積層造形サポート構造：重要性と設計方法 - エッセンシャルガイド

2022年4月5日公開

積層造形は製造可能性の新時代をもたらしました。3Dプリント技術により、複雑な寸法と角度を持つ、以前は「作れない」とされたパーツを、前例のない速度と精度で作成できるようになりました。しかし、材料を層ごとに追加する積層造形プロセスの性質上、パーツはプリント中に内部圧力（本質的に重力）を管理するためにサポートを必要とすることがよくあります。そのサポートがないと、積層層は周囲の材料によって支えられず崩壊し、プリントが失敗します。この課題に対処するため、3Dプリントパーツにサポート構造を設計する必要があります。

3Dプリントパーツの速度、品質、コストの潜在力を最大化するためには、サポート構造を理解し、積層造形プロジェクトにどう統合すべきかを知ることが重要です。

3Dプリントにおけるサポート構造とは？

サポート構造は、製造中に支持材料を持たない3Dプリントパーツの要素を支えます。すべての3Dプリントプロセスがサポート構造を必要とするわけではありません：Stratasys溶解堆積モデリング（FDM）、Carbonデジタルライト合成™（DLS）、ステレオリソグラフィー（SLA）プロセスはしばしばサポートを必要としますが、粉末床プリントプロセスであるHP Multi Jet Fusionは不要です。

例えばStratasys溶解堆積モデリング（FDM）積層造形プロセスでは、加熱押出材料の層が、下層の材料層への付着によってプリントベッドから積み上げられ、角度付き表面を作るためにそれらの下層よりオーバーハングすることがあります。その角度が垂直から取って45°を超える場合、オーバーハング要素は一般的にサポートを必要とし、非支持材料の重みで要素が崩壊しプリントが失敗します。

左： オーバーハングが垂直から取って45°以下の場合、サポートは一般的に不要
右： オーバーハングが垂直から取って45°を超える場合、サポートは一般的に必要

サポートが必要な場合、それらはパーツ設計に統合され、パーツ生産時にプリントされます。もちろん、これは3Dプリントプロセス中に必要な追加時間と材料、およびその後のサポート構造の後処理除去を考慮することを意味します。

例外： すべての積層造形手法がサポート構造を必要とするわけではありません。FDMのように材料層をプリントベッドに追加してパーツをプリントする3Dプリント技術がある一方、HP Multi Jet Fusion（MJF）のように粉末床からパーツをプリントするものもあります。粉末層が自己支持性であるため、HP MJFパーツ設計はサポート構造を組み込む必要がありません。

どのタイプのサポート構造が利用可能か？

3Dプリントパーツのサポート構造は設計とタイプで様々ですが、大別すると「ツリー」と「フェンス」の2カテゴリーに整理できます。

• ツリーサポート： 枝や幹に似て、パーツを囲み、傾斜面にきれいにフィットして除去しやすく設計されます。ツリーサポートは3Dプリントプロジェクトの一部として速やかに設計、適用、テストでき、迅速な反復を可能にします。枝のような構造により、特定領域を支えるために距離を伸ばして到達できます。
• フェンスサポート： 壁に似て、多様なマウントポイントを持つフェンスサポートは、パーツ表面に垂直にプリントされ、しばしば格子構造を持ちます。フェンスサポートはツリーサポートより耐久性があり除去しやすく、通常化粧部品や大量生産に適しています。

いつ積層造形サポート構造を使用すべきか？

「45°ルール」は、垂直から取って45°以上の3Dプリントオーバーハングにはサポートが必要で、45°未満では不要であることを示唆します。

しかし、45°ルールは一般的な経験則と見なすべきで、サポート構造の必要性はパーツ設計の複雑さと使用材料によって異なります。場合によっては、ブリッジングがサポート構造の代替になり得ます：ブリッジングは、加熱積層材料を短距離（通常5mm未満）伸ばし、パーツ完全性を損なわずに横断させる技術です。

「YHT」原則：直立した3Dプリントモデルとして想像したとき、文字Y、H、Tは積層造形サポート構造の必要性を説明するのに役立ちます。

• 文字Y： Yから2本の腕が45°で延びる。オーバーハング角度がサポート構造を必要としない。オーバーハング角度が45°を超えるほど、サポート構造が必要になる可能性が高まる。
• 文字H： Hの2つの垂直要素が5mm以内にある場合、Hの水平要素をブリッジで3Dプリント可能。垂直要素が5mm以上離れている場合、水平要素はサポート構造を必要とする可能性がある。
• 文字T： Tの2本の腕が垂直要素から90°で延び、サポート構造を必要とする。

オーバーハングの角度以外にも、他の要因がサポート構造の必要性に影響する可能性があります。これらには3Dプリンターの品質とプリント速度が含まれます。例えば、遅いプリンターはサポート構造の必要性を増やす可能性があります。

サポート構造：製造課題

サポート構造は多くの積層造形ビルドで必須ですが、それらが量産時のパーツコストに大幅に影響し、プロジェクトが最終的に生み出す廃棄材料量にも影響することを忘れてはなりません。サポート構造除去時には注意も必要で、それらは完成パーツを損傷またはマークする可能性があります。

それらの要因を念頭に、3Dプリントパーツは理想的にサポート構造の必要性を最小限に抑えるか排除するように設計され、可能な場合は積層造形向け設計（DFAM）原則を適用して、品質、コスト、生産時間に向けてパーツを最適化すべきです。以下の戦略がサポート構造の必要性を減らすのに役立つ可能性があります：

配向： プリントベッド上のパーツ配向がサポート構造の必要性に影響する可能性があります。オーバーハングは、例えばパーツを背面や側面に回転させることで排除できる場合があります。上記の例では、3Dモデル文字Y、H、Tをそれぞれ背面に寝かせることで、オーバーハング要素とサポート構造またはブリッジの必要性を完全に排除できます。

パーツ形状： 可能な場合、設計からオーバーハングを除去するか、角度を45°未満に減らします。機能要件でオーバーハングの完全除去が不可能な場合でも、面取り、ガセット、半径などの代替設計要素を導入して、パーツ形状をより自己支持的にすることができます。

パーツ分割： 3Dプリント技術は複雑な単一パーツの生産を可能にしますが、それらのパーツが必要とするサポート量が品質やコスト効率を低下させる場合、後で組み立てられるより小さなコンポーネントにパーツを分割する価値があります。球形パーツは大量のサポートを必要としますが、半分に分割し大きな平面を作ることで、サポートの必要性を完全に排除できます。

サポート密度： サポート構造にかかる圧力が、どれだけ強く、どれだけの材料でプリントする必要があるかを決定します。成功しコスト効率の良いプリントを確実にするため、オーバーハング要素のサイズを支えるのに十分な密度のサポート構造を確保してください。サポート構造が密であればあるほど、プリント後除去が難しくなる可能性があることに注意してください。

溶解性サポート： 一部の3Dプリント技術は、セカンダリプリントノズルを通じて別の溶解性材料でサポート構造をプリントできます。これらのサポート構造はプリント後、水や化学薬品に浸して溶解させ、完全なパーツを残せます。溶解性サポートは、サポート構造除去プロセス中の完成パーツへの潜在的損傷を減らします。ほとんどのFDM積層造形材料は溶解性サポートを持ちますが、DLSとSLA材料は持ちません。HP MJFプロセスはそもそもサポートを必要としません。

始めるには

サポート構造はほとんどの積層造形プロジェクトで不可欠な役割を果たし続けます。

目標は常にサポート構造の必要性を減らすか排除することですが、私たちのエンジニアは機能性とコストに向けてパーツを最適化することを目指します。積層造形プロジェクトをどう可能にできるか詳しく知りたい場合は、今すぐSyBridgeチームにご連絡ください。