ABSフィラメントと3Dプリントについて知っておくべきことすべて

概要

エンジニアリングプラスチックとは、さまざまな用途で部品や筐体として使用される工業用熱可塑性樹脂を指します。高い強度、耐衝撃性、耐熱性、硬度、耐老化性など、優れた機械的特性を備えています。ABSプラスチックは現在、エンジニアリングプラスチック向けの3Dプリント材料として最も広く採用されているものの1つであり、優れた性能と低コストにより、FDM技術で選ばれる材料となっています。現在、ABS樹脂ペレットから押し出されるABSフィラメントが一般的に使用されており、その用途は、電子機器の筐体、自動車部品、家電製品など、ほぼすべての日用品、エンジニアリング用品、機械部品に及びます。この記事では、3Dプリンティングまたは積層造形におけるABS材料の特性、印刷適性、多様な用途について説明します。

ABSとABSフィラメントとは？

1990年頃に開発されたABSは、工業用3Dプリンターで使用された最初期のプラスチックの1つであり、溶融堆積モデリング技術で使用された最初の材料でもあります。ABSプラスチックは、アクリロニトリル（A）、ブタジエン（B）、スチレン（S）の3つのモノマーから合成されるターポリマーです。産業界で非常に一般的な熱可塑性ポリマーです。各成分の割合は、アクリロニトリルが15%~35%、ブタジエンが5%~30%、スチレンが40%~60%です。乳化法ABSで最も一般的な比率はA:B:S=22:17:61であり、バルク法におけるBの割合は通常より低く、約13%です。ABSは3つの成分それぞれの一般的な特性を備えており、それらの相対含有量を任意に変更することで、ABS材料の特性を変えることができます。

アクリロニトリル（A）はABSプラスチックの構成成分の1つです。アクリロニトリルは硬度、剛性、耐疲労性を付与し、荷重たわみ温度を高めます。また、耐薬品性と表面光沢も向上させます。

ブタジエン（B）は、特に低温下でABSに延性と耐衝撃性を付与します。ただし、ブタジエンの含有量が多すぎると、樹脂の硬度、光沢、溶融流動性が低下します。

スチレン（S）は、プラスチック、イオン交換樹脂、合成ゴムの製造に使用される重要なモノマーです。ABSでは、スチレンが熱可塑性樹脂の溶融加工性と、優れた電気特性を付与します。また、ABSに光沢があり、非浸透性の表面をもたらします。

したがって、ABS材料は、靭性、硬度、剛性を備えた材料の一種であり、原材料が容易に入手でき、特性のバランスが良く、低コストで、用途が広いという特徴があります。機械、電気・電子、繊維、自動車、航空宇宙、造船、化学工業などの産業で広く使用されています。

ABSフィラメントは、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）樹脂から作られる、3Dプリンター用の一般的なフィラメントです。3Dプリントを容易にするため、メーカーは特性を変える目的で他の材料を加えます。たとえば、SUNLUは、加熱チャンバーを備えていない3Dプリンターのユーザー向けに、3DプリントしやすいABSフィラメントを提供しています。

ABS材料の特性

ABS樹脂の特性が持つ汎用性は、複数の産業分野での普及に大きく貢献しています。コンピューターのキーボードキーからレゴブロックまで、ABS製品は世界中の家庭、商業施設、専門的な環境で広く使用されています。

1. 耐衝撃性：ABS樹脂は、優れた耐衝撃性で知られています。ABSにはエラストマー改質剤としてブタジエン-スチレンゴム共重合体が含まれており、分子鎖の移動によって衝撃エネルギーを吸収し、応力を分散できます。低温でもABS樹脂は高い衝撃強度を維持し、非常に靭性に優れているため、ひび割れや破損が起こりにくいという特長があります。このため、自動車のバンパーや安全ヘルメットなど、衝撃荷重に耐える必要がある用途でABS樹脂が幅広く使用されています。
2. 強度と剛性：ABSは、マトリックス中のブタジエン-スチレン共重合体の化学構造により、高い強度と剛性を示します。この構造は強固な分子間力によって相互に結び付いており、材料を強化しています。ABS樹脂の強度は、用途に応じて共重合体の比率を調整することで変更できます。ABS樹脂は高い剛性を示し、中程度の硬度と強度を持つエンジニアリングプラスチックに分類されます。ブタジエンの含有量と種類、および重合禁止剤の量を変更することで、剛性を調整できます。これにより、変形や反りに強く、優れた形状安定性を持つ部品を製造できます。
3. 耐熱性：ABS樹脂は優れた耐熱性を備えており、同重量クラスの他の熱可塑性樹脂よりも耐熱性に優れ、加熱・冷却を複数回繰り返しても耐えられるため、完全にリサイクル可能なプラスチックです。ABSの荷重たわみ温度は70~80°Cで、PCを加えてABS+を製造すると、製品の耐熱温度を約10℃向上させることができます。ABSは-20°Cでも優れた性能を発揮し、大半の用途で-20~80°Cの温度範囲で使用でき、比較的高温でも物理的・機械的特性を維持できます。
4. 耐薬品性：ABS樹脂は幅広い化学物質に対する適合性と耐性を備えており、一般的な無機・有機化学物質の多くに耐性があります。水、無機塩、アルカリ、各種酸の影響を受けにくく、一定範囲の化学物質に耐えて安定性と性能を維持できます。そのため、ABS樹脂は、耐薬品性が求められる化学工業、実験室設備、配管システムなどで広く使用されています。
5. 電気絶縁性：ABS樹脂は、電流の流れを効果的に防止できる優れた電気絶縁材料です。また、幅広い温度、湿度、周波数範囲で安定した電気特性を示すため、さまざまな使用環境で利用できます。そのため、ABSはソケット、スイッチ、絶縁パッドなど、電子機器や電気機器の絶縁部品に広く使用されています。
6. 加工性：ABSは優れた溶融加工性、熱成形性、生産性を備えており、さまざまな形状やサイズの部品の製造に適しています。射出成形によって複雑な部品に加工できるほか、押出成形によってパイプや異形材に加工でき、ブロー成形によってフィルムや容器にも成形できます。この加工性により、ABSはさまざまな設計要件に対応するためにメーカーが選択する主要な材料の一つとなっています。
7. リサイクル・再利用性：熱可塑性樹脂であるABSは、劣化することなく繰り返し溶融・再成形できます。溶融・再成形プロセスによって材料をリサイクルし、バージン材と同等の特性を持つ再生ABS樹脂を製造できます。利用率が高く、より環境に優しい材料です。ABSのリサイクル性は廃棄物と環境への影響を最小限に抑え、再生材料の使用によるコスト削減にもつながります。

上記の特性に加えて、ABS樹脂にはいくつかの制限があることにも注意が必要です。

1. 耐候性の限界：ABS樹脂は耐候性を示しますが、高温や紫外線に長期間さらされると、時間の経過とともに変色、表面劣化、物性の低下が生じる可能性があります。この場合、安定剤や保護コーティングを使用することで、ABSの耐候性を高めることができます。
2. 環境保護：ABS樹脂は燃焼時に、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素、シアン化水素などの有害化合物を生成します。燃焼中、ABS樹脂はCOやスチレンなどの有毒ガスを大量に放出し、健康や環境に危険を及ぼします。可燃性が問題となる用途では、一般にABS樹脂の代替として難燃剤または本質的に難燃性を備えたポリマーが必要です。ABSは有用な特性を示しますが、燃焼性があり、燃焼時に有毒ガスを放出するため、難燃剤やその他の耐火性プラスチックを使用しない場合、その用途は制限されます。

まとめると、ABS樹脂は多くの工業分野や消費者向け分野で広く使用されるさまざまな特性を備えています。ただし、ABS製品を設計・使用する際は、耐候性と燃焼性の限界を考慮し、具体的なニーズに応じて適切な改善策を講じる必要があります。

3DプリントにおけるABSとPLAの比較

ABSプラスチックは3Dプリントの主要素材の一つであり、3Dプリント素材の中でも最も安定した素材です。3Dプリント用のフィラメントとして使用できるのは、その特性によるものです。一般的に使用される3Dプリント素材であるPLAとABSは、熱的特性、機械的特性、化学的特性に大きな違いがあります。一方、PLAは生分解性ポリマーであり、ABSは石油由来ですがリサイクル可能です。どちらも、リサイクル可能であることや再生可能資源を利用することで、環境に配慮した特性を示しています。PLAと比べて印刷は難しいものの、ABSプラスチックは優れた耐衝撃性により、3Dプリントで広く利用されています。

3DプリントにおけるABSとPLAの違いは何ですか？

SUNLUのABSとPLAを例にすると、どちらの素材も熱可塑性であり、加熱によって軟化し、冷却すると硬化するポリマーである点が共通していますが、大きな違いもあります。原材料については、PLAがトウモロコシやサトウキビなどの有機資源から作られるのに対し、ABSは一般的なプラスチックの多くと同様に石油から作られます。より具体的には、PLAはトウモロコシ、キャッサバ、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイの搾りかすなどを原料とする発酵植物デンプンから作られます。そこから糖を乳酸に変換し、さらに重合してポリ乳酸にします。一方、ABSはアクリロニトリル、ブタジエン、スチレンという3種類のモノマーで構成されています。両者の組成は大きく異なるため、3Dプリント時にも違いがはっきり現れます。たとえば、PLAの印刷時はほぼ無臭ですが、ABSの印刷時には揮発性有機化合物が発生し、やや刺激的な悪臭が生じます。

SUNLU ABSとPLAの比較

原産地の違いだけでなく、SUNLU ABSとPLAは、3Dプリントのしやすさや用途を決める特性にも大きな違いがあります。SUNLU ABSとPLAを分ける重要な特性の一つが耐熱性です。SUNLU ABSはガラス転移温度が高い一方、PLAははるかに低い温度で溶融するため、耐熱性があるとはみなされません。そのため、PLAのプリント製品は通常の室温での使用にのみ適しています。一方、ABSのプリント製品はより優れた耐熱性を持ち、高温環境でも使用できます。

ABSフィラメントはPLAより優れていますか？

一般的に、より強靭で優れた機械的特性を持つ材料をお探しなら、PLAよりもSUNLU ABSが賢い選択です。耐熱性とより高い荷重たわみ温度を備えているだけでなく、PLAよりも耐衝撃性、耐久性に優れ、軽量です。2つの材料の引張強度は同程度ですが、ABSはPLAよりわずかに低くなります。ABSは曲げ強度が高く、破断時の伸びにも優れているため、破損せずに変形できる延性が向上し、一般的に産業分野でより多く使用されています。ABSに加えて、ナイロン材料も産業分野で広く使用されています。PAは優れた凝集性を持ち、粒子が均一な球状微粉末に成形しやすいため、金属粉末やセラミック粉末の結合剤として使用でき、SLS技術による印刷に直接使用することもできます。本質的に、これらの性能比較は、SUNLU ABS材料がより脆いPLAよりも柔軟性に優れていることを意味します。こうした特性により、SUNLU ABSは3Dプリント、射出成形などの業界で高く評価されています。

3Dプリントパラメータ

3DプリントにおけるABSの推奨印刷パラメータ（SUNLU ABSを例に説明）

• 印刷温度：SUNLU ABSの推奨ノズル温度は通常250°C-260°です。温度が低すぎると3Dフィラメント 材料の溶融が不十分になって断線したり、印刷層同士の密着性が低下したりする可能性があります。温度が高すぎるとABSの劣化や熱酸化が促進され、印刷物にバリや亀裂が生じます。そのため、3Dプリンターの具体的な条件に応じて、印刷温度を適切な範囲に調整してください。
• ヒートベッド温度：3Dプリント中のABS樹脂の反りを防ぐため、ヒートベッドの温度は80°C-110°に設定する必要があります。これにより、印刷層とヒートベッドの密着性が向上し、印刷物の平坦性と安定性が確保されます。ヒートベッドの温度が高すぎると、ABSが熱変形し、印刷精度に影響します。
• 印刷速度：印刷速度を適切に下げると、印刷層同士の密着性と製品表面の品質を向上させられます。一般的に、SUNLU ABSフィラメントの印刷速度は40mm/s-60mm/sに設定できます。同時に、押出ヘッドの移動速度や輪郭速度を調整することで、印刷効果をさらに最適化できます。
• 層厚と充填率：印刷層の厚さと充填率の選択は、印刷製品の強度、精度、表面品質に影響します。層を薄くすると精度と表面仕上げが向上しますが、印刷速度と強度が低下する可能性があります。一般的に、層厚は0.1mm-0.3mmの範囲に設定できます。充填率は、製品の実際の用途と強度要件に応じて調整する必要があり、一般的な充填率は20%から100%の範囲です。

SUNLU ABS 3Dプリンティングに関する注意事項：

ABSは固有の特性により、印刷時に特定の要件があります。SUNLU ABSフィラメントで印刷する際の重要な注意事項は以下のとおりです。

1. 密閉型プリンター：ABSは熱膨張係数が大きいため、大きな温度変化にさらされると反りやひび割れが発生しやすくなります。密閉されたプリントチャンバーは安定した温度を維持し、反りのリスクを最小限に抑え、印刷品質を向上させます。
2. プリント面の準備：ベッドへの密着性を高めるため、適切な接着面を備えたヒートベッドを使用するか、ヘアスプレーやABS専用のスティックのりなどの接着剤をプリント用ヒートベッドに塗布することを推奨します。これにより密着性が向上し、反りのリスクを低減できます。
3. 換気：ABSは加熱時に有害なガスを発生させる可能性があります。ABSで印刷する際は、安全な作業環境を確保するため、十分な換気を行うか、排煙システムを使用することが重要です。または、活性炭フィルターを備えた専用エンクロージャーを使用して、これらのガスへの曝露を最小限に抑えることも検討してください。
4. 冷却：他の一部の材料とは異なり、ABSで最も一般的な問題は、ブリッジ部分や欠損が発生しやすいことです。冷却が速すぎると、ABSが過度に収縮し、底面の層が反り、中央部分が破損します。冷却ファンは控えめに使用するか、リスクを軽減するため完全にオフにすることができます。
5. フィラメントの乾燥：ABS樹脂は湿気を吸収しやすいため、印刷中の気泡やひび割れなどの問題を避けるため、使用前に乾燥剤入り容器で乾燥させる必要があります。ABS素材は約80°Cで少なくとも2時間乾燥させることを推奨します。
6. サポート構造：オーバーハング構造、大きな傾斜、複雑な形状を持つモデルには、印刷中の安定性を確保するため、一時的なサポート構造を追加できます。印刷後、サポート構造は手作業または溶剤で除去できます。
7. 後処理：ABS樹脂製3Dプリント部品の表面仕上げと外観品質を向上させるため、研磨、溶剤研磨、塗装などの後処理を行うことができます。さらに、ホットメルト浴やオーブンなどによる二次熱処理によって、プリント品の結晶性と寸法安定性を向上させることができます。

3DプリンティングにおけるABSの用途：

ABS素材は優れた性能を持つため、さまざまな産業や分野で広く使用されています。主な用途には以下が含まれます。

プロトタイピング:

ABSは、多くのエンジニアリングプラスチックの特性を再現できるため、ラピッドプロトタイピングによく使用されます。高価な量産工程に移行する前に、設計の機能テストと検証を行うことができます。

自動車部品:

ABSは、機械的強度、耐衝撃性、さまざまな温度に耐える能力を備えているため、内装トリム、ダッシュボード、ブラケット、ハウジングなどの自動車部品の製造に広く使用されています

電子機器筐体:

ABSは、剛性と耐衝撃性に加えて電気絶縁性も備えているため、電子機器の筐体に最適です。

消費財:

ABSは、玩具、キッチン用品、装飾品などの消費財の製造によく使用されます。汎用性、耐久性、再加工の容易さにより、これらの用途で人気の高い素材です。

機能部品:

優れた機械的特性と繰り返し荷重に耐える能力を備えているため、ABSはギア、ベアリング、固定具などの機能部品の製造に使用できます。

教育・アート:

ABSの汎用性と後加工性により、アーティストやデザイナーはABSを使って彫刻、アートインスタレーション、独創的な芸術作品を制作しています。

工業生産:

ABSは、機能部品、治具、治具、工具の製造など、工業生産工程で使用できます。強度、耐久性、中程度の熱に耐える能力により、さまざまな産業用途に適しています。

医療・ヘルスケア:

ABSは、カスタム義肢、装具、医療機器の試作品の製造に医療分野で使用されています。耐久性と滅菌が可能な特性により、特定の医療用途に適した材料です。

航空宇宙:

ABSは、試作や軽量部品、航空機キャビン内装、UAV（無人航空機）部品の製造に航空宇宙産業で使用されています。

結論:

ABS素材は現在、生産量が最も多く、最も広く使用されているポリマーです。ABSは、ポリスチレン（PS）、アクリロニトリル・スチレン共重合体（SAN）、ポリブタジエンゴム（BR）の機械的特性を組み合わせ、靭性、硬度、剛性の最適なバランスを実現しています。強度、耐久性、耐熱性、リサイクル性を兼ね備えているため、ABSは幅広い用途に適しています。3Dプリントにおいて、ABS素材はその優れた特性を十分に発揮し、高品質・高性能な造形部品を実現します。同時に、3Dプリント技術の継続的な発展と革新に伴い、SUNLU ABSフィラメントのような優れた3Dプリント材料は、今後この分野でさらに幅広い応用が期待され、業界に不可欠な材料となるでしょう。

執筆者: Jennie Jones