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溶融フィラメント積層造形（FFF）は、溶融堆積モデリング（商標登録された略語FDM）またはフィラメントフリーフォーム積層造形とも呼ばれ、熱可塑性材料の連続フィラメントを使用する3Dプリントプロセスです。[ 1 ]フィラメントは大きなスプールから移動する加熱されたプリンター押出ヘッドを通して供給され、成長中のワークに堆積されます。加熱ノズルを備えたプリントヘッドとも呼ばれるツールヘッドは、3Dファイルに合わせて動きを生成するスライサーによって生成されたgコードファイルを実行するコンピューターによって制御されます。一般的な設計では、ツールヘッドは2次元で移動して一度に1つの水平面、つまり層を堆積します。次に、ワークまたはプリントヘッドがわずかに垂直に移動して新しい層を開始します。「溶融フィラメント積層造形」は、法的制約のない使用を可能にする略語（FFF）を与えるためにRepRapプロジェクトのメンバーによって造語されました。 [ 2 ]
溶融フィラメント印刷は、比較的低コストで使いやすいため、2010年代から2020年代にかけて、趣味用3Dプリンティングで最も人気のあるプロセス（機械の数で）となっています。[ 3 ]光重合や粉末焼結などの他の技術はより良い結果をもたらす可能性がありますが、はるかに高価です。
3Dプリンターヘッドまたは3Dプリンター押出機は、材料押出積層造形において、原材料を溶融または軟化させて連続的な形状に成形する役割を担う部品です。押出成形されるフィラメント材料は多種多様で、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）[ 4 ] 、ポリ乳酸（PLA）、ポリエチレンテレフタレートグリコール（PETG）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、高耐衝撃性ポリスチレン（HIPS）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）、脂肪族ポリアミド（ナイロン）、アクリロニトリルスチレンアクリレート（ASA）[ 5 ]などの熱可塑性樹脂が含まれます。
溶融堆積モデリングは、ストラタシスの共同創設者であるS.スコット・クランプによって1988年に開発されました。[ 6 ] [ 7 ]
FDM技術の特許は2009年に失効したため[ 8 ]、人々はストラタシスに許可を求めたり、使用料を支払ったりすることなく、このタイプの印刷を使用できるようになりました。その後すぐに、商用FFFベースの3Dプリンターの大規模な産業が発展しました。さらに、RepRapが作成したデザインを含め、アマチュアや機関に人気のDIYおよびオープンソースの3Dプリンターデザインが数多く登場しました。この特許の失効により、この技術が誕生して以来、価格が2桁も下がったとされています[ 9 ] 。
シェブロンのテクロンと同様に、ストラタシスは「FDM」という用語の商標を依然として所有しており、[ 10 ] [ 11 ]レップラップなどが代替名としてFFFを採用するに至った。
3Dプリンティングは、積層造形（AM）とも呼ばれ、材料を層ごとに堆積させて部品を製造する技術です。[ 12 ]材料押出、バインダージェット、材料ジェット、指向性エネルギー堆積など、さまざまなAM技術があり、これらによって製造が可能です。[ 13 ]これらのプロセスでは、さまざまなタイプの押出機が使用され、さまざまな材料を押し出して最終製品が作られます。
溶融積層造形（FFF）は、材料の押し出しを利用して造形物を作成する方式で、原料となる材料が押出機を通して押し出されます。ほとんどのFFF方式3Dプリンターでは、原料となる材料はスプールに巻き取られたフィラメントの形で供給されます。
3Dプリンターの液化装置は、このタイプの印刷で主に使用される部品です。これらのプリンターのエクストルーダーには、コールドエンドとホットエンドがあります。コールドエンドは、ギアまたはローラーによるトルクを材料に伝達し、ステッピングモーターによって供給速度を制御することで、スプールから材料を引き出します。コールドエンドは、原料をホットエンドに押し込みます。ホットエンドは、加熱チャンバーとノズルで構成されています。加熱チャンバーには液化装置があり、原料を溶かして液体に変えます。溶融した材料は、小さなノズルから出て、薄く粘着性のあるプラスチックのビーズを形成し、その上に置かれた材料に付着します。ノズルの直径は通常、0.3 mmから1.0 mmです。
印刷する材料に応じて、異なるタイプのノズルと加熱方法が使用されます。[ 14 ]真鍮ノズルは PLA のような軟質プラスチックには十分ですが、より研磨性があり丈夫な材料や添加剤入りのプラスチック (例えば、木材や炭素繊維が添加された PLA など) には硬化鋼ノズルが必要です。ノズルの種類によって交換方法が異なります。最も一般的に使用されているノズルは、E3D によって普及した V6 ノズルと MK8 ノズルで、どちらも標準的な M6×1メートルねじが付いています。ノズルの交換[ 15 ]は、プラスチックの漏れを防ぐために熱いうちに行う必要があります。
ノズルは水平方向と垂直方向の両方に移動可能で、XY平面内で移動可能な機械式ステージに取り付けられている。
ノズルが所定の形状でテーブル上を移動すると、押し出されたプラスチックの薄いビード（ロードと呼ばれる）が堆積され、基板や以前に堆積されたロードと接触するとすぐに固化する。[ 22 ]ロードが囲む領域境界内で横に並んで堆積されるラスタライズ動作に従うことで、固体層が生成される。
押出ヘッドの移動には、一般的にステッピングモーターまたはサーボモーターが用いられる。機構としては、多くの場合XYZ直線運動機構が用いられるが、デルタボットなどの他の機械式機構も採用されている。
1層の造形が完了すると、次の層の造形を開始するために、プラットフォームがZ方向に下降（または押出機が上昇）されます。このプロセスは、対象物の製造が完了するまで繰り返されます。
道路の接合を成功させるためには、堆積材料の温度制御が不可欠である。システムは、堆積材料の融点以下の温度に維持されたチャンバー内に設置することができる。
FFFは印刷技術として非常に柔軟性があり、下層のサポートによって小さなオーバーハングにも対応できますが、一般的にオーバーハングの傾斜にはいくつかの制限があり、サポートのない鍾乳石を生成することはできません。
アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリ乳酸（PLA）、ポリカーボネート（PC）、ポリアミド（PA）、ポリスチレン（PS）、リグニン、ゴムなど、強度と耐熱性の間で異なるトレードオフを持つ無数の材料が利用可能です。さらに、特定の熱可塑性材料の色でさえ、印刷物の強度に影響を与える可能性があります。[ 23 ]
FFF では、高温の溶融ポリマーが空気にさらされます。窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で FFF プロセスを実行すると、層の密着性が大幅に向上し、3D プリントされたオブジェクトの機械的特性が改善されます。[ 24 ]不活性ガスは、選択的レーザー焼結中の酸化を防ぐために日常的に使用されています。
押出成形では、熱可塑性フィラメントはローラーからの機械的圧力によって溶融器（またはホットエンド）に導入され、そこで溶融して押し出されます。押出機の流れ形状、加熱方法、および非ニュートン流体の溶融流動挙動が、この部品の設計において重要な考慮事項となります。ローラーは材料供給システムにおける唯一の駆動機構であるため、フィラメントはローラーの上流側では引張応力を受け、下流側ではプランジャーとして圧縮応力を受けます。したがって、圧縮応力が押出成形プロセスの駆動力となります。
溶融物を押し出すのに必要な力は、システム全体の圧力降下を克服するのに十分なものでなければならず、この圧力降下は溶融材料の粘性特性と液化器およびノズルの流れ形状に厳密に依存する。溶融材料は流れの中でせん断変形を受ける。このタイプの3Dプリンティングで使用される材料のほとんどでせん断減粘挙動が観察される。これは、一般化ニュートン流体のべき乗則を用いてモデル化される。
温度は、電気コイルヒーターからの熱入力によって制御されます。システムは、目標温度と熱電対で検出された温度との差に応じてコイルへの供給電力を継続的に調整し、負のフィードバックループを形成します。これは、室内の周囲温度を上昇させるのと同様の仕組みです。
FFF や材料押出による積層造形(EAM) 技術などの他の技術は、プロトタイピングやラピッド マニュファクチャリングによく使われています。ラピッド プロトタイピングは反復テストを容易にし、ごく少量の生産であれば、ラピッド マニュファクチャリングは比較的安価な代替手段となります。[ 25 ] EAM は、医療組織工学用途の足場のプロトタイピングにも使用されています。[ 26 ]さらに、マルチ押出による EAM は、生体模倣複合材料の製造に非常に人気が高まっています。[ 27 ] FFF は、航空宇宙、自動車、建設、電子機器、エネルギー、医薬品、スポーツ、繊維、玩具など、他の分野の製造にも応用されています。[ 28 ]
オープンソースコミュニティには、使用済みプラスチック廃棄物をフィラメントに加工することを目的としたプロジェクトが複数存在する。これらのプロジェクトには、リサイクルボットなどの、プラスチック材料を細断してフィラメント状に押し出す機械が用いられる。
いくつかのプロジェクトや企業が、家庭用デスクトップ向けの低価格3Dプリンターの開発に取り組んでいます。この取り組みの多くは、 DIY愛好家やアーリーアダプターのコミュニティによって推進され、彼らを対象としており、学術界やハッカーコミュニティとのつながりもあります。[ 29 ]
RepRap は、デスクトップ カテゴリで最も長く続いているプロジェクトの 1 つです。RepRap プロジェクトは、GNU General Public Licenseの下で完全な仕様が公開されている、フリーでオープンソースのハードウェア(FOSH) 3D プリンターを製造することを目指しており、多くの (プラスチック) 部品を印刷して、より多くのマシンを作成することで自己複製することができます。[ 2 ] [ 30 ] RepRap はすでに回路基板[ 31 ]や金属部品[ 32 ] [ 33 ]を印刷できることが実証されています。Fab @Homeは、 DIY 3D プリンター向けのもう 1 つのオープンソース ハードウェアプロジェクトです。
RepRapのFOSHの目標のおかげで、多くの関連プロジェクトがその設計を参考にし、関連または派生した3Dプリンターのエコシステムを構築しており、そのほとんどがオープンソース設計です。これらのオープンソース設計が利用可能であるため、3Dプリンターのバリエーションを簡単に発明できます。ただし、プリンター設計の品質と複雑さ、およびキットまたは完成品の品質は、プロジェクトごとに大きく異なります。このオープンソース3Dプリンターの急速な発展は、ハイパーカスタマイズとパブリックドメイン設計を使用してオープンソースに適したテクノロジーを製造することを可能にするため、多くの分野で関心を集めています。このテクノロジーは、地域社会で利用可能なリソースから容易かつ経済的にテクノロジーを製造できるため、持続可能な開発の取り組みにも役立ちます。[ 34 ]
顧客主導の製品カスタマイズとコストと時間の節約への要求により、製造プロセスの俊敏性への関心が高まっています。これにより、ラピッドプロトタイピング技術の改善につながっています。[ 22 ] RepRap などの製品によって引き起こされたオープンソース 3D プリンターのムーブメントにより、押出機の開発は急速に進んでいます。E3D と BondTech は、現在市場で最もよく知られている押出機メーカーです。液化器の加熱温度の上昇、プリントの制御と精度の向上、さまざまな材料のサポートの改善という形で、一貫した改善が見られます。ハードウェアの改善に加えて、ハードウェア構成に応じて押出機を較正する機能[ 35 ]も大きく進歩しました。
3Dプリンターの価格は2010年頃から劇的に低下しており、かつて2万ドルもした機械が今では1,000ドル以下で購入できるようになっている。[ 36 ]例えば、2017年現在、複数の企業や個人が様々なRepRapデザインを構築するための部品を販売しており、価格は99ポンド/ 100ドル程度からとなっている。[ 37 ]
オープンソースのFab@Homeプロジェクト[ 38 ]は、チョコレートからシリコーンシーラント、化学反応物まで、ノズルを通して押し出せるものなら何でも使える汎用プリンターを開発しました。このプロジェクトの設計に基づいたプリンターは、2012年からサプライヤーからキットまたは組み立て済みの形で、2,000米ドル程度の価格で入手可能です。
Aleph Objects社が製造するLulzBot 3Dプリンターは、溶融堆積モデリング技術のオープンソース応用例の一つです。LulzBotシリーズのフラッグシップモデルであるTAZプリンターは、RepRap Mendel90とPrusa i3モデルからデザインのインスピレーションを得ています。LulzBot 3Dプリンターは現在、フリーソフトウェア財団から「Respects Your Freedom」認証を受けた唯一のプリンターです。[ 39 ]
2018年9月現在、RepRapスタイルの3Dプリンターは、オンライン小売店を通じてキット形式で容易に入手可能です。これらのキットには、プリンターを組み立てるために必要なすべての部品が揃っており、多くの場合、テスト印刷用の電子ファイルや少量のPLAフィラメントも含まれています。
FFFプリンターで印刷するために使用されるフィラメントは、SLA樹脂製のものと比べて大幅にコスト効率が良い。両方の技術を比較するためのベンチマークとして3DBenchyを使用すると、FFFマシンでそのようなモデルを印刷するには約0.20ドルかかるのに対し、樹脂で同じオブジェクトを作成するとほぼ1.00ドルかかる。[ 40 ]
プラスチックは、 FFFやその他のEAM方式による3Dプリントで最も一般的な材料です。アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリカーボネート（PC）、ポリ乳酸（PLA）、高密度ポリエチレン（HDPE）、PC/ABS、ポリエチレンテレフタレート（PETG）、ポリフェニルスルホン（PPSU） 、高耐衝撃性ポリスチレン（HIPS）など、さまざまなポリマー[41]が使用できます。一般的に、ポリマーはバージン樹脂から作られたフィラメントの形をしています。さらに、PTFEチューブなどのフッ素ポリマーは、材料が高温に耐えることができるため、このプロセスで使用されます。この特性は、フィラメントを移送する際に特に役立ちます。
EAM（材料押出成形に基づく積層造形）のさまざまなバリエーションにより、以下の表にまとめたように、多くの追加材料タイプを扱うことができます。押出成形および3Dプリントが可能な材料クラスは以下のとおりです。
溶融フィラメント式3Dプリンターの大部分は、同じ基本設計を採用しています。平らなベッドがプリントワークピースの始点として使用され、その上にあるガントリーに可動式のプリントヘッドが取り付けられています。ガントリーの設計は、主に水平方向のX軸とY軸の動きに最適化されており、プリントワークピースの印刷に伴ってZ軸方向にゆっくりと上昇します。ステッピングモーターは、リードスクリューまたは歯付きベルト駆動によって動きを駆動します。移動速度の違いから、X軸とY軸の駆動には歯付きベルトを、Z軸にはリードスクリューを使用するのが一般的です。一部の機種では、ガントリー上でX軸も移動しますが、Y軸ではベッド（およびプリントジョブ）を移動します。レーザーカッターとは異なり、ヘッドの移動速度は遅いため、ステッピングモーターが広く使用されており、サーボモーターを使用する必要はありません。
多くのプリンター、特にRepRapプロジェクトの影響を受けたプリンターは、その構造に3Dプリント部品を多用しています。これらは通常、さまざまな角度の穴が開いたプリントコネクタブロックで、安価な鋼製のねじ棒で接続されています。これにより、安価で組み立てやすく、非垂直なフレーム接合も容易に実現できる構造が実現しますが、3Dプリンターへのアクセスが必要となります。このように3Dプリンターを「ブートストラップ」するという概念は、RepRap設計におけるある種の教条的なテーマとなっています。また、ねじ棒の剛性が低いため、三角測量を行うか、使用中にガントリー構造がたわんだり振動したりするリスクがあり、プリント品質が低下する可能性があります。
Bambu X1、Ultimaker Sシリーズ、Creality K2などの業務用3Dプリンターをはじめとする多くの機種では、レーザーカットされた合板、プラスチック、プレス加工された鋼板、そして最近ではアルミニウム押出材などを用いた、箱型の半密閉型フレームが採用されています。これらは安価で剛性が高く、密閉されたプリントボリュームの土台としても使用できるため、内部の温度制御によってプリント物の反りを抑制することが可能です。
ごく一部の機械は極座標を使用しており、通常は円対称のオブジェクトを印刷するように最適化された機械です。これらの機械は、放射状のガントリー移動と回転ベッドを備えています。中空円筒を印刷する場合、この設計には潜在的な機械的利点がいくつかありますが、その形状の違いと、それに伴う印刷計画への非主流的なアプローチのため、まだ普及していません。ロボットの動作計画において、直交座標から極座標への変換は容易な作業ですが、この設計から何らかの利点を得るには、印刷スライスアルゴリズムが最初から回転対称性を認識している必要があります。
押出機を機械の他の部分に取り付ける方法は、時間の経過とともに非公式な取り付け規格へと進化してきました。このような規格により、新しい押出機の設計を既存のプリンターフレームでテストしたり、新しいプリンターフレームの設計で既存の押出機を使用したりすることが可能になります。これらの非公式な規格には以下が含まれます。[ 14 ]
デルタロボット機構をベースとした「ロストック」または「コッセル」パターンプリンターでは、異なるアプローチが取られています。 [ 51 ] [ 52 ]これらは、上部に3本のアームを持つデルタロボットが取り付けられた大きなオープンプリントボリュームを備えています。このロボット設計は、慣性が低く、広いボリュームを高速で移動できることで知られています。ただし、細いアームの先端にある重いプリントヘッドを移動させる際の安定性と振動の抑制は、技術的な課題です。この設計は、大きくて重いガントリーを使わずに大きなプリントボリュームを得る手段として、主に好まれてきました。
プリントヘッドが移動すると、フィラメントの収納コイルからヘッドまでの距離も変化します。フィラメントにかかる張力は、印刷品質に影響を与えないようにするために克服すべきもう一つの技術的な課題です。
ほとんどのプリンターは、室温（約18～25℃）で、できればできるだけ低い湿度で最適に動作するように設計されており、印刷中は温度と湿度を安定させ、プラスチックの反りを防ぐために風を避けることが重要です。
プラスチックによっては加熱チャンバーが必要なものもあります。例えば、PLAは室温（18～25℃）で印刷する必要がありますが、ABSは60～70℃程度の一定のチャンバー温度を維持する必要があります。[ 53 ]プリンターをチャンバー内に設置する場合は、火災のリスクを軽減するために、アクティブ冷却機能を備えた電子機器を搭載するなど、そのような用途向けに設計されたプリンターであることが重要です。
フィラメントプリンターは、粉塵や有害な排出物により健康と安全に悪影響を及ぼす可能性があるが、発表された研究は少ない。 [ 54 ] [ 55 ] 3Dプリンターは、企業[ 56 ] 、教育機関[ 56 ] 、図書館で普及している。子供はより影響を受けやすい可能性があるが、ほとんどの研究は大人を対象に行われている。[ 54 ]学校やメイカースペースでは、室内での曝露を減らすために、換気、空気質の測定、工学的制御を検討することが推奨される。
フィラメントプリンターは、揮発性有機化合物（VOC、空気中に容易に溶解する物質）と微粒子状物質（PM、長時間空気中に浮遊する粒子）の主要な発生源です。[ 57 ] [ 58 ] 3Dプリンターは超微粒子（1～100ナノメートルのオーダー）を放出し、研究によると、これらの粒子は呼吸器系の奥深くに付着するほど小さく、体から排出するのが難しいことが示されています。[ 54 ]
ある研究では、400種類以上のVOCを測定し、そのうちのいくつかは刺激性、感作性[ 55 ] （アレルギー反応の最初のステップ）、喘息誘発性[ 55 ]（喘息の発症を引き起こす）、臭気を発する[ 55 ]、発がん性[ 55 ]（がんの発症を促進する）、発達毒性[ 55 ]（発達に害を及ぼす） 、生殖毒性[ 55 ] （生殖を阻害する）であり、炎症、呼吸器疾患、神経毒性、がんを引き起こす可能性がある[ 55 ]。
3Dプリンティングから測定された特定のVOCには、ラクチド[ 55 ] 、スチレン[ 55 ] 、エチルベンゼン[ 55 ] 、ホルムアルデヒド[ 55 ] 、アセトアルデヒド[ 55 ] 、ノナナール[ 55 ] 、テトラヒドロフラン[ 55 ] 、シクロヘキサノン[ 55] 、ブタノン[ 55 ]、クロトンアルデヒド[ 55 ]、アクリル酸[ 55 ]、ヒドロキシエチルアクリレート[ 55 ] 、メタクリル酸メチル[ 55 ]などがあります。
印刷場所は換気が良い必要がありますが、良好な印刷には一定の室温と最小限の通風が不可欠な場合が多いため、これは難しい場合があります。空気の質は、 VOCや粒子状物質を検出できる空気質計で測定できます。プリンターは寝室や居間ではなく、暖房付きのガレージ、地下室、屋根裏部屋など、人があまり滞在しない場所に設置する必要があります。印刷環境の粉塵量も制限する必要があります[ 59 ]。たとえば、掃除機をかける頻度を増やすなどです。
プリンターをHEPAフィルターまたは活性炭を通して排気ファンを備えたキャビネットに置く人もいますが[ 59 ]、これらのフィルターはすべての粒子と排気ガスを除去するわけではありません。屋外に排気することは有益かもしれません。
ホットエンドの温度が低いと排出物が少なくなるが[ 59 ]、印刷品質が低下する可能性もある。より害の少ない材料を選択することも可能で、例えばPLAはABSよりも安全であるという評判がある[ 59 ]（ただし、それでも有害物質を排出する）。