3Dプリンティング技術は飛躍的に進歩している。ついさっきまで子供を楽しませるための小さな玩具を作る話だったのに、次の瞬間にはマグニチュード8の地震にも耐えられるコンクリートの建物を3Dプリンターで建てたというニュースを目にする。いずれは「3Dプリンターを3Dプリントする」ことも可能になるだろう。

しかし、将来性はさておき、趣味で3Dプリンターを作る人やメーカーにとってより重要なのは、デスクトップ3Dプリンターの種類、印刷速度、価格などです。物事の本質を突き止めるのが好きな人や、3Dプリンターを自作したことがある人なら、きっと「3Dプリンターはどうやって動くのか？」という疑問を抱いたことがあるでしょう。

XYZ、I3、CoreXYは現在、デスクトップ3Dプリンターで最も人気のあるタイプです。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。各軸の一端にはモーターが取り付けられており、動力を供給します。同期ベルトまたはリードスクリューによって、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。最後に、3方向の直線ガイドレールシステムにより、ノズルを軸によって形成される3D空間内の任意の位置に配置し、フィラメントを押し出して3Dオブジェクトを作成できます。

ガイドシステムが重要な理由とは？

ガイドシステムは、印刷時に主に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、ガイドに取り付けら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移動することを保証します。
2. 滑らかさ：ベアリングやローラーとの摩擦を低減し、より滑らかな動作に貢献します。
3. 信頼性：優れた剛性を持つガイド構造は、機械の信頼性を向上させ、長期にわたってより安定した印刷に貢献します。

ガイドシステムの多様性

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以下のようなものがあります。

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

ホイールとプロファイル

ガイド機構の中でも、ホイールとプロファイルの組み合わせは恐らく最も一般的で費用対効果が高いと言えるでしょう。通常、プロファイルのV字型またはT字型の溝に沿って3～4個のローラーが回転し、動きをガイドします。

ホイールの外輪は一般的にPOM（ポリホルムアルデヒド）製で、内輪は鋼鉄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いるため、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製ローラーは何百時間も使用できます。一部のメーカーは、PC（ポリカーボネート）を使用してホイールを製造することもあります。PCはPOMよりも強度が高く、寿命も長いですが、価格はやや高くなります。

直線的な動きを確保するには、ホイールがプロファイルを適切にグリップする必要があります。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。締め付けが強すぎると摩耗が激しくなり、ホイールとレールの間にゴミが溜まってガタガタしたり、不安定な動きの原因となります。そのため、プリンターの動作に合わせてホイールの締め付け具合を調整し、ゴミを取り除き、必要に応じてホイールを交換する必要があります。他のガイドと比較すると、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い。動作中のホイールの変形は避けがたいため、ホイールを使用するプリンターは、一般的にスチールガイドを使用するプリンターに比べて精度が低い。

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。名前が示すように、両者の主な違いは断面形状です。異なるプロファイルは、異なるホイールと組み合わせることで、良好な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、安価であり、十分な性能を備えているため、ホイールとプロファイルの組み合わせは、多くのDIY 3Dプリンター製作において最良の選択肢となっている。

利点

• 優れた誘導性能、安価で便利。
• 豊富な選択肢があり、広く利用可能。
• 設置、使用、変更が容易。

デメリット

• 精度が低い。
• 振動を受けやすい。
• より頻繁なメンテナンスが必要となる。

直線ロッドとベアリング

ホイールガイドやプロファイルガイドの限界から、DIY愛好家やメーカーは、より優れた精度と安定性を備えた別の組み合わせ、すなわち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、ロッ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個のベアリングが必要です。ベアリングはロッドに巻き付くか、またはロッドに密着し、エクストルーダーまたは加熱ベッドが取り付けられたキャリッジに接続して、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）とは、円筒形の鋼棒のことで、様々なサイズが用意されています。3Dプリンターでは通常、直径8mmのものが使用されます。ロッドは高精度に加工でき、表面は非常に滑らかです。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できます。

そして、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、ベアリングは直線的に動くだけでなく、シリンダーを中心に360°回転することもできます。そのため、押出機や加熱ベッドが直線的に動くように、ベアリングを別の平行なロッドのベアリングに取り付ける必要があります。2本のロッドを平行に保つのは、特にDIY愛好家にとっては難しい場合があります。

つまり、シャフトガイドを使用すると、精度と安定性が向上する一方で、設置面積と重量が大きくなり、組み立ての難易度も高くなるというデメリットがあります。

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、すべて鋼鉄製の直線ベアリングです。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。直線ベアリングは、外側に円筒形のスリーブがあり、内側に複数のボールが並んでいて、シャフトに沿って回転します。どちらも、摩擦を最小限に抑えながらスムーズなガイド動作を実現します。

ロッドとベアリングは長寿命で、ロッドに付着した汚れを時々清掃し、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められている場合は、ハウジングを分解してベアリングに潤滑油を塗布するのは簡単です。ただし、長期間使用後に摩耗したベアリングを交換するのは、やや手間がかかる場合があります。

利点

• 優れた誘導性能、高精度、手頃な価格。
• 豊富な選択肢があり、広く利用可能。
• メンテナンス頻度が低い。

デメリット

• 密閉状態になると、設置面積と重量が大きくなる。
• 並列処理は問題となる可能性がある。
• ベアリングの交換は難しい作業になることがある。

直線レール

リニアレール（リニアガイドとも呼ばれる）は、近年注目を集めている。スチール製のレール部分には両側にトラックがあり、その上に配置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する。産業用3Dプリンターに加え、デスクトップ型3Dプリンターのメーカーも、ハイエンド製品ラインにリニアレールを採用するケースが増えている。

どちらも鋼鉄製ですが、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がり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、リニアレール独自の取り付け方法によるものです。ロッドは両端のみで固定されますが、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、筐体やその他の支持構造物にしっかりと固定できるようになっています。

これにより、一方では安定した直線運動が確保され、印刷品質が向上する。他方では、高速時の過度な振動を抑制することで速度限界が引き上げられる。これが、J1が高速印刷を実現できる理由の一つである。

組み立て時、リニアレールはペアリングなしで単一軸をガイドできるため、スペースと重量を節約し、機械をより軽量かつコンパクトにすることができます。また、レールの平行度を気にする必要もありません。

どれも素晴らしい話に聞こえるが、落とし穴は何だろうか？それは価格だ。概算すると、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だが、レール自体は同長のロッド2本分の約2.5～4倍の値段になる。それに比べれば、ロッドは安価で十分な性能を備えている。追加コストと性能向上を比較検討すると、ほとんどのDIY愛好家はやはりロッドとベアリングを選ぶだろう。

リニアレールのメンテナンスは、前述のレールと同様で、ベアリングへの定期的な潤滑が必要です。露出したレールは、時折清掃する必要もあります。

利点

• 非常に高い精度。
• 高速印刷に対応しています。
• 省スペースで使いやすい。

デメリット

• 支持構造物としては機能せず、プロファイルなどに設置する必要がある。
• 高い。

埋め込み式リニアレール

上記のガイドラインをそのまま利用する代わりに、一部のメーカーは、技術力の向上や特定の製品への対応を目的として、より良い解決策を模索している。

リニアレールの最大の強みは、鋼製レールの高い剛性と、ボールベアリングによって実現される正確で滑らかな動きにあります。これらの利点は、埋め込み式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を製造する際、アルミニウム合金製ハウジングの内壁に2本の鋼板を埋め込み、ミクロンレベルの加工精度でCNC研削加工によりレール状に成形します。また、埋め込みレールの幅を広げることで、重量を増やすことなく剛性をさらに向上させ、高出力CNC加工により適した形状を実現しています。これは、一般的な3Dプリンターではそこまでの極めて高い剛性を必要としないためです。

押出成形品の表面にリニアレールを直接取り付ける場合と比較して、スチールレールをリニアモジュール内部に埋め込むことで、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小型化も実現し、高価な機械がDIY愛好家の作品のように見えてしまうことを防ぎます。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課題となり、通常の直線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

• リニアレールと同様：非常に高い精度、高速印刷に対応、設置面積が小さい。
• レール剛性がさらに向上した。
• 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。