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【最新 3Dプリンタについて学ぶためのおすすめ本 – 基本概念から組み立て方まで】も確認する
3Dプリンタ自作の百科事典
３Dプリンタの仕組みを知りたい、自分で組み立てたい、修理できる知識が欲しいといった、モノづくりや機械いじりが大好きな方向けの1冊です。３Dプリンタを扱う上で必要となる情報やノウハウが丁寧にまとまっています。
Windowsは米国Microsoft Corporationの米国およびその他の国における商標または登録商標です。その他本書に記載されている会社名、製品名は、各社の登録商標または商標です。
はじめに
私が初めてホビー向け3Dプリンタを目の前で見たのは、ものづくりの祭典、Maker Faireの前身にあたるMake:Tokyo Meeting06(2010年11月)が東工大キャンパスで開かれた時に通ります。
当時は印刷素材であるフィラメントも高価で、CADや関連ソフトも限られており、何かモデルを作りたいといったことも無かったため、暫くスルー状態でした。
2年後の日本未来館で開催されたMaker Faire Tokyo2012ではたくさん出展されていた3Dプリンタとクワッドコプター(ドローン)は注目の的になっており、一緒に出掛けた友人とその可能性を語り合ったものです。
初見から9年も過ぎ、今や数多くのホビー用3Dプリンタが市場に出回っています、中国製のキットなら2万円台から入手が可能となり、多くのパーツを安価に入手することも容易となったことから、キットのみならず自作や修理,改造などを楽しむことも可能になりました。
1台の3Dプリンタを組み立てれば、フィギュアやジオラマの部品の作成、電子工作の試作などで完成度をより高める部品を作成できます。また、そこで得た知識と新しい部品を製作することで、更に2台目のプリンタを生み出すことも、また新しい機能を追加することも可能です。これらの知識はレーザーカッターやCNCなどを使うときにも役立つでしょう。
本書は、3Dプリンタの仕組みを知りたい、3Dプリンタを自分で組み立ててみたい。自分で修理できる知識が欲しい、そんな「モノ作りが大好き」、「機械いじりが大好き」な人たちの手助けとなることを目的に執筆しました。
熱で溶かした樹脂を積層して3Dモデルを作成する3Dプリンタの多くは、オープンプロジェクト『RepRap』から派生し、それをベースとしたモデルが販売されてきました。中でも「Prusa i3」はスタンダードなモデルです。
Prusa13(RepRap.orgから)
このオープン*1なプロジェクトとは誰もが無質で自由にコピーまたは改造して使用できるハードウエア、ソフトウエアのことです。
メーカー製のように本体が専用部品でブラックボックス化され、専用ソフトに縛られ、壊れた時には修理に高額の費用が掛かるといったことはありません。
オープンプロジェクトでは情報が公開されていますから故障をしたら自分で安価に修理をすることが可能です。(それには多少の英語力であったり、情報を理解する基礎となる専門用語や技術力が必要です。本書で覚えてください。)
このRepRapプロジェクトでは、動作制御を行うワンボードマイコンに「ArduinoMega2560」*2を採用、そのファームウエア*3に「Marlin」を搭載し、ワンボードマイコンの拡張コネクタには3Dプリンタ用シールド『RAMPS1.4」を合体、操作ボタン付きのLCDボードを接続して3Dプリンタの制御部が構成されています。これらについては改めて詳しく解説します。機構部分はいくつかの構造がありますが、実際に手にしてみれば理解できるでしょう.
まだ耳慣れない言葉も多いかもしれませんが、本書ではこの『RepRap』から誕生した3DプリンタのDIYキットでの製作例からモデルの出力まで必要となる情報やノウハウなどをまとめました。是非、あなたの3Dプリンタライフ、電子工作の足がかりにしてください。
*1 オープン:オープンソース、オープンハードウェア情報は公開され、自由に利用することが可能ですが、元の著作権は保護されています。オープンといっても基本的なルールは存在します。
*2 ArduinoMega2560:イタリアのArduinoプロジェクトから生まれた。現在のデファクトスタンダードArduinoUnoR.3.0のI/O(アイオー:入出力)を拡張したモデルです。
*3ファームウェア:制御用組込みプログラムのこと。
*4シールド:ArduinoUnoやMegaの基板上には機能拡張用のコネクタが設けられ、そこに2段重ねにして利用する拡張基板のことをシールドと呼びます。RAMPSはArduinoMega2560用のRepRap3Dプリンタ用拡張基板で、市販モデルではこれらの機能を一枚の基板にまとめた専用制御基板が使用され販売されています。
■免責事項
本誌で紹介のアプリケーションは執筆時(2019年12月)における最新バージョンを紹介しています。
アプリケーションソフトの多くは常に更新が行われているために、画面デザインや機能などが変わる場合もあります。
ソフトウェアのダウンロード、ユーザー登録、インストール、使用などに関しては自己責任で行ってください。
ソフトウェアのダウンロードにおいては、配布元など信頼できるダウンロード先からのダウンロードを行ってください。また。ご使用のパソコンにはアンチウィルスソフトの使用をお勧めします。
アプリケーションによっては常時ネットに接続する必要があるものもあります。通信環境によっては通信料金の発生する場合がありますので、ユーザーのインターネット接続の約によっては注意してください。
本書に記載された内容についてはよく理解し、本人の責任により実行してください。
実行した結果について、執筆者、出版社はいかなる責任をも負いません。
CONTENTS
はじめに
免責事項など
Part1 予備知識編
Chapter1.3Dプリンタの誕生
1-1.3Dプリンタの誕生
1-2.広がる活用分野・
1-3.RepRapプロジェクト
Chapter2.主な印刷方式
2-1.光造形法(Photofabrication/Digital Light Prosessing)
2-2.粉末焼結積層造形法(Powder Bed Fusion)
2-3.インクジェット方式(Inkjet Printing)
2.4.シート積層法(Powder Lamination Method/Sheet Lamination)
2-5.熱溶解積層方式(Fused Deposition Modeling:FDM)/
熱溶融フィラメント製造法(Fused Filament Fabrication:FFF)
Part2工作ツール編Chapter1.必要工具と使い方
1-1.ドライバー
1-2.ラジオペンチ
1-3.ニッパー
(1)ニッパー
(2)ミニチュアニッパー
(3)リードストッパー付きミニチュアニッパー
1-4.ワイヤーストリッパー
1-5.ピンセット
(1)ピンセット
(2)逆動作ピンセット
(3)ピックアップツール
1-6.ハンダ付け関連
1-6-1.ハンダ30W~40W.60~700
1-6-2.ハンダ
糸ハンダ
ヤニ入りハンダ
クリームハンダ(ソルダーペースト)
1-6-3.フラックス
1-6-4.ハンダ台と最先クリーナー
1-7.モンキーレンチ
1-8.六角棒レンチ
1-9.電気ドリル&ドリルピット(刃)
1-10.ヒートガン(ホットエアガン)
1-11.圧着器
Chapter2.その他ツール
2-1.ミニルーター
2-2.タップハンドル&ネジ切りタップ
2-3.ソフトワイヤーブラシ
2-4.スクレーパー
Chapter3.計測器ほか
3-1.スケール(直訳-ちょくじゃく)
3-2.すきまゲージ
3-3.デジタルノギス
3-4.デジタルマルチメータ(テスター)
3-5.パソコン
Part3 3Dプリンタメカ編
Chapter1.基本構造
1-1.デカルト座標型(XY直行座標式)
1-1-1.ビルドプレートZ軸移動式(Dawin-ダーウィン方式)
XY軸駆動方式・Hベルト駆動式(H-bot)
CoreXY駆動式(CoreXY.C.bot)
1-1-2,ビルドプレートY軸移動式(Mendel-メンデル方式)
1-2.デルタ型(Delta Bot/Delta Robot)
1-3.5軸制御3Dプリンタ
Chapter2.主要メカニカルパーツ
2-1.フレキシブルシャフトカプラ(シャフトカプラ/フレキシブルカプラ)
2-2.タイミングベルト
2-3.タイミングプーリー
2-4.アイドラープーリー
2-5.キャリッジプレート(Carriage Plate)
2-6.ビルドプレート(buildplate/buildplatform)
2.7.エクストルーダー(Extruder)
2-7-1.ダイレクト・エクストルーダー(DirectExtruder)
2-7-2.ボーデン・エクストルーダー(BowdenExtruder)
2-7-3.フィラメント・フィーダー(押出機)
2-7-4.ホットエンド(HotEnd)
2.7-5.ノズルスロートパイプ
2-7-6.ヒートプロック
2-7-7.印刷ノズル(Hot End)
2-8.ガイドロッド(Guide Rod)
2-8-1.ガイドロッド
2-8-2.リニアベアリング(Linear Bearing)
2-8-3.フランジリニアベアリング
2-9.リードスクリュー(Lead Screw)
2-9-1.リードスクリュー
2-9-2.リードスクリューナット(Lead Screw Nut/送りネジナット)
2-10.筐体素材
2-10-1.スレッドロッド(Threaded Rod)
2-10-2.アルミフレーム
Chapter3.ネジ類、
3-1.ナベ小ネジ(十字穴付きなべ小ネジ)
3-1-1.サイズ表記
3-2.スプリングワッシャー
3-3.平ワッシャー(平座金)
3-4.六角ナット
3-5.バインドネジ
3-6.トラスネジ
3-7.ネジ
3-8.丸皿小ネジ
3.9.アプセット小ネジ
3-10.六角穴付きボルト
3-11.イモネジ(Set Screws)
3-12.ネジロック剤(ネジ緩み止め)
Part4 電気部品編
Chapter1.ステッピングモーター(Stepping motor)
1-1.ステッピングモーターとは
1-2.ステッピングモーター制御
Chapter2.ホットベッド(Hot bed/Heat bed)
2.1.ホットベッド
2-2.サイズと電流規格
2-3.電流容量の拡張
2.4.RAMPS1.4の問題点
Chapter3.エクストルーダー部
3-1.ヒーター
3-2.サーミスタ(thermistor)
3-3.冷却ファン/クーリングファン
3-4.プリントクーラー/ブロワーファン
Chapter4.センシング
4-1.エンドストップ・スイッチ(Endstop switch)-
4-1-1.マイクロスイッチ
4-1-2.メカニカル・エンドストップ・スイッチ・モジュール
4-2フォトインタラプタモジュール
4-3.近接センサ
4-3-1.NPIN-NOタイプ
4-3-2.PNP-NOタイプ
Chapter5.液晶ディスプレイコントローラボード
5-1.スマートコントローラ(Smart Controller)
5-2.フルグラフィックスマートコントローラ(RepRapDiscount Full Graphic Smart Controller)
5-3.STB RepRapグラフィックLCDコントローラ(STB RepRap Graphic LCD Controller with Fan Output)
5-4.MSK-TFT28/MSK-TFT32 V4.0カラーディスプレイタッチスクリーン
5-5.RAMPSLCDアダプターボード(RAMPS Adapter)
Chapter6.制御基板(マイクロコントローラボード)
6-1.マイクロコントローラの役目
6-2.AVR8bitマイクロコントローラプラットフォーム
6-2-1.Arduino Mega 2560
6-2-2.Arduinoシールド(Arduino Shield)
RAMPS1.4(RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
RAMPS1.5
RAMPS1.6
RAMPS1.7
RANMPS消費電力比較
RAMPSを使用する前に
Ultimakerv1.5.7(シールド)
6-2-3.AVR統合型ボード
Anet3DV1.7
Creality3DCR-10SV2.1
Creality3DV2.4
GEEETECHGT2560A+
GEEETECHGT2560V3.0
MKSGENLV1.0
MKSGENV1.4
MKSBasev1.6
MKSMiniv1.2
UltimakerV2.1.4
6-3.ARMコアプラットフォーム
6-3-1.Arduino Due
6-3-2.ARMコア対応シールド
RAMPS-FDV2.1
6-3-3.ARVEau
BIGTREETECHSKRV1.3
BIGTREETECHSKRProV1.1
GeeetechGTM32MINIS
GeeetechGTM32PROVB
MKSRobinminiV2.4
127MKSSBASEV1.3
MKSSGENV1.0-
129MKSSGENLLV1.0
Lerdge-X Motherboard
Lerdge-K Motherboard
Chapter7.RepRapステッピングモータードライバモジュール基板(Stepper Motor Drive rCarrier)
7-1.ステッピングモータードライバモジュールとは
7-1-1.電源
7-1-2.電流調整
7-1-3.マイクロステップ設定(Microstep Select:MS)
7-1-4.回転方向入力(Direction Input:DIR)
7-1-5.有効入力(ENABLE:EN)
7-1-6.ステップ入力(STEP)
7-1-7.スリープ入力(SLEEP)
7-1-8.リセット(RESET)
7-1-9.ピンヘッダの取付け、取り外し
7-1-10.モータードライバモジュールを使用する前に
7-2.ステピングモータードライバモジュール
7-2-1,A4988モジュール
A4988マイクロステップ設定一覧
電流制限値計算
規格
7-2-2.A4982モジュール
A4982マイクロステップ設定一覧
電流制限値計算
規格
7-2-3.DRV8825モジュール
DRV8825マイクロステップ設定一覧
電流制限値計算
規格
7-2.4.DRV8834モジュール
DRV8834マイクロステップ設定一覧
電流制限値計算
規格:
7-2-5.DRV8880モジュール
DRV8880マイクロステップ設定一覧
電流スケーラピン設定
電流制限値計算
規格
7-2-6.LV8729モジュール
LV8729マイクロステップ設定一覧電流現值計算
格
7-2-7,TMC2100モジュール
TMC2100マイクロステップ設定一覧
電流制限値計算
規格
7-2-8.TMC2130モジュール
モード設定マイクロステップ設定一覧
SPIモードのピンヘッダ取付け方法SPIモードの配線
Arduino IDEへのドライバの導入
ファームウェアの変更点・電流制限値計算
規格
7-2-9.TMC2208モジュール
スタンドアロンモード(レガシーモード)
TMC2208マイクロステップ設定一覧
UARTインターフェース
UARTモードのピンヘッダ取付け方法
UARTモードの配線
Arduino IDEへのドライバの導入
ファームウェアの変更点
電流計算
規格
7-2-10.Trinamicドライバ共通
Chapter8.電源(Power Supply)
8-1.スイッチング・レギュレータ
8-2.DC/DCコンバータ(DDコンバータ)
8-3.定電圧レギュレータ
Chapter9.配線材料
9-1.電線
9-1-1.ビニール絶縁電線(電子機器配線用)
配線の太さの目安
9-1-2.熱電線
9-1-3.フラットケーブル(リボンケープル)
9-1-4,フレキシブルフラットケーブル(FFC)
9-1-5.色の選択
9.2.熱収縮チューブ
9-3.圧着端子
9-3-1.丸型圧着端子
圧着工具
圧着の注意事項
9-3-2.ファストン端子/ファストン・タブ
9-4.コネクタ
9-4-1.基板用コネクタハウジング2.5mmピッチ
9-4-2.フラットケーブルボックスヘッダ2.54mmピッチ
9.5.線材料
9-5-1.束線バンド
9-5-2.コンベックス
9-5-3.ケーブルクリップ&ケーブルクランプ
9-5-4.線チューブ
ビニールチューブ・ネットチューブ
スパイラル・チューブ
Chapter10.配線の安全対策
10-1.配線の基礎
AC回路部の線材の太さ
ACインレット部
スイッチング・レギュレータ端子部
10-2.ホットベッドの安全対策
Part5 3Dプリンタキットを組み立てる
Chapter1.機種選択のチェックポイント
1-1.印刷方式は?
1-2.造形サイズはどの程度まで必要?
1-3.本体フレーム素材は?
1-4.ビルドプレートの駆動方式
1-5.ホットベッドが付いているか?
1-6.Z軸にモーターが2個使われているか?
1-7.組立ての難易度を知る
1-8.選択したモデルは
Chaper2.購入
2-1.注文する
2-2.荷物が届くまでに
2-2-1.追加で用意したいパーツ
2-3.荷物が届いたら
2-3-1.パーツ確認
Chapter3.組み立て開始
3-1.体組み立て
3-2.Y軸駆動部
3-3.Z軸駆動部
3-4.エクストルーダー
3-5.X軸駆動部
3-6.LCD取り付け
3-7.制御基板の取り付け
Chapter4.電気配線
4-1.スイッチング電源の配線
4-1-1.スイッチング電源の配線
4-1-2.AC入力の配線
4-1-3.スイッチング電源の動作確認
4-1-4.スイッチング電源の取り付け
4-2.制御基板の電源入力
4-3.LCDディスプレイの接続
4-4.その他の配線
4-5.制御基板の動作確認(その1)
4-5-1.パソコンの準備
4-5-2.プリンタの電源を入れる
4-5-3.USBケーブルを接続
4-5-4.Pronterfaceを起動
4-5-5.シリアルポートを接続
4-5-6.リミットスイッチの動作確認
4-6.制御基板の動作確認(その2)
4-6-1.モーターの接続
4-6-2.ホットベッド(ビルドプレート)の高さ調整
(1)ホットベッドの取り付け
(2)ネジ(高さ調整ネジを回して、ホットベッドを下げる
(3)印ノズルの先を降ろす
(4)Zホーム用マイクロスイッチの高さ調整
4-6-3.モーターの動作確認
4-6-4.温度センサ動作確認
(1)ヒーター(ヒートプロック)動作確認
(2)ホットベッド動作確認
4-6-5.配線仕上げ
(1)DC電源、右モーター、Y軸モーター、Y軸リミットスイッチ
(2)エクストルーダーの配線
(3)ホットベッド配線
(4)X軸モーター、リミットスイッチ配線
(5)制御基板周り
(6)配線の束線など
Chapter5.EDB
5-1.ホットベッドの高さ調整
5-2.モデルデータの準備
5-3.スライス(Gコード変換)
5-4.安全確認
5-5.印刷
5-6.印刷物の確認
5-7.組み立ての感想
Chapter6.トラブルシューティング(組み立て、起動編)
6-1.プリンターの電源を入れたら液品に”■■■■”しか表示されない
6-2.印刷開始が遅い
6-3.異臭がする
6-4.エクストルーダーを上下移動した時に異音がする
6-5.動作が不安定
Part6 ファームウェア編
Chapter1.ArduinoIDEの導入
1-1.ダウンロード
1-2.インストール
1-3.ライブラリの導入
1-4.ボード定義の追加
1-4-1.ボードマネージャによる導入
1-4-2.追加ボードマネージャのURL追加による方法
1-4-3.定義ファイルのコピー
1-5.アップデート
1-6.環境設
1-6-1.スケッチブックの保存先
1-6-2.ライブラリの保存先
1-6-3.ボード定義ファイル保存先
1-6-4.環境設定などの保存先
Chapter2.ファームウェアの書き込み
2-1.USB経由の書き込み
2-2.ArduinoISPを使用した書き込み
2-2-1.プログラマ
2-2-2.ArduinoISP
2-2-3.ArduinoISPの接続
2-2-4.ArduinoISPでの書き込み
Chapter3.Marlinファームウェアのカスタマイズ
3-1.カスタマイズファイル
3-2.バージョン1.1.9定義ファイル
3-3.パージョン2.0.x定義ファイル
Chapter4.Configファイルの読み方
4-1.コメント記号//
4-2.コメント記号で/**/
4-3.#define文
4-4.論理型の設定true(真)、false(偽)
4-5.その他の定数値
Chapter5.ファームウェア
5-1.Marlin
5-2.Repetier-Firmware
5-3.klipper
5.4.TeacupFirmware.
5.5.APrinter
5-6.RepRapFirmware
5-7.Smoothleware
5-8.Redeem
5-9.Sailfish
Chapter6.その他のファームウェア
6-1.Sprinter
6-2.Grbl
6-3.SkyNet3D
6-4.FiveD_GCod
Chapter7.制御コマンド
7-1.Gコード
7-2.Mコマンド
7-3.Gコードの構成
Part7 ソフトウェア編
Chapter1.3DCADE
1-1.3DCADとデータフォーマット
1-1-1.3D印刷に必要なファイルフォーマット
1-2.初心者向け3DCAD
1-2-1.3DBuilder.
1-2-2.Autodesk Thinkercad
1-3.高機能3DCAD
1-3-1.Autodesk Fusion360
1-3-2.FreeCAD
1-3-3.OpenSCAD
1-4.ポリゴンモデリングツール
1-4-1.Blender
1-4-2.Wings3D
1-4-3.Sculptris
1-4-4.AutodeskMeshmixer
1-5.その他
1-5-1.AliceVision Meshroom
Chapter2.3Dプリントユーティリティ編
2.1.スライサー(Gコードジェネレーター)
2-1-1.UltimakerCura
2-1-2.Stic3r
2-1-3.KISSlicer
2-1-4.simplify3D
2-1-5.UltimakerCuraの初期設定
(1)プリンタの設定
(2)日本語化
2-2.ホストソフトウェア
2-2-1.Repetier-Host
2-2-2.Repetier-Server
2-2-3.Printrun(Pronterface)
2-2-4.OctoPrint(OctoPl)
Part8 印刷編
Chapter1.印刷準備
1-1.ビルドプレートの調整
1-2.ビルドプレートの定着性
1-3.印刷データ作成
Chapter2.3Dモデルデータ共有サイ
2-1.Thingiverse
2-2.MyMiniFactory
2-3.pinshape
Chapter3.印刷マテリアル
3-1.フィラメント
3-1-1.PLASS(polylactic acid,polylactide-UUD
3-1-2.ABS樹脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)
3-1-3.ナイロン(ポリアミド樹脂)
3-1-4.カーボンファイバーナイロン(Carbon Fiber Nylon)
3-1-5.ASA:Acrylonitrile Styrene Acrylate(アクリロニトリルスチレンアクリレート)
3-1-6.ポリカーボネート(Polycarbonate:PC)
3-1-7.ポリプロピレン(PP)
3-1-8.PETG(Polyethylene Terephthalate G)..
3-1-9.強化PLA樹脂
3-1-10.弾性フィラメント
3-2.サポート材
3-2-1.ポリビニルアルコール(Polyvinyl Alcohol:PVA)
Chapter4.トラブルシューティング
4-1.動作編
4-1-1.ホストアプリが3Dプリンタを認識できない
4-2.印刷編
4-2-1.ビルドプレートに接着できない
4-2-2.一番の印明でかすれる
4-2-3.反り(warping)が生じる
4-2-4.フィラメントの送り出し不良
4-2-5.ノズル詰まり
4-2-6,糸引き
4-2-7,印刷物上端部の溶融
Chapter5.印刷後の処理
5-1.冷却5-2.フィラメントの取り外し
5-3.フィラメントの保存
Chapter6.仕上げ処理
6-1.パテ+塗装仕上げ
6-2.ゴムコーティング
6-3.アセトンペーパー処理
Part9機能アップ編
Chapter1.構造強化
Chapter2.タイミングベルトテンショナー機構
Chapter3.コントローラー基板冷却
Chapter4.プラットフォームステッカー
Chapter5.グラスプレートプラットフォーム
Chapter6.ホットベッド背面断熱処理
Chapter7.ホットベットパワー拡張
7-1.ホットペットパワー拡張モジュール(Hot Bed Power Module Extention MOS Tube)
7-2.ソリッドステートリレー(SSR-Solid state relay)
Chapter8.ダイオードスムーザー(TL Smoother)
Chapter9.オートベッドレベリング
9-1.プローブの取り付け
9-2.ファームウェアの設定
9-2-1.Zプローブピン設定
9-2.2.プロープ信号
9-2-3.プロープの種類
9-2-4.プロープオフセット
9-2-5.プローピング範囲の設定
9-2-6,オートベッドレベリングの種類と設定
9-2.7.手動によるレベリング設定
9-2-8.パラメータ保存設定
9-2-9.デバッグ設定
9-3.初回ベッドレベリング
9-3-1.プロービング(計測)
9-3-2.微調整
Chapter10.マルチフィラメント3D印刷(Multi-Filament 3D Printing)
10-1.複数ノズル化(The Dual Nozzle Solution)
10-2.混合ノズル化(The Mixing Nozzle Solution)
10-3.ファームウェア設定
Chapter11.ボーデン・エクストルーダー
Chapter12.騒音、防振対策(印刷騒音を減らすために)
12-1.防振マット
12-1.モータードライバの交換
12-1.リニアベアリングの交換
Part10資料編
索引
Part1予備知識編
3Dプリンタの誕生からRepRapプロジェクト、主な印刷方式について簡単に解説します。
