基礎知識「マルチヘッド3Dプリンターとは何か」

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現在、「Bambu Lab A1 mini」という4色印刷ができる3Dプリンターを使用している。「シングルヘッド」方式のBambu Lab A1 miniは、色を切り替える際にゴミが発生し、印刷時間も長くなる。この問題を解決するために、「マルチヘッド」タイプの3Dプリンターを調査した。

この記事では、「マルチヘッドとは何か」という点について、調査した結果をまとめています。

FDM方式3Dプリンターの基本

本題に入る前に、3Dプリンターの基本的な仕組みについて説明します。

FDMはFused Deposition Modeling（熱溶融積層法）の略で、現在最も広く普及している3Dプリンターの方式です。熱で溶かした樹脂を一層ずつ積み重ねて、立体物を造形します。その仕組みは、「熱いグルーガン」や「ケーキのデコレーション」に例えられることがあります。

造形の仕組み

材料の供給: フィラメントと呼ばれる、スプールに巻かれた紐状のプラスチック材料を使います。
溶解と射出: このフィラメントをプリンターヘッド（エクストルーダー）が掴み、高温のノズルへと送り込み、熱で溶かします。
積層: 溶かされた樹脂は、設計データに基づいて、ノズルから台座（ビルドプレート）の上に正確に押し出され、オブジェクトの最初の層（断面）が描かれます。
繰り返し: 1つの層が完成すると、台座がわずかに下がるか、プリンターヘッドがわずかに上昇し、その固まった層の上に次の層を積み重ねていきます。

この一連の工程を何百、何千回と繰り返すことで、最終的に立体的なオブジェクトが完成します。

FDM方式のメリット・デメリット

メリット:

手頃な価格: プリンター本体も材料（フィラメント）も比較的安価で、個人でも手軽に導入できます。
簡単な操作: 構造がシンプルであるため、取り扱いやメンテナンスが比較的容易です。
多様な材料: PLAやABSといった一般的なプラスチックのほか、ナイロンやPETG、ゴムのように柔軟なTPUなど、用途に応じて非常に多くの種類の材料が利用できます。

デメリット:

積層痕（せきそうこん）: 一層ずつ積み重ねるという原理上、完成品の表面には「積層痕」と呼ばれる縞模様が残りやすいです。
造形精度: 光で硬化させるSLA（光造形）方式などに比べると、微細なディテールや滑らかな曲面の再現性は劣る傾向があります。

シングルヘッド方式の特徴

市場に流通している多くのコンシューマー向け3Dプリンターが採用しているのが「シングルヘッド」方式です。

これは、熱で樹脂材料（フィラメント）を溶かして射出するノズルを1つだけ搭載した構造を指します。単一のノズルであるため、一度の造形プロセスで使用できる材料は、基本的に1種類に限られます。構造がシンプルでコストを抑えられるため、入門機や標準機に広く採用されています。

多色対応・シングルヘッド方式

シングルヘッド方式でありながら、多色印刷に対応した3Dプリンターが複数登場しています。1つのノズルに対して、複数のフィラメントを切り替えて供給する仕組みです。

Bambu Lab A1 miniでは、AMS（Automatic Material System）により4つのフィラメントに対応しています。

メリット：多色造形の実現

最大の特長は、複数の色の材料を使い分けることで、一度の出力で多色オブジェクトを造形できる点です。これにより、単色の試作品では伝わらなかった製品の最終的な外観イメージを正確に再現したり、教育現場で用いる模型を視覚的に分かりやすく色分けしたりすることが可能になります。

メリット：異種材料の活用

もう一つの重要な利点は、性質の異なる材料を組み合わせられることです。実用面で特に効果を発揮するのが、PVA（ポリビニルアルコール）に代表される水溶性のサポート材の利用です。本体の造形にはABSやPLAといった主材料を使い、複雑な形状を支えるサポート構造部分だけを水溶性材料で出力します。これにより、造形後にオブジェクトを水に浸けるだけで、手作業では除去が困難だった箇所のサポート材をきれいに溶解除去できます。

また、硬質材料と軟質材料を組み合わせることで、グリップ部だけが柔らかい工具や、ヒンジ部分が柔軟なケースといった、機能性を持つパーツの一体造形も実現できます。