材料の無駄をなくそう：3Dプリントのインフィルパターンを理解し、より強く軽い部品を作る
多くの従来の製造技術とは異なり、3Dプリントでは部品の最も重要な2つの要素である外壁とインフィルを精密に制御できます。インフィルの密度やパターンの設定が適切でないと、材料の無駄、造形物の破損、造形時間の長期化につながります。
厚さにかかわらず、外壁は部品の最外層を構成し、インフィルはその内部を満たす材料です。外壁で調整できる範囲は限られていますが、インフィルはより柔軟に設定でき、部品の強度、重量、構造、浮力など、さまざまな特性に重要な役割を果たします。
3Dプリントでは、これらの特性をスライスソフトのパラメーターで制御します。特に重要なのが、インフィル密度（0%～100%）とインフィルパターン（通常は複数の形状から選択可能）の2つです。
どのような選択肢があり、3Dプリント部品にどう活用できるのかを見ていきましょう。
インフィル密度とは？
インフィル密度とは、部品内部がどの程度「満たされているか」を示す値です。スライスソフトでは0%～100%の割合で定義され、0%は中空、100%は完全な中実を意味します。想像できるとおり、部品の重量に大きく影響しますが、中実であれば必ず最も強くなるとは限りません。
密度は造形時間、材料消費量、さらには浮力にも影響します。一部のスライスソフトでは、1つの部品内でインフィル密度を変える「可変インフィル密度」を設定できます。これにより、すべての領域の重量を増やすことなく、必要な箇所だけインフィルを増やして補強できます。
インフィル密度は何%に設定すればよい？
インフィル密度は部品に求められる条件に応じて選びますが、密度だけで強度が決まるわけではありません。材料、造形方向、壁の厚さ、インフィルパターン、荷重の方向や種類も同様に重要です。
インフィル密度を100%にすると内部の材料量を最大にできますが、造形時間と材料消費量が大幅に増え、実際に必要となるケースは多くありません。部品全体を完全な中実にするよりも、壁を追加したり、局所的なインフィルモディファイアを使ったりして高荷重のかかる領域を補強するほうが、一般的に効率的です。
フィギュアなどの展示用モデルは、通常5%～15%程度の比較的低いインフィル密度で造形できます。形状によっては完全な中空（インフィル密度0%）も可能ですが、上面や緩やかな傾斜面をきれいに造形するには、内部の支えが必要になる場合があります。
リトファンは特殊な例です。画像部分に均一に光を通す必要があるため、通常はほぼ中実、または完全な中実で造形します。モデルによっては、壁を十分に密に配置することでも同じ効果を得られます。
ねじ部や締結部品では、穴やボスの周囲に材料を追加する必要がある場合もありますが、必ずしもモデル全体をインフィル密度100%にする必要はありません。
TPUなどの柔軟な材料では、インフィル密度が完成品の感触を調整する重要な手段となります。一般的に、密度が低いほど大きく変形しやすくなり、密度を上げると部品は硬く、圧縮されにくくなります。壁の厚さ、インフィルパターン、TPU自体の硬度も大きく影響するため、すべての柔軟な造形物に適した一定のインフィル密度はありません。
スライスソフトのプリセットとBambu Studioのインフィル設定
現在の多くのスライスソフトには、さまざまな造形ニーズに合わせて最適化された密度のプリセットが用意されています。これらを使えば、すべての設定を手動で調整しなくても、適切な造形パラメーターをすばやく選択できます。
例えば、Bambu Studioでは「スパースインフィル密度」の項目でインフィル密度の割合を設定します。また、推奨のインフィルパターンが組み合わされた造形モードも用意されており、スライス処理の速さを優先したい場合に便利です。これらのモードは、さまざまな設定を変更することで、インフィル密度や造形物の強度に間接的な影響を与えます。
3Dプリントではどのインフィルパターンを選ぶべき？
部品の要件に最も適したパターンを選べるよう、よく使われる選択肢を以下にまとめました。相対的な強度、強度を発揮する方向や平面、材料効率、造形時間、主な用途に基づいて分類しています。
フィギュアや展示品向けのインフィルパターン
| パターン | 強度 | 材料使用量 | 造形速度 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| ライン | 非常に低い（X軸またはY軸方向） | 少ない | 速い | 試作品、形状確認用の造形 |
| グリッド | 低～中程度 | 少～中程度 | 中程度 | 密度に応じて、試作品から機能モデルまで対応 |
| ライトニング | 低い（必要な箇所のみ強度を確保） | 少ない | 速い | 試作品、装飾モデル、外殻のみの設計 |
| ボロノイ | 高い（有機的で不均一） | 少ない | 遅い | 保護ケージ、ランプシェード |
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ライン
ラインインフィルは、層ごとに方向を切り替えながら、1つの方向（X軸またはY軸）に線を造形するパターンです。二次元方向にのみ強度を持ち、すばやい造形に適していますが、すべてのパターンの中でも強度が低い部類に入ります。材料使用量が少なく、軽量なのが特徴です。簡易的なスマートフォンスタンドや部品のラフモデルなど、初期の試作や形状確認用の造形に最も適しています。
グリッド
グリッドインフィルは、初期設定としてよく使用されます。見た目はラインに似ていますが、層ごとに一方向の線を配置するのではなく、各層に二次元の格子状の線を配置する点が異なります。材料使用量と造形時間はどちらも中程度で、壁面取り付け用ブラケット、カメラやその他の筐体用の支持部品によく使われます。
ライトニングパターン
このパターンは、主に最上層やオーバーハングの下など、構造上必要な箇所に材料を集中させて内部を支えるよう設計されています。その結果、稲妻に似た樹状の構造が形成されます。造形時間と材料使用量を大幅に削減できるため、試作品、装飾モデル、内部強度をあまり必要としない外殻の設計に適しています。
ボロノイ図
ボロノイは、特定の点群に対する各点の近さに基づいて空間を領域に分割する幾何学構造です。蜂の巣や骨格など、自然界の形態に似た有機的な形状を生み出します。他のパターンとは異なり、通常はスライスソフトで直接適用するのではなく、別のソフトであらかじめモデルの形状を変更する必要があります。
一般的な造形向けのインフィルパターン
| パターン | 強度 | 材料使用量 | 造形速度 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| ハニカム | 高い（2D） | 中程度 | やや速い | ドローンの機体、構造パネル |
| グリッド | 中程度（2D） | 中程度 | 中程度 | 壁掛けブラケット、筐体 |
| 三角形 | 中～高程度（2D） | 中程度 | 中程度 | 筐体用の平らな蓋 |
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ハニカム
ハニカム構造は力を均等に分散できるため、重量をあまり増やさずに中程度の強度を確保したい造形物に適しています。例えば、ドローンの機体、耐久性が求められるスケートボード部品、構造パネルなどに使用できます。
三角形
三角形パターンは、XY平面上の3方向の線で構成されます。筐体の平らなカバーなど、平面内で高い剛性が必要な部品に適しています。
機能部品向けのインフィルパターン
| パターン | 強度 | 材料使用量 | 造形速度 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| トライヘキサゴン | 高い（2D） | 中程度 | 中程度 | スピーカーグリル、装飾カバー |
| キュービック | 高い（3D） | 中～多め | 中程度～遅め | ドローンのアーム、構造用接続部品 |
| キュービックサブディビジョン | 高い（必要な箇所で三次元的な強度を確保） | 中程度 | 中程度 | 大型部品、厚肉の筐体、工具箱の蓋 |
| クォーターキュービック | 高い（3D） | 中程度 | 遅い | 薄肉部品、ロボットの筐体、部品間のスペーサー |
| ジャイロイド | 高い（等方性） | 中程度 | 中程度 | 義肢、風洞用構造物 |
| オクテット | 高い（3D） | 多い | 遅い | モーターブラケット、治具・固定具 |
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トライヘキサゴン
トライヘキサゴンインフィルは、XY平面上の3方向の線で構成され、六角形の間に三角形が配置されるパターンです。二次元方向の強度を確保しながら、視覚的にも特徴のある形状となるため、スピーカーグリルや装飾性のある電子機器の筐体などに適しています。
キュービック
キュービックパターンは三次元方向に優れた強度を持ちますが、他のパターンよりも材料と時間を必要とします。ドローンのアーム、構造用ジョイント、コネクターなど、多方向からの応力を受ける機械部品に適しています。
キュービックサブディビジョン／アダプティブキュービック
基本的にはキュービックパターンをより賢くしたもので、強度を維持しながら材料使用量を減らし、造形速度を向上させます。異なる大きさの立方体で構成され、部品の中心には大きな立方体が配置されます。Bambu StudioやPrusaSlicerなどのスライスソフトでは、このパターンは「アダプティブキュービック」と呼ばれています。
クォーターキュービック
四面体と切頂四面体で構成され、高強度のインフィル層を形成し、大きな荷重を効果的に分散します。ロボットの筐体や部品間のスペーサーなど、高い強度を必要とする薄型の機能部品に適しています。
ジャイロイド／Gyroid
らせん状のインフィルパターンが三次元空間で壁面をつなぎ、全体として比較的バランスのよい強度を確保します。連続した複雑な曲面で構成され、義肢、自転車のハンドル、風洞用構造物など、強度、材料使用量、造形時間のバランスを重視する用途によく使われます。
八面体
八面体インフィルは三次元のパターンで、見た目が美しいだけでなく、高強度の部品にも適しています。例えば、モーターブラケット、3Dプリンターの部品、作業場で使う治具や固定具などに使用できます。
柔軟な造形物向けのインフィルパターン
| パターン | 強度 | 材料使用量 | 造形速度 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 同心円 | 低い（Z軸方向のみ剛性あり） | 少ない | 速い | 透明部品、TPUガスケット、ダンパー、ウェアラブル機器のリストバンド |
| クロス | 高い（2D） | 中程度 | 中程度 | 人間工学に基づくグリップ、柔軟なスマートフォンケース、押しつぶせるボタン |
| クロス3D | 高い（三次元方向に柔軟） | 中程度 | 中程度 | アート照明、装飾用の花瓶、柔軟な造形部品 |
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同心円インフィル
同心円インフィルは、部品の輪郭に沿った同心状の線で構成されます。造形速度が速く、多くのパターンよりも材料消費量が少ないのが特徴です。TPUガスケット、ダンパー、ウェアラブル機器の時計バンドなどによく使われます。
クロス
クロスは柔軟な材料に適しており、部品内部に十字形の構造を形成します。長い直線がないため曲げたりねじったりしやすく、人間工学に基づくグリップ、柔軟なスマートフォンケース、押しつぶせるボタンなどによく使われます。
クロス3D
クロス3Dは、あらゆる方向により柔らかく、弾力性にも優れていますが、スライス処理に時間がかかるという欠点があります。また、頻繁なリトラクションが不要なため、柔軟なフィラメントにも適しています。
3Dプリントのインフィルでよく起こる不具合と対処法
インフィルのパターンと密度は強度の向上に役立ちますが、設定が適切でないと問題を引き起こすこともあります。ここでは、よくある症状とその対処法を紹介します。
インフィル密度が低すぎると、内部構造が最上層を十分に支えられず、表面の凹凸、たるみ、ピローイングが発生することがあります。インフィル密度を上げるか、一定間隔でソリッド層を挿入することで対処できます。
インフィルの線が細く弱くなったり、途切れたり、不完全になったりする場合は、押し出し不足が原因であることが多くあります。インフィルの造形速度を下げるか、押し出し幅を広げるとともに、PTFEチューブに詰まりがないかも確認してください。
インフィルが壁面に十分に接着しないと、部品内部の強度が低下します。壁面とインフィルの重なり量を増やすことで対処できます。例えばBambu Studioでは、初期値の15%から20%程度へ調整できますが、高くしすぎると外観不良につながる場合があります。
荷重を支える部品に、ラインやライトニングなど、造形は速くても強度が低いパターンを使うと、構造が破損する可能性があります。高い強度を必要とする部品には、キュービックやGyroidなどの三次元インフィルを検討してください。
インフィルが層ごとに揃わなかったり、ずれて見えたりする場合は、ベルトの緩み、プーリーの不具合、造形速度や加速度の設定が高すぎることが原因として考えられます。ベルトなどの張り具合を確認し、速度と加速度を適度に下げてください。
可変インフィル設定：本当に必要な箇所だけを補強する
インフィル密度は、モデル全体で均一にする必要はありません。多くのスライスソフトでは、選択した領域のインフィル密度や壁の数などを変更できます。これにより、造形物全体の密度を上げずに、必要な箇所だけ材料を増やせます。
Bambu Studio
Bambu Studioには、これを実現するための実用的な方法が2つあります。「高さ範囲モディファイア」では、モデルの指定した高さ範囲内で、スパースインフィル密度などの設定を上書きできます。例えば、造形物の下半分をインフィル密度10%にし、指定した高さより上を50%に引き上げることができます。
より精密に局所補強を行うには、モデルにモディファイア用の立体形状を追加する方法もあります。取り付け箇所、ねじボス、その他の選択した領域に立方体などを配置し、モディファイアとモデルが重なる部分だけ、スパースインフィル密度や壁の数などを変更できます。
Bambu Studioには、アダプティブキュービックインフィルも搭載されています。立方体構造の大きさを自動で調整し、モデルの表面に近い部分では密度を高く、内部の奥まった部分では低くします。サポートキュービックインフィルも同様の原理に基づきますが、主な目的は、内部の上面に近づくほど密度を高めて支えることです。
PrusaSlicer
PrusaSlicerでも、高さ範囲モディファイアで特定のZ範囲の設定を変更できます。また、モディファイアメッシュによる局所的な変更にも対応しており、高荷重のかかる領域の周囲だけインフィルを増やしたり、外周を追加したりできます。
PrusaSlicerのアダプティブキュービックインフィルは、モデル表面の近くでは細かいセルを、中心部では大きなセルを使用します。これにより、上層を支えながら材料使用量を削減できます。
Cura
Curaでも、モディファイアメッシュを使って選択した領域に異なる設定を適用できます。サポートブロッカーと「モデルごとの設定」を組み合わせることで、モデルと重なる領域のインフィル密度などを局所的に変更できます。
Curaには、最上面からの距離が大きくなるにつれて、インフィル密度を段階的に下げる機能もあります。最上層の直下では高い支持密度を維持しながら、材料と造形時間を節約できます。
インフィルの積層厚と角度
一部のスライスソフトでは、インフィルの積層厚をモデルの壁面とは別に設定できます。インフィルの積層厚を増やすと、複数のインフィル層をまとめて造形することで造形回数を減らし、時間を短縮できます。通常の積層ピッチと同じ厚さに設定した場合は、すべての層でインフィルが造形されます。
インフィルが機械的特性に与える影響は、材料、パターン、形状、荷重によって異なります。そのため、この設定の変更が、強度を高めるための万能な方法になるわけではありません。
インフィルの方向も機械的特性に影響します。例えば、+45°と−45°のように方向を交互に切り替える設定は、XY平面内で比較的バランスのよい性能を得るためによく使われます。
一方、主な荷重方向が分かっている場合は、押し出し経路をその方向に近づけることで、その方向の強度が向上する可能性があります。そのため、機能部品を設計する際は、インフィルの角度だけでなく、部品の向きや外周の配置も考慮する必要があります。
インフィルアート：モデル内部に隠すだけではないInfillの活用
インフィルパターンは、モデルの内部に隠すだけでなく、造形物の外観の一部としても活用できます。Gyroid、三角形、ハニカムなどの幾何学構造を使えば、ジュエリー、アクセサリー、照明、展示品に適した装飾的な格子模様を作れます。
上面または底面のソリッド層数をゼロにすると、その面のインフィルを露出させることができます。また、壁の厚さや外周の数を減らすと、側面のインフィルを見せることができます。
デザインによっては、小径ノズルを使うことで、より細かな格子のディテールを再現できます。ただし、インフィルアートに最適なノズル径や材料の色が1つに決まっているわけではありません。パターン、密度、方向、材料の色、半透明性、周囲の外殻を調整することで、さまざまな視覚効果を生み出せます。