3Dプリンタの最大造形サイズより大きなモデルを作るには?

Large 3d printed model

大型の3Dプリンタをまだお持ちでない方へコンパクトなデスクトップ型3Dプリンタで何が可能かを判断する際、ビルド容積だけでなく、それ以外のことも考慮に入れてください。スマートフォンは様々なコンポーネントで構成されています。道路橋も個別の多くのブロックで成り立っています。ビルドプラットフォームに収まらない大きな物体の3Dプリントが必要な時は、こうした実際例のように、造形後に組み立てることができる小さなパーツに分割して製作する方法があります。

また、造形したいモデルがビルドプラットフォームに収まる大きさであっても、小さなパーツに分割して造形することで、高品質な結果が得られることもあります。例えば、複数の面や対向する面にサポート材の痕を残さないように造形したい時、デザインに複雑なオーバーハングがある時やモデル内に液状のレジンを閉じ込めてしまう恐れがある空洞がある時などは、分割して造形した方が良い結果が出やすいです。

複数のパーツを3Dプリントすることで、異なる材料で造形するパーツで構成する複合アセンブリを製作したり、3Dプリントした硬い部品と柔らかい部品を組み合わせてオーバーモールドを模倣したりするなど、新しい創作の可能性が開かれます。

接合方法を選択する際、第一に考慮すべき点は接合部の強度であり、これは部品の最終的なユースケースの要件によって変わります。

  • 化学的な接合強化方法:機能的な使用や衝撃が持続する状態での耐久が求められない美術品、縮尺模型や複雑な形状の造形物には接着剤を使用します。

  • 機械的な接合強化方法:頑丈な機械的接続を必要とするエンジニアリング用の機能性部品や着脱が繰り返される部品に、ネジ山やポケットを追加することができます。

このガイドでは、化学的な接合強化方法を使って、大型の複合モデルをSLA方式の3Dプリントで製作するプロセスについて詳しく説明します。モデルの分割手順から、プロ仕様の仕上がりにするための後処理の方法まで、順を追って解説します。

The Form 3L large format 3D printer offers a massive 30 cm x 33.5 cm x 20 cm build volume at an unprecedented value.

大型の3Dプリンタをお探しですか?

FormlabsのForm 3Lは、工業グレードの高品質部品を確実に製作できるように最適化された、初の手頃な価格に設定された使いやすい大判3Dプリンタです。Form 3Lは、30 x 33.5 x 20cmの大きなビルド容積を備えているにもかかわらず、非常にお求めやすい価格に設定されているSLA方式の3Dプリンタです。

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ステップ1:モデルを分割する

モデルの分割方法として、お勧めできる方法は2通りあります。一つは、造形したパーツの位置合わせができるような機能をデザインに追加しておく方法です。もう一つは、パーツを単純に直線状にカットして分割する方法です。この後者の方法を選択した場合、接合する際に位置合わせをする必要があります。

どちらの方法を選ぶにせよ、部品点数が多い場合は、各部品に固有の識別子(文字や数字)を付けておくと、組み立て時に混乱せずに済みます。

アライナーを追加する

お好みのCADツールを使って、お使いのモデルを分割し、スロット、ピン、溝、奥まった箇所、穴の淵またはモデルに存在する皺に沿って蝶継ぎや切れ目のような、より複雑なアライナーを加えます。

アライナーをデザインに加えておくと、パーツを組み立てる際に役立ちます。

アライナーをデザインに加えておくと、パーツを組み立てる際に役立ちます。

このアライナーでパーツの位置合わせや組み立てが簡単にできるようになります。しかし、3Dモデルと少しでも違うものが造形されてしまうと、完璧な位置合わせができなくなるという問題が出てきます。したがって、アライナーを使うのは、反りが発生しにくい寸法精度の高い造形が可能な場合だけに止めておくようにしてください。

直線状にカットする

3Dモデルを直線で分割するようにしたが、設計上、アライナーを加えるより楽です。また、直線状にカットした方が、造形物の反りや寸法のばらつきが大きくなった場合に対応しやすいです。

分割した各パーツに識別子を付けておくと、組み立て時に混乱せずに済みます。

分割した各パーツに識別子を付けておくと、組み立て時に混乱せずに済みます。

一方、直線状にカットした場合、組み立ての際に、各パーツを手作業で位置合わせし、接着剤が完全に接着するまで正しい位置に保つ必要があるため、時間が掛かってしまうという欠点があります。

ステップ2:モデルを造形する

SLA方式の3Dプリントは元々から高密度の部品の製作に向いている手法です。デザインによっては、これが大きな物体を3Dプリントする際の手順として必要ない場合もあります。そのような場合、外側のシェルを3Dプリントしたり、デザインをくり抜いたりすることで、材料と時間を大幅に節約することができます。SLA方式の3Dプリンタで中空モデルを製作する場合、中に空気やレジンが閉じ込められないようにするために、必ず通気孔を設けてください。

Form 3L Sample Part
Sample part

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モデルをくり抜くと、プリンタは外側のシェルだけを造形すればよいので、時間と材料を大幅に節約することができます。

モデルをくり抜くと、プリンタは外側のシェルだけを造形すればよいので、時間と材料を大幅に節約することができます。

ではここで、 3Dモデルをくり抜いて材料と時間を節約できる方法について詳しく説明します。

ステップ3:パーツを接合する

パーツの接合方法として、お勧めできる方法は3通りあります。どれが最適化は、サイズと最終的なユースケースに応じて変わります。

接合方法の比較

エポキシ(5ー30分硬化型)シアノアクリレート(CA、Super Glue)レジン
接合する部位小/中
塗装可能はいはいはい
衝撃強度

大きな部品や強い接着力を必要とする時は、5~30分硬化型のエポキシ樹脂を使用します。接着力の持続時間が最も長いので、大きな3Dプリント部品の位置を調整するときに役立ちますが、全体的に組み立てのスピードが遅くなってしまいます。ほとんどの5分硬化型エポキシ樹脂は、5分程度で形状が変化しなくなり、1時間以内に約75%の硬化強度に達します。

大きな部品や強い接着力を必要とする時は、エポキシ樹脂を使用することをお勧めします。

大きな部品や強い接着力を必要とする時は、エポキシ樹脂を使用することをお勧めします。

シアノアクリレート(CAまたはSuper Glue)は、サイズが小さいまたは中程度のパーツに理想的な接着剤で、早期に比較的強く接合できます。表面が汚れていると、CAの接合効果は低下しますので、モデルの表面にCAを塗る前に、パーツ表面の汚れをすべてきれいに取り除くようにしてください。CAは中程度の衝撃強度を持ちますが,高衝撃用途にはお勧めしません。

造形物が小さい場合は、SLA方式の3Dプリンタに入っている液体レジンを使用することもできます。ボトルまたはカートリッジに入っているレジンを少量、トレイの上に注ぎ、スポイトまたは注射器で吸い上げ、接合したいパーツ表面にレジンを塗ります。接合するパーツを合わせたら、端からこぼれ出る余分なレジンを拭き取ります。レジンを硬化させ、パーツの接合を強化するには、5mwの出力があるレーザーペンで405 nm波長のレーザー光を直接、パーツの接合部分に照射します。

この方法は、パーツをSLA 3Dプリンタで造形する時と同じような化学結合を引き起こしますが、出力がそれほど大きくないレーザペンでは、モデルの奥深くまでレーザ光を届かすことができず、十分な接合力を生むことができないため、表面の面積が小さなパーツの接合にのみ効果があります。

注:レジンを取り扱う時は、適切な安全メガネや手袋などの保護具を必ず着用してください。

Form 3L webinar
Webinar

SLA方式の大型3Dプリントの設計、造形と後処理方法について

このウェビナーでは、Formlabsの3Dモデルマネージャー、Evan FisherがCADとPreFormを使いながら大きなパーツの設計手順を説明し、後処理用の最適なソリューションであるForm Wash LとForm Cure Lをご紹介します。 

※本ウェビナーは現在翻訳中です。近日のアップデートをお待ちください。ウェビナー内容の詳細は[email protected]までお問合せください。

ウェビナーを視聴(英語)

ステップ4:パーツの後処理と仕上げ

モデルの組み立てが終わったら、最後のステップである後処理工程に移ります。このステップでは、パーツの形状を補修し、元の3Dモデルにできるだけ忠実に表面を平坦にし、均一な塗装面が得られるようにするための美的仕上げを行います。

形状の補修:パッチングとサンディング

プリンタの精度や造形するパーツの大きさにもよりますが、パーツとパーツの合わせ目にわずかな隙間やズレが生まれるのはほぼ必然です。例えば、レジンによく粘着する自動車用パテ( Bondo 907)を表面に薄く塗って、微妙なズレを補修するのも有効な方法の一つです。継ぎ目にレジンを埋め、UVペンで硬化させるのも代替策として有効です。各層が乾燥したら、軽くサンドペーパーをかけ、パーツを最終的な形状に近づけるようにします。

自動車用パテ(画像の赤い部分)で補修すると、パーツとパーツの間に生まれるわずかな隙間やズレを補修することができます。

自動車用パテ(画像の赤い部分)で補修すると、パーツとパーツの間に生まれるわずかな隙間やズレを補修することができます。

サンディングは、お使いのモデルの表面からサポートを外した後に残る痕を消したり、表面の不揃いな箇所を平坦にしたりする時に有効です。まずは、150グリット以内のサンドペーパーを使って、パーツ表面を慎重に空研ぎして、大きなサポート痕を消し、他のパーツと合わせる面の端を平坦にします。パーツ表面が平坦になれば、320グリット以内のサンドペーパーを使って、レイヤー間に残っている線を湿式研磨で消します。サンドペーパーを使ってパーツ表面を磨く時は、研磨した痕が筋状に表面に残らないように、サンドペーパーを無作為に動かすようにしてください。ほとんどの場合、上記の二種類の方法で十分品質の高いレベルで表面を仕上げることができますが、表面をお好みの滑らかさに仕上げるためには、サンドペーパのグリット数を2倍以内に高め、湿式研磨でパーツ全体をより念入りに磨き続ける必要がある場合もあります。

電動サンディングは大きな平面には有効ですが、表面に細かな特徴が設けられている場合はそこを簡単に破壊してしまいます。小さなパーツのサンディングは手動で行い、大きなパーツは手動と電動サンディングを組み合わせて行うことをお勧めします。

電動サンディングは大きな平面には有効ですが、表面に細かな特徴が設けられている場合はそこを簡単に破壊してしまいます。小さなパーツのサンディングは手動で行い、大きなパーツは手動と電動サンディングを組み合わせて行うことをお勧めします。

大きなパーツのサンディングを電動と手動の組み合わせで行うと、作業時間をかなり短縮できます。電動サンディングは大きな平面には有効ですが、表面に細かな特徴、鋭い角やSLA方式の造形特有の精細な輪郭などが設けられている場合はそこを簡単に破壊してしまいます。なお、電動サンディングは粉塵が多く出るので、周囲の環境整備をしっかり行った上で作業するようにしてください。

注:電動工具を扱う時は、保護具を着用し、十分な注意を払う必要があります。サンディング装置を静止させたままにしておくと、気づかないうちにその部分がどんどん磨り減ってしまうことがあります。

サンディング工程を完了したら、石鹸水でモデルをすすぎ洗いし、表面に付いている埃または破片などをすべて除去し、次の最終ステップに移る前にモデルを完全に乾かします。

美的仕上げ:プライミング、マスキング、塗装

下塗り工程であるプライミングを行うと、塗料が表面に馴染みやすくなるだけでなく、見落としていたサポート材の痕など、トリミングや更にサンディングが必要な箇所を発見しやすくなります。灰色の艶消し塗料として市販されている汎用のプラスチックプライマーは、細部まで非常によく見えるようにするので、薄く何度も塗り重ねると効果的です。研磨がさらに必要な箇所のサンディングを続けた後、下塗剤をさらに薄く塗り、パーツ全体の表面が平坦になるまで、この工程を繰り返します。

注:下塗りや塗装を行う際、霧状になった塗料の吸い込み防止用の呼吸器などの保護具を着用するようにしてください。

一般的な灰色のプライマーは細部まで非常によく見えるようにするので、追加でサンディングが必要な箇所を発見するのに役立ちます。

一般的な灰色のプライマーは細部まで非常によく見えるようにするので、追加でサンディングが必要な箇所を発見するのに役立ちます。

サンディングとプライミングについて更に詳しく知りたい場合は、Formlabsが発行している詳細なガイドをご参照ください。

複数の色を使った仕上げを行う場合、モデルをマスキングする必要があります。まず、モデルのどの部分から塗り始めるべきかを検討します。その順番は、塗る色、その不透明度、その特定の色を塗る広さに応じて決めていきます。塗る面積が小さい箇所から塗るようにしていきます。そうすれば、メインカラーで大部分を塗る時にマスキングが必要な箇所が少なくて済みます。マスキングが必要な端や角はペインターテープで覆い、マスキングする面積が広い部分は紙で覆うようにすると、全体のマスキング作業が捗りやすくなります。きれいな線や円、複雑な形を作るには、テープガイド(レーザーカット)も便利です。

マスキングに関しては、正しい順番を見出すことが先決です。このケースでは、まずパーツ全体を銀色で塗り、最終的に銀色が残る部分をペインターテープで覆い、他の部分の塗装を進めていきました。

マスキングに関しては、正しい順番を見出すことが先決です。このケースでは、まずパーツ全体を銀色で塗り、最終的に銀色が残る部分をペインターテープで覆い、他の部分の塗装を進めていきました。

プライミングと同様に、一度に厚塗りするのではなく、薄く何度も塗ると効果的です。スプレー塗料の大半は、温度が暖かめ、若干湿度があり、風がさほど強く吹いていない環境で使用すると、良い塗装結果が得られるように製造されていますが、スプレー缶に表示されている、製造元が推奨する作業条件や別途提供されている技術書の記載内容を必ず確認するようにしてください。

塗料が乾くまでの時間を考慮してください。同じ色を塗る時は重ね塗りをし、新しい色を塗る時は完全に乾いてからにしてください。

ペインターテープで覆った部分は、剥がした後も元の銀色を保っていました。

ペインターテープで覆った部分は、剥がした後も元の銀色を保っていました。

3Dプリントしたパーツを塗装する方法について詳しく知りたい場合は、Formlabsが発行している 詳細なガイドをご参照ください。

これらのパーツがすべて揃うと、どのように見えるか気になりますか?

R2-D2 3d printed “Excuse me sir, but that R2-D2 is in prime condition, a real bargain.”

「失礼ですが、そのR2-D2は最高の状態ですね。正しく掘り出し物です。」

このR2-D2のレプリカは、Formlabsの光学系エンジニアのAdrian Tannerが同社の  SLAプリンタで3Dプリントした105個のパーツで構成されています。しかも、音を出す部分はガルボドライバー、照明はカートリッジディスペンサー、ドーム部分のモーターにはZ軸ドライバーなど、Form  2から借用した電子コンポーネントの数々が内蔵されています。

SLA方式の低価格大型3Dプリンタ

大判3DプリンタのForm 3Lは、30 x 33.5 x 20cmもある大きなビルド容積を使って、これまで一度には対応できなかったサイズの大きな造形物も工業グレードの高品質パ―ツとして製作できます。

大判3DプリンタのForm 3Lは、30 x 33.5 x 20cmもある大きなビルド容積を使って、これまで一度には対応できなかったサイズの大きな造形物も工業グレードの高品質パ―ツとして製作できます。

大規模な3Dプリントを外注して成果物が納品されるまでの時間やパーツを手動で組み立てる時間が不要になります。SLA技術を採用した初の低価格大判3Dプリンタ、Form 3Lならば、サイズの大きな造形物でも一度に3Dプリントすることができるようになりました。

SLA方式で3Dプリントしたパーツがどのように機能するのか、もっとお知りになりたいですか?SLA方式用のレジンの詳細については、Formlabsが発行している各種資料をご覧ください。また、SLAの品質を直に確かめていただくために、無償サンプルパーツもお申し込みください。