3Dプリントのインフィル: パターン、密度、そしてジャイロイド
インフィルとは、スライサーがパーツの壁の内側に印刷する内部格子のことです。シェルが表面を作り、インフィルが中身を完全に埋めることなくパーツに実体を与えます。密度のパーセンテージで設定しますが、選ぶパターンはその数値と同じくらい重要です。
パーセンテージの意味
0%は中空、100%は樹脂の無垢材です。無垢である必要のあるものはほとんどなく、完全に中空にすべきものもほとんどないため、実用的な範囲はその中間にあります。
このパーセンテージは、目視で確かめられる体積充填率ではありません。20%なら、スライサーは内部のおよそ5分の1が樹脂になるように格子の間隔を決めます。パターンはそれらのラインの配置を決め、その配置が荷重を受けたときのパーツの挙動を変えます。
密度のトレードオフ
インフィルを1ポイント増やすごとにフィラメントと時間を消費し、重量と剛性が得られます。この関係は線形ではなく、ダイヤルの後半分はほとんど無駄です。
- 10-15% - 展示用の作品、胸像、コスプレ小物、見た目だけ確認したいプロトタイプ。10%の胸像は40%のものに比べてわずかな時間とグラム数で印刷でき、棚に置いてある限り違いは決してわかりません。
- 20-40% - 実用パーツの標準。ブラケット、筐体、治具、おもちゃ、家庭用パーツの大半。一般的な用途なら20%で十分で、頻繁に手荒く扱われたり中程度の荷重を受けたりするパーツなら40%に近づけます。
- 50%以上 - 本物の機械的荷重: ギア、モーターマウント、工具の本体、ボルト留めされて応力を受けるものすべて。50%を超えると、得られるものが減っていく割に多くの樹脂を費やすことになります。
見落とされがちな点があります。20%から40%への引き上げは実際の剛性を追加します。しかし60%から80%への引き上げは、ほとんど何の見返りもなく樹脂と印刷時間を追加するだけです。ある点を超えると、荷重を支えるのは格子ではなく、壁と上下のレイヤーだからです。
そのため、パーツが弱いと感じたら、インフィルを上げる前にペリメーターを1周追加しましょう。壁3周・インフィル20%は、たいてい壁2周・50%に勝り、しかも印刷も速くなります。コストの目安として、0.2mmレイヤーの中型パーツで15%から50%に上げると、印刷時間とフィラメントが2倍になることがあります。「多いほうが安心」ではなく、パーツの役割に合わせてダイヤルを設定してください。
知っておく価値のあるパターン
スライサーには十数種類のパターンが用意されていますが、この5つでほぼすべてをカバーできます。
- グリッド - 2方向に交差する直線をレイヤーごとに重ねたもの。速くてシンプル、多くの方向でそこそこの強度。難点は、交差するラインが同じ位置に積み重なることです。ノズルがその交点を乗り越えるため、高速時にカチカチと音を立てたり叩いたりすることがあります。
- ライン / レクティリニア - レイヤーごとに方向を変える平行線。最速かつ最軽量ですが、面内方向に弱い。低密度の展示用には十分ですが、荷重には向きません。
- トライアングル - レイヤー面内で強く、横方向に応力を受けるパーツに適しています。同じ密度ではグリッドより重く、遅くなります。
- ハニカム - 六角形のセル。複数の方向に強く、半透明のプリント越しに見えると見栄えがしますが、経路の方向転換とリトラクションが多いため遅くなります。
- ジャイロイド - 連続した3次元の波。このアプリの名前の由来でもあるので、詳しくは後述します。
ジャイロイドが注目に値する理由
ジャイロイドは3軸すべてに沿って繰り返すひとつの曲面であり、格子には平坦な面も積み重なった交点もありません。この幾何学形状は、いくつもの利点を同時にもたらします。
ほぼ等方性の強度。 多くのパターンは1〜2方向に強く、残りの方向に弱いものです。ジャイロイドはあらゆる方向でほぼ等しい強度を持つため、パーツがどう荷重を受けるかを予測してインフィルの向きを合わせる必要がありません。応力のかかり方が不規則なパーツでは、間違える要素がひとつ減ることになります。
速く、静かに印刷できる。 レイヤー内のツールパスは1本の滑らかで連続した曲線です。乗り越えるべき交点がなく、リトラクションはほとんどまたはまったくなく、プリンターに減速を強いる鋭角もありません。その結果、速度を維持でき、同じ密度のグリッドより目に見えて静かに動きます。ノズルが数ミリごとに方向を急転換しないからです。
フレキシブル材料と相性が良い。 TPUはリトラクションを嫌い、糸引きや詰まりの原因になります。ジャイロイドのほぼリトラクション不要な経路は、グリッドやハニカムでは苦戦するフレキシブルフィラメントにおいて、より良い選択肢のひとつです。
トレードオフはわずかです。曲線経路は、非常に低い密度では単純なラインよりごくわずかに遅くなることがあり、同じパーセンテージではレクティリニアより少しだけ多くフィラメントを使います。実用品であれば、グラムあたりの強度と印刷品質がその分を十分に補ってくれます。
実践的なおすすめ
- 一般的なパーツ: ジャイロイド15-20%。最良のオールラウンダーであり、妥当な出発点です。
- 展示専用: ラインまたはジャイロイド10-15%。考えすぎないこと。
- 本物の荷重: ジャイロイドまたはトライアングル30-50%。密度を上げる前に壁を追加しましょう。
- フレキシブルフィラメント: ジャイロイドの低密度で、リトラクションを抑えます。
- 半透明の見せる作品: ハニカム15-20%は壁越しに映えます。
パターンはパーツの応力のかかり方で、密度はその強さで選び、あとのダイヤルには触れないでおきましょう。設定をひとつだけ覚えるなら、ジャイロイド20%に壁3周です。これで実際のプリントの驚くほど多くをカバーでき、例外に出会ったらそのつど記録していけばよいのです。