ダイレクトエクストルーダーの機能、用途、適合材質を解説

直接押出機は、追加のチューブやボーデン ケーブルを必要とせずに、FDM® (溶融堆積モデリング) または FFF (溶融フィラメント製造) マシンのホットエンド アセンブリにフィラメントを直接供給する 3D プリンタ押出機機構の一種です。これは、デスクトップ FDM® ダイレクトドライブ 3D プリンタで一般的に使用されます。直接押出機は、ステッピング モーター、駆動ギア、およびホットエンドの真上に取り付けられたアイドラー アームで構成されています。モーターが回転すると、駆動ギアがフィラメントを掴んでホットエンドに押し下げ、そこでフィラメントが溶けてビルドプラットフォーム上に層ごとに堆積します。直接押出機は正確なフィラメント制御で知られており、特に柔軟な素材や柔らかい素材の場合、より優れた印刷品質を実現します。 PLA、ABS、PETG、TPU などの幅広いフィラメント素材に適しています。

この記事では、直接押出機とは何か、その使用方法、仕組み、適した材料などについて説明します。

直接押出機とは何ですか?

直接押出機は、プリンターのホット エンドの真上に設置され、そこにフィラメントを供給する機械デバイスです。フィラメントをホット エンドに押し込むか、フィラメントを引いて印刷操作を終了することで、吐出速度と開始/停止イベントを制御します。

エクストルーダーとホットエンドの図

直接押出機はどのように機能しますか?

ダイレクトエクストルーダーは、ホットエンドの真上に設置されるフィラメントプッシュ電動フィード機構です。プロセスは次のとおりです。

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この機構の主な機能は、フィラメントをホットエンドに押し込むことです。これにより、ビルドテーブルまたは以前のモデルレイヤーに適用されるときに、溶融したビルドマテリアルが流れます。流量は押出機モーターによって正確に測定されます。フィラメントは加熱ゾーンに押し込まれ、ビルドが進むにつれてすでに溶融しているポリマーをノズルから送り出します。

エクストルーダーの二次的かつ非常に重要な動作は、フィラメントをわずかに後退させることです。構築を再開するためにホット エンドの位置を変更する必要がある場合、ホット エンドと構築されたモデルの間の接続がきれいに切断されます。この側面はモデルの品質にとって非常に重要です。構築期間の終わりにきれいに分離することは、完成したセクションに付着した糸（糸引き）を形成する残留材料や、その後の移動中に滴り落ちたり汚れたりすることなく行われなければならないためです。

直接押出機の使用法とは何ですか?

直接押出機は 3D プリンティング プロセスに大きな利点をもたらしますが、これは重要であると広く考えられています。その結果、フィラメントの種類と添加剤、製造品質、メンテナンスの負担に関して最大の柔軟性を提供するため、直接押出機セットアップで機械が販売されるか、直接押出機セットアップに変換されるのが一般的です。

直接押出機と互換性のあるさまざまな材料は何ですか?

直接押出機と互換性のあるさまざまな材料を以下にリストし、説明します。

1. ABS

ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) は広く利用されているフィラメントであり、FDM® (溶融堆積モデリング) および FFF (溶融フィラメント製造) プリンターでの直接押出によって最適に供給されることが広く報告されています。直接押出機は、正確なフィラメント制御、一貫した開始/停止、安定した押出により、ABS の処理に優れています。

ABS は優れた流動特性を示し、正確に堆積し、目的の物体を形成する際に良好に接着することができます。 ABS は、高強度、耐久性、耐熱性など、3D プリントの結果にいくつかの利点をもたらし、機能的なプロトタイプ、適度に応力がかかる部品、最終用途の製品に適しています。

これらの素材は、研磨、塗装、溶剤による平滑化などの後処理を行うことで、可能な限り最高の表面仕上げを実現できます。

詳細については、ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) に関する完全ガイドをご覧ください。

2.人民解放軍

PLA (ポリ乳酸) も、直接押出 FDM® および FFF 印刷と互換性のある、広く使用されているフィラメントです。生物由来で生分解性があるという利点があります。直接押出機は、より正確なフィラメント制御と一貫した開始/停止および押出により、PLA の処理に最適です。この材料は、パラメーターが適切に制御されている場合に優れた流動特性も示し、正確に堆積して適切に結合して目的のオブジェクトを形成することができます。

PLA は、使いやすさ、反りの少なさ、印刷時の臭いの少なさ、幅広い色で知られています。生分解性があり環境に優しいため、プロトタイピング、趣味のプロジェクト、教育目的、消費者製品などによく使用されます。これは高強度の材料ではないため、構造、機能、現場評価のプロトタイピングではなく、形状/サイズの確認に最適です。

詳細については、PLA マテリアルとは何かに関する完全ガイドをご覧ください。

3.ナイロン

ナイロン (ポリアミド) は、工学的に有用な有能なフィラメント材料です。その特性に合わせて特別な考慮を行うと、直接押し出しで効果的に機能するように設定できます。ナイロン フィラメントを使用した直接押出機は、他のフィラメントと同様に、一貫した開始/停止と安定した押出機能を通じて、正確なフィラメント制御を実現します。

ナイロン フィラメントは、230 ～ 260 °C の範囲のより高い押出温度で溶融し、適切な流動特性が得られます。これにより、冷却が不十分な場合や成形プロファイルでゆっくりとした押出が必要な場合、押出機内で熱が蓄積するリスクが高まるため、直接押出が困難になる可能性があります。このフィラメントは環境から水分を吸収する傾向があり、ホットエンドや押し出された材料内で水分が蒸発するため、印刷の問題が発生する可能性があります。使用前にフィラメントを新たに乾燥させないと、泡立ちや接着不良が発生します。

これらの課題にもかかわらず、ナイロンは優れた機械的強度、柔軟性、耐薬品性を備えています。そのため、機能部品、エンジニアリングプロトタイプ、応力回復力、摩耗耐久性、耐衝撃性が必要な用途に非常に適しています。 

詳細については、ナイロン フィラメントとは何かに関する完全ガイドをご覧ください。

4.ヒップ

HIPS (耐衝撃性ポリスチレン) は、直接押し出し 3D プリンティングで広く使用されているフィラメントであり、正確なフィラメントの開始と収縮の制御と一貫した押し出し品質を実現します。

パラメータが適切に調整されている場合、HIPS は良好な流動特性を示し、層ごとに良好に結合し、正確に堆積することができます。この材料は、その高い衝撃強度、寸法安定性、および (特に) 後処理の容易さにより、モデル構築において高く評価されています。サンディングとペイントにより、優れた外観の結果が得られます。モデルは簡単に溶剤溶接できるため、幅広いプロトタイピングやモデリングの用途に適しています。

これは、より複雑な 3D プリンティング用途のサポート材料として一般的に使用されており、プリンティング後に D-リモネン溶液を使用して溶解できます。これにより、一次材料は損傷を受けずに残ります。これはすべての主要な建築材料に適用されるわけではないため、注意が必要であることに注意してください。

詳細については、HIPS に関する完全なガイドをご覧ください。

5. TPU

TPU (熱可塑性ポリウレタン) は、直接押し出し 3D プリンティングのメリットを享受できる、柔軟でエラストマーのフィラメントです。リモート押出機は、特にこのポリマーのより柔らかいグレードの場合、供給ラインでの材料の圧縮に苦戦する可能性があります。 

TPUは優れた弾力性と柔軟性を発揮します。ただし、液体状態では、ガスケット、シール、衣類/ブランドのコンポーネント、ウェアラブル技術などの柔軟な部品を形成するために、正確に堆積し、十分に接着することができます。耐久性、耐摩耗性に優れ、曲げ伸ばしや洗濯に耐えても変形しないのが特徴です。一般的に、ソフトタッチの表面、衝撃/振動吸収、耐衝撃性が必要な用途に使用されます。

直接押出機のセットアップで適切な結果を得るには、フィラメント パスの調整や押出機の張力調整などの効果的なプリンタのセットアップが重要です。

6. PETG

PETG (ポリエチレン テレフタレート グリコール) は、直接押出 FDM®/FFF 印刷で広く利用されている、特に耐久性があり、非常に多用途なフィラメントです。直接押出機は PETG フィラメントの取り扱いに適していますが、間接押出機の方が堅牢であると考えられています。これは、フィラメントが非常に硬く、給餌のわずかな不規則性を吸収できるためです。

理想に近い流動特性、正確な蒸着、良好な接着を提供し、高品質の印刷結果を形成します。高い耐衝撃性、透明性、耐薬品性が評価されています。また、ABS などの他の一般的な素材と比較して、収縮が小さく、反りが最小限に抑えられ、印刷が大幅に容易になります。

PETG は、応力がかかる機械部品や機能部品として堅牢で見た目に美しい部品が必要な場合によく使用されます。 PETG を使用した 3D プリントを成功させるには、ベッド接着方法や温度設定など、プリンターのセットアップを慎重に行うことが重要です。

7. ASA

ASA (アクリロニトリル スチレン アクリレート) は、ABS と化学的、熱的、機械的類似性を持つ耐久性のある熱可塑性フィラメントです。さらに、比較すると耐候性と紫外線安定性が向上します。これにより、屋外用途により適したものになります。 

ASA は低い溶融粘度などの有益な流動特性を示し、正確に堆積させ、層間および層内で容易に結合して堅牢なプリントを形成できます。 ASA は、優れた化粧品としての機能と、高い耐衝撃性と寸法安定性、優れた耐薬品性、熱安定性などの優れた機械的特性で高く評価されています。このため、自動車部品、看板、屋外設備/付属品など、非常に幅広い用途に適しています。 

ASA で 3D プリントを成功させるには、ヒートベッドの温度や温度安定性のための筐体などの適切なプリンタ設定が重要です (注:FDM® は ASA を使用した FFF よりも効果的です)。

8.特殊フィラメント

特殊フィラメントは、3D プリンティングで使用される幅広い先端材料および複合材料を指す包括的な用語です。それぞれに特徴的な特性、用途、課題があります。直接押出機は、事実上すべての特殊フィラメントを効果的に処理できます。これらの特殊フィラメントは次のとおりです。

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柔軟なフィラメント (TPU、TPE など): これらのフィラメントは、電話ケース、靴の中敷き、柔軟なシール/ガスケットなどのソフトタッチのアイテムの印刷に適した弾性と柔軟性で知られています。直接押出機は、リモート フィーダー ソリューションよりも優れた、さまざまな程度の柔軟性に対応できます。

高温フィラメント (PEEK、PEI など): これらのフィラメントは、要求の厳しいエンジニアリング用途において高温で使用できます。全金属製のホットエンドと加熱ベッドを備えた直接押出機は、高温のフィラメントを効果的に処理できます。ただし、押出機の冷却とホットエンドからの断熱により、ヒートクリープや押出機の過熱のリスクが大幅に低くなります。

複合フィラメント (例:カーボンファイバー、金属充填): これらには、機械的特性や美観を向上させるために、炭素繊維、金属粒子、木材繊維などの添加剤が含まれています。直接押出機は、ほとんど困難なく複合フィラメントを加工できます。

導電性フィラメント (グラフェン、カーボン ブラック、銀など): これらには、回路、センサー、その他の電子部品の印刷を可能にする導電性添加剤が含まれています。直接押出機は、一般に導電性フィラメントを正確に供給できます。

色が変化するフィラメント: これらの素材は温度や紫外線に反応して色が変化し、ダイナミックで視覚的に印象的な印刷オブジェクトを作成します。直接押出機は、このようなフィラメントを問題なく処理できます。

溶解性サポート フィラメント (PVA、HIPS など): これらは、複雑なプリントやオーバーハングの構造をサポートするための二次材料として機能します。印刷後に水またはリモネン溶液に溶解し、直接押出機でビルド ポイントに正確に供給できます。

9. PLA 複合材料

PLA 複合材料は、PLA (ポリ乳酸) とその特性を強化するさまざまな添加剤を組み合わせたものです。直接押出機は、基本的な PLA フィラメントとほぼ同じように、PLA 複合フィラメントを効果的に処理できます。

PLA 複合フィラメントの一般的なタイプは次のとおりです。これらはすべて直接押出機でうまく機能します。

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木質入り PLA。自然な木のような外観と、テクスチャーのある表面と木目模様のパーツを実現。 

ブロンズ、銅、アルミニウムの粉末を加えた金属充填 PLA。金属の光沢と重量のあるパーツを製造します。

カーボンファイバー PLA。機能的なプロトタイプ、機械部品、エンジニアリング/応力がかかるアプリケーションの機械的特性を強化する短いカーボンファイバーストランドを使用します。

蓄光 PLA には、光を吸収して発光する蓄光添加剤が含まれており、装飾用途向けに暗闇で光ります。

大理石入り PLA。細かく砕かれた大理石パウダーが含まれており、印刷物に大理石のような外観と質感を与えます。

PLA 複合フィラメントはすべて、通常は直接押出 3D プリンタの標準 PLA 印刷設定で押し出すことができます。ただし、温度設定の調整が必要な場合があり、多くの添加剤によりホットエンドの詰まりや材料の堆積、押出機内での滑りのリスクが高まります。

直接押出機は広範囲のフィラメント材料を確実に供給できますが、特定の材料がそのようなすべての装置に適しているわけではない可能性があります。 PEEK や PEI などの一部の高温フィラメントでは、一般的な温度を超える超高温に耐えることができる特殊な直接押出機が必要になる場合があります。 直接押出機は可能であり、押出機の積極的な断熱により熱クリープを低減します。カーボンファイバーや金属粒子などの研磨添加剤を含むフィラメントは、時間の経過とともに押出機のギアを摩耗させる可能性があります。過度に柔らかいまたは弾性のあるフィラメントは、駆動ギアを効果的にグリップできないため、供給の問題や不均一な押し出しを引き起こす可能性があります。これは特に直接押出機の問題ではありませんが、直接押出機での熱クリープのリスクが増加すると、これが大幅に悪化する可能性があります。特殊な特性や組成を持つフィラメントは、標準の直接押出機と互換性がない可能性があります。その特定の要件により、特殊なまたは特殊な押出システムやプリンター設定の変更が必要になる場合があるためです。

直接押出機の利点は何ですか?

直接押出機は、ほとんどの 3D プリント アプリケーションで次のようなさまざまな利点を提供します。

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フィラメント供給の精度と再現性が向上し、一貫した押し出し、より鮮明な開始/停止イベントが実現し、全体的な印刷品質が向上します。

追加の変更を加えることなく、柔軟な素材やエキゾチックな素材など、より幅広い種類のフィラメントに対応できます。必要なのは、押出機機構の初期の詰まりや摩耗に対する定期的なメンテナンス チェックだけです。

通常、ボーデン押出機よりもコンパクトなため、スペースが限られたデスクトップ 3D プリンタにとって魅力的です。

これらは、移動や磨耗にさらされるコンポーネントや潜在的な障害点が少ない、よりシンプルなソリューションです。これにより、セットアップ、メンテナンス、トラブルシューティングの負担が軽減されます。

リトラクト設定を高速化して糸引きのリスクを軽減し、印刷速度と応答性を向上させる

直接押出機の欠点は何ですか?

直接押出機には、その利点にもかかわらず、次のような考慮すべき制限もあります。

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エクストルーダー機構を直接取り付けることで可動プリントヘッドの重量が増加するため、可動質量が増加します。これにより、加速および減速の能力が低下し、印刷時間がわずかに増加します。

モーターがホットエンドに近づくと、フィラメントが早期に軟化してノズルが詰まる可能性がある熱クリープのリスクと結果が大幅に増加する可能性があります。これは印刷物に大きな影響を与える可能性があります。

直接押出機のメリットを享受できる 3D プリント アプリケーションは何ですか?

直接押出機は、フィラメント押出制御の精度と再現性において一般に優れたパフォーマンスを備えているため、事実上すべての 3D プリンティング アプリケーションに適しています。

ダイレクトエクストルーダーは 3D プリンターの一部ですか?

はい、直接押出機は FDM®/FFF マシンの重要なコンポーネントです。直接押出機は 3D プリンターの最も重要な側面であり、以下に最も大きな影響を及ぼします。

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良好な接着を確保するために材料の供給を制御することでモデルの強度を調整します。

モデルのコスメティクス。ビルド マテリアルの流れの規則性と開始停止を制御することで、一貫したビルド解像度と層の厚さを実現し、モデルにマテリアルを適用する際の開始点と停止点を明確にします。

直接押出機は、直接性が低いボーデンタイプの押出機に比べて、フィラメントの種類や添加剤に関する制限が少ないため、フィラメントの選択

ダイレクト ドライブとボーデンの違いは何ですか?

直接押出機はホットエンドの真上に配置され、ある程度の断熱以外は中間コンポーネントを使用せずに材料を直接押出機に供給し、押出機機構内のフィラメントを軟化させて破壊する可能性がある熱クリープ効果を軽減します。

ボーデン押出機は、押出機とホットエンドの間にチューブを配置し、押出機によって押し出される圧縮状態のフィラメントを送り出すためのガイドとして使用します。チューブは短くてもよく、直接駆動ボーデン押出機と呼ばれ、押出機はホットエンドから少し離れた上に物理的に離れた位置に配置されます。押出機を機械のシャーシに置き、長いボーデン チューブを介してホットエンドに接続すると、さらに長くなる可能性があります。

概要

この記事では、直接押出機を紹介し、説明し、そのさまざまな用途とその動作方法について説明しました。直接押出機の詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

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FDM® は Stratasys Inc. の登録商標です。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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