３Dプリントするカップの内容と使用するソフト

こちらが、今回3Dプリントをしたカップの種類になります。全部で4種類あります。
円形タイプと四角タイプのカップ形状で3Dプリントした場合の、表面の精度、曲面のカーブの仕上がりや平面の角の仕上がり具合、カップの内側の仕上がり具合などを見ていきます。

プリントするカップの形状とサイズ

左から順番に説明していきます。

1.円形カップ小
サイズ Φ30mm × 高さ60mm
カップの淵の厚み 1mm

2.円形カップ大
サイズ Φ60mm × 高さ80mm
カップの淵の厚み 1mm

3.円形カップ大 3mm
サイズ Φ60mm × 高さ80mm
カップの淵の厚み 3mm

4.四角カップ
サイズ 縦50mm × 横50mm×高さ80mm
カップの淵の厚み 3mm

こちらの4種類の形状で検証していきます。

使用する光造形３Dプリンターと材料

今回使用する光造形3Dプリンターは、Form3です。
Form3は、高精細、滑らかな仕上がりが特徴の反転方式の光造形3Dプリンターです。
ソフトは、Form3の専用ソフトウェア PreFormを使用します。
PreFormでは、プリントするデータ、プリント方向、サポートの付け方を設定することができます。
光造形3Dプリンター用の材料は、Form3専用スタンダードレジンのグレイレジンを使用します。
今回、ソフトウェアPreFormでプリントするカップの3Dデータは、Blenderを使用して作製しています。

3Dプリントで検証したい内容

検証1 : サポート設定の違いによって造形の仕上がりがどこまで変わるのか？

検証一つ目は、サポート設定の違いによって造形の仕上がりがどこまで変わるのか？という点です。
光造形法でカップを３Dプリントする場合に、サポート設定の違いが造形の仕上がりにどこまで影響するのかを比較検証していきます。

まず、サポート設定に関して簡単にご説明します。Form3の専用ソフトウェアPreFormのサポート設定には方法がいくつかあります。

1.手動プリント
手動ですべてのプリント設定を行う
できるだけサポート材を付けたく無い場合に手動でサポート材を設定できます

2.直付プリント(サポート設定なし)
サポート設定をしないで、サポート材を付けずにプリントする
ビルドプラットフォームに直接造形してプリントをします(直付)

今回はこちらの、手動プリントと直付プリントの場合で検証してみます。
できるだけサポート材の影響を受けずにきれいなカップを作りたいと思いますので、直付のパターンをメインに、できるだけサポート材を減らした手動プリントのパターンとを比較検証していきます。

1 手動プリント

※カップに付いていたサポート材を、手動でできるだけ減らしています。
造形の表面にサポート材跡の影響が出ないように、底面のみにサポート材がくるように設定しています。

2 直付プリント（サポート設定なし)

※サポート設定をしないでカップを直接ビルドプラットフォームに配置しています。
※サポートを減らす場合の注意点 : サポートを下手に少なくすると造形物がビルドプラットフォームに張り付かずに落下する危険性があリます。

検証2 : カッピングはどこまで造形に影響が出るのか？

＜空洞のある造形を３Dプリントする場合の注意点＞

Form3の光造形法で空洞のある造形を３Dプリントする場合に、注意しなければならない現象があります。

＜カッピングとは＞
カッピングとは、光造形法のプリントが逆さまになる時に起きる現象です。
先程お伝えしたように、Form3は反転方式の光造形3Dプリンターです。プリントする造形に空洞または凸面があると、その部分がプリント中に空気を閉じ込める吸引カップとなり、造形を破裂させてしまうことがあります。タンクに浸かったビルドプラットフォームが持ち上がる時に、カップ内の空間が大きくなりカップ内の空気圧が下がり真空状態になっていきます。そして周りの壁が内側に密着されすぎてしまい、圧力に耐えきれずに内側に曲がってしまいます。この現象をカッピングと言います。空気の逃げ場が無くなり、造形が破裂や潰れてしまうことがあります。
※カッピングを解決しないままプリントすると、「ブローアウト」と呼ばれることが多い破裂が起き、プリント
が失敗する原因になります。

今回の検証では、このカッピングの現象がどこまで造形に影響が出るのかを見ていきたいと思います。
カッピングは、３DソフトウェアのPreFormでプリントの設定をする時に、確認することができます。

＜カッピングを解決する為には＞

カッピングが確認され場合に、プリントの失敗を防ぐ為にいくつか方法があります。
●空気を逃す穴を開ける
造形に影響が出ないように3Dデータに穴を開ける方法、見た目の精度は上がるが造形に穴が開いてしまう。
●造形を半分ずつプリントして接合
造形を半分ずつプリントして後で造形を接合させる方法、継ぎ目がどうしても残ってしまうが穴は開かない。

今回は、カッピング現象の影響を見たいので、手動プリントと、直付プリントで検証していきます。
実際に、プリントする内容でPreFormのカッピングを確認していきましょう。

1 手動プリント

こちらが、カッピングを解消する為にカップに穴を開けた3Dデータになります。

手動プリントはこちらで進めていきます。

2 直付プリント（サポート設定なし)

カップ症状が出ていますが、そもまま直付プリントで進めていきます。

3Dプリントするカップのパターン

今回の検証内容をまとめると、次のようなパターンでカップ形状を３Dプリントしていくことになります。
全部で３パターンあります。
今回の積層ピッチは、100ミクロンのみで検証していきます。

パターン1 厚さ1mmの円形カップ 小と大 (直付)

パターン 1	プリント方法	サポート方法
円形カップ小 厚さ1mm	直付	なし
円形カップ大 厚さ1mm	直付	なし

パターン2 厚さ1mmの円形カップ 小と大 (サポートあり)

パターン 2	プリント方法	サポート方法
円形カップ小 厚さ1mm	手動	あり/底面のみ
円形カップ大 厚さ1mm	手動	あり/底面のみ

パターン3 厚さ3mmの円形カップ大と四角カップ (直付)

パターン 3	プリント方法	サポート方法
円形カップ大 厚さ3mm	直付	なし
四角カップ    厚さ3mm	直付	なし

カップの3Dプリント結果

３Dプリントしたカップのパターン別に結果にをお伝えしていきます。

検証1 結果 : サポート設定の違いによって造形の仕上がりがどこまで変わるのか？

パターン1.円形カップ小 1mm(直付)

・表面の仕上がりは、少しザラザラしている。精度で見ると直付の始まり部分が少し広がっている。
・寸法精度で言うと、外側の寸歩が縦に0.4mm縮んでしまった。内側の円の寸法は、円の直径が0.１mm縮んだ。
・底面と内側の角の仕上がりは、底面の角がきれいに出ている。内側部分の角もきれいに出ている。
・カップの縁の仕上がりは、きれいに出ている。

パターン1.円形カップ大 1mm(直付)

・表面の仕上がりは、滑らかに仕上がっている。精度で見ると直付の始まり部分が少し広がっている。
・寸法精度で言うと、外側の寸歩が縦に0.3mm縮んでしまった。内側の寸法は、内側の円の寸法は,縦に0.1mm、横に0.3mm縮んでしまった。
・底面と内側の角の仕上がりは、底面の角がきれいに出ている。内側部分の角もきれいに出ている。
・カップ縁の仕上がりは、きれいに出ている。

パターン2.円形カップ小 1mm(手動)

・表面の仕上がりは、滑らかに仕上がっている。精度で見ると形状に少し歪みが出てしまった。
・寸法精度で言うと、外側の寸歩が縦に0.1mm縮んでしまった。内側の円の寸法は,縦に0.2mm、横に0.7mm縮み円が歪んでしまった。
・底面と内側の角の仕上がりは、底面のサポート材の面の角が変形して丸くなってしまった。内側部分の角はきれいに出ていた。
・カップ縁の仕上がりは、きれいに出ている。

パターン2.円形カップ大 1mm(手動)

・表面の仕上がりは、ザラザラに仕上がっている。精度で見ると形状に少し歪みが出てしまった。
・寸法精度で言うと、外側の寸歩が縦に0.3mm縮んでしまった。内側の円の寸法は,縦に0.1mm、横に0.5mm縮み円が歪んでしまった。
・底面と内側の角の仕上がりは、底面のサポート材の面の角が変形して丸くなってしまった。一部に剥がれたような影響が見られた。内側部分の角はきれいに出ていた。
・カップ縁の仕上がりは、きれいに出ている。

パターン3.円形カップ大 3mm(直付)

・表面の仕上がりは、一部表面が滑らかに仕上がっている。精度で見ると直付の始まり部分が少し広がっている。
・寸法精度で言うと、外側と内側の寸法は、ほぼ寸法通りの精度でプリントできた。
今回の検証の形状パターン中で一番きれいにプリントできた。
・底面と内側の角の仕上がりは、底面の角がきれいに出ている。内側部分の角もきれいに出ている。
・カップ縁の仕上がりは、とてもきれいに出ている。3mmと厚みにある形状だったので、縁の面の影響が分かりやすく滑らかに出ていた。

パターン3.四角カップ 3mm(直付)

・表面の仕上がりは、とても滑らかに仕上がっている。精度で見ると直付の始まり部分が少し広がっている。
今回の検証の形状パターンの中で、一番表面がきれいにプリントできた。
・寸法精度で言うと、外側の寸法が横に0.2mmのびた。内側の寸法は、ほぼ寸法通りでプリントできた。
・底面と内側の角の仕上がりは、底面の角がきれいに出ている。内側部分の角もきれいに出ている。
・カップ縁の仕上がりは、とてもきれいに出ている。3mmと厚みにある形状だったので、縁の面の影響が分かりやすく滑らかに出ていた。

今回のプリント結果を表にまとめたものです。

カップの形状	プリント方法	サポート方法	表面仕上がり	高精細/ディテール	全体の仕上がり	外側寸法	内側寸法	底面の仕上がり	内側の仕上がり	縁の仕上がり
円形カップ小 1mm	直付	なし	表面が少しザラザラ	△  ふつう	※直付の始まり部分が少し広がっている	縦に0.4mm縮んだ	0.1mm縮んだ	表面と角がきれい	角がきれいに出ている	○  きれい
.円形カップ小 1mm	手動	あり/底面のみ	表面が滑らか	×  形状に少し歪みあり	底面以外はきれいに出ている	縦に0.1mm縮んだ	縦0.2mmのびて,横に0.７mm縮んだ	サポート材の面が変形/角が丸い	角がきれいに出ている	○  きれい
.円形カップ大 1mm	直付	なし	表面が滑らか	△  ふつう	※直付の始まり部分が少し広がっている	縦に0.3mm縮んだ	縦0.1mm縮んだ,横に0.3mmのびた	角がきれいに出ている	角がきれいに出ている	○  きれい
円形カップ大 3mm	直付	なし	表面が一部滑らか	○  きれい	※直付の始まり部分が少し広がっている	外側 寸法通り	内側 寸法通り	角がきれいに出ている	角がきれいに出ている	◉  厚みがある分とてもきれい
.円形カップ大 1mm	手動	あり/底面のみ	表面がザラザラ	×  形状に歪みあり	底面の変形と表面の仕上がりが目立つ	縦に0.3mm縮んだ	横に0.1mmのびた,横に0.5mm縮んだ	サポート材の面が変形/角が丸い	角がきれいに出ている	○  きれい
四角カップ  3mm	直付	なし	表面が滑らか	◉ とてもきれい	※直付の始まり部分が少し広がっている	縦は寸法通り,横に0.2mmのびた	内側 寸法通り	角がきれいに出ている	角がきれいに出ている	◉  厚みがある分とてもきれい

検証2 結果 : カッピングはどこまで造形に影響が出るのか？

今回比較検証した直付プリントと、手動プリントで、3Dプリントしたパターン別に結果を見ていきましよう。

パターン1.円形カップ小 1mm(直付)

・カッピングを解決せずに直付プリントしましたが、寸法が縦に縮んでしまった。
・積層跡の影響は、外側と内側にも出ていた。
・特にカップ外側の下部分に濃い積層跡が見られた。
・カッピングにより、特に造形始まり部分に大きく圧力がかかり、圧縮により造形が歪んでしまった。
・直付部分が圧力により潰れて広がった造形になってしまった。

パターン1.円形カップ大 1mm(直付)

・カッピングを解決せずに直付プリントしましたが、寸法は全体的に縮んでしまった。
・積層跡の影響は、外側と内側に薄っすら出ていた。
・カップ外側の下部分に段差の積層跡が見られた。
・造形に、縦にラインが入ってしまった。
・カッピングにより、特に造形始まり部分に大きく圧力がかかり段差ができ、圧縮により造形も歪んでしまった。
・直付部分が圧力により潰れて広がった造形になってしまった。

パターン2.円形カップ小 1mm(手動)

・空気穴を開けてプリントしましたが、寸法が縦に縮み、カップの円も縦横に歪んでしまった。
・積層跡の影響は、外側と内側に薄っすら出ていた。
・カッピングにより、圧力がかかり圧縮して造形が大きく歪んでしまった。
・穴は塞がらずにプリントできていたが、サポート材の影響なのか穴の効果はそこまで感じられなかった。

パターン2.円形カップ 1mm(手動)

・空気穴を開けてプリントしましたが、寸法が縦に縮み、カップの円も縦横に歪んでしまった。
・積層跡の影響は、外側と内側に圧縮された積層跡が目立った。
・カッピングにより、圧力がかかり圧縮して造形が大きく歪んでしまった。
・穴は塞がらずにプリントできていたが、サポート材の影響なのか穴の効果はそこまで感じられなかった。

パターン3.円形カップ大 3mm(直付)

・カッピングを解決せずに直付プリントしましたが、寸法はほぼ寸法通りにプリントできた。
・積層跡の影響は、外側と内側に薄っすら出ていた。
・カップ外側の下部分に濃い積層跡が見られた。
・造形に、縦にラインが入ってしまった。特に内側部分の方が目立つ。
・カッピングの影響は、今回の検証では一番影響がなくプリントができた。
・直付部分が圧力により潰れて広がった造形になってしまった。

パターン3.四角カップ 3mm(直付)

・カッピングを解決せずに直付プリントしましたが、寸法が少しだけ歪んでしまった。
・積層跡の影響は、ほとんど見られない。
・カップ外側の下部分に積層跡の段差が見られた。
・カッピングにより、特に造形始まり部分に圧力がかかり、圧縮により造形が歪んでしまった。
・直付部分が圧力により潰れて広がった造形になってしまった。
・円形のカップよりもカッピングの影響が少なくプリントできていた。

今回のプリント結果を表にまとめたものです。

カップの形状	プリント方法	サポート方法	積層跡の影響(内側と外側)	カップ症状の影響1	カップ症状の影響2
.円形カップ小 1mm	直付	なし	外側と内側に積層跡が出ている	カップ下部分に濃い積層線があり	ー
円形カップ小 1mm	手動	底面のみ	外側と内側に積層跡が薄っすら出ている	圧縮による形状の歪みが大きい	ー
円形カップ大 1mm	直付	なし	外側と内側に積層跡が薄っすら出ている	カップ下部分に段差の積層線があり	縦にラインが入っている
円形カップ大 3mm	直付	なし	外側と内側に積層跡が薄っすら出ている	カップ下部分に濃い積層線があり	縦にラインが入っている(特に内側が目立つ)
円形カップ大 1mm	手動	底面のみ	外側と内側に積層跡が目立つ	圧縮されたような積層跡がある(内と外)	圧縮による形状の歪みが大きい
四角カップ  3mm	直付	なし	外側と内側の積層跡がほとんど見えない	カップ下部分に段差あり	ー

今回３Dプリントした6種類のカップの造形時間と材料コストの一覧表になリます。
※今回の検証の場合は、4回に分けてプリントをしています。

プリント	プリントした形状パターン	プリント時間	レイヤー数	ボリューム	Total材料コスト	１個あたりのl材料コスト
1回目	円形カップ大 1mm	3h39m	800層	17.75ml	1個＝ 334円	1個＝334円
２回目	円形カップ小 1mm / 円形カップ大 1mm	6h45m	870層	34.07ml	2個＝640円	1個＝320円
3回目	円形カップ小 1mm	1h59m	600層	6.18ml	1個＝116円	1個＝116円
４回目	円形カップ大 3mm / 四角カップ  3mm	7h20m	800層	102.41ml	2個＝1.925円	1個＝963円

カップの3Dプリントまとめ

検証1 サポート設定の違いの影響

サポート設定の違いの影響を見る為に、6種類のカップ形状を検証してみました。
全体の仕上がりをサポート設定の違いで見ると、サポート材をつけた手動プリントの方が造形に影響が出てしまった。
形状で言うと、円形カップ小よりも大の方が造形の歪みに影響が出やすかった。
サポート材をつけた場合に、サポート跡の影響の歪みが大きく出てしまった。
直付の場合も、同じくカップ小よりも大の方が造形の歪みに影響が出やすい。
ただ、造形の縁に厚みがあるタイプだと、厚みのある分プリントが安定して成功しやすい。
角の仕上がりは、どのパターンでも比較的きれいに出ていた。
表面の仕上がりは、円形カップよりも四角カップの方が、仕上がりがきれいにできた。曲面よりも平面の方がきれいにプリントができた。

検証２ カッピングの解決方法の違いの影響

カッピングの解決方法の違いの影響を見る為に、6種類のカップ形状を検証してみました。
全体の仕上がりをサポート設定別で比較してみると、直付プリントした場合よりも穴を開けた方が
形状の歪みが出てしまった。サポート材の影響も大きく、サポート材による造形自体の歪みとカッピングによる歪みの両方が考えられた。
カッピングの影響に関しては、どのパターンでも圧縮による歪みは多少見られた。特に、造形の始まり部分に大きく圧力がかかり積層跡や段差ができてしまっていた。
カップの大きさに関しては、小よりも大の方がカッピングの影響が出やすい。

カップ形状を３Dプリンターで出す方法

今回の検証結果を踏まえると、

とにかく滑らかなカップを作りたい場合

●カップのサイズが小さい場合
・積層ピッチ 100ミクロン
・サポート設定 直付
※カップ形状の淵の厚みが厚い程成功しやすいです。

●カップのサイズが大きい場合
・積層ピッチ 100ミクロン
・サポート設定 直付
※カップ形状の淵の厚みが厚い程成功しやすいです。

●側面に曲面があるカップよりも、平面部分のあるカップ形状の方がプリントが成功しやすい。

●カッピング解消の為に、造形に空気穴を開ける場合は、サポート材の付け方の影響も確認してからプリントする。

＜カップ形状を3Dプリントする場合の注意点＞

カップ形状を３Dプリントする場合の注意点として、今回の検証ではカッピングの影響をみる為に、あえてカッピングの症状を解決しまいまま直付で3Dプリントしています。精度を求める造形の場合にカッピング現象が出ている場合には、カッピングを解消する方法でプリントをすることをお勧めします。

今回のカップ形状のパターンでの設定の方法の違いによる検証結果になりますので、
ぜひ3Dプリントの参考にして頂けたらと思います。