3Dプリント入門
FDM 3Dプリントとは？
熱溶解積層法（FDM）は、世界中の家庭で最も広く使われている3Dプリント方式です。このプロセスでは、溶かした熱可塑性材料を1層ずつ押し出し、次の層を追加する前に各層を冷却・固化させます。
FDMは付加製造方式であり、CNCフライス加工のような除去加工とは対照的です。固形ブロックから削り取るのではなく、FDMでは部品そのものに必要な材料だけを使用します。ただし、張り出し部分に使うサポート構造は例外です。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3つの重要な要素にあります。使用する材料、3DモデルをG-code命令に変換するスライシングソフトウェア、そして押出システムです。モーターや制御基板などの他の部品はFDM専用ではなく、多くのデジタル製造方式で共通して使われています。
FDMプリントの利点
FDMプリントは、最も手頃で利用しやすい3Dプリント方式のひとつとされています。SLAやレジンプリントなど他の技術と比べると、機械も材料もよりコスト効率に優れています。近年はレジンプリンターの価格も下がっていますが、一般的に造形サイズは小さめで、消耗品も高価であり、使い勝手もあまり良くありません。
FDMで使え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配合、ナイロン、ポリカーボネート、UV耐性材料、耐候性材料などがあります。高温材料も多く用意されていますが、多くの場合は密閉された加熱環境が必要です。市場には何百ものフィラメント種類があり、それぞれ強度、柔軟性、耐熱性などの特性が異なるため、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を見つけることができます。
レジンベースのプリント方式と比べても、FDMははるかに扱いやすく、きれいです。有害な化学薬品を扱う必要がなく、通常は後処理も少なくて済みます。そのため、FDMは初心者向けで、趣味用途や家庭用途にもより適しています。
FDMプリントにおける軸の動きを理解する
FDM 3Dプリントでは、幾何学や一般的な機械工学の知識がある人にとって、軸の向きがなじみのないものに感じられるかもしれません。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見えても、この命名規則は3Dプリント業界では標準です。
最も一般的な軸構成は、Cartesian方式とCoreXY設計に基づいています。Cartesianプリンターでは、各軸がそれぞれ独立したステッピングモーターで制御されます。一般的には、ビルドプレートがY方向に動き、ホットエンドがX方向に動きます。キャリッジ全体はZ方向に動きます。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。
Ender 5シリーズのような一部の機種は、Cartesian方式のモーター移動を採用しつつ、ビルドプレートが垂直方向に動きます。簡単のため、これらはしばしば「ガントリー方式」のプリンターに分類されます。一般に、ベッドがZ軸方向に垂直移動するプリンターはガントリー方式とみなされ、ベッドがY軸方向に前後移動するプリンターはCartesian方式、あるいはより口語的には「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2つのステッピングモーターで駆動されるベルトシステムによって同期している点が異なります。これにより、より滑らかな動き、Zブレの低減、安定性の向上が実現します。特に高速印刷時に効果的です。CoreXYプリンターはこうした利点から人気が高まっており、現在ではBambu LabのX1シリーズやP1シリーズなど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Cartesian方式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まったく異なる原理で動作し、三角形に配置された3本のアームを使ってエクストルーダーを造形ベッドの上方に位置決めします。高速印刷と優れた品質を実現できますが、より背の高いフレームが必要で、Cartesian方式やCoreXY方式の代替機よりもコンパクトではありません。設置スペースやセットアップ要件のため、これらの機械は使用頻度がかなり低いですが、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：ダイレクトとボーデン
FDMプリンターには、ダイレクトドライブとボーデンの2種類のエクストルーダーがあります。ダイレクトドライブ式エクストルーダーは、プリントヘッドに取り付けられたモーターからフィラメントを直接ホットエンドへ送り込みます。一方、ボーデン式エクストルーダーは、離れた位置にあるモーターでフィラメントをPTFEチューブを通してホットエンドへ押し出します。
ボーデン方式はプリントヘッドの重量を軽減し、より高速な移動を可能にします。しかし、TPUのような素材（柔軟なフィラメント）の扱いは苦手で、糸引きを防ぐためにリトラクション設定を細かく調整する必要があることがよくあります。ダイレクトエクストルーダーは、より高い精度、柔軟な材料の扱いやすさ、そして一般的に優れた押出制御を提供します。
振動補正のような最近の業界の進歩により、ダイレクトドライブ方式の重量面での不利はそれほど大きな問題ではなくなりました。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搭載モデルを提供するようになり、ボーデン構成は徐々に少なくなっています。
詳細はこちら 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1層ずつ押し出し、次の層を追加する前に各層を固化させる付加式の3Dプリントプロセスです。
CNCフライス加工のような除去加工とは異なり、FDMは部品に必要な材料と一時的なサポートだけを使用するため、効率的で廃棄物も少なくて済みます。
FDMプリントは、フィラメント材料、G-codeを生成するスライシングソフトウェア、そして押出システムという3つの主要要素に左右されます。モーターなどの他の部品は、他の製造方式と共通しています。
最も手頃で利用しやすい3Dプリント方式であり、柔軟素材、強化素材、高温用フィラメントなど幅広い材料に対応しているため、趣味用途からプロ用途まで幅広く適しています。
FDMプリンターにはいくつかの動作方式があります。Cartesian方式（「ベッドスリンガー」）、ガントリー方式、CoreXY方式（ベルト駆動で同期し、より滑らかに動作）、デルタ方式（三角アームで高速かつ高精度に位置決め）です。
エクストルーダーは、ダイレクトドライブ式（モーターがホットエンドに取り付けられ、柔軟なフィラメントを制御しやすい）とボーデン式（離れたモーターで軽快かつ高速に動作する）のいずれかで、近年の改良により汎用性の高いダイレクト方式が好まれる傾向にあります。
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