3D プリント技術で素晴らしいスプリングを作るにはどうすればよいでしょうか?

南極のクマの紹介: 3D 印刷技術は、あらゆる種類の素晴らしい作品を作成できるだけでなく、スプリングを設計して印刷することもできます。私たちの生活のいたるところに泉がありますが、通常は気づかれません。この記事では、さまざまな種類のスプリングを設計および印刷する方法と、スプリングの強度と耐久性を確保するために適切な材料を選択する方法について説明します。最後に、インスピレーションを与え、3D プリントスプリングの専門家になるための参考チュートリアルをいくつか紹介します。

△圧縮ばね、引張ばね、ねじりばねの例
スプリングタイプ

スプリングの種類と材質は、スプリングの機能と用途に重要な影響を及ぼします。したがって、さまざまな種類のスプリングを理解することで、特定の作業に適したスプリングを選択するのに役立ちます。

●圧縮スプリングは圧縮力に抵抗し、圧縮状態でエネルギーを蓄えるように設計されており、サスペンションシステム、マットレス、自動車エンジンなど、クッション性とサポート性を必要とする用途に適しています。
伸張スプリングまたはストレッチスプリングは、伸張力に抵抗し、伸張した状態でエネルギーを蓄えるように設計されており、トランポリン、ガレージのドア、射撃機構を備えたおもちゃなどでよく使用されます。コンポーネントを一緒に保持したり、所定の位置に固定したりするために張力を加えます。本質的には、引き離すと、縮んで元に戻ろうとします。
●ねじりばねは、引張ばねと同様に、ねじり力に抵抗し、回転状態でエネルギーを蓄えるように設計されています。回転力やトルクを与えるために、ネズミ捕り、洗濯ばさみ、蝶番などの用途でよく使用されます。螺旋状のように見えることもよくあります。

△定荷重、ベルビルディスク、ウェーブスプリングの例●定荷重スプリングは、長い伸長範囲にわたって一定の力を提供するように設計されています。これらのスプリングは、伸縮式のメジャーテープや窓のカーテンによく見られ、伸縮するときに一定の張力を提供します。通常、しっかりと丸まった塊の形をとります。
ベルビル皿ばねは、限られたスペースで大きな力を発揮するように設計されています。これらは、スペースが限られているが大きな力が必要となるバルブ、クラッチ、航空機の着陸装置などによく使用されます。これまで見たことがないかもしれませんが、交互に積み重ねられたディスクのように見えます。
ウェーブスプリングは、狭いスペースにコンパクトで軽量なソリューションを提供するように設計されています。これらのスプリングは、スペースと重量が重要な要素となる医療機器、自動車のトランスミッション、航空宇宙用途でよく使用されます。波形スプリングの独特な形状により、より少ない材料とより小さなプロファイルで、他のタイプのスプリングと同様の力を提供できます。

板バネなど、ここでは触れていないバネの種類もありますが、これらは 3D プリントが難しい場合があり、あまり実用的ではありません。ただし、最も一般的なスプリングタイプは 3D プリントできます。

△スプリングパーツを自分で作る
なぜ印刷するのですか?

スプリングを 3D プリントすることで、複雑なデザインに簡単に組み込むことができます。 3D プリンターの汎用性により、他の製造装置では不可能なさまざまな形状やサイズのスプリングを作成できます。さらに、デザインプラン、予算、要件に応じて、ナイロンやカーボンファイバーなどのさまざまな素材から選択できます。

独自のスプリングモデルを設計する場合は、デザインを通じてスプリングの繊細さを強調し、より美しくすることができます。たとえば、隠しスプリングを備えたボブルヘッドモデルを作成して、より洗練されたデザインを実現できます。

△フィラメントでも何でもバネになる
春のデザインのヒント

スプリングを設計するときは、Fusion 360 などの CAD ソフトウェアを使用して 2D スケッチを生成し、スイープ機能を使用してパスに沿って押し出すことでスプリングの最終的な 3D 形状を作成できます。これにより、デザインの柔軟性と制御性が向上します。 CAD を初めて使用する場合は、Tinkercad は CAD 全般に慣れるのに最適です。

スプリングの用途を検討し、プロジェクトに最適なスプリングの種類を選択する前に、CAD に精通していることを確認してください。 CAD を初めて使用する場合は、チュートリアルを視聴することをお勧めします (リンク)。

さらに、スプリングを設計する際にはサポートの問題も考慮する必要があります。作成するスプリングの種類は特定の方法で印刷する必要があり、領域ごとに異なる量のサポートが必要になります。オーバーハングと後処理作業を最小限に抑えるか、またはスライサー内でモデルを配置するより良い方法があり、それにより印刷作業全体が少し簡単になるという利点があります。

適切な材料の選択

適切な材料を選択することは、完璧な 3D プリントスプリングを作成するための重要なステップです。材質によって強度や適用範囲が異なります。以下に、一般的な材料とその応用分野をいくつか示します。
● ポリ乳酸 (PLA) は低応力の用途やプロトタイプ作成に適していますが、ポリカーボネート (PC) は自動車や航空機などの高応力の状況に適しています。
ポリエチレンテレフタレートグリコール (PETG) は PLA よりもはるかに強度が高いため、低から中程度のストレスの用途に適しています。
アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS) は、ロボット、玩具、家電製品など、機械的または熱的ストレスを受けるスプリングによく使用されます。アセトンは ABS の表面を滑らかにするために使用できますが、機械的な利点は得られません。
ナイロンは、スポーツ用具や医療機器などに見られるような、衝撃に耐える必要があるスプリングに最適です。炭素繊維強化ポリマー (CFRP) またはガラス繊維強化ポリマー (GFRP) は、航空宇宙産業や自動車産業で必要とされるような高性能アプリケーション向けの第一級の材料です。
●熱可塑性ポリウレタン (TPU) や熱可塑性エラストマー (TPE) などの柔軟なフィラメントもありますが、これらは便利ですが、印刷するのが非常に難しい場合があります。

△スプリングボブルヘッドを自分でDIYしよう（できるなら見ているだけじゃダメだよ〜。〜！）
3D プリントの方法やスプリングの設計方法がわかったところで、始めるための例をいくつか紹介します。

以下の印刷チュートリアルを試してみることをお勧めします

ボブルヘッド
ペイジ・ラッセルは、圧縮バネの使い方を示す非常に興味深いボブルヘッドモデルを設計しました。オリジナルデザインにアレンジを加えて、3Dプリンターで自分だけのボブルヘッドが作れます！（ポータル）

スプリングボックス<br /> このデザインはねじりバネを使用して蓋を押し開くもので、非常に興味深い収納ソリューションとなっています。独自のボックスをデザインしたい場合は、チュートリアルの説明 (ポータル) に優れたデザインのアイデアがいくつかあります。

ゼンマイ仕掛けの車<br /> この設計では、ねじりバネを使用して車を前進させます。車を後方に転がして巻き上げるとねじりバネに負荷がかかり、手を離すとゆっくりと圧縮が解除され、位置エネルギーが推進力に変換されます（ポータル）。

爪を切る<br /> これは、汎用クリップにリーフスプリングを使用する優れた例です。この設計により、安定性が向上するだけでなく、より弾力のある動作（ポータル）が可能になります。

とにかく、創造力を働かせて、春のデザインにさまざまなアプローチを試してみることを恐れないでください。

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