ラプマフのシニアエンジニア、クライヴ・チェンです。
ラピッドプロトタイピングラボを運営している方、積層造形工場を管理している方、あるいはエンジニアリングチームのためにフィラメントを購入している方であれば、毎日同じポリマーに関する議論に直面しているはずです。 ABS フィラメントは PLA よりも優れていますか?
若手エンジニアや調達担当者からこのような質問をされると、私はすぐに彼らを制止します。エンジニアリングの世界では、「より良い」という言葉は危険な言葉です。材料は客観的に優れているわけではなく、単に異なる機械的および熱的制約に基づいて設計されているだけなのです。
高温になる自動車のエンジンルーム内に設置する治具を印刷する場合、一方の材料は完璧に機能しますが、もう一方の材料は10分で溶けて水たまりになってしまいます。屋外の3Dプリンターで建築模型を印刷する場合、一方の材料は完璧に印刷できますが、もう一方の材料は激しく反り、ガラス製の印刷台が機械から剥がれてしまうでしょう。
私たちは一体何を印刷しているのでしょうか？
機械的データを比較する前に、基本化学を定義する必要があります。10,000 ドルの産業用 Stratasys マシンにスプールをロードする場合でも、 「3DペンにおけるABSとPLAとは何ですか？」化学反応自体は変わらない。
- PLA (ポリ乳酸): これは、トウモロコシデンプンやサトウキビなどの再生可能な有機資源から作られた生分解性熱可塑性樹脂です。低温でもきれいに印刷でき、溶けるとほのかに甘いシロップのような香りがし、印刷を成功させるために環境制御はほとんど必要ありません。
- ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン): これは、石油由来の高強度エンジニアリングポリマーです。レゴブロック、自動車のダッシュボードトリム、電動工具の筐体などに射出成形されるプラスチックと全く同じものです。押出成形には高温が必要で、反りを防ぐためには厳密な環境温度管理が不可欠です。
（3Dペンに関する注意：教室で使用する3Dペン用のフィラメントを購入する場合は、必ずPLAを指定してください。ABSの毒性についてはこのガイドの後半で説明しますが、手持ちのペンの真上でABSの蒸気を吸い込むことは絶対に避けてください。）
PLAとABS、どちらが強い？
趣味でやっている人に聞いてみれば 「プラと腹筋、どちらが強い？」おそらく彼らはABSと言うでしょう。 機械的に言えば、彼らの主張は間違っている。
データシートを取り出して純粋なものを見てみると 抗張力 （プラスチックが折れるまで引っ張るのに必要な力）PLAは実際にはABSよりも強度が高く、かなり硬い。
しかし、PLAは信じられないほど もろいエネルギー吸収閾値が非常に低い。PLA製の部品をハンマーで叩くと、ガラスのように粉々に砕け散る。
PLAではなくABSを使う理由とは？（衝撃特性）
エンジニアがABSを使うのは、それが硬いからではなく、より丈夫だからです。ABSに含まれる「ブタジエン」ゴム相が、その驚異的な特性を支えています。 衝撃強さ および延性。
- ABSフィラメントは柔軟性がありますか？ ABSは（TPUやTPEのような）真のフレキシブルフィラメントではありませんが、PLAよりもはるかに高い「破断伸度」を持っています。ABSは応力が加わると、破壊する前に降伏し、曲がり、永久変形します。PLAは単に折れるだけです。ドローンのフレーム、ロボットアームのグリッパー、または壊れずに曲がる必要がある機能的なスナップフィットジョイントを印刷する場合は、 しなければなりません PLAよりもABSを使用してください。
重量と密度：ABSはPLAよりも重いのか？
航空宇宙用部品の軽量化や ロボット工学密度が重要です。両方の材料でまったく同じ 100mm の立方体を 100% の充填率で印刷した場合、 PLAの方が重い。
- PLA密度： ~1.24 g/cmXNUMX
- ABS樹脂の密度： ~1.04 g/cmXNUMX
ABSはPLAよりも約20%軽量であるため、グラム単位の軽量化が重要なペイロード重視の用途において、優れた選択肢となります。
ABS樹脂とPLA樹脂の耐熱性
高分子科学では、 ガラス転移温度（Tg）これは、硬い固体プラスチックが柔らかいゴム状の状態に変化する温度です。 メルト 失敗するには、ガラス転移温度（Tg）に達するだけでよく、その時点で自重または機械的負荷による応力によって変形する。
- PLAのガラス転移温度：約60℃（140°F）。
- エンジニアリングの現実: もしあなた 3Dプリント PLA樹脂製のスマートフォン用カスタムダッシュボードマウントを取り付けて、夏の強い日差しの中に車を駐車しておくと、車内温度は簡単に60℃を超えてしまいます。戻ってきたときには、PLA製のマウントは永久に変形し、ダッシュボードに垂れ下がっているでしょう。PLA樹脂は、屋外、自動車、または高温環境では使用できません。
- ABS樹脂のガラス転移温度：約105℃（221°F）。
- エンジニアリングの現実: ABS樹脂は、沸騰したお湯、高温になる自動車の内装、そしてかなりの熱を発生する電子機器の筐体などにも十分耐えることができます。この驚異的な耐熱性こそが、ABS樹脂が印刷の難しさにもかかわらず、依然として工業規格として用いられている主な理由です。
ABS樹脂はPLA樹脂よりも見た目が良いのか？
印刷直後のPLAは、一般的にシャープな仕上がりになります。PLAは冷却時にABSほど反りや収縮を起こさないため、非常に細かいディテール、シャープな角、高解像度のテクスチャを美しく再現できます。一方、ABSは熱収縮により、シャープな微細なディテールがわずかに丸みを帯びてしまう傾向があります。
そう、 ABS樹脂はPLA樹脂よりも見た目が良いですか？ プリンターから出るときは、いいえ。 しかし、後処理を施すと、ABSの方がはるかに優れている。
アセトン蒸気平滑化の利点
PLAは一般的な溶剤に対して非常に高い耐薬品性を持つため、3Dプリント工程で残る明確な「積層痕」を簡単に滑らかにすることはできません。完全に滑らかなPLA部品を得るには、何時間もかけて手作業で研磨し、自動車用フィラープライマーを塗布する必要があります。
しかし、ABSは アセトンエンジニアは「アセトン蒸気平滑化」と呼ばれる技術を使用します。ABS樹脂製の部品を、蒸発中のアセトンが入った密閉容器に15分から30分間入れることで、溶剤がプラスチックの外殻をわずかに溶かします。
- 結果： 積層痕は完全に消え、ABS樹脂部品は高光沢で完璧に滑らかな仕上がりとなり、まるで高価な鋼鉄射出成形金型で大量生産されたかのような外観になります。 プロトタイプ 関係者に対して提示すると、この美的利点は非常に大きい。
製造現場の現実：ABS樹脂で印刷する際のデメリットとは？
優れた耐熱性、耐衝撃性、そして後加工性の高さから、若手エンジニアはABS樹脂が製造現場でPLA樹脂を完全に置き換えるべきだと考えることが多い。しかし、安価な屋外型3Dプリンターで巨大で高密度の構造部品をABS樹脂で印刷しようとすると、すぐにその致命的な欠点に気づくことになる。
デザイナーがABSを避ける主な理由は、 熱収縮係数.
日時 ABS樹脂 溶融状態（約240℃）から室温まで冷却される際、造形物は著しく収縮します。大きな造形物を造形する場合、加熱された造形プレート上に接する上層は下層よりも速く冷却・収縮します。この冷却速度の差によって、造形物内部に大きなせん断応力が発生します。
- ゆがみ: 内部応力によってプリントの角が激しく引っ張られ、ガラス面から完全に剥がれてしまい、20時間かけてプリントしたものが台無しになってしまう。
- 層剥離: 部品の高さが高い場合、応力によって印刷途中でプラスチックが積層線に沿って水平方向に文字通り割れてしまう。
産業用途向けのABSを正常に印刷するには、基本的なデスクトッププリンターは使用できません。 しなければなりません 100℃以上の高温加熱ベッドを備えたプリンターを使用し、最も重要なのは、完全に密閉された能動加熱式の造形チャンバーを備えていることです。プラスチックがゆっくりと均一に冷却されるように、プリンター内部の周囲温度は60℃～80℃程度に保つ必要があります。
健康と安全：ABSフィラメントは有毒ですか？
設定時に重要な制約がもう 1 つあります 添加剤の製造 ラボ。調達チームは常に以下のクエリを指摘しています。 「ABSフィラメントは有毒ですか？」
工学的な答えは、ABSの「S」に着目する必要がある。スチレン.
PLAを押し出す際、植物由来の糖が溶融し、無害なラクチドがガス化されます。一方、ABSを240℃に加熱すると、熱分解によって有害な揮発性有機化合物（VOC）、主にスチレンガスと、数百万個の超微粒子（UFP）が空気中に放出されます。
スチレン蒸気を吸い込むと、即座に頭痛、吐き気、呼吸器系の炎症を引き起こします。製造現場において長期にわたって曝露すると、OSHA（米国労働安全衛生局）の基準に違反する重大な問題となります。
- ルール： ABS樹脂は、オープンスペースのオフィス、寝室、換気の悪い教室では印刷できません。ABSプリンターは完全に密閉された空間に設置し、高性能なHEPAフィルターと活性炭フィルターシステムを備えているか、理想的には建物の外へ直接排気する必要があります。
最新のアップグレード：PETGとASA
ABS樹脂を取り巻く深刻な反りや毒性の問題のため、ポリマー技術者は高度な代替品を開発してきた。 フィラメント PLAの使いやすさとABSの機械的特性との間のギャップを埋めるものです。
ABSフィラメント vs PETG
検索クエリを見てみると PLA vs ABS vs PETG、PETG（ポリエチレンテレフタレート グリコールは、現代のエンジニアにとって実質的に「中間地帯」となっている。
- 利点： PETGは、ABSに匹敵する（場合によっては凌駕する）耐衝撃性と層間密着性を備えています。さらに重要なのは、熱収縮率が非常に低いため、PLAとほぼ同じくらい簡単に屋外プリンターで印刷でき、大きな反りが発生しないことです。また、有害なスチレンガスも発生しません。
- 短所： 耐熱性（ガラス転移温度は約80℃）はPLAより優れているものの、ABSには及ばない。アセトンによる平滑化はできず、吸湿性が非常に高い（空気中の水分を吸収するため、印刷前に乾燥させる必要がある）。
ABSフィラメント vs ASA
これこそ真の産業技術の進歩です。アクリロニトリル・スチレン・アクリレート（ASA）は、ABS樹脂の唯一の明白な環境上の弱点である紫外線劣化を克服するために開発されました。
ABS樹脂製の部品を屋外の直射日光に当てると、紫外線によってブタジエンゴムの成分が分解されます。数ヶ月以内に、ABS樹脂は黄色に変色し、非常に脆くなり、ひび割れが生じます。
- ASAソリューション： ASAはブタジエンの代わりにアクリレートゴムを使用しています。印刷方法はABSと全く同じで、同じ加熱装置が必要で、耐熱性や耐衝撃性もABSと全く同じです。しかし、紫外線に対してはほぼ完全に耐性があります。現在、屋外照明器具や自動車の外装部品を印刷する場合は、ABSではなくASAを指定します。
事例研究：自動車用センサーブラケットの設計
部品表を作成する際にこれらをすべてまとめるために、Rapmafで実際に扱っているエンジニアリングの事例を見てみましょう。
チャレンジ： 自動車メーカーの顧客は、診断センサーを固定するためのカスタム仕様のラピッドプロトタイピングブラケットを必要としている。このブラケットはシャーシにボルトで固定される。 内部 試作車両のエンジンルーム。エンジンの振動と、約85℃（185°F）の周囲温度にさらされる。
材料の選択肢を評価してみましょう。
- PLA： 若手デザイナーは、印刷が容易であるという理由でPLAを提案した。 結果：壊滅的な失敗。 エンジンルームの温度は85℃に達します。PLAのガラス転移温度は60℃です。ブラケットは軟化して歪み、走行開始後10分以内に高価なセンサーがエンジンブロック内に落下します。さらに、エンジンの振動により、 脆いPLA.
- PETG: より良い提案です。振動をうまく吸収してくれます。 結果：わずかな失敗。 PETGのガラス転移温度（Tg）は約80℃です。85℃の熱に継続的にさらされると、「クリープ」（負荷がかかった状態で時間とともにゆっくりと変形する現象）が始まります。これは熱限界に非常に近い値です。
- ABS： 正しい工学的選択。 結果: 成功。 ガラス転移温度（Tg）が105℃のABSは、エンジンの熱をものともしません。また、優れた耐衝撃性により、エンジンの振動を吸収し、破損を防ぎます。
- として： これも有効な選択肢ですが、不要です。ブラケットは 内部 暗いエンジンルーム内は紫外線にさらされることはありません。ASAを指定すると、決して使われることのない利点（耐紫外線性）のために、フィラメントのコストが不必要に増加します。
よくあるご質問
Q：初心者にはPLAとABSのどちらが良いですか？
A：初心者にはPLAの方が断然優れています。加熱装置が不要で、低温で印刷でき、反りにくく、有毒ガスも発生しません。ABSを印刷する前に、PLAの扱い方を完全にマスターしておくべきです。
Q：PLAはABSよりも安いですか？
A: 歴史的に見ると、ABSは大量生産される汎用プラスチックであるため安価でした。 射出成形しかし、3Dプリンティングの爆発的な普及により、PLAの製造は急速に拡大しました。現在、PLAとABSの標準スプールの価格はほぼ同じです（ 15日1キログラムあたり25ドルなので、価格はエンジニアリング上の決定において考慮する必要はありません。
Q：なぜ私のABS樹脂製のプリントは横方向にひび割れてしまうのですか？
A：これは「層間剥離」と呼ばれる現象で、熱収縮が原因です。プリント周囲の空気温度が低すぎるためです。3Dプリンターを密閉して熱を閉じ込め、プリントが完全に完了するまで部品全体が均一に冷却されるようにする必要があります。
Q：ABS樹脂は食品安全用途に使用できますか？
A：いいえ。標準的なABS樹脂は食品安全基準を満たしていません。さらに、FDM方式で3Dプリントされた部品の微細な多孔質表面には、洗浄しても除去できない細菌が繁殖します。食品に接触させる場合は、食品安全基準を満たしたPETGまたはPP（ポリプロピレン）を使用し、食品グレードのエポキシ樹脂でコーティングする必要があります。
参考文献と参考文献
次回の製造工程における機械的および熱的許容誤差を確認するには、以下の業界標準を参照してください。
- OSHA / NIOSH 3Dプリンティングの安全性： ABSフィラメントを使用した印刷時に、スチレンおよびVOCへの曝露を軽減するための換気要件に関する、施設管理者向けの重要な読み物。
- リンク： cdc.gov/niosh
