FFF方式の3Dプリンティングとは

FFF方式の3Dプリンティングとは

1980年代から独自の製造技術としての起源を持ちながら、デスクトップFFFが飛躍したのはほんの10年ほど前です。その当時、特許の有効期限が切れ、オープンソースのRepRapイニシアチブのようなプロジェクトによってイノベーションと低価格化が進んだことがきっかけでした。

今日、FFF技術は、初期投資とランニングコストの両面で他の3Dプリンティングプロセスよりも低コストのソリューションとなっています。また、わかりやすくて使いやすいことでも知られており、多忙なエンジニアにも小学生にも適しています。

しかし、年を追うごとに信頼性が高く、正確で、堅牢な部品を製造できることが証明され、現在、世界トップクラスの多数の製造業者、設計業者、教育機関がこの技術を活用してイノベーションを推進しています。

FFF 3Dプリンティングの事例

FFF 3Dプリンティングの用途をもっと詳しく見てみましょう。

• 製造。外注するよりもリードタイムを短縮でき、幅広いエンジニアリング材料を使用できるため、FFF 3Dプリンティングは製造業で広く使用されています。3Dプリンターでは、ツールおよび交換部品を迅速に提供できるため、生産ラインの稼働時間と生産性を最大化できます。また、3Dプリンターを使用すると、オーダーメイドの高品質ゲージや小ロットの初回生産などの最終用途部品を柔軟に作成できるため、製品の市場投入までの時間を短縮できます。

• プロトタイピング。材料が低コストでプリント時間が短いため、FFF 3Dプリンティングは反復的な設計プロセスに最適です。3Dプリントされたプロトタイプは、コンセプトの視覚化や技術部品の機能テストに使用されます。

• 教育。手頃な価格で使いやすいFFFハードウェアは、低学年の生徒のSTEAM基礎教育を促進することから、大学生がエンジニアリングプロジェクトに取り組み、先端的な職場で役立つスキルを身に付けるための製造技能用の研究室を用意することまで、さまざまな教育用途に利用できます。

3Dプリンティングの用途の範囲と、経験豊富なAMエンジニアがそれらを特定する方法について、Talking Additiveポッドキャストのこちらのエピソードでご確認ください。

FFF材料

プラスチックポリマーは、FFF技術で最も使用される材料であり、数え切れないほどの用途があります。

ポリマーと炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、またはその他の材料を組み合わせた複合材料は、さまざまな構造利点があるため広く使用されていますが、すべてのFFF 3Dプリンターで確実にプリントできるとは限りません。技術的には、3Dプリントテクノロジーを使用して食品および生物学的ペーストを造形することも可能ですが、これは通常、実験または研究用途とされています。

FFFプリンターのもうひとつの重要な材料カテゴリは、「サポート」材料として知られているものです。これは、部品の向きや形状によって下から上へのプリントが不可能な場合に必要となります。たとえば、オーバーハングが大きい部品です。サポート材料は、簡単に取り外せるように設計されています。

FFF 3Dプリンター用の材料は、一般的に巻かれた形状のフィラメントとして販売され、それぞれ250 gから1 kgの材料が含まれています。

3Dプリンターの購入を考えている場合は、必ず適合性のある材料であることを確認してください。

場合によっては、使用できる材料が2～3種類に限定されることがあります。どの材料でも動作すると謳っているプリンターもありますが、研磨複合材料のプリントで生じる摩耗から技術的な問題が起きやすくなります。また、FFF 3Dプリンターの中には、使用できるものが製造元の独自の材料に限定されているものや、サードパーティ製品と適合性のあるオープンフィラメントシステム（Ultimakerなど）を提供するものもあります。

最も一般的なFFF 3Dプリンティングポリマーの中には、その使いやすさから「初心者」の材料としてよく使用されるPLA（ポリ乳酸）と、いくつかの優れた機械的特性と耐熱性を備えたABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）があります。

しかし、市場には何千ものフィラメントが存在します。高品質のFFF 3Dプリンターで対応できる用途がいくつあるかを理解するために、それぞれの特性を調べてみることをお勧めします。

上記の表は、プロフェッショナル3Dプリンターで使用できる主なポリマーについてまとめています。3Dプリンティング用途に適した複合材料をお探しの場合は、3Dプリンティングの複合材料に関するウェビナーをご覧ください。

FFF 3Dプリンター

FFF 3Dプリンターはすべて同じプロセスを基に構築されていますが、その機能は大きく異なります。

最大の違いの1つは、材料の適合性にあります（上記セクションを参照）。ハードウェアは、プリントできる複合材料の種類を定義するうえで特に重要です。

サイズはFFF 3Dプリンターのもう1つの重要な差別化要因です。プリント可能なスペース（単一のプリントまたはバッチの上限サイズ）は、造形サイズまたはビルドエンベロープと呼ばれます。プリント可能なスペースのX、Y、Zの寸法が10 cm（3.9インチ）のものから、3つの寸法のいずれか（1つまたは複数）が最大約1 m（39インチ）の最大単位のものまで、さまざまです。剛性の高い、安定したビルドプラットフォームはFFFプロセスに有効ですが、特に大型のプリンターは一般的に品質が低くなる傾向にあります。

FFFプリンターにはさまざまな機能があり、最初の紹介で取り上げるには多すぎるため、ここでは重要な定義のいくつかを示します。

• ビルドプレートまたはプラットフォーム。材料を押し出してから冷却してプリント部品を形成するサーフェス。通常、ガラスまたは金属でできています。プロフェッショナル標準の3Dプリンターでは、より多くの材料を使用できる加熱式ビルドプレートが用意されている必要があります。

• ノズル。ノズルが溶融材料を押し出します。プリントヘッドに収納され、ステップモーターで操作されるガントリーを介して配置されます。プリンターのノズルの数によって、1回のプリントに組み合わせられる材料の数が決まります。通常は1つか2つです（シングルまたはデュアルノズルと呼ばれます）。

• フィーダー。スプールからプリンターに材料フィラメントを供給するメカニズム

• ディスプレイ。プリンターが制御されるインターフェイス

• 接続性。多くの3Dプリンターは、ローカルネットワークまたはクラウドに接続してリモート操作ができます。

• 環境制御。FFF 3Dプリンターの中には、オープンプラットフォームとあまり変わらないものもありますが、ビルドチャンバーを囲み、印刷環境のコントロール（Ultimaker S5 Pro Bundleなど）を追加することで、プリント品質と安全性の両方のメリットを得ることができます。

• 材料の取り扱い。フィラメントは、FFF 3Dプリンターにさまざまな方法でロードおよび格納されます。スプールを別々に配置する必要がある基本的なプリンターから、フロントローディングを備え、フィラメントが終了したときにスプールを自動的に切り替えるプロフェッショナルなソリューションまで、多岐にわたります。

Ultimaker 3Dプリンターの機能を比較するには、こちらをご覧ください。

最後に重要な点として、ソフトウェアについて説明します。必要な3D成果物のすべてをUSBスティックに記録している場合は別として、適切なソフトウェアを使わなければたいした作業はできません。

3Dプリンティングでは、ソフトウェアが2つの重要な役割を担っています。まず、プリント用の設計ファイル（STLなど）から３D印刷を準備するには、Ultimaker Curaのような「スライス」プログラムが不可欠です。このソフトウェアにファイルをロードし、必要なプリント設定（高速、詳細など）を選択すると、複数のレイヤーに「スライス」され、プリンターが理解できるファイル形式が作成されます。

このプリントジョブは、USBスティックなどを使って手動でプリンターに転送したり、ネットワークまたはクラウド経由でリモート送信したりできます。その際、ソフトウェアはこれらのプリントジョブの送信、キューイング、および追跡の役割を果たすことができます。Ultimaker Digital Factoryなどのクラウドソフトウェアは、次世代のFFFテクノロジーを可能にし、複数の場所での分散製造を実現しています。

こちらのビデオで、あるメーカーがFFF 3Dプリンターとソフトウェアを組み合わせて「デジタルウェアハウス」を作成した過程をご覧ください。

3Dプリンティングのワークフローがどのように役立つか、詳しくお知りになりたいですか？

FFFプリンターの使用開始に関する貴重なヒント、サポート材料の役割に関する詳細、3Dプリンティングの専門家によるFFF設計に関する洞察については、ホワイトペーパー『FFF 3Dプリンティングの設計方法』をお読みください。