3Dプリンティング¶
3Dプリンティングの種類¶
3Dプリントにはいくつかの種類があります。FDM（Fused Deposition Modeling / Fused Filament Fabrication) ( 熱溶解積層方式）は、フィラメントを溶かし、押出成形でパーツを造形する方法です。FDMはよく使われるプリント方法であるため、gm0ではFDM方式を取り上げ説明します。他にも、SLA（ステレオリソグラフィー)、SLS（粉末焼結積層造形）という3Dプリントの手法が存在します。しかし、一般的にこれらの手法は複雑・高価であったり、FTC|reg|の用途には適さない場合があります。そのため、SLA,SLSはFTCの仕様には推奨されません。
金属3Dプリンティング（SLSなど）も近年利用可能になってきていますが、現在gm0では触れていません。
Tip
必要に応じて `FTC docs 3D printing section<https://ftc-docs.firstinspires.org/en/latest/manufacturing/3d_printing/index.html>`_を参照してください。 このページはFTC用途のFDM 3Dプリントを行うためのガイドになっています。ベッドの接着、トレランス、3Dプリントするパーツのデザイン、チューニング、環境に応じた3Dプリンターの選択などのトピックをカバーしています。
3Dプリントのメリット¶
3Dプリントにより、任意のサイズのパーツの作成や、ロボットごとに最適なパーツの作成が可能になる。例えば、最適な速度に必要な正確な直径のスプールや、特定の歯数のベルトプーリーを印刷することができる。
すべてのキットに適応可能なマウントやブラケットがあるわけではない。3Dプリントによってチームはキットや個々のパーツを簡単に適応させることができる。その良い例として、チームが3DプリントするNexus :term:`メカナム<Mecanum Wheel>`ボアアダプターがある。
3Dプリントにより、アルミニウムなどの素材では加工上の制約から制作不可能なパーツを製作することができる。
3Dプリントにより、チームはワイヤーや接続部のカスタムストレインリリーフを制作することができる。カスタムストレインリリーフは3Dプリントの練習に素晴らしいプロジェクトであり、時間を費やす価値がある。
3Dプリントのデメリット¶
大会で3Dプリントのスペアが切れたら運の尽きです。チームは、3Dプリントされたすべてのパーツに対して少なくとも1セットを、競技用のスペアとしてプリントすることをお勧めします。
3Dプリントされた部品は、一般的にアルミニウムなどの他の材料よりも強度が低い。しかし、プリン方向を適切に調整することによって、十分な強度の部品をつくることができる。現に3DプリントされたフックでFRC｜reg｜ロボット（120ポンド）やFTCロボット（40ポンド）を支えているチームも存在する。
3Dプリントされた部品は、1つの方向にのみ負荷をかけれる。ロボットが3Dプリントされたフックにぶら下がっている場合、フックの湾曲した部分の底面にのみ荷重がかかるようにし、パーツの故障を避けるため、側面からの荷重はできるだけ排除しなくてはならない。
3Dプリントで作れるパーツのサイズは、プリントベッドのサイズによって制限される。
大きい・厚みがあるパーツのプリントは、プリントに長時間（一晩中）かかり、その上で失敗する危険性がある。
プリント用のフィラメントはAmazonなどのオンライン販売でリーズナブルな価格で手に入る。しかし、それでも3Dプリンティングはかなり高価になる可能性がある。
3Dプリントに用いられる一般的なフィラメント¶
FTCのために3Dプリントする必要があるほとんどのパーツは、**PLA（またはPLA+、Pro、その他)・ PETGは、強度、耐久性、外観のすべてのニーズを満たすでしょう。**この2種類のフィラメントは、プリントするのが圧倒的に簡単で、多くのメーカーからリーズナブルな価格で販売されています。ここで紹介する他のフィラメントのほとんどは、（TPUのような）非常に特殊な利点を提供するが、その代償として労力と時間とお金がかかる。
危険
使っているプリンターのホットエンド（フィラメントを溶かす部分）にPTFE（テフロン）ライニングが施され、PTFEチューブがヒートブロックまで続いている場合（エンダー3やその亜種のような低価格プリンターに多い）、**摂氏250度**以上でプリントしてはいけません。高温でプリントすると、PTFEチューブが劣化して溶け、有毒ガスが発生します。高温で印刷する必要があり、PTFEライニングのホットエンドを使用している場合は、オールメタルホットエンドへのアップグレードを検討してください。
PLA（ポリ乳酸）¶
最も一般的な3Dプリント用フィラメントは、PLA（ポリ乳酸）である。PLAは、トウモロコシの澱粉やサトウキビなどの生物由来の原料から作られたプラスチックです。PLAは硬いが、他のフィラメントよりも脆く、プリント時の反りがほとんどない傾向にある。PLAは大半のロボット部品の作成に適しているが、衝撃荷重には耐えられない可能性があるため、プリントされる部品は用途に合わせて設計する必要があります。
PLAホットエンドの温度範囲は190〜230℃。
PLAのベッド温度は20～60℃だが、PLAを用いたプリントでは加熱ベッドは厳密には必要ない
Tip
PLAの融点は比較的低いため、高温の車内などにPLAパーツを放置しないようにしましょう。高温での放置はフィラメントが反ることにつながります。
PLAには、PLA+やPLA Proのように、さまざまなメーカーから多くのフィラメントのバリエーションが販売されています。これらのフィラメントには、強度や印刷適性、その他の特性を向上させるためのさまざまな添加剤が含まれています。高価ではあるものの、これらの製品はPLAの性能を大幅に向上させ、その弱点をカバーすることができます。
PETG（グリコール変性ポリエチレンテレフタレート）¶
PETGはPLAの強度アップグレードと言えます。印刷は難しくありませんが、ささくれやその他の小さな遺物が目立ちます。技術的にはPLAより抗張力（引張強さ）は低いものの、はるかに堅く、たわむことで衝撃に耐える特徴を持ちます。PLAでは不十分な耐衝撃性が必要なFTC部品には最適な選択肢です。また、耐熱性が高いため、高温の車内などの高い周囲温度でもフィラメントが反ることはありません。
警告
PETGはプリントベッド、**特にガラスとPEI**に非常によく接着することで知られており、ベッドの表面を引きはがすことで知られています。印刷する前にスティックのりやヘアスプレーをベッドに吹きかけるとよいでしょう。
PETGプリントのホットエンドの温度範囲は230-260℃。
PETGプリントのベッド温度は60-80℃。
その他のフィラメント¶
ここで紹介するフィラメントは、上記のフィラメントに比べ使用頻度は低いが、FTCロボットで使用されるケースはたくさんある。これらのフィラメントは通常、柔軟性や耐久性といった特定の材料特性があるため使用される。しかし、これらのフィラメントは、印刷の際に大きな障害が伴うことが多く、プリンターによってはすぐに印刷できないことがある。
ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）¶
PLAが市販される前は、ABSがプリント用の標準フィラメントだった。LEGO｜reg｜の部品でABSを使ったことがあるだろう。ABSは高荷重に耐えることができ、非常に延性が大きい。この性質は印刷が難しいという代償を伴う。時に、プリントパーツの激しい反りを防ぐために囲いを用いて周囲温度を高く保つ必要がある。PLAよりも強度の高いフィラメントを求める際、ABSよりもPETGの方が扱いやすいため、FTCでABSの部品はそれほど使われていない。しかし、ABSはPLAと同じ価格で販売されており、かなり手頃だ。
ABSプリントのホットエンドの温度範囲は230-250℃。
ABSプリントのベッド温度は100-120℃。
反りを防ぐため、エンクロージャーを強く推奨
Due to the difficulty of printing ABS and its limitations, one might look at alternatives such as ASA which offer similar properties with much better printability.
TPU/TPE (Thermoplastic polyurethane/Thermoplastic elastomer)¶
TPU and TPE are both common printing filaments that are widely used for their flexible material properties. This allows one to create printed parts that can easily flex and bend. Sold under many different durometers (a measure on the Shore Hardness Scale of the hardness/flexibility of a material), TPU/TPE's high impact resistance and layer adhesion make it not only a versatile filament, but an extremely durable one. In FTC, teams use TPU/TPE in roles such as printed intake flaps in place of a tube, as well as custom belts for low-load applications.
Tip
Due to its flexible nature, printers that use a Bowden tube extrusion system, where the extruder motor is not placed on the hotend, will find it extremely difficult to print TPU/TPE.
TPU/TPE hotend temperatures range from 210°-250° C
TPU/TPE does not usually need a heated bed, but if one is used it should not go over 60 °C as this will fuse TPU with print bed.
TPU/TPE has the tendency to absorb a lot of moisture from the air, and thus will likely need to be dried before and perhaps during a print.
Direct drive extruder is highly recommended
Exotic Filaments¶
There is rarely ever any need for these filaments in FTC. They offer extremely good material properties for parts that need to be subjected to high forces and adverse environments. They are all much more expensive than any of the filaments listed above, and offer a multitude of challenges for printing.
Nylon¶
Nylon filaments can be glass-filled, carbon fiber-filled, or pure. Nylon is the king of impact resistance in many situations where the part can flex out of the way, instead of completely breaking. Occasionally nylon is used for parts like wheel covers on drivetrains and in places where it will be repeatedly hit and battered. Nylon requires very high temperatures, generally requires an enclosure, and absolutely must be dried before (and while) printing.
Nylon hotend temperatures range from 240°-260° C
Nylon bed temperatures range from 55°-80° C
Nylon is infamous for absorbing moisture from the air and should be thoroughly dried before and during printing. Failure to do this will probably result in a nearly unusable part.
Enclosure recommended
Carbon Fiber-filled¶
Many filaments are also sold with the addition of small chunks of carbon fiber mixed into the filament itself. While often though of as an extreme strength improvement, these filaments are instead meant to be stiffer and help to improve the printability of filaments like nylon. Carbon fiber-filled filaments generally require higher temperatures, and a hardened steel nozzle, but if you can print the pure variants of those filaments, you should be able to print their carbon fiber-filled counterparts.
Polycarbonate (PC)¶
Polycarbonate and its variants are very very strong, technical materials. PC shines in its ability to be very rigid, and handle shock loads exceedingly well. PC also requires being dry, having a printer capable of very high temperatures, and an enclosure. It is a very challenging material to print, and is often very expensive. There is little reason to ever need printed polycarbonate parts in FTC, with no use cases requiring its strength.
There are several PC blends that can be much easier to print, a standout example is PolyMaker PolyMax PC. It is an easier-to-print, lower temp PC that retains many of the advantages of pure PC. PolyLite is not quite as impact-resistant, but a lot cheaper. Both are much easier to print than pure PC.
PC hotend temperatures range from 250°-320° C
PC bed temperatures range from 80°-140° C
Enclosure required
Filament must be kept dry
High-end exotic filaments¶
There are a few other materials that can have very high-end benefits, and push the envelope on what 3D printing can accomplish, but should not be printed if you are not very confident in your printing skills, and have basically no use in FTC. These materials include, but are not limited to, Delrin (Polyoxymethylene Homopolymer Acetal), PEI (Polyether Imide, brand name ULTEM), PEEK (Polyether Ether Ketone), and PEKK (Polyetherketoneketone). These materials are extremely hard to print, require ludicrous temperatures (some to the point where a hardened steel nozzle begins to melt), and are extremely expensive.
3D Printing Design Guide¶
Here is a quick guide on designing 3D printed parts that we hope is helpful for teams who may be unfamiliar with 3D parts.
The first consideration when designing 3D printed parts is print orientation. This refers to the side that contacts the print bed. Preferably, the part should have a flat bottom to maximize contact with the print bed.
Tip
Maximizing contact with the print bed will make sure the part doesn't delaminate or warp from the bed and increase print quality.
If it is impossible for the part to have a flat side to print on, a simple solution is to split the part into multiple parts along a plane. For instance, the gearbox plate below didn't have a flat side to print on, so it was split in half. The part was later sandwiched with numerous screws and plastic glue. If this plate was printed as one part instead of split in half, support would have to be used to create all of the necessary holes. Parts that use no support material make sure that the least amount of plastic is wasted.
Tip
Don't chamfer or round anything on the perimeter of the first layer on the bottom face of the part. Chamfering or rounding will increase the chances of the part warping, especially on unheated print plates.
Draft Angle¶
Draft angle refers to the overhang angle between the part side and normal vector from the print plate. The maximum draft angle refers to the maximum angle the printer can print without support material and is based on the printer, print settings (notably speed, temperature and cooling) and filament type. When trying to decrease support material, consider every overhang angle and make sure it is within the maximum draft angle. Staying within the maximum draft angle will also decrease the chances of part warping.
Stress Vectors¶
Perhaps the most important consideration is stress vectors. 3D printed parts are inherently stronger on two axes and weaker on one axis. The weaker axis comes from the layering action that defines FDM 3D printing. A common fix to this is to simply increase the print temperature up to a certain limit until it starts decreasing print quality, but the weaker axis can be resolved by again splitting up into multiple parts. The point to get across is to try to increase strength by optimizing sections of the part on the plane they are being printed on. For instance, this assembly below was responsible for hanging the entire robot, so it had to be the maximum strength possible for a 3D printed part.
Tip
It might seem counterintuitive to split up a part into multiple parts to increase strength, but there is a logic behind it.
The part could have been easily printed as a single part, but it would be fairly weak when stresses are exerted in the upward direction. Splitting the part and creating new flat surfaces to print on will strengthen each axis. If one small part failed, the robot might still be able to somewhat function. This would be preferable to the entire piece failing at once. In this example, the side pieces were printed as separate parts on a complementary axis to strengthen the assembly.
This assembly is a good example of considering part orientation, draft angles, and stress vectors in each part of the design. Complex parts can be made strong and without any support by simply splitting it up in the right way.