[南極熊の3Dプリント文化] FDM熱溶解積層法：3Dプリントが何千もの家庭に浸透する仕組み

この投稿は Little Raccoon によって 2017-3-29 17:50 に最後に編集されました。

Makerbot 教育ビデオ [アイデアの創出]
1FDM開発の歴史<br /> FDM (熱溶解積層法) は、1980 年代後半に米国ストラタシス社のスコット・クランプ氏によって発明された技術です。ステレオリソグラフィー (SLA) と積層オブジェクトラピッドプロトタイピング (LOM) に次いで、広く使用されている 3D 印刷技術です。 1992 年、Stratasys は FDM 技術をベースにした世界初の 3D プリンター「3D Modeler」を発売し、FDM 技術が商業段階に参入しました。
3D モデラー
国内では、清華大学、西安交通大学、華中科技大学などいくつかの大学でFDM技術の研究が最初に行われ、その中で清華大学傘下の企業が2000年にFDM技術に基づく商用3Dプリンターを発売しました。近年では、3Dプリンター技術を商用化する企業が数多く登場しています。
2009年にFDMの主要技術の特許が失効し、FDM技術をベースにしたさまざまな3Dプリント企業が大量に出現し始めました。業界は急速な発展期に入り、関連機器のコストと販売価格も大幅に低下しました。データによれば、特許の有効期限が切れた後、デスクトップ FDM プリンターの価格は 1 万ドル以上から数百ドルに下がり、販売量は数千台から数万台に増加しました。
2 FDMの動作原理
FDMの動作原理は、ノズルを通してフィラメント状の熱可塑性材料を加熱して溶融することです。ノズルの底部には細いノズル（通常、直径0.2〜0.6 mm）が装備されています。コンピューター制御により、ノズルは3Dモデルのデータに従って指定された位置に移動し、溶融状態の液体材料を絞り出し、最終的に固化します。材料が吹き出された後、その材料は前の固化した材料の層の上に堆積し、層ごとに材料が蓄積されて最終製品が形成されます。
FDM用フィラメント
FDM 3Dプリンターとその印刷物 (画像提供: 3D Systems)
FDM印刷作業プラットフォーム<br /> プリンターが動作する前に、まず 3D モデルのレイヤー間の間隔、パスの幅、その他のデータ情報を設定する必要があり、その後、スライスエンジンが 3D モデルをスライスして、印刷移動パスを生成します。コンピュータ制御により、プリントヘッドは水平方向の積層データに従って X 軸と Y 軸方向に移動し、Z 軸方向の垂直方向の移動は印刷プラットフォームの昇降によって実現されます。同時に、ワイヤ供給部品によってワイヤがノズルに送られ、加熱されて溶融した後、材料はノズルから押し出され、作業面に付着し、その後急速に冷却されて固化します。印刷された材料は、前の層と素早く融合されます。各層が完成すると、ワークベンチは 1 レベル下がり、プリンターは次の層の印刷を続けます。この手順は、オブジェクト全体が印刷されるまで繰り返されます。
FDM プロセスの鍵は、ノズルから噴出される溶融状態の原材料の温度を凝固点のすぐ上に保つことであり、通常は凝固点より約 1°C 高く制御されます。温度が高すぎると、印刷物の精度が低下したり、モデルが変形したりするなどの問題が発生します。また、温度が低すぎると、ノズルが詰まりやすくなり、印刷に失敗します。
FDM印刷技術の概略図 (画像提供: Antarctic Bear)

FDM プリンターには 2 つの材料が必要です。1 つは成形材料の固体部分を印刷するために使用され、もう 1 つはキャビティまたはカンチレバー部分のサポート材料を堆積するために使用されます。スライスソフトウェアは、印刷するモデルの形状に基づいて、サポートを追加する必要があるかどうかを自動的に計算して判断します。ブレースはベース層を確立する目的にも役立ちます。つまり、正式な印刷の前に、まず作業プラットフォーム上にベースレイヤーを印刷します。これにより、正確な参照面が提供され、印刷後にモデルを剥がしやすくなります。
3FDM印刷材料
FDM 技術で使用される材料には、主に固体材料とサポート材料が含まれます。固体材料は主に熱可塑性材料で、PLA、ABS、人工ゴム、パラフィンなどが含まれます。
FDM 技術のサポート材料は除去が難しく、剥離プロセス中にモデルの表面が損傷しやすくなります。この問題に対処するため、3D プリント大手の Stratasys は 1999 年に水溶性サポート材を開発しました。印刷されたモデルは溶液で洗い流され、物理モデルを損傷することなくサポート材を溶解します。
サポート材を除去する前の印刷物（左）とサポート材を除去した後の印刷物（右）
モデルエンティティのマテリアルを選択するときは、次の要素を考慮する必要があります。
l 粘度が低い。粘度が低く抵抗が小さいため、ノズルが詰まりにくいです。 l 融点が低い。融点温度が低いため、印刷時の消費電力が低くなり、機械の耐用年数が長くなります。 l 高い接着力。接着は、エンティティの層間の結合の強さを決定します。 l 収縮が小さい。押し出された材料フィラメントは膨張します。収縮率が小さいほど、印刷されたオブジェクトの精度が高くなります。
上記の特性に基づいて、現在市場に出回っている主な FDM 材料には、ABS、PLA、PC、PP、合成ゴムなどがあります。
ABS素材。 ABS (アクリロニトリルブタジエンスチレン) は、アクリロニトリル - ブタジエン - スチレンの三元共重合体です。A はアクリロニトリル、B はブタジエン、S はスチレンを表します。 ABS は、高強度、優れた靭性、高い安定性などの特性を持ち、極めて幅広い用途を持つエンジニアリングプラスチックです。
PLA素材。 PLA（ポリ乳酸）は、コーンスターチ樹脂とも呼ばれ、再生可能な植物資源（トウモロコシ）から抽出したデンプン原料から作られた新しいタイプの生分解性材料です。生分解性が優れているほか、光沢、透明性、手触り、耐熱性にも優れており、現在は主に衣料、工業、医療、健康分野で使用されています。
PC素材。 PC（ポリカーボネート）は、1950年代後半に開発された無色透明度の高い熱可塑性エンジニアリングプラスチックです。耐衝撃性、高靭性、優れた耐熱性、優れた光透過率などの特性を備えています。吊り下げられたPC素材パネルは、一定の距離からの銃弾の衝撃にも耐えることができます。 PC素材の熱変形温度は138℃で、色は白色のみと比較的単色ですが、強度はABS素材より約60％高くなっています。現在、ゼネラルモーターズは世界最大のポリカーボネート製造会社です。
PP素材。 PP（ポリプロピレン）は、プロピレンを重合して作られる熱可塑性樹脂です。無毒、無臭で、強度、剛性、硬度、耐熱性は低圧ポリエチレンより優れています。100℃前後で使用でき、誘電特性、高周波絶縁性に優れ、湿度の影響を受けません。欠点は、耐摩耗性が低く、劣化しやすいことです。一般機械部品、耐食部品、絶縁部品の製造に適しています。一般的な酸、アルカリ、その他有機溶剤による影響はほとんどなく、食器にもご使用いただけます。
合成ゴム素材。化学的方法で人工的に合成されたゴムは、一律に合成ゴムと呼ばれ、天然ゴムの生産不足の問題を効果的に補うことができます。合成ゴムは一般に性能面で天然ゴムほど総合的ではありませんが、高弾性、絶縁性、気密性、耐高温性などの利点があり、工業、農業、国防、交通、日常生活に広く使用されています。
4 FDMアプリケーション
FDM の応用分野には、コンセプトモデリング、機能プロトタイピング、製造処理、最終用途部品の製造、仕上げなどがあり、自動車、医療、建設、エンターテイメント、エレクトロニクス、教育などの分野に関係します。
1)概念モデリング
建築モデリング。建築分野における従来の視覚化では、木材やフォームを使用してモデルを作成します。 3D プリントは設計コストと開発時間を効果的に削減できます。建築家は物理的な建築モデルを通じて設計を改善できるため、効率と合理性が大幅に向上します。
FDM技術で印刷された建築模型(画像提供: Stratasys)
人間工学に基づいたデザイン。 3D プリントされたモデルは開発中に人間工学的にテストすることができ、その間に、製品が市場に完全に投入される前にモデルを修正して人間工学を最適化することができます。
人間工学に基づいた設計の医療リハビリ補助具（写真提供：Antarctic Bear）
人間工学に基づいて設計された自転車ハンドル
マーケティングとデザイン。 FDM 技術を使用して作成されたモデルは、研磨、塗装、加工して最終製品と同じ外観を実現できます。 FDM では、最終製品と同様の感触を実現するために、生産グレードの熱可塑性プラスチック (ABS など) を使用します。
FDM 技術を使用して作られたフレーム (画像提供: Antarctic Bear)

人間工学に基づいて設計されたマウスシェル
2)機能プロトタイピング<br /> FDM 技術を使用して得られたプロトタイプは、耐高温性、耐化学腐食性などの特性を備えています。製品設計の初期段階でプロトタイプを通じてさまざまな性能テストを実行し、最終製品の設計パラメータを改善できます。
FDM 技術を使用して作られた機能プロトタイプ部品 (画像提供: Stratasys)
3)製造・加工 FDM技術は、高性能な生産レベルの材料を使用できるため、標準ツールの製造に使用でき、小ロット生産が可能です。小ロット生産により、最終製品と同じプロセスと材料を使用してプロトタイプを作成できます。
FDM 技術を使用して作成された標準ツール (画像提供: Stratasys)
4)最終用途品
FDM テクノロジーは、射出成形に匹敵する精度で最終用途部品を直接製造できます。しかし、材料やプロセスの制限により、印刷物の耐力は低く、主に民生用市場で使用され、産業市場の最終用途部品には広く使用されていません。
FDM 技術を使用して作られたゲームコントローラーシェル (画像提供: Antarctic Bear)
5 つの利点と制限<br /> FDM 技術はレーザーシステムを必要としないため、安価です。現在、市場に出回っているほとんどのデスクトッププリンターは FDM 技術を使用しており、最も安価なものは 10,000 元未満まで値下がりしています。他の 3D プリント技術パスと比較して、FDM は低コストで原材料の範囲が広いという利点がありますが、成形精度が低い、サポート材の剥離が難しいなどの欠点もあります。以下に簡単に分析します。
利点
低コスト。 FDM テクノロジーではレーザーシステムは使用されません。
幅広い成形材料を取り揃えております。 ABS、PLA、PC、PP などの熱可塑性材料はすべて、FDM 技術の成形材料として使用できます。
環境汚染は少ないです。印刷プロセス全体では、高温、高圧、有毒物質の排出は発生しません。 機材や資材のサイズは小さいです。持ち運びが簡単で、オフィス、家庭、その他の環境に適しています。 高い原材料利用率。成形廃材がなく、サポート材もリサイクル可能です。
技術的な制限
精度が低い。温度はFDM造形効果に大きな影響を与えますが、デスクトップFDM 3Dプリンターには通常、恒温装置がありません。また、排出部に制御部品が不足しているため、排出形状と造形効果を正確に制御することが困難です。これらの理由により、FDM デスクトップ 3D プリンターの完成品の精度は通常 0.1 ～ 0.3 mm になります。各層のエッジは、層状の堆積により「段差効果」が発生しやすく、見た目通りの 3D 印刷効果を実現することが困難です。
FDM技術で作られた物体は、一般的に「ステップ効果」を持っています。
強度が低い。プロセスと材料の制限により、印刷されたオブジェクトの性能強度は低く、特に Z 軸に沿った材料強度は比較的弱く、工業基準を満たしていません。
印刷には時間がかかります。断面形状に合わせて段階的に印刷する必要があり、成形工程に一定の制約があり、生産時間が長くなるため、大型物の製造には適していません。
サポート資料が必要です。サポート材は成形工程中に追加し、印刷が完了した後に剥がす必要があります。技術の進歩により、水溶性のサポート材が市場に出回るようになり、この欠点は徐々に克服されつつあります。
6 結論と展望
FDM 技術は、個人用 3D プリンターに最適な技術です。FDM 技術を搭載した 3D プリンターを使用すると、設計者は非常に短時間で製品のプロトタイプを設計および製造し、エンティティを通じて製品のプロトタイプを改良することができます。同時に、FDM 技術は、一部の製品のパーソナライズされたカスタマイズに対する人々のニーズを満たすために、さまざまな文化および娯楽活動で広く使用されています。 FDM技術の特許は期限切れとなっているため、大規模な普及に支障はない。 Antarctic Bear は、将来的にはデスクトップ FDM 3D プリンターの市場スペースが拡大し続けると考えています。
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