3Dプリンティングのための設計原則と実践的ヒント集
(blog.rahix.de)- FDM/FFFで機能部品を作る際には、一般的な加工設計とは異なる判断が必要であり、強度・公差・造形性・コストを同時に満たす形状設計が重要である
- 基準環境は0.4mmノズルと0.2mmレイヤー高さの一般的なFFFプリンターで、特定の機器のチューニングに依存しないポータブルな設計を目指す
- 強度は100%インフィルよりも、造形方向、外周シェル、大きな断面、フィレットのように荷重が流れる経路と表面材料の配置に大きく左右される
- 公差と表面品質は形状選択の影響を大きく受けるため、水平穴・垂直穴・圧入部では円形にこだわるより、しずく形、平らな屋根、六角・四角穴、crush rib などを検討すべきである
- サポート除去と組み立て時間を減らすには、部品分割、犠牲レイヤー、順次ブリッジング、機能統合、heat-set insert・内蔵ナット・埋め込みハードウェアまで最初から一緒に設計する必要がある
設計範囲と基本前提
- 対象はFDM/FFFプリンティングであり、多くのルールはこの工程の制約に合わせているため、他の積層造形方式にはそのまま適用できない
- 焦点は外観よりも機能部品にある
- 機械的特性が優れていること
- 造形しやすいこと
- プリンターの細かなチューニングをあまり必要としないこと
- 大量出力時に後加工と材料の無駄が少ないこと
- 設計目標は力、製造方式、コストのバランスである
- 伝達・耐受すべき力に形状を合わせる
- 小さな形状変更で造形難度を下げる
- 材料使用量と造形時間を減らす
- プリンター・スライサーの開発者が可能なあらゆる形状をより良く出力しようとする一方で、設計者は現在の製造工程でうまく機能するよう部品形状を調整する
- 共有用モデルは、特定の高級プリンターの厳しい公差に頼るよりも、安価なプリンターでも容易に造形できるportable designを目指すべきである
基準プリンタープロファイル
- 数値の推奨値は次のような標準プリンタープロファイルを基準とする
- 0.4mmノズル
- 0.2mmレイヤー高さ
- steps/mm設定誤差による大きな寸法偏差がなく、軸間のskewが無視できるレベル
- 造形速度は適切にチューニングされているが、わずかなovershootやringingのようなアーティファクトは残る可能性がある
- 妥当な距離のブリッジングは安定している
- オーバーハングは良好に造形できる
- 極端な形状でなければベッド密着は問題にならない
- この前提は過度な機器性能を想定せず、ポータブルな設計を維持するための基準である
部品強度設計
- FFF造形物は内部が一部空洞で、レイヤーを積み重ねて作られるため、均質なプラスチックの塊とは異なる挙動を示す
- レイヤー製造工程のため、方向によって機械的特性が変わる異方性を持つ
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造形方向と荷重
- 最も重要なルールは、引張力が造形面と平行になるように部品を配置することである
- レイヤーを引き離す方向の引張に対しては、造形物ははるかに弱い
- My Tech Funのテストでは、理想的な方向で約3倍高い強度が得られることがある
- 曲げも断面の一部に引張力を生むため、曲げモーメントも造形面と平行に合わせる必要がある
- clipのように繰り返し曲がる形状は、方向を誤ると簡単に折れる
- Printablesのようなプラットフォームでモデルを共有する際は、ユーザーがそのまま出力できるよう、正しい造形方向でファイルを公開するのが望ましい
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方向だけでは解決しない場合
- 複雑な部品で、すべての荷重に対して理想的な方向がない場合は、部品を複数のパーツに分割できる
- 各パーツを個別に最適な方向で造形する
- dovetail joint のようなジョイントは複数方向で造形しやすく、組み立てに有用である
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インフィルより表面と断面
- 100%インフィルは強度を高められるが、効率的ではない
- 追加材料のかなりの部分は強度に寄与せず、造形時間と材料だけを増やすことがある
- 多くの部品は純粋な引張・圧縮よりも曲げモーメントを受け、応力は中立軸から遠い表面付近で大きくなる
- 3Dプリンティングでは、インフィル率よりperimeter/shell数を増やす方が強度に効果的である
- 力はできるだけ短く直線的な経路で流れるように設計すべきである
- 鋭い角は応力を集中させ、フィレットは力の経路をより直接的にして強度に有利である
- 従来の機械設計では断面積を減らして材料と重量を抑えるが、3Dプリンティングでは内部の大半が空洞のため、断面を大きくしても材料使用量が大幅には増えないことがある
- 材料使用量には表面積の方がより大きく影響するため、I-beamよりも同じ外形寸法の角形断面の方が同等以上に強く、造形時間も有利な場合がある
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シミュレーションと試験造形
- FFF造形物はshellとinfillのため不均質であり、従来の強度シミュレーションで限界荷重を現実的に算出するのは難しい
- 応力解析は注意すべき箇所を見つけるには使えるが、正確な制限荷重を得る用途には不向きである
- 3Dプリンティングは試作造形コストが低いため、いくつか実際に造形して機械的特性を確認する方法がコスト効率的な場合がある
- 寸法精度をテスト出力だけで合わせる方法は、特定のプリンターとスライサー設定に依存するため注意が必要である
- topology optimization は他の積層造形には有用な場合があるが、現在のツールではFFFに本当に最適な形状を作るのは難しく、造形性も良くないことが多い
公差と表面品質
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chamferとfilletの選択
- 造形面と平行なedgeには chamfer のほうが適している
- filletは最初に非常に急なオーバーハングを作ることがあり、上側のfilletではレイヤーステップが目立って表面品質を下げる
- chamferは一定のオーバーハング角を作るため、より一貫したレイヤーステップになる
- 造形面に垂直なedgeには fillet のほうが適している
- プリントヘッドが鋭いコーナーを曲がる必要がなくなり、ringingやovershootのような表面アーティファクトが減る
- chamferは2つの鋭いコーナーを作るため、公差や外観に不利な場合がある
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穴とseam
- 水平な円形の穴は上側が急なオーバーハングとなり、問題が大きくなる
- 小さな穴は90°のしずく形が適しており、大きな穴は上側を平らなroofにできる
- bridgeが少したわむことがあるため、roofの下には追加の余裕が必要になる
- 垂直な円形穴は perimeter seam のために公差がばらつくことがある
- seamアーティファクトは、残りの周囲が0.1mm未満で合っていても、0.4mm程度の突起を生じさせることがある
- seamが1か所にだけ生じると、穴の中心線も移動することがある
- 垂直穴は120°コーナーを持つしずく形にして、seamが円形の機能部に干渉しないようにできる
- 他の機能部がseamに敏感であれば、小さなnotchを追加して、slicerがseamを隠す 最も鋭いコーナー を持たせることができる
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期待できるFFF公差
- 設計者は特定のプリンターが達成すべき公差を指定するのではなく、製造プロセスが持つ公差を受け入れて、それに合わせて設計すべきである
- 前提は、プリンターが適切に較正されていること
- 誤ったsteps/mm設定は軸方向寸法に一定比率の誤差を生み、設計でそれを補正すべきではない
- 最新プリンターの理論上のstep resolutionは約0.01mmだが、実際の寸法誤差では他の要因のほうが大きい
- 鋭いコーナーはプリントヘッドに大きな加速度を要求するため、公差を悪化させることがある
- 0.4mmノズルと0.2mmレイヤー高さの一般的なFFFプリンターでは、面ごとの偏差を±0.1mm程度と見るのが安全な基準である
- 円形経路では、ノズルが押出線を引っ張る効果によって円が小さくなる傾向がある
- 内部の円形穴では、より小さくなる方向の偏差を見込むべきであり、外部の円形直径も小さくなることがあるが、内部円ほどではない
- 大きな寸法では、プリンター自体の公差よりも冷却中の warpingとshrinkage のほうが重要になる
- warpingは材料への依存が大きく、体積があり、edgeがあまり鋭くなく、表面が滑らかで丸い形状で減少する
- 理想的な形状は球形である
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高精度が必要な場合
- テスト出力でぴったり合うCAD寸法を探す goldilocks approach は、高い再現性により非常に優れた公差を実現できる
- 欠点は、特定のプリンターやスライサー設定に強く依存し、portable designが弱くなる点である
- 精密に作れないなら、調整可能にすることが代替案となる
- oblong holeはネジで位置を押して合わせられるが、1mm未満の微調整は難しい
- opposing screwは高さの小さな調整に向くが、両側からのアクセスが必要で、調整も煩雑である
- springまたはflexureに対向するgrub screwは双方向の調整がしやすい
- spring steel shimは、まれに変更する小さな調整に適しているが、3Dプリントのshimは小さな高さでは表面欠陥が精度に悪影響を与えることがある
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engineering fitと圧入
- ISO 286のような従来のfit体系は、特定の公差で加工できる場合には有用だが、3Dプリンティングではそのまま使いにくいことが多い
- 本当にタイトなfitが必要なら、穴をreamingしてH6 fitのような後加工を行えるが、どうしても必要な箇所以外では手間が大きい
- clearance fitは、2部品間のすき間をプリンター公差の2倍より大きく取ればよい
- interference fitは、公差によって組み立て力が大きく変わり、最悪の場合ジョイントが壊れることがある
- 圧入用の穴には、円形より 六角穴または四角穴 のほうが許容度が高い
- 円形は周囲を広げる必要があるため材料破損につながりやすいが、六角・四角は曲げによってより大きな直径を受け入れられ、seamもコーナーに隠せる
- 大径の圧入には crush rib を使える
- 組み立て中にribが塑性変形して公差を吸収し、全面接触よりも小さなribを変形させるほうが力を制限しやすい
- crush ribは一度だけ組み立てるpress fitに適しており、再組み立て時には保持力が大きく低下する
- 例としては、crush ribを0.2mm小さく、boreを0.4mm大きくすると良い結果が得られた
- 繰り返し組み立てが必要なpress fitには、弾性変形を使う grip fin のほうが適している
造形プロセスの最適化
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support materialを減らす
- support materialは空中に浮いた形状を造形するためのscaffoldingだが、除去の後加工、追加材料の無駄、supported surfaceの公差・表面品質低下を伴う
- 設計段階でsupportが不要な形状に変えることを優先すべきである
- 造形方向は強度だけでなく、supportの必要性にも大きく影響する
- 強度に有利な方向とsupportを避ける方向が衝突することがある
- 長方形の形状をプリンター軸に合わせず45°程度傾けて造形すると、長いbridgeやsupportを避けられ、表面品質もより均一にできる
- この場合、造形安定性が下がることがあり、brimが必要になる場合がある
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部品分割と内部オーバーハング
- どの方向でもsupportを避けられないなら、部品を複数のピースに分割する方法を検討できる
- これはsupport後加工と組み立ての複雑さの間のトレードオフである
- 一回限りまたは少量の設計では、多少複雑な組み立てでも正当化できることがある
- upside-down counterboreは中央の穴のためbridgeがそのまま機能せず、supportを入れると穴の内部から除去しにくい
- 犠牲レイヤー は、穴全体を1レイヤー厚のbridgeで塞いで上側の小さな穴を支え、造形後にナイフやドリルで除去する方式である
- overhanging counterbore trickは、後加工なしでcounterboreを処理する方法である
- counterboreを必要な深さまで切る
- 1レイヤーでinner holeを避けて左右のbridgeだけを残す
- 次のレイヤーで直角方向のbridgeだけを残す
- その後、小さなbridgeの上に円形のinner holeを造形する
- 直径が大きくなると、この方法にも限界がある
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sequential bridgingと表面積最小化
- bridgeの上にさらに別のbridgeを重ねる sequential bridging は、supportなしで複雑な形状を作れる
- OpenFlexure microscopeはこの方法を広範に使う例である
- 大きなbridgeでは、すぐ上に構造物を載せるより、数レイヤー積んで強度と冷却時間を確保するほうがよい
- 従来の材料節約のためにcutoutを入れる方法は、3Dプリンティングではかえって材料使用量や造形時間を増やすことがある
- 材料は表面に多く使われるため、表面積を減らし、厚みがあり体積のある形状を優先すべきである
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ベッド接着と大量造形
- 大量造形では、ベッドと接する面積を調整する必要がある
- 小さすぎると造形中に部品が倒れることがあり、大きすぎると造形後に取り外しにくい
- brimの代わりに、CAD形状に mouse ear を直接入れることができる
- mouse earはベッド接着の問題を減らし、スライサーで後から追加する必要もなく、後加工の負担も減らせる
機能統合
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機能統合の長所と短所
- 機能統合は、1つの部品ができるだけ多くの機能を担うようにして部品点数を減らす設計手法である
- 3Dプリンティングは形状の複雑さが製造コストに大きく反映されないため、機能統合と相性がよい
- すべての機能を1つの部品に入れると、出力方向の選択が制限され、強度・公差・形状自由度が悪化することがある
- 反復設計では大きなモデルを毎回再出力する必要があり、故障時にはより大きな部品を交換しなければならない
- プロトタイピングや修理を容易にするために、一部の機能を別部品として残す選択も可能である
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zip tie channelとflexure
- 部品表面に小さなzip tie channelを追加すると、ケーブルやワイヤーを固定できる
- zip tie channelは出力方向を考慮する必要があり、perimeterがchannelをbridgeしない向きだと弱くなり、bridgeが裂けることがある
- flexureは、部品の弾性を利用して動きを統合する設計要素である
- 薄い形状が必要なため、3Dプリンティングに適している
- 大きな動きには厚いflexureより薄いflexureのほうが有利で、力は複数の薄いflexureを並列に重ねて高められる
- 移動距離は長さを増やしたり、蛇行形状にして伸ばしたりできる
- flexureは使用中に塑性変形しないよう設計する必要があり、hard stopで過度な動きと破損を防ぐべきである
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clip, living hinge, print-in-place
- clipは追加の締結部品なしで部品を結合できるため、3Dプリント設計でもよく使われる
- clip設計では、移動距離、保持力、形状サイズ、出力方向のバランスが重要である
- レイヤーをまたいで作られたclipは非常に弱くなることがある
- 動きを小さくし、力で保持する方向のほうが望ましい場合が多い
- form-locking clipは、screwdriverのような工具で解除できるスペースを設ける必要がある
- living hingeは、別軸で回転するのではなく、プラスチックの変形によって動くヒンジである
- 薄いプラスチックsheetが安定して変形するには、ヒンジが出力ベッドに平らに置かれている必要があり、bridge layerで作ったliving hingeは性能がよくない
- print-in-place mechanismは、互いに噛み合う複数の部品を組み立てなしで一度に出力する方式である
- 出力後に組み立て不可能なジョイントも作れるが、設計の複雑さが大きく、向きが固定されるためsupport回避や強度設計が難しい
- 浮いた形状を支えるためにbreak-away surfaceを入れることができる
- 噛み合うfeature間のclearanceは0.3mm程度であれば、現在のほとんどのプリンターで出力可能と思われる
プラスチックを超える機械要素
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ねじ締結
- 3Dプリントされたプラスチック部品のねじ締結は、金属締結とは異なる挙動を示す
- 金属-金属ジョイントではねじの伸びによってpreloadが生じるが、3Dプリントされたthermoplasticでは部品がねじよりはるかに柔らかいため、プラスチックの圧縮がpreloadの大部分を生む
- 必要なpreloadに達しようとすると、出力部品の降伏強度にすぐ達して変形することがある
- 静的荷重には十分な場合が多いが、振動や衝撃のような動的荷重にはscrew lockingが必要になることがある
- lock nut
- threadlocking adhesive
- ねじはできるだけ長く設計するのがよい
- 長いねじは、部品が引張より圧縮preloadを受けやすくし、締めすぎるにはより多く回す必要があるため、誤ってovertightenする可能性を減らせる
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出力部品のthread選択
- 出力部品にはthread tapでねじ山を立てることができる
- この方式は素早い設計と再利用頻度の低いジョイントに適しているが、プラスチックねじ山はovertighteningで壊れやすく、繰り返し組み立てには不向きである
- M8以上の大きなthreadはCADでモデリングして出力することもできるが、品質が常によいとは限らない
- rib thread formingは、crush ribの概念と標準ねじを組み合わせたものである
- ねじがribを変形させて独自のthreadを作り、後加工なしの再利用頻度が低いthreadに適している
- heat-set threaded insertは、強度が高く再利用可能な金属threadを部品に入れる方法である
- プラスチックthreadより強く、overtighteningでも壊れにくく、繰り返し組み立てにもよく耐える
- 裏側からねじを入れる構造には、安定して使いにくいことがある
- embedded nutは、標準ナットを出力部品に組み込む低コストな代替手段である
- 長いねじを使うthrough-jointに適しており、sideface cutoutやbackface hex pocketで挿入できる
- 組み立て中にナットが外れることがあり、出力途中でナットを入れて塞いでしまうこともできるが、出力と組み立ての複雑さが増す
- ねじ山強度はほとんどの場合で設計要求を上回り、他の要因のほうがより重要になる
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dowel pinとembedded hardware
- dowel pinは、従来の機械設計で部品間の位置を正確かつ繰り返し決めるための標準要素である
- 3Dプリンティングでは公差のためそのような精度があまり必要なく、pin fitを作るためのengineering fitも難しいため、用途は限定される
- 必要な場合は、六角穴、crush rib、後加工が代替になりうる
- ハードウェアを出力中に挿入する方式は次の手順で行う
- 設計に部品が入るcavityを残す
- slicerでcavity上のレイヤー直前にpauseを設定する
- pause時にハードウェアを挿入する
- 出力を再開してハードウェアを内部に閉じ込める
- 例として、transparent PETG sheetを入れたModern Gridfinity Case、trapped fastener、magnet、metal meshがある
- embedded hardwareは追加ジョイントや締結手段を避けられるが、通常は破壊せずに取り出したり交換したりしにくいという欠点がある
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fabricの上に出力する
- fabricを出力物に統合すると柔軟性のある部品を作ることができ、wearableやcosplayに使われる
- 一般的な方法は、出力後2〜3レイヤーあたりでpauseし、tulle fabricを初期レイヤーの上にかぶせてから出力を再開することである
- 新しいレイヤーが下のレイヤーと融着しながら、各出力片がfabricに固定される
- 固体の出力形状の配置と形状によって、完成物の柔軟性を調整できる
外観と表面設計
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複雑な形状とshadow line
- 3Dプリンティングでは、複雑な表面形状を追加しても製造コストは大きく増えず、主な負担は設計時間だけとなる
- オーバーハングやsupportの制約を守る範囲であれば、直線・直角中心の従来型の機能部品形状に縛られる理由はない
- 複雑または有機的な形状は、美観だけでなく人間工学的設計にも有用である
- 2つの部品が接するedgeにはshadow lineを作ることができる
- 直接接触する面は表面欠陥のため、seamが不均一に見える
- 一定の大きめのgapを設け、実際の機械的接触を小さなlipの裏側に隠すと、外観が均一になる
- dust protectionが必要であれば、内側にlipを追加してlabyrinth sealのようにすることもできる
- lidとboxのように角度を持ってかみ合う部品でも、一定のoffsetと内部alignment ribを使ってshadow lineを作れる
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surface textureとtext
- 3Dプリンティングのvertical surfaceでは、レイヤーラインが目立ちやすい
- textured steel sheetのような特殊なprint bedは底面の質感を良くできるが、1つの部品の1面にしか適用されない
- すべての面をより均一に見せたい場合は、部品をprint bedに対して斜めに回転させることができる
- fuzzy skinは各layer perimeterに不規則性を加え、レイヤーラインを目立ちにくくする機能である
- 適切に調整すれば触感も良くなり、gripやhandleによく使われる
- 出力部品にはtextやsymbolを簡単に入れられる
- 大きな設計では、part numberとrevision indexを出力して混同を減らせる
- textはembossingよりengravingのほうがきれいで、文字サイズが小さくなるほど差が大きくなる
- textは出力面に対して垂直に配置すると、perimeter lineの一部として出力されるため、ディテールが最も良くなる
- ほとんどのプリンターは、最小stroke width 0.6mm、engraving depth 0.5mmのtextを問題なく出力できる
vase mode設計
- vase modeはsingle perimeter lineで中空シェルを出力し、個別レイヤーの代わりにZ高さをゆっくり上げながらspiral状にフィラメントを配置する方式である
- 利点は次のとおり
- 出力時間の100%を押出しに使える
- 個別レイヤーのseamがない
- プリンターが停止しないため、stringingの問題が発生しない
- 部品形状を表現するのに必要なプラスチックが少なく、高速である
- フィラメント使用量が減り、軽量な部品を作れる
- 欠点は、内部支持がないため部品が非常に不安定になることである
- vase mode部品の強度では表面形状が最も重要である
- 平坦、または一方向にしか曲がらない表面が最も弱い
- 複雑な形状はより高い強度を示すことがある
- beading patternは薄いsheet-material部品をより硬くするパターンで、vase mode部品の剛性向上に使える
- vase modeは、プリンターの押出し経路を精密に制御する方法として見ることもできる
- FPachecoのstackable trayのように、一般的なvase mode部品には見えない形状も作れる
- vase modeの100%出力時間という利点は維持される
- 大量生産する部品では影響が大きい可能性がある
ルールの適用方法
- これらの設計ルールは良いデフォルトとして使えるが、絶対的な法則ではない
- 状況によっては別の選択のほうが適している場合もあり、設計者は荷重、公差、出力性、組み立て、修理、コストをあわせて見て判断する必要がある
- 十分な関心が集まれば、複数の人がルールを追加・修正できるopen-source bookの形に発展させる構想もある
3件のコメント
私が見た資料の中でも、指折りの高度な情報が本当にうまく詰まっていると思います。こういう内容を日本語で読めるなんて……とても嬉しいです。
ねじのようなケースでは、残念ながら私は初心者なので、周囲で経験的に伝えられている方法を使っているのですが、ねじ山は別に立てず、ねじ径より0.4mmほど細い円柱を設けて、入口に高角度のチャンファーを短く付ける方式を使っています。もしよければ、これについてはどう思われますか？
たとえばM3なら2.6mmホールに、入口へ80°・長さ0.3mmのチャンファーを付けています。SLAでは柱の肉厚を2mm以上にしていて、FDMは出力してくださった方の仕様をよく分かっていませんが、FDMでも可能でした。
機械的に高い強度が必要で大きな力を受ける部品ではなく、単純な固定用に近いのですが、何度か落としても無事だったのを見ると、意外と悪くないように思えました。🤔
継続的な分解・組み立てが必要な部品でなければ、レイヤー方向によって割れる問題だけ気をつければ、単純な柱状部分にネジをねじ込むのも、体感的には問題にならないように思います。
繰り返し分解・組み立てが必要な場合は、ネジ山も含めてプリントするより、インサートを入れるほうがよさそうです。
コメント欄の
「プリント部品に直接ネジ山を切る方法として、木ネジが効果的
木ネジはタップなしでも自分でネジ山を作れる
PETGでプリントすれば強度は十分だが、PLAは層と平行な穴で割れる可能性がある」
という部分には同感です。
Hacker Newsの意見
素晴らしい記事。ThingiverseやPrintablesに上がっている平均的な部品の水準をはるかに超えているが、良い部品は似たようなアイデアに従うようになる。
マウスイヤー、圧入穴、不可能に見えるブリッジを作るためのレイヤーごとの段階的な位置合わせが特に良い。
Fusion 360では、これらはすべて「plastics」モードで設計されるはずだが、そのモードが部品をプリントするのか金型で作るのかをまったく気にしない点が興味深い。
PCBでは厳格な設計ルールチェックを見てきたし、板金マクロも見てきたが、標準的な設備の限界に合わせて設計を制限する生産を意識した設計を、一般的な機械CADでサポートしている例はまだ見たことがない。
https://github.com/WillAdams/gcodepreview
必要なツールは https://pythonscad.org/ で、これまで試したものの大半は実装できた。
ほぼどんな木造構造でも作れるようにする継手モジュールを仕上げているところで、金属でも大きくは違わないはずだ。以前、概念実証としてねじ切りプログラムも作ってみた。
まだ実際にどう見えるのか、ワークフローにどう入るのかははっきりしていない。
適切な拡張機能を使えば、射出成形部品に対してEDA風の設計ルールも設定できる。
射出成形設計解析専用ソフトウェアもいくつかあるが、価格はホビーユーザーにはまったく手が届かない。
しかし3D部品の最終設計はあまりに非決定的で、製造方法も非常に多様で固有なので、利益より問題を多く生む可能性もある。
エンジニアは部品がどのように作られるのかを理解し、分からなければ機械工と話し、設計の複雑さとエンジニアリング要件の間で妥協しなければならない。
驚くべき記事だ。繰り返すが、本当に驚くべきものだ。
7年間3Dプリンターを触ってきて、パンデミック中には自宅で自分で組み立てもした。ここで説明されているテーマの一部は実践を通じてすでに理解していたし、3Dプリント経験のある人たちの多くもそうやって学んだはずだ。
しかし、そのすべてをこのレベルで研究し、整理し、説明しているのは本当にすごい。しかも、まだ学ぶべきテーマもたくさん扱われている。
すばらしい記事。何年もかけて身につけたいくつものコツをきれいに要約してくれている。
プリント物の材料を減らすもう一つの有用なコツは、表面をそもそもプリントしないことだ。プリント物の質量の大半は外殻に集中するので、上下の表面が部品の機能に重要でないなら、そのどちらかを取り除ける。
スライサーは、それらの表面に囲まれた体積を依然としてインフィル構造で埋められるし、直線・六角形・三角形のような平面インフィル構造を使えば、出来上がりもかなり見栄えがよい。特に、おおむね平らな部品でうまくいく。
この方法でプリントしたTPU部品を2つ、毎日使っている。スマートフォンケース [0] と、ヘッドホン用の圧迫軽減ストラップ [1] だ。
[0] https://www.printables.com/model/615154-google-pixel-8-case
[1] https://www.printables.com/model/577575-hifiman-comfort-stra...
ここ数年HNに上がった3Dプリント記事の中で最高だ。
ここで説明されている設計上の考慮事項の多くは、コンプライアントメカニズムに分類される。
https://en.wikipedia.org/wiki/Compliant_mechanism
https://www.youtube.com/results?search_query=compliant+mecha...
どれも素晴らしいヒントです。Bambu が登場して以降、スライサーのようなツールや CoreXY 系プリンターがどれも使い勝手を引き上げ、分野全体が ただ出力すればよい という雰囲気に向かっている点も助けになっています
そのおかげで、導入、モデル制作、エコシステム全体に良い影響が出ています
Fusion 360 で部品をたくさん設計し、もうほぼ10年出力していますが、それでもここから良いヒントをいくつか得ました
ここにぜひ追加したい重要項目は フィラメント選び です。PC-CF、つまり炭素繊維強化ポリカーボネートのような現代的なフィラメントは、実際の造形物や部品に対して信じられないほど万能です
上位のコンシューマー向けプリンターなら、約300°Cまで対応するプリントヘッドと硬化鋼ノズルは必要になりますが、比較的簡単に出力できます。標準的な PLA 以外にもさまざまなフィラメントがあり、出力コストが10倍高くなるわけでもないのに、多くの面で優れています
スライサーも、出力品質、速度、部品強度を改善する取り組みがかなり入っていて、かなり良くなっています
cnckitchen が何度も言及されているのもうれしいです。3Dプリントの新しい潮流や偏りの少ないレビューを真剣に追い、学ぶのに優れた資料です
Printables や Thingiverse のモデル品質も本当に良くなっており、外部部品なしでダウンロードして出力するだけで完全に動作する装置、つまりプリントインプレースや一体出力部品が増えているのは励みになります
生成AIがオブジェクトモデリングや CAD の原理を理解するようになれば、パラメトリックモデルがより一般化するのと同じように、機能部品モデル も爆発的に増える気がします
使ってみて、Ender ではいつもプリンターの調整ばかりしていて、実際にはほとんど出力していなかったのだと気づきました
Bambu では、望む品質レベルを変える以外に手動設定は必要ありませんでした。一度だけ、非常に長いブリッジでデフォルト設定でも問題はなかったものの、もっとしっかり定着させたくて、何度かテストしながら微調整した程度です
「再利用頻度の低い接合部を素早く設計するには、出力部品にタップでねじ山を切る」という部分については、木ねじがよく合うことが分かりました。タップを使わなくても 木ねじ が自分でねじ山を作れます
ただし部品には多少応力がかかります。主に PETG で出力していますが、この程度なら十分強いです。一方 PLA は、穴がレイヤーと平行だと割れることがあります
「ねじ込みインサートは裏側からねじを入れる場合に安定して使いにくい」という制約には、時々使うコツがあります
インサートを入れる前に裏側から先にねじを差し込み、突き出たねじにインサートを回して取り付けてから、はんだごてでインサートとねじを一緒にプラスチックへ挿入します
ねじが穴を埋めているので、溶けたプラスチックが穴を塞ぐことはありません。その代わり、溶けたプラスチックがねじの周囲に形成され、Nyloc ナット のように機能します
摩擦熱がプラスチックを溶かし、ねじの周囲に形状を作るのに十分である必要があります。冷えるまで待ってからねじを抜けばよいです
ただし携帯性を目的に設計することはまれで、テスト出力をいくつか作って、自分のプリンターに合う穴径を見つけるようにしています
Small Parts や Amazon では1000個未満の少量の選択肢が乏しいことがありますが、昨年から Bambu が手頃な価格の小分けパックを販売し始めました
HNコミュニティでBambu Labsがかなり叩かれているのは知っているが、自分の Bambu Labs P1S は本当に衝撃的なほど良い。使うのがとても簡単で、昔のEnderのときより100倍は多く出力している
おかげでFusion 360も学ぶようになったし、まさに今も子どもたちが色を塗るためのドロイドを出力中
プリンター自体をいじるのが好きな人たちは気に入って勧めていた。機器を安定して動かすことが、3Dプリンティングとは別のスキルになっていたからだ。記事で扱われている設計上の考慮点とは別の問題だ
Bambuはずっと良いと聞いている。自分はEnder時代のRaise3D E2を使っているが、とても安定している。価格は一段上だが手を入れる必要がなく、新品のときも今もただ動いてくれる
Bambuがソフトウェアのかなりの部分をフォークした元であり、最近のアップデート後は使いやすさも同じくらいで、非常に安定していてメンテナンスもしやすい
最近は米国内製造も追加し、米国製のCore ONEも買えるように見える。関税を考えると、近いうちに同等のBambuより安くなるかもしれない
3Dプリンティングの記事のたびにPrusaファンボーイが出てくると文句を言う人もいるだろうが、その会社がそうした愛着を生むのには理由がある。MK4(S)で数千時間出力したがまったく問題がなく、次の新型モデルへ移行するためのアップグレードキットを提供している点もかなり素晴らしい
一方で自分のEnder 5はいつも動き続けていて、Amazonで数セントから高くても20ドル程度の交換部品を待つ1日か2日以上止まったことはない
Bambuが不安定なプリンターを作っているとは思わない。むしろ全体としてはCrealityよりはるかに信頼性の高い優れた機械だ
ただしスポーツカーのようなものだ。速くて派手なものを求め、問題をお金で解決したい人、またはサーキットに持ち込んで自分で整備しても構わない技術者タイプの人を狙った製品に近い
問題は、Bambuのプリンターが初心者向けに良いと宣伝され、推奨されている点だ。非技術者が3Dプリンティングを始めやすくしてくれるのは確かだが、結局ほとんどの人は、許容されるカスタマイズの少なさや、問題が起きたときの診断・修理に必要な時間・労力・費用に失望することになる気がする
問題は、今エコシステムを閉じていっており、今後どこへ向かうのかわからない点だ
それに、最新のプリンターと古いEnderを比較するのは非常に不公平だ。同じくらい現在の技術同士で比較すべきだ
約10年前、最初のTaz機で3Dプリンティングを始めたが、その体験ですっかり疲れ果ててしまった
1か月前に飛んで、Prusa Core Oneを買ったところ気に入ったので、XL 5-toolheadまで買った。「ただ動く」プリンターを使うのは本当に楽しい
先週は6日がかりの出力を終えた: https://www.reddit.com/r/prusa3d/comments/1kb3p0w/xl_full_be...
素晴らしい記事で、多くを学んだ。補足の読み物としては、J. E. Gordonの Structures がとても良いと思う
こうした作業に必要な機械設計の概念を多く理解する助けになった
[0]: https://archive.org/details/StructuresOrWhyThingsDontFallDow...
以前は鋭い角にはもっとずっと注意する必要があった
鋭い角で出力すると、ホットエンドはいったん停止するまで減速し、それから新しい方向へ加速しなければならない。この間にノズルからプラスチックが少し余計に漏れ出る
角を丸くすれば、この遷移を滑らかにできる
最近のプリンターにはたいてい圧力先行制御があるので、今では重要度はずっと低くなっている
最近の低価格プリンターで最大の恩恵は、入力整形と共振チューニングだと思う。機械的にあまり頑丈でない機器でも、より高い加速度と速度を使えるようにしたからだ
次に大きいのは、スライサーの選択肢を減らし、ブランド品フィラメントの使用を強制する点だ。選択肢をなくせば、再現性のあるスライサープロファイルを作りやすくなる。自分はほぼ10年間、Atomicのフィラメントと同じ基本スライサープロファイルを使ってきた
自分の作業場では、今でも圧力先行制御も入力整形も使っていない。その代わり、非常に頑丈なフレームの機械を作っている
自分が見たところでは、フレームと駆動部が頑丈であるほど入力整形の恩恵は小さくなるようだ。現在のプリンターは約10年ものだが、今でも堅牢だ
リードスクリュー駆動なのでCoreXYほど速くはないが、出力品質は良く、320mm立方の領域を持っている。圧力先行制御や他の魔法のような機能がなくても、PLAを100mm/sで出力し、移動は150〜200mm/sで行っており、エクストルーダーもかなり重いほうだ