直接押出とボーデン押出：初心者向けガイド

エクストルーダーは3Dプリンターの主要部品であり、プラスチックフィラメントをホットエンドに押し込んで溶融させる役割を果たします。主に2つの設計があります。 ダイレクトエクストルージョンとボウデンエクストルージョン。プリンターが使用するシステムは、印刷速度から使用できるフィラメントの種類まで、プリンターのパフォーマンスに大きな影響を与えます。これら 2 つの設定の実際的な違いを理解することは、より良い印刷を実現し、機器について十分な情報に基づいた決定を下すために不可欠です。

エクストルーダーとは何ですか?

押し出し機は、プラスチックでできた「インク」のようなフィラメントをホットエンドに向けて移動させ、そこでフィラメントは溶けてプリントベッドに落ちます。 それは ステッピングモーター 電源、フィラメントを保持して動かすギア、そして「コールドエンド」と呼ばれる頑丈なハウジングで構成されています。 押し出し機の役割は、材料をスムーズに動かし続ける強力で制御された力を提供することであり、これは印刷を成功させるために重要です。

Direct セットアップと Bowden セットアップの基本的な違いは、押し出しモーターの物理的な位置です。

• ダイレクトエクストルージョンシステムでは、モーターは可動プリントヘッドに直接取り付けられます。
• ボウデン システムでは、モーターはプリント ヘッドから離れたプリンターの固定フレームに取り付けられます。

この一見単純な設計の変更は、プリンターの速度、処理できる材料、さらには日常的なメンテナンスに直接影響する一連の重要なトレードオフにつながります。

直接押し出し：短いパス、強力な制御

直接押し出し（「ダイレクトドライブ」とも呼ばれる） フィラメント供給機構とホットエンドを、ビルドエリア全体で一緒に移動する単一のユニットに統合します。

直接押し出しの仕組み

駆動ギアから溶融ゾーンまで、ダイレクトドライブ装置のフィラメントパスはわずか 長さ30～50mm押出機モーターはホットエンドの真上または隣に設置できるため、装置全体を小型化できます。フィラメントは駆動ギアによって短く硬いチューブを通って押し出され、最終的にヒートブレイクに到達します。このシステムは、モーターと溶融ゾーン間の最小距離によって定義されます。

パフォーマンス上の利点

直接押し出しには、次の 3 つの重要な利点があります。

• 瞬時の応答性 - モーターからの指令は数ミリ秒以内にフィラメントの動きに変換されます。この即時性により、複雑なプリント中でも正確な開始/停止制御が可能になります。
• 優れた収縮率 - フィラメントの経路が短いため、収縮距離はわずか0.5～2mmで、効果的に 滲出を防ぐモーターはフィラメントに蓄えられたエネルギーと戦うことなく、素早く方向転換することができます。
• 柔軟なフィラメント互換性 - パスを制限しているため、柔らかい素材の座屈や圧縮を防ぎます。TPUやその他のエラストマーは、ショア硬度が85Aと低くても確実に供給されます。

体重関連の制限

一体型設計により、モータのサイズと構造に応じて、可動質量が200～400グラム増加します。この追加重量により、いくつかの課題が生じます。

• 加速度の低減 - 一般的な加速度値は、軽量システムの場合の3000～5000 mm/s²と比較して500～2000 mm/s²の範囲です。
• 振動感受性 - 質量が大きいほど、特に方向転換時に共振が増幅されます。
• 速度制限 - 印刷速度 通常、高品質な結果を得るには最大 60 ～ 100 mm/s まで、軽量の代替品の場合は最大 150 ～ 200 mm/s まで可能です。

エンジニアは、特定のアプリケーションを設計する際に、こうした重量のペナルティとシステムの精度の利点とのバランスを取る必要があります。

ボウデン押し出し：リモートモーター、高速動作

ボウデン押し出しによりモーターとホットエンドが分離され、直接制御よりも軽量な動作が優先されます。

ボウデン押し出しの仕組み

ボウデン方式では、押し出し機のモーターをプリンターの固定フレームに取り付けます。通常は 300および800mm ホットエンドから。 ポリテトラフルオロエチレン（PTFE） チューブはこれらの部品を連結し、固定モーターから可動プリントヘッドへとフィラメントを移動させます。チューブの内径はフィラメントの幅とほぼ同じです。通常、1.75 mmのフィラメントの場合は2.0 mmこれにより、限られた経路が形成されます。この分割により、モーターの重量が動作システム全体から取り除かれます。

パフォーマンス上の利点

モーターをリモートに配置すると、次のような大きな利点が得られます。

• 最小限の移動質量 - プリントヘッドの重量はモーターなしでわずか50～150グラムで、3000～8000 mm/s²の加速を可能にします。
• 高速機能 - 慣性の低減により、表面品質を維持しながら 150 ～ 300 mm/秒の印刷速度を実現
• 振動アーティファクトの低減 - 質量が小さいため、方向転換時のリンギングやゴーストが最小限に抑えられ、よりきれいな垂直面と鋭いコーナーが実現します。

システムの制限

フィラメントパスの延長により、3 つの重要な課題が生じます。

• 圧縮とヒステリシス - 300～800mmのフィラメント柱はバネのように機能します。押し出し時には、フィラメントはノズルに到達する前に圧縮されます。引き込み時には、フィラメントが実際に引き出される前に、この蓄積されたエネルギーを放散させる必要があります。
• 摩擦損失 - フィラメントとチューブ壁の接触により、チューブの長さ、曲率、材料特性に応じて変化する抵抗が生じます。この摩擦は、フィラメントが柔らかいほど指数関数的に増加します。
• 応答遅延 - コマンドがシステム全体に伝わるまでに0.1～0.5秒かかります。これは、直接システムではほぼ瞬時に応答するのに対し、遅延時間は非常に短いです。この遅延により、より長いリトラクション距離（4～8mm）と圧力進角補正が必要になります。

これらの特性により、ボウデンシステムは、精密な押し出し制御と柔軟なフィラメントに苦労しながらも、硬質材料での高速印刷に優れています。。

直接押し出しとボウデン押し出し：どちらが勝つか

これらの設計の違いが実際の印刷にどのような影響を与えるかを知っていれば、ニーズに最適な方法を選択できます。

ボウデン印刷は50～100%高速化

ボウデンシステムは、印刷速度に優れており、通常、ダイレクトドライブ方式よりも50～100%高速に印刷できます。軽量ホットエンドは150～200 mm/秒で寸法精度を維持し、ダイレクトドライブシステムは60～100 mm/秒で最適な結果を生み出します。 しかし、ダイレクトドライブはどの速度でもより一貫した押し出しを実現します大幅な調整をすることなく、より滑らかな表面仕上げとより正確な寸法を実現します。

選択は優先順位によって異なります。 ボウデンは、時間が最も重要となるラピッドプロトタイピングや大型プリントに適しており、ダイレクトドライブは、詳細なモデル、機械部品、または寸法精度が要求されるあらゆるアプリケーションに適しています。。

ダイレクトドライブのみソフトTPUに対応

柔軟なフィラメントを印刷する場合、システムは劇的に異なります。

ダイレクトドライブ機能:

• ショア硬度85AまでのTPUを確実にプリント
• 柔らかい素材で一貫した流れを維持
• 特別な変更や設定は必要ありません

ボウデンの制限:

• より柔らかいものに苦労する 95A TPU
• フレキシブルの場合は20 mm/s以下の速度が必要
• チューブの修正や制約が必要になることが多い
• 慎重に調整しても、座屈したり詰まったりする傾向がある

硬質材料の場合（人民解放軍、PETG、 ABS）は、どちらのシステムも同等の性能を発揮します。しかし、ガスケット、携帯電話ケース、ゴムのような部品のプリントを計画している人にとっては、ダイレクトドライブは必須です。

ダイレクトドライブは引き込みを75%削減

ダイレクトドライブシステムでは、漏れを止めるために0.5～2mmの後退のみが必要です。モーターの指示に即座に反応します。このわずかな引き込みにより、フィラメントは無傷のままになり、押し出し機の部品の摩耗も防ぎます。

ボウデンシステムでは、チューブの柔軟性と摩擦を考慮して、4～8 mmの伸縮距離が必要です。最適な設定を見つけるには、 引き込み距離速度と温度の調整は初心者には難しい場合があります。適切に調整されたボーデンプリンターでも、複雑な形状や移動回数の多い箇所では糸引きが発生することがあります。

ボウデンチューブは6～12ヶ月ごとに交換が必要です

ボウデンのメンテナンスポイント:

• ノズル交換のためのホットエンドアクセスが容易
• PTFEチューブは時間の経過とともに劣化します（交換サイクルは6～12か月）
• 空気圧カプラが緩み、断続的な押し出し不足を引き起こす可能性がある
• 詰まりを防ぐために、チューブは直角に切断し、完全に固定する必要があります。

ダイレクトドライブのメンテナンスポイント:

• コンパクトな組み立てのため、徹底的な清掃には部分的な分解が必要です
• モーターの熱がホットエンドに近接しているため、熱クリープが発生しやすくなります。
• 引き込み距離が短いため、押し出し機のギア洗浄をより頻繁に行う必要がある
• プリントヘッドアセンブリ内の可動部品の増加

どちらのシステムも定期的な注意が必要ですが、ボウデン セットアップでは、フィラメント パスに沿って複数の潜在的な障害ポイントがあるため、より頻繁なトラブルシューティングが必要になることがよくあります。

ダイレクト押し出し vs. ボウデン押し出し：初めての3Dプリンターはどちらを選ぶべきか

では、どのシステムが正しい出発点なのでしょうか？答えは、趣味におけるあなたの具体的な目標と興味によって完全に異なります。

必要に応じてダイレクトドライブを選択してください:

• 柔軟な素材 - TPUに必須、 シリコーン、または硬度95A以下の材料
• セットアップの手間が最小限 - 基本的な調整だけですぐに使用可能
• 最初からきれいなプリント - 短いリトラクションにより、無限の調整なしで糸引きが少なくなります
• 一貫した品質 - 機械部品や精密なミニチュアのための信頼性の高い押し出し制御
• 将来的な汎用性 - スキルの拡張に合わせて、幅広い材料を処理できます

以下の場合はBowdenを選択してください:

• 高速生産 - 大型オブジェクトでも4～6時間かかるところ、2～3時間で印刷可能
• 初期コストが低い - 同等の機能に対して通常 50 ～ 150 ドル安い
• 標準材料のみ - PLAにこだわる場合に最適です。 PETG、またはABS
• 学習体験 - ボウデンシステムの調整は貴重なトラブルシューティングスキルを養います
• 大きな印刷量 - ヘッドが軽量なので、安定性の問題なしに大きなフレームを実現

テクノロジーが格差を埋める

新しいテクノロジーによって、これらのシステム間の境界線は以前ほど明確ではなくなりました。軽量ストレートエクストルーダーの重量は150g未満で、旧モデルの半分です。これにより、これまでボウデン式セットアップでしか実現できなかった速度が可能になります。一方、200～300mmのチューブを使用したより短いボウデン式システムでは、速度面での利点をほぼ維持しながら、応答時間を改善できます。 ヘビーダイレクトシステムは、入力シェーピングなどの高度なソフトウェア機能により、品質を損なうことなく150 mm/秒以上の速度で印刷できます。基本的な物理学に変更はありませんが、これらの技術的な変更により、両方のシステムはこれまで以上に優れた機能を実現できるようになりました。

システムを知り、より良く印刷しましょう!

ダイレクトドライブはスピードを犠牲にして制御性を高め、ボウデンは制御性を犠牲にしてより速く走れるようにする。どちらも便利なツールですが、どちらが優れているというわけではありません。プリンターがどの方式を採用しているかを知っていれば、適切な設定変更や、プリンターに適した素材の選択、そして問題の迅速な解決が可能になります。この情報は、 3Dプリンター 働く。