愛と憎しみ！ 3Dプリントに欠かせないサポート構造とサポートフリー技術

南極クマの紹介:サポート構造は、3D プリント部品の生産を成功させるための重要な部分の 1 つです。 3D プリントの主な利点は、自由形状で複雑な形状を作成できることですが、3D プリントが提供する設計の自由度の多くは、サポート構造を使用せずに実現するのは困難です。

サポートは、部品の変形や崩壊を防ぐなどの目的に非常に重要であるため、サポート構造を認識して設計する方法を学ぶことは、積層造形エンジニアとして習得しなければならないスキルです。この記事では、Antarctic Bear がサポート構造を追加するための要件、その利点と欠点、削除、およびさまざまな印刷技術でサポート構造の使用を最小限に抑える方法について説明します。

3Dプリントにおけるサポート構造の重要性

ほぼすべての 3D 印刷技術で使用されるサポート構造は、3D 印刷プロセス中に部品の印刷可能性を保証するのに役立ちます。サポートは、部品の変形を防ぎ、部品をプリントベッドに固定し、部品が印刷部品の本体に接続されていることを確認するのに役立ちます。足場と同様に、サポートは印刷プロセス中に使用され、その後削除されます。

オーバーハング、穴、ブリッジなどの複雑な設計機能を持つ部品は、印刷がより困難になります。金属 3D プリントを例にとると、印刷された部品が吊り下げ構造または橋渡し構造になっている場合、サポート構造を使用しないと、印刷プロセス中に部品が変形したり、崩壊したりします。サポート構造は、印刷プロセス中に形成された部品の崩壊を防ぐのに役立ち、印刷の成功率を大幅に向上させます。ただし、すべての吊り下げ構造に追加のサポートが必要なわけではありません。なぜなら、サスペンション構造の垂直角度が 45 度未満の場合、サスペンション構造はサポートを必要としないからです。この構造の垂直角度が 45 度未満の場合、3D プリンターは隣接する層に小さな水平オフセットを作成し、上部の層が小さなオフセットを持つ層に重ね合わされ、各層が次のレベルのサポートを提供できるようになります。したがって、45 度の角度は臨界角です。 45 度未満の角度ではサポートは必要ありません。もちろん、これもプリンターの性能や素材の特性に応じて決定する必要があります。プリンターのパフォーマンスが悪い場合は、45 度未満の角度でのサポートが必要になる場合があります。

さらに、金属 3D プリントなどの技術では一般的に高温プロセスが伴うため、サポートはヒートシンクとしても機能します。これは、金属積層造形プロセス中に追加されたサポート構造が部品から熱を逃がすのに役立ち、印刷プロセス中の高温による残留応力を防ぎ、変形、反り、ひび割れなどの欠陥の形成を回避するためです。

もちろん、金属 3D プリントはサポートを追加する唯一の技術ではありません。ほぼすべての 3D プリント技術では、ある程度のサポート構造の追加を考慮する必要があります。次の表は、さまざまな 3D 印刷方法でのサポートの使用方法の違いを示しています。

技術原理	材料	サポートが必要ですか?
選択的レーザー溶融法（SLM）直接金属レーザー焼結法（DMLS）直接エネルギー堆積法（DED）電子ビーム溶融法（EBM）	金属材料	はい
ステレオリソグラフィー（SLA）	フォトポリマー	はい
選択的レーザー焼結（SLS）	粉末材料	いいえ
マテリアルジェッティング	粉末材料	はい
熱溶解積層法（FDM）	熱可塑性プラスチック	はい
接着剤噴射	粉末材料	いいえ

粉末床溶融結合法（SLM、DMLS、EBM）

金属 3D プリントにはサポート構造が不可欠です。パウダーベッドフュージョン技術によって形成された部品はルースパウダーに囲まれますが、一定のサポート役も果たします。ただし、これらの技術では、基板への固定を確実にし、残留応力による影響を軽減するためのサポートが常に必要になります。サポート構造がないと、部品が垂れ下がったり傾いたりして、金属の内部応力によってプリント自体が損傷し、プリントが失敗する可能性があります。一般的に、粉末ベッド印刷技術におけるサポート構造は、主に次の 2 つのタイプに分けられます。

線形サポート: このタイプのサポートは、吊り下げ構造全体に接続された垂直の支柱で構成されます。しかし、このタイプのサポートは削除するのが困難です。

木のような支柱: この構造の支柱は木の枝の形に似ています。部品の垂れ下がった部分を支えるために使用します。吊り下げ位置にのみ取り付けられます。分解が容易で、部品自体に損傷を与えないという利点があります。ただし、ツリー状のサポート構造は非平面サスペンションにのみ適していることに注意してください。平面サスペンションの場合、十分なサポートが得られません。

残留応力が最も集中する、印刷部品の底部とプリントベッドの間の接触領域にサポートを追加できます。これにより、部品から熱が逃げ、ひび割れ、反り、たるみ、剥離、収縮の原因となる熱変形を最小限に抑えることができます。

直接エネルギー蓄積（DED）

直接エネルギー堆積法は、材料を直接溶かして層ごとに堆積させることで部品を製造するプロセスです。粉末ベッドフュージョンによって形成された部品では部品の周囲の粉末ベッドがある程度のサポートを提供できますが、DED を使用して印刷された部品は 3 次元空間で完全に独立しているため、部品の安定性、複雑な機能の印刷可能性、および熱放散を確保するためにサポート構造も必要です。

1. サポート設計

パウダーベッドフュージョン技術で製造された部品のサポートを設計する場合、サポートが本体から簡単に分離できることを保証することが重要です。そうでないと、後処理段階でサポートを取り外すことができません。金属部品のサポートは通常、グリッド構造として印刷されます。このように、これらはヒートシンクとして機能し、部品から熱を逃がし、より制御された方法で冷却して変形を防ぎ、材料コストと構築時間を節約します。

通常、サポートを追加すると、より正確な部品が生成されますが、コストと後処理時間も増加します。興味深いことに、オランダの企業 MX3D は、多軸ロボットアームと溶接機を組み合わせることで、サポートなしで金属部品を印刷できる金属 3D 印刷ツールを開発しました。

△MX3Dのサポートフリー金属3Dプリントツール

2. サポートの削除

金属部品のサポート除去は、一般的にポリマーベースのプロセスよりも難しく、多くの場合、切削工具が必要になります。さらに、完成した部品の外観が重要な場合は、金属部品の表面を滑らかに仕上げるために、研磨などの後処理が必要になることもあります。

モデルを分解する場合、ほとんどのサポートは正しく行えば簡単に取り外すことができます。まず、指を使ってアクセス可能な部分のブラケットをゆっくりとこじ開けます。特殊な場所では、ラジオペンチ、スクレーパー、彫刻ナイフなどのツールを使用してブラケットを取り外すこともできます。

ステレオリソグラフィー（SLA）

△ サポート構造を備えたステレオリソグラフィー SLA 3D パーツ。 [画像提供: Formlabs]

ステレオリソグラフィーは、光源を使用して液体樹脂を固めることによって機能します。この技術では、部品をプリントベッドにしっかりと固定し、反りを防ぐためのサポート構造が必要です。

SLA で使用されるサポートは非常に薄く、材料を節約するために部品に軽く触れるだけで済みます。つまり、手またはペンチを使用して簡単に取り外すことができます。ただし、サポートを除去すると最終部品に跡が残るため、滑らかな表面仕上げを確実にするために研磨が必要です。

1. サポート設計

SLA は、視覚的なプロトタイプ、金型、補聴器など、外観や滑らかな表面仕上げが求められる用途でよく使用されます。この場合、印刷物の前方領域がサポート構造に接触しないように部品を設計することが重要であり、ここで部品の位置決め設計が重要になります。

部品の配置は設計段階で重要な考慮事項です。部品の位置を変更すると、必要なサポートの量を減らすことができます。たとえば、管状の部品を水平に置くと、より多くのスペースを占めるため、より多くのサポートが必要になります。対照的に、同じ部品を垂直に配置すると、最小限のサポートで部品がビルドプレートに取り付けられます。

熱溶解積層法（FDM）

△熱溶解積層法（FDM）用サポート構造

FDM (熱溶解積層法) 技術では、加熱したフィラメントを層ごとに押し出して部品を作成し、各層は冷却および固化後に前の層と結合します。

1. サポート設計

FDM プロセスの各層はわずかに突出しており、前の層の幅を超えて拡張することができます。つまり、サポートなしで最大 45° の角度のフィーチャを作成できます。ただし、FDM パーツに 45° を超えるオーバーハングがある場合、または 5 mm を超えるブリッジや突出面などのフィーチャが含まれている場合は、サポートが必要になります。 FDM サポートは、グリッド構造またはツリー構造の形式を取ることができます。

2. サポートの削除

FDM プリントからサポートを除去するために使用される技術の 1 つは、化学溶解溶液です。通常、産業用 FDM 3D プリンター (プリントヘッドが 2 つ) では、ポリビニルアルコール (PVA) や高衝撃性ポリスチレン (HIPS) などの溶解性サポート材料が使用されます。これらの材料は、別の押し出し機を使用してモデル上に堆積できます。

PVA は水に溶けますが、温度変化の影響を受け、プリントヘッドが詰まる原因となる場合があります。 HIPS は水ではなくリモネンに溶けるため、温度変化の影響を受けにくくなります。

溶解可能なサポートを使用すると、サポートによって残った跡を除去するために手作業や研磨を行う必要がなくなります。一方、このプロセスは時間がかかり（数時間かかる）、コストもかかる可能性があります。

マテリアルジェッティング

マテリアルジェッティング 3D プリンタを使用する場合、角度に関係なく、オーバーハング構造には常にサポートが必要です。ただし、これらのサポートは通常、水溶性であるか、加圧水または超音波浴槽への浸漬を使用して後で簡単に除去できるさまざまな材料で作られています。

選択的レーザー焼結とバインダージェッティング

選択的レーザー焼結とバインダージェッティングはどちらも粉末ベースの技術であり、通常はサポート構造を必要としません。これは、どちらの技術でも、印刷された部品がサポート構造として機能するルースパウダー内にカプセル化されるためです。

サポートのデメリット

サポート構造は必要ですが、全体的な製造プロセスに追加の印刷時間と材料コストがかかります。

材料コスト: サポートの生成には印刷プロセス中に追加の材料が必要になるため、時間と材料コストが増加します。また、ステントは再利用できず、廃棄されることが多く、材料が無駄になることにも注意が必要です。

限られた幾何学的自由度: サポートを手動で取り外す場合、サポートを設計するときに手やツールの使用を考慮する必要があります。ただし、これにより、サポート構造を必要とし、手やツールではアクセスできない特定のジオメトリを設計する能力が制限される可能性があります。

追加の時間: サポート構造に対応するようにパーツを設計し、その後自分でサポートを設計するには、追加の時間が必要です。自動サポート生成を提供するソフトウェアは利用可能ですが、産業用アプリケーションのサポート構造を作成するには、依然として手作業による修正と一定レベルの設計専門知識が必要です。

追加の後処理: 部品が完成したら、サポートを削除する必要があり、場合によっては手動で削除する必要があるため、後処理に必要な時間が長くなります。

損傷のリスク: 後処理中にサポートを除去し、部品の表面を研磨する必要があります。ブラケットの分解中に不適切な操作を行うと、部品の表面に欠陥が生じ、寸法精度や外観に影響を及ぼします。さらに、細かい部分などでサポートが正しく配置されていない場合は、構造の破損につながる可能性があり、これはさらに深刻です。サポート構造とともに破損し、印刷が完全に失敗する可能性があります。

したがって、サポート構造の使用には一定の欠点があり、必要な場合にのみ追加する必要があります。さらに、面取りされたサポートの使用を避けることができます。面取りにより、吊り下げ位置を 45 度未満の角度で安全な吊り下げ位置に変更できるため、サポートの使用を回避し、材料を効率的に使用できます。

サポートを減らす4つの方法

一般的に、必要なサポートの量を最小限に抑えることが推奨されます。これにより、材料費と生産時間を節約できます。ここでは、使用を最小限に抑え、印刷時間と材料を節約するための 4 つのヒントを紹介します。

1. 最適な部品の向きを選択する

パーツの向きを試してみることは、必要なサポート構造の量を減らすための最良の方法の 1 つです。正しいパーツの向きを選択すると、印刷時間、コスト、パーツの表面仕上げに大きな影響を与える可能性があります。

部品の向き（垂直、水平、傾斜）に応じて、必要なサポート構造の数が少なくなるか、または多くなる可能性があります。 T の文字の形に印刷された部分を考えてみます。「T」の通常の向きに配置すると、文字の両方の枝が支持構造なしで折りたたまれます。パーツの方向が逆の場合、つまり「⊥」の形状に配置されている場合は、サポートは必要ありません。

この例では、ウィジェットをさまざまな方法で構築できることを示しています。パーツの各面には、プリントベッドに取り付けられた異なる表面がある場合があります。つまり、サポートの必要性はさまざまであり、パーツの向きに大きく依存します。

別の例: 中空の管状フィーチャーを備えたパーツを設計する場合、水平方向ではより多くのスペースが必要になりますが、垂直方向または角度付き方向ではスペースを節約でき、必要なサポートの数を減らすことができます。

2. サポート構造を最適化する

サポートを避けられない場合は、サポートを最適化して、使用する材料をできるだけ少なくし、印刷プロセスを高速化する必要があります。例えば、トポロジー最適化設計を採用したり、格子構造サポートを使用することでサポート体積を減らし、材料を節約したりすることができます。

多くの 3D 印刷プロセスでは、一般的に使用されるサポート生成技術は、厳密に垂直な構造の生成に限定されています。これらは、特にプリントベッドの上にサポートが必要な領域がたくさんある場合には、スペース効率がよくありません。

代わりに、木のようなサポート構造を作成することが実行可能なオプションになる可能性があります。このサポートは枝分かれした木のように見え、まっすぐな垂直構造に比べて材料の消費量が 75% 少なくなると言われています。 Autodesk Meshmixer は、FDM、SLA、DMLS プロセス用のこのような構造を作成するために使用できるソフトウェアツールの 1 つです。

3. フィレットと面取りを使用する

フィレットと面取りを使用することは、45 度を超えるオーバーハング面のサポート構造を作成するための代替ソリューションになります。

面取りは斜めまたは角度の付いたコーナーまたはエッジであり、フィレットは丸みを帯びたコーナーまたはエッジです。基本的に、これらのフィーチャは 45 度を超える角度を 45 度以下に変換し、パーツの内部または外部に追加できます。

4. 印刷された部品を個々のパーツに分離する

非常に複雑な 3D モデルの場合、パーツを個別に印刷してから組み立てる方が合理的であることがよくあります。これにより、サポートの数が減るだけでなく、材料を節約しながら印刷プロセスが高速化されます。

ただし、3D プリントされた部品を組み立てる必要がある場合は、部品同士が適切にフィットするように同じ方向に印刷する必要があることに注意してください。

3Dプリントのサポート：必要だが面倒でもある

サポート構造は長い間、3D プリントにおいて必要な「欠陥」であると考えられてきました。しかし、最近のハードウェアとソフトウェアの進歩により、この認識は徐々に変化しつつあります。

たとえば、金属 3D プリンターメーカーの Desktop Metal は最近、スタジオおよび制作システム向けに「取り外し可能なブラケット」と呼ばれるソリューションを開発し、特許を取得しました。これらの 3D プリントされた金属部品のサポートは手で取り外すことができます。 Desktop Metal の分離可能なサポートは、部品の表面とサポート構造の間のインターフェイス層としてセラミック粉末を使用することで機能します。焼結プロセス後、セラミック層は溶解され、サポートをコンポーネントから簡単に取り外すことができます。

△DesktopMetalが開発したSeparable Supports™

PostProcess Technologies は、3D プリント部品のサポート除去手順の簡素化と高速化を目指す別の企業です。同社は、FDM、SLA、PolyJet、CLIP テクノロジーを使用して付加製造された部品向けに、自動化されたハンズフリーのサポート除去ソリューションを幅広く提供しています。

しかし、サポート分野でさらに一歩進んだ企業が 1 社あります。粉末床溶融結合ベースの Sapphire システムを開発している Velo3D 社は、実質的にサポートフリーの印刷を実現することに重点を置いた複雑な金属部品の印刷を可能にする Smart Fusion という技術を自社のシステムに提供しています。 Velo3D 独自のシミュレーションソフトウェアと閉ループモニタリングを使用することで、他の粉末床金属システムと比較して最大 5 倍少ないサポートで部品を製造できます。

SLM Solutionsは2021年に、複数の技術を統合し、部品の印刷に必要なサポート構造を最終的に大幅に削減または排除する「FreeFloatサポートフリーテクノロジー」をリリースしました。

2022年、E0Sの専門家は、ステーターリング、ケーシング、タービンポンプ、オイルタンク、熱交換器、バルブ、インペラーなど、サポート構造のない3Dプリント部品を製造するためのさまざまなプロセス最適化技術を開発しました。その中でも、クローズドインペラーは最も典型的なケースの1つです。 E0S では、設計ソフトウェアとパラメータパッケージを最適化することで、カンチレバーやブリッジをより低い角度 (場合によっては角度ゼロ) で印刷できるようになり、必要なサポートの数が大幅に減り、サポートがまったくなくなることさえあります。

△サポートなしで印刷したEOSパーツ

もちろん、国内メーカーもサポートフリー印刷において同様に大きな進歩を遂げています。先日、Antarctic Bearは、大手3DプリントメーカーのPolyliteがサポートフリープリントの技術ソリューションを突破したと報じました。30°以下の張り出し構造にはサポートが不要で、PolyliteはサポートフリーのSLM金属3Dプリント技術を突破しました。

△プラチナでサポートなしで印刷されたインペラディスク

Antarctic Bearによると、Yijia 3DやFarsoon High-Techなどの企業もサポートフリー印刷の技術を習得しており、江南大学もエアフリーサポート3D印刷セラミック技術を開発している。

全体として、サポートの設計と除去を最適化することは、3D プリントのワークフローをより高速かつシンプルにするための重要な課題です。上記の例からわかるように、AM 業界ではこの課題を克服するためのソリューションを継続的に開発しています。ただし、より優れたソリューションを成功裏に立ち上げるには、テクノロジーに加えて、実践者にはより高いレベルのスキルと知識も必要です。この記事によって、3D プリントでサポート構造をより効果的に使用する方法についての知識が広がり、サポート構造を敵から味方に変える手助けになれば幸いです。