ギアを3Dプリントする人はたくさんいますが、どのフィラメントを使えばいいのか悩むことがあります。 この記事では、ギアに最適なフィラメントと、ギアの3Dプリント方法についてご案内します。

そんなあなたに、3Dプリントギアに関するお役立ち情報をお届けします。

3Dプリンターで作った歯車は、十分な強度があるのか？

3Dプリントギアは、一般的な機構やさまざまな用途に十分な強度を備えています。 ナイロンやポリカーボネートなどの素材は、より強く、より耐久性があるため、プリントギアに適しています。 ロボットプロジェクトや交換用には、軽量であることから金属製のものよりも3Dプリントギアが好まれることがあります。

さらに、メカによっては交換部品を取り寄せるのに時間がかかることもあるので、自分でパーツを設計・印刷することで時間を短縮することができます。

一方、3Dプリントした歯車は、よほど強い素材を使う専門センターでプリントしない限り、フィラメントの種類に関係なく、重機には弱すぎる可能性が高いです。

ここでは、ラジコンカーの破損したプラスチック製ギアを、3Dプリントしたナイロンフィラメントのものに交換することに成功したユーザーの例を動画で紹介します。

ギアを何に使うかによって、異なる材料がより良い結果をもたらすので、次のセクションでギアを3Dプリントするのに適した材料について説明します。

PLAは歯車に使えるか？

PLAはギアに使用することができ、3Dプリントする多くのユーザーにとってうまく機能しています。 PLAでうまく3Dプリントされたギアの一例として、以下のものがあります。 ギヤードハート 歯車が動く3Dプリント。 300以上のメイクスがあり、その多くはPLAで作られています。 シンプルな歯車モデルにはPLAが有効です。

今回は、Amazonで購入できるCC3D Silk PLA、GST3D PLA、Overture PLAなどのフィラメントでギアを製作しました。 PLAの種類、色、組成によっては、他のものより性能が良いものがありますので、次の項目で紹介します。

PLAは、耐久性やトルク（回転力）に関しては、最強でもなければ反発力もなく、45～500℃以上の温度で変形してしまいますが、手頃な価格の割には驚くほどの性能を発揮し、入手しやすい素材です。

潤滑剤入りのPLAギヤの強度や耐久性をテストした動画をご覧ください。

3Dプリンター用ギアに最適なフィラメント

ポリカーボネートとナイロンは、耐久性と強度の点で、家庭でギアを3Dプリントするのに最適なフィラメントと言えそうです。 ポリカーボネートは機械的特性に優れていますが、ナイロンはより身近で汎用性が高いため、より多くの人が使うことから、最適なフィラメントとみなされることが多いようです。

以下、これらのフィラメントと、非常に人気のあるPLAについて、より詳細に説明します。

1.ポリカーボネート

ポリカーボネートは、少し高価なことと、ノズル温度が300℃に達するプリンターが必要なことから、一般的なフィラメントではありませんが、家庭でのプロジェクトに使用する人が多いことから、定番フィラメントに分類されることがあります。

Polymaker PolyMax PCは、Amazonで入手できる高品質のフィラメントブランドです。 多くのレビュアーによると、他の多くのポリカーボネートフィラメントよりも印刷しやすいそうです。

コンポジットPCなので、強度や耐熱性を犠牲にしてまでプリントする必要があるのですが、その辺のバランスがポリメーカーらしく、特別なベッドやエンクロージャーを使わなくても素晴らしいプリントをすることができます。

ポリカーボネートフィラメントには数多くの種類があり、メーカーによって性能も違えば要求されるものも異なります。

このフィラメントは非常に強く、150℃までの温度にも変形せずに耐えることができます。もし、機構上熱くなることが分かっているギアをプリントする必要があるなら、この素材がベストな選択となるかもしれません。

その反面、印刷が難しく、ノズルとベッドの両方から高い熱を必要とする。

2. ナイロン

ナイロンは、家庭でギアを3Dプリントする際に、おそらく最も人気のある選択肢であり、市場にある主流で手頃な価格のフィラメントの中でも、最も優れた選択肢の1つです。

強度と柔軟性に優れ、120℃の高温でも変形せずに機能する高い耐熱性を持つ素材です。

しかし、PLAよりも高価であり、プリントするのが少し難しいですが、オンラインには耐久性のあるギアをプリントするのに役立つチュートリアルや手順がたくさんあります。

ナイロンフィラメントには炭素繊維強化ナイロンというものがあり、通常のナイロンフィラメントよりも強度が高く、硬いとされていますが、この点についてはユーザーの意見も分かれています。

Amazonの「SainSmart Carbon Fiber Filled Nylon Filament」のようなものがおすすめです。 強度と耐久性に優れていて、多くのユーザーに愛用されています。

ナイロンとカーボンファイバーのナイロンフィラメントを提供する人気のブランドには、MatterHackers、ColorFabb、Ultimakerがあります。

スマホケースの3Dプリントに最適なナイロンフィラメントは、Amazonの「Polymaker Nylon Filament」です。 強靭でプリントしやすく、美観にも優れているため、ユーザーから高く評価されています。

ナイロンの欠点として、吸湿性が高いので、適切な保管を心がけ、できるだけ乾燥させる必要があります。

AmazonのSUNLUフィラメントドライヤーなど、湿度管理された保管箱からそのままプリントすることを推奨する人もいます。

3. PLA

PLAは、一般的に最も人気のある3Dプリント用フィラメントであることは間違いなく、そのため、価格的にも仕上がりの多様性という点でも、広く利用されています。

45～50℃以上の高温にさらされると軟化してしまうので、理想的ではありませんが、それでも耐久性はかなりあります。

前述したように、以下のような素晴らしいPLAフィラメントで行くことができます：

• CC3D Silk PLA
• GST3D PLA
• オーバーチュアPLA

下の動画は、ナイロンフィラメントと同様に、PLAにも様々なバリエーションや複合材料があり、強度の高いものもあります。 下の動画では、PLAの種類から、トルク（回転力）に反応する素材や複合材料、そしてその強度を比較します。

下のビデオは、PLAを2年間日常的に使用した場合の耐久性を調べたものです（このFusion 360ファイルを例にしています）。

多くの人があまり複雑でないプロジェクト（前述のギアードハートなど）にPLAを使用していますが、このようなプロジェクトにはこのフィラメントが最適な選択です。

時には、もっと複雑な機械のために、PLAで仮の交換用ギアを印刷して、成功させる人もいました。

4.PEEK（ピーク

PEEKは、ギアの3Dプリントに使える非常にハイレベルなフィラメントですが、専門の3Dプリンターと、より専門的な設定が必要です。

PEEKの主な特性のひとつは、その強さです。現在、市場で最も強いフィラメントを購入し、自宅で3Dプリントすることができますが、プリント条件を正しく設定することは難しいです。

PEEKは航空宇宙、医療、自動車産業で使用されているため、この材料でギアを3Dプリントすれば、非常に優れた結果が得られるでしょう。 しかし、これは500gで約350ドルと非常に高価です。 また、家庭でのプリントが難しいため、理想的な選択とは言えないかもしれません。

PEEKを紹介するビデオをご覧ください。

Vision Minerで販売されている同様のものを確認することができます。

3Dプリンターで作ったギアをより強くする方法とは？

3Dプリントしたギアをより強くするために、 プリンターのキャリブレーションをする、歯車を裏返しにして印刷する、フィラメントがよく接着するように印刷温度を調整する、インフィルの設定を調整する、歯を少なくして、それぞれの歯を厚く、強く印刷できるようにする、などが考えられます。

プリンターを校正する

どんなプリントでもそうですが、プリンターのキャリブレーションを適切に行うことで、3Dプリントしたギアをより強く、より正確にすることができます。

まず、ベッドレベリングとベッドからのノズル距離に注意することで、初層が強く、層の密着性が良いギアを得ることができます。

次に、E-StepsとFlow Rateをキャリブレーションすることで、エクストルーダーを流れるフィラメントの量を適切に調整し、3Dプリントしたギアの完全性を損なうブロブやギャップを避けることができます。 このキャリブレーションの方法を説明したビデオがこちらです。

ギアを裏向きに印刷する

ギヤの歯がビルドプレートに接触するように、必ずギヤを裏向きで印刷します。 これにより、層の接着がより確実になり、歯がより強固になります。 また、取り外すとギヤの完全性を損なうサポートが不要になります。

プリントの向きについて、より詳しく解説した動画をご紹介します。

マウント付きのギアがある場合は、下の動画のように、必ずギアを下にして、マウントを上にして印刷します。

印刷温度のキャリブレーションを行う

ThingiverseのTemperature Calibration Towerを印刷することで、フィラメントが正しく溶けてくっつくための最適な温度を見つけることができます。

Curaを通して温度キャリブレーションタワーを設定する新しいテクニックがあります。 ご自身の3Dプリンターでどのようにできるのか、以下のビデオで確認してみてください。

キャリブレーションテストを行わずに温度を上げると、フィラメントをより溶かし、レイヤーの接着をより良くすることができます。 通常、このような問題が発生した場合、5～10℃の温度アップが効果的です。

しかし、それでもギヤの強度が上がらない場合は、キャリブレーションテストを行う必要があります。

アジャスト・インフィル・セッティング

一般的に、ギアの強度を確保するためには50％以上のインフィル値が必要ですが、インフィルパターンによって値が異なる場合があります。

小型のギアには100％インフィルを推奨するユーザーもいますが、50％以上であれば問題なく、インフィル率が高くても差は出ないという意見もあります。 内部を強くサポートするために、トライアングルインフィルのパターンを使用すると良いという意見もあります。

インフィルの設定として、インフィルとモデルの壁の重なりを測定する「インフィルオーバーラップパーセンテージ」があります。 パーセンテージが高いほど、壁とインフィルのつながりがよくなります。

インフィルオーバーラップの設定は、デフォルトで30％に設定されていますので、インフィルとギアの外周の間に隙間がなくなるまで、徐々に上げてください。

歯数の少ない歯車を3Dプリンターで作る

歯車の歯数が少ないと、歯が大きく丈夫になり、歯車全体が丈夫になります。 歯が小さいと壊れやすく、正確に印刷することが難しくなります。

ギアの歯の厚さは円ピッチの3～5倍が望ましく、幅を広げるとそれに比例して強度も上がります。

プロジェクトが許すのであれば、常に必要最小限の歯数を選んでください。 最大限の強度を得るための歯車設計のアプローチ方法について、より詳しいガイドをご紹介します。

Evolvent Designというとてもクールなウェブサイトがあり、そこで自分のギアデザインを作成し、STLをダウンロードして3Dプリントすることができます。

PLAギヤの潤滑はどうする？

3Dプリントギアの潤滑剤には、リチウム系、シリコン系、PTFE系などがあり、アプリケーターボトルやスプレーなど、好みに応じて使い分けることができます。

例えばPLAでは、より軽い潤滑剤を選ぶのがベストですが、上記のグリスも広く使われており、満足のいく結果が得られています。

リチウムグリースは歯車に直接塗るタイプ、PTFEはスプレータイプが一般的です。 潤滑剤を塗った後、歯車を回して回転がスムーズかどうか確認してください。

Super Lube 51004 Synthetic Oil with PTFE、STAR BRITE White Lithium Grease、あるいは化粧用ワセリンなどが良い評価を得ています。 Super Lubeはおそらく3Dプリント用のオプションとしてより人気があり、2000件以上の評価があり、執筆時点で85％が5スター以上となっています。

3Dプリンターユーザーの多くは、ヒンジ、リニアレール、ロッドなど、さまざまな部品にSuper Lubeを使用しています。 これは、3Dプリントされたギアにも使用できる素晴らしい製品でしょう。

スムーズな動作のために、定期的にギアの清掃と注油を行う必要があります（プリントギアの清掃方法については、こちらのガイドをご覧ください）。

ウォームギアを3Dプリントできるのか？

ウォームギアを3Dプリントすることは可能です。 人々はウォームギアに様々な材料を使用してきました。強度と耐久性に優れたナイロンが最も人気があり、次いで潤滑剤を使用するとより優れた性能を発揮するPLAとABSが選ばれています。 ユーザーは、過度の糸引きとサポートを避けるために、450でプリントすることをお勧めします。

また、あるユーザーは、PETGを使って車のワイパー用のウォームギアを印刷し、2年半以上にわたって正常に動作しています。

PLA、PETG、ABSから作られた乾式と潤滑式のウォームギヤの耐久性と強度を高速でテストした動画を紹介します。

ウォームギアを正しく設計して印刷することは、非常に可能ですが、精度と耐久性が必要なため、少し難しいかもしれません。

そのため、ウォームギヤには潤滑油の必要がないナイロンが選ばれています。

3Dプリントギアを樹脂化できるか？

ギアを樹脂で3Dプリントして使うことは可能です。 通常の樹脂よりも大きな力やトルクに耐えられる特殊なエンジニアリング樹脂を購入することをお勧めします。 また、柔軟な樹脂を混ぜて脆くしないようにすることもできます。 パーツを長時間硬化させないようにしましょう。

Michael Rechtinによる以下のビデオは、樹脂とFDM 3Dプリントの両方を使用して3Dプリント遊星ギアボックスをテストするとてもクールな実験です。 彼はこのテストにTough PLA & ABS-Like Resinを使用しました。

あるユーザーは、3Dプリントギヤの経験として、樹脂ギヤはFDMギヤよりも実際に強いと述べています。 彼らは、FDM3Dプリントギヤの歯が剪断された2つのアプリケーションを持っていましたが、丈夫な樹脂3Dプリントではうまく動作しました。

結局、プーリーやベルトに変更し、3,000時間以上稼働しています。