3D プリントにおける充填密度と充填パターンの最適な選択!

この投稿は Coco Bear によって 2022-12-13 17:25 に最後に編集されました。

はじめに: 他のほとんどの製造技術と比較して、3D プリントでは、部品の外壁と充填という 2 つの構造の精度を制御する必要があります。外壁は部品の最も外側の領域を指し、フィラーは部品の内側に存在するものすべてを指します。通常、プリンターは外壁をある程度制御できますが、充填により柔軟性と設計が向上し、部品の強度、重量、構造、浮力などに大きな役割を果たします。 3D プリントでは、ユーザーは部品に使用する充填材の種類を制御するために多くのパラメータを定義できます。

これらすべてのパラメータのうち、最も重要なのは、塗りつぶし密度と塗りつぶしパターンの 2 つです。以下では、Antarctic Bear が「充填」を理解し、3D プリントでどのように機能するかをより深く理解するために、さまざまな製造方法について説明します。

3D プリンティングと従来の製造方法

インフィル 3D プリントは、他の従来の製造方法とは異なります。射出成形と減算製造を例に挙げてみましょう。射出成形では、金型に材料を注入して部品を形成しますが、技術の性質上、内部構造を制御することは不可能です。したがって、射出成形部品は、中実か中空（ガス射出成形の場合）のいずれかであり、その中間はありません。 CNC 加工などの減算型製造では、材料の切断が必要です。射出成形と同様に充填量の調整ができないため、内部は完全に固体です。しかし、3D プリントでは、あらゆる塊を設計し、材料を押し出すことで層ごとに製造することができます。

充填密度は材料消費量に大きく影響する

△ 充填密度は材料消費量に大きく影響します（出典：BozarthPrime、MyMiniFactory経由）

充填密度は、部品の内部の「充実度」です。スライサーでは、0% ～ 100% のパーセンテージで表されます。0% は部分的に中空であることを意味し、100% は完全に中実であることを意味します。充填密度は部品の重量に大きく影響します。部品の内部がいっぱいになればなるほど、部品は重くなります。重量に加えて、印刷時間、材料消費量、浮力も充填密度の影響を受けます。強度についても同じことが言えますが、もちろん、強度は材質や層の高さなど、他の多くの要因にも関係します。

一部のスライサーでは、同じパーツ内で異なる充填密度も許可されます。これは可変塗りつぶし密度と呼ばれ、スライスプログラムの特定の設定により、ユーザーは印刷のさまざまな領域に必要な密度の変化を指定できます。では、実際の印刷ではどのくらいの充填密度を使用すればよいのでしょうか?

●極度に強度を必要としないほとんどの「標準」プリントでは、15～50% の充填密度が推奨されます。この密度パーセンテージにより、印刷時間が短縮され、材料が節約され、優れた強度が得られます。

●機能的なプリントは丈夫である必要があります。したがって、50% を超える高い充填率を使用することをお勧めします。この設定では、印刷に時間がかかり、フィラメントの消費量も多くなりますが、より強力な部品が生成されます。

●展示用小型フィギュアモデルの場合、充填密度は0～15％を推奨します。これにより、印刷速度が向上し、フィラメントの消費量もほとんどなくなります。この密度範囲で印刷されたモデルは軽量ですが、強度はあまり高くありません。

推奨設定
1. 標準印刷: 15～50%
2. 機能印刷: 50-100%
3. フィギュアや模型プリント：0～15%
4.フレキシブル印刷：1〜100％

塗りつぶしパターン

△ 異なる充填パターンにより、さまざまな強度と魅力的なデザインが実現します (出典: MilesFromNeihu、Thingiverse 経由)

充填パターンは、パーツ内の材料の構造と形状です。単純な線からより複雑な形状まで、充填パターンは部品の強度、重量、印刷時間、さらには柔軟性に影響を与える可能性があります。さまざまなスライサープログラムには、さまざまな塗りつぶしモードがあります。たとえば、Cura (2.2) では 14 種類の塗りつぶしパターンから選択できますが、PrusaSlicer (2.5) では 17 種類、Simplify3D では 6 種類あります。

塗りつぶし密度と同様に、塗りつぶしパターンによって、複雑さ、材料効率、接続強度の平面数 (2D または 3D) などの特性が異なります。たとえば、螺旋状のパターンは外壁を立体的につなぎ、全体的な強度を高めます。そのため、このパターンは線などのパターンに比べて多くの材料を必要とします。では、どの塗りつぶしパターンを選択すればよいのでしょうか?

●線:線の塗りつぶしパターンは、1 つおきのレイヤーに 1 方向 (X 軸または Y 軸に沿って) に印刷された線で構成されます。この充填パターンは 2 次元のみで強度を提供し、高速印刷に適しています。ラインパターンは材料をあまり使用せず、軽量です。

●ハニカム：名前の通り、ハニカム構造を生成し、魅力的な視覚効果を生み出すパターンです。この充填パターンは、材料をあまり消費せずに適度な強度を必要とする半高速印刷に適しています。

グリッド: グリッド塗りつぶしパターンは、外観は線に似ていますが、レイヤーごとに一方向の線が描かれるのではなく、各レイヤーには線と線の間に 2 倍のスペースがある 2 次元の線が描かれます。このモードは 2 次元のパワーを提供しますが、それでもある程度強力です。グリッドパターンは平均的な量の材料を消費し、完成するまでに中程度の時間がかかります。

●三角形: 三角形パターンは、XY 平面の 3 方向に伸びる三角形の線が重なり合ったように見えます。この塗りつぶしパターンは 2 次元でのみ強度を提供しますが、強度が必要とされる印刷には適しています。

△Cura の三角形は 2 つの異なる密度で塗りつぶされています (出典: All3DP)

● 3 方向六角形: 3 方向六角形の塗りつぶしパターンには、XY 平面の 3 方向に伸びるさまざまな線が含まれ、中央に三角形がある六角形のパターンを形成します。この充填パターンは 2 次元の強度を提供し、強力な印刷に最適です。

●立方体:このモードでは、積み重ねられた立方体が生成されますが、X 軸と Y 軸を中心に 45 度傾いているため、特定の瞬間には三角形のように見えます。このパターンは 3 次元的に優れた強度を提供しますが、他のパターンよりも多くの材料と時間を必要とします。

●オクテット: オクテットの塗りつぶしパターンは立方体パターンに似ていますが、傾斜した三角形を追加する代わりに、パターンが正方形に具体化されます。この塗りつぶしパターンは、見た目が美しいだけでなく、強度が必要な部品にも役立つ立体的なパターンです。

●スパイラル:スパイラルの塗りつぶしパターンは見た目が最もクールですが、最も奇妙な塗りつぶしパターンでもあると言えます。最終的にパスを横切る凹状の不規則な曲率が含まれます。強度、材質、印刷時間の間で最適なバランスを実現するように設計されています。

△スパイラルフィラー、印刷に使用でき、眩しい

●同心円: 同心円の塗りつぶしパターンは、パーツのアウトライン (周囲) に一致する同心線で構成された内部構造です。このパターンはすばやく印刷でき、柔軟な部品に適しており、ほとんどのパターンよりも材料の消費量がはるかに少なくなります。

推奨設定
1. 標準プリント: グリッドまたは三角形
2. 機能印刷: 立方体、スパイラル、オクテット
3. フィギュアと模型プリント：線
4.フレキシブル印刷：同心円

その他の考慮事項

△塗りつぶしパターンは、プリントの美的特徴となる可能性があります (出典: Penolopy Bulnick、Instructables 経由)

パターンと密度に加えて、注目すべき塗りつぶし設定のカテゴリが他に 2 つあります。変数設定と芸術的なパターンです。どちらも、塗りつぶし設定をよりクリエイティブに行うことができます。変数設定により、パーツがレイヤーを通過するときに塗りつぶし密度を調整できます。たとえば、パーツの底部にレイヤー 30 まで 10% の充填率を設定し、その後 50% の充填率に切り替える場合、バリアント設定でこれが可能です。これは、Simplify3D、PrusaSlicer、Cura などのソフトウェアで実現できます。アート用インフィルは、さまざまな塗りつぶしパターンをアート作品に変える方法です。このプロセスは、イヤリング、ペンダント、その他のジュエリーやアートワークに最適です。

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