[3Dプリンティングの知識] カーボンファイバー印刷材料の初心者向けガイド：PLA-CF、PAHT-CF、PET-CF、PETG-C

3Dプリント材料について議論する際、通常は印刷適性と機械的特性に基づいて評価します。印刷適性は、材料が3Dプリントに適しているかどうかを判断する重要な要素であり、印刷製品の最終的な外観と寸法精度に影響を与えます。機械的特性は見落とされがちですが、材料が特定の用途に適しているかどうかを判断する上で重要な役割を果たします。

ドローン、レーシングカー、あるいは機械部品などを印刷する場合、製品には剛性（変形に対する耐性）、強度（損傷に対する耐性）、靭性（衝撃破壊に対する耐性）、耐高温性（変形することなく高温に耐える能力）といった基本的な機械的特性が求められます。印刷材料のこれらの機械的特性は非常に重要であり、特定の環境における印刷製品の寿命を大きく左右します。機械的特性が優れているほど、製品はより幅広い用途でより厳しい要求に応えることができます。優れた機械的特性を持つ材料は、高性能材料と呼ばれます。

市場に出回っている3Dプリンターの価格と性能の限界により、高性能材料への注目は比較的低かった。Bambu Lab X1シリーズは、一般的な高性能材料に完璧に対応し、より優れたソリューションを提供する。さらに、Bambu Labは、プリンター、造形材料、造形パラメータを含む多次元システムソリューションを提供することで、ユーザーが3Dプリントならではのユニークな体験を楽しめるよう努めている。

カーボンファイバーとは何ですか？

高性能材料を製造するための一般的な解決策は、ポリマーマトリックスに繊維を注入することです。コンクリートに鉄筋を追加するようなものだと想像してみてください。鉄筋がないとコンクリートの機械的特性は低下し、外力によってひび割れが生じやすくなります。高強度の鉄筋を追加することで、コンクリートは外力に強い構造に生まれ変わります。3Dプリント材料の機械的特性を繊維で強化する場合にも、同じ原理が当てはまります。鍵となるのは、基材内に封入された高強度繊維です。

炭素繊維は、ガラス繊維やケブラー繊維と並んで、最も人気のある強化繊維の一つです。炭素繊維は非常に細い炭素材料であり、高剛性、高強度、軽量、耐薬品性、耐高温性といった優れた機械的特性を備えています。これらの特性から、航空宇宙、軍事、モータースポーツ、競技スポーツなど、様々な分野で高い需要があります。しかしながら、製造の難しさや高コストが、大規模な応用を阻んでいます。

3Dプリント炭素繊維材料

もし3Dプリント素材がカーボンファイバーの機械的特性の一部を備えていたら、多くの業界にとって画期的な出来事となるでしょう。現在の業界では、カーボンファイバーを細断し、3Dプリント基板と一緒に押し出して最終的な3Dプリント素材を作成しています。

3Dプリントされた基板とカーボンファイバーを組み合わせたハイブリッド3Dプリント材料のメリットとデメリットは何でしょうか？メリットとしては、優れた機械的特性（剛性、強度など）、高い耐熱性、高い寸法精度、そしてカーボンファイバーの美観などが挙げられます。しかし、これらの改善効果は、カーボンファイバーを添加する基板によって大きく異なることは明らかです。大幅に改善されるものもあれば、わずかな改善しか見られないものもあります。この違いは基板自体に直接関係しており、機械的特性が大幅に向上したカーボンファイバー材料は高性能カーボンファイバー材料と呼ばれます。そうでない場合は、エントリーレベルのカーボンファイバー材料と見なされます。

一般的な炭素繊維材料

これまで、カーボンファイバー3Dプリント材料は、外観と機械特性を改善できるものの、印刷が容易ではないと考えられてきました。しかし、PLA、PETG、PAなどの基板にカーボンファイバーを添加すると、その改善度合いは異なります。Bambu Labは、その特性と性能に基づいて、主に高性能カーボンファイバー材料とエントリーレベルのカーボンファイバー材料に分類しています。まずは、Bambu Labが取り扱う2つの高性能カーボンファイバー材料についてご紹介します。

PA-CF
PA-CFはナイロンをベースとした炭素繊維材料です。ナイロンは最も一般的なエンジニアリングプラスチックの一つであり、優れた機械的特性を有しています。射出成形により、ギアや自動車部品などの産業用途に広く使用されています。この材料に炭素繊維を添加すると、その機械的特性は大幅に向上します。

幸いなことに、PA-CFは3Dプリントにも適しており、プリントされた材料の総合的な性能は通常のPLAプリントをはるかに上回り、3Dプリント用の最も一般的な高性能材料の1つとなっています。しかし、ナイロン素材には大きな欠点があります。それは吸水性が高く、3Dプリントプロセス中に湿気に非常に敏感になるということです。ナイロンが水を吸収すると、フィラメントや漏れなどの欠陥が発生しやすくなり、目詰まりやプリントの失敗につながる可能性があります。さらに、ナイロンプリントは水を吸収すると強度と剛性が低下しますが、靭性は増加します。この欠点により、Bambu Labではプリントに使用する際に材料を徹底的に乾燥させ、密閉された環境で保管する必要があります。


実際、PA（ポリアミド）材料には様々な種類があり、それぞれ特性が大きく異なります。3Dプリントにおいて最も一般的に使用されるPAの種類には、PA6、PA12、そして一部の特殊ナイロン材料などがあります。PA6は優れた機械的特性を有していますが、最大の欠点は吸水率（約3%）で、PA12（約0.3%）よりもはるかに高いことです。しかし、乾燥条件下では、PA12の機械的特性はPA6に匹敵せず、また両者の間には大きなコスト差があります。つまり、優れたPA-CF（炭素繊維強化ポリアミド）配合は、機械的特性、吸水率、コストの3つの要素を総合的にバランスさせることが不可欠です。

Bambu Labは、低吸水性と高耐熱性を実現するよう特別に配合されたPA-CFフィラメントを発売しました。また、 AMS自動供給システム（関連記事： 【3Dプリンティングニュース】Bambu Lab AMS解説！多色印刷の秘密！ ）によるスムーズな印刷を実現するために、剛性を最適化した設計となっており、印刷用サポート材として最適です。Bambu LabはこれをBambu PAHT-CFと名付けました。

まとめると、Bambu PAHT-CFはAMS用途に適しており、最も包括的な機械的特性、低吸水性、高温耐性を備えています。これは、産業用治具、クランプ、自動車部品、ドローン部品などの分野に適用可能な多機能で高性能な炭素繊維材料であり、日常生活における厳しい用途要件を容易に満たします。

PET-CF
Bambu Lab は、特定の作業条件下でのユーザーの極めて高い剛性要件を満たすために、PAHT-CF よりも高い剛性を持つ炭素繊維材料を導入することを目指しました。これが Bambu PET-CF です。

Bambu PET-CFは、主にPET（エーテル系ポリマー）とCF（炭素繊維）で構成されています。PETは結晶性プラスチックで、ペットボトルや自動車部品などの産業で広く利用されており、高い機械的特性、耐熱性、耐薬品性を備えています。PETに炭素繊維を添加することで、特に剛性を中心とした機械的特性が大幅に向上します。さらに、PET-CFはナイロン炭素繊維に比べて吸水率が非常に低い（約0.3%）ため、印刷物は湿気にさらされてもほぼ同等の機械的特性を維持できます。そのため、多湿環境にも適しています。

PET-CFの欠点は、比較的脆く、層間接着強度が低いことです。この問題に対処するため、Bambu LabはBambu PET-CFの配合を調整し、Z軸衝撃強度を約4.5 kJ/m²に向上させました（市販の他のPET-CF製品の約2～3 kJ/m²と比較）。これらの欠点は、適切な印刷プロセスと使用条件によっても軽減できます。例えば、PET-CF構造部品を使用する場合は、層間接着方向に力を加えないようにし、過度の衝撃や衝突を避けることが最善です。これにより、PET-CFの利点を最大限に引き出し、欠点を最小限に抑えることができます。

まとめると、Bambu PET-CFは剛性が高く、吸水性が非常に低く、層間接着力が比較的弱いため、やや脆いという欠点があります。用途に応じて、これら2つの高性能材料のいずれかを柔軟に選択できます。AMS対応電線を使用する必要がある場合は、PET-CFはAMSと互換性がないため、PAHT-CFが最適です。Bambu PET-CFとBambu PAHT-CFの性能比較を下図に示します。

PAHT-CFとPET-CFの比較

以下のセクションでは、Bambu Labがエントリーレベルのカーボンファイバー素材として、Bambu PLA-CFとBambu PETG-CFをご紹介します。これらは、より幅広いユーザーのカーボンファイバー印刷ニーズに応えるものです。カーボンファイバーを添加しても、PLAやPETG基板の性能は大幅に向上しません。しかし、通常のPLAやPETGと比較すると、カーボンファイバーを添加することで、印刷のしやすさと美観を保ちながら、わずかに強度と剛性が向上すると考えられます。PLA-CFとPETG-CFはどちらもAMS印刷に使用できます。

PLA-CF
Bambu PLA-CFは、PLAに匹敵する印刷性能を維持しながら、製品の美観を大幅に向上させる、つや消しカーボンファイバーテクスチャを備えたフィラメントです。印刷体験をさらに最適化するために、Bambu Labはカーボンファイバー含有量を減らし、高速印刷でも目詰まりが発生しないようにしました。カーボンファイバー含有量は高性能カーボンファイバー素材ほど高くはありませんが、それでも通常のPLAと比較して剛性が30％以上向上しています。さらに、カーボンファイバーは印刷中の収縮変形を抑制し、印刷精度を向上させます。PLA-CFの欠点は、カーボンファイバーが層間結合強度に影響を与える可能性があることです。しかし一方で、このフィラメントを使用して印刷したサポート構造は分解しやすい可能性があります。

まとめると、Bambu PLA-CFはPLAよりも高い剛性と寸法精度、マットなカーボンファイバーの質感、そして容易な印刷を特徴としています。主に小型ガジェット、機能プロトタイプ、剛性が求められる構造部品の印刷など、日常的な用途に適しています。一般的なPLAと比較した性能は以下の通りです。

PETG-CF
もう一つのエントリーレベルの炭素繊維材料は、Bambu PETG-CFです。これは主にPETGとCFで構成され、光沢のある炭素繊維の質感を持っています。その機械的特性はPET-CFのレベルには達していません。PETGの主な違いは、「G」がエチレングリコールであることです。PETGはPETをエチレングリコールで変性したもので、少量のエチレングリコールを共重合モノマーとして含んでいます。エチレングリコールの添加によりPETGの結晶性が低下し、透明性が向上しますが、強度と剛性も低下します。

PETGにカーボンファイバーを添加しても、強度と剛性はわずかに向上します。PLA-CFと比較すると、剛性はそれほど高くないため、靭性は優れています。さらに、層間接着強度も優れています。PLA-CFは剛性が高いため、特殊なケースでは印刷に失敗する可能性がありますが、PETG-CFにはそのようなリスクはありません。印刷体験の点では、PLA-CFよりもわずかに優れている可能性があります。PETG-CFは耐水性、耐紫外線性、耐候性にも優れているため、屋外環境にさらされても耐久性が高く、劣化や経年変化が少ないと考えられます。

まとめると、Bambu PETG-CFは優れた強靭性、層間接着強度、耐熱性を備えており、屋外での使用に適しています。また、光沢のあるカーボンファイバー仕上げで、印刷も容易です。より高い強靭性と層間接着強度が求められる印刷物には、Bambu PETG-CFをご検討ください。より高い剛性が求められる印刷物には、Bambu PLA-CFをお選びください。

PETG、PETG-CF、PLA-CFの比較

カーボンファイバー素材といえば、一般的に黒を連想します。Bambu Labは、PLA-CFやPETG-CFといったエントリーレベルのカーボンファイバー素材において、より幅広いカラーバリエーションをご用意しており、用途の多様性を高めています。


詳細な仕様については、ケーブル ガイドと各ケーブルの特定のTDS および MSDS ファイルを参照してください。

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