適切なホットエンドの選び方：FDM 3Dプリントガイド

画像1：ホットエンドの概要。出典：impresoras3d.com

ホットエンドの構成部品

ホットエンドは主に6つのコンポーネントで構成されます：

• ノズル
• ヒーティングブロック。
• 温度プローブ。
• ヒーティングカートリッジ。
• ヒートブレーク。
• ヒートシンク

ノズル

ホットエンドの最終部分であり、XY平面でのプリンター解像度を決定します。最適なものを選択する際、3つのパラメータを考慮する必要があります：所属システム、直径、材質。

システム：

複数のホットエンドシステムがありますが、最も一般的なのは2つ：V6システムとMk8です。 これらに加え、Ultimaker、BCN3D、Raise 3Dなどの認知ブランドは独自のシステムを持っています。

画像2：MK8とV6ノズル。

V6とMK8の両ノズルはM6x1ネジを持ち、一見互換性があるように見えますが、そうではありません。寸法はかなり異なります。MK8システムのノズルは長さ8mmですが、V6システムのものは5mmです。これは、レベルセンサーがヘッドにあるプリンターでは、ノズルが高くなりプリントできないことを意味します。他のシステムのホットエンドに適合させるためにプリンターを改造することは可能ですが、元のシステム内に留まり、他システムのコンポーネントを混在させないことが推奨されます。 現在、E3D、MicroSwiss、3DSolexのような両システムで並外れた品質のコンポーネントを製造するメーカーがあるため、これは問題ではありません。

直径：

一般的に、ほとんどのホットエンドはデフォルトで0.4mmノズルを使用します。これは解像度とプリント時間の理想的な妥協点と見なされるためです。しかし、特定のケースでより良い他の多くの直径オプションがあります。

利用可能なノズルの範囲はシステムとメーカーによって異なりますが、一般的に0.25〜0.8mmの範囲です。これはFDM技術の固有の制限によるものです。プラスチックは溶融時に相当な粘性を維持するため、直径が小さいほどより高い圧力を適用する必要があります。 そのため、0.25mm以下では必要圧力が高すぎて、粘性の高い一部のプラスチックをプリントすることが不可能です。しかし、E3Dのような一部メーカーは0.15mmまでの実験的ノズルを持ち、低速でPLAをプリントすることで優れた結果を得られます。

画像3：さまざまなサイズのノズル。出典：e3d-online.com

0.8mm以上のノズルでは、ホットエンドが適切な押出を維持するために十分なプラスチック体積流量を溶かす能力が制限となります。大径ノズルには非常に高い押出速度が必要で、フィラメントを同じ速度で溶かすことが不可能になる場合があります。それでも、最も認知された2つのメーカーが2つの異なる戦略でこの限界を部分的に解決しています。

一方、E3DはVolcanoとSupervolcanoとして知られる2つのV6サブシステムを提供し、ホットエンドのホットゾーンの長さを増やすことに基づいており、はるかに大きなプラスチック流量を溶かせます。これにより、標準サイズノズルでより高速プリントが可能になるだけでなく、最大1.4mmのノズル使用も可能になります。

画像4：Supervolcanoノズル。出典：e3d-online.com

もう一方、メーカー3DSolexは、革新的な「コアヒーティングテクノロジー」を導入しました。この技術は、ホットエンド内部を3つのチャンバーに分割し、フィラメントと接触するホット表面積を大きくすることで、より速く均質な溶融をホットゾーンの長さを増やさずに実現します。これにより3DSolexは、V6システムと互換性のある最大2mm径のノズルを提供しています。

画像5：3DSolexノズル。出典：3DSolex.com

材質：

近年、新しい先進材料の出現は、新材質でのノズル設計の必要性も意味しました。現在、ノズル製造で最も一般的な材質は以下の通り：

• 真鍮： 最も一般的な材質。主な利点は低コスト、製造容易性、高い熱伝導係数。 主な欠点は低耐摩耗性、および低耐高温性、300℃以上での使用は推奨されません。PLA、ABS、ASAなどのみプリントする場合に理想的
• ニッケルメッキ真鍮： 最高品質ホットエンドで標準になりつつあります。薄いニッケルコーティングを施した真鍮ノズルです。 この表面処理により、耐摩耗性向上、摩擦係数低減、高い耐食性を得られます。これにより、真鍮ノズルより優れた耐久性を持ちます。
• ニッケルメッキ銅： 高温フィラメントプリント専用の特定材質。 同じ材質のヒーティングブロックと組み合わせる必要があります。 500℃までの温度に到達可能。
• 焼入れ鋼または工具鋼： 高耐摩耗性で際立っています。繊維や粒子で強化された高研磨性フィラメントでの作業用に設計されています。金属フィラメントやガラス繊維・カーボン強化材料では必須。主な欠点は、前のものより表面プリント品質が通常低いこと。一般的に0.4mmから入手可能ですが、0.5mm以上のサイズ使用が推奨されます。500℃まで耐えられますが、研磨性材料では350℃以上での使用は推奨されません
• ステンレス鋼： 前のものと似ているように見え、多くのユーザーが研磨性フィラメント用に購入しますが、これは主な用途ではありません。耐摩耗性が前のものよりはるかに低いためです。このタイプのノズルは主に医療と食品用途で使用され、高い耐食性により、溶融材料に混入する有毒粒子を放出しません。ノズル製造ではおそらく最も一般的でない材質。ニッケルメッキ銅ノズルと同様、高温用途に適し、500℃まで対応。
• ルビーチップ付き真鍮または銅： 真鍮または銅製で、チップにルビーをセットしたノズル。多くの人が摩耗しないノズルだと信じていますが、これは完全には正しくありません。 ルビーチップの高硬度により、チップ自体は摩耗せず、ノズル寿命全体で高いプリント品質を維持しますが、真鍮または銅製ボディは摩耗します。 無充填フィラメントではこのタイプのノズル耐久性は非常に高く、多くの場合プリンター寿命を超えますが、研磨性フィラメントでは真鍮または銅ボディの内部摩耗により、ルビーが時間とともにノズルから分離します。限定的な寿命を前提に、最高品質で研磨性材料をプリントするための理想的なノズルです。また、研磨性材料を使わず、棚寿命全体で最高品質を維持する高耐久性ノズルを望むユーザーにも理想的です。

画像6：Olson Rubyノズル。出典：olssonruby.com

ヒーティングブロック：

ノズルとヒートブレークのホットゾーンに熱を伝達する要素です。主に標準と高温の2タイプがあります。標準ヒーティングブロックは一般的にアルミニウム製で、最も経済的ですが、300℃までしか耐えられません。高温タイプはニッケルメッキ銅製で、500℃まで耐えられます。

V6システムのものなどには、シリコンケースまたはソックスのオプションがあり、放射熱から保護します。これはPLAのような材料では特に重要です。

温度プローブ：

ヒーティングブロックの温度を測定する要素です。異なるフォームファクタとパラメータを持つ複数のタイプがあります。おそらく交換が最も難しい要素の一つです。 異なるフォームファクタがあるだけでなく、プリンターファームウェアの変更や追加電子部品の追加が必要になる場合があります。 最も一般的な3タイプは：