3Dプリントで完璧なバランスを実現するための充填構造と設計原則の役割を理解する

はじめに: 充填構造は 3D 印刷において重要な役割を果たし、印刷された部品の内部構造を正確に制御できるようにします。射出成形や減算製造などの従来の製造方法とは異なり、3D プリントでは複雑な充填パターンや調整可能な充填密度を作成できます。インフィルとは、3D プリントされた部品の内部構造を指し、部品の重量や物理的特性に影響を与えながら、サポート、強度、剛性を提供します。インフィルの作成は、3D モデルを 3D プリンターの指示に変換するスライスプログラムを使用して行われます。
3D プリントにおけるインフィルの重要性を理解するには、インフィルを使用した設計の学習が初心者にとっていくつかの課題を伴うことを認識することが重要です。これらの課題には、さまざまなパターンを理解すること、適切な充填密度を選択すること、オーバーハングするサポートを設計すること、欠陥を最小限に抑えること、印刷設定を最適化すること、実践的な経験を積むことなどが含まれます。これらの複雑な点を深く掘り下げることで、これらの課題を克服し、フィルで可能な限り最良の結果を達成するために必要なスキルを開発できます。

充填密度とは何ですか?
充填密度は、印刷された部品の内部がどの程度「充填」されているかを示し、通常は 0% から 100% の間のパーセンテージで指定されます。密度が低いと中空部分が多くなり、重量と材料の消費量が減りますが、強度が犠牲になる可能性があります。一方、密度が高くなると内部が強固になり、部品の重量と強度が増加します。充填密度の選択は、印刷の特定の要件によって異なります。特別な強度を必要としない標準的な印刷の場合、15〜50% の濃度が推奨されます。この範囲では、印刷時間、材料消費量、強度のバランスが取れています。追加の強度を必要とする機能的なプリントの場合、充填密度は 50% 以上、最大 100% が推奨されます。ただし、密度が高くなると、印刷時間と材料の使用量が増加します。
展示目的のみに使用される彫像や模型の場合、充填密度は 0 ～ 15% で十分です。これにより、強度は多少犠牲になりますが、印刷速度は速くなり、材料の消費量は減ります。 TPU などの柔軟な素材を印刷する場合、任意の密度を使用できますが、密度が高くなると最終製品の柔軟性が低下します。
△密度の異なる詰め物（写真提供：Triplaaxis）
3D プリントされた充填パターンとアプリケーションを調べる<br /> 充填密度に加えて、パターンの選択も印刷部品の特性に影響します。さまざまなスライスプログラムにより、単純な線から複雑な幾何学的形状まで、さまざまなパターンが提供されます。各パターンには、強度、印刷時間、重量負荷、柔軟性に影響する独自の特性があります。
ストライプフィル (線)ストライプパターンは、一方向に印刷された線で構成され、2 次元の強度を実現します。高速印刷に適しており、材料の消費量が少なく、比較的軽量です。
ハニカムハニカムパターンは、ハチの巣に似た視覚的に魅力的な構造を作り出します。中程度の強度があり、材料を節約しながら半高速印刷に適しています。軽量化が優先される場合、ハニカムフィラーが第一選択肢となることが多く、航空宇宙や軽量アプリケーションに適しています。
グリッドフィル (グリッド)線と同様に、グリッドパターンは各レイヤーに印刷された 2 次元の線で構成され、2 次元の強度を実現します。強度、材料使用量、印刷時間のバランスが取れています。グリッドインフィルは用途が広く、通常は中程度の構造サポートが必要な場合に使用されます。
三角形三角形パターンには、XY 平面内で 2 次元の強度を提供する重なり合う三角形の線があります。強度が求められる印刷物に適しています。
トライヘキサゴンこのパターンは、XY 平面上の 3 方向の線を組み合わせて、中央に三角形がある六角形のパターンを形成します。 2次元的な強度があり、より強度の高い印刷に適しています。
キュービックキュービックパターンは、X 軸と Y 軸を中心に 45 度傾いた積み重ねられた立方体で構成され、三角形のように見えます。立体的な強度に優れています。
オクテットパターンはキューブパターンに似ていますが、三角形ではなく正方形が使用されています。立体的な力強さと見た目の美しさを兼ね備えています。
ジャイロイドジャイロイドパターンは視覚的に印象的で、不規則な凹状の弧が交差するのが特徴です。強度、材料使用量、印刷時間のバランスが取れています。高い構造的完全性が求められる場合、スパイラル充填材は耐荷重性を高め、剥離のリスクを軽減するため有利です。
△画像出典: B&C Digital Manufacturing Solutions 適切な充填パターンを決定する際には、強度、重量、印刷時間、柔軟性、浮力の点で各パターンの独自の利点を考慮することが重要です。標準的なプリントでは、グリッドや三角形のパターンがよく使用されますが、機能的なプリントでは、立方体、らせん、八重奏などのパターンを利用できます。螺旋状や同心円状の塗りつぶしパターンは、高い強度や耐荷重性が求められるオブジェクトに最適で、構造の完全性を高めます。一方、ハニカムインフィルは軽量化に優れており、材料の効率的な利用と軽量特性を提供します。線パターンは、印刷プロセスを高速化するために彫像や模型の印刷によく使用されますが、同心円パターンは柔軟な印刷に優れており、材料の消費を最小限に抑えながら強度を提供します。
Ultimaker の Lightning Fill: 直感的なアプローチ<br /> Lightning インフィルは、スライサーに統合された初のインテリジェントインフィルである新しいインフィルオプションで、Ultimaker Cura のオープンソースオプションとして利用できます。モデルの形状に基づいて内部サポートを動的に生成し、3D プリントに独自のアプローチを導入します。従来の方法とは異なり、ライトニングインフィルは、主にモデルの上部を強化しながら、部分的に中空構造を維持することで、フィラメントの使用量と印刷時間を削減します。 Lightning Infill パターンは強度や耐荷重の用途向けに設計されていませんが、フィラメントの効率性と装飾的または視覚的に魅力的な印刷物の迅速なプロトタイピングに大きな利点をもたらします。機能部品や耐荷重部品には他の充填モードが推奨されますが、材料消費量の削減と印刷の高速化が優先される場合は、Lightning 充填モードが役立ちます。
△ライトニング充填デモンストレーション（写真提供：Ultimaker）
3D プリントの強み、汎用性、精度を解き放ちます<br /> 積層造形においては、構造的に健全な部品を作成するために充填が重要です。部品の物理的特性を向上させるだけでなく、複雑な形状の印刷領域間のサポートと接続も提供します。充填なしまたは充填を減らした単純な形状を印刷することは可能ですが、標準部品や機能部品の場合は充填が必要になることがよくあります。印刷されたオブジェクトの強度、構造、重量分布を保証します。
均一な仕上がりを実現し、充填によるモデル表面の目に見える跡を避けるために、いくつかの調整を行うことができます。壁の厚さは重要な要素です。壁が薄いと、特にモデルの上部領域に跡が残る可能性があります。壁の厚さを増やしたり、上層と下層の層の数を増やしたりすると、この問題を軽減できます。オーバーラップ率によって、モデルの周囲に印刷される充填量が決まり、壁の抵抗に影響します。重なりを調整するとマーキングを減らすことができ、最適値は約 10% です。特に「壁の前に塗りつぶす」を有効にして注文を印刷すると、オーバーハングの表面品質が向上しますが、ワークピースの側面に小さな跡が残る場合があります。
充填密度、充填パターン、およびその他の印刷パラメータ間の関係を理解することで、3D 印刷の愛好家や専門家は、特定の要件に合わせて印刷を最適化できます。適切な充填設定を慎重に選択することで、3D プリントされた部品に必要な強度、重量、構造、その他の特性を実現できます。

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