【3Dプリント知識】FDM 3Dプリントで熱成形用型を作成するための活用ガイド

熱成形用金型の製作には、さまざまな製造方法があり、溶融積層造形（FDM）3Dプリントもその一つです。これまでの記事では、SLAおよびSLSを使用した熱成形用金型の製造技術、そのメリットや用途についてご紹介しました。

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1) SLS 3Dプリントによる熱成形用金型の活用ガイド
2) SLA 3Dプリントによる熱成形用金型の活用ガイド

本記事では、フィラメント3Dプリントを使用して熱成形用金型を製作するメリットについて、より詳しくご紹介します。また、ベストプラクティスや役立つヒントも解説します。この技術の可能性と熱成形業界での活用方法を理解することで、用途に最適な金型製造方法を選択するための判断材料としてお役立ていただけます！
 

前回までの記事と同様に、まずはこの技術がどのようなものなのかをご紹介します！

フィラメント3Dプリントとは？
フィラメント3Dプリントは、熱可塑性材料の連続したフィラメントを使用して3Dオブジェクトを造形する積層造形技術です。材料を1層ずつ溶融・押し出しながら、下から上へと造形物を作り上げていきます。

フィラメント3Dプリントの技術は、FDM（溶融堆積モデリング）またはFFF（溶融フィラメント製造）と呼ばれています。現在では、ほぼ同じ製造プロセスを指すため、これら2つの用語は互換的に使用されています。

他の積層造形技術と比較すると、FDMで製作したパーツはより短時間かつ低コストで生産できますが、品質や性能には違いがあります。また、FDM 3Dプリンターはさまざまな材料に対応しているため、幅広い用途に活用できます。

熱成形用金型の設計と製造
以下は、フィラメント3Dプリントを使用して熱成形用金型を設計・製造する際に注意すべきポイントと推奨方法です。

レイヤー高さ
すべての3Dプリント技術と同様に、レイヤーが薄いほど表面は滑らかになります。フィラメント3Dプリント技術で熱成形用金型を製作する場合、わずかな積層痕のテクスチャーを持つ金型を作るため、0.1～0.2 mmのレイヤー高さを推奨します。これにより、脱型作業が大幅に容易になります。

垂直な壁を持たない大型のプロトタイプ金型を製作する場合は、レイヤー高さを大きくすることもできますが、必ず事前にテストすることをおすすめします。

金型の抜き勾配
最適な成形・脱型性能を得るため、金型の抜き勾配は少なくとも5°にすることをおすすめします。ただし、フィラメント3Dプリントで製作した金型は表面に積層痕が多く、滑らかな表面の金型と比較して脱型が難しくなります。金型の抜き勾配を大きくできない場合は、成形前に金型表面を研磨または平滑化することを検討してください。

ノズル径
多くのフィラメント3Dプリンターには、標準で0.4 mmのノズルが搭載されています。高精度や小さなデザイン形状を持つ小型金型を製作する場合は、0.25 mmのノズルを使用できます。一方、大型でシンプルな金型を製作する場合は、0.8 mmの大型ノズルへの変更を検討するとよいでしょう。これにより、3Dプリント速度が向上し、より耐久性の高い金型を製作できます。

シェル厚さ
大型で中空の金型は、圧力や熱が加わった状態で成形すると変形しやすく、特にMultiplierのような強力な圧力成形機を使用する場合には注意が必要です。金型の強度を高めるため、シェル厚さを3～5 mmにすることをおすすめします。最適な厚さを見つけるため、異なる厚さでテストすることをおすすめします。

熱成形用金型を製作する際、上部の厚さは非常に重要です。これは、熱可塑性プラスチックシートと最も長時間接触する部分だからです。圧力や熱による変形を防ぐため、上部の厚さを増やし、垂直壁の厚さと同程度にすることを検討してください。

インフィル密度
インフィル密度が高いほど、パーツの耐摩耗性が高くなります。あらゆるプロジェクトに適した設定として、50%のインフィル密度を推奨しますが、事前にテストすることを強くおすすめします。

高いインフィル密度にすることで、パーツが圧力や熱に耐えられる十分な強度を確保できるだけでなく、パーツを繰り返し使用できるため、多数のテストを行う必要があるプロジェクトに特に適しています。

通気孔のサイズ
テーパー状の通気孔を使用することをおすすめします。金型表面側の通気孔の直径は0.4 mm以下、金型底部側の直径は2 mm以下にしてください。

大きなノズルや複合材料を使用すると、3Dプリンターの公差に若干の影響が生じる場合があります。そのため、標準設定でプリントした際に通気孔が塞がれていないことを確認するため、使用する3Dプリンターで事前にテストすることをおすすめします。

ドラフトシールド
エンジニアリング材料を使用して3Dプリントで熱成形用金型を製作する場合、3Dプリントモデルを準備する際にドラフトシールドを追加することをおすすめします。これにより反りを抑え、パーツ全体の品質を向上させることができます。

おすすめのフィラメント材料
フィラメント3Dプリントで熱成形用金型を製作する場合、Ultimakerのナイロンなどのエンジニアリング材料をおすすめします。これらの材料は、高い熱安定性、より高い熱変形温度、高い引張強度を備えています。

ABS、PETG、HIPSなどの他のフィラメント材料で製作した熱成形用金型も、Mayku FormBoxなどのMayku 3D成形機と互換性がありますが、これらは主に初期プロトタイプの製作に適しています。最終的な金型にはエンジニアリング材料を使用することをおすすめします。エンジニアリング材料は、より優れた機械的特性を備えているためです。