ジャイロイドインフィル完全ガイド：3Dプリント強度と効率を最大化する

3Dプリントコミュニティの多くのメイカーは、プロトタイプと実用パーツの両方で、適切なインフィルパターンと密度を選ぶ重要性を認識しています。

近年、特定の技術的課題に対応するため多くの新パターンが登場しました。メイカーのツールボックスに定着したものもあれば、面白い実験として記憶され消えたものもあります。

ジャイロイドインフィル（Gyroid Infill）の存在をご存知かもしれません。複数の要因で興味深いパターンです。ジャイロイドパターンが何であり、どう有用かを探ります。

ジャイロイドインフィルの最大の特徴は立方対称性であり、他のすべてのパターンと異なり、ほぼ等方的構造、つまりあらゆる方向からの力に対して等しく抵抗します。最大の利点は、低インフィル率でも圧倒的な耐性と総合強度を発揮することです。

ジャイロイドインフィルとは？

ほとんどの3Dプリントオブジェクトには、パリメーター（外周）と天底面を繋ぐ内部構造が必要です。そのためスライシング時にインフィルパターンと密度を設定します。あらゆる構造がこの役割を果たせますが、それぞれ長所と短所があります。例えばラインインフィルは高速ですが、力がインフィルライン方向に沿わない限り、他パターンより相対的に弱いです。

メイカーコミュニティが特殊設計を試す中、3Dプリント部品を充填する新しい方法が取り入れられました。2017年、ジャイロイド型グラフェン構造の研究で、この形状が部品に例外的な耐性を与えることが判明。3Dプリントに適用すると、剛性と印刷速度を両立する構造になります。

ジャイロイドインフィルは、エクストルーダーの連続的な曲線運動で形成されます。これにより滑らかな動きと高度に一定したフィラメント吐出が実現されます。

その耐性は、自然界に着想を得たもう一つのインフィルパターン「ハニカム」とよく比較されます。主な違いは構築方法です。ハニカムはほとんどのインフィルと同様、各層で同じ形状を繰り返します。Z軸方向の圧縮耐性を高めるにはインフィル率を上げる必要があります。ジャイロイドなら、オブジェクトの耐性を各軸に等しく分配するため、インフィル率がより効率的です。専門的に言えば、ジャイロイドインフィルは等方性に近く、これが最大の利点の一つです。

各層で形状が変化する別パターンにキュービックインフィルがあります。エクストルーダーが上昇するにつれ小さな立方体を形成し、あらゆる方向からの圧縮力に強いオブジェクトになります。それでも、ジャイロイドインフィルはせん断耐性が必要なケースで優れています。

ジャイロイドとは？

ジャイロイドは技術的に「三重周期的最小曲面（TPMS）」です。これらの曲面は自己交差せず、そのため「迷路」を形成します。3次元で単位胞まで細分化できるため、3Dプリンターで複製可能です。

グラフェン構造での用途に加え、このパターンはスーパーキャパシタ、太陽電池、ナノ多孔質膜などに応用されています。蝶の羽にも類似パターンが見られ、それらが軽量かつ高強度である理由を説明しています。

3Dプリントにおけるジャイロイドの最重要特性は立方対称性です。これにより、数学的に厳密ではないものの、等方的構造と見なせます。等方的オブジェクトはあらゆる方向で同一の耐性を持ちます。各種インフィルパターン中、ジャイロイドはせん断強度が要求される部品に最適です。重量/強度比が既知パターンより遥かに低く、このインフィルなら少ない材料でより大きな荷重に耐えられます。

ジャイロイドインフィルの特性

ジャイロイドインフィルが使われ始めて以来、多くのユーザーがこの構造をテストし、ハニカムパターン（六角形ベース）より優れた特性があるか検証してきました。

ある実験¹で、3Dプリント棒にせん断力をかけて異なるインフィルの耐性をテストしました。同一棒を3本、インフィルパターン違い（ライン、ハニカム、ジャイロイド）で印刷し、各棒が支えられた最大重量を記録しました。

実験の結論：

同一インフィル率で、ジャイロイドが全体的に最強の構造だった。
ジャイロイド造形棒の重量は、ハニカム棒よりほぼ10%軽かった。
ジャイロイド造形の印刷時間が3パターン中最短だった。

ジャイロイドパターンは、他より強く、速く、少ない材料で造形できることが実証されています。パリメーターを考慮しなければ、ジャイロイドの重量はハニカム比でほぼ30%軽量です。コストと時間を節約し、大きなデメリットはありません。

ジャイロイドインフィルの利点

ほぼ等方的：

等方性材料はあらゆる方向で特性を維持します。数学的純粋定義では厳密ではありませんが、ジャイロイドインフィルの3軸すべてにおける対称性が、あらゆる方向での耐性を均等化します。

ラインなど一部パターンは、力がインフィル方向と同一方向のときだけ高強度です。圧縮に強くせん断に弱いパターンもあります。ジャイロイドは、あらゆる力の組み合わせと方向に対して非常に高い耐性を持ちます。

総合的に非常に強い

ジャイロイドインフィルは非常に強いため、パリメーターなしで印刷することさえ可能です。一部オブジェクトは、絶対に必要な箇所にだけパリメーターを配置する設計がされています。他のインフィルパターンはパリメーターに「寄りかからないと」構造が崩壊します。

印刷時間が短い

同一インフィル率なら、ジャイロイドはレクチリニアパターンより2〜5%高速です。量産ではこれらの値は有意です。

材料消費が少ない

もう一つの経済的要因：少ないフィラメントでより耐性のある部品が作れます。壁なしで機能的に印刷できるため、さらに軽量化可能です。

見栄えの良いインフィル

主観の問題ですが、ジャイロイドインフィルは現在利用可能な全パターン中で最も魅力的と言えます。多くのデザイナーが花瓶、グラス、植木鉢をパリメーターなしでモデリングし、インフィルを露出させています。結果は驚異的です（後で紹介）。

同一層内でオーバーラップしない

構造に弱点がなく、ラインが層全体で連続しています。これにより押出問題やノズル詰まりも減らせます。

向きに依存しない

特定の向きで印刷しなければならない場合があります。その向きが、最高耐性を得る向きと異なることもあります。ジャイロイドインフィルなら、あらゆる方向で同一耐性なのでこの問題を解決できます。適切なオブジェクト向きでサポートが減らせるため、フィラメント消費削減にも寄与する可能性があります。

より弱い材料の採用を可能にする

強い3Dプリントオブジェクトが必要なとき、ABSやナイロンが定石と考えられがちです。しかし、ジャイロイドインフィルでPLAの耐性を向上させれば、より安価で印刷しやすいオブジェクトが作れます。

サポートが不要

すべてのTPMSは本質的に自己支持性を持つため、FDM製造に最適です。

流体を通せる

空気や水の流れが必要な用途（電子機器パッケージング、ヒートシンク等）にこのパターンを使えます。

ジャイロイドインフィルの欠点

スライシング時間が長い

しばしば過小評価されますが、低性能PCに頼る場合、スライシング時間が過大になることがあります。ジャイロイド使用時のGコードは通常より大きくなりがちです。これが、プリンターをUSBでPC接続して印刷する場合、造形失敗の原因になることがあります。

高インフィル率でプリンター振動が大きくなる

ジャイロイドは曲線で構成されるため、エクストルーダーがあらゆる方向に大きく動きます。高速時、不要な振動がオブジェクトに伝わります。解決策は、インフィル率を下げてエクストルーダー動作を広げ、インフィル速度を落とすこと。このパターンは高インフィル率を必要としないことを思い出してください。

ジャイロイドインフィルのスライサー設定

ジャイロイドパターンの主利点は、耐性を発揮するのに高インフィル率を必要としないことです：2パリメーター・10%インフィルの小さなピースで約10kgを支えられます。密度を上げれば耐性は非線形に向上します。5%インフィルから始め、更なる耐性が必要な場合に上げてください。

印刷速度はやや高めにできます。いずれにせよ、これまで使ってきた速度で続けることをお勧めします。インフィル率を下げつつ移動速度を維持すれば、印刷時間は依然として大幅に短縮されます。

スライサー設定にジャイロイドが見つからない場合は、Cura最新版をダウンロードしてください。PrusaSlicer、Simplify3D、その他主要スライサーにも適用されます。

ジャイロイドインフィルを活用したクリエイティブな作品

ジャイロイドの興味深い形状は、アーティストとメイカー双方の注目を集めています。ジャイロイドの特性をどう複雑で面白いパーツ作りに活かせるか見てみましょう：

Dan O'Connellによる3Dプリント可能ジャイロイド

外壁のない立方体です。このピースで、重い物をどの面に乗せても耐えられるか、オブジェクトの耐性をテストできます。「迷路」構造が水（や流体）を内部の行き止まりに停滞させず、完全に出入りさせることも確認できます。ジャイロイド構造を知らない人に見せる理想的なピースです。

Gregによる3Dプリント可能ジャイロイドランプ

ジャイロイドパターンの球形ランプ。ジャイロイドは曲面（厳密には立体ではない）なので、ランプの光を透過させます。また、構造的耐性が直接的な衝撃からランプを守ります。PETGなど半透明材料で印刷すると素晴らしい見た目になります。

PlasticPasta 3Dによる3Dプリント可能ジャイロイドブックマーク

このデザイン（ブックマーク）は、ジャイロイドの高強度と構造美を融合させています。身近なオブジェクトの美観をインフィルパターンで高められることを示しています。本とニッチなものは相性抜群です……

Alexanderによる3Dプリント可能ジャイロイド棚受け

この棚受けは、わずか67gの材料で20kg以上の重量を支えるよう設計されています。これは20冊以上の本に相当します。3Dプリントにはまだ語るべきことがあることを証明しています。

さらに、「骨海綿」のような外観が、白で印刷すると実にクールです……

一度ジャイロイドを試せば、後戻りはできません。高強度、低重量、短時間印刷、メイカーが望むすべてがここにあります！

結論

ジャイロイドインフィルの技術的詳細と芸術的応用を通じて、私がこのパターンに抱く驚きの少なくとも一部を伝えられたことを願います。私はすでにこのパターンをデフォルトインフィルとして使っていますが、その見た目と特性には今でも衝撃を受けます。ぜひ使い始めるか、少なくとも試してみてください！