FDM 3D印刷で使われるナイロンの種類

ナイロン（ポリアミド、PAとも呼ばれる）は熱可塑性ポリマーの一群で、FDM方式の3Dプリントにおいて強度、柔軟性、耐摩耗性が評価される材料です。魅力的な機械的特性を持つ一方で、ナイロンフィラメントは高い印刷温度、反りやすさ、吸湿性の強さなどにより印刷が最も難しい素材の一つです。FDM印刷向けに配合された複数のナイロン種があり、それぞれが造形品質、機械的性能、扱いやすさに影響する特徴を持ちます。

PA6（ナイロン6）

PA6はFDM印刷で最も一般的に使われるナイロンの一つです。引張強度が高く、耐衝撃性に優れた頑丈な材料であり、機能部品や機械部品に適しています。しかし、PA6は空気中の水分を素早く吸収し、適切に乾燥されていないと気泡や層間接着不良を引き起こすことがあります。また、加熱ベッドと密閉チャンバーで印刷しないと強い反りが生じやすいです。典型的な押出温度は250°C〜270°Cです。アニーリング後は結晶化が進み、寸法安定性と耐熱性が向上します。

PA66（ナイロン66）

PA66は組成はPA6に似ていますが、融点がやや高く（約260°C）なります。これによりPA6より剛性、耐摩耗性、耐熱性が優れます。荷重下でのクリープが少なく、精密な機械部品で良好な性能を発揮します。PA6同様に高い吸湿性と印刷時の反り易さがあり、フィラメントの乾燥、加熱ベッド（約80°C〜100°C）、およびエンクロージャが必要です。材料はアニーリング後にかなり硬化しますが、その後湿気にさらされると延性と耐衝撃性が高まります。

PA12（ナイロン12）

PA12は一般的なエンジニアリンググレードのフィラメントで、分子鎖が長く水分吸収が低い点でPA6やPA66と異なります。これにより寸法安定性が高く、反りの問題が少なく印刷しやすいです。典型的な押出温度は240°C〜260°Cです。PA12は高い耐衝撃性、非常に良好な耐薬品性、他のナイロンより柔軟性が高いことを提供します。水分吸収が少ないため、湿潤環境でも寸法精度を長く保ちます。PA12の耐熱性は約180°Cで、アニーリングによるさらなる結晶化と靭性向上に良く反応します。

PA612（ナイロン612）

PA612はPA6とPA12の特性を組み合わせた材料です。PA6より吸湿が少なく、PA12より剛性が高いという特性を提供します。その結果、機械的強度と安定性のバランスを要求される用途に適した材料となります。PA6やPA66より印刷しやすく反りにくいです。PA612部品は表面が滑らかで脆くなりにくく、美観部品と機能部品の両方に汎用的に使用できます。耐熱性は中程度で、一般にPA66より低くPA12より高いです。

その他のナイロンブレンドおよび複合材料

一部のナイロン配合は複数のポリアミド種を混合したり、特定の目的を狙った添加剤を含んだりします。特に繊維強化ナイロンが人気で、カーボンファイバーやガラスファイバーの補強により剛性、強度、寸法安定性が向上し、収縮や反りが低減します。これらの添加剤は印刷中の熱変形を抑え、表面仕上げの改善にも寄与します。ただし、繊維充填フィラメントはより研磨性が高く、硬化ノズルの使用が必要です。

印刷の課題

ナイロンを成功裏に印刷するには高い押出温度（通常240°C〜280°C）、加熱ベッド、および周囲温度の管理が必要です（Polymakerのナイロンを使用しない限り）。ナイロンは本来吸湿性があり水分を吸収すると押出時に蒸気ポケットが発生し、表面のピッティングや層間接着の弱化を招きます。フィラメントは常に乾燥状態に保ち、理想的には密封容器やフィラメントドライヤーに保管してください。反りも大きな問題で、冷却中にナイロンが強く収縮するためです。

反りに対処するため、PolymakerはWarp Free Technologyを開発しました。これは冷却中の内部応力を緩和するよう材料配合を最適化する技術であり、これにより開放フレームのプリンターでも大きなナイロン部品を反りや層剥離のリスクを低くして印刷できるようになります。

アニーリングと水分の影響

ナイロン部品のアニーリングは結晶化を促進し、構造強度、剛性、および耐熱性を向上させます。完全に結晶化した部品は荷重下や高温下でより良好に性能を発揮します。しかし時間の経過とともに部品が水分を吸収するとポリマー鎖の可動性が増し、延性と耐衝撃性が高まる一方で剛性は低下します。このトレードオフにより、ナイロンは靭性とわずかな柔軟性を必要とする部品に適応しやすくなります。

まとめ

各ナイロン種は、印刷のしやすさ、機械的性能、環境安定性の間で異なるバランスをもたらします。PA6とPA66はより高い剛性と耐熱性を提供しますが、より難しい印刷性を伴います。一方でPA12やPA612はより扱いやすく吸湿に強いです。強化ナイロンは反りや機械的限界にさらに対処します。適切な乾燥、温度管理、およびWarp Free Technologyのような高度な配合の利用により、ナイロンはFDM 3Dプリントで耐久性があり機能的な部品を製造するための最も有能な材料の一つであり続けます。