サポートなし！ FDM 印刷による「オーバーハング構造」のヒント!

はじめに: 「オーバーハング構造」を持つ部品の 3D 印刷が難しいことはよく知られています。これは、すべての FDM 印刷エンジニアを悩ませる大きな問題です。直接のサポートなしで傾斜部品 (オーバーハング構造) をどのように印刷するか?

△ 45°未満のオーバーハングは通常印刷しても安全です

上の画像に示すように、斜面の底部を印刷する場合、後続の各レイヤーは前のレイヤーよりわずかに外側に拡張する必要があります。これにより、いくつかの問題が発生します。プラスチックの一部が空中に伸び、重力によって下に引っ張られ始めます。 45°ルールは、はみ出したプリントを理解する最も簡単な方法です。このルールでは、45°以下の傾斜は印刷可能であり、45°を超える傾斜にはサポートが必要であると規定されています。サポートは、印刷物を損傷したり、印刷時間を増やしたり、材料を過剰に消費したり、さらには印刷可能な形状 (キャビティなど) を制限する可能性があるため、あまり理想的なソリューションではありません。張り出した構造物を印刷するのが難しいという問題を解決するために、Antarctic Bear はいくつかの方法をまとめました。ぜひご覧ください。

上記の45°ルールはガイドラインです。実際のアプリケーションでは、これはほとんどの最新プリンターにとってより「保守的な」ソリューションです。冷却技術とスライスソフトウェアが進歩するにつれ、FDM エンジニアが急勾配のオーバーハングを正確かつきれいに生成する能力も向上します。

次の質問について考えてみましょう:急すぎるオーバーハングを印刷すると何が起こるでしょうか?

1.たるみ: プラスチックが固まる前に重力によって「引き下げられ」、たるんだ構造になってしまう状態です。
2.カール: プラスチックが十分に冷却されず、上向きに曲がり始める状態です。モデルを印刷しているときに、印刷物の一部の領域がノズルの高さを超えて丸まってしまいました。印刷後、表面がざらざらして凹凸のある状態になります。

では、上記の潜在的な問題をどのように回避すればよいのでしょうか?

1: フィラメントを乾燥させる

△乾いたフィラメントと濡れたフィラメントの違い

濡れたフィラメントは多くの印刷欠陥の大きな原因となります。ほとんどの FDM フィラメントは吸湿性があるため、これらの材料は水分を吸収しやすく、水分がフィラメントに大きな損害を与える可能性があります。プラスチックポリマーであるフィラメントは、分子の鎖が連結されて作られています。水分子がこれらの鎖を破壊し、損傷したプラスチックは印刷時にさまざまな問題を引き起こします。特に張り出した構造物の場合、この構造の破壊によりたわみの程度が悪化し、表面粗さが低下します。

2: ノズル温度を下げる

△すべての材料が同じ温度で機能するわけではない（出典：Bernd、Printables経由）

垂れとカール（反りとも呼ばれます）はどちらも冷却不足によって発生するため、ノズルの温度を下げてみてください。温度を下げるとプラスチックの硬化が早くなり、たるみや反りが少なくなります。したがって、印刷の原理は、十分な強度を確保しながら温度を可能な限り低く保つことで、部品の表面の粗さを減らし、オーバーハングの品質を向上させる、と要約できます。

3: 印刷速度を下げる

△印刷速度が速すぎるとたるみが生じる

ノズルの温度を下げるのと同じように、印刷速度を下げると、材料が冷却される時間が長くなります。同時に、流量を遅くすると押出機への圧力が軽減され、ノズルの温度がさらに下がります。小さなオーバーハングのみが影響を受ける場合は、最小レイヤー時間を増やすことを検討してください (小さいレイヤーの速度を遅くするだけです)。それでもうまくいかない場合は、一度に複数のモデルを印刷して、各層の冷却時間を長くしてみてください。

一般的に、印刷速度が遅いほど印刷品質は向上します。しかし、特に小さなレイヤーでは、印刷速度が遅すぎると熱いノズルが長時間留まり、局所的な温度が上昇する可能性があります。ただし、場合によっては印刷速度を上げることも可能です。これにより、素材が引き伸ばされ、張力が加わり、プリントの形状が維持されるようになります。

4: 冷却を強化する

ファンを高速で回転させて印刷したオーバーハング（上）とファンをオフにしたオーバーハング（下）

PLA では「過冷却」ということはほとんどありませんが、ABS や PC などの高温材料の場合はより注意が必要です。ファン速度を 100% にしても効果がない場合は、ファンとファンダクトの交換を検討してください。より多くの空気を移動できるポンプまたは高出力ファンの使用を選択します。ファンが広範囲にわたって強力な冷却を提供できる場合は、印刷速度を上げることを検討する必要があることに注意してください。以前の戦略とは対照的に、これは熱い端を遠ざけ、ファンがプラスチックの冷却を担当するようにすることで、過熱を防ぐのに役立ちます。

5: レイヤーの高さを調整する

△ 層の高さを細かくすると（左）、新しい層が目立たなくなります（出典：Fabbaloo）

空中に吊るすことになるので、ドレープをかけるのは難しいです。これは、床の高さを下げてこの「張り出し」を減らすことで実現できます。傾斜を印刷する場合、実際には階段の層を印刷していることになります (上の画像を参照)。層の高さが細かくなるほど、各層の伸びが少なくなり、垂れ下がりが少なくなり、たるみにくくなります。

△ 0.3 mm の層高で印刷されたオーバーハング (出典: The 3D Print General、YouTube 経由)

一方、層が厚いほど硬くなります。これは薄い紙と厚いカード用紙の違いと同じです。 3D プリントでは、層が厚いほど、突出が大きくなってもたるみに強くなります。厚めのレイヤーのもう 1 つの利点は、縮れ毛を抑えることができる場合があることです。必要な冷却量は確かに増加しますが、層が厚くなると、プリントが浮き上がるのを防ぐためにプリントを「押し下げる」のに役立ちます。最終的には、オーバーハングの具体的な形状と印刷の最終目的に応じて、レイヤーの高さを調整して、最も適切な高さを見つけることをお勧めします。

6: シェル設定を調整する

△ シェルとは、充填物の周囲の壁を指します（出典：Hubs）

「囲い」とは、プリントを囲む壁を指します。以下のパラメータを調整できます。

●押し出し幅の調整: 押し出し幅が厚くなると冷却が難しくなりますが、下層との重なりが増えます。この設定を調整して最適な値を見つけます。
●壁の印刷順序を最適化: ほとんどのスライサーでは、シェルの印刷方法を指定できます。理想的には、最初に内壁を印刷し、次に外壁を印刷します。これにより、オーバーハングがより論理的なパスをたどるのに役立ちます。
●シェル内のパスの数を増やす：シェル内のパスの数を増やすことで、各レイヤー間の重なりを増やすことができます。外側のパスには、保持する内側のパスもさらに多くあります。

7. オーバーハングを避ける

△スターウォーズのXウイング。2つのパーツに分けてプリントし、はみ出しを避けるように配置。（出典：E-Motion Robotics）

オーバーハングを回避するには、いくつかの方法があります。

●オーバーハングの設計を検討します。丸い角を面取りに置き換えるか、オーバーハングの下に適切な構造を配置してオーバーハングをサポートします。水平穴の場合、上部のたるみを防ぐために「ティアドロップ形状」を使用できます。
●印刷方向の切り替え:すべての印刷方向が同じように作成されるわけではありません。パーツの具体的な形状に応じて、パーツの配置方向や壁の張り出しを変更します。下の画像はこれをよく示しています。文字「T」と「E」は元の向きでサポートする必要があり、位置を変更することでオーバーハングを完全になくすことができます。

△ オーバーハングをなくすためにパーツの向きを変更（出典：Wikifactory）

●モデルを分割する:複雑なモデルではオーバーハングが避けられない場合があります。この時点で、複数の部分に分割することを検討できます。印刷したら、ピースをテープで貼り合わせるだけです。
●サポートの使用:サポートが本当に必要な場合は、可溶性サポート材料を使用できます。これらの構造は、部品の表面粗さに影響を与えることなく簡単に処理できます。

上記は、FDM で「張り出した構造」を製造する際の難しさを解決するために Antarctic Bear がまとめたヒントです。ぜひ実践して試してみてください。

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