3Dプリンターの活用が広がっていますが、自社に導入するときに、いくつか気になるポイントがあることでしょう。そのひとつが、「精度」です。3Dプリンターで、できるだけ正確で美しい造形物を作るにはどんな点に注意すればよいのでしょうか。そもそも3Dプリンターにおける「精度」とはどのように評価するのかという点も含めて解説します。
3Dプリンターの精度には2種類ある
3Dプリンターで求められる精度としては代表的なもとして、「寸法精度」と「形状精度」の2つが上げられます。1つめの「寸法精度」とは、長さや厚みなど、指定部分の寸法の正確さを指します。この寸法精度が出ていない場合、部品が組み込めない、がたつきが出るなど、最悪の場合製品を破損させる原因の一つとなります。
2つめの「形状精度」とは、真円度や平面度など、形状の正確さを指します。この形状精度が出ていない場合、寸法精度と同じく部品が組み込めないなどの不具合が発生します。
3Dプリンターの寸法の精度に影響する要素とは？
3Dプリンターの寸法精度には、いくつかの要素が影響を与えます。見ていきましょう。
積層ピッチ（Z方向）
3Dプリンターでは、材料を1層1層積み上げていくことによって、高さのある造形物を出力します。その積み上げていく間隔、つまり、積層の厚みことを「積層ピッチ」と呼びます。積層ピッチの単位は「mm（ミリ）」で表現され、3Dプリンターの仕様書に記載されています。
積層ピッチが大きいと、造形物の密度が低くなります。そのため、仕上がりが荒くなり、寸法も測定する箇所によってバラつきがでてしまいます。
逆に、積層ピッチが小さければ小さいほど、表面が滑らかになります。そのため、測定する箇所によって寸法が変わるということもなくなります。
積層ピッチの標準値は0.2mmになっていることが多いですが、近年では0.05mmといった高精細な造形も可能になってきています。積層ピッチが小さいと「造形するのに時間がかかる」というデメリットもあるため、総合的に判断していくのがよいでしょう。
寸法精度を上げるには、積層ピッチを小さくすればよいことになりますが、一定の数値以下になると違いは出にくくなります。また、寸法精度には、積層ピッチ以外にも、印刷速度や材料の温度などの印刷条件が精度に影響を与えるため、「積層ピッチ＝精度」ではない点には注意しましょう。
XY（縦横）方向の精度
光造形やインクジェット、SLS方式の寸法精度には、積層ピッチだけではなく、XY方向の解像度も重要となってきます。XY方向の解像度は、造形物を左右や前後方向にどれだけ細かく表現できるかを示す指標です。解像度が高ければ高いほど、滑らかな曲線や細かいディテールを正確に再現できる可能性が高まります。逆に、解像度が低い場合、表面のざらつきや形状のずれが目立つことがあります。
XY（縦横）方向の解像度は、「DPI」や「mm」で表記されています。「DPI」は、1インチあたりのドット数を表します。この値が大きいほど、印刷物やプリント物の細部までの再現性が高まります。「mm」はXY方向の移動量を表します。値が小さいほど、より細かい動きが可能となり、細部の再現性が向上します。
XY方向の解像度が高ければ、複雑な形状や滑らかな曲線も正確に再現できるため、造形物の質を向上させることができます。3Dプリンターを導入する際には、積層ピッチと合わせて、XY軸の解像度も確認するようにしましょう。
FDM方式であれば、ノズルの太さも精度に影響します。細いノズルは詳細な特徴を高精度で印刷できますが、プリント時間が長くなります。太いノズルは速く印刷できますが、細部の解像度が低下する可能性があります。層の高さや使用する材料とも関連し、プロジェクトの要件に応じてノズルサイズを選択する必要があります。バランスを取り、目的に最適な印刷品質と速度を達成するために、ノズルの太さを検討しましょう。
材料の収縮
3Dプリンターで使われる主な材料として、金属と樹脂が上げられます。どちらも加熱して溶かして冷却することで造形されます。
樹脂の場合は、加熱時に膨張し、冷却に伴って収縮する傾向があります。これにより造形物の寸法が変化したり、反りが発生したり、変形が起こることがあります。樹脂の収縮率は材料や加熱時の温度などによっても影響を受けます。
金属の場合も、冷却によって収縮が起こる場合があります。一般的に金属の収縮率は樹脂よりも小さく、金属の造形物は樹脂と比べて収縮が少ない傾向です。しかし、金属の収縮も設計や造形条件に影響を与え、造形物の寸法や形状に変化をもたらすことがあります。
3Dプリンターの機器を選ぶ際に「精密な温度管理ができるかどうか」を確認することが大切です。また、収縮率の小さい材料を使用したり、大きい造形物はサイズを分割したりするなどの工夫をするとよいでしょう。
3Dプリンターの設定
造形物の精度を高めるために、3Dプリンターの設定を最適化することが重要です。ブレを抑えるために、プリンターの速度を適切に調整することは、ひとつの方法です。速度を落とすことで、より正確な造形が可能となります。
また、造形する向きを工夫してプラットフォームとの接着面積を広げることで、反り防止につながります。
サポート材の取り扱い
サポート材は、造形物を支えるために使われますが、造形物の表面に残ってしまうことがありますので、精度を向上させるために、サポート材を確実に取り除くことも大切です。
事前にサポート材が少なく残る向きで造形を検討したり、除去が容易なサポート材を使用することも、考慮すべきポイントです。
業務用の機種のほうが精度は安定しやすい
設計データに近い形で造形物を作るには、家庭用3Dプリンターよりも、業務用3Dプリンターのほうが適しています。業務用3Dプリンターのほうが、細かい温度管理が可能で、造形パラメータを設定しやすいためです。精度が必要な試作や、量産適用を目指す場合は、完成品の質を担保するためにも、業務用3Dプリンターを選ぶことをおすすめします。
ただし、家庭用3Dプリンターは安価で購入できますが、業務用3Dプリンターは高価なものだと1,000万円以上する機種もあります。また購入方法についても、家庭用3Dプリンターの場合は、家電量販店やインターネットショッピングで気軽に購入できますが、業務用3Dプリンターは、専門サイトや法人へのお問い合わせが必要になります。それらの点も踏まえながら、造形物にどのくらいの精度を求めるのか、改めて検討してみるとよいでしょう。
3D-FABsでシミュレーションして、精度を確認しよう
この記事では、3Dプリンターの気になる「精度」について、解説しました。思った以上に、いろいろな条件が、造形物の形状や仕上がりに影響するということが、お分かりいただけたかと思います。
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