FDM方式の3Dプリンターで作った部品を手で折ると、たいてい層と層の境目から割れます。層に沿う方向（XY）には十分な強度があるのに、層を引きはがす方向（Z）では文字どおり桁が違う。
これを「積層造形だから仕方ない」で終わらせると、設計で避けようがなくなります。界面で何が起きていないのかを押さえると、対処の道筋が見えてきます。
この記事について — 本稿は高分子の界面形成と熱移動の原理から書いた解説です。この記事は実機での検証を伴いません。強度試験を自分で行った結果ではありません。Magma の仕様と制約は開発者の公開情報によります。図解は自作です。
層はくっついているのではなく、溶け合っている（はずだった）
押し出された樹脂が下の層に乗るとき、接合は接着剤のような「貼り付け」ではありません。両者の温度が十分高ければ、高分子鎖が界面を越えて相手側にもぐり込みます。これを分子鎖の絡み合い（entanglement）と呼び、この現象が起きて初めて、界面は「もとから一体だった材料」に近づきます。
ここで効くのが時間と温度です。鎖が動くにはガラス転移温度を十分に超えている必要があり、しかももぐり込むには時間がかかります。ところがFDMでは、押し出された樹脂は空気とベッドに熱を奪われて数秒で冷えてしまう。
つまり層間では、次の三重の不利が重なります。
- 温度が下がり始めた状態で接触する
- 接触している時間が短い
- 接触面積も、丸い押出線同士なので見かけほど広くない
結果として絡み合いが途中で止まった界面ができます。これがZ方向の弱さの正体で、素材そのものの強度とは別の話です。
だから対策の方向も決まります。界面の温度を上げ、接触時間を稼ぎ、接触面積を増やす。この3つ以外に道はありません。
設計と設定でできること
| やること | なぜ効くか |
|---|---|
| ノズル温度を上げる | 鎖が動ける時間が伸びる。ただし糸引きと垂れとのトレードオフ |
| 庫内温度を上げる（エンクロージャ） | 冷却速度が落ち、接触時間が実質的に伸びる。ABS・PCで特に効く |
| 部品冷却ファンを弱める | 同上。オーバーハングの品質とのトレードオフ |
| 押出量をやや増やす | 押出線がつぶれて接触面積が増える |
| 荷重方向に層を合わせる | 一番効く。設計時に置き方を決める |
| 層厚を薄くする | 界面の数は増えるが、1層あたりの熱容量が小さく再加熱されやすい |
最後から2番目が本命です。 引張・曲げの荷重がかかる方向とZ方向が一致しないよう部品を寝かせる。これだけで数倍違います。設定をいじる前に、まず置き方を疑ってください。ここを外したまま温度を上げても焼け石に水です。
素材でいえば、PLAよりPETG、PETGよりPCやCFナイロンのほうが層間が強い傾向にあります。ただし高温になるほどエンクロージャなしでは反りが出るので、素材を上げると装置側の要求も上がります。
なお、素材が本来の性能を出せているかは別の問題です。吸湿したフィラメントは内部に空隙を抱えたまま固まるため、層間以前に線そのものが弱くなります。この点はフィラメント乾燥の記事にまとめました。仕上げで積層痕を消す話はヤスリがけの記事に、造形が角から浮く問題は反りの記事にあります。
溶けた樹脂を注入して縫う — Magma
その前提を崩しにかかっているのが、Mark Gunlogson 氏の Magma（OrcaSlicer のフォーク）です。
発想は単純で、プリント中に垂直な中空チャネルを作っておき、そこへ溶けた樹脂を流し込んで層をまたいで固めます。逆U字型の経路にして、ノズルがチャネルへ降りて注入し、樹脂が流れ、反対側から上がってくる。層と層を、あとから縦に縫うイメージです。
チャネルの配置は3種類が用意されています。
- Triangle（三角）
- Rectilinear（格子）
- Tri-hex cells（六角と三角の混合）
実験的な組み合わせとして、CFナイロンやポリカーボネートで外殻を作り、低粘度のPLAを注入するという異種材料の構成も想定されています。外殻は硬く、注入材は流れやすく、という役割分担です。
ソースは magma-infill ブランチで AGPL-3.0、ビルド済みバイナリも配布されています。あわせて CC0 1.0 での防御的公開も行われており、この手法が誰かに特許化されて閉じられるのを防ぐ意図が読み取れます。
まだ完成していない
開発者自身が制約を明示している点は、正直に書いておきます。
- 「きれいな実物のプリント」はまだ達成できていない
- 注入時にチューブの上部が溶けてしまう傾向がある
- 樹脂の粘度が制約になり、注入できる高さに限界がある
- デュアルノズル機と高流量ホットエンドが推奨。Z方向のシール調整も要る
- 開発はシングルエクストルーダ機で行われたため、異種材料の構成はほとんど未検証
そして強度が何倍になったかの数値データがありません。開発者自身が「強度の数字がほしい」と書いている段階です。
何が面白いのか
この手法が実用になるかは、正直まだ分かりません。それでも考え方として筋が通っています。
層間が弱いのは、熱と時間が足りずに絡み合いが完了しなかったからです。ならば温度と時間を稼ぐ方向（エンクロージャ、温度、冷却制御）で攻めるのが正攻法になります。Magma はそこを迂回して、あとから溶けた樹脂を通して物理的に縫うという別解を出しました。
正攻法が「界面をなくす」方向なのに対して、こちらは「界面をまたぐ補強材を後入れする」方向です。鉄筋コンクリートの鉄筋に近い。異方性を消すのではなく、弱い方向に別の要素を足して補うという発想になります。
持ち帰れること
- 積層品の弱さは素材の弱さではありません。 界面の形成条件の問題なので、条件を変えれば動く余地があります
- 設定より先に置き方を疑ってください。 荷重方向と層方向の関係が最も効き、しかもコストがかかりません
- 「仕方ない」と言われている制約ほど、前提を疑う価値があります。 誰かがすでに疑い始めています
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