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3Dツーリング技術について言えば、現在では3Dプリンターはかつてないほど安価になっています。3Dプリンターの進歩は世界中の産業を大きく変えました。市場の3Dプリンターがより使いやすくコンパクトになり、コンシューマー向け3Dプリントも新たな段階に達しています。
Adrian Bowyerによって紹介されたRepRapコミュニティから始まった、コンシューマー向けFDM/FFF 3Dプリンター。
最初の設計は、プラットフォームをZ軸方向に動かす上下移動式の造形プラットフォーム（Reprap v1）で、2番目の設計（Reprap v2）はベッドスリンガー（Y軸方向のベッド移動）を使用します。もう一つの機械設計は、ベッドプラットフォームが移動しないデルタ3Dプリンターです。
これらのタイプの3Dプリンターは、すでに数年間市場に出回っています。造形プラットフォーム、通常はベッドプラットフォームと呼ばれるものは、3Dプリント工程を円滑に進め、良好な造形物を作るための重要な部品の一つです。
3Dプリンターのプリントベッドの機械的な移動設計について、いくつかの長所と短所を以下に示します。
1.カルテジアン方式のXYヘッドとZ方向のベッド移動
この設計は、市場に初めて登場した多くの3Dプリンターに採用された基本的な機械モデルです。Makerbot、Ultimakerなどの人気3Dプリンターブランドや、最新のCore-XYプリンターは、機械にこのシステムを採用しています。
- 造形物の質量はZ軸方向にのみ移動し、軽量化されたプリントヘッドがXY方向に移動します。そのため、より高速な印刷が可能です。
- 立方体フレームにより、ほとんどのモデルで筐体を容易に取り付けられます。そのため、オープンフレームと比べて、プリンターはより多くの材料に対応できます。このプリンターモデルでは、ABS、ASA、PA-ナイロン、PCフィラメントなどが通常使用されます。
- この設計タイプは、メンテナンスや改造がやや難しいです。
- Z軸のみが動くことで、表面に現れるゴーストの問題を大幅に軽減できます。発生する可能性がある表面の問題は、Zバンディングです。
- 完全な立方体フレームに材料を使用するため、このモデルはより高価です。
- プリントベッドの手動調整は、プリンターの背面にアクセスしにくいため、少し面倒です。
- ヒーテッドベッドはプリンターの電源から約70%の電力を消費します。そのため、ヒーテッドベッドの電源ケーブルは通常太く、曲げにくい特性があります。この状況では、ケーブルの損傷を避けるため、曲げる動きは少ないほど望ましいです。
2. Cartesian方式のXZヘッド、ベッドがy軸方向に移動（ベッドスリンガー）
この設計モデルは、2本のz軸を持つ標準的なPrusa-Mendel方式と、z軸が1本だけのカンチレバー方式という2つのサブスタイルに分けられます。Prusaがこのモデルを発表して以来、安価なコンシューマー向け3Dプリンターがホビーユーザーや家庭ユーザーの間で急速に普及しました。
- この方式の3Dプリンターは、製作、改造、メンテナンスが簡単で低コストです。たとえば、SUNLU T3 3Dプリンターには多くの機能が搭載されており、非常に手頃な価格で購入できます。
- 動作機構を視覚的に確認しやすく、3D印刷の工程を簡単に निरीできます。しかし、ベッドが動くため、タイムラプス撮影には非常に不向きです。
- フレームはコンパクトで軽く、あちこちへ簡単に移動できますが、その分、頑丈で剛性の高い設計が犠牲になります。適切に組み立てられていない場合、印刷品質に影響します。
- 同じ速度と加速度で比較すると、重い印刷ベッドによってゴーストが発生するため、理論上は印刷品質が劣ります。
- ベッドには印刷量の多いモデルが載った状態でy軸方向にも動くため、z軸のウォブル問題も発生しやすくなります。
- この設計では、非常に大きなビルドプレートは推奨されません。市場最大のものは500x500mmですが、重いベッドと印刷モデルが前後に動くため、多くの問題が発生します。
- ヒーテッドベッドの電源ケーブルも別の問題です。印刷中は常にベッドが動くため、ケーブルを移動するベッドにしっかり固定し、確実にロックする必要があります。
- フレームの設計は99%がオープンで、これを囲う唯一の方法は、プリンターの寸法よりも大きな箱の中にプリンターを入れることです。オープンフレーム設計のため、使用できる材料はPLA、PETG、TPUに限られます。また、周囲の環境温度によって印刷温度とベッド温度が一定しないため、Sunlu Filamentのような高品質な材料を使用する必要があります。
3. Delta方式のXYZヘッド、ベッドは移動しない
ヘッド移動へのまったく異なるアプローチとして、3Dプリンターにデルタ方式の運動学を使用するためです。
- 造形サイズは無制限ですが、形状は円形に限られます。なぜなら
- 印刷モデル自体はまったく動かないため、印刷速度を最大まで引き上げられます。
- メカニカルデルタは、プリンターヘッドが取り付けられたエフェクターに接続する3点の上下ロッドによるZ軸移動で構成されます。その結果、ZバンディングやZウォブルの問題は発生しません。
- このプリンターで唯一懸念されるのは、より複雑な運動学によってCPU処理にかかる負荷です（高速なプリント速度と応答性の高い制御には32ビットCPUが必要です）。
- このプリンターのエラー原因を特定するのは簡単ではないため、トラブルシューティングにはより多くの時間が必要です。
- 中央部の精度は他の方式より高く、円形モデルを完璧に印刷できます。
- ベッドがまったく動かないため、セラミックや液体セメントのような重い材料でも3Dプリントできます。
もう1つの珍しい設計が、極座標式のヘッド移動と回転式ベッド移動を組み合わせたPolar Style X Headです。この3Dプリンターは人気がなく、2015年にPolar3Dが製造しただけです。このプリンターの独特な設計は、モーターの回転に合わせてベッドが円形に回転することです。なぜ効果的ではないのでしょうか。ご存じのように、ステッピングモーターの角度とこのプリンターの造形サイズには制限があり、非常に限られています。円運動は移動量が少ないものの、Z軸を1本しか使用しないため、Zバンディングのような問題が発生する可能性があります。また、ケーブルが中央ロッドの軸に沿ってねじれてしまうため、ヒートベッドの実装も困難です。
それ以外にも、4種類のベッド・ロボット技術を3Dプリントに実装できます。つまり、ベッドをロボットアームの可動範囲内で任意の位置・サイズにしたり、固定ベッドをまったく設けなかったりできます。もちろん、この3Dプリントの用途は消費者向けではありません。
ベッドの動き方の違いは3Dプリントの品質に影響しますが、実際の3Dプリントでは、単純で安価な単一Z軸のカルテジアン式ベッドスリンガー構造だけでも、滑らかな3Dプリント結果を実現できます。適切なプリント設定、電気センサー、高度なファームウェアを使用することで、3Dプリントモデルの品質を向上させられます。
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