水溶性フィラメントとは何ですか？

設計エンジニアとして25年間、3Dプリンターが奇跡的な新製品から不可欠なツールへと進化するのを見てきました。しかし、当初からある問題が頭を悩ませてきました。それは重力です。空中では印刷できません。 複雑な部品 オーバーハング、ブリッジ、または内部の空洞がある場合、プリンターは一時的な足場（サポート構造）を構築する必要がありますが、これは後で取り外す必要があります。これにより、醜い傷跡が残り、完璧を目指していた表面が台無しになってしまうことがよくあります。

私のチームにいた、目がキラキラと輝いていて聡明な若いエンジニアが、複雑な内部チャネルを持つ精巧な医療用マニホールドを1週間かけて設計したことを、私は決して忘れません。それは美しいデザインでしたが、機械加工は不可能でした。彼はそれを印刷し、丸一日かけてピックとペンチを使って内部のサポートを慎重に取り外そうとしましたが、ついに部品を半分に折ってしまいました。彼はひどく落ち込んでいました。

私は彼の机に歩み寄り、奇妙な半透明のフィラメントのスプールをテーブルの上に置き、「もう一度プリントしてみましょう。ただし今回は、魔法の力で消えるもので足場を作りましょう」と言いました。その魔法とは水溶性フィラメントです。これは単なる素材ではなく、これまで不可能と思われていた新たな形状を解き放つ鍵なのです。

クイックガイド：水溶性フィラメントの概要

通常のサポートを使用できないのはなぜですか?

可溶性サポートがなぜこれほど革新的なのかを理解するには、まず、その代替となるサポートの苦労を理解する必要があります。標準的なサポート構造は、モデル自体と同じ材料から出力されます（例えば、PLAモデルの場合はPLAサポート）。薄い界面層によってモデルに接続されており、出力完了後に手またはツールで切り離す必要があります。

これにより、いくつかの問題が発生します。

• 表面の傷跡: どれだけ丁寧に取り外しても、サポート材が取り付けられていた表面には必ず小さな突起や傷が残ります。そのため、研磨と後処理が必要になり、時間がかかり、パーツの寸法精度が損なわれる可能性があります。
• アクセスできないサポート: 私のエンジニアのマニホールドのように、内部の空洞が深い、またはチャネルが複雑な部品の場合、サポートにアクセスして取り外すことは物理的に不可能です。
• 設計上の制限: 設計者は、分離サポートの制限を回避して、特定の形状を避けたり、強度を損なわない最適ではない方法で部品を配置したりすることを余儀なくされます。

水溶性フィラメントは、これらの問題をすべて解消します。完璧な仮の足場として機能し、役割を果たした後は跡形もなく消え去り、設計した完璧なパーツだけが残ります。

水溶性フィラメントは実際どのように機能するのでしょうか?

この技術の背後にある魔法は、 ポリビニルアルコール（PVA）聞き覚えがあるなら、それは食器洗い機や洗濯洗剤のポッドのフィルムに使われているのと同じ水溶性プラスチックです。

PVAは分子レベルでは水と同様に高い極性を持っています。PVAが水と接触すると、水分子はPVA分子に強く引き寄せられ、PVA分子を取り囲み、互いに引き離します。フィラメントは溶けるのではなく、溶解し、コーヒーの中の砂糖のように水中に分散します。

このプロセスはシンプルで安全で、水道水を入れた容器で行うことができます。刺激の強い化学薬品や特別な器具は必要ありません。PVA自体は無色、無臭、無毒性、生分解性であるため、環境に優しい選択肢です。

しかし、重要なのは、この材料は主要なモデル材料と一緒に印刷する必要があるということです。これには デュアルエクストルーダー3Dプリンター1つのノズルでメインモデル（例：PLAまたはナイロン）をプリントし、もう1つのノズルでサポート材（例：PVA）をプリントします。プリンターは、パーツを層ごとに造形しながら、2つの材料をシームレスに切り替えます。

私たちは今、 現在も将来も、 この素材は非常に重要です。しかし、PVAだけが重要なわけではありません。次のセクションでは、PVAについてもう少し詳しく説明します。 最大のライバルであるHIPSとの直接対決、複合施設を探索する 物質の世界 互換性によって、プロジェクトでどれを使用できるか (また、どれを使用しなければならないか) が決まります。

PVAが不可能な形状を解き放つ鍵であることは既に証明済みですが、その魔法には重大な制約が伴います。それは、PVAが低温材料であるということです。ABSのような高温材料と一緒にPVAをプリントしようとするのは、まるで雪だるまとバーナーを狭い暖房付きの部屋で一緒に作業させようとするようなものです。結局は、散々な失敗に終わります。そこで、可溶性サポート材のもう片方の面、HIPSが登場します。

HIPS とは何ですか? PVA とどう違うのですか?

HIPS は高衝撃性ポリスチレンの略です。 一般的な、硬くて耐久性のある熱可塑性プラスチックです。実際、電子機器の筐体や製品のプロトタイプなどを印刷する際に、単独で使用されることがよくあります。ヨーグルトカップや冷蔵庫の内装に使われているのと同じ種類の素材です。しかし、このプラスチックには秘密のスーパーパワーがあります。それは、水に全く耐性がない一方で、柑橘系溶剤と呼ばれる溶剤に素早く溶けるという点です。 d-リモネン.

これにより、HIPSは高温材料、特に ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）.

• PVAは水に溶けます。
• HIPSはd-リモネンに溶解します。

この根本的な違いが、他の全てを決定づけます。PVAはPLAやナイロンのような低温材料のサポート材として頼りにされますが、HIPSはABSプリントのサポート材として文句なしの王者です。これらは互換性がなく、それぞれ異なる用途に特化したツールです。 全く異なる仕事.

あなたのプロジェクトに最適な可溶性サポートはどれですか?

適切な可溶性サポート材を選ぶことは、好みの問題ではなく、熱適合性の問題です。サポート材とモデル材は、プリンター内で同じ高温下でも問題なく共存できる必要があります。

10年前、私はこの教訓を身をもって学びました。当時、ABS樹脂製の大型自動車ダッシュボード部品の試作をしていました。設計には深く複雑な通気孔があり、分離型サポートでは対応不可能でした。主任技術者は、新しいデュアルエクストルーダーマシンを試してみたくてたまらず、ABSと当時唯一の水溶性材料であるPVAをマシンに投入しました。

最初の数時間は順調でした。しかし、プリントサイズが大きくなり、加熱された筐体が目標温度の90℃に達すると、2番目のノズル内で235℃以上で待機していたPVAフィラメントが加熱され始めました。フィラメントはカラメル化し、黒いタールのような物質に変化しました。 印刷業者が印刷を依頼した サポート層が欠けていたため、ノズルが完全に詰まっていました。プリントは失敗し、翌朝はホットエンドの焦げたPVAを除去するために、苦痛を伴う「剖検」を行いました。

翌日、HIPSのスプールが届きました。それをセットし、ABS樹脂の温度設定をして、プリントボタンを押しました。HIPSはABS樹脂とほぼ同じ温度条件のため、並べて美しくプリントできました。プリントが終わると、リモネン液に浸しました。翌日、完璧なABS樹脂製のダッシュボードが完成しました。ベントも綺麗で欠陥もありませんでした。この教訓は私の脳裏に焼き付きました。 サポート材料はモデル材料の熱プロファイルと一致する必要があります。

直接対決：PVA vs. HIPS

最も重要な2つの要素

データを分析すると、とりわけ次の 2 つの要素が際立っています。

1. 熱適合性の黄金律

これはダッシュボードの話から学んだ教訓です。HIPSは100℃の筐体内で240℃でも問題なく印刷できます。PVAはそのような条件下では焦げて目詰まりを起こし、ひどい状態になるでしょう。逆に、 PLA印刷 (210°C) で HIPS サポート (240°C) を使用すると、層の接着が悪くなり、弱くて糸を引くような混乱が生じます。

• 低温モデル材料（PLA、ナイロン）→低温サポート（PVA）を使用する
• 耐熱モデル材料（ABS、ASA）→耐熱サポート（HIPS）を使用する

2. 湿気の問題：PVAの弱点

PVAは積極的に 吸湿性つまり、スポンジのように周囲の空気から水分を吸収するということです。PVAのスプールを湿度の高い環境に1日でも放置しておくと、ダメになってしまいます。濡れたPVAがホットエンドに入ると、中の水分が瞬時に蒸気となり、ポンポンという音やジューという音が発生します。その結果、熱が弱くなり、糸を引くようになり、信頼性が低下します。 押し出すノズル詰まりや印刷失敗は避けられません。PVAをうまく印刷するには、フィラメント乾燥機や密閉されたドライボックスの使用は必須です。一方、HIPSは湿気に対する耐性がはるかに高く、保管や使用にも比較的容易です。

しかし、適切な材料を選ぶことは戦いの半分に過ぎません。これらの素晴らしい材料を最大限に活用するために、どのように部品を設計すればよいのでしょうか？また、一般的な印刷方法にはどのようなものがあるのでしょうか？ 間違いは いずれにせよ失敗するのでしょうか?

水溶性支持体の二大巨頭、PLAのような低温材料には水に親和性のあるPVA、ABSのような高温用途の主力材料にはリモネン可溶性のHIPSという、両者の決定的な違いを明らかにしました。適切な支持体を選ぶことは、耐熱性という点で譲れない要素です。

しかし、適切な工具を持つことは最初の一歩に過ぎません。安物のノミを使う熟練の職人でも、最高の工具を使う初心者よりも優れた作品を生み出すことができます。ここでも同じことが言えます。どのように部品を設計し、機械を操作すれば、最高の性能を発揮できるのでしょうか？ これらの素晴らしい素材の真の可能性?

可溶性サポートの成功を最大化するために部品を設計するにはどうすればよいでしょうか?

これらは私のAdditive Designの5つの戒律です 製造業 可溶性支持体を使用する場合は、DfAM（Dinosaur-Flasma-Medium-Instrumental Analysis）という用語を必ず使用してください。これを無視すると、時間と費用が無駄になり、多くのフラストレーションを招きます。

可溶性支持体に関する5つのDfAM戒律

1. 第一戒: 無駄遣いをしてはならない。
   可溶性フィラメントは高価で、標準的なPLAの3～5倍の価格になることもあります。優れたデザインを実現する第一の目標は、その使用量を最小限に抑えることです。サポートについて考える前に、スライサーでモデルの向きを調整し、大きなオーバーハングを削減または除去できるかどうかを確認してください。45度傾けるだけで、サポートの使用量を半分に減らすことができる場合もあります。可溶性サポートは、本当に「不可能」な形状のための外科用ツールとして使用し、向きが不完全なパーツの簡易な支えとして使用しないでください。
2. 第二の戒律: 溶解のための道を創造せよ。
   これは私が最もよく見かける間違いです。設計者は、サポートを必要とする大きくて完全に密閉された内部空洞を持つ部品を作成します。プリンターは完璧に動作しますが、部品を溶解タンクに入れても何も起こりません。なぜでしょうか？溶剤（水またはリモネン）が in溶解した物質は でる設計時には、溶媒が内部領域に自由に流入・流出できる小さな「ウィープホール」またはチャネルを必ず設けてください。
3. 戒律第3: 「支え屋根」を用いよ。
   サポート材の上に置かれるパーツの表面は、往々にして最も見苦しいものです。表面がざらざらしていたり​​、垂れ下がっていたりするからです。これを改善するために、ほとんどの最新のスライサーには「サポートルーフ」または「インターフェースレイヤー」と呼ばれる設定があります。これは、モデルの最初の層をプリントするための、密度が高く滑らかなサポート材のプラットフォームを作成します。その結果、仕上がりが劇的に向上します。 部品の裏側の表面仕上げ若干多くのサポート材を使用しますが、品質が向上するため、その価値はほぼ常にあります。
4. 戒律第四：部分を統合せよ。
   可溶性支持体の最大の目的は、他の方法では不可能な複雑な形状を作り出すことです。ですから、その力を活用しましょう！ 5つの簡単な部品の組み立て ネジ止めや接着が必要な部品を、より複雑な単一の部品に組み合わせることはできますか？これにより、組み立て時間が短縮され、潜在的な故障箇所が排除され、より強固で軽量な最終製品が生まれます。
5. 戒律 V: インターフェースを尊重せよ。
   サポート構造の上部とモデルの下部の間のわずかな隙間が重要です。スライサーでは、これが「Z距離」と呼ばれます。可溶性サポートの場合は、この値をゼロに設定できます。これにより、よりクリーンで正確なサポート面が作成されます。ただし、サポート材が過剰に接着してしまう場合があります。問題がある場合は、小さな隙間（例：0.1mm）を設けることで分離が容易になりますが、最高の品質を得るには、常に隙間をゼロから始めることをお勧めします。

最も一般的な（そしてコストのかかる）印刷ミスは何ですか?

完璧なデザインでも、プリンターでのちょっとしたミスで全てが台無しになってしまうことがあります。ここでは、可溶性サポート材を使った印刷の5つの大罪をご紹介します。

1. 濡れたフィラメント（特にPVA）の罪。
   これは大罪です。先ほども述べたように、PVAは非常に吸湿性が高いです。濡れたPVAで印刷すると、確実に失敗に終わります。ノズルからポンポンという音やジューという音が聞こえ、内部の水分が蒸気に変わるため、押し出しが弱く泡立ち、必然的に目詰まりを起こします。 フィラメント ドライヤーまたは乾燥剤を備えた密閉されたドライ ボックスは、PVA の場合オプションではなく、必須の装置です。
2. 誤ったインターフェース設定の罪。
   これは私たちのデザインの戒律に関係しています。スライサーの設定が間違っていると、良い結果が得られません。サポートとモデルの間の隙間が大きすぎると、モデルの最初の層が垂れ下がり、糸を引くような醜い表面になります。隙間が小さすぎる（または温度設定が間違っている）と、2つの材料が融合し、溶解した後でも分離が困難になる可能性があります。
3. 2 番目のノズルの調整が不十分だったことによる罪。
   デュアルエクストルージョンプリンターは、完璧なキャリブレーションが必要です。2つ目のノズルのX、Y、Zオフセットが少しでもずれると、サポートの位置がずれてしまいます。ノズルが引っ張られると、プリント物がベッドから外れてしまう可能性があります。また、ノズルの位置が高すぎると、プリント物が空中に浮いてしまい、役に立たないサポート構造ができてしまいます。
4. 「貪欲な」サポート構造を使用することの罪。
   「サポートを生成」をクリックしてそのまま放置しないでください。スライサーで作成された構造をよく見てください。密度が高く格子状のサポートパターンは多くの材料を使用し、溶解に非常に時間がかかります。一方、「ツリー」や「有機的な」サポート構造は、使用する材料がはるかに少なく、より多くの開いたチャネルを形成するため、溶剤の作用がはるかに速くなります。
5. 焦りの罪。
   溶解には時間がかかります。大きなプリントを冷たい静水の入ったバケツに入れて1時間で完成させるのは非現実的です。PVAの場合は、（熱湯ではなく）温水を使い、撹拌しながら溶解を進めましょう。マグネティックスターラーや簡易な水槽用ポンプを使えば、溶解時間を半分以上短縮できます。HIPSの場合は、リモネン溶液の循環を良好に保ち、溶剤が十分に作用する時間を与えましょう。

結論：正しいツールを正しく使う

水溶性フィラメントは単なる素材ではなく、3Dプリントにおける設計の自由度を新たなレベルに引き上げる鍵です。これにより、オーバーハングの単純な制限を超え、自然界やハイエンドの製造プロセスで見られるのと同じ複雑さを持つ部品を作製することが可能になります。 射出成形.

しかし、この力は尊重されるべきです。二つの異なるシステムがあることを理解する必要があるのです。 低温材料用PVA/水システム 高温材料用HIPS/リモネンシステム材料を乾燥した状態に保ち、機械を調整し、設計をインテリジェントに保つことが求められます。

これらのルールに従うことで、フラストレーションや印刷失敗の原因であった可溶性サポートが、3D 印刷の武器庫の中で最も強力なツールに変わり、不可能と思われていたアイデアを物理的な現実に変えることができます。

よくある質問（FAQ）

1. PVA フィラメントはなぜ高価なのですか?
PVAは標準よりもかなり高価です PLAのようなフィラメント いくつかの理由があります。原料であるポリビニルアルコールは、PLAに使用されるポリ乳酸よりも製造コストが高いです。また、PVAフィラメントの製造工程はより複雑で、より厳格な基準が求められます。 品質 特に直径の均一性と水分含有量に関して、制御が困難です。最後に、PLAよりも需要が低い特殊素材であるため、規模の経済性はそれほど大きくありません。

2. PVA または HIPS を単独のモデル材料として使用できますか?
ながら できる HIPS（ABSに似た耐久性のある素材）だけでオブジェクトを印刷することは一般的ですが、PVAは使用されません。PVAは機械的に弱いだけでなく、さらに重要な点として、吸湿性が非常に高いため、完成した部品は空気中の水分を吸収するだけで劣化し、時間の経過とともに柔らかくなってしまうため、機能部品には適していません。

3. どのフィラメントが最も水を吸収しますか?
一般的な3Dプリントフィラメントの中で、 PVAは最も吸湿性が高い文字通り水に溶けるように設計されているためです。PVAに次いで、ナイロンも吸湿性が非常に高く、印刷を成功させるには慎重な乾燥と保管が必要です。

4. HIPSを溶解した後、d-リモネンはどのように処分しますか?
使用済みのd-リモネンは絶対に排水溝に流さないでください。これは工業用溶剤であり、地域の化学廃棄物に関する規制に従って廃棄する必要があります。ただし、d-リモネンはろ過して何度も再利用できます。プリントが溶解した後、溶液を1日間置いて、プラスチック粒子が底に沈むのを待ちます。その後、洗浄用のリモネンを上部から慎重に注ぎ出し、再利用してください。

5. PLA と PVA の違いは何ですか?
PLA（ポリ乳酸）は、標準的な硬質で生分解性の熱可塑性プラスチックで、主要な造形材料として使用されます。PVA（ポリビニルアルコール）は、柔らかく柔軟性のある水溶性ポリマーで、ほぼサポート材としてのみ使用されます。これらの2つの材料は、印刷温度が異なり、物理的特性も大きく異なります。

参考情報

1. MatterHackers。(nd)。 PVAサポートで成功する方法. MatterHackers サポートガイド
2. アルティメーカー（2022）。 Ultimaker PVA: 信頼性の高いデュアル押し出しソリューション. Ultimaker 材料ページ
3. ポリメーカー。(nd)。 PolyDissolve™ S1 – テクニカルデータシート. ポリメーカーTDS
4. Raut, S., & Jatti, VKS (2021). ポリ乳酸（PLA）の3Dプリントと機械的特性および熱的特性への影響. Journal of Physs: カンファレンスシリーズ、1950、012061。 IOPサイエンス

免責事項

このページの情報は情報提供のみを目的としています。 RM この情報の正確性または完全性について、明示的または黙示的を問わず、いかなる表明または保証も行いません。 RM ネットワーク性能パラメータ、許容範囲、仕様の指定および確認は購入者の責任となります。 材料お見積りの際には、品質、施工性などについてご説明いたします。より詳しい情報については、お気軽にお問い合わせください。o お問い合わせ.

RM: 精密製造のパートナー

RM は業界のリーダーです カスタム製造ソリューション20年以上にわたる豊富な経験に基づき、当社は世界中で5,000社以上のお客様から信頼されるパートナーとなっています。当社は、高精度な加工を含む包括的な製造サービスを専門としています。 CNC加工, シートメタル製作, 3D印刷, 射出成形, 金属スタンピング真の ワンストップショップ体験.

当社の世界クラスの施設には100以上の最先端の設備が備わっています 5軸加工 ISO 9001:2015に厳密に準拠して運営されています 品質管理システム私たちは、150カ国以上のお客様に、スピード、効率、そして卓越した品質を兼ね備えたソリューションを提供することに尽力しています。 ラピッドプロトタイピング 大規模生産の場合、最短 24 時間で納品することをお約束し、市場での競争力の強化に貢献します。 RMの選択 効率的で信頼性が高く、プロフェッショナルな製造パートナーを選択することを意味します。

当社の Web サイトにアクセスして、今すぐ当社の機能をご確認ください。 www.rapmaf.com