3Dプリントでは、球体や球状のオブジェクトが難しい形状になることがあります。3Dプリントで球体をよりきれいに仕上げるためのヒントをご紹介します！
FDM（熱溶解積層法）3Dプリンターは、X、Y、Z軸上でノズルを移動させ、特定の位置にフィラメントを押し出しながら、少しずつ層を積み重ねて造形します。
FDMプリントは、初心者でも扱いやすいなど多くのメリットがありますが、積層造形という仕組みにはいくつかの制約もあります。
FDM 3Dプリンターの大きな欠点の一つは、Z軸と交差する曲面に「段差」が発生することです。
また、Zシームや不均一な押し出しなど、プリント品質を制限する要因もあります。
特に球体は、3Dプリントが難しい形状の一つです。曲面が多いため、積層による段差の影響を受けやすくなります。
さらに、造形にサポート材が必要な場合は、球体の滑らかな曲面上にサポート痕が残ってしまうため、より難しくなります。
これらの要因により、通常よりも粗い表面仕上げになる可能性があります。
FDMでプリントした球体を完全に滑らかに仕上げることは難しいものの、いくつかの方法によって欠陥を最小限に抑え、できるだけきれいな表面を得ることができます。
この記事では、FDM 3Dプリンターで球体をプリントする際のいくつかのポイントをご紹介します。
設計
球体をプリントする最初のステップは、適切に設計することです。実際には、2つの方法があります。球体を2つに分割する方法と、1つのパーツとして維持する方法です。
球形を半球に分割すると、サポート材を使わずにプリントできるため、造形が大幅に簡単になります。ただし、後で2つを接着する必要があるため、後処理の時間が増えるほか、プリントベッドとの接触面で反りが発生する可能性にも注意が必要です。
球形状がより大きなデザインの一部である場合は、パーツを個別にプリントし、後から接続できるように設計することを検討してください。
または、球形状をモデル内にそのまま残し、スライス時に向きを慎重に検討する方法もあります。
球形オブジェクトを2つに分割するのは非常に簡単です。
まず、お好みの3Dデザインソフトを開き、球形オブジェクトの中心点を見つけます。
次に、分割ツール（平面または2Dスケッチ）を使用してモデルを2つに分割します。
最後に、それぞれのパーツを個別にエクスポートしてプリントします。
ノズルが各パーツ間を移動する際のリトラクションの問題を避けるため、半球は1つずつプリントするのがおすすめです。
球形状を1つのソリッドとして維持する場合、特別な設計準備は必要ありません。
通常どおりモデルをエクスポートしますが、スライサーで球体の底部にあるオーバーハングに対処する必要があることを覚えておいてください。それでは、スライサーの設定について見ていきましょう！
スライス
モデルのスライスは、球体をプリントするための次の重要なステップです。スライサーの設定を調整することは、プリントを成功させるための重要なポイントです。
プリントベッド上でより滑らかに仕上げることができれば、研磨や後処理にかかる時間を減らすことができます。
より滑らかな球体をプリントするために、非常に一般的でありながら効果的な設定の一つが、レイヤー高さを小さくすることです。
簡単に言えば、より高い解像度では曲面をより多くのレイヤーで形成するため、積層による段差が目立ちにくくなります。
同じ高さを造形するために必要なレイヤー数が増えるためプリント時間は長くなりますが、この簡単な設定変更によって得られる滑らかな表面は、それだけの価値があります！
Curaの「Adaptive Layers（適応型レイヤー）」などの機能を使用すれば、より細かなディテールと高速なプリントを両立することもできます。この設定は他のスライサーにも搭載されていますが、名称が異なる場合があります。
簡単に言えば、この機能はスライスしたモデル全体のレイヤー高さを変化させ、ディテールの少ない部分では厚く高速なレイヤーを使用し、ディテールの多い部分では薄いレイヤーを使用します。
これは球体に特に有効です。レイヤー高さを滑らかに変化させることで、段差を減らしながら、より自然で丸みのある外観に仕上げることができます。
球体をプリントするうえで重要なのがサポート材です。理論上、完全な球体はプリントプラットフォームと1点でしか接触しません。
しかし、3Dプリンターは空中にプリントすることができないため、球体の底部を支えるサポート構造が必要になります。そうしなければ、球体は転がってしまいます。
モデルを半分に分割すれば、この問題を避けることができます。各半球を平らな底面からプリントできるためです。
通常、サポート材を取り除くと、跡が残ったり表面が粗くなったりすることがあります。
球体の表面への影響をできるだけ減らすには、サポート材とオーバーハング部分との距離を広げてみてください。（Curaでは「サポートZ距離」と「サポートX/Y距離」が該当する設定です。）
ラフトやブリムを使用するのも良い方法です。球形パーツのベッドへの密着性をさらに高めることができます。
サポート構造やプリントベッドに接触する球体の周囲にラフトやブリムを配置することで、造形物をベッドにしっかり固定できます。
これは重要なポイントです。ブリムやラフトがない場合、サポート構造がプリント途中で倒れてしまう可能性があります！
インフィルと外壁はプリントの主要部分で、それぞれ内部の充填と外側の表面を構成します。
球体の表面の見た目に対して、インフィルと外壁の数はそれほど重要ではありませんが、パーツの用途に応じて設定する必要があります。例えば、これらの設定は光がオブジェクトを透過する方法に影響するため、月型ランプなどをプリントする場合に役立ちます。
インフィルについては、パーツに内部構造の強度が必要ない限り、通常より低いインフィル密度を使用できます。これにより、インフィルパターンが壁面に透けて見えるリスクを抑えることができます。また、インフィル密度を下げることでプリント時間も短縮できます。
ある程度の透明感を出したい場合は、外壁の数を少なくしてみてください（約2層）。
ただし、外壁やインフィルが少なすぎると、インフィルの隙間と外壁が交差する部分でたわみが発生する可能性があります。
これを防ぐため、インフィル密度が約10％以下の場合は、3層以上の外壁を使用することを検討してください。頑丈な表面とより強度の高いパーツにしたい場合は、外壁の数を増やしてください。
球体の場合、その用途に関係なく、壁の層数とトップレイヤー・ボトムレイヤーの数を常に同じにしてください。これは、一方の数値がもう一方より大きいと、球体の重量バランスが不均一になる可能性があるためです。
球形パーツが完全な球体ではない場合は、パーツの向きについても考慮する必要があります。
パーツを2つに分割できない場合、下半分には大量のサポート材が必要になります。そのため、サポート材を取り除く際に細部を傷つける可能性があることを覚えておいてください。
球体がより大きなモデルの一部である場合は、モデルの配置を調整して、球体自体に必要となるサポート材をできるだけ減らすようにしてください。
スライサーの設定では、花瓶モードやスパイラルモードなどの類似したモードを使用することもおすすめです。花瓶モードは中空のオブジェクトの外周をスパイラル状にプリントするため、円柱やその他の中空で円形の形状に適しています。これにより、材料の使用量とプリント時間も削減できます。ただし、サポートを有効にすることを忘れないでください。そうしないとプリントに失敗する可能性があります。
プリント
実際に球形オブジェクトをプリントする際に説明することはそれほど多くありませんが、プリントを開始する前に、プリンターの定期的なメンテナンス状態を確認してください。
ベルト、ノズル、プリントベッドなどが正常に動作していることを確認しましょう。
球形状が卵のような形にならないようにするため、X軸とY軸のベルトが適切に張られていることを必ず確認してください。
ベルトが緩んでいると、プリントヘッドやプリントベッドの動きに遊びが生じるため、完璧な円形が少し楕円形に見えてしまうことがあります。
また、ノズルがきれいで詰まりがないことを確認してください。ノズルが詰まっていると、押し出しが不均一になり、表面品質が悪化する可能性があります。
どのようなプリントでも、開始前にプリントベッドをレベリングして、最初のレイヤーがきれいかつ均一にプリントされるようにしてください。
最後に、球形オブジェクトをABSなどの材料でプリントすることも検討してください。
PLAなどの他の材料でもプリントの成功率は同程度と考えられますが、ABSには簡単なレイヤー平滑化の方法があるため、より美しい仕上がりになる可能性があります。
デュアルエクストルーダー搭載の3Dプリンターを使用している場合は、PVAなどの水溶性材料でサポート材をプリントすることも試してみてください。これにより、サポート材を取り外す際の表面へのダメージを避けることができます。
後処理
最後に、球体の後処理を行います。幸いにも、プリント物、材料、設備、経験レベルに応じて、さまざまな後処理方法があります。
球体の場合、研磨、溶剤処理、ポリッシング、コーティングなどが良い選択肢です。
最初に行うべきことは、プリントしたモデルからすべてのサポート材を取り除くことです。カッターなどを慎重に使用して、モデルに付着している最後のサポートの破片まで取り除きます。
モデルを2つに分けてプリントした場合は、サポート材を取り除く必要がない場合もあります。その代わりに、強力接着剤や3Dペンなどの接着手段を使用して半球同士を接合できます。
2つの半球を均一につなげるため、位置合わせはできるだけ正確に行ってください。
次に、粗い番手から細かい番手へとサンドペーパーを使ってモデルを研磨します。
2つの半球パーツを接着した場合は、接合部分を滑らかにし、球体全体を均一に研磨して、できるだけきれいな表面仕上げを目指してください。
ABSでモデルをプリントした場合は、アセトンなどの溶剤を使用して、滑らかで光沢のある表面に仕上げることができます。
溶剤によって表面がわずかに溶け、各レイヤーがなじむことで、目立つ積層痕を取り除くことができます。
PLAでプリントしたパーツの場合は、XTC-3Dなどのエポキシコーティングを使用して、モデルの表面を滑らかに仕上げることができます。
最後に、モデルを研磨、塗装、コーティングして、仕上げを行うことができます。
球体を塗装することで、表面に残った細かな欠陥を隠したり、ディテールを追加・強調したり、色を変更したりできます。
滑らかで光沢のある仕上がりにするには、回転工具を高速で使用して研磨剤を磨き込む方法を試してみてください。手作業で研磨することもできます。
以上が、どの角度から見ても美しい球形オブジェクトをプリントする方法です！
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