3DPC「Markforged Mark Twoマニュアル」: 成形手順 - 成形物のデザイン

3DPC「Markforged Mark Twoマニュアル」: 成形手順 - 成形物のデザイン

DDDJapan.comの運営会社である、株式会社3D Printing Corporationが執筆した「Markforged Mark Twoマニュアル」から一部抜粋した情報の連載です。

※本記事の掲載内容は本ブログ記事公開時のものです。最新版のご注文はこちら

 

II. 成形手順

II.a. 成形物のデザイン

II.a.i. 3DCADアプリケーションの起動

3DCADデータを作成するためのアプリケーションを起動します.

種類は多様ですが,アプリケーションはSTL形式で出力可能なものを選択します(基本的にSTL形式でデータ出力できないアプリケーションは存在しません).

自分が使いやすい,あるいは使い慣れているソフトが好ましいです.

例えばFusion360(Autodesk社),Inventor(Autodesk社),SolidWorks(Dassault Systèmes社), CATIA(Dassault Systèmes社),Blender(Blender Foundation社),FREECAD(オープンソース)などがあります.

参考サイト
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_3D_modeling_software

II.a.ii. 3DCADデータの作成

起動した3DCADソフトでCADデータをデザインします.

3DCADソフト自体の使い方についてはソフトごとに異なるので割愛します.

 

ただし,設計後の条件設定(繊維配置など)を円滑にするため,予め3Dプリントしやすいデータを設計することが望ましいです.CADデータ作成時にはいくつか考慮すべき条件があるので注意してください.

条件は II.a.iii.を参照.

設計後のEiger上での印刷に関する設定方法については,II.b.iv.を参照. 

 

II.a.iii. 作成にあたっての拘束条件と設計ノウハウ 

Mark Twoにおける成形物の拘束条件およびその条件を満たすための設計ノウハウを以下に列挙します.1 度は目を通してからCAD データ作成に当たってください.また,拘束条件となる数字のみを確認したい場合は,III.a.にまとめているのでそちらを参照.

繊維配置に失敗すると図 II.1 のような表示になるが原因までは表示しないので,トラブルシューティングの II.b.iii.を参考に自らどの原因かを特定し対処してください.
図 II.1 繊維配置失敗のエラー表示

図 II.1 繊維配置失敗のエラー表示

1. 最大寸法

Mark Twoで作成可能な成形物の大きさは有限です.3軸それぞれの条件を全て満たした CAD データを作る必要があります.繊維配置などを特にこだわらない場合は,CAD設計後にEiger上で拡大・縮小することで条件を満たす方法もあります.

最大高さ:154mm

最大横幅:320mm

最大奥行き:132mm

2. 最外層の母材樹脂(ナイロン)

Mark Twoによる3Dプリントでは最外殻に母材樹脂(ナイロン)を出力します.そのため,最外殻に母材樹脂を積層することを予め考慮したデザインが必要です.

最外殻とは,作成したCADデータをスライスしたあとの最下層(底)・最上層(天井)・その他の層の外郭部(壁)のことです(図 II.2).その厚さは連続繊維のCarbon Fiberを使用する場合0.125mm,Fiberglass/Kevlarの場合は0.100mmです.設計時には最外層のナイロンを考慮してFRP構造を設計する必要があります.例えば,設計したCADデータとFRP層の寸法を一致させ たい場合は最外層の母材樹脂分CADデータを1周り大きく設計しなおします.また,FRP層のみ成形をしたい場合は,天井,壁,床のナイロン層を印刷後に除去しなければなりません. 

図 II.2 最外層の母材樹脂
図 II.2 最外層の母材樹脂
 

除去しない場合には,ナイロン層を考慮した強度計算や条件3,4,5,7を考慮しなければなりません.条件3,4,5,7についての設計ノウハウは各項目に後述.

ナイロンを除去する方法の具体例を以下に示します.

この方法では2度に分けて印刷します.ただしこの手法は天井と床を除く全ての層にFRPが十分充填されている場合に限って利用可能です.

(一部省略。全内容は製品版でご紹介しています。)

また,最外層のナイロンについて,Libraryでデータを選択すると出てくるPart Editting画面のAdvanced SettingsでExpand Thin Featureをトグルオンすると樹脂の配置が「4捨5入」から「端数切り上げ」になります.詳細 II.b.iii.を参照.

図 II.3 目標の FRP構造 Voの下に敷く Vbの断面画像(六角形充填の場合)
図 II.3 目標のFRP構造Voの下に敷くVbの断面画像(六角形充填の場合)
図 II.4 Voと Vbの概念図. Vo:目標の構造(黒枠), Vb:下に敷き印刷後に取り除く層(青色部分)

図 II.4 VoとVbの概念図. Vo:目標の構造(黒枠), Vb:下に敷き印刷後に取り除く層(青色部分)  

3. 最小幅(+輪郭形状の追従性)

Mark Twoは材料ごとに決まった幅の出力をします.そのため,Mark Twoによる3Dプリントでは材料ごとに最小幅が存在します.例えばCarbon Fiber1バンドルを含むプリントをしたい場合,条件2. 最外層の母材樹脂による左右のナイロン層を含め,1.564mm (=0.125mmx2+1.314mm) 以上の幅が必要です.バンドルとは印刷された連続繊維FRPのフィラメント束を指します.

ナイロン:0.125mm

FiberFlass:1.002mm

Carbon Fiber:1.314mm


図 II.5 直線部分における Carbon Fiberバンドルと母材樹脂壁の最小幅
図 II.5 直線部分におけるCarbon Fiberバンドルと母材樹脂壁の最小幅

また,ナイロン壁が曲線となる場合,その内側に配置される繊維は,ナイロン壁に対して完全に平行とはなりません.図 II.6は輪郭が直線ではなく,上部が鈍角に,下部が鋭角に変形したCADデータの内部構造(Internal view)です.青線はCarbon Fiberバンドル,緑線は積層されたCarbon Fiberバンドルの内縁のFRP曲線形状を表しており,赤線は曲線部の終端点を結んでいます.図 II.6は23周巻分繊維が配置されている.上部の鈍角部では配置されるFRPの形状が円弧上に変形していき,その終端部は線形に拡大していきます.下部の鋭角部では配置されるFRP形状はほとんど変化せず,一方終端部は放物線状に収縮していきます.このように,輪郭の形状は必ずしも内部にまで反映されないことを注意してください.

図 II.6 外殻がへこんでいる場合の繊維配置
図 II.6 外殻がへこんでいる場合の繊維配置

ノート

図 II.7は最小幅でCarbon Fiberを積層した場合のCADデータの例です.帯状に一筆書きされる構造の帯幅は,全領域で1.564mm(=0.125mmx2+1.314mmx1)となっており,ラインに沿ってライン中心にCarbon Fiberが配置されます.このように繊維が入り組んだ配置となるとき,繊維を配置するラインは,閉回路となっていることが望ましいです.閉回路となっていない場合,自動繊維配置が正常に動作しないことがあります.これは条件 6:一筆書きの繊維配置に近い条件です.また, 条件 4:最短繊維長さは必ず満たさなければなりません.(条件 4,6は後述)

図 II.7 Carbon Fiber1バンドル分の幅をもつ閉ループ構造.繊維配置が成功する例
図 II.7 Carbon Fiber1バンドル分の幅をもつ閉ループ構造.繊維配置が成功する例
 
2束以上を含むラインを作る場合,2つの点を考慮して設計する必要があります. 
1つ目は平価色の折り返し部分の曲率です.

(一部省略。全内容は製品版でご紹介しています。)

 

図 II.8 2バンドル分の幅を与えた開ループ構造.繊維配置失敗の例
図 II.8 2バンドル分の幅を与えた開ループ構造.繊維配置失敗の例

2つ目はさらに多くの繊維バンドルを1ラインに含む場合の終端部繊維配置です.

(一部省略。全内容は製品版でご紹介しています。

図 II.9 幅広の構造における終端部の繊維配置
図 II.9 幅広の構造における終端部の繊維配置

ノート

繊維幅が条件を満たしておらず繊維が配置されない場合,Eiger上でCADデータのScaleをN倍にすることで,どの程度幅が足りていないかを確認することができます.例えば,CADデータを1.2倍にしたとき初めて繊維配置に成功したとし,繊維配置に失敗していた原因が条件3:最小幅によるとすると,必要な繊維の幅は約1.2倍となります.この値を参考にしてCADデータを作成しなおします.

4. 最短繊維長さ

Mark TwoではFRPバンドルを積層するときの最小単位は約45mmです.Carbon Fiber,Fiberglassそれぞれの材料で1層を形成するためには,下記の断面積がすべてのFRP層に必要となる.ただしこの値はナイロン壁の面積を考慮していません.この値はMark Oneでは約600mm程度にだったため,大きく改善されており,条件4はよほど小さい構造を印刷しない限り考慮しないでよい条件となりました.以下の比較はそれを如実に表しています.

Carbon Fiber: Mark Two: 1.314x45=59.13[mm2] (≒7.7mmx7.7mm)

  Mark One: 1.314x600=788.4[mm2] (≒28mmx28mm)

Fiberglass: Mark Two: 1.002x45=45.09[mm2] (≒6.7mmx6.7mm)

 Mark One: 1.002x600=601.2[mm2] (≒25mmx25mm)

また,最短長さを決定する要因はハード側にあり,プリントノズルから繊維カッターまでの道のりと同値です.Mark Twoではプリントヘッドにカッターをマウントすることで大幅に最短長さを改善しましたが,前モデルのMark Oneでは図 II.10左下の位置に繊維カッターがあったため, 600mmという多くの場面で考慮を必要とする条件となってしまっていました.

図 II.10 MarkOneの繊維輸送機構
図 II.10 Mark Oneの繊維輸送機構

ノート

繊維長が条件を満たしておらず繊維が配置されない場合,Eiger上でCADデータのScaleをN倍にすることで,どの程度繊維長が足りていないかを確認することができます.例えば,CADデータを1.2倍にしたとき初めて繊維配置に成功したとし,繊維配置に失敗していた原因が条件4によるとすると,必要な繊維の長さは,1.44倍(=1.2x1.2)となります.この値を参考にしてCADデータ を作成しなおします.


5. 使用する材料量の上限

Mark Twoで使用する材料ドラムの量は有限です.FRPドラムは50cm3(2017年以降150cm3のドラムが新規に販売開始している),母材樹脂ドラムは800cm3なので,1度の成形でこの量を超える場合,プリントを途中で停止しドラムを取りかえる必要があります.具体的な方法はII.b.iii.に後述します.

また,上限以外に材料ドラムの残量には常に注意する必要があります.

2016年7月のアップデートで材料の残量をフィードフォワードで管理できるようになりました.これにより,材料残量をより正確に把握することができ,残量に応じてプリント停止とドラムを交換することができます.

印刷一時停止中のドラムの交換方法についてはIV.a.i.2.を参照.

6. 一筆書きの繊維配置

Mark Twoは連続繊維FRPを材料として使用するため,繊維配置は一筆書きになります(断面が2つ以上の領域で構成される場合,領域ごとに一筆書きになります).繊維配置はEiger上でオートで実行されます.オートでの繊維配置は手間が省ける反面,主に2つのデメリットを持ちます

1. Mark Twoで繊維配置に用いるアルゴリズムが原因で,複雑形状かつ開ループの場合,条件4を満たしていても繊維が配置されない場合があります.その場合,設計した構造に予め余剰部を追加して閉ループ化にし,アルゴリズムによる繊維配置を促す必要があります.

例えば図II.11はライン部分の幅が繊維配置可能な最小の値を持つ閉回路のCADです.CADは予め赤い部分を追加することでループを閉じています.赤い部分を追加することで初めて繊維配置が可能であり,赤い部分を追加しない場合,アルゴリズムによる自動繊維配置がエラーを吐きます.赤い部分は3Dプリント後切断し排除することで,目的の形状を得ます.

図 II.11 繊維自動配置を成功させるための閉ループ化パッチ
図 II.11 繊維自動配置を成功させるための閉ループ化パッチ

2. 一筆書きで繊維配置するため,必然的に不連続な繊維配置を含む結果を出力します. その1例を図 II.12に示します.図 II.12は矩形試験片にEigerによる自動繊維配置を施したデータのinternal viewです.赤部分は一筆書きに必ず発生する不連続部を拡大しています.これが試験片に含まれることを防ぐ方法は大きく2つあります.1つは不連続部を取り除ける位置に移動させ,3Dプリント後に不連続部を含む部分を取り除く方法です.その方法は条件7の図II.14を参照.

図 II.12 繊維配置の不連続部
図 II.12 繊維配置の不連続部

2つ目は繊維の折曲位置に不連続部を移動する方法です.角部では不連続性が抑制されます.

図 II.13 繊維配置の不連続部の位置は制御可能で,角部では不連続性が小さくなる
図 II.13 繊維配置の不連続部の位置は制御可能で,角部では不連続性が小さくなります

7. 最小曲率半径

FRPバンドルは大きな曲率を持つと内部で繊維破断が起こります.ソフト上ではほぼ無制限に大きな曲率(=小さな曲率半径)の繊維配置をデザインできる(詳細な条件については条件3を参照)が一方で,実際の印刷では半径約1.1mmの曲率半径をしきい値として繊維破断が発生することを考慮する必要があります.

目的の成形物に繊維破断を残さない方法は2つあります.

1つは繊維の曲率半径を1.1mm以上にしないことです.ただし,この方法図II.7や図II.11のような複雑な繊維配置では労力が大幅に増えるので,2つ目の方法との併用が望ましいです.

2つ目は目的の構造に曲率が小さいパーツを取り付け,3Dプリント後に取り外す方法です. 例として一方向に繊維配向された引張試験片(UD試験片)を作成する際の成形工程を示します.図II.14は繊維がすべて1方向を向いたUD試験片を作成するためのCADデータの内部をEiger上で表示したものです.図II.14は3Dプリント後左右の赤い部分を切断することで,2本のUD試験片を作成することができます.また,条件6-2の繊維不連続部を赤い部分に配置することで,繊維不連続部を含まない試験片を作成することができます.

UD試験片1本を単体で作ると,試験片端部で図II.9のように一方向に繊維配向されない他,繊維不連続部が内包され,中心部のFRPが配置されない隙間部分にはナイロンが積層されてしまいます.図II.14の方法で作成した場合にはナイロンは壁部と天井,床のみに積層されるだけです.

図 II.14 連続繊維 FRP を用いた MarkTwoによる一方向引張試験片の作成例
図 II.14 連続繊維FRPを用いた Mark Twoによる一方向引張試験片の作成例

8. サポート材が生成される条件

Mark Twoでは中空の構造を3Dプリントする際,サポート材をEiger上で自動生成しフィラメントを配置する3次元的な位置精度を保ちます.Mark Twoが採用する3Dプリントの手法;FDMでは下層が積層されている上に新しい層を積層していきます.そのため,中空部がある場合には,下記の条件に従い成形後取り外しやすいサポート材が配置され,新しい層の配置をサポートします.

2016年7月のアップデートで条件はより明確になりました.

条件:30°以上の垂直角をもつ部分はサポート材で補助されます.

図 II.15は27°から35°に傾いた平板を1°刻みで並べたCADデータです.このデータにサポート材を追加すると,図のように30°以上の31°から35°までの傾いた平板にサポート材が追加されていることがわかります.注意すべき点はちょうど 30°の平板にはサポート材がつかない点です. 条件式をより明確に表現するなら,if θ>30 degreeです.≧でない点が設計上は指標となります.

図 II.15 サポート材が配置される下面垂直角のしきい値
図 II.15 サポート材が配置される下面垂直角のしきい値

また,中空部の形状が複数の角度をもつ場合も,上記の条件を満たした部分だけ,下部にサポ ート材が追加されます.図 II.16はある中空の構造を横からみた断面図です.30°以上の角度があ る部分の下のみがサポート材で補助されています.

特にオニキスを母材として使用する場合,オニキスのサポート材は剛性が高く取り外しがナイロンより大変なので,サポート材の配置は考慮すべき項目の 1つとなりえます.

図 II.16 サポート材が充填される領域とされない領域の模式図
図 II.16 サポート材が充填される領域とされない領域の模式図

9. 熱収縮により成形物が変形する条件

Mark Twoに限らず全てのFDM方式の3Dプリンターにいえることですが,FDM方式の3Dプリンターでは,フィラメントに熱を与え,溶融させることで成形物を積層しています.積層されたフィラメントは高温から低温へ温度低下するので,その過程で熱収縮により応力が発生します.樹脂より剛性が高いFRPを使用する Mark Twoでは,適切な位置にFRPを配置することで熱収縮による変形を劇的に減らすことができます.一方で,非対称な複合材料は熱収縮の影響を大きく受けるので,考慮すべき内容です.ここでは,経験則的な,変形を起こりにくくするための条件を列挙します.

熱変形の多寡には母材の剛性が大きく影響するため,ナイロンに比べオニキスで印刷したときの方がより設計値に近い出力が可能である点に注意してください.

1. 対称な FRP層

プラスチックを強化する繊維,特に炭素繊維は熱収縮率が母材樹脂と大きく異なるため, 非対称性が高い偏った積層構成のFRP構造は大きく熱変形します.図 II.17は極端な例です.図 II.17右は以下の2-4の条件を満たしている場合でも変形が発生しやすく,条件1は以下の条件より強い条件だといえます.複雑な構造になった場合でもある程度この条件は考慮する必要があり,より天井と床に近い層をFRPにして対称な積層構成とすることが重要です.

図 II.17対称な FRP 層を積層すると構造が熱収縮しにくくなる
図 II.17対称な FRP層を積層すると構造が熱収縮しにくくなる

2. 積層すべきFRP層の目安

特に薄板構造では考慮すべき条件です.FDMによる積層は,その特性上,層内でもZ軸方向に非対称になります.また積層された構造は一様に冷却されるわけではなく,層ごとに冷却の時間差があるなどの理由で,下層がより縮む傾向にあります.FRP層の導入による剛性の強化は,これを抑制するが,FRP層が少なすぎるとFRP層を含んでいて抑制しきれない場合があります.大雑把な指標ですが,4-6層FRP層を組み込むことで,構造全体のマクロな熱変形は抑制できる傾向にあります.

3. 厚めの構造

熱収縮による変形を防ぐ単純な方法として構造自体を大きくして断面二次モーメントを強化する方法があります.中心軸から離れるほど繊維による断面二次モーメントの強化度も大きくなるので,変形を防ぐには良い方法です.

4. Brimの活用

FRPによる強化ができない一般的なFDM方式の3Dプリンターでは,プリントベッドと成形物の設置面積を増やすことで,ミクロな熱変形(主に底面の反り返り)を防いでいます.Mark Twoによる成形でも当然有効で,Eiger上でUse BrimをToggle Onにすることで活用することができます.ちなみにBrimは日本語で「いかだ」の意味です.

II.a.iv. STL形式によるデータ保存

作成したCADデータをSTL形式でエクスポートします.ファイルは所定のフォルダに格納しておきます.後々見直した際に分かるようフォルダ分け,名称設定することが望ましいです.

Mark Twoへのデータ変換を行うEigerでは英語を主体としているため,英語圏外の利用者は注意が必要です.具体的には,Eiger上では,日本語でデータ名を登録可能であるが,印刷時Mark Twoにデータ送信すると,ファイル名が文字化けします.

 

・・・この続きは、本ブログに連載予定です。

Markforged社の商品の詳細は、日本の代理店であるDDDJapan.comよりご覧ください。

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