3Dプリントされた樹脂の強度はどれくらいか？

2026年8月31日 | 読了時間：6分

積層造形（AM）に取り組むエンジニアにとって、材料強度は単一の数値だけで評価できるものではありません。材料強度は、設計、造形方向、肉厚、充填率、積層間の接合強度、そして使用する3Dプリンティング材料など、さまざまな要素が相互に作用することで決まります。 湿度や紫外線への曝露といった環境条件も機械特性に影響を与えるため、十分な検討が必要です。こうした環境要因は引張強度や硬度を変化させる可能性があり、その影響の度合いは材料メーカーによっても異なります。そのため、実際の用途に応じた評価・検証を行うことが重要です。

樹脂の造形プロセス条件と部品設計が適切に組み合わさることで、3Dプリント部品は多くの従来工法で製造された部品と同等に、高い荷重や振動、高温環境に耐えることができます。衝撃強度を向上させる炭素繊維強化材料から、高温環境下でも優れた性能を発揮するPAEK系材料まで、現在では、軽量化、機能向上、耐久性向上を実現するための多様な材料選択肢が用意されています。 また、適切な3Dプリンターと用途に適した材料を組み合わせることで、樹脂材料から優れた強度と構造健全性を備えた機能部品を製造することが可能です。

3Dプリント部品の強度を左右する主な要因

優れた構造性能は、材料選定、造形パラメータ、部品形状、造形方向の4つの要素が相互に作用することで実現されます。これらを単なる制約条件として扱うのではなく、設計変数として活用することで、想定される荷重や使用環境に応じた性能最適化を実現できます。

EOSでは、エンジニアが材料特性を正確に比較・評価できるよう、取り扱うすべての樹脂材料についてベンチマーク評価を実施しています。当社の比較表によると、植物由来材料であるPA 1101は約50 MPaの引張強度を実現しています。一方、柔軟性の高いEOS TPU 1301は250％の破断伸びと優れた衝撃吸収性を備えています。材料の化学組成は性能の上限を決定する重要な要素であり、機械特性と耐久性を最大限に引き出すためには、用途に適した材料選定が不可欠です。

造形条件は、材料が本来持つ特性を最終製品へ反映させるうえで重要な役割を果たします。例えば、肉厚や外壁数を増やすことは、単に充填率を上げるよりも大きな強度向上効果をもたらす場合があります。なお、選択的レーザー焼結（SLS）の充填率は100％です。例えば、充填率を50％から80％に高めるよりも、外壁数を2層から4層へ増やしたほうが、重量の増加を抑えながら高い耐荷重性を実現できる場合があります。また、適切な充填率や充填パターンを選択することで、重量、耐衝撃性、全体強度のバランスをさらに最適化できます。さらに、積層厚や造形温度を最適化することで、積層間の接合強度が向上します。これは、特に繰り返しの応力が加わる機能部品において、材料性能を最大限に引き出すための重要な要素です。

積層造形向け設計（DfAM）は、構造効率の向上に大きく貢献します。例えば、ラティス構造のコアを活用した軽量化設計や、高負荷部に配置するリブの最適化により、部品の性能を向上させることができます。これにより、応力をより均一に分散し、破損の発生リスクを低減できます。こうしたDfAMのアプローチは、厳しい使用環境にさらされる３Dプリント樹脂部品において、高い強度と長期的な耐久性を実現できるために不可欠です。

使用環境も重要な要素です。高温、多湿、放射線などの環境へ長時間さらされると、特定のナイロン材料は可塑化が進み、非晶性樹脂は脆化し、積層界面に微小な亀裂が発生する場合があります。紫外線、高温環境、湿度変化の繰り返しによって、引張強度や硬度が変化することもあります。このことは、使用環境に応じて適切な材料グレードや後処理を選定することの重要性を示しています。さらに、FDM / FFF（溶融フィラメント造形）方式とSLS方式といった造形方式の違い、使用する樹脂材料の選定によっても、長期的な耐久性や性能は大きく左右されます。

高強度・高機能な3Dプリンティング材料ガイド

EOSでは、16種類以上のエンジニアリング樹脂材料と54種類の造形パラメータを提供しています。すべての材料において、ロット単位のトレーサビリティを確保しています。これにより、生産量が増加した場合でも、予測可能で安定した機械特性を維持できます。機能部品の性能と耐久性を最大限に引き出すためには、用途に適した樹脂材料と造形条件を選定することが不可欠です。

高機能樹脂材料

EOSの高機能樹脂材料ラインアップには、半結晶性PAEK材料が含まれています。PAEK材料は、最大260°Cまでの連続使用温度に対応しながら、高い剛性と耐薬品性を維持できることが特徴です。そのため、自動車のエンジンルーム内ダクト、航空機のブリードエア関連部品、人工衛星用ブラケットなど、高度な性能が求められる用途に適しています。これらの材料は、過酷な使用環境向けの3Dプリンティング材料の中でも、特に優れた強度特性を備えた材料として位置づけられています。

生体適合性樹脂材料

人体と接触する一部のAM部品には、その用途に応じた厳格な要件を満たすことが求められます。生体適合性が必要な医療用途や機器向けには、高温や薬品に対する優れた耐性を備えた材料が利用されています。EOSでは、生体適合性樹脂について、細胞毒性、感作性、刺激性、急性全身毒性などの評価試験を実施し、医療用途に求められる品質と安全性の確保に努めています。

繊維強化複合樹脂材料

ガラスビーズを配合したPA 3200 GFは、PA 12と比較して耐摩耗性と寸法安定性を実現しています。一方、EOSのアドバンスト・レーザー・マテリアルズ・チームが開発した炭素繊維強化PA 603 CFは、高い剛性と優れた比強度を兼ね備えており、剛性を維持しながら軽量化を実現する薄肉筐体の製造を可能にします。炭素繊維の添加により、引張強度や曲げ強度が向上するだけでなく、造形部品全体の耐衝撃性や耐久性も高めることができます。

柔軟性に優れたエラストマー材料

EOS TPU 1301は、約60 MPaの引張弾性率と62％の反発弾性を兼ね備えており、シール、ベローズ、衝撃吸収用ラティス構造などの用途に適した材料です。高い伸び率と優れた衝撃吸収性をはじめとする独自の機械特性を備えているため、柔軟性と耐久性の両方が求められる機能部品に最適です。

規制対応産業向け特殊樹脂材料

PA 2241 FRは、化学系難燃剤を配合したポリアミド粉末材料です。特に厳しい規制要件が求められる航空宇宙産業向けに開発された材料であり、優れた難燃性を備えています。このような特殊樹脂材料は、厳格な規制要件を満たしながら、用途に必要な構造強度および耐久性の両立を可能にします。

光硬化樹脂およびFDM用材料

高精度な造形や特定の表面特性が求められる用途において、光硬化樹脂やFDM方式の3Dプリンター用フィラメント材料が独自のメリットを提供します。材料の選択は、機械特性、表面品質、そして部品全体の強度に影響を与えるため、試作品から最終製品向けの機能部品まで幅広く活用されています。一方で、二次硬化による特性変化や異方性といった課題も存在するため、材料選定や設計時には十分な検討が必要です。

3Dプリント部品の強度と従来工法との比較

射出成形では、緻密で等方性の高い部品を製造できるため、PA 12製ブラケットのような部品では、積層方向に対して垂直な荷重条件においてFDM方式の造形品を上回る性能を示すことが一般的です。また、生産数が多い場合には、部品あたりのコストを大幅に抑えられるというメリットがあります。一方で金型製作には時間とコストが必要です。そのため射出成形は大量生産に適していますが、AMは金型を必要とせず、迅速な試作開発や少量生産の機能部品製造において優れた柔軟性を発揮します。用途や生産数量に応じて、両者を適切に使い分けることが重要です。

CNC加工は、ミクロンレベルの寸法公差と鏡面に近い表面品質を実現できます。しかし、多くの材料を除去する必要があり、内部流路や複雑なラティス構造の製造には適していません。そのため、高い寸法精度や剛性が求められる用途では、CNC加工が有力な選択肢となっています。一方で、3Dプリンティングは複雑な内部構造や自由度の高い設計を実現できるため、設計自由度の面ではCNC加工を大きく上回ります。

SLSは、射出成形とFDMの中間に位置する製造方法といえます。EOS P3 NEXT は、産業用途向け樹脂部品の製造に適した、コンパクトで高効率かつ操作性に優れたシステムです。また、PA 603-CF などの先進的な複合材料粉末は、高い剛性と難燃性を備えているため、軽量化や耐食性が重視されるブラケットや配管部品において、金属の代替材料として活用できます。SLSで造形された機能部品は、従来のFDM造形品や一部の射出成型品と比較しても、優れた耐久性と安定した機械特性を発揮する場合があります。

適切な材料選定が製品にもたらす効果をご覧ください

エンジニアは、客観的なデータ、十分な検証、実績のある導入事例を重視します。EOSでは、機械特性データ、第三者機関による試験報告書、そしてAdditive Minds（EOSのコンサルティング組織）による専門的なサポートを通じて、お客様が安心して材料評価・認定を進められるように支援しています。アルミニウム製油圧ブラケットの代替や、故障が許されないエラストマー製シールの設計など、どのような用途においても、EOSは信頼性、規制対応、そして定量的な軽量化効果を実現する統合的なソリューションを提供します。

試作開発でも量産でも、材料、造形プロセス、そして設計を適切に組み合わせることで、3Dプリンティング材料の性能を最大限に引き出すことができます。その結果、樹脂部品において、より高い耐久性、構造健全性、機能性能を実現することが可能になります。

引張特性曲線、耐衝撃性データ、曲げ強度データ、荷重たわみ温度（HDT）などについてさらに詳しく知りたい方は、総合材料ガイドをダウンロードしてください。幅広い樹脂材料や造形条件を比較し、お客様の次なる用途に最適な材料を見つけることができます。