FDM方式3Dプリンティングとは何か、そしてどのように機能するのか？

溶融堆積モデリング（FDM）は、今日最も一般的な3Dプリンティング技術の一つです。この技術では、熱可塑性材料で作られたフィラメントを原材料として使用します。この記事では、FDM 3Dプリンティングの基本原理、技術の仕組み、工程ごとの詳細な流れ、そして材料の選定について解説します。

FDM 3D印刷とは何ですか？

溶融堆積モデリング（FDM）では、熱可塑性樹脂製のフィラメントを原料として使用します。フィラメントを加熱して溶融させ、液状化した材料をプリントヘッドの細いノズルから押し出します。押し出された材料は、造形プラットフォーム上、または既に固化した層上に堆積されます。温度が融点を下回ると、材料は固化し始めます。最終的な部品は、材料を層ごとに積み重ねることで形成されます。

溶融堆積モデリング（FDM）はどのように機能するのですか？

溶融堆積モデリング方式の3Dプリンターの仕組みを説明する前に、まず次のような場面を想像してみましょう。

温めた歯磨き粉のチューブを持ちます。チューブの中では歯磨き粉は液体ですが、絞り出すとすぐに固まります。次に、チューブを逆さまにして、中国の筆で書くように手を水平に動かしながら、テーブルに歯磨き粉を絞り出します。テーブル上の最初の層の作業が終わったら、歯磨き粉のチューブを少し持ち上げて、2層目に絞り出していきます。このとき、新しく押し出された歯磨き粉は前の歯磨き粉に付着し、先に押し出された歯磨き粉が固まって、後から押し出される歯磨き粉を支えます。最後に、目的の形状になるまで上記のプロセスを繰り返します。これが実はFDMの基本原理であり、最近市場に登場した3Dプリントペンの動作原理でもあります。

この基本的な考え方に基づき、エンジニアはまず原材料を特定径の円形フィラメントに加工します。次に、フィラメント状の原材料をフィラメント供給機構を通して徐々にホットエンドに送り込みます。ホットエンドでは、材料が加熱されて溶融します。ホットエンドの下にはプリントヘッドがあり、プリントヘッドの底部には細いノズル（直径は一般的に0.2～0.6mm）があります。後続のフィラメントの押し出しによって生じる圧力により、溶融状態の液体材料が押し出されます。

プロセスの要件上、3Dプリンターが動作を開始する前に、一般的には、レイヤー間隔やパスの幅などの基本情報を最初に設定する必要があります。次に、スライスエンジンが3次元モデルをスライスして印刷パスを生成します。続いて、ホストソフトウェアとプリンターの制御下で、印刷ノズルは水平レイヤーデータに従ってX軸とY軸方向に平面移動を行い、Z軸方向の垂直移動はビルドプラットフォームによって行われます。同時に、フィラメントは供給コンポーネントによってノズルに供給されます。加熱・溶融後、加熱温度は一般的に原材料の融点より数度高く設定されます。これにより、材料がノズルから押し出されてビルドプラットフォームに付着すると、すぐに冷却・固化します。印刷された材料は前のレイヤーと素早く融合します。各レイヤーセクションが完了すると、ビルドプラットフォームは1レイヤー分の高さだけ下降し、プリンターは次のレイヤーの印刷を続けます。この手順は、設計モデル全体が完成するまで繰り返されます。

FDM方式の鍵は、ノズルから押し出される溶融原料の温度を凝固点よりわずかに高い温度に保つことです。通常は凝固点より約1℃高い温度に制御されます。温度が高すぎると、造形物の精度低下や変形などの問題が発生します。一方、温度が低すぎたり不安定だったりすると、ノズルが詰まりやすく、造形が失敗する原因となります。

溶融堆積モデリングプロセス

溶融堆積モデリングのプロセスフローは、以下の5つのステップに分けられます。 3Dモデルの作成 >> STLファイルへの変換 >> スライス >> 印刷 >> 後処理。

1. 3Dモデルを作成する

一般的に、設計者は製品要件に基づいて、コンピュータ支援設計ソフトウェアを用いて必要な3次元デジタルモデルを作成します。設計で一般的に使用される設計ソフトウェアには、主にPro/Engineering、Solidworks、MDT、AutoCAD、UGなどがあります。

2. モデルをSTL形式に変換する

一般的に、精巧に設計されたモデルの表面には、多くの不規則な曲面が存在します。印刷前に、モデル上のこれらの曲面を近似してフィッティングする必要があります。現在最も一般的な方法は、STL形式に変換して保存することです。STL形式は、アメリカの3D Systems社が3Dプリンター用に設計したファイル形式です。一連の接続された小さな三角形の平面を使用して曲面を近似し、迅速に印刷できる3次元の近似モデルファイルを作成します。Pro/Engineering、Solidworks、MDT、AutoCAD、UGなど、一般的なCAD設計ソフトウェアのほとんどには、STL形式ファイルのエクスポート機能があります。

3. モデルをスライスしてサポートを追加する

3Dプリンティングは、モデルを分解し、層ごとにセクションに従って製造し、最後にそれらをループ状に組み立てるというプロセスで行われます。そのため、STL形式の3次元モデルは、まずスライスして3Dプリンティング装置が処理できるレイヤーモデルに変換する必要があります。現在、市販されている様々な3Dプリンティング装置には、それぞれ独自のスライス処理ソフトウェアが付属しています。基本的なパラメータ設定が完了すると、ソフトウェアはモデルのセクション情報を自動的に計算できます。

4.印刷を開始します

前節で紹介したFDM方式の印刷原理によれば、大スパン構造物の場合、システムにサポート部品を追加する必要があることが想像できます。そうしないと、上層部が下層部に比べて急激に拡大した場合、後から印刷される上層部の一部が宙に浮いた状態になり、部分的な崩壊や変形が生じ、印刷モデルの成形精度に深刻な影響を与えます。そのため、最終的に印刷されるモデルは、一般的にサポート部分とソリッド部分の2つの要素から構成されます。スライスソフトウェアは、印刷するモデルの形状に応じて、サポートを追加するかどうかを自動的に計算して決定します。

同時に、サポート材にはもう一つ重要な役割があります。それは、ベース層を形成することです。つまり、本格的な印刷を行う前に、まずビルドプラットフォーム上にベース層を印刷し、その上にモデルを印刷します。これにより、印刷されたモデルの底面がより平らになり、完成したモデルを剥がしやすくなります。したがって、FDM方式の印刷において、サポート材の作成は重要なステップです。良好なベース層は、印刷プロセス全体において正確な基準面を提供し、印刷されたモデルの精度と品質を保証します。

5. サポート材の除去と後処理

FDM方式で作成されたモデルの場合、後処理は主にモデルのサポート材の除去と外面の研磨からなります。まず、ソリッドモデルのサポート部分を除去し、次にソリッドモデルの外面を研磨して、最終モデルの精度と表面粗さが要求を満たすようにします。

しかし、実際の製造経験によると、複雑で微細な構造を持つFDM技術で製造されたモデルのサポート材は、モデルに影響を与えずに完全に除去することが困難です。プロトタイプの表面を損傷しやすく、モデルの表面品質に大きな影響を与えます。この問題を解決するため、3Dプリンティング大手のストラタシスは1999年に水溶性サポート材を開発しました。印刷されたモデルを溶液で洗浄することで、固体モデルを損傷することなくサポート材を溶解し、この問題を効果的に解決しました。しかし、現在、中国で独自に開発されたFDM印刷装置では、まだこの技術は実現されておらず、印刷されたモデルの後処理は依然として比較的複雑なプロセスとなっています。

溶融堆積モデリングで使用される材料

現在、最も一般的なフィラメント材料は、主にABS樹脂、PLA樹脂、合成ゴム、ワックス、ポリエステル熱可塑性樹脂などです。一部の装置では、2種類の材料を使用する必要があります。1つは固体部品を印刷するためのモデリング材料、もう1つは空洞部品や片持ち梁部品を堆積するためのサポート材料です。

他の3Dプリンティング技術と比較して、FDM方式の3Dプリンティングで使用できる原材料の種類は比較的豊富です。モデルの固体部品の材料を選択する際には、主に以下の要素を考慮する必要があります。

• 粘度：粘度が低いほど抵抗が小さくなり、成形しやすくなり、ノズルが詰まる可能性が低くなります。
• 融点：融点温度が室温に近いほど、印刷時の消費電力は小さくなり、機械の寿命を延ばし、熱応力を軽減し、印刷精度を向上させるのに役立ちます。
• 接着性：材料の接着性によって、印刷物の層間の結合強度が決まります。
• 収縮率：材料の収縮率が小さいほど、印刷物の精度がより保証されます。

サポート材に関して、FDMプロセスには主に以下の要件があります。

• 使用する固体材料の種類に応じて、支持材料はそれに応じた一定の高温に耐えられるものでなければならない。
• 後処理を容易にするため、支持材と固体材料の間には濡れが生じてはならない。
• 固体材料と同様に、良好な流動性が必要である。
• 水溶性や酸溶解性などの特性を備えているのが理想的です。
• 融点が低い方が望ましい。

代表的な設備

FDM方式の3Dプリンティングに使用される材料は、一般的にワックス、ABS樹脂、PC樹脂、ナイロンなどの熱可塑性樹脂です。標準的な印刷材料は通常フィラメント状で、材料費は一般的に安価です。国産のABS樹脂やPLA樹脂の1キログラムあたりの単価は、ほとんどが100人民元（約15ドル）以内です。さらに、粉末や液体材料を使用する印刷装置と比較して、フィラメントは清潔で、交換や保管が容易であり、印刷工程で粉末や液体による汚染が発生しません。

市場には、特に一般消費者向けに設計されたデスクトップ型3Dプリンターを中心に、多くの熱溶解積層法（FDM）3Dプリンターが出回っています。まさに熱溶解積層法の世界と言えるでしょう。MakerBotのThing-O-Matic、Replicatorシリーズのプリンター、3D SystemsのCubeプリンターなど、最もよく知られている機種はすべて、FDM技術を採用したエントリーレベルの3Dプリンターです。

許容範囲と容量

Getzshapeでは、 3Dプリントサービス 当社は、SLA、SLS、SLM、FDMという4つの主要な技術を網羅しています。当社のFDM 3Dプリンティングの許容誤差と能力は以下のとおりです。

FDM方式でプリントされた部品の表面仕上げ

• サンディングFDM方式で造形された部品にとって、基本的かつ重要な表面仕上げ工程です。目の粗さの異なるサンドペーパーを使用して、積層痕を除去し、表面を滑らかにします。
• 絵画まず、表面を研磨して滑らかにします。次に、塗料の密着性を高めるためにプライマーを塗布します。その後、カラー塗料をスプレーまたはブラシで塗布します。塗装によって積層痕を完全に隠し、部品に美しい色合いを与え、表面を滑らかに仕上げることができます。ディスプレイモデル、試作品、最終製品など、幅広い用途で使用されています。
• 研磨FDM成形部品の表面を滑らかで光沢のある状態に仕上げます。基本的な研磨の後、専用の研磨剤や工具を使用して表面を磨きます。この工程により、小さな傷が除去され、部品に光沢が出ます。研磨は、PLAやABSなどの素材に効果的です。
• 蒸気平滑化特殊な化学仕上げ処理方法で、主にABS樹脂部品に使用されます。プリントされた部品を溶剤蒸気の入った密閉容器に入れます。蒸気によって部品の表面がわずかに溶融し、積層痕が一体化して滑らかになります。処理後、部品は積層痕が目立たない、非常に滑らかで光沢のある表面になります。