3D印刷で再利用可能なブラケットは、大きな経済的利益をもたらす可能性があります

アディティブマニュファクチャリング（AM）プロセスでは、オーバーハング機能を備えたパーツを印刷するためにサポートを使用する必要があると報告されています。 同じまたは異なる材料を使用するこれらの追加のサポートは、3D印刷プロセスの後に削除する必要があり、再利用できないため、材料の無駄です。 これは、ノズルベースの材料押し出しプロセスおよび支持体の印刷にも時間がかかる。 現在、南カリフォルニア大学とローザンヌ連邦工科大学の研究者は、AMのサポート関連の課題を解決するために新しいタイプの再利用可能な足場を開発しました。

アディティブマニュファクチャリング（AM）テクノロジーは、レイヤーベースの製造プロセスを使用します。印刷物は、既存の表面の上にのみ堆積できます。オーバーハング構造を持つ3次元（3D）の複雑なパーツの場合、このようなオーバーハングは、オーバーハング構造の真下のサポートなしでは印刷できないため、この制限は問題があります。溶融フィラメント製造（FFF）やステレオリソグラフィー装置などの積層造形プロセスは、オーバーハング用の追加の支持構造を作成することにより、この問題を解決します。 3D印刷されたサポートは、水溶性材料や氷など、同じ材料または異なる材料を使用できます。ただし、印刷後、これらのサポートを手動で取り外す必要があります。これにより、形状が正しくないか、表面が粗くなる可能性があります。サポートで作られた材料は通常再利用できないため廃棄され、3Dプリントの無駄の問題が悪化します。したがって、サポートの生成はAMテクノロジーの重要な問題です。これは、3D印刷されたサポートにより、製造時間が長くなり、材料の無駄が増え、後処理時間が長くなるためです。

必要なサポートを減らすための既存のソリューションのほとんどは、幾何学的手法に基づいています。これらの方法は、3つのカテゴリに分類できます。特定のコンピューター支援設計（CAD）モデルの場合、1つの方法は、CADモデルの適切な方向を選択して、サポートボリュームを減らすことです。これらの研究では、サポート量に加えて、表面品質、製造時間、部品の精度、接触面積など、他のいくつかの側面も考慮しています。 2番目の方法は、CADモデル自体を変更することにより、3D印刷のサポートを減らすことです。ウィスコンシン大学マディソン校の研究者は、かつてサポートの制約に基づいたトポロジー最適化手法を提案しました。もう1つの簡単な方法は、3Dモデルを複数の小さな部分に分割して、必要なサポートを減らし、ビルドトレイのサイズを超える可能性のある大きなモデルの印刷時間を短縮することです。ただし、これらの方法はどちらも、ビルドの方向を変更するか、複数の小さなパーツを手動で組み立てる必要があり、多くのアプリケーションで問題になる可能性があります。この作業では、インポートされたCADモデルは変更されないことを前提としています。同様に、ユーザーはモデルの構築方向を選択し、変更されません。

最後の方法は、より良いサポート構造を開発し、サポートのレイアウトを最適化することにより、3Dプリントされたブラケットを減らすことです。最も一般的なサポート形状は、垂直の固体壁のような構造と、しきい値を超える傾斜角（たとえば、MakerBotやSimplify3Dなどの商用ソフトウェアシステムで使用される45°）の小さな平面を接続する垂直の固体壁のような構造です。このタイプのサポートは、垂直壁サポートではなく、印刷時間と材料の増加を犠牲にして信頼性を保証します。華中科技大学の研究者はかつて、垂直壁状支持体の中央部分のサイズを縮小した傾斜壁状支持構造を提案しました。同様に、英国のエクセター大学の研究者は、支持体の体積を減らすために密度が変化するハニカム構造を使用しました。建物のプラットフォームに接触する従来の外部サポートとは異なり、イタリアのローマ大学のCacace et al。は、すべての外部サポートを内部サポートに変換し、サポートの両端をパーツ自体に接続するアルゴリズムを提案しました。そのため、サポート量と印刷時間が短縮されます。ただし、この方法は面取り機能にのみ適用できます。カンチレバー機能の場合、この方法の材料消費量は、従来の外部サポートの材料消費量よりも多くなります。

3D印刷されたサポートは、サポートの構造とレイアウトがどのように最適化されているかに関係なく、削除する必要があり、印刷プロセス後に再利用できないため、材料の無駄になります。さらに、材料の押し出しプロセスでは、これらのサポートの印刷に余分な時間がかかるため、印刷速度が大幅に低下します。南カリフォルニア大学と連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の研究者は、柔軟なニードルアレイのセットで構成される3D印刷（FFFプロセスなど）用の低コストの再利用可能なサポート構造を初めて作成しました。これらの無駄なサポートを印刷するための3Dプリンターの必要性を減らし、それによって費用対効果と持続可能性を大幅に改善します。この研究の主なリーダーである南カリフォルニア大学のYongChen教授は、関連する結果を2021年にアディティブマニュファクチャリングで公開する予定です。
熱溶解積層法（FDM）プロセスを使用した従来の3D印刷では、静的な金属表面に層ごとに直接印刷できます。代わりに、新しいプロトタイプは、印刷されたブラケットの代わりに、可動金属ピンで作られたプログラム可能な動的に制御された表面を使用します。プリンターが徐々に製品を作るにつれて、ピンが上がります。チェン教授は、新しいプロトタイプのテストを通じて、オブジェクトの印刷に使用される材料の約35％を節約できると述べました。

陳教授が生物医学の医師と協力したとき、彼らは組織や臓器を構築するために3Dプリントに生物学的材料を使用しました。彼らが使用する材料の多くは非常に高価であり、各小瓶の価格は500ドルから1,000ドルの間です。標準のFDMプリンターの場合、材料費は1キロあたり約US $ 50ですが、バイオプリンティングの場合、1グラムあたりさらに約US $ 50です。したがって、これらのサポートの印刷に使用される材料の30％を節約できれば、生物医学目的の3D印刷の大幅なコスト削減になります。

さらに、材料廃棄物が環境とコストに与える影響に加えて、サポートを使用した従来の3D印刷プロセスにも時間がかかります。複雑な形状を3D印刷する場合、半分の時間は必要な部品の作成に費やされ、残りの半分はサポートの作成に費やされます。したがって、研究者が開発したシステムでは、サポートを繰り返し構築する必要がなく、印刷時間の約40％を節約できます。

過去に開発された同様のプロトタイプは、各機械的サポートを持ち上げるために単一のモーターに依存していたため、エネルギー集約型製品の購入コストがはるかに高くなり、3Dプリンターでは費用効果が高くありませんでした。

研究チームの新しいプロトタイプは、単一のモーターを備えたモバイルプラットフォームの個々のサポートフレームを実行することによって機能します。プラットフォームは、複数の金属ピンのセットを同時に持ち上げることができるため、費用対効果の高いソリューションになります。製品設計によると、プログラムのソフトウェアは、プラットフォームに一連の金属パイプを追加する必要がある場所をユーザーに通知します。次に、これらのチューブの位置によって、3D印刷製品を最適にサポートすると同時に、印刷サポートからの無駄を最小限に抑えるために、どのピンが定義された高さまで上昇するかが決まります。プロセスの最後に、製品に損傷を与えることなくピンを簡単に取り外すことができます。