FDMデザインルール：3Dプリント初心者向け
CADで部品をきれいに描いたのに、プリントに数時間かかっても、いざ使ってみると一番細いところでブラケットが壊れた。あるいは、寸法は「本来」合っているはずなのに、コネクタがソケットに収まらない。このようなフィードバックを、私たちは33d.chのワークショップでほぼ毎週耳にします。そして、はい、最初はその通りでした。
原因はプリンターだけにあるのではなく、ほとんどが設計にあります。壁が薄すぎる、オーバーハングが急すぎる、ビルドボリューム内での配置が不適切、または現実的でない公差。朗報は、いくつかの明確なFDM設計ルールを適用すれば、多くの失敗したプリントや破損をCADの段階で排除できることです。
Quelle: 独自の描写
ここでは、0.4mmノズルとPLAやPETGなどの材料を使用した典型的なデスクトップFDMプリンターに焦点を当てます。これは、スイスの多くのホビーメーカー、学校、中小企業が利用しているセットアップです。記載されている数値は意図的に保守的であり、安全な開始値として設定されているため、ご自身のプリンターで段階的に検証できます。
FDM 3Dプリントの仕組み
FDM/FFFプロセスでは、溶融したプラスチックストランドから層を積み重ねて部品が作成されます。これはシンプルに聞こえますが、設計には直接的な影響があります。
- オーバーハングは、すでにプリントされた材料に支えられている必要があります。いつかサポートが必要になります。
- ブリッジは、垂れ下がる前に、ある程度の距離まで「空中に」プリントできます。
- 部品は異方性です。パスに沿って、層間よりも一般的に安定しています。
デフォルトでは、多くのFDMプリンターは0.4mmノズルで動作します。大まかな目安として、最小壁厚はノズル幅以上、できれば2～3倍（約0.8～1.2mm）にすべきです。オーバーハングは、垂直からの角度が約45°までサポートなしでプリントできることが多いですが、それ以上になると、垂れ下がったエッジや不均一な表面のリスクが著しく高まります。
初心者向けの最も重要なFDM設計ルール
日常業務では、いくつかの簡単なルールを一貫して適用することが効果的です。これにより、最初の部品は完璧に最適化されていないかもしれませんが、信頼性があり、最初の使用で壊れることはありません。
壁厚：線幅で考える
最も一般的な設計エラーは、壁が薄すぎることです。スライサーでは部品はカラフルで「全面」に見えますが、実際には1本の線しかプリントされず、それが最初の衝撃やプリントベッドからの取り外し時に壊れてしまいます。
0.4mmノズルでは、以下の経験則が初心者にとって非常に有効です。
- 純粋な装飾部品およびカバー部品：最低0.8mm（約2線）
- 軽負荷の機能部品：1.2～1.6mm（3～4線）
- 負荷のかかる領域（例：ネジ穴、ブラケット）：負荷のかかる方向では2.0mm以上が望ましい
Quelle: 独自の描写
この図は、壁厚、オーバーハング、ブリッジに関する典型的なFDM設計ルールをまとめたもので、CADの横のカンニングペーパーとして理想的です。
| ノズル | 推奨される頑丈な最小壁厚 |
|---|---|
| 0,4 mm | 0,8–1,2 mm |
| 0,6 mm | 1,2–1,8 mm |
| 0,8 mm | 1,6–2,4 mm |
実践的な目安値 – ご自身のプリンターで簡単なテストピースで常に確認してください。
強度に決定的なのは、主に外壁（ペリメーター）です。33d.chで安定した部品が必要な場合、まずペリメーター数を増やし、その後インフィルを増やします。これは、多くのスライサーメーカーやコミュニティテストの推奨事項とも一致します。
オーバーハング、ブリッジ、サポート材料の賢い計画
サポート材料は便利ですが、時間、材料、そして除去時の神経を消費します。部品の設計を、可能な限り少ないサポートで済むようにする方が良いです。
簡単な設計支援として、45°ルールを使用します。より平坦なオーバーハングは通常サポートが必要ですが、より急な領域は自己支持性があります。これは材料、冷却、プリンターによって異なります。実践では、大きな部品を生産する前に、小さなテストピースで重要な形状を試してみる価値があります。
| フィーチャー | 初心者用セットアップの目安値 |
|---|---|
| オーバーハング | 垂直からの角度約45°まで、通常サポートなしでプリント可能 |
| ブリッジ | 最大約5～10mmはきれいにプリント可能、それ以上はテストするかサポート推奨 |
| 独立した「舌」 | 可能な限り避ける – 面取りまたは半径で接続する方が良い |
良好なファンの設定におけるPLA/PETGの目安値。他の材料では異なる場合があります。
当社のワークショップで効果的だったヒント：
- 内部エッジは、鋭い90°のオーバーハングではなく、45°の面取りで設計する方が望ましい。
- 大きな切り欠きは、ブリッジが短くなるか、完全に削除されるように分割する。
- 部品が多くのサポートを必要とする場合、2つのネジ止めまたは嵌合部品に分割する価値がある。
穴、嵌合、スナップ接続
FDMで新しく設計するほとんどの人が、穴が小さすぎることにつまずきます。プリンターは、内側半径を囲む際に材料をわずかに内側に「引き込み」ます。さらに、材料の収縮とキャリブレーションが関係します。
そのため、CADでは、目標寸法よりも0.1～0.3mm大きく穴を開けることが多く、重要な嵌合にはスライサーでXY補正を使用するか、後で穴を広げます。標準的なM3、M4、M5ネジについては、複数の穴サイズの小さなテストスリップが、比類のないカンニングペーパーとなっています。
- ネジの場合：CADでオーバーサイズにし、必要に応じてわずかにドリルで広げる。
- シャフトやピンの場合：まず簡単なテストカードで最適なオフセットを決定する。
- スナップフック：細すぎるフックがすぐに壊れるのを避けるため、少し「太め」に設計し、必要に応じて材料を削ることが推奨される。
日常の公差
典型的なデスクトップFDMプリンターでは、現実的な公差は数十分の1ミリメートルの範囲です。当社のワークショップでは、以下の目安値が効果的であることが証明されています。
- 嵌合可能だがぐらつかない嵌合：0.2～0.3mmのクリアランス
- 軽い圧入（例：磁石）：0.1～0.2mmのアンダーサイズ + 後処理
- スナップ接続：計算だけでなく、テストピースで開発する方が良い
安定性＆配置：プリンターのように考える
Quelle: threedom.de
この概要は、各3Dプリント技術に独自の設計限界があることを示しています。FDMにとっては、特に壁厚、オーバーハング、ビルドボリューム内での配置が重要です。
ビルドボリューム内での配置
FDM部品は、方向によって安定性が異なります。パスと層（XY方向）に沿って、それらを横切る方向（Z方向）よりもはるかに多くの荷重に耐えます。日常では、部品が不適切な配置のために、層線に沿って壊れることがよくあります。
そのため、引張または曲げ荷重がかかるブラケットやクリップは、可能な限り荷重がパスの方向に沿うように配置し、重要な断面がZ方向の薄い「階段」としてプリントされないようにします。
- L字型ブラケットは、単一の「壊れやすい」縫い目だけを持つ垂直配置ではなく、多くの層で構成されるように平らに置いてプリントする方が望ましい。
- スナップフックは、フックの根元が層線に沿うように回転させます。
- 引張荷重がかかる長穴は、横方向ではなく、パスの方向に配置します。
ペリメーター vs. インフィル：強度が実際にどこから来るのか
多くの初心者は、部品をより安定させるために、まずインフィルを80%または100%に設定します。実際には、壁厚とペリメーターを調整する方がはるかに効果的です。テストやメーカーのドキュメントは、外壁が部品の強度に最大の貢献をしていることを繰り返し示しています。
PLAとPETGの機能部品では、以下のセットが効果的であることが証明されています。
| 用途 | ペリメーター | インフィル |
|---|---|---|
| ハウジング、カバー | 2 | 15–20 % |
| 軽負荷の機能部品 | 3 | 20–30 % |
| より高負荷の部品 | 3–4 | 30–40 % |
多くの標準セットアップの目安値。安全関連部品には、必ず実際の荷重テストを使用してください。
Quelle: biocraftlab.com
ハニカムまたはジャイロイドインフィルは、安定性と材料消費の良好なバランスを提供します。外壁が適切に設計されていれば、適度なインフィルで十分な場合が多いです。
極端に高いインフィル値はめったに価値がありません。プリント時間が大幅に長くなり、反りのリスクが増加し、材料消費が爆発的に増加します。40%のインフィルと3～4個のペリメーターで部品がまだ柔らかすぎる場合、基本的な設計が正しくない可能性が高いです。
当社のワークショップでの典型的な初心者エラー
新しい顧客デザインで何度も見かける定番のエラーがあります。
- 0.4mmノズルで正確に0.4mmの壁 – スライサーはしばしばそれを1本の線しか生成しません。
- 90°のオーバーハングを持つ内部エッジを「空中に」直接描画。
- 20～30mmを超える長い、自立するブリッジを、プロファイルがそれをサポートできるかテストせずに。
- 公称寸法で正確に穴を設計 – ネジが収まらない。
- 重要な部品を、プラットフォーム上のスペースがより良いため、垂直に配置。
これらの部品を受け取った場合、まず壁厚、オーバーハング、配置を調整します。多くの場合、外観を大きく変えることなく。それだけでも、強度とプリントの信頼性が大幅に向上します。
チェックリスト：STLエクスポート前
モデルをSTLとしてエクスポートしたり、3Dプリントサービスプロバイダーに送信したりする前に、簡単な設計チェックを行う価値があります。当社のワークショップでは、これらの点を内部的に確認します。
- すべての支持壁は、ノズル幅の適切な倍数（例：0.4mmで0.8～1.6mm）になっていますか？
- 約45°を超えるオーバーハングがあり、面取り、半径、または別の分割で緩和できますか？
- ブリッジは約10mmより長く、形状変更で短縮できますか？
- ネジ、シャフト、または磁石の穴は、わずかにオーバーサイズになっているか、後処理が考慮されていますか？
- 部品の配置は、主荷重が層線に沿って走るように選択されていますか？
- 本当に80～100%のインフィルが必要ですか？それとも、より多くのペリメーターと適度なインフィルで十分ですか？
FDMデザインの初心者にとって、いくつかの簡単なテスト部品は非常に有益です。壁厚ゲージ、一般的なネジ用の穴ゲージ、および短いブリッジ/オーバーハングのテストプレート。33d.chでは、これらの経験を個々の顧客プロジェクトに直接記録しています。これにより、後続の注文がより迅速かつ再現可能になります。
さらに学習するための優れたビデオ
代わりに他の人がどのように設計するかを見るのが好きな場合は、これらの（英語の）ビデオが役立ちます。
- 推奨ビデオ: Design for Manufacturing: Polymer FDM – オーバーハング、壁厚、設計ルールを非常にコンパクトに説明しています。
- 推奨ビデオ: 8 Essential Design Rules for Mass Production 3D Printing – 部品をうまくプリントでき、後で問題なく組み立てられるように設計する方法を示しています。
ミニ結論：覚えておくべき5つのこと
- 線幅で考える：壁を適切な倍数で計画するのではなく、「適当に」計画する。
- オーバーハング、ブリッジ、配置はCADで事前に考慮する – スライサーで後から修正するのではない。
- 強度は主に外壁から来る。インフィルは適度に増やすだけ。
- 穴と嵌合には、意図的にオーバーサイズまたはアンダーサイズで作成し、テストピースで検証する。
- 独自の目安値を記録する：一度きれいにテストすれば、プリンターでの不測の事態ははるかに少なくなる。
これらとよく合います（内部記事のアイデア）
33d.chブログのさらなる拡充のために、このテーマに関連する以下の記事があります。
- 3Dプリントの公差を理解する
- フィラメントの正しい保管方法
- FDM材料の比較：PLA、PETG、ABS
- 最初の3Dプリント注文のチェックリスト
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