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知っておきたい! 3Dプリンターの部品12選

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本記事は、3D Printer Parts: Comprehensive List Of 3D Printing Components
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約9分58秒

ここ数年で、3Dプリンティング技術は大きく進歩しました。この進歩は、医療分野、建築、自動車、家電など、多くの業界に影響を与えています。3Dプリンティングは、文字通り、製品の設計・製造方法を大きく変えました。

 

2019年の3Dプリンティングの世界市場規模は115.8億ドルで、2020年から2027年にかけて14%以上のCAGR(年平均成長率)で成長すると予測されています。2018年には約140万台の3Dプリンターが出荷され、この数字は2027年には800万台以上に達すると予測されています(グランドビューリサーチ社のレポート)。

 

3Dプリンティングの分野では、強力なキャリアを築くことができるという統計結果が出ています。しかし、最も革新的なテクノロジーを構成する数多くの部品を十分に理解しておく必要があります。

 

3Dプリンターは複雑な機械ですが、よく調べると理解しやすく、扱いやすくなっています。ここでは、付加製造法を実現するために必要な3Dプリンターの部品をすべて紹介します。これらは、ハードウェア、ソフトウェア、サービスに分類されます。

 

部品の正確なサイズと品質は、機械やシステムを開発する際に最も重要です。3Dプリンターの様々な機能部品を設計・製造する需要が大幅に増加していることから、これらの部品は2020年から2027年の間に14.9%のCAGRを記録すると予想されています。

 

1. 印刷の材料(フィラメント)

3Dプリンティング用のフィラメントスプールと、そのフィラメントを使って印刷したモデル

 

例:ナイロン、樹脂、PLA(ポリ乳酸)、ABS(ABS樹脂)

 

3Dプリンティングには、何十種類もの材料があります。それぞれに特徴があり、強み、弱みがあります。金属、プラスチック、複合材など、様々な材料を印刷するための新しい3Dプリンターは、現在も開発が続いています。

 

ナイロン(別名ポリアミド)は、よく知られた3Dプリンティング用フィラメントで、主に繊細で複雑な形状の作成に使用されます。柔軟性、低摩擦性、耐久性、耐腐食性などの特性を持ち、FFF(溶融フィラメント製造)やFDM(熱溶解積層法)方式の3Dプリンターに適しています。

 

ナイロン(または他の素材)のフィラメントは、スプールに入っています。フィラメントを特定の温度に加熱して液化させ、印刷プラットフォームに堆積させます。フィラメントは、完全な物体が印刷されるまで、層ごとに堆積されます。層の厚さは、使用する3Dプリント技術によって異なりますが、一般的には16μmから150μmです。

 

なお、すべての3Dプリンターがナイロンフィラメントに対応しているわけではありませんのでご注意ください。複数のフィラメントを使用できるものもあれば、独自のフィラメントしか使用できないものもあります。

 

2. 押出機

3Dプリンティングプラットフォームに材料を堆積させる押出機

 

例:Zesty Nimble(ダイレクト式押出機)、E3D V6(ボーデン式押出機)

 

押出機は、液状または半液状の材料を吐出し、3Dプリンティングサイズ内で連続した層に堆積します。一部の3Dプリンターでは、粉末状の材料を固めるための結合剤のみを射出することもあります。

 

押出機は、コールドエンドとホットエンドの2つの部分に分けられます。

 

コールドエンドは、フィラメントが供給される押出機の上部です。この部分には、フィラメントを保持するためのステッピングモーター(ブラシレスDCモーター)、ホブ付きボルト、歯付きギア、バネ付きアイドラーと、フィラメントを導くためのポリテトラフルオロエチレンのチューブが設置されています。

 

ホットエンドは、フィラメントが溶けて噴出する下部です。ここでフィラメントを溶かし、プリントエンドに押し出します。ホットエンドに不可欠な部品の一つがノズルです。これは小さな穴の開いた金属片で、そこから溶けたフィラメントが出てきて堆積します。

 

このノズルは交換可能で、様々なサイズがあります。最も一般的なサイズは0.4mmです。ノズルのサイズを小さくすることで、より微細で高精度な印刷が可能になります。一方、ノズルの直径が大きいほど、高速印刷が可能になります。

 

押出機には2つのタイプがあります。

 

・ダイレクト式押出機:その名の通り、ホットエンドに直接取り付けられているため、フィラメントの経路が短くなります。そのため、ダイレクト式押出機を採用した3Dプリンターは、押し出しや戻しの反応が良く、にじみや糸引きの少ない鮮明な印刷が可能になります。

 

・ボーデン式押出機:ホットエンドと押出機本体を繋ぐ大きくて細いチューブを備えています。この構造により、3Dマシンはより高い精度で高速に印刷することができます。しかし、引き込みや糸引きが発生しやすいという欠点があります。

 

プリンターの中には、2つの異なるフィラメントで同時に印刷できる二軸押出機を搭載しているものもあります。このような機種では、2つのノズルが2つのプリントヘッドに接続されているか、あるいは1つのプリントヘッドに両方が含まれています。

 

3. コントローラボード/マザーボード

SKR V1.4 32ビットコントローラボード

 

例:SKR Mini E3; Duet 2 Wifi

 

コントローラボードは、3Dプリンターのすべての電子機能をつかさどります。これがないと、スイッチを押して特定の部品をオン・オフするだけでは、プリンターの機能を十分に発揮することができません。

 

マイクロコントローラは、3Dプリンターのソフトウェアからのコードを実行して、3Dプリントされたオブジェクトを作成します。また、コマンドを送るだけでなく、様々なコンポーネントを監視して応答します。具体的には、Gコードファイルの解析、押出機の温度調節、運動制御(特に溶融フィラメント製造用プリンター)などを担っています。

 

コントローラボードを購入する際には、対応するステッピングモーター、押出機、センサー、ヒーター、物理的なコネクターの数が決め手になることがよくあります。

 

また、3Dプリンターの形状に対応したファームウェアを搭載する必要があります。例えば、すべてのデカルト座標系プリンターは、デルタ型プリンターと同じ量の電気部品を持っているため、マザーボードがデルタ型プリンターをサポートできるのであれば、デカルト座標系プリンターもサポートできるはずです。

 

SKR Mini E3のような現在のマザーボードは、32ビットのプロセッサを使用して、複雑な動作経路を素早く計算します。また、イーサネットモジュールやWifiを搭載しており、3Dプリントのリモートモニタリングが可能です。

 

4. 運動制御システム

例:PI (Physik Instrumente) ACSベースのモーションコントローラー

 

モーションコントローラーは、マザーボードからの指示を受けて、実際に3軸の動きを行い、造形物を印刷します。言い換えれば、3Dプリンター内の複数の可動部を制御・調整するものです。

 

運動制御システムは、すべての軸を正確に同期させ、適正な印刷速度を維持しながら印刷機構の精度を高め、ノイズを低減する役割を担っています。

 

ステッピングモーター、ベルトやねじ切りされたロッド、エンドストップなどの複数の部品が含まれています。ステッピングモーターは、ベルトやねじ切りされたロッドに接続され、押し出しやビルドプラットフォームをx、y、z軸に沿って移動させます。エンドストップ(各軸に設置)は、ステッピングモーターが軸の限界に達したときに通知します。

 

昨今の3Dプリンターは、高性能なモーションコントローラーと高度なロボット技術により、高品質な製品の生産を後押ししています。運動制御システムは、全軸の高速位置・速度・トルク制御を可能にし、ジャム検知による高速で安定したフローを実現します。

 

5. プリントベッド

例:Prusa i3 MK2のプリントベッド

 

プリントベッドとは、印刷の際に印刷されたものが付着する平らな面のことです。プリントベッドには様々な種類があり、表面の状態や熱的特性、価格などが異なります。

 

ほとんどのプリントベッドは、非常に硬くて平らなガラスでできています。ガラスは加熱に時間がかかりますが、その分、熱を造形エリアに均一に広げることができます。ペインターテープやスティックのりなどの接着剤と組み合わせることで、プリントの底面を非常に滑らかに仕上げることができます。

 

プリントベッドには、より柔軟性の高いタイプもあります。たとえば「BuildTak FlexPlate」は、磁石と取り外し可能なスプリングプレートを備えており、スチールを曲げることで3Dプリントをベッドから飛び出させることができます。これはPrusa i3 MK3の最大のセールスポイントの一つでした。

 

もう一つのプリントベッド「Anycubic Ultrabase」は、表面にナノ粒子のユニークな層があり、高温の時には3Dプリントを保持し、冷めたら簡単に離すことができます。しかし、従来のガラスで印刷したときのような底面の滑らかな仕上がりにはならないという難点があります。

 

6. フレーム

Prusa I3のスチールフレーム

 

例:Prusa I3のスチールフレーム(レーザーカット)、Cube 3Dプリンター用BLV MGNアルミフレームキット(ジョイント構造)

 

フレームは、3Dプリンターを構成するすべての部品をまとめ、機械全体の安定性を保ちます。一見シンプルに見えますが、実はその設計はかなり複雑です。それは、デザインの可能性が何百種類もあるからです。

 

フレームは、すべての機械部品や電気部品を支えるだけでなく、3Dプリンターの総造形量を決定します。これにより、マシンの堅牢性と耐久性が向上します。

 

フレームの素材は、金属やアクリル(透明な熱可塑性ホモポリマー)が多く、さらに、構造上の違いによって分類されます。

 

・接合部と部材の構造:構造部材(アルミや滑らかな金属の棒)をトラスのようにジョイントで連結したもの。シンプルで安価、かつ施工しやすいデザインです。

 

・レーザーやCNCでカットされたフレーム:アクリルや合板などの素材を、レーザーやCNC(コンピュータ数値制御)加工でパネル状にカットします。これらのパネルをボルトで固定して最終的なフレーム構造を作ります。

 

・射出成形:金属製のフレームを大量に製造する際に用いられる技術。ハイエンドの顧客や商業部門に最適です。

 

3Dプリンターのフレームを購入する際には、コスト、強度、組み立てやすさ、総造形量、耐久性などを総合的に考慮する必要があります。

 

7. 電源ユニット

eTopxizu 12v 30a Universal Regulated Switching PSU

 

例:BMOUO 12V 30A DCユニバーサルレギュレーテッドスイッチング電源

 

電源ユニットは、片方の端に配線があり、側面にファンがあり、ネジ端子が並んでいる不格好な金属製の箱です。フレームに取り付けられているものと、別売りのものがあります。前者の方がスペースを取らず、コンパクトな印象を与えます。

 

電源ユニットには、交流(AC)を直流(DC)に変換する整流回路と、240ボルトを3Dプリンターのニーズに合わせて12〜24ボルトに降圧する一連のトランスが含まれています。

 

3Dプリンター用の電源ユニットを購入する場合は、定格電圧、出力電圧、出力電流、総ワット数に注目してください。標準的な3Dプリンター(印刷サイズが180×180mm)の場合、通常は240(12ボルト、20アンペア)が必要です。

 

8. インターフェース

Direct TFT70 V3.0

 

例:Viki 2 Graphic LCD; BigTreeTech Direct TFT70 V3.0

 

ほとんどの3Dプリンターには、すぐに使えるインターフェースが搭載されていますが、中にはパソコンとプリンターの通信を行うためのUSBポートがあるだけのものもあります。

 

昨今のプリンターには、様々な種類の画面(主に液晶タッチパネル)が搭載されています。プリンターのファームウェアは、具体的な表示方法、ナビゲーション機能の表示方法、オプションの提供などを決定します。

 

ノズルやベッドの温度、印刷速度、印刷開始からの経過時間、タスクの完了率やプログレスバーなどが表示されます。全体的に見て、必須の部品ではありませんが、印刷プロセス全体をモニターし、コントロールすることができます。

 

9.接続性

 

例:QIDI TECH X-maxには、Wifi機能と5インチのタッチスクリーンが搭載されています

 

3Dプリンターの型によって、複数の接続方法が用意されています。価格的に最も安い型では、USBケーブルでパソコンに接続し、3Dプリンティングソフトから操作することができます。

 

中程度の3Dプリンターには、フラッシュカードリーダーまたはUSBドライブ用のUSBポートが装備されています。これにより、ユーザーはコンピュータに接続することなく、マシンを単独で操作することができます。フラッシュカードに保存されたプリントモデルは、3Dプリンターに直接読み込むことができます。

 

上位機種の中には、接続性を高めるためにWifiや有線LANのオプションが付いているものもあります。これらのインターフェースにより、ノートパソコンやスマートフォンと簡単に接続することができます。このオプションは、事務室のように複数のユーザーのために3Dプリンターを購入する場合に便利です。

 

10. 後処理ツール

アセトンで(特定のフィラメントの)表面を滑らかにし、光沢を出す|画像引用元:Sinkhacks

 

例:アセトンで3Dプリントの見栄えを良くする

 

ほとんどすべての3Dプリントは、印刷後に何らかの後処理が必要です。それによって、美観や強度などの特性が向上します。一般的に、次の後処理の技術が含まれます。

 

・クリーニング(サポート材の除去)
・硬化させる
・表面仕上げ
・着色する

 

多くの場合、粗い表面やエッジを滑らかにするために、異なる粒度の紙やすりを使用します。目の粗いもの(120グリット)から目の細かいもの(1000グリット以上)まで、質の良い紙やすりは消耗しにくく長持ちするので、長い目で見れば節約になります。

 

また、ほとんどの3Dプリントは、外観や耐久性を向上させるために、表面仕上げの工程を行います。印刷素材に応じて、アセトンやXTC-3D高性能3Dプリントコーティングを選択することができます。

 

さらに、風通しの良い場所で研磨、下地処理、塗装を行うことによって、部分的な見た目だけでなく手触りも良くなります。すべてのFDM素材に対応しています。

 

11. 3Dプリンティングソフトウェア

3Dプリントのデザイン、スライス、管理ができるオールインワンソフトウェア「MatterControl」

 

例:SolidWorks、Fusion 360、CATIA

 

3Dプリンティングソフトウェアは、3Dコンピュータで作成した基本的なオブジェクトを、プリンターが解釈して正確に印刷できるように変換します。3Dモデルをセクションに分割し、3Dプリンターがスライスごとにオブジェクトを構築できるようにします。そのため、スライサーソフトウェアとも呼ばれています。

 

3Dプリンティングソフトウェアには様々な種類がありますが、その仕組みはどれも似ています。3Dオブジェクトを受け取り、その表面を小さなセクションに変換し、それらを組み合わせてオブジェクトを作ります。セクションの数は、印刷されたオブジェクトの正確さと細部を決定します。

 

ユーザーは、希望するレイヤーの高さや向き、いくつかの素材設定など、特定のパラメータを入力するよう求められます。すべての設定項目が入力されると、ソフトウェアはオブジェクトファイルを、最も一般的なコンピュータ数値制御(CNC)のプログラミング言語であるGコードに変換します。Gコードの命令はコントローラに送られ、モーターに、どこに、どれくらいの速さで、どのような経路をたどってオブジェクトを正確に作成するかを指示します。

 

12. 3Dスキャンサービス

 

例:Javelin-techサービス

 

多くの中小企業が3Dスキャンサービスを提供しています。最新鋭の3Dスキャナーを使って、物理的な物体を正確にデジタルモデルに変換します。3Dスキャンと3Dデザインを組み合わせることで、対象物の複雑で重要な細部を極めて正確に再現します。

 

これは、リバースエンジニアリングに使用できるような、対象物の完全なデジタル表現を求める場合に便利です。この種のサービスは、自動車、品質管理、遺産保存、教育、法医学、リバースエンジニアリング、建築など、幅広い業界で利用されています。

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