3Dプリンター「FLASHFORGE Inventor」のサポート材にPVAフィラメントを使ってみた

3Dプリンター「FLASHFORGE Inventor」 による造形能力の全容を少しずつだが検証し続けている。かなりの時間がかかることになるが、何ができて何ができないのか、どうやったら上手くいくのか、あるいは難しいのかを知らなければ実用にならない。とにかく一番厄介なのはサポート材の処理だ。これを上手くコントロールできなければ複雑なモデルはプリントできないことになる。


私にとってFLASHFORGE Inventorは2台目の3Dプリンターだが、これまで大小のオブジェクトを多々プリントしてきた。しかし造形の仕上がりの良さはいつもサポート材をいかに綺麗に除去しその痕を消すかにかかっている。
皆が皆シンプルな形のプリントならいざ知らず、入り組んだ複雑なモデルをプリントすることを考えるとサポート材のあり方をいかに制御できるかがプリント成功の鍵となることは間違いない。

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※FLASHFORGE Inventor


私が2台目の3DプリンターにFLASHFORGE Inventorを選んだ大きな理由の一つが本機がデュアルヘッドを持つ製品だからだ。
普通は当然ヘッドは一つであるが、2つあればできることが拡がってくる。勿論ヘッドが1つより2つあれば全てが2倍良いことができるかといえば功罪相半ばといった部分もあるから単純にはお勧めできない。
ともあれ理屈からすればヘッドが2つあれば2色のプリントが可能となるが、私が拘ったのは一方のヘッドに溶解性フィラメントを使ってそちらをサポート材専用とすることでプリント後の処理が格段に簡単となり、かつ綺麗な造形結果となる理屈だからであった。

FDM方式の3Dプリンターで使える溶解性フィラメントには大別してHIPSとPVAの2種があるようだ。
HIPSは主にABS樹脂向けのサポート材らしいが、プリント後にリモネンという柑橘系溶剤に浸すことで溶かすことができるフィラメントである。ただしリモネンという溶剤は取扱が面倒なだけでなく価格も高いという欠点があり、主にPLAフィラメントを使っている私としては好んで使おうと思うアイテムではない。
一方PVAは水に溶解する(実際にはお湯が効果的)ので取扱も簡便だ。ただし一般的なABSとかPLAフィラメントと比較すると価格は3倍近くするものの背に腹は代えられずPVAフィラメントを2種購入してテストを始めた次第。

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※用意した2種類のPVAフィラメント。結局今回はESUNの方で造形した


無論サポート材を溶解性フィラメントに担当させることが可能なのはFLASHFORGE Inventor がデュアルヘッドの3Dプリンターだからだ。一般的なヘッドがひとつの製品では逆立ちしてもできない…。
とにかく簡単なモデルではPVAの神髄は分からないだろうとあえて難しいモデルに挑戦してみた。
それは大英博物館サイトで公開していた「水月観音像」である。オリジナルは12世紀の作品だというが、岩の上に座し、リラックスした独特のポーズで水面に写っている月を眺めている姿だという。

■サポートの設定
 早速スライサー「FlashPrint」にSTLファルを読み込み、サポート材を枝形で試みてみたものの自動サポートで進めたテストプリントは水月観音像の右手先が不出来に終わった。サポートをもっと追加しなければならなかったようだ。
ちなみに「FlashPrint」の場合、サポートは前記した枝形とライン形が指定できる。

一般的な道理からいえば、今回のモデルには枝形が適しているはずだが、どうにも不安定に思え、サポートを手動で多々加するに至って「どうせ、サポートは溶解できる」という前提で考えるなら造形には安定していると思われるライン形をあえて使おうと考えた。

いずれにせよスライサー上でのシミュレーションを確認すると枝形にしろライン形にしろ、フィラメント一種ではプリントした結果は目に見えている。旨く行くはずがない(笑)。
ボディはPLAを使ったが、もしこの複雑怪奇なサポート材をボディと同様PLAでプリントした場合、プリント後にサポートを綺麗に剥離するのはまず不可能だと思われた。

■デュアルヘッドの利点と欠点
 これから行うことはデュアルヘッドならではだが、サポート材をPVAフィラメントに指定し、なるべく左右のフィラメントが混ざらないようにとオプションの「壁」をONにした。なぜならデュアルヘッドで2種のフィラメントを扱う事は思ったほど簡単ではないことが分かってくる。

詳しい解説をするとそれだけで当該ページが埋まってしまうが、要はデュアルヘッドを生かして両方を使うとなれば、右のヘッドで積層しているとき左のヘッドも生きていることを忘れてはならない。
特にPLA樹脂はプリント中にホットエンドの熱でプリントされてないヘッドからも余分に樹脂が垂れてくる。極端に言えば右のPLAフィラメントでサークルを描いたとすれば左ヘッドのPVAフィラメントも同時にサークルを描く。フィラメントを熔解しノズルから押し出すことを厳密にON・OFFできないのだから仕方がない。

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※別の造形失敗例。右側の青い円形をPLAで積層するとPVA指定した左ヘッドも連動する時がある


結果どうなるか…。お互いの積層上にお互いのフィラメントを引きずり、混ざってしまうことが起こりうる。この問題を少しでも軽減しょうとする機能が「壁」オプションなのだ。
「壁」をONにすると文字通りオブジェクトを囲むような壁型のオブジェクトを同時にプリントすることでその壁で移動中のノズルから垂れた樹脂をブロックする感じでプリント中のヘッドクリーニングが可能になる。これによって2色プリントで左右ヘッドから押し出されるフィラメントカラーが混じったりするトラブルを回避できる理屈だが、完璧ではない。

■スライス
 スライサー「FlashPrint」によるスライス設定はどのような状態でプリントされるかビジュアルで確認出来る。なおオブジェクトは通常の座像のままスライスしてテストを繰り返したが、やはり下げた右手の先が綺麗にプリントできないことが多かった。
全体的にはこの座像のままの位置でプリントした方が積層が綺麗だと経験で理解しているが、そうした理由もあって今回はあえて像を寝かした形でスライスすることにした。

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※スライサーFlashPrintによるスライスシミュレーション


さらにこうすると後でサポート材が綺麗に溶けてくれる "はず" だとしても微小な顔にサポート材が不要になるからでもある。
そしてサイズを高さ13センチに設定し最後にプリント時間を短縮するため、像の背面を一部切断した…(あくまでテストプリントなので)。
こうしてGコードに出力したデータはプリント推定時間15時間と表示された。
データの準備はできたので今度はプリントする準備だ。

■PVAフィラメントのセッティング
 手に入れたPVAフィラメントはそのままでは純正品の600gフィラメントよりスプールおよびスプール穴の直径が大きく本体内のラウンジトラフに納まらない。

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※スプール穴のアダプターを3Dプリンターで自作しPVAフィラメントのスプールをセッティング


ウェブでググってみたら同じフィラメントを使うためにラウンジトラフを10mm上に位置させるアダプターを3Dプリンターで作ったという素敵な記事を見つけたので真似してみた。このアダプターをかまして補助用軸で取り付けると回転もスムーズだ。
今回の物よりもスプールの直径サイズや幅が大きなフィラメントは内蔵できないので何らかの工夫をし、外から引っぱり込む工夫をする必要があるが、それはまた後の楽しみとしよう。

■プリント開始
 今回2種類のPVAフィラメントを手に入れ、指定温度でサポート材の造形をやってみたが両方共にビルドシートに定着しない。当初はラフトもサポートも全部溶かしてしまえとばかり贅沢にもPVAに設定したが、ラフト造形の時点で端から剥がれてくる。

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※PVAによるラフトがビルドシートに定着しない。次の機会にはプラットフオームの温度を工夫してみよう


仕方がないのでラフトはPLAとし、前記した理由で横にしたオブジェクトをプラットフォームより数ミリ浮かしてスライスし直した。無論その隙間はサポートで埋まることになるがこれはラフトとモデル本体が造形後剥がれなくなることを避ける意味で有効なのだ。

結果、ラフトはPLAなのでビルドシートにしっかりと馴染み、その上にPVAサポートが造られ、さらにその上にオブジェクトが積層されるということになる。本来サポートは少ないほどよいが今回はPVAを使ったことで溶解できることを信じてふんだんに使ってみた。
またデュアルヘッドを使う訳で、2種のフィラメントが混じり合うことを極力避けるため、解像度設定のオプションである「壁」をONにしてある。なお「壁」の効用は前記「デュアルヘッドの利点と欠点」の通りだ。

■プリント結果
 これまで何度か2色プリントのテストをしてきたが思ったように仕上がったことはなかったから期待はしていなかった。ただただPVAがどれほど綺麗に溶解してくれるかの確認の方が期待値のウエイトが高かった。
さて、予想の15時間を軽く超えプリントが終了した結果を見て「これは大変だ」と思った。何しろ出来上がった姿は鳥の巣みたいでゴチャゴチャだったからだ。
いくらPVAとはいえ、これだけ複雑怪奇に絡み合った積層の中から「水月観音」だけ綺麗に取り出すのは無理かも知れないと絶望感一杯…。

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※プリント終了後の様子。絶望感一杯(笑)


ともあれ気を取り直しまずは手やニッパーで本体を傷つけないよう壁やバリ、ラフトを剥がしていくと思ったより綺麗なオブジェが現れたではないか。しかし当然とは言えPVAによるサポート材が複雑に絡んでおり、もしこれがオブジェと同じPLAなら綺麗に仕上げるのは到底無理だと諦めざるを得ない状況だった。

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※壁やバリ、ラフトを剥がしていくと思ったより綺麗なオブジェが現れた


早速洗面器に60℃程度の熱めの湯を用意してその中に造形したオブジェを浸した。
30分程度経ってから覗いて驚いた。ほぼPVAによるサポート材が溶けているのだ。後は歯ブラシを使い、残っているサポート材を丁寧に擦りとったところ想像していた以上に綺麗な結果となった。

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※PVAによるサポートが綺麗に溶解した【クリックで拡大】


■総括
 高さ13cmと小さな像だし使ったフィラメントがクリアという半透明な樹脂なので光の具合でディテールが見えにくいのが難点だが、目鼻立ちもきちんと出来ているし心配した右手指も問題なかった。

オブジェを横にしてのプリントは顔にサポート材を作らないために取った策でもあったが、本体の積層は立てて造形するより些か粗い感じになった。しかし一番の目的だったPVAフィラメントをサポート材として使うというテストは上首尾に終わった。

無論まだまだ検証すべき点は残っている。PVAフィラメントをビルドシートにいかに定着させるかも探りたいし、PLAとPVAをどちらのヘッドに割り振ったらより良くなるのか、あるいは同じなのか等など多々確かめてみたいと思っている。



3Dプリンターを活用するための三種の神器

3Dプリンターを活用するための三種の神器といっても、当然のことながら3Dプリンターの消耗品類のことではない。ホットベッドに敷くシートだとかフィラメントやらのことではなく活用する上であると便利な道具を三つご紹介してみたいと思う。


無論多くの3Dプリンターユーザーにとっては当たり前のことかも知れないがこれから3Dプリンターをという方も多いに違いない。
しかしあらためて考えると私の考える三種の神器とは造形したオブジェクトモデルの仕上げに関するツールである。
それだけ3Dプリンターにとってサポートやバリといったものを綺麗に取り除くのが重要で大切であることが身にしみているからだ。
では先輩ユーザーからは「今更…」といわれるかも知れないが早速ご紹介してみたい。

1)小型ニッパー
あらためて記すが、3Dプリンターからプリントされたモデルがなんであれ、そのまま実用となることはまずあり得ない。
サポート材を取り除きバリをなるべく綺麗に、それも本体を傷つけないように取り除く必要があるからだ。
そうしたことの第一ステップに重宝するのが小型のニッパーである。

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※小型のニッパー


特に固いPLAによる造形では指や爪では取りにくいサポートの痕やバリをなるべく綺麗に取り除くにはニッパーが一番効率がよいと思う。
ただし大きめのニッパーだと造形物の凹凸に対応しきれない場合もあるのでなるべく小型で申し上げるまでもないが切れ味のよい道具が必要だ。
これひとつで切断は勿論掻きだしなどにも有効だ。

2)交換コテ先付きハンダごて
以前「Modifi3D : 3D Print Finishing Tool」というUSB接続で使える製品をご紹介したが、米国から直接購入したものだったが二週間で壊れた。したがってすぐにそれに変わるものとして安物だが5種の交換コテ先を使える本製品を手に入れて使っている。

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※SEALODY はんだごてセット。こては温度調節が可能


PLAにしてもABSにしても余分なバリなどを目立たなくする際にヤスリ類では適さないときもある。また時に穴を開け、一部を切断するといった場合に熱処理できるこの種のツールは便利なのだ。
なお本製品は本来はその名の通りハンダごてであり温度調節も可能。

3)ミニルーター
ちょっとしたバリ程度なら一般的な棒ヤスリでも済むが、前記した通りPLAはかなり固く後処理にも苦労する。そうした場合には電動のミニルーターに適切なビットを交換することで削る・磨くが大変楽に行える。
これがあると無しでは効率が全然違うのでお勧めである。私はそんなにパワーを必要としないこともあってUSB充電式のワイヤレスで使える小型製品を使っている。

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※Bigmanコードレス!/充電式ミニルーター ビット31点セット HR-DX アルミケース入り


以上3種類の有用なツールをご紹介したが、あえて一番使っているものはといえばニッパーである(笑)。



専属モデル造形計画第4弾、両腕の関節を3Dプリンターで作る

専属モデル造形計画第4弾として両腕の関節を見直すことにした。両腕は一般的に袖のある服を着せるのでリアルな造形は必要ないものの必要条件を満たしたい。ひとつは軽量であること、二つにはポーズを取りやすくするため関節は可動式であること、そして三つ目は袖を通した際に自然に見えるボリューム感が欲しいのである。


手首から指先まではまずまずの完成品を手に入れてあるから両腕の造形は手首から肩に続く前腕と上腕(二の腕)とそれぞれを繋ぐ関節ということになる。
これまで関節はゴリラポッドという名称で販売されているくねくねと曲がるミニ三脚をバラして使っていた。適切な強度もあり自在に曲げることが出来るからだ。

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※腕関節を3Dプリンターで造形し、作り直した両腕はバランスの良さと着替えがやりやすい思い通りの結果となった。写真はニュー両腕の専属モデルにシャツを着させた例


また前腕と上腕だが今回3Dプリンターを使って出来る限りリアルな物を造形してみようと思ったが、私の購入した3Dプリンターでは前腕と上腕それぞれに最低でも二つの部位に分けないとサイズ的に作れず、様々な試行錯誤をした結果、従来通りに加工しやすい木管を使うことにした。
腕すべてを3Dプリンターでというのが理想だが、それはそのうち大きなサイズのプリントができる機種を購入してからの楽しみとしたい。

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※理屈はこうしたモデリングした腕を分割して3Dプリンターでプリントすれば理想的な腕ができるはずだが、手に入れたコンシューマー用の3Dプリンターでは制約制限があり今回は断念


そして木管は軽量をめざしていることでもあり直径3センチのものを使い、その回りをクッション素材で出来ているパイプカバーを被せることにした。さらに透けて見える場合を想定し、肌色の腕カバーを被せている。
この辺のノウハウはこれまで培ってきたので問題ないが、最大のネックは腕関節と肩関節だった。

前記したようにこれまではゴリラポッドの足を活用したが造形上問題があった。
ひとつは肩関節にしろ肘関節にしろ相反する要求があることだ。なぜなら普通にポーズを取らせたりする際には外れず、しかし着衣の袖を通すような際には容易に外したいという難しい要求があるからだ。

結果ゴリラポッドによる肩関節はトルソーの肩下に開けた穴に通すという簡便なものだっただけに抜けやすい欠点があったし、肘関節は前腕と上腕をゴリラポッドを使って接着したら取り外せない仕様になってしまった。
今回の関節はゴリラポッドではなくそれなりの機能と強度を持ったものを3Dプリンターで作れないものかを検証することにあった。

最初は100%頭の中にあったイメージを3Dで描いて3Dブリンターで造形してみた。それなりに役割は果たせるもののいまひとつ気に入らない。

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※最初に自作した肘関節ユニット。モデリング(上)と実際のプリント結果(下)


どのように改良しようかと考えていたところAutodeskのTINKERCADという3Dモデリングの入門アプリみたいな中に様々なサンプルシェイプが用意されておりその中にジョイント造りに最適と思うシェイプがあった。

早速それを3Dプリンターで造形してみるとなかなかに具合が良い。3DプリンターはPLA樹脂で造形しているが材質が固いことも含め、取り外しや取り付けも容易な上に普通に使っている際には外れないという理想的な関節だということが分かった。
元データのモデルは小さなものだが、スライサーでスケールを変えて大きめにすることもできたがまずは原寸で造ってみた。

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※サンプルシェイプに台座や釘穴を施したモデリング


関節としてのテストを繰り返した後に木管に強度を持って取り付けるため釘穴を付けた台座を加えたモデリングをした。なお使用するPLAフィラメントは肌色を使うことにした。
この3Dプリンター製の関節と木管、そしてボリュームを出すためのパイプカバーで両腕を作り直してみたが、シャツを着せてみるとバランスもよくジョイントとしての強度もあり実用となることがわかった。

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※両腕の概要。木管と木管を3Dプリンターで作ったジョイントで繋ぎ、パイプカバーを被せる。実際にはこの上に肌色の腕カバーを被せて完成となる


なお取り急ぎ手首に相当する関節のみゴリラポッドを使っているが、ここも近々別のアイデアでよりよい物を3Dプリンターで作ってみたい。ともかくこれで着衣の着替えが大分容易になる。
ということで「専属モデル造形計画第4弾」は無事終了になった。しかし必要なアイテムだからとはいえ、よくも飽きないものだ(笑)。



3Dプリンター製NuAns NEO [Reloaded] トップカバー(ピンク)プレゼント当選者へ発送

トップカバープレゼント

3Dプリンター製NuAns NEO [Reloaded] トップカバー(ピンク)プレゼントはお陰様で予定より多くのご応募をいただきましたので、当初当選者数を5名と発表しておりましたが6名様にして本日ヤマト運輸の「宅急便コンパクト」で発送いたしました。

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これをもって当該プレゼント企画を終了といたします。
ありがとうございました。



G-code って何だ?

3DプリンターBIQU-Magicianを使い始めてからG-code というものに興味を持たざるを得なくなった。一般的に3Dプリンターで造形するには3DモデリングしたデータをSTLファイル形式で保存し、スライサーでG-code化するという手順が必要となる。従ってG-code とはオブジェクトを積層単位にスライス化したデータだということになる。


そもそもG-code はNC(数値制御)機械で座標系を使い、軸の移動を処理するコードで一般に工作機械の自動制御を行う際のプログラミングコードとして広く使用されているという。
手元にある3Dプリンターは玩具みたいなものだが産業用の工作機械と規模は違えどその手法は同じG-code を使っているわけだ。

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※3Dプリンター BIQU-Magician


G-code は繰り返すが通常スライサーと呼ぶスライスソフトウェアを用いて出力する。
ただしRepRap(replicating rapid prototyper)が定義したコードも含み、使用するファームウェアによってもコードに多少のバリエーションがある。
なおRepRapについてはここを参照されたい。

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※スライサーのひとつ「Cura」


ということで自分が扱うG-codeとはどのようなアルゴリズムで出来ているのかと興味を持ち、G-code化したデータの中を覗いてみた。ちなみにG-code化したファイルはテキストエディタの類でオープン出来るのだ。
確認してみるとG-codeの基本は “G1” というノズル移動コマンドから始まる一連のコードで成り立っていることがわかった。そしてそのパラメータの X, Y, Z は座標を意味し、Fはホットエンド(フィラメントを溶かして積層するための部品)の移動速度でEはフィラメントの送り量を意味している。

ここで実際にNuAns NEO [Reloaded] トップカバーを自作した際の一例を挙げてコードの中身を見てみよう。

Gcode_03.jpg

上から順に一部を記述してみたが、その意味は概略次の通りだ。

規格:Marlin
時間:6896 (秒)
フィラメント使用量:5.39028m
レイヤーの高さ:0.15mm
使用スライサーはCuraでバージョンが 3.2.1
ホットエンドの温度を200℃
ホットエンドの温度が200度になるまで待機
入力値絶対座標
単位はmm
座標は絶対値
入力値は絶対座標
ファンの電源を切る
ヘッダをホームポジションへ

と続き、後のほとんどが G1 X-42.531 Y-6.008 E5.81017 といったG1コマンドの記述で埋まっている。
これは前記したようにノズル移動の為のコードで例えば G1 X-42.531 Y-6.008 E5.81017 とはノズルを [X,Y] = [-42.531 , -6.008] のポジションに移動し、その間にエクストルーダー(押出機)はフィラメントを [E]=5.81017 の長さで押し出しなさいというコマンドで、単位はミリメートルだ。
こうしたコマンドに従って3Dプリンターは前のポジションから次のポジションへ移動し、同時にフィラメントを前の長さから指定量押し出し積層していく理屈である。

そして最後のリストだが、M107はファンの電源を切るコマンド、ホットエンド温度をゼロ、テーブル温度をゼロ(BIQU-Magicianは意味なし)、座標を相対値指定変更、ヘッダをホームポジションへと続き、リストの最下行は ;End of Gcode とG-codeの終了を宣言して終わっている。

Gcode_04.jpg

こうした記述であるということはこのG-code のリストを直接エディタで編集することも可能なことを意味する。
ともあれ G-code の内容を理解することは3Dプリンターの仕組みの一端を理解することになるわけで興味は尽きない。



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プロフィール

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Author:appletechlab

主宰は松田純一。1989年Macのソフトウェア開発専門のコーシングラフィックシステムズ社設立、代表取締役就任 (2003年解散)。1999年Apple WWDC(世界開発者会議)で日本のデベロッパー初のApple Design Award/Best Apple Technology Adoption (最優秀技術賞) 受賞。

2000年2月第10回MACWORLD EXPO/TOKYOにおいて長年業界に対する貢献度を高く評価され、主催者からMac Fan MVP’99特別賞を授与される。著書多数。音楽、美術、写真、読書を好み、Macと愛犬三昧の毎日。マネキン造形研究中。2017年6月3日、時代小説「首巻き春貞 - 小石川養生所始末」を上梓(電子出版)。続けて2017年7月1日「小説・未来を垣間見た男 スティーブ・ジョブズ」を電子書籍で公開。ゆうMUG会員