3Dプリンターフィラメント種類別選定ガイド　強度・耐熱・印刷温度

FDM(熱溶解積層式）３Dプリンター用のフィラメントは多くの材質・種類があり、印刷した３Dモデルの用途に応じた耐久性、曲げ強度、耐熱性・印刷できる３Dプリンターの温度設定、必要な機能などがフィラメントの材料ごとに異なります。これから３Dプリンターで何か作るときのフィラメント選定の参考として一覧にまとめました。

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3Dプリンターのフィラメントとは

3Dプリンターのフィラメントは主にFDM（熱溶解積層方式）の３Dプリンターで使われる材料で糸状の樹脂。紙に印刷するプリンターで言うインクの役割を果たすものを言います。フィラメントはスプール（リール）と呼ばれる糸巻きに巻かれた状態で１個のスプールあたり１kgで販売されているのが一般的です。
FDMの３Dプリンターはフィラメントを溶かしてノズルから押し出してモデルをプリントしますが、樹脂は溶けると液状になるのでノズルが移動するときプリントしない部分ではフィラメントを押し出していなくてもノズルから流れ出てしまいます。プリントしない場所ではフィラメントを引き戻す動作（リトラクション）をすることで樹脂がノズルから流れ出るのを防ぐため、材料はペレットではなく糸状（フィラメント）になっています。

フィラメントの直径は1.75mmと2.85mmの２種類

世界で最も普及しているのは直径1.75mmフィラメントを使用する３Dプリンターですが、歴史的には直径2.85mmの方が古くUltimaker製の３Dプリンターなどでは2.85mmが採用されています。2.85mmのフィラメントは太さがあるので強度があり、絡まったり詰まりにくく、太いノズルへの供給に効果的です。また、1.75mmはより普及しているので価格の安さ、入手性、材質の種類の豊富さでは1.75mmの方が有利になります。

フィラメント１kgに対する長さは？

直径1.75mmのフィラメントでおおよそ330mです。
正確にはフィラメントの直径と材質ごとに比重が違うため、下記の表を海外サイトから引用させてもらいました。

空のフィラメントのスプール（リール）の重量は？

１KG用のスプールでおおよそ２４８gです。
以上から使いかけのフィラメントの重量から残りの長さが算出できます。

３Dプリンターフィラメントの選定方法

所有している３Dプリンターで印刷できるフィラメントの種類を確認

まず、大前提として所有している３Dプリンターで印刷できるフィラメントの種類が選択肢になります。フィラメントの種類によって印刷時のノズル温度、ヒートベッド、エンクロージャー（囲い）、ダイレクトドライブエクストルーダー等の必要有無が異なります。フィラメントの種類によってはそもそもお手元の３Dプリンター本体が印刷に対応していない、若しくは改造が必要なものがありますので確認する必要があります。

印刷のし易さで選ぶ

印刷のし易さだけで選べば、ノズル温度が低くヒートベッド無しでベッドに良く定着できるPLAがおすすめです。

プリントした物を使用する環境の温度で選ぶ

この動画はPLA,PETG,ABS,ASA,ナイロンの５種類のフィラメントで印刷したモデルを車の中やオーブンに入れて周囲の熱に耐えられるかをテストしています。
社内に置いた結果はPLAは完全に変形してしまい、PETGが若干の変形、その他ABS,ASA,ナイロンは変形しなかったと言うものでした。車の中で使うものはPLAは使用できません。フィラメントの選定は印刷したものを使用する場所の温度に耐えられるか考慮する必要があります。

フィラメント材質の硬さ、軟性、強度で選ぶ

例えば小物入れはフィラメントを選ばず作れますが、スマホケースを作るときははめ込む時にケースを歪めてスマホをはめ込む必要があるので柔らかいフレキシブルのフィラメントが適しています。３Dプリントでバネやゼンマイのようなものを硬いPLAでプリントすると動かした時に割れてしまうので軟性のあるPETGやABSを選ぶと曲げたり縮めたりしてもすぐに割れることがありません。

フィラメントの色、質感で選ぶ

単純にフィラメントの色だけでもたくさんの種類がありますが、金属のようなシルク調、カーボンファイバーや木が混ざったもの、艶消しのマット調フィラメントなど印刷したあとの質感が樹脂とは思えないフィラメントが販売されています。特に艶消しマットのフィラメントは手触りがよく、３Dプリンターをお持ちの方に一度は試していただきたいくらいです。

フィラメントの価格・入手性で選ぶ

アマゾンで１kgのフィラメントではこのPRILINE PLA「1699円」が最安です。
※2022年1月現在

３Dプリンターフィラメントの種類別の特徴

参考：SIMPLIFY3D

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

ABSは３Dプリントの世界で長い歴史があり、産業用３Dプリンターで初めて使われたプラスチックの一つがABSでした。何年も経った今でも、ABSは低コストで非常に人気のある素材であり、その靭性と耐衝撃性で知られていて多用途で摩耗に耐える耐久性のある部品を印刷できます。オモチャで有名なLEGOのブロックも同じ理由でABSから作られています。屋外または高温となる環境での使用も有効です。

Flexible（TPU, TPE)

フレキシブルフィラメントは硬質プラスチックとゴムを混ぜ合わせたTPE（Thermoplastic Elastomers）でできています。弾力性があり、プラスチックを伸ばしたり曲げたりすることができます。TPEにはいくつか種類があり、３DプリントではTPU（Thermoplastic Polyurethane）が一般的に使用されています。フィラメントの弾力性は製造元の素材の配合によって異なるため、ブランドによって車のタイヤのように硬さのある柔軟であったり、ゴムバンドに近い完全に柔軟なものなど特性が変わります。

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PLA（Polylactic Acid）

３Dプリントで最も一般的なフィラメントの種類がPLAです。低い温度でヒートベッド無しで印刷が可能なため、安価な３Dプリンターや初心者でも比較的簡単に印刷することができます。トウモロコシやサトウキビなどの作物から由来する成分で作られています。生物分解、再生可能で現在最も環境に優しい３Dプリンターの材料と言えます。

HIPS（High Impact Polystyrene）

HIPSはリモネンと呼ばれる溶剤によく溶ける材料です。ノズルが２個搭載し２種類のフィラメントが印刷可能なプリンターでABSのサポート材の印刷に一般的に使用されています。サポート材としての役割のみならず、ABSより寸法が安定しており僅かながら軽量であるため、軽くて耐摩耗性の必要な部品の材料に適しています。

PETG（Glycol Modified Polyethylene Terephthalate)

PETGはペットボトルで使われているPETにグリコールを配合したものです。低コストで耐衝撃性に優れていますが、表面は柔らかく摩耗しやすい材料です。また熱特性にも優れており、十分に冷却することでほとんど反りが無い印刷が可能です。エンクロージャーが無くとも印刷できるので若干耐熱性は劣りますがABSより簡単に印刷できます。

ナイロン（Nylon）

ナイロンはプラスチック製品で一般的で靭性と柔軟性があることで知られています。本来ナイロンは印刷するのに約250℃のノズル温度が必要ですが、いくつかのブランドでは薬品を配合することで約220℃で印刷できるフィラメントがあります。多くの３Dプリンターが250℃まで温度が上がらないため、低温タイプが便利でホットエンドをアップグレードせず印刷できるかもしれません。ナイロンフィラメントは吸湿性があるため、吸湿したフィラメントで印刷すると印刷品質が落ちるため保管には注意が必要です。

カーボンファイバー（Carbon Fiber Filled)

炭素繊維であるカーボンファイバーはベースのプラスチック材料と混ぜ合わせることでその材料の特性を向上できます。PLA、PETG、ナイロン、ABS、ポリカーボネートなどとカーボンが混ぜ合わされたフィラメントが販売されています。ダイヤモンドが最も硬い石であるのと同様に炭素から作られるカーボンファイバーを混ぜ合わさることで強度と剛性を高めることができ、繊維が印刷後の冷却時に部品が収縮するのを防ぐ役割を果たすので軽量かつ安定した寸法で印刷することができます。しかし、繊維が含まれるため詰まりの原因になる可能性があり、特殊なハードウェアが必要になる場合があります。

ASA (Acrylic Styrene Acrylonitrile)

ASAは３Dプリントできる材料としてABSに近い特性の素材です。 もともとは、配合に使用するゴムの種類を変更することで耐紫外線性を高めるABSの代替品として開発されました。 ASAは、高い耐衝撃性、高い耐熱性とABSより印刷し易い材料として知られています。 紫外線や過酷な気象条件に対する優れた耐性により、ABSの代わりに屋外用途で一般的に使用されています。 そのことからASAは、ABSで見られるのと同じ印刷時の多くの欠点があります。反りは依然として一貫した問題であり、プラスチックが印刷中に放出する煙は有害であると考えられているため考慮する必要があります。

PC ポリカーボネート（Polycarbonate）

ポリカーボネートは過酷な環境にも耐えられる高強度素材です。非常に高い耐熱性と耐衝撃性があります。150℃の高温でもたわみが起きず、構造を維持することができるため高温の環境での使用に適しています。また、破損することなく曲げることができ、多少の柔軟性が必要な部品でよく使用されます。入手可能なほとんどのポリカーボネートフィラメントには、フィラメントを低温で印刷できるようにする添加剤が含まれているため、各ブランドの印刷温度等を確認してください。ポリカーボネートは非常に吸湿性が高く、吸湿してしまうと印刷品質に影響があるため、保管には密閉された容器に保管するなど注意が必要です。

PP　ポリプロピレン（Polypropylene）

ポリプロピレンは半硬質で軽量のため、主に梱包材料の用途として一般的です。ポリプロピレンで３Dプリントされた部品は冷却時に大きく反るため、印刷が非常に難しい素材です。丈夫で耐疲労性に優れているため、繰り返し折曲がる動作をするヒンジ部分やストラップ、ベルトなどの用途に最適です。

金属配合 (Metal Filled)　メタルフィラメント

実際の金属を配合したメタルフィラメントは鉄、銅、青銅、真鍮、ステンレス綱などを粉末状にした鉄粉が含まれています。鉄粉の割合はフィラメントのブランドにより異なり、フィラメントの重量もプラスチックのものに比べて重くなります。金属を配合したフィラメントは印刷時にノズルから押し出されるため摩耗性が高く、真鍮のノズルだと柔らかすぎてすぐに摩耗してしまうため硬質ノズルが必要です。シルクなど金属のような見た目のフィラメントもありますが、実際の金属が配合されることによって見た目だけでなく、重量や触感が金属に近い部品に仕上がります。

木質　ウッドフィラメント（Wood Filled)

木材を配合したウッドフィラメントはPLAベースの材料に木粉、コルクやその他粉末状の木材を組み合わせた材料です。通常、木粉は約30％程度の配合ですが、フィラメントのブランドにより異なります。木粉はカーボンファイバーや金属に比べると粒子が非常に柔らかいため摩耗性も低くなります。印刷時には木が焦げたような匂いが感じられ、手触りが木に近い部品を作ることができます。

PVA（Polyvinyl Alcohol）

PVAは水に溶けるサポート材用のフィラメントです。複雑な形状や空洞のあるモデルを印刷する際のサポート材として有効で、温水に漬けることで簡単に溶かすことができます。ノズルを２個搭載し、２種類のフィラメントを印刷できるプリンターでPVAのサポート材と部品をフィラメントを分けて一緒に印刷することで効果的です。