航空宇宙部品、レーシングパーツ | ★★★★★ |
| ニッケル基超合金 | 高温環境に耐える特殊合金 | 極めて高い耐熱性、耐酸化性、強度が高い | 高価、造形が難しく特定の環境が必要 | 航空機エンジン部品、発電タービン、化学プラント | ★★★★★ |
| シリコン | 光によって硬化する液体樹脂 | 高精細な造形が可能 | 光源に敏感で、取り扱いに注意が必要 | 歯科モデル、ジュエリー型、フィギュア | ★★★★☆ |
材料選びのポイント
3Dプリントで狙い通りの造形を実現するためには、適切な材料選びが欠かせません。造形方式ごとに対応する材料が異なり、それぞれの特性を理解した上で選択することが重要です。3Dプリンターの仕様や用途に応じて、より適した材料を選びましょう。
造形方式に適した材料の選択
3Dプリンターの造形方式によって、使用可能な材料が制限されます。それぞれの方式に適した材料を把握することで、精度の高い造形や耐久性の向上が期待できます。
- 熱溶解積層（FFF）方式：フィラメント状の樹脂を熱で溶かして積層するため、液体や粉末材料は使用できません。比較的扱いやすく、多くのユーザーに利用されています。
- 光造形（SLA/DLP/LCD）方式：紫外線で硬化する液体樹脂を使用する方式で、滑らかで高精細な造形が可能です。
- 粉末焼結（SLS/PBF）方式：粉末状の材料をレーザーで焼結・溶融する方式であり、耐久性や強度を求める用途に向いています。
目的や用途に応じた選択
造形する物の特性や使用環境に合わせて材料を選ぶことで、期待通りの仕上がりを得られます。
- 細部まで精密な造形が求められる場合 → 光造形方式（SLA/DLP/LCD）の液体樹脂が適しています。繊細なディテールが必要なジュエリー型や歯科模型などに向いています。
- 高い強度や耐熱性が必要な場合 → 粉末焼結方式（SLS/PBF）の金属材料が適しています。エンジン部品や航空機パーツなど、高負荷のかかる用途に活用されています。
- コストを抑えつつ幅広い用途に対応したい場合 → 熱溶解積層（FFF）方式の汎用樹脂（PLA樹脂・ABS樹脂など）が適しています。試作品や日常的なツールの作成に便利です。
造形方式と材料の特性を理解し、用途に適した組み合わせを選ぶことで、より効率的で高品質な3Dプリントを実現できます。
材料の取り扱い方法
適切な保管や取り扱いを行うことで、3Dプリントの品質を維持しやすくなります。材料ごとに特性が異なるため、それぞれに合った管理が大切です。
保管方法
●熱溶解積層（FFF）方式の材料：湿気を吸収しやすく、放置すると品質が低下するため、 ご使用の3Dプリンター専用の設備や乾燥剤を入れた密閉容器で保管するのが望ましい
●光硬化樹脂（SLA/DLP/LCD方式、インクジェット方式）：紫外線に反応しやすいため、直射日光を避け、温度や湿度が安定した暗所で管理することが必要。
●粉末状の材料（SLS/PBF方式）：湿気や外部の粉塵の影響を受けやすいため、清潔で温湿度管理が行き届いた環境で保管すると良い。
●インクジェット方式の材料：UV硬化型インクを使用するため、温度・湿度の変化による劣化を防ぐことが重要。空気に触れると揮発しやすいため、密閉容器に入れ、メーカー指定の温度範囲で保管することが推奨される。
プリント時の注意点
●熱溶解積層（FFF）方式：材料によって温度が異なり、特にABSなどの樹脂は高温で造形する必要がある。一方で、PLAは比較的低い温度でも安定した出力が可能。
●光造形（SLA/DLP/LCD）方式：紫外線による硬化時間の調整が重要で、設定が適切でないと変形や未硬化の部分が生じることがある。
●粉末焼結（SLS/PBF）方式：レーザーの出力やスキャン速度を適切に調整しないと、焼結の強度が不均一になり、造形の精度に影響を与える可能性がある。
●インクジェット方式：UV硬化型インクを使用するため、インクの粘度や塗布量の管理が精度に直結する。
照射時間や波長の調整を誤ると、未硬化部分が発生しやすくなる。
造形後の仕上げ処理
●熱溶解積層（FFF）方式：サポート材を丁寧に除去し、ヤスリがけや塗装を施すことで、より滑らかな仕上がりにできる。
●光造形（SLA/DLP/LCD）方式：造形後にサポート材を丁寧に除去し、イソプロピルアルコール（IPA）を使用して洗浄し、十分にUV硬化させることで強度を向上させる。
●粉末焼結（SLS/PBF）方式：余分な粉末を取り除き、表面を研磨することで仕上がりの品質を高められる。
●インクジェット方式：余分な材料を除去し、必要に応じて追加の硬化処理を行う。
UV硬化型インクを使用する場合は二次硬化を施すことで強度と耐久性を向上させる。
材料ごとの適切な取り扱いを意識することで、安定した品質の3Dプリントが可能になります。
まとめ：3Dプリンターを使用するなら「3D-FABs」
本記事では、材料の種類や特徴、選び方について詳しく解説しましたが、実際に導入する際には、さらに実践的なサポートが求められることもあります。初めて3Dプリンターを導入する方や、業務での活用を検討している方にとって、3Dプリンターをいきなり購入するのはハードルが高いと感じる場合には、「3D-FABs」の利用がおすすめです。
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