3Dプリントを使いこなしたい
時代は積層！
いや, 私は切削も好きです.
3Dプリンタについて知ってることと, 思ってることをまとめてみました.
この記事について
経緯
サークル内でマニュアルを書こう, からの, どうせなら公開して鉞を投げてもらって知見増やして皆で幸せになりたいという欲望にまみれています.
使い方と言うよりは知っておくと役立ちそうなことをまとめているつもりです.
注意
筆者は機械や材料の専門家ではありません. 専攻も全然違います. ただの趣味で積層してます.
「俺たちはいつだって感覚で積層している――」
という感じなので, 予めご了承ください.
お願い
有識者の方へ. 鉞ばんばんお待ちしております.
積層に興味のある方へ. もっとまともな記事が世の中に存在するはずですので探してください.
サークルの皆様へ. 強い誰かにまともなマニュアルを書くよう仕向けてください.
あ, 無いとは思いますが加筆の要望も受け付けています
環境
- 3Dプリンタ: Zortrax M200
- スライサ: Z-Suite
- 材料: Z-ABS
この環境で, 異なる場所で計2台いじっています.
積層物の物性
強度
積層形成されたものは一般に物理的な異方性(向きによって物性が異なるという性質)を持ちます.
本稿においては積層されていく方向, すなわち層の重なっていく方向を積層方向, 層の広がる方向を沿層方向と呼ぶことにします.
「異方性がある」ということから推察される通り, 積層物はこの積層方向と沿層方向によって特性が変わってきます.
ここでは, 直方体の積層物に対して, 圧縮・引張・剪断(せんだん)の3種類の応力を考えていきます.
圧縮
積層物において, 圧縮応力に対する異方性はあまり認められません.
圧縮応力に対しては, 材料の充填率が直接強度に出ると見てよいでしょう.
引張
圧縮応力と方向が変わっただけですが, 引張応力に対しては強度の異方性は顕著に認められます.
次の図をご覧ください. それぞれ積層方向, 沿層方向に対して引張応力がかけられています.
右の, 積層方向の引張においては, 積層面の剥離が発生しやすくなります. 積層面の強度がボトルネックになっていると言えます.
剪断(せんだん)
異方性が認められます.
沿層方向への剪断において, 引張と同様に積層面の剥離が起こりやすいため, 積層方向への剪断と比較すると強度が低く観測されます.
温度特性
温度に対する特性は, フィラメントの材料によって異なります. 使用するフィラメントの情報をそれぞれ参照されることを強く推奨します.
例えば, 今回例示しているZotrax社のZ-ABSフィラメントは, HPにおいて軟化温度が112℃と記されています. これは112℃付近で材料が急激に流動的な振る舞いをするようになり, 自らの形状を保てなくなることを意味します.
それではこの温度より低ければ問題ないかと言うと, そういうわけでもありません. 材料温度が大きく変化すると, 材料は体積変化を生じます. 大抵の場合積層物の内部温度は一律ではありませんから, 体積変化の差によって構造的な微小のずれが発生し, 積層面において材料強度が低下する傾向にあります.
積層物にはあまり急激な温度変化を与えないほうが良いでしょう.
化学的特性とか各種物性値とか
耐塩, 耐酸, 耐アルカリ, 耐紫外線などなど材料固有の化学耐性があります. また, 密度や材料固有の強度等も存在します. 使う材料の性質をよく確認しておきましょう.
こういった情報を知った上で積層部品の利用を考えると, 多少は設計が楽になる? かもしれません.
いい積層のためにするべきこと
お掃除
お掃除, 大事.
プラットフォームの掃除はもちろん, ノズルも定期的に掃除をしましょう.
プラットフォームにゴミが残っていると, サポート材の定着が悪くなり, 最悪の場合サポート材がプラットフォームから剥離してしまいます. ヘラで掃除しきっているつもりでも, 薄く膜として残っていることがありますので, 定期的に薬品(アセトン等)を使った拭き掃除やヤスリがけ(メーカが推奨している場合のみ)等を行うと良いでしょう.
あとプラットフォームにスティックのりを塗って定着を良くするという邪悪な文化が存在するようですが, これの是非はともかく, 塗って積層したあとは念入りに掃除をしましょう. 結構残留します.
またプラットフォームにキャリブレーション用の電極がある場合には, 剥がすときも掃除のときも傷つけないように注意しましょう.
ノズルについても同様で, ちょっとずつフィラメントやほこりが溜まっていき, いつか詰まります. 詰まると何が起こるか? 虚無がプリントされます. わあい.
あっ！虚無！ ﾀﾞﾝﾀﾞﾝﾀﾞﾝｼｬｰﾝ pic.twitter.com/t0FYKlEdgF
— ❄️徹夜しても無理❄️ (@blessingyuki) 2018年8月20日
進捗繁忙期にこれが起こるととても辛いので, 定期的にアセトン漬けにして詰まりの原因を取り除くようにしましょう.
参考: 試したことはないのですが, 周囲の方の話によると, 除光液等のアセトン不使用のものでも代替が可能なようです.
温度管理
積層するときの気温はとても重要です. 個人的な感想として, 冬は積層の天敵です.
UP BOXシリーズのような, 密閉型のプリンタであれば気にする必要はないのですが, 多くのプリンタは開放されているので温度管理の重要性についてちょっと書いていきます.
物性のところにも書きましたが, 温度変化によって材料は体積変化を生じます. 一般に, 融解されて積層された材料は外気で冷やされて縮みます. 周りが寒いと縮み方が激しくなり……反ります.
任意の積層物がソリになります. 全然そり！って感じではないし虚無といい勝負です. しんどい.
いくつか対策があります.
- 空調管理下でやる
- 高いところに置く / 窓から遠ざける
- 何かをかぶせる.
特に最後については何よりお手軽です. ゴミ袋とか段ボールでそれなりに良いパフォーマンスを出してくれます. お試しあれ.
あと一応書いておきますと, 積層する際には空調管理下でも絶対換気するようにしましょう!!! ハイになっちゃいます.
フィラメントの管理
フィラメントちゃんはとてもか弱いので, 温度管理とか湿度管理を失敗するとすぐ死んじゃいます.
特に湿気については, 本当によく吸ってしまいます. 管理の際には乾燥剤と一緒にする, 高温多湿や直射日光を避けるなど, 優しく扱ってあげてください.
積層失敗 〜直近1年の傾向と対策〜
経験談, 実質ポエムです.
case 1: 温度管理は問題ないのに反りが止まらねぇ……
サポート材が弱い場合があります. その場合は, 多くのスライサではサポート材の角度しきい値をチューニングできますので, 角度しきい値を大きくしてより多くのサポート材から支持を受けるようにすると上手く行くかもしれません.
特に長いもの, 細いもの, サポート材に対する面が曲面のものなどはこれで上手く行くことが多かったです.
case 2: 積層が荒い……
確認すべきポイントがいくつかあります.
- スライサにおける積層ピッチ(1層あたりの厚さ)の設定は小さくなっていますか?
- 使っている材料はその積層ピッチに対応していますか?
- ノズルが詰まり気味ではありませんか?
特に3の場合は, 積層中もノズルから紐が垂れてきたりする傾向にあります. 酷いときは頼んでもいないスパゲティが積層物に混入します. お掃除しましょう.
case 3: 精度が出ない……
とりあえず私が好きな記事を置いておきます.
18積層目 「そうめん」と「ひやむぎ」くらい違う「積層ピッチ」と「精度」について - 3Dプリンター UP 300｜UP BOX+｜UP Plus2｜UP mini2 ES 日本正式代理店
さて, 主観的な話をしていくと, 精度は特に沿層方向に悪く出る傾向がある, と考えています.
先月やった球体関節の造形のベンチマーク的なもので, 冒頭に示した環境のもと, 直径8mmの球をn個作ってみました. 積層方向の誤差は最大で0.1mm, 沿層方向の誤差は最大で0.25mmを観測しています.
このときの積層ピッチは0.09mmで指定していましたので, およそ1層(積層方向)〜3層(沿層方向)分の誤差が生じていると言えます.
本題に戻りますが, 誤差はプリンタ固有のものや, 気温・湿度にも影響を受けることになるでしょう.
プリンタ自身が調整可能な精度には限界があります. 実際の出力を見てプリンタの限界を知りながら, 柔軟に設計を変更する方が, 効率的ではないかと思われます.
case 4: 強度 欲しい！
強度と積層方向の関係を理解した上で, 充填率をMaxにしましょう.
あとは惜しみなく設計を増強して, 強度が欲しい部分の断面積を増やしましょう. 筋肉最高!!
痛い目を見やすいので, 重さと体積だけ気を付けてください.
