追加的なサポート構造:重要な理由とその設計方法 – エッセンシャル ガイド

2022 年 4 月 5 日に公開

積層造形は、製造の可能性の新たな時代の到来をもたらしました。 3D プリント技術により、複雑な寸法や角度を特徴とするこれまで「作ることのできなかった」部品を、前例のない速度と精度で作成できるようになります。ただし、材料を層ごとに追加する積層造形プロセスの性質により、多くの場合、印刷中の内部圧力 (基本的には重力) を管理するためのサポートが部品に必要になります。このサポートがないと、追加レイヤーは周囲の素材に支えられずに崩壊し、プリントが失敗します。この課題に対処するには、3D プリント部品にサポート構造を設計する必要がある場合があります。

3D プリント部品の速度、品質、コストの可能性を最大限に引き出すには、サポート構造と、それらを積層造形プロジェクトにどのように統合するかを理解することが重要です。

3D プリントにおけるサポート構造とは何ですか?

支持構造は、製造中に支持材料のない 3D プリント部品の要素を保持します。すべての 3D プリンティング プロセスにサポート構造が必要なわけではありません。Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM)、Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS)、および Stereolithography (SLA) プロセスでは多くの場合サポートが必要ですが、パウダー ベッド プリンティング プロセスである HP Multi Jet Fusion ではサポートが必要ありません。

たとえば、Stratasys 溶融堆積モデリング (FDM) 積層造形プロセスでは、加熱された押し出し材料の層が、その下の材料層への接着によってプリント ベッドから構築され、角度のある表面を作成するために、それらの下層からはみ出す場合があります。この角度が 45° を超えると、通常、張り出した要素にサポートが必要になります。そうでないと、サポートされていない材料の重量によって要素が崩壊し、印刷が失敗します。

左:  垂直方向からのオーバーハングが 45° 以下の場合、通常サポートは必要ありません。
右:  垂直方向からのオーバーハングが 45° を超える場合、 通常はサポートが必要です。

サポートが必要な場合は、サポートを部品設計に統合し、部品の製造時に印刷する必要があります。もちろん、これは、3D プリント プロセスとその後のサポート構造のポストプロセス除去中に必要となる追加の時間と材料を考慮することを意味します。

例外:  すべての積層造形法がサポート構造を必要とするわけではありません。溶融堆積モデリング (FDM) などの 3D プリンティング テクノロジでは、プリント ベッドに材料の層を追加してパーツをプリントしますが、HP Multi Jet Fusion (MJF) などの他のテクノロジではパウダー ベッドからパーツをプリントします。粉末の層は自己支持型であるため、HP MJF 部品の設計には支持構造を組み込む必要がありません。

利用可能なサポート構造の種類は何ですか?

3D プリント パーツのサポート構造は、デザインやタイプによって異なりますが、「木」と「フェンス」の 2 つのカテゴリに大まかに分類できます。

• ツリーのサポート:  枝や幹に似た木のサポートは部品を囲み、角度のある表面にきちんとフィットして取り外しが簡単です。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迅速に設計、適用、テストできるため、迅速な反復が可能になります。枝のような構造は、特定の領域をサポートするために遠くまで手を伸ばすことができることを意味します。
• フェンスのサポート:  壁に似ており、さまざまな取り付けポイントを備えたフェンス サポートは、多くの場合格子構造でパーツの表面に対して垂直に印刷されます。フェンスのサポートは木のサポートよりも耐久性があり、取り外しが簡単であるため、通常は装飾品や大量生産に適した選択肢です。

積層造形サポート構造をいつ使用する必要がありますか?

「45° ルール」は、3D プリントされた 45° 以上のオーバーハングにはサポートが必要ですが、45° 未満のオーバーハングにはサポートが必要ないことを示唆しています。

ただし、45° ルールは一般的な経験則として考慮する必要があり、サポート構造の必要性は部品設計の複雑さや使用される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手段となる場合があります。ブリッジングは、パーツの完全性を損なうことなく、加熱された添加剤材料を短い距離 (通常は 5 mm 未満) にわたって引き伸ばす技術です。

「YHT」の原則:直立した 3D プリント モデルとして考えると、Y、H、T の文字は、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:  2 本のアームが文字 Y から 45° で伸びています。そのオーバーハングの角度により、支持構造は必要ありません。オーバーハング角度が 45° を超えると、サポート構造が必要になる可能性が高くなります。
• 文字 H:  文字 H の 2 つの垂直要素が互いに 5 mm 以内にある場合、ブリッジを使用して H の水平要素を 3D プリントできる可能性があります。垂直要素の間隔が 5 mm を超える場合、水平要素にサポート構造が必要になる場合があります。
• 文字 T:  T 字の 2 本のアームは垂直要素から 90 度で伸びており、サポート構造が必要です。

オーバーハングの角度以外にも、他の要因が支持構造の必要性に影響を与える可能性があります。これには、3D プリンタの品質と印刷速度が含まれます。たとえば、プリンタが遅いと、サポート構造の必要性が高まる可能性があります。

サポート構造:製造上の課題

サポート構造は多くの積層造形において必要不可欠ですが、プロジェクトが最終的に生成する廃棄物の量は言うまでもなく、量産における部品のコストに大きな影響を与える可能性があることを覚えておくことが重要です。サポート構造を取り外す際にも注意が必要です。サポート構造を取り外すと完成部品に損傷を与えたり、跡が残る可能性があります。

これらの要素を念頭に置き、3D プリント部品は理想的には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する必要があり、可能であれば、品質、コスト、生産時間に関して部品を最適化するために積層造形のための設計 (DFAM) の原則を適用する必要があります。次の戦略は、サポート構造の必要性を減らすのに役立つ場合があります。

方向:  プリント ベッド上の部品の向きは、サポート構造の必要性に影響を与える場合があります。たとえば、パーツを背面または側面に回転させることでオーバーハングを除去できます。上の例では、3D モデルの Y、H、T の文字をそれぞれ背面に置くと、突き出た要素が完全に排除され、支持構造やブリッジも必要なくなります。

パーツの形状:  可能であれば、デザインからオーバーハングを削除するか、その角度を 45° 未満に減らしてください。明らかに、機能要件によりオーバーハングを完全に排除することは不可能かもしれませんが、面取り、ガセット、半径などの代替設計要素を導入して、パーツの形状をより自立させることはできるかもしれません。

パーツの分離:  3D プリント技術により、複雑な単一部品の製造が可能になりますが、これらの部品に必要なサポートの量によって品質や費用対効果が低下する場合は、部品を後で組み立てられる小さなコンポーネントに分割する価値があるかもしれません。たとえば、球形のパーツには十分なサポートが必要ですが、それらを半分に分割して大きな平面を作成することで、サポートの必要性を完全になくすことができます。

サポート密度:  支持構造にかかる圧力によって、支持構造に必要な強度と、印刷に必要な材料の量が決まります。コスト効率の高い印刷を確実に成功させるには、支持構造がオーバーハング要素のサイズをサポートできるのに十分な密度であることを確認してください。サポート構造の密度が高くなるほど、印刷後の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。

溶解可能なサポート:  一部の 3D 印刷技術では、二次印刷ノズルを介して、別の溶解可能な材料で支持構造を印刷できる場合があります。これらの支持構造は、印刷後に水または化学物質に浸漬し、溶解して部品を無傷に残すことができます。溶解可能なサポートは、サポート構造の除去プロセス中に完成部品が損傷する可能性を軽減します。ほとんどの FDM 添加剤材料には溶解可能なサポートがありますが、DLS および SLA 材料には溶解性サポートがありません。 HP MJF プロセスにはサポートはまったく必要ありません。

はじめに

サポート構造は、ほとんどの積層造形プロジェクトにおいて引き続き重要な役割を果たします。

目標は常にサポート構造の必要性を軽減または排除することですが、当社のエンジニアは機能とコストの面でお客様の部品を最適化することを目指しています。積層造形プロジェクトをどのように実現できるかについて詳しく知りたい場合は、今すぐ SyBridge チームにお問い合わせください。