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3Dプリンターは、デジタル3Dデザインを直接、実際の物理的な製品に変換します。これは、家庭用の最終製品であっても、産業における大きな転換点となるプロセスです。3Dプリンターが広く普及し、手頃な価格で入手できるようになることで、日用品のエンドユーザーも、最終的には製品の製造を直接体験できるようになります。まず、世界中の誰もが、実物の3Dデザインに無料でアクセスできるようになります。次に、ユーザーは手頃な価格の3Dプリンターを使って、自宅でそれらのデザインを直接印刷できます。簡単ですよね？しかし、実際にはそれほど単純でも簡単でもありません。ユーザーは、印刷設定、デザインの可能性、素材、そしてプロセスに関わるあらゆる要素を試行錯誤する必要があります。
インターネット上には非常に多くの3Dモデルが存在するため、ここではテクニカル3Dモデルについて説明します。これらの3Dモデルは、ギア、マウント、ケースなど、主に産業分野で使用されます。そのため、ユーザーは基本的に、3Dプリントの結果ができるだけ剛性、耐久性、長期使用性に優れていることを期待します。
3Dプリント工程に向けてテクニカル3Dモデルを準備するために必要なポイントを、以下にすべて紹介します。
素材
テクニカルパーツの3Dプリントでは、耐久性が非常に高く、耐熱性もやや優れているため、一般的にABSフィラメントが使用されます。ただし、ABSは3Dプリントが難しく、特に低価格のオープンフレーム3Dプリンターでは困難です。ABSには、密閉型3Dプリンター、240℃を超える安定した印刷設定が必要で、印刷中に有害なガスも発生します。もう1つの一般的な素材はPLAです。PLAは印刷しやすい一方で、60℃の温度で簡単に変形します。PLAはテクニカルパーツに対してかなり高い剛性を持ちますが、長期使用には適していません。湿度や温度の影響を短期間で受ける可能性があります。PLAで印刷したパーツの耐用年数は、長くても1～2年程度です。そのため、短期間の一時的な交換部品にのみ適しています。
PETGは、PLAと比べて優れた機械的特性と高い耐熱変形性を備えているため、ABSとPLAの中間的な選択肢と考えられています。もう1つの非常に重要な利点は、PETGが耐UV性も備えていることです。ほかにも、耐候性と耐UV性を持つASA（アクリロニトリル・スチレン・アクリレート）フィラメントがあります。SUNLUフィラメントは、テクニカルプリントパーツに適したこのASAフィラメントを、手頃な価格で提供しています。
短繊維状のカーボンファイバーやガラスファイバーを配合したフィラメント、ナイロン、ポリプロピレン、ULTEM PEEK、PEKKなど、産業用途に使用される素材もあります。これらのフィラメントには、非常に高温のノズルと特殊な仕様を備えた産業用グレードの3Dプリンターが必要です。
推奨素材：密閉型3DプリンターにはABS、オープンフレーム3DプリンターにはPETG
3Dモデルの寸法精度
寸法精度はテクニカルプリントにおける主要なポイントです。3Dプリントされた結果は、3D図面の設計にできるだけ正確に近いものでなければなりません。もちろん、物理モデルで絶対的な精度を実現するのは非常に困難です。そのため、この場合はモデルの測定が必要であり、3Dモデルから始めることになります。デザイナーではない多くのユーザーは、通常、3Dマーケットプレイスから3Dモデルをダウンロードします。印刷を開始する前に、正しいサイズであることを確認するため、モデルの詳細な寸法を確認する必要があります。人気のスライサーソフトウェアの中には、ソフトウェアパッケージに測定ツールが組み込まれているものがあります。たとえばCuraでは、ユーザーが測定ツールのプラグインをダウンロードできます。また、PrusaSlicerでは、最近のバージョン（2.6）にこの便利な測定機能がすでに搭載されています。
また、パーツがノズル径の範囲内に収まっていることも確認する必要があります。デザインによっては非常に薄く、印刷できない場合があるためです。
3Dプリントの正しい設定
3Dプリントの設定によって、ユーザーが印刷したいテクニカルパーツの剛性が決まります。パーツを印刷する際に変更を検討すべきポイントは、次のとおりです。
- 壁の周回数：デフォルト設定は2周ですが、より厚い壁が推奨されます。パーツを3Dプリントする場合は、壁の周回数を3～5にすると適切です。ただし、印刷時間は長くなります。
- 上面と底面のレイヤー数：印刷工程にかなり時間がかかるため、多くのユーザーはここを変更しません。しかし、ソリッドで剛性の高いパーツを作るには必要です。デフォルトの上面4層、底面3層では不十分です。さらに2～3層追加すると、はるかに良い結果が得られます。
- インフィル：インフィル率100%は必要でしょうか？実際の3Dプリントでは、インフィル率60%で十分です。キュービックやジャイロイドなどの3Dインフィルパターンを使用すると、3Dプリントパーツの強度がさらに高まります。ただし、100%を使用する場合は、98%に設定することをおすすめします。100%設定では材料が過剰押し出しされ、プリント結果を損なう可能性があるためです。また、直線またはグリッドのインフィルパターンを使用してください。
- サポート、オーバーハング、ブリッジ：
テクニカルデザインを印刷する際、最大の課題はパーツの独特な形状です。モデル内部にサポートが必要なものもあります。そのため、サポートを適用すると、印刷完了後に取り除けなくなる可能性があります。
Cura Slicerでサポートブロッカー機能を使ってサポートを調整します。サポートの手動調整、オーバーハング角度の設定、そしてプリンターのブリッジ性能が、きれいで滑らかな印刷を実現するための重要なポイントです。
印刷工程を開始する前に、スライサーソフトウェアの印刷プレビューで、すべてが問題ないことを確認してください。
印刷工程における回転位置
FDM 3Dプリント工程では、移動（XY軸）と押し出しによって異なる結果が生じます。これは、移動がスライサーのアルゴリズムによる経路に基づいているためです。スライサーソフトウェアによって、ノズルの移動経路は異なります。そのため、プリントエリア上で3Dモデルを回転させると、印刷された3Dモデルの強度や特性に異なる結果が生じます。
ご存じのとおり、3Dプリントパーツの弱点は薄い壁とレイヤー間です。これらは簡単に破損する可能性があります。3Dモデルを正しい向きに回転させることで、機械的強度を高められます。1回の工程で複数のパーツを印刷する場合も、単一パーツの印刷工程とは移動経路が異なるため、さまざまな結果が生じる可能性があります。
たとえば、車軸ロッド用の円柱を印刷する場合、2つの向きで印刷できます。垂直に印刷すると、滑らかで丸い円柱になりますが、印刷レイヤーに沿った方向の強度は弱くなります。水平に印刷すると円柱の形状は変わりますが、レイヤーラインが車軸パーツの長さに沿って印刷されるため、強度は高くなります。ただし、平らなベッド上に置く必要があるため、形状は完全な円形ではなくなります。
結論
機械部品の印刷成功率は、ほとんどのモデルがシンプルな形状であるため、アートモデルと比べて実質的に高くなります。ただし、主な懸念事項は印刷結果の寸法精度です。同じブランド、同じタイプであっても、3Dプリンターごとに精度が異なることを覚えておいてください。趣味で3Dプリンターを使用する場合でも、サポートツールとしてデジタルノギスなど、標準的な測定器を用意しておきましょう。
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