3Dプリント技術は飛躍的に進歩しています。子供たちを楽しませる小さなおもちゃを作るという話をしていたかと思えば、次の瞬間には3Dプリンターでマグニチュード8の地震にも耐えられるコンクリート製の建物が建てられたというニュースが流れています。時が経てば、「3Dプリンターを3Dプリントする」ことも実現可能になりそうです。

しかし、将来性はさておき、趣味人やメーカーにとってより重要なのは、やはりデスクトップ3Dプリンターです。どんな種類があるのか​​、どれくらいの速度で印刷できるのか、そして価格はいくらなのか。物事を徹底的に調べるのが好きな人、あるいは3Dプリンターを自分で自作したことがある人なら、きっとこんな疑問を抱いたことがあるはずです。「3Dプリンターはどうやって動くのか？」

XYZ、I3、CoreXYは現在、デスクトップ3Dプリンターの最も人気のある形式です。これらのプリンターは、3D座標系のX、Y、Z方向に1つまたは複数の軸を備えています。各軸の一端には、動力源となるモーターが取り付けられています。同期ベルトまたは送りねじによって、モーターの回転がX、Y、Z方向の直線運動に変換されます。そして、3方向のリニアガイドレールシステムによって、ノズルを軸によって形成される3D空間の任意の位置に配置してフィラメントを押し出し、3Dオブジェクトを作成します。

ガイドシステムはなぜ重要ですか?

ガイド システムは、印刷中に主に 3 つの目的を果たします。

1. 精度: 厳しい公差を実現し、ぐらつきを防ぎ、ガイドに設置されたプリントヘッドまたは加熱ベッドが所定の方向に沿って直線的に動くことを保証します。
2. 滑らかさ：ベアリングやローラーとの摩擦を減らし、よりスムーズな動きに貢献します。
3. 信頼性: 優れた剛性を備えたガイド構造により、機械の信頼性が向上し、長期にわたってより一貫した印刷が可能になります。

多様なガイドシステム

一般的に、3D プリンターで使用されるガイド システムには次のものがあります。

1. ホイールとプロファイル
2. リニアロッドとベアリング
3. リニアレール
4. 埋め込みリニアレール

ホイールとプロファイル

あらゆるガイドの中で、ホイールとプロファイルの組み合わせはおそらく最も一般的で費用対効果が高いでしょう。プロファイルのV字型またはT字型の溝に沿って、通常3～4個のローラーが動きをガイドします。

ホイールの外輪はPOM（ポリホルムアルデヒド）製が最も一般的で、内輪はスチールとボールベアリングで構成されています。POMは高強度、低変形、優れた耐摩耗性を備えており、プリンター用ホイールの製造に特に適しています。適切に使用すれば、POMローラーは数百時間も使用できます。一部のメーカーでは、PC（ポリカーボネート）製のホイールも製造しており、こちらはより強度が高く長寿命ですが、価格は若干高くなります。

直線運動を確実に行うには、ホイールがプロファイルを適切に掴む必要があります。緩すぎると高速走行時に振動が発生する可能性があります。締めすぎると摩耗が進み、ホイールとレールの間に異物が堆積して、ガタガタとした動きや不安定な動きの原因となります。そのため、プリンターの動作状況に応じてホイールの締め付け具合を調整し、異物を清掃し、必要に応じてホイールを交換する必要があります。他のガイドと比較して、ホイールとプロファイルの組み合わせはより頻繁なメンテナンスが必要です。

さらに、プラスチックは金属よりも剛性が低く、動作中のホイールの変形を避けるのが難しいため、ホイールを使用するプリンターは、スチールガイドを使用するプリンターに比べて一般的に精度が低くなります。

3Dプリンターで一般的に使用されるプロファイルには、VスロットプロファイルとTスロットプロファイルの2種類があります。名前の通り、これらの主な違いは断面形状です。異なるプロファイルと異なるホイールを組み合わせることで、優れたガイド効果が得られます。

プロファイルはカスタマイズ可能で、安価で、十分なパフォーマンスを備えているため、ホイールとプロファイルの組み合わせは、多くの DIY 3D プリンターの構築に最適な選択肢です。

利点

• ガイド性能が優れ、安価で便利です。
• 豊富なオプションが幅広く利用可能。
• インストール、使用、変更が簡単。

デメリット

• 精度が低い。
• 振動が起こりやすくなります。
• より頻繁なメンテナンスが必要になります。

リニアロッドとベアリング

ホイールガイドとプロファイルガイドの限界により、DIY愛好家やメーカーは、精度と安定性に優れた別の組み合わせ、つまりリニアロッドとベアリングに注目するようになりました。ここ数年で、ロッドガイドとベアリングガイドは、3Dプリンターのガイドシステムとほぼ同義語となっています。プリンターの各軸には、少なくとも2本のロッドと2本のベアリングが必要です。ベアリングはロッドに巻き付いたり、くっついたりしながら、エクストルーダーまたは加熱ベッドに取り付けられたキャリッジに接続され、直線運動をガイドします。

リニアロッド（別名スムースロッド）は、円筒形の鋼棒で、様々なサイズがあり、3Dプリンターでは通常直径8mmのものが用いられます。ロッドは高い寸法精度で加工でき、非常に滑らかな表面が得られます。ボールベアリングと組み合わせることで、適切に組み立てられたロッドは、かなり良好な直線運動を実現します。

滑らかであることには欠点もあります。ガイドとして使用する場合、ロッドの両端を金属製のクランプで固定する必要があります。また、ベアリングは直線運動だけでなく、シリンダーの周りを360°回転します。そのため、押出機や加熱ベッドを直線運動させるには、別の平行ロッドのベアリングに取り付ける必要があります。2本のロッドの平行度を保つのは、特にDIYをする人にとっては難しい場合があります。

したがって、シャフト ガイドを使用すると、一方では精度と安定性が向上しますが、他方では設置面積と重量が大きくなり、組み立てが難しくなります。

ロッドに使用されるベアリングは、主にU溝ベアリングとリニアベアリングで、いずれも鋼鉄製です。U溝ベアリングは、ロッドに沿って転がる車輪のような形状をしています。リニアベアリングは、外側に円筒形のスリーブがあり、内側にはシャフトに沿って回転する複数列のボールが配置されています。どちらも最小限の摩擦でスムーズなガイドを実現します。

ロッドとベアリングは耐久性に優れており、ロッドに付着した汚れを定期的に清掃し、ベアリングに潤滑油を塗布するだけで済みます。ロッドがフレームではなくハウジングに収納されている場合は、ハウジングの分解とベアリングへの潤滑は簡単です。しかし、長期間使用した後に摩耗したベアリングを交換するのは、少々難しい場合があります。

利点

• 優れたガイド性能、高精度、適度なコスト。
• 豊富なオプションが幅広く利用可能。
• メンテナンス頻度が低い

デメリット

• 密閉すると設置面積と重量が増大します。
• 並列処理が問題になる場合があります。
• ベアリングの交換は難しい場合があります。

リニアレール

リニアレール（リニアガイドとも呼ばれる）は近年のトレンドです。鋼鉄製のレール部分には両側にトラックがあり、その上に配されたスライダーには2組のボールベアリングが内蔵されており、トラックに沿って回転します。産業用3Dプリンターに加え、デスクトップ型3Dプリンターメーカーのハイエンド製品ラインにも、リニアレールを採用するケースが増えています。

どちらも鋼製ですが、実際の使用においては、リニアレールはロッドに比べて曲げや振動の影響を受けにくいという利点があります。これは主に、独自の取り付け方法によるものです。ロッドは両端のみを固定するのに対し、リニアレールは表面に一定間隔で取り付け穴が設けられており、ハウジングやその他の支持構造にしっかりと固定することができます。

これにより、安定した直線運動が確保され、印刷品質が向上すると同時に、高速印刷時の過度な振動を抑制し、速度限界を引き上げることができます。これが、J1が高速印刷を実現できる理由の一つです。

組み立て時に、リニアレールはペアリングすることなく単軸をガイドできるため、スペースと重量を節約し、機械の軽量化とコンパクト化を実現します。また、レールの平行度を気にする必要もありません。

どれも素晴らしいように聞こえますが、落とし穴は何でしょうか？それは価格です。ざっと計算してみると、リニアレール用のスライダーはロッド用のベアリングとほぼ同じ価格ですが、レール自体は同じ長さのロッド2本分の2.5～4倍の値段になります。それに比べると、ロッドは安価で十分な性能です。追加コストと性能向上を天秤にかけると、ほとんどのDIY愛好家はロッドとベアリングを選ぶでしょう。

メンテナンスに関しては、リニアレールも前者と同様に、ベアリングへの定期的な潤滑が必要です。露出したレールも定期的に清掃する必要があります。

利点

• 非常に高い精度。
• 高速印刷をサポートします。
• 設置面積が小さく、使いやすい。

デメリット

• サポート構造として機能することはできず、プロファイルなどにインストールする必要があります。
• 高い。

埋め込みリニアレール

一部のメーカーは、上記のガイドを直接使用するのではなく、技術力の向上や特定の製品への対応を目的として、より優れたソリューションを模索しています。

リニアレールの最大の強みは、スチールレールの高い剛性と、ボールベアリングによる精密でスムーズな動作にあります。これらの利点は、埋め込み型リニアレールでも維持されています。

FUYUはリニアモジュールの製造において、アルミニウム合金ハウジングの内壁に2枚の鋼板を埋め込み、CNC研磨機を用いてミクロンレベルの加工精度でレール状に精密に加工します。また、幅広のレールを採用することで、重量を増やすことなく剛性をさらに向上させ、高出力CNC加工にも適しています。一般的な3Dプリンターでは、これほどの高剛性は求められません。

押出成形品の表面に直接リニアレールを取り付ける場合と比較して、リニアモジュール内にスチールレールを埋め込むことで、レールへの埃の付着を防ぎ、メンテナンス頻度を低減できます。また、モジュールの軽量化とコンパクト化も実現できるため、高価な機械がDIY愛好家の自作のようになってしまうこともありません。しかしながら、リニアレールを埋め込むことは、製造業者にとって大きな製造上の課題を伴い、通常のリニアレールに比べてコスト面でのメリットはありません。

利点

• リニアレールと同じ: 非常に高精度、高速印刷をサポート、設置面積が小さい。
• レールの剛性がさらに向上しました。
• レールが密閉されているためメンテナンス頻度が低くなります。

デメリット

• 高い;
• DIYには適していません。