実は、アニールという技術を使って、3Dプリントの耐熱性を高めることが可能です。 かなり厄介な工程がありますが、うまくやれば良い結果が得られます。 この記事では、3Dプリントの耐熱性を高める方法についてお答えします。

3Dプリントの耐熱性を高めるには、オーブンや熱湯を使って一定時間熱を加え、冷ます「アニール」という加熱工程を経ることで、モデルの内部構造を変化させ、耐熱性を向上させることができます。

3Dプリントの耐熱化について、詳しくはこちらをご覧ください。

PLAの耐熱性を高める方法 - アニーリング

アニールとは、素材に熱を加えて耐熱性や耐久性を向上させることです。 PLAプリントは、60～110℃の熱源に入れることでアニールすることができます。

結晶化温度とは、素材の構造が結晶化し始める温度のことで、PLAは結晶化という過程を経て、結晶化します。

PLAベースのモデルをアニールする手段には、以下のようなものがあります：

• オーブンでの焼成
• お湯の中に入れる
• 3Dプリンター用加熱ベッドで焼く

オーブンでの焼成

オーブントースターや電気オーブンを使う人もいますが、ガスオーブンよりも3Dモデルの周りの熱を均一に逃がすことができるので、その方が良いですね。

また、温度計を使って、オーブンの温度が設定した温度と合っているかどうかを確認することも大切です。

PLAモデルを確実にアニールするために、以下の手順を活用することができます：

• 電気オーブンを約110℃に加熱する。
• プリントをオーブンに入れ、1時間程度加熱します。
• 1時間程度オーブンに入れ、スイッチを切る。
• オーブンの中で徐々に冷やしていく。

このように徐々に冷やしていくことで、モデルの特性を再構築し、加熱時に発生した内部応力を緩和することができるのです。

ここでは、オーブンでモデルを加熱する方法を紹介する詳細なビデオを紹介します。

あるユーザーは、PLAを120℃のオーブンで焼き、次に90℃のオーブンで焼いたところ、どちらもひどく反ってしまったそうです。

別のユーザーは、PID温度コントローラに接続された安価な対流式オーブントースターのようなものを使用する方が良いと述べています。

強制対流で加熱し、断熱材の上に模型を置き、オーブンの発熱体を保護して熱放射が部品に影響しないようにすることで、反りをかなり防ぐことができます。

プラスチックは熱くなる前に有害物質が発生する可能性があるので、安全なほうを選んだほうがいいという意見もあります。

そのため、オーブントースターなどを用意して、PLAをアニールするのがベターでしょう。

オーブンでアニールするというユーザーもいますが、露出リスクを減らすためにホイルをしっかり巻いてモデルを置いているそうです。

お湯の中に入れる

また、以下の手順でPLAモデルを湯煎してアニールすることができます：

• 比較的大きなボウルに水を入れて沸騰するまで加熱する
• プリントしたモデルをビニール袋に入れ、お湯の中に入れる。
• 2～5分間放置する
• お湯からモデルを取り出し、冷水の入ったボウルに入れる
• 乾燥剤またはペーパータオルで乾燥させる

熱湯でアニールする方法は人それぞれですが、この方法はかなり有効なようです。

ここでは、このプロセスのハイライトと、PLAパーツの焼成と煮沸の比較を動画で紹介します。

水の代わりにグリセロールを使うと、吸湿性があるので乾かす必要がなく、より効果的だと勧める人もいました。

上の動画では、焼成によるアニールと煮沸によるアニールを比較し、煮沸の方がより正確な寸法を保てることを発見しています。 また、不定形の部品はオーブンよりも煮沸によるアニールの方が簡単だということも素晴らしい点です。

あるユーザーは、RC飛行機用のモーターマウントを熱湯でアニールすることに成功しましたが、少し縮んでしまいました。 その部分にはネジ穴がありましたが、無理やりはめ込むことで使用可能でした。

3Dプリンター用加熱ベッドで焼く

3Dプリントをオーブンでアニールするのと同じように、3Dプリンターのヒートベッドでアニールするのもおすすめです。 80～110℃くらいに温めて、モデルの上にダンボールを置いて、30～60分ほど焼くだけです。

あるユーザーは、G-Codeを導入して、80℃のヒートベッドからスタートして30分焼き、徐々に冷やして短時間で焼くというプロセスまで改善しました。

これが、彼らが使ったGコードです：

M84;ステッパーオフ

M117 ウォーミングアップ

M190 R80

M0 S1800 ベーク@80℃ 30分

M117 Cooling 80 -> 75

M190 R75

M0 S600 ベーク@75℃ 10分

M117 Cooling 75 -> 70

M190 R70

M0 S600 ベーク@70℃ 10分

M117 Cooling 70 -> 65

M190 R65

M0 S300 ベーク@65℃ 5分

M117 Cooling 65 -> 60

M190 R60

M0 S300 Bake @ 60C 5min

M117 Cooling 60 -> 55

M190 R55

M0 S300 ベーク＠55℃ 5分

M140 S0 ;ベッドオフ

M117 終了しました

ベストPLAアニール温度(オーブン)

PLAモデルをオーブンでうまくアニールするのに最適な温度は、60～170℃の間で、通常90～120℃程度が良いとされています。これは、PLAのガラス転移温度以上、融点以下の温度です。

PLA素材の構造はアモルファスと言われ、分子構造が乱れているため、ある程度組織化（結晶化）するためには、ガラス転移温度以上に加熱する必要があります。

溶融温度以上に非常に近い温度で加熱すると、素材の構造が崩れ、冷却しても元の構造には戻りません。

したがって、最適なアニールを行うためには、ガラス転移温度からあまり離れないほうがよいでしょう。

PLAをアニールするのに最適な温度は、PLAの製造方法やフィラーの種類によって異なります。 あるユーザーは、通常85～90℃程度の温度が必要だが、安価なPLAではより高い温度で長くアニールする必要があると述べています。

彼は、3Dプリンターのヒーター付きベッドを使い、パーツの上に箱を置いて保温することで、結晶化させたこともあると言います。

PLAを反りなくアニールする方法

PLAを反りなくアニールするには、砂の入ったボウルに模型をしっかり詰めてからオーブンで焼くのがよいでしょう。 また、砂に入れたまま冷ますとよいでしょう。 また、ビニール袋に模型を入れて冷水につけて煮るという方法もあります。

モデルの底にも砂があることを確認し、できれば2センチくらいにしておくとよいでしょう。

MatterHackersによる、このプロセスのやり方を紹介する素晴らしいビデオです。 砂の代わりに塩を使うこともできます。塩なら水に溶けやすく、より身近に感じられるからです。

この方法を行ったあるユーザーは、100℃の温度でも反り返ることなくPLAをアニールするのに効果的だったと述べています。彼はオーブンを1時間稼働させ、プリントをそこに置いて冷やすと、素晴らしい仕上がりになったそうです。

また、PLAを80℃でアニールしたユーザーは、73℃くらいまで加熱しても柔軟性が出なかったといいます。 PLAのモデルは質感が変わらず、層間強度も同程度でした。

ある人は、砂の代わりに細かい塩を使い、パイレックス皿に塩を敷き詰め、3DプリントとBluetooth温度計をセットし、皿がいっぱいになるまで塩を追加した経験を語ってくれました。

そして、170°F（76℃）のオーブンに入れ、温度計が160°F（71℃）になるまで待ち、オーブンの電源を切って、塩にパーツを詰めたまま一晩冷やしたそうです。

その結果、層間剥離の問題は解消され、反りもほとんどなくなり、X軸、Y軸、Z軸の収縮率もわずか0.5%になりました。

PETGの耐熱性は？

PETGの耐熱温度は約70℃、PLAの耐熱温度は60℃です。 ABSとASAの耐熱温度は約95℃です。

他のフィラメントに混じって、PETGの耐熱性テストを行った動画をご紹介します。