1本の炭素繊維、複数の基材、無限の可能性！eSUNマテリアルアカデミー解説

3Dプリンティング技術がプロフェッショナルな用途へと拡大するにつれ、単一ポリマー材料の強度、寸法安定性、耐熱性における限界がますます明らかになってきた。実用化のニーズに応えるため、炭素繊維強化複合材料は、FDM 3Dプリンティングにおける最も代表的な高性能材料の一つとなっている。

炭素繊維強化材料はなぜこれほど「強い」のか？

炭素繊維（CF）は、高い比強度、高い弾性率、低い熱膨張係数を有しています。短炭素繊維を熱可塑性マトリックス（PA、PETG、PEEKなど）に導入すると、次のような利点が得られます。

強度と剛性の向上：炭素繊維は一般的なポリマーよりもはるかに高い弾性率を持ち、複合材料の曲げ弾性率を大幅に向上させます。曲げ応力下では、高強度の炭素繊維が主要な荷重支持要素として機能し、亀裂の伝播や材料の破損を効果的に防止します。

耐熱性の向上と反りの低減：炭素繊維は高い熱伝導率を示し、ポリマーの膨張を抑制するため、印刷時の収縮や反りを効果的に低減します。炭素繊維を添加することで、複合材料の熱変形温度が上昇し、特にPETやPAなどの結晶性材料においてその効果が顕著です。

eSUNカーボンファイバーシリーズ材料選定ガイド

3Dプリント材料を選ぶ際には、通常、プリントへの適応性と機械的性能という2つの重要な要素を考慮する必要があります。プリントへの適応性は、完成品の表面品質、反りの抑制、プリント成功率に直接影響し、一方、機械的性能は、その材料が実用的な用途に使用できるかどうかを決定づけます。

印刷の難易度に関して：

PLA-CF、PETG-CF、ABS-CFは比較的簡単に印刷できるが、ナイロンベースの炭素繊維材料はより高度な印刷技術を必要とする。

性能特性に関して：

PET-CFは、最も強度が高く、優れた耐薬品性と焼鈍後の高い熱変形温度を有するため、高温高湿環境における高強度用途に適しています。

PA-CFは、優れた強度、耐衝撃性、耐熱性、耐薬品性を備えています。しかし、ナイロン素材は吸湿性があるため、PA-CFはエンジン部品、燃料ライン部品、コネクタ、ギア、ベアリングなど、高温かつ高耐久性が求められる環境に適しています。

PA12+CFは機械的強度こそ最高レベルではないものの、強度、靭性、安定性のバランスが絶妙で、あらゆる用途に対応できる万能素材と言える。また、耐衝撃性、軽量性、低吸湿性にも優れており、ドローン、航空宇宙機器、スポーツ用品などに最適である。

eSUNカーボンファイバーシリーズの材料分類と概要

様々な基材に炭素繊維を添加することで、性能向上度合いは異なります。eSUNの炭素繊維シリーズ材料は、その特性と使用シナリオに応じて、エントリーレベルとプロフェッショナルレベルの2つのカテゴリーに分類されます。

1. エントリーレベルの炭素繊維強化3Dプリンティング材料

PLAとPETGは、一般的な消費者向け3Dプリンティング材料です。少量の炭素繊維を添加することで、強度と剛性が向上し、印刷ツール、機能プロトタイプ、剛性の高い構造部品などに適した材料となります。

プロ仕様のカーボンファイバー素材とは異なり、PLA-CFとPETG-CFは印刷が容易で、多様なユーザーニーズに対応できるよう幅広いカラーバリエーションが用意されています。

PETG本来の耐候性を活かし、PETG-CFは屋外や湿度の高い環境など、より幅広い用途に対応できます。

2. プロ仕様の炭素繊維強化3Dプリント材料

eSUNは、一般的なPLAやPETGに加え、PET-CF、ABS-CF、PA-CF、PA12+CFといった一連の炭素繊維強化3Dプリント材料を発売した。

ABSは一般的なエンジニアリングプラスチックです。炭素繊維を添加することで、ABS-CFは強度、耐熱性、変形しにくさが向上します。また、ABS-CFは軽量性も特長です。同じモデルの場合、ABS-CFで造形した製品はPLA-CFよりも13%、PET-CFよりも25%軽量です。

印刷に苦労しているユーザーも心配する必要はありません。カーボンファイバー素材は反りを大幅に軽減し、寸法精度を向上させます。

PETは、プラスチックボトルや自動車部品などに広く使用されており、高い機械的性能、優れた耐熱性、耐薬品性を備えている。

炭素繊維を添加することで、機械的特性が大幅に向上します。現在、PET-CFはeSUNの炭素繊維複合材シリーズの中で最も強度と剛性に優れた材料です。

さらに、PET基材の特性に基づくと、PET-CFは吸湿性が低いという特長も備えています。印刷性に関しては、習得に多少の時間はかかりますが、高い印刷精度を実現します。

要約すると、PET-CFは耐熱性、耐蒸気性、構造安定性を兼ね備え、過酷な高温高湿環境に適しています。具体的な用途としては、高温配管やコネクタ、高温・耐蒸気性機器、高温治具、自動車エンジン部品などが挙げられます。

※ご注意：耐熱性を向上させるため、プリントしたモデルを焼きなまし処理することをお勧めします。

PA-CFおよびPA12+CFは、ナイロンを基材として開発された炭素繊維強化材料であり、高強度と耐熱性を兼ね備え、優れた自己潤滑性、耐疲労性、耐衝撃性を有しています。

同時に、炭素繊維の添加により、両者とも優れた寸法安定性と反り防止特性を備えており、機械産業や自動車産業など、構造部品の強度と耐久性に対する要求が高い用途に対応できる。

違いについて：PA-CFは一般的なナイロンを基材として使用しており、より高い剛性と耐熱性を備えています。一方、PA12+CFはナイロン12を基材として使用しており、吸水性が低く、寸法安定性に優れ、耐候性も強化されています。

PA-CFは、高い強度と耐熱性が求められる機械部品に適しています。一方、PA12+CFは、軽量性と環境適応性に優れています。

eSUNカーボンファイバーシリーズ材料の印刷ガイドライン

1.正常な印刷と最適な機械的特性を確保するため、すべての炭素繊維材料において印刷前に乾燥することをお勧めします。

2. カーボンファイバー素材は研磨性があるため、硬化鋼製のノズルを使用することをお勧めします。

3. カーボンファイバー素材は硬く、破損しやすい性質があります。そのため、過度に長いボーデンチューブや急な曲がりは避けてください。また、AMSの使用は推奨されません。

炭素繊維強化3Dプリンティング材料は、機能的なプロトタイプの製作に重要なだけでなく、徐々に小ロットから中ロットの最終製品生産にも導入されつつあります。「高強度、高剛性、低熱膨張」という特性を持つこれらの材料は、積層造形の将来的な産業化にとって不可欠な材料システムとなるでしょう。

炭素繊維複合材の3Dプリント材料に関するご要望やご提案がございましたら、お気軽にお問い合わせください。