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コラム

金属フィラメントとは?

  • フィラメント特性比較

2022.10.26 更新日:2022.10.26

昨今のものづくりでは、3Dプリンターでの造形が欠かせなくなったと言っても過言ではありません。
3Dデータを短いサイクルで造形できる3Dプリンターの需要は、年々拡大し続けています。
FFF方式3Dプリンターで造形する際の材料を「フィラメント」といいますが、このフィラメントには実にさまざまなものが存在しているのです。

一般的には「樹脂材料」という枠組みの中で複数の種類に分けられるフィラメントですが、中には金属が配合された金属材料(金属フィラメント)も存在します。
そこで本記事では、金属フィラメントの概要に触れながら、金属フィラメントのメリットやデメリットなどを解説していきます。

金属フィラメントの導入をお考えの方は、ぜひ参考になさってください。

金属フィラメントとは?

金属フィラメントには主に2種類のものが存在します。
一つは「金属粉末が混合されているが、純粋な金属としては使用できない金属風の質感のフィラメント」
もう一つは「金属粉末と樹脂バインダーで構成されており、3Dプリント後に脱脂の工程を経てから高温の窯で焼くことでほぼ完全な金属になるフィラメント」です。前者が2014年頃から、後者が2019年頃から登場しています。

前者のフィラメントの強度は樹脂フィラメントとさほど変わらず、樹脂に比べてややずっしりとした質感を持っていて、磨くと内部に含まれた金属粉末が露出・樹脂部分に付着し、金属のような重厚感のある風合いになるのが特徴です。
一方で後者のフィラメントでは、造形直後は硬化した粘度程度の強度しかなく、窯で焼かなければすぐに壊れてしまうため、脱脂・焼成工程を経て、純粋に近い金属として使用することを前提としたフィラメントになっています。

ちなみに後述するBASF社の金属フィラメントは、すべて後者のフィラメントに該当するものです。

金属配合フィラメントを選択することのメリット

金属でものづくりをする際、3Dプリンターの金属配合フィラメントを選択することには、多くのメリットがあります。
前項でご紹介した後者のフィラメントをピックアップすると、具体的には「焼くことによって完全な金属素材にすることができる」「複雑な形状にも対応できる」「試作品や小ロットを短期納品できる」といったことが挙げられるので、各々詳しく解説します。

焼くことによって完全な金属素材にすることができる

先ほども解説しましたが、例えばBASF社の金属フィラメントは造形後に窯で焼くことによって、ほぼ完全な金属にすることが可能です。
この後でも触れますが、金属は従来工法では複雑な加工が難しかったり、難しいがゆえに加工に時間がかかってしまって人的コストがかかってしまったりしていました。
3Dプリンターの金属フィラメントによって、金属造形を手軽に行うことができるのです。

複雑な形状にも対応できる

例えば従来工法である切削加工では、刃を使って金属の塊から削りだすため、製品の形状がかなり制限されていました。
金属フィラメントによる3Dプリントでは、一層ずつ材料を積み重ねて造形されるため、従来の製造方法では不可能な形状でも製作可能な場合があります。
例えば中が空洞で、空間が密閉されたようモデルも、設計次第で金属フィラメントと3Dプリンターを用いれば可能になるのです。

試作品や小ロットを短期納品できる

このメリットは金属フィラメントに限った話ではありませんが、金属フィラメントと3Dプリンターの組み合わせで試作品や小ロット品を短時間で製造できます。
鋳造・鍛造プロセスでは、一つの製品を作るために専用の金型を用意しなければなりません。金型を作る時間や後加工の手間がかかるため、短時間で製品を制作するのは困難です。
一方、金属フィラメントと3Dプリンターの組み合わせであれば、金型や治具などを必要とせず、金属材料とデータのみでモデルを造形することができます。

金属配合フィラメントのデメリット

金属フィラメントでの造形にはもちろん3Dプリンターを要しますが、3Dプリンターは装置のサイズに制限があるため、大量生産はに不向きです。
ほとんどの場合、造形可能サイズは横幅・奥行・高さが最大でも数百mm。
そのため造形スペースに複数並べられない大型製品を作る場合、一度の造形で一つの製品しか制作できず、大量生産には時間がかかります。
金属フィラメントでの造形は、あくまでも「小ロット」のものを短期納品できるものです。

金属配合フィラメントで可能になること

金属フィラメントの造形では、材料を積み上げて造形するため、切削加工が難しい複雑形状が造形できます。
切削加工する場合、工具で削れる範囲には限界があるため、ひとかたまりの材料から、複雑な内部形状を含んだモデルを加工することは困難。
しかし金属フィラメントと3Dプリンターでは、中空なモデルも造形可能であり、従来の工法では実現できなかった形状も製造できるのです。
また、金属の強度や特性はそのままに、軽量化を実現したい場合にも適しています。
金属フィラメントや3Dプリンターは、医療分野、航空宇宙分野、自動車産業で、特に需要が高まっています。

BASF社の金属配合フィラメント

日本3Dプリンター株式会社と提携しているBASF社は、ドイツに本拠地を置く世界的な総合化学・材料メーカーです。

3Dプリント用材料において、FFF方式用フィラメント以外にもSLS・Jetfusion用パウダーや、光造形用材料を多数リリースしています。
BASF社でももちろん金属フィラメントを取り扱っているため、以下で詳細を解説します。

3Dプリンター金属フィラメント Ultrafuse®17-4PH

こちらの金属フィラメントはSUS630に相当する鋼混合フィラメントです。
FFF(熱溶解積層)式3Dプリンターで利用できるよう、金属粉末と樹脂バインダーを混合した材料で構成されています。
Ultrafuse®17-4PHは優れた強度と硬度を実現しており、医療機器産業、航空宇宙産業、自動車産業などにおける機能性試作品や最終部品製造、ならびに金型部品製造に適しています。

造形されたモデルは脱脂および焼結を通して最終的な特性を取得します。

3Dプリンター金属フィラメントUltrafuse®316L

こちらのフィラメントはFDM方式で金属の造形を可能にしたフィラメントです。
ステンレス80%とポリマー(樹脂)20%の混合でできており、脱脂、焼結のプロセスを通してポリマーを除去することで、316Lグレードのステンレス鋼造形が可能になります。

17-PH同様、脱脂・焼結の作業を行うことで強度や硬度を得ることができます。

金属フィラメント選びでお悩みの方は、日本3Dプリンター株式会社にご相談ください!

3Dプリンターにおける材料(フィラメント)は実に多くの種類が存在しているため、目的としている造形にどの金属フィラメントがマッチするか、わかりかねてしまう方もいらっしゃるかもしれません。
金属フィラメントではフィラメントの選択もさることながら、後処理工程も含め、良好な造形結果を得るためには正しい手法とノウハウが必要です。
もしも金属フィラメントについて知りたいことがあれば、、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、自社で世界トップクラスのメーカーの3Dプリンターを複数保有。
それらで金属フィラメントによる造形を実際に行った経験から、貴社のニーズにマッチした金属フィラメントをご提案することが可能です。
まずは、貴社の課題をお聞かせください。金属フィラメントに精通した専任のスタッフが充実のサポートを提供いたします。

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日本3Dプリンター編集部 BASFチーム

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