ROTBOT、サポートなしで印刷できるオープンソースの4軸デスクトップ3Dプリンター

はじめに: 3D プリンターは、さまざまな複雑な構造物の製造に使用できます。ただし、FDM 3D プリンターを使用してオーバーハング構造を印刷する場合、サポートが追加されていないと、オーバーハング領域でたるみが発生し、表面仕上げが悪くなり、形状がずれ、印刷が失敗する可能性があります。サポート構造を印刷すると、印刷に時間がかかり、材料が無駄になります。

最近、スイスのヴィンタートゥール応用科学大学は、DUET 制御ボードを搭載した改造された Prusa MK3 である RotBot と呼ばれる 3D プリンターをオープンしました。完全に回転可能な 45° 傾斜プリントヘッドを備えており、サポートなしで張り出した構造を印刷できます。

Michael Wüthrich 氏は、チームとともに RotBot を開発した大学の講師の 1 人です。このマシンは、真の多軸印刷がどのようなものか、そしてそれによって何が達成できるかを示しており、ツールヘッドの設計ファイルは、スライスに使用されるスクリプトと同様に完全にオープンソースです。

RotBot プリントパーツ

RotBot は、多軸 3D プリントへの最初の試みではありません。マイケル氏の前任者であるエルスパス教授と彼のチームは、同様の作業のために、MaxBot と呼ばれる複雑な 6 軸デルタプリンターをすでに構築しています。 RotBot は大幅にシンプルになっており、中心に 45° ノズルを備えた回転可能なプリントヘッドを備えています。上部には E3D Hemera 押し出し機があり、中空シャフト付きのステッピングモーターによって誘導されたフィラメントをスリップリングに送り込みます。スリップリングはすべてのフィラメントが絡まないようにし、ホットエンドが完全に自由に回転できるようにします。また、追加のベアリングとしても機能します。さらに、わずかに改造された V6 ラジエーターと 45° ヒートブロックおよびノズルがあり、これらは基本的にこのビルドにおける唯一の実際のカスタムパーツです。彼らは、設定が簡単で、4 番目の動作軸用の追加ステッピングモータードライバーが付属する DUET 制御ボードを選択しました。クリアランスを増やすには、回転軸をホーム位置に戻すために現在使用されているホットベッドセンサーと、Z をホーム位置に戻すための単純なマイクロスイッチを取り除く必要がありました。

△RotBotツールヘッドの断面図ただし、ハードウェアは1つのパーツにすぎず、多軸非平面3Dプリントの最も簡単な部分でもあります。 3 軸以上の CNC は製造業では非常に一般的であり、多軸ロボットアームはかつてないほど手頃な価格になっています。しかし、多軸非平面 3D プリンターで利用できるソフトウェアはそれほど多くありません。これが、非平面印刷や多軸印刷が進歩していない理由の 1 つです。課題はハードウェアではなく、スライスソフトウェアとスライス方法です。

マイケル氏と彼のチームが開発したスライス方法は非常にシンプルですが効果的であり、将来的には一般的なスライスソフトウェアで利用できるようになることが期待されています。一般的な FDM 3D プリントスライスソフトウェアを使用すると、+-45° の範囲内でオーバーハングを印刷できます。傾斜ノズルを備えたプリンターは、0°～90°傾斜した構造を印刷できます。これが RotBot の優れた点です。回転するプリントヘッドを使用すると、部品の周囲に到達してウィンドウを約 +-90° まで拡大することができ、これにより、サポートなしで構造のすべての側面の完全なオーバーハングが可能になります。そのため、「テーパースライシング」と呼ばれます。

円錐スライスは、プリンターの G コードを生成するために使用される方法ですが、まったく新しいスライスソフトウェアを作成する代わりに、通常のソフトウェアを騙してパスを生成させ、その後、いくつかの Python スクリプトを使用してコードを変更しました。このアプローチについては以前にも聞いたことがありますが、以下にリンクされている論文でも非常にわかりやすく説明されています。ステップは 3 つあります: STL ファイルの事前変形、事前変形された STL を通常のスライサーでスライス、G コードへの逆変換です。

△ 円錐形Gコード
まず、変形前について少し説明します。これは、後で通常のスライスソフトウェアを騙してコーン gcode を生成できるようにするためです。これを行うには、定義された回転軸からの距離に応じて、メッシュのすべてのポイントが Z 方向に上方に移動します。これにより、パーツのメッシュの細かさに応じて重大なアーティファクトが発生する可能性があるため、Python スクリプトを使用してメッシュを細分化し、最終結果をよりスムーズにすることもできます。このプロセスにより、RotBot ノズルの 45° の角度で円錐形の変形が発生します。変形された部品はスライサーに戻され、通常の Gcode が生成されます。スライサーによって挿入された注釈を背面変形に使用しているようなので、現在のバージョンのスクリプトで Simplify3D を使用する必要がありましたが、これはおそらく簡単に修正できます。次に、この変形されたパーツの GCode が再変換されます。これは、最初に STL で行ったプロセスと逆のプロセスです。したがって、すべての GCode ポイントは、中心軸からの距離に応じて再び下に移動します。印刷された部品のクラッシュを引き起こす可能性のある長い直線移動や、わずかに調整する必要がある流量など、考慮すべきいくつかのエッジケースがあります。

さらに詳しい情報を知りたい場合は、この方法に関する論文を詳しく読むことを強くお勧めします。これにより、印刷動作が 1 つのレイヤーではなくレイヤーごとに構築される、美しい非平面 Gcode が残ります。このアプローチのもう 1 つの利点は、層がコンクリートブロックのように交互に配置されることです。

△ コンクリートブロックに似た交互に配置された層テーパースライスが非常に単純なプロセスであることを理解し、ノズルの周囲に十分なクリアランスがある場合は、単純な非平面印刷動作であるため、この Gcode を通常の 3D プリンターで印刷することもできます。実際、私は通常の 3 軸プリンター用のこのテーパースライスメソッドをもっと詳しく調べたいと思っています。これは、より浅い角度でスライスできるようにするスクリプトのわずかに変更されたバージョンがあるため、サポートされていないオーバーハングを印刷するのに適した方法である可能性があるからです。

△ 通常の FDM プリンターでの円錐印刷しかし、RotBot の際立った特徴は、その 4 番目の軸と 45 度の角度のノズルです。この先細りの GCode を通常のプリンターで印刷できたとしても、ノズルが急角度で押し出された材料をどんどん引きずり始めるため、すぐに押し出しの問題が発生します。 RotBot の傾斜ノズルを使用すると、レイヤーと押し出しラインに対して常に垂直になることが保証されるため、この問題を無視できます。この追加の自由度により、Gcode は X、Y、Z 座標を参照するだけでなく、4 番目の軸の角度である U 値も追加します。

これらすべての結果、プリンターの 4 つの軸すべてが同時に動く、美しい非平面印刷動作が実現します。印刷は常に円錐軸の中心から始まり、ゆっくりと外側と上方に向かって拡大します。 RotBot はサポート材なしで完全に水平なオーバーハングを印刷できるため、多くの可能性が広がります。

しかし、円錐形のスライスであれ、45 度の角度のノズルを備えた RotBot であれ、テクノロジーには限界と欠点が常に存在します。円錐スライスは、あらゆる任意のジオメトリに適したスライス方法ではありません。これまで見てきたオーバーハングはすべて外側を向いていることに気づいたかもしれません。円錐スライスには、直交座標およびリボン FDM スライスと同じ問題があります。印刷ラインは空中で開始することはできないため、内側を向いたオーバーハングがある場合は、サポートが必要になります。別の方法としては、部品の内側部分が外側の円錐ではなく内側の円錐として切断されるように部品を切断する方法があります。これは実現されましたが、現在でも、サポートなしでより複雑な部品を印刷するために、部品をセグメント化し、Gcode を積み重ねるという手動のプロセスが残っています。

少なくともこのオープンソースのアプローチを使用する場合、これが基本ケースです。 RotBot と円錐スライス法は、比較的単純なプリンターの改造と、非常にスマートでありながらも単純なスライス法で何が達成できるかを示す優れた例です。しかし、将来的にこれが商用マシンに実装されるかどうか、あるいは現在のマシンがほとんどのタスクに適しているかどうかという疑問が残ります。 RotBot のプリントパーツを実際に見るのは素晴らしい体験でした。きっとさまざまな用途に使えると思います。しかし、私が見ているより大きな革新は、テーパースライス方式です。これは、ある程度、家庭にある従来のプリンターでも使用でき、設計の自由度が高まり、サポート構造の無駄が少なくなります。

△円錐スライスの例円錐スライスはスライスソフトウェアの次の大きな革新となる可能性がありますが、円錐形または角度付きのスライス領域内の部品や、定期的に印刷できるその他の部品を自動的にスライスするアルゴリズムを作成するには、多くの作業と研究が必要になります。このトピックに興味がある場合は、xyzdims.com にある Rene Mueller の作品もぜひご覧ください。そこで彼は、このような汎用スライスソフトウェアを開発しました。

△XYZdims.com で働くルネさん達ですが、4 軸 RotBot とコーンスライスについてはどう思いますか?ニッチなアプリケーションでのみ利用しますか、それとも、主流のマシンで 1 つまたは両方が利用できるようになることを望みますか?

詳細情報

RotBot ツールヘッダーファイル: https://www.printables.com/model/288723-4-axis-modification-for-mk3s-with-rotational-print

コーンスライサー: https://github.com/RotBotSlicer/Transform

RotBot と円錐スライスに関する論文: https://www.mdpi.com/2076-3417/11/18/8760

Rene Mueller によるユニバーサルスライス: https://xyzdims.com

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