3D 印刷の基本

3D 印刷とは、さまざまな用途に使用できるオブジェクトを作成する製造プロセスである。ホットグルーガンでテーブルの上に接着剤を塗ることを想像してみてほしい。そして、前の接着剤の上にさらに接着剤を付着させる。

3D プリンター、具体的にはFDM（Fused Deposition Modeling）プリンターも同じことをするが、より精密で、接着剤の代わりにプラスチックを使う。他のタイプの3D 印刷にはレーザー、粉末、液体を使用することができますが、ここではより消費者向けのFDMプリンターに焦点を当てます。

3D 、印刷の世界に足を踏み入れる際に必要なアイテムがいくつかある。

FDMとは「Fused Deposition Modeling（溶融積層造形）」の略で、押出機にフィラメントを引き込んで溶かし、ノズルから押し出して造形するプリンターのことだ。FDMプリンターは成熟しており、ニーズによっては99ドルから数万ドルで手に入れることができる。

印刷可能な部品ファイルは、ステレオリソグラフィフォーマットの略であるSTLフォーマットで提供されるのが一般的です。ステップファイルも一般的で、CAD プログラムで簡単に開くことができ、印刷用に STL に変換できます。3D CADコンピュータ支援設計（CAD）cad ソフトウェアは、他人の部品を印刷するためにインターネットを探し回る代わりに、独自のフィーチャーベースの3D 部品を作成するのに適しています。

2DCADだけでは、3D 印刷には使えない。これらのソフトウェアは、設計図のような2D要素を作成するために作られているのに対し、3D 印刷は、3D で物を作るためのものです。CAD のさまざまなタイプを理解し、手持ちのソフトウェアで、3D 印刷プロセスが必要とする出力を作成できるかどうかを確認することが重要です。

スライサーとは、3D 、人間が理解できるモデルを、3D 、プリンターが理解できる言語であるGコードに変換できるものである。プロプライエタリなスライサーもあれば、オープンソースのプログラムもあります。どのスライサーも、主にSTLファイルフォーマットを読み込み、3D パーツを作成する。スライサーに付随するクラウドベースのモニタリングソリューションもありますが、ここでは基本的なことに留めます。

ほぼすべての3D プリンターには、3D プリンター用に設計されたスライサーが付属しています。また、多くのサードパーティのスライサーは、さまざまなプリンター用に設計されています。

まず、3D プリンターの限界について説明しよう！3D 、他のどの製造プロセスよりも自由な設計が可能ですが、製造のための設計の必要性が完全に排除されているわけではありません。ある種の特徴は、印刷の品質を損ないます。ここでは、製品設計の際に留意すべき点をいくつか紹介します：

この橋を図のように印刷することを想像してみよう。3D プリンターはレイヤーごとに作業するため、プリンターはまずブリッジを作る2つのタワーを作り、次に2つのタワーの間に何もない状態で材料を走らせなければなりません。これはオーバーハングまたはブリッジとして知られており、最高品質の印刷のためには、可能であれば避けなければなりません。

オーバーハングは、マシン、印刷設定、材料、冷却、その他の要因によって異なります。一般的なルールとして、45°のオーバーハングは常に印刷可能であり、60°のオーバーハングはより細かい設定の場合、常に印刷可能です。また、サポートされている材料からあまり離れていなければ、はみ出しは問題になりません。これらのソリューションのうち、3D 印刷可能なものを決定する場合、これらの機能はすべて、CAD ソリューションで対処することができます。

時にははみ出しを避けられないこともあり、プリンターがあなたを驚かせることもよくあります。

この具体例では、側面を大きくすることで問題を解決しましたが、もっと良い方法があります。パーツの向きを利用して、パーツを逆さまに印刷することで、このはみ出しの問題を解決できます。次に説明するブリッジとオーバーハングを念頭に置いてパーツを設計することは、十分に価値があります。

上の例を見てください。どちらの面をプリントベッドに置くかを決め、その向きを中心にパーツを設計することで、より高品質なプリントを実現し、プリントの失敗を防ぐことができます。どちらの面を上にするかを戦略的に選ぶことで、オーバーハングを完全に避けることができます。

最も単純な言い方をすれば、3インチちょうどのペグは3インチちょうどの穴には入らないということだ。3D 。また、プリンターは「オーバービルド」の影響を受けやすい。つまり、意図した寸法よりも少し余分な材料が追加される可能性があり、通常、設計よりも大きなペグや小さな穴が生じる。

これらの要因は、使用するプリンターの種類や材料の種類に大きく依存するため、これに対する単純な解決策はありません。しかし、うまくフィットさせることは難しいことではありません。合理的な出発点は、1つの部品が、はめ込む部品よりも0.01インチから0.02インチ小さくなるように計画することです。また、最終プリントの前に簡単なテストプリントをいくつか実行することで、最適なフィットを最適化するための材料と時間を節約できます。

要するに、最初はいくつかのガイドラインがありますが、プリンターの能力をテストする必要があります。

3D 優れたプリントは優れた設定から始まります！部品が設計されると、スライサーの設定は、部品の印刷にかかる時間、印刷の品質、部品の強度に最も大きな影響を与えます。ここでは、重要な設定について説明します：

印刷の層高さは、部品の印刷時間だけでなく、印刷されたものの品質にも大きく影響する。Kuznetsov, V.らの研究論文「Strength of PLA Components Fabricated with Fused Deposition Technology Using a Desktop3D Printer as Function of Geometrical Parameters of the Process」によると、層高を小さい値にすると、部品の強度が大幅に向上する。

研究の結論は次の通りである：「層の高さは層内凝集力に最も大きな影響を与えた。調査したすべてのノズル（0.4mm、0.6mm、0.8mm）において、試験した層高値の全範囲にわたって、層高が高くなるにつれて部品強度が低下した。研究対象のサンプルでは、層高を最小から最大に変化させたときの強度の低下は約3.5倍であった。"もちろん、これには代償が伴う。小さな層高を追求する場合、印刷時間がはるかに長くなることが予想される。

スライサーはデフォルトでパーツを中空に印刷し、パーツの強度を維持するためにインフィルと呼ばれる内部サポート材を使用します。パーツをソリッドピースとして印刷する代わりにインフィルを使用することで、印刷に必要な時間と使用する材料の量を大幅に削減できます。インフィルには可変密度があります。

。可変密度に加えて、スライス・ソフトウェアでは、さまざまなパターンも可能です。通常、六角形パターン、ジャイロイド、グリッド、その他多くの種類のパターンが用意されています。それぞれに長所と短所がありますが、ストレスにさらされることのない多くの部品（棚に置かれるような部品）では、インフィルの選択は印刷時間以外には重要ではありません。

オーバーハングとブリッジングについて説明したときに見た橋を覚えているだろうか？オーバーハングを扱う際に品質を維持するもう一つの方法があり、それには長所と短所があります。

サポート材はスライサーがプリントに追加するもので、スライサーがカスタマイズできます。例えば、60°を超えるオーバーハングや、指定した角度に自動的にサポート材を追加するようにスライサーに指示することができます。

サポート材を使用することの難しさは、サポート材が印刷された部品と結合してしまい、表面仕上げの品質が低下してしまうことです。また、サポート材を除去するための工具が部品に接触し、品質が低下する可能性もあります。

デュアルヘッドプリンターがあれば、1つのヘッドでプラスチックを印刷し、もう1つのヘッドでサポート材を印刷することができます。つまり、サポート材の材質を選択することができます。サポート材には溶解可能なものもあるため、これにより柔軟性が高まります。そうでなければ、部品と同じ材料で支持体を印刷することになり、完成後にそれを削り取る必要があります。

プリンター用フィラメントはかなり寛容で、いくつかの温度でプリントしても機能する。しかし、微調整をすることで違いが生まれます。そのための1つの方法が、温度タワーを使うことだ。温度タワーはプリンター用のカスタムGコードを必要とし、「自己責任で使用する」取引となる。

温度タワーは層になっており、オーバーハングなど様々な繰り返し機能がある。Gコードは、温度が変化するにつれて印刷の品質がどのように変化するかを見るために、すべてのフィーチャーを異なる温度で印刷するように設定されています。完成したパーツを検査し、品質の高い部分と低い部分を視覚的に探すことで、その材料に使用すべき適切な温度を知ることができます。

ベッドに直接プリントする初期レイヤーは非常に重要で、プリント中に飛び出してしまうと、パーツが動き回り、プリントが失われてしまいます。また、熱可塑性プラスチックは熱と冷却によって形状が変化するため、ベッドとの密着性が低いと、初期レイヤーが冷却中に反ってベッドからわずかに浮き上がり、パーツも台無しになる可能性があります。

ベッドとの密着性は、プリント中パーツを立たせるのに十分な面積を確保するだけでなく、パーツの反りを緩和するのにも役立ちます。

スライサーは、ラフトとブリムを追加することができる。ラフトは、印刷されるパーツのために犠牲的な材料の層を敷きます。ラフトは、優れた密着性を実現し、従来の反りの兆候を防ぎますが、パーツから取り除くのが難しく、より多くの材料を使用します。つばは、パーツの第一層の周囲に延び、ベッド接着のための余分な表面領域を作る。ブリムは反りに対して効果的であり、ラフトを使用する場合と反りを防ぐために余分な材料を使用しない場合の中間的な役割を果たすことができる。どちらも、印刷後の後処理でパーツから取り除く必要がある。

プリントベッドの材質やプリントするフィラメントの種類によっては、プリントがプリントベッドにくっつきすぎたり、くっつかなかったりすることがあります。グルー・スティックは、反りを防ぎ、摩耗したり不完全なベッドでも必要な粘着力を確保できるので効果的です。グルースティックは水溶性で、洗うのも簡単だ。

ヘアスプレーに含まれる活性化学物質は酢酸ビニルまたはクロトン酸コポリマーで、一般的にはPVAとして知られている。すべてのヘアスプレーにこの望ましい成分が含まれているわけではないので、最大強度のヘアスプレーを購入するようにしてください。エアゾールなので、ベッドにスプレーするのが簡単で、プリントベッドを常に掃除する必要がない。ヘアスプレーは高温で働き、疎水性なので、湿気を遠ざける利点がある。ヘアスプレーは可燃性であることに注意してください。

ABSやPVBのような可溶性素材でプリントする場合、余分なフィラメントを溶ける薬品に溶かすことがある。これにより「スラリー」や「ジュース」ができ、プリントベッドに流し込むことができる。プリントを開始すると、フィラメントはプリントベッドに直接プリントされるのではなく、スラリーやジュースにプリントされる。これにより、ベッドへの材料の密着性が高まります。

3D プリントスライサーで作業していると、スライサーのデフォ ルトが中空パーツの作成になっていることに気づくかもしれ ません。これは、印刷の高速化、材料の大幅な節約、強度を高めるインフィルなど、いくつかの明確な利点があります。

家が安定するために基礎に依存しているように、シェルの厚さは3d 印刷の安定性です。これは、中空になりインフィルで満たされる前に、部品の外側にどれだけの厚みがあるかを決定します。シェルの厚みが厚ければもちろん強度は増しますが、その分材料が多くなり、印刷時間も長くなります。

ポリ乳酸の略であるPLAは、3D 、間違いなく最も一般的なプリント素材である。コスト効率が高く、多くのポリマー素材よりも環境に優しく、多くの種類があります。加熱ベッドを必要としない。石油の代わりにコーンスターチを使用しています。

ABSはアクリロニトリル・ブタジエン・スチレンの略で、3D 印刷によく使われるもう一つの材料であり、一般的なプラスチックである。ABSは、アセトンで後加工することで、平滑にし、光沢を出すことができる。ABSはPLAに比べて延性（柔軟性）が高いが、反りも大きい。反りを防ぐには、ベッドの接着や向きなどを慎重に考慮する必要がある。

PETGはポリエチレンテレフタレート・グリコール変性樹脂の略で、ABSとPLAの両方の利点をバランスよく兼ね備えています。PETGは、ABSよりも優れた層間接着性、反り抵抗性、収縮率の低減、耐薬品性に優れ、無臭で作業性に優れています。

ナイロンは多くの場合、炭素繊維の粒子で強化されており、さまざまな用途に使用できる強靭な素材となっている。特に炭素繊維が添加されているため、耐熱性が高く、収縮率が低い。

ベーパー・スムージングのアイデアは好きだが、アセトンで家を燃やしたくはない？PVBがその解決策です。PVBは、PLAのような3D 印刷のしやすさを提供し、イソプロピル（消毒用アルコール）に溶けるので、刺激の強い化学薬品なしでスムージングできます。PLAと同様、低収縮で印刷しやすく、無臭です。

このあまり使われていない素材は、日常製品に最適だ。他の素材が壊れるところでも曲げることができ、リビング・ヒンジの印刷をサポートすることさえできる。この素材はグリップ性があり、手触りは最高です。ポリプロピレンは化学的耐性に優れています。ポリプロピレンはポリエチレンに次いで2番目に多く使用されているプラスチックであり、リサイクルも可能です。

TPUは熱可塑性ポリウレタンの略で、柔らかく柔軟なフィラメントです。このフィラメントは、実際のプラスチックというよりは、ゴムやシリコンのように見えるかもしれない。TPUは当然ベッドへの密着性が高く、反りが少なく、無臭です。

PCはポリカーボネートの略で、印刷が難しい素材です。実際、ほとんどのプリンターでは印刷できないほど、高温が要求される。非常に高温のプリントベッドと、印刷を可能にするために周囲の空気を十分に高温に保つためのエンクロージャーが必要です。ポリカーボネートは耐衝撃性、耐熱性、耐薬品性に優れ、通常は透明で、折らずに曲げることができる。この素材は湿気に弱く、乾燥した状態を保つために特別な措置を講じる必要がある。

3D 印刷された部品は、多くの場合、印刷後に改良することができる。塗装したり、蒸気で滑らかにしたり、その他いろいろなことができる。

2つのパーツを完璧にフィットさせるには、ちょっとした努力が必要なことがある。材料が少し多すぎる場合は、目の細かいサンドペーパーを用意すれば、完璧なフィットを得るために材料を滑らかに除去するのに十分かもしれない。

化学薬品によって溶解する材料もある。ABSとアセトンがその代表例だ。アセトンは危険な化学物質なので、適切な訓練を受けて取り扱う必要がある。ABSをアセトンの蒸気にさらすと、印刷物の外側を溶かして平滑化し、レイヤーの線を隠してしまいます。ABSよりも蒸気をスムージングするのに適しているのは、ポリビニルブチラール（PVB）をベースにした材料です。この材料はイソプロピル（消毒用アルコール）に溶けるので、より少ない危険性で平滑化できる。これらの素材はPLAと同じくらい簡単に印刷でき、無臭で、収縮や反りが少ない。

3D 印刷には、それを素晴らしいものにする多くの側面と特徴がある。3D 印刷では、材料、時間、費用を節約するために多くの配慮がなされている。3D 印刷のようなデザインの自由度を提供するプロセスはほとんどありません。あなたの夢を現実に変える能力をお楽しみください！