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コラム

3Dプリンターのカーボンファイバーフィラメントとは?

  • フィラメント特性比較

2022.02.14 更新日:2022.07.19

3Dプリンターがさまざまな分野で活用されるようになった昨今では、3Dプリンターによる造形の材料である「フィラメント」も多くの種類が発売されるようになりました。

強度や耐久性に優れているもの、耐衝撃性に優れているもの、靭性に優れているものなど、フィラメントによって各々の特性が存在しますが、中でも「カーボンファイバーフィラメント」は、強度に長けているフィラメントです。

そのためカーボンファイバーフィラメントは最終製品などによく使用される特徴があります。

今回はカーボンファイバーフィラメントの概要に触れながら、カーボンファイバーフィラメントを活用することのメリットやカーボンファイバーフィラメントを使用する際の注意点などを解説していきます。

カーボンファイバー(炭素繊維)とは

そもそもカーボンファイバー(炭素繊維)とは何なのか、という点が疑問の方もいらっしゃるかもしれません。
カーボンファイバー(炭素繊維)とは、有機繊維を加熱処理した結果「炭素が90%以上の割合で含まれる繊維」のことを指します。
カーボンファイバーは大きく「PAN系」と「ピッチ系」の2種類に分けることが可能です。

PAN系とは合成繊維であるアクリル長繊維から作られるもので、「軽量な上に強度が高い」という特長があります。
一方でピッチ系とは石炭タールや石油ピッチから作られているもので、「軽量な上に剛性が高い」という特長が挙げられます。

カーボンファイバーフィラメントの利用範囲

カーボンファイバーフィラメントは、その性能の高さゆえにさまざまな物に使用されています。
例えばスポーツ用品であればゴルフクラブや卓球のラケット、テニスラケットなどが挙げられるでしょう。
スポーツ用品はスイングスピードが求められるものが多いため「軽量である」ということが重要視されることに加え、ボールを強く反発させる性質が必要になります。そういった意味でカーボンファイバーフィラメントが非常に適しているのです。

軽量でありつつも強度があるという特性を生かし、他にも飛行機のボディや自動車のボディ、医療機器、グラウンドアンカー、橋など、最終製品に使用されることが多いと言えます。

カーボンファイバーフィラメントを活用することのメリット

軽さと強度を兼ね備え、最終製品に多く使われるカーボンファイバーフィラメントには、多くのメリットが存在します。
具体的には以下のような内容が挙げられるでしょう。

反りが出にくい

カーボンファイバーフィラメントは、「反りが出にくい」といったメリットがあります。
例えばナイロンは優れた靭性を持つ一方で剛性はそこまで高くありません。また吸湿性も高いため、熱による収縮率も比較的高く、「反り」が大きく出やすい点が難点でした。
しかしナイロンにカーボンファイバーを配合することによってナイロンの弱点である剛性、熱収縮を克服することができるのです。
これによってデスクトップタイプの3Dプリンターで安定したプリントが可能になりました。

強度が出やすい

また先述した通り、カーボンファイバーフィラメントはその強度もメリットの一つです。
例えばPLAの場合は硬くてもろくなる、ABSの場合は耐衝撃性に優れてはいるがカーボンファイバーには及ばないといったことが言えます。
現在主流になっているPLAやABSも用途によっては非常に優れた素材ですが、カーボンファイバーフィラメントはこれらの素材と比べても剛性や耐衝撃性に優れていることから、幅広い用途で活用されているのです。

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多くの構造体に対応できる

製品にもよりますが、カーボンファイバーフィラメントはFDM(熱溶解積層法)3Dプリンターで活用することができるものも多いです。その上強度や剛性に優れていることから、これまで金属専用の3Dプリンターでしか造形ができなかった金属パーツ類もカーボンファイバーフィラメントで対応することができます。
また折り曲げ加工やフレームのような構造体の試作にもその特性を発揮してくれるでしょう。

3Dプリンターでカーボンファイバーフィラメントを使用する際の注意点

反りが出にくかったり、強度に優れていたりと、メリットの多いカーボンファイバーフィラメントですが、使用する際には注意しなければいけないこともあります。
これから解説する内容を留意し、カーボンファイバーフィラメントの良さを生かしきった造形を行いましょう。

ノズルの削れ

カーボンファイバーフィラメントは含有しているファイバーが研磨性を持つため、真鍮ノズルの場合は内部が削れてしまうことも少なくありません。
カーボンファイバーフィラメントで造形を行う際は、タングステンやステンレス製のノズルを使用した方が良いでしょう。
タングステンは熱に強く、硬くて重い金属であるため、カーボンファイバーの摩耗にも耐えることができます。
カーボンファイバーフィラメントで造形を行う際は、ノズルの素材を事前に確認しましょう。

ノズルの太さ

カーボンファイバーフィラメントは「ノズルの削れ」や「詰まり」が起こりやすい素材です。
そのため、ノズル径がある程度大きいものを使用する必要があります。
具体的には、0.6mmや0.8mmなどの幅があるノズルを使用することによって、カーボンファイバーフィラメントが詰まってしまう頻度を低減できるでしょう。
「ノズルの削れ」については先述したノズルの素材についても考慮してみてください。

搬送ギアへの負担

通常、フィラメントは搬送ギアによってノズルへと送られます。
しかしカーボンファイバーフィラメントは材質が硬いため、搬送ギアに負担がかかってしまうことも少なくありません。
これによって駆動部などのパーツが壊れてしまうことも考えられます。
カーボンファイバーフィラメントを使用する際は、そもそもその3Dプリンターがカーボンファイバーフィラメントに対応しているか、どのようなことに気をつけて利用したら良いかなどをメーカーにしっかりと確認を取ってから造形を始める必要があるでしょう。

カーボンファイバーフィラメントについての疑問も、日本3Dプリンター株式会社にお任せください!

カーボンファイバーフィラメントは強度や剛性に優れている点から、さまざまな造形物に幅広く対応することができます。
反りが出にくいといった点も3Dプリンターを使用する際には大きなメリットとなるため、自社に導入したいと考える方も多いのではないでしょうか。

しかしカーボンファイバーフィラメントにはさまざまな種類が存在するため、どのフィラメントが自社のニーズに一番マッチするか判断しかねる場合もあるでしょう。
「PA12」や「PA6」などさまざまなナイロン樹脂と複合するカーボンファイバーフィラメントもあるため、フィラメント選びだけでもかなりの時間を要してしまうはずです。

カーボンファイバーフィラメント選びにつまずいてしまった場合は、ぜひ日本3Dプリンター株式会社にご相談ください。
日本3Dプリンター株式会社では自社で複数の3Dプリンターを保有しており、実際使用した際、どういったフィラメントがどのような特性を示すのかを把握しております。
また3Dプリンターとフィラメントの相性に精通している専門スタッフが在籍しているため、貴社の既存の3Dプリンターで使用可能なカーボンファイバーフィラメントのご提案も可能です。
どのカーボンファイバーフィラメントを導入するかお悩みの方は、ぜひお気軽にお問い合わせください。

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日本3Dプリンター編集部 BASFチーム

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