3Dプリント材料の紫外線劣化

ここで比較する4種類の3Dプリント材料のうち、屋外での恒常的な紫外線・耐候性暴露を想定して設計されているのはASAのみであり、PLAおよび標準PETGはこれに適していません。短時間のUV-C照射では、後者2つの順位は逆転します。254 nmで24時間照射後、PETGは引張強度の38 %を失いますが、PLAはわずか9 %です[1]。したがって「耐日光性」と「耐UV-C性」は互換性のある特性ではありません。

屋外や紫外線照射下で使用される3Dプリント樹脂部品は、時間の経過とともに変化します。褪色したり、脆くなったり、強度が低下したりすることがあります。原因は高エネルギーの紫外線（UV）であり、ポリマー内の化学結合を切断することがあります。これは光酸化劣化として知られるプロセスです。大きく3つの範囲に区分されます。

• UV-A（315～400 nm）：太陽紫外線の最大の割合を占め、数か月から数年にわたる緩慢な劣化の原因となります。
• UV-B（280～315 nm）：太陽光のうちより高エネルギーの割合であり、劣化をさらに加速させます。
• UV-C（200～280 nm）：自然界では地表にほとんど到達しませんが、微生物を特に効果的に不活化するため消毒装置で意図的に使用されており、同じ理由からプラスチックを特に強く侵すことがあります[8]。

では、一般的な3Dプリント材料であるPLA、TPU、PETG、ASAは、紫外線およびUV-C照射に対してどの程度の安定性を持つのでしょうか。以下の概要は、測定データによって裏付けられる点と、根拠がまだ乏しい点をまとめたものです。

スペクトル範囲自体については、紫外線とは？で詳しく取り上げています。材料における劣化メカニズムについては、紫外線劣化、耐候性、光安定性をご覧ください。プリントおよび後硬化プロセス向けの測定技術については、アディティブマニュファクチャリングおよび3Dプリンティング向けUV測定で取り上げています。

引用された研究では、UV損傷が3つの力学的物性値で説明されています。それぞれが異なる情報を示しています。

• 引張強さ：部品が破断するまでに耐えられる単位面積あたりの力です。UV照射後に引張強さが低下することは、材料が弱くなったことを意味します。
• 破断伸び：材料が破断するまでにどれだけ伸びるかを示します。破断伸びの低下は、材料がより脆くなっていることを示します。
• 脆化：ポリマーが弾性を失い、より壊れやすくなることです。UV損傷の目に見える初期兆候であることが多いです。

比較した4種の材料のうち、ASAは屋外での紫外線・耐候性への恒久的な暴露に最も適しており、PLAと標準PETGはこれに適していません。ある中心的な発見は、通常の予想とは逆の結果を示しています。24時間の制御されたUV-C照射下では、PETGはPLA(−9 %)よりもかなり大きな強度低下(−38 %)を示します[1]。これは、「太陽光下で良好」であることが自動的に「UV-C下で良好」であることを意味しないことを示しています。2種類の放射は、同じポリマーに対して異なる作用を及ぼすのです。

次の表は、自然風化条件下での挙動とUV-C照射下での挙動を並べて示しています。PLAとPETGのUV-Cデータは同一の試験シリーズから得られたものであり、直接比較が可能です。一方、TPUとASAについては、同等の手法による測定データがありません。

PLAは3Dプリンティングにおける入門用材料であり、安価で印刷しやすい一方、熱や紫外線に敏感です。

• 一般的にUV安定性はなく、屋外での長期使用により脆化や変色が生じます[2]。
• UV-C照射下（24 h、10 W/m²、254 nm）では、目視での変化はなく、引張強さは−9.1 %（29.54～26.86 MPa）、圧縮強さは−13.1 %低下し、ヤング率はほぼ変化なし（−1.9 %、統計的have有意差なし）でした[1]。
• 結論として、短時間のUV-C照射は機械的特性の観点から比較的よく耐えられますが、屋外での長期的な曝露には適しません。

TPUはゴムのような柔軟な素材で、曲げたり伸ばしたりすることができます。例えば、シールやグリップなどに使用されます。

• 標準のTPUはUV安定性がありません[3]。
• UV添加剤――酸化チタンや酸化亜鉛などUV光を吸収する充填剤――を配合することで、耐UV性、および紫外線劣化後の引張強さと破断伸びの保持性が著しく向上しますが、出典には具体的な数値は示されていません[3]。
• UV-C固有の信頼できるデータはありません。

PETGはPLAより靭性と耐衝撃性に優れているため、機能部品によく使用されます。

• PLAより耐候性は優れていますが、恒常的な紫外線照射を想定した設計ではなく、連続的な日光下ではゴム状に軟化することがあります[4]。
• UV-C下（PLAと同一条件）:PLAより著しく損傷が大きい - 引張強さ −38.1%（31.30から19.48 MPaへ）、圧縮強さ −33.9%、破断伸びは3.06%から1.36%へ低下（著しい脆化）、目視での黄変および光沢低下が確認された[1]。
• 屋外用途向けに特別にUV安定化されたPETGグレードも存在します（最高連続使用温度70 ℃）が、これらは3Dプリンティング用の標準PETGとは異なります[5]。

ASAは屋外用途向けに特別に開発された素材であり、ここで比較する印刷材料の中で最も耐候性に優れているとされています。

• 紫外線および耐候性に特化して開発:ABSの紫外線に弱いゴム成分が、より紫外線安定性の高いアクリルエステルに置き換えられています [2]。
• ASTM G154に準拠した実験室試験において、2,000時間のUV照射後も引張強度の約85 %を維持します [6]。
• 122日間の屋外試験:強いUV曝露下でも特性の顕著な低下は見られません [7]。
• UV-C特有の定量的な測定データはありません。一般的な紫外線耐性を踏まえると、100 hの直接UV-C照射で目立った変化がないという実験室での見解は妥当と考えられますが、PLA/PETGの研究と方法論的に比較できるものではありません。

PLAおよびPETGのUV-C値は、2021年にPolymers誌に掲載された試験シリーズ[1]に基づいています。印刷された試験片は254 nm、放射照度10 W/m²で24時間照射され、背面パネル温度は50 ℃に保たれました。その後、試料は室温で4時間冷却されてから引張試験および圧縮試験が実施されました。論文では、使用された照射装置としてOpsytec Dr. Gröbel社のUV照射チャンバーBS-02が挙げられています。

このような値を自社の用途に転用できるかどうかは、2つの点によって決まります。第一に、これらは装置の設定値ではなく、試料位置で測定された放射照度およびそこから算出される積算光量に基づいています。測定なしでは、照射条件を比較することはできません。第二に、これらの値は、決められた層厚、積層方向、充填率を持つ試験片に対して適用されるものであり、壁厚、充填率、色の顔料によって結果は大きく変わります。したがって、特定の部品のUV耐性を証明する必要がある場合は、自社の試験環境で試験を行う必要があります。UV照射チャンバーは再現性のある境界条件を提供し、関連する規格およびガイドラインは試験条件の枠組みを提供します。

• 高UV照射環境での屋外常時使用：ASAを推奨します。
• 数時間程度の短時間または繰り返しのUV-C消毒サイクル：現在利用可能な唯一の比較研究では、PLAは標準的なPETGよりも機械的特性の低下が小さいことが示されています。
• UV-C下のASA：PLAおよびPETGと同等の手法によるデータはまだ存在しません。安全性に関わる部品については、例えばUV-C照射チャンバーを用いて自ら試験することをお勧めします。
• TPU：屋外用途およびUV用途には、UV安定化添加剤を含む場合にのみ使用してください。

印刷ではなく接着または封止される部品には、それぞれ固有の境界条件が適用されます。これらについてはUV硬化接着剤、コーティング剤、封止材をご参照ください。

1. Amza CG, Zapciu A, Baciu F, Vasile MI, Popescu D: 殺菌用UV-C照射下における3Dプリント樹脂の劣化. Polymers 13(24):4467, 2021.
2. Spectrum Filaments: ASA 275解説 - 屋外使用に適したフィラメント.
3. Wang A, Guo J, Shao C, Chen C: 熱溶解積層方式3Dプリンティング用の耐紫外線性フレキシブル熱可塑性ポリウレタン複合材料. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2024.
4. Makelab: PETGとASAの比較.
5. Noltewerk: PETG UV技術データシート（PDF）.
6. Forge Labs: ASA材料特性.
7. Habr: 3Dプリント材料の122日間紫外線比較試験.
8. Teska P (NIST): UV-C照射による一般的な医療用ポリマー表面への損傷（PDF）.

編集状況：2026年9月3日。

印刷部品が使用場所の紫外線暴露に耐えられるかどうかは、規定された照射と測定された積算光量による試験によってのみ答えが得られます。弊社はそのための測定技術を提供しています。実験室での再現性のある促進劣化試験のためのUV照射チャンバー（BS-02など）、部品そのものでスペクトル、放射照度、積算光量を測定するためのUVpad分光放射計および放射計 RMD Proです。ご質問はこちらからお送りください。