3Dプリント入門

FDM 3Dプリントとは何ですか？

熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling、FDM）は、世界中の家庭で最も広く使われている3Dプリントの形態です。このプロセスは溶かした熱可塑性材料を層ごとに押し出し、各層を冷却・固化させてから次の層を積み上げていきます。

FDMは付加製造（アディティブマニュファクチャリング）の手法であり、CNCフライス加工のような切削（サブトラクティブ）プロセスとは対照的です。固いブロックから削り出すのではなく、FDMは部品に必要な材料のみを使用します（オーバーハング用のサポート構造を除く）。これらのサポートは印刷後に取り外して廃棄されます。

FDMプリントの独自性は主に三つの重要な領域にあります：使用される材料、3DモデルをG-code命令に変換するスライスソフトウェア、そして押出（エクストルージョン）システムです。モーターや制御基板のような他の部品はFDMに固有のものではなく、多くのデジタルファブリケーション手法で共通して使われます。

FDMプリントの利点

FDMプリントは最も手頃でアクセスしやすい3Dプリント手法の一つとされています。SLAやレジンプリントなどの他の技術と比較して、機械や材料のコストがより経済的です。近年レジンプリンターの価格は下がっていますが、一般にビルドボリュームが小さく消耗品が高価で、扱いもやや難しい傾向があります。

FDMで利用できる材料の種類は非常に豊富です。柔軟なフィラメント、カーボンファイバー混合、ナイロン、ポリカーボネート、UV耐性や耐候性のある材料などが含まれます。高温材料も多く出回っていますが、多くは筐体の閉鎖や加熱が必要です。市場には数百種類のフィラメントがあり、それぞれ強度、柔軟性、耐熱性など独自の特性を持つため、プリンターが対応するエクストルーダーとホットエンドを備えていればほぼあらゆる用途に適した材料が見つかります。

レジンベースの印刷プロセスと比べて、FDMはよりクリーンで扱いやすいことが多いです。有害な化学薬品の取り扱いを避けられ、後処理も比較的少なくて済みます。これによりFDMは初心者に優しく、カジュアルや家庭での使用に向いています。

FDMプリントにおける軸の動きの理解

FDM 3Dプリントでは、軸の向きは幾何学や一般的な機械工学の背景を持つ人にとって馴染みが薄いことがあります。X軸はツールを左右に動かし、Y軸は前後に動かし、Z軸は垂直方向の動きを制御します。直感に反するように思えるかもしれませんが、この名前付けは3Dプリントコミュニティで標準的に使われています。

最も一般的な軸構成は、直交（カーテシアン）方式とCoreXY方式に基づいています。カーテシアンプリンターは各軸がそれぞれのステッパーモーターで独立して制御されます。通常、ビルドプレートはY方向に移動し、ホットエンドはX方向に移動します。キャリッジ全体がZ方向に移動します。これらのプリンターはしばしば「ベッドスリンガー」と呼ばれます。

「ベッドスリンガー」プリンターの上方図

Ender 5シリーズのように、カーテシアン風のモーター動作を用いながらビルドプレートが垂直に移動する機種もあります。これらは簡略化のために「ガントリースタイル」プリンターに分類されることが多いです。一般に、ベッドがZ軸で垂直に移動するプリンターはガントリースタイルと見なされ、ベッドがY軸で前後に動くものはカーテシアンスタイル、あるいは俗に「ベッドスリンガー」と呼ばれます。

CoreXYマシンは、X軸とY軸が二つのステッパーモーターで駆動されるベルトシステムを通じて同期される点で異なります。これにより動きが滑らかになり、Z軸のブレ（Z-wobble）が減少し、特に高速印刷時の安定性が向上します。これらの利点からCoreXYプリンターは人気が高まっており、Bambu LabのX1やP1シリーズのようなモデルにも採用されています。

A1やA1 Miniのようなプリンターは引き続きカーテシアンスタイルの構成を採用しており、「ベッドスリンガー」として知られています。

デルタプリンターは全く異なる原理で動作し、三角形に配置された三本のアームを使って押出機をプリントベッド上に位置決めします。高速印刷や高品質を提供できる一方で、フレームが高くなり、カーテシアンやCoreXYと比べてコンパクト性に欠けます。スペースやセットアップの要件から使用頻度はかなり低いですが、優れた結果を出すことができます。

エクストルーダーの種類：ダイレクト対ボーデン

FDMプリンターは二種類のエクストルーダーを使用します：ダイレクトドライブ（直結）またはボーデン（Bowden）。ダイレクトドライブエクストルーダーは、フィラメントをプリントヘッドに取り付けられたモーターから直接ホットエンドへ供給します。対照的にボーデンエクストルーダーはリモートモーターでフィラメントを押し、PTFEチューブを通してホットエンドに送ります。

ボーデンシステムはプリントヘッドの重量を減らし、より速い動きを可能にします。しかしTPUのような柔軟な材料の扱いが難しく、糸引き（ストリング）を避けるためにリトラクション設定の精密な調整が必要になることが多いです。ダイレクトエクストルーダーは精度が高く、柔軟材料の扱いが簡単で、一般的に押出制御が向上します。

振動補償などの近年の業界の進歩により、ダイレクトドライブシステムの重量による不利は以前ほど重要ではなくなっています。その結果、より多くのメーカーが手頃な価格のダイレクトドライブ機種を提供するようになり、ボーデン構成はやや減少しています。

詳しく読む エクストルーダー.

まとめ

• 熱溶解積層法（FDM）は、溶かした熱可塑性材料を層ごとに押し出し、各層を固化させてから次の層を追加する付加的な3Dプリントプロセスです。

• CNCフライスのような切削法とは異なり、FDMは部品に必要な材料と一時的なサポートのみを使用するため、効率的で廃棄物が少ないです。

• FDMプリントは主に三つの要素に依存します：フィラメント材料、G-codeを生成するスライスソフトウェア、そして押出システム。モーターのような他のコンポーネントは他の製造タイプと共有されます。

• これは最も手頃でアクセスしやすい3Dプリント手法であり、柔軟、強化、高温対応のフィラメントを含む幅広い材料を提供し、ホビイストからプロフェッショナルまで幅広く適しています。

• FDMプリンターには複数の駆動方式があります：カーテシアン（「ベッドスリンガー」）、ガントリー、CoreXY（滑らかな動作のためのベルト同期）、およびデルタ（速度と精度のための三角形アーム配置）。

• エクストルーダーは、柔軟フィラメントの制御のためにホットエンドにモーターが取り付けられたダイレクトドライブか、より軽く高速な動作のためのリモートモーターを使うボーデンのいずれかで、近年の改良により汎用性の面でダイレクト構成が好まれる傾向にあります。