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生活で役立つ 3D プリントの事例と学び方の紹介

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今では誰もが知る 3D プリンター。ここ数年で低価格化も進み、熱溶解積層方式(FDM)*1だけでなく光造形方式*2のものですら5万円を切る時代に突入している。

日々目に入る 3D プリントの広告や事例というのは、超すごい形状のデザインで役に立ちました〜的な話か、飾る以上の使い方のないオブジェか、例の船のどれかであることが多い(個人の感想です)。どれも一般人たる我々とは縁遠いし、そのような事例だけ見た上で「3D プリンターは便利!」と言われても「そうですね、私はいらないけど」となってしまう。

私の認識もそれとあまり変わらなかったが、今年の夏に買った 3D プリンターは思いもしなかったところをエレガントに解決していき、その強力さを大いに発揮した。私は 3D プリンターのとりこになってしまった。この記事では、この半年で 3D プリンターが解決した課題や私の 3D CAD の学び方について紹介する。

買ったプリンターと推しポイント

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(この記事はステマではなくマジ推しです)

私が使っているのは、Prusa Research の Prusa i3 MK3S(以下、Prusa と略す)というプリンターだ。素人からすると「真にユーザーの多い機種はどれか」といった情報は非常に集めにくい(私も今でもよくわからない)。そんな中でも目立って見える程度には、大きなコミュニティとシェアを擁している長寿シリーズである。

自分で組み立てるキットが $749、完成品が $999 で買える。組み立ては大変で、パーツを壊しかけたりしながら丸2日ほどかかった(大体誰でもそれくらいらしい)*3。クオリティはハッキリ言って何も工夫しなくても十分で、ネットでよく見る「頑張ってクオリティの高いプリントを出す工夫」は全く必要ない。言う人に言わせればファンの交換などでより高いクオリティが狙えるようだが、後で紹介する作例はどれも完全に純正のパーツと手順で組み上げた Prusa を使用しているし、私は特に不足を感じていない。

  • コミュニティや公式ブログの情報量が多い
  • 説明書の英語が非常にわかりやすく、気をつけるポイントがハッキリしている(日本語もある)
  • とにかく、純正でのプリントクオリティが高い
  • Prusa 公式のフィラメント Prusament が品質とコストのバランスが良い*4
  • Prusa 公式のスライサー Prusa Slicer には Prusa i3 のプリセットがあり、頑張って調整する必要がない

このように、意識する変数を最小限に抑えることができるため、ただでさえ戸惑うポイントが多い初心者には大変オススメできる。

※ Prusa i3 の余談

"Prusa" というのは、Prusa Research を率いるチェコ人のお兄さん Josef Průša に由来する。彼はもともと DJ 機材の自作がしたくて自作 3D プリンターに足を踏み入れた。そこで RepRap というオープンなプリンターのプロジェクトに魅せられ、以降改良に改良を重ね、自らパーツを売ったりイベントを開いたりするまでなった。その出会いから Prusa Research を成長させるまでのサクセスストーリーは非常に見応えがある。是非一度 YouTube で視聴してみてほしい。

www.youtube.com

製作事例集

以下に私が製作して今でも便利に使っている実用的なパーツの製作例を挙げていく。是非参考にして欲しい。

事例1: 一眼レフをモニターアームに取り付けるパーツ

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Nikon の一眼レフを Web カメラにするソフトを開発した2020年7月当時、カメラは三脚に装着して机の上に置いていた。ザ・普通の三脚なので、机に置くにはデカすぎて邪魔だった。

翌月の8月に Prusa が届き、机には VESA のアタッチメントが諸事情で取り外されたアームが取り残されていたため、ここにカメラをマウントする部品を初めての実用品として自作することにした。今では毎日 Nikon の一眼で写しながらミーティングしているため、上記のソフト共々最もよく使う自作アイテムとなった。

積層方向の意識など見よう見まねで初めてやってみたにしては、一発で良い感じに仕上がった。板の厚みは5mmでたびたび「割れないか心配」と言われるのだが、手で壊せなさそうなくらい固いため心配はいらない。

カメラ用のネジもプリントしている。これはインフィル(プリントの中身の詰まり具合)を100%にしたとしても強くはないので、重いボディやレンズを装着するときは金属製のものを用意したほうが良い。

事例2: スチールラックの下駄

我が家の玄関にはスチールラックを置いている。玄関の土足部分にラックが半分かかっているので、もともと木を切って作った不安定なゲタを履かせていた。それが崩れてしまったので、ここはミリ単位で完璧なゲタが作れる 3D プリントが役立つのではと思い製作した。

荷重がかかる直下の部分は木を埋め込んでいる。インフィルを増やすことでも対応できるが、物体が大きいのでそれはやらなかった。

事例3: 低温調理用の容器

低温調理では、大きな容器にお湯と低温調理器を入れて調理を行う。たかが温泉卵をちょっと作るだけなのに、いちいちお湯をわかして、いちいち加熱をを待つのはめんどくさすぎるということで、必要最小限の寸法の容器を自作した。

現在も使えてはいるが、これはいくつかのポイントで失敗した。

  • 使用した材質 PETG は PLA より数字上耐熱性があるが、低温調理の温度(70〜80℃)で熱変形温度*5に達してしまう
    • これにより側面が膨らんでしまったものの、一定以上は変形しなかったためなんとか使えている
  • 細かい穴が空いていて、少しずつ水が漏れる
    • 普段は百均で買ったバットを置いて対処している
    • Prusa Research は食器を 3D プリントするためのガイドを公開しており、リーク阻止や雑菌の繁殖防止の観点から食品に触れても OK なレジンを使用して穴を埋めるように説明している
    • この使用方法では食べる部分が直接水に触れることもないため(卵ならセーフじゃろ!)そのまま使っている

次似たものを作るときは、ポリカーボネート (PC) や ASA のような熱に耐えられる素材を使おうと思っている。

サポート材(宙に浮いた部分を下から支える形状)なしでも案外プリントできるのが発見だった。

水の量が最小限なので、温度が爆速で上がる。

なお、トングも印刷して成功したのだが、剛性がイマイチだったのでお蔵入りになってしまった。

事例4: Prusa の電源を壁掛けにするパーツ

10月に入り気温も下がってきてこのままではプリントに支障が生じる*6ため、クローゼットを断熱材で内張りしてその中に Prusa を置いた。中は勝手に40℃以上まで達するため、電源装置をそのまま同じ空間に置くと著しく寿命が短くなってしまう。そこで、電源装置だけクローゼットの外に壁掛けする器具を製作した。

賃貸物件で壁掛けを実現するにはいくつか方法があるが、今回はホッチキスでの装着を採用した。針を差し込みやすいように傾斜をつけた穴を並べたところ、思ったよりもうまくいった。

縦方向のサイズはギリギリになってしまったが、斜めに配置することで事なきを得た。

事例5: ポスターフレームを壁掛けにするパーツ

電源装置の壁掛けと同じテクニックで、ポスターフレームを壁掛けにするパーツも製作した。壁にピッタリ付くように設計し、トイレのポスターを非常に美しく掲示することに成功した。

事例6: テーブルの脚とパネルを固定するパーツ

リバースエンジニアリングが仕事になったので、必要な分解や解析を行うための作業机を製作した。もともとあった本棚に載せる形の特殊な机にしたため、脚は必要に応じて着脱可能にしたかった。加えて木材も百均で買ってきた規格もクソも無い木材*7のため、寸法もおあつらえにする必要があった。そのため、3D プリントの出番となった。

5mm厚の壁とリブで十分な強度がある。「足をぶつけて壊しそう」というツッコミを多く受けたがそれも想定範囲内。天板に対して垂直な方向の曲げに耐えられるように45°傾けてプリントするなど工夫した結果、先に木が折れそうなレベルの強度は確保できた。

今回使用した材質 PLA は吸湿するため湿気の影響を受ける。半年無対策だった影響か、初期にはほぼなかった積層のブレが目につくようになった。美観を気にするようなパーツでもないので今回はそのまま使用し、除湿は次の課題とした。

Fusion 360 と学習方法

もともと Illustrator の操作は非常に慣れていたため、以前はレーザーカッターのデータを Illustrator で作ったりしていた。当然ながら、3D プリントでは 3D CAD を避けては通れない。そんな私を助けてくれたのが、「Fusion 360 で CAD 設計を覚えよう」シリーズだ。このシリーズは、「方法を説明するだけではなく機械的な意味も考えながら教える」という著者の意向により、Fusion 360 の操作に留まらない知識を与える良質な教材となっている。大変な分量がある教材で読むのも一苦労だったが、読みながら手を動かすことで今ではいろいろな物体を設計できるようになった。Fusion 360 は個人利用なら無料で使用できる神がかったツールなので、これから 3D CAD を学ぶ方には教材ともども是非おすすめしたい。

CAD では束縛(線分と線分のなす角度が何度であるとか、長さが等しいとかというように、要素同士の関係に条件を与えること)を利用して正確な製図を行う。ひとたびこれに慣れれば、束縛のない Illustrator での「設計」は正確さの保証がなく不安に感じる。やはり、機械的設計は機械的設計向けの道具ですべきであると改めて認識できる。

本来直リンクはよろしくないものの、本体のサイトが消失していて PDF が見つけにくいため、現在見つけられるもののリンクを以下に挙げさせていただく。

なお、ググッても Lesson 10_2 までしか見つけることができなかった。Lesson 92 のナンバリングは謎(打ち間違い?)

情報の入手方法

私が観測する範囲内では、以下のような情報源が役に立っている。最新をとりあえず追いかけたい場合はここらでなんとかなる。Prusa i3 なら Prusa Research のブログのように、ベンダーのメディアは少なくともチェックしておくべきだろう。

はるかぜポポポさんはかなりいろんな種類のプリンターに留まらず、ノズル、フィラメント、スライサーなどさまざまな知見を発信されている。読んでいるだけでも面白いし、特に比較検討が大変参考になる。

Prusa Research のブログは、Prusa i3 シリーズを中心にアップデート情報や汎用なノウハウについてたびたび発信している。特に上でも紹介した食品向けのプリントのように、他では見つけにくい知見もある。

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Prusa Printers - Official Prusa 3D printers community

CNC Kitchen は YouTube のチャンネルで、好奇心をくすぐられる実験、流行っているテクニックの実践、強度比較などを行っている。動画が日本人の Twitter 界隈でもちょいちょいバズる。

www.youtube.com

まとめ: 3D プリンターはマジでオススメ

「このパーツは木工で作れなくはないけど大変」「手で作るには精度の確保が難しい・複雑すぎる」といった問題をキレイに解決するには 3D プリンターはもってこいだ。機材も学習環境も 3D CAD も手軽に揃えることができる現在はまさしく 3D プリンターの始めどきなので、気になる人は是非手を出してみて欲しい。

DMM のサービスなどを使って設計とプリントだけやるにしても、失敗したときに捨てる金額は大きくなり、試行錯誤のループは非常に長くなってしまう。自分の場合はそれが嫌だったので、すっとばしてプリンターを買った。その結果、色々と優れた Prusa i3 MK3S のおかげで最高のデビューを飾ることができた。この喜びは是非多くの人にも味わってほしいと思っている。

*1:溶けたプラスチックをノズルで積み重ねていく方式

*2:紫外線で硬化するレジンに光を照射して造形する方式

*3:完成品は届いた瞬間から使えて動作保証もあるため、$250 の価格差は非常に合理的で十分検討する価値がある

*4:クオリティは折り紙付きで、太さのスペックが規定されており、QRコードで閲覧できるトレーサビリティ情報まで完備されている

*5:ドロドロにはならないが、荷重を加えてある一定以上変形する温度

*6:周囲の温度が低すぎると、プリントしているそばからプラスチックが反ったり剥がれたりしてしまう

*7:見た感じでは、もともとスノコなどの一部になるはずが、節があるなどの理由で不良品となったものを売っていると思われる