スナップフィットジョイントの設計と3Dプリント：エンクロージャ、ボックス、蓋などへの活用例

スナップフィットジョイントは日用品に非常によく使われているため、多くの人は日常的に使用している機構がスナップフィットジョイントだということも知らないかもしれません。食品容器の蓋からシートベルト、ドアのラッチに至るまで、身の回りの消費者向け製品や産業用途など、スナップフィットジョイントはあらゆる場所に存在しています。

3Dプリントがより高性能で身近になるにつれ、より多くの方が機能試作や実製品用部品を設計できるようになりました。そうした背景から、機能的な高品質スナップフィットジョイントの製作方法を学ぶ必要性が高まっています。このガイドでは、スナップフィットジョイントの定義、その用途、良質なスナップフィットを製作するための設計ガイドライン、そして最高の性能を実現するための3Dプリント方式と材料について解説します。

また、こちらのオンデマンドウェビナーでは、スナップフィットエンクロージャの設計と詳細な3Dプリント手順をご紹介しています。

どのスナップフィットジョイントにも「正しい」とされる具体的な寸法はありません。スナップフィットジョイントを構成する各部品の最適な幅、長さ、形状は、材料の種類や全体のサイズによって変化します。しかし、特に3Dプリント用にスナップフィットジョイントを設計する場合には、従うべき基本的なガイドラインがいくつかあります。

1. フックが長いほど、根元への応力が減少します。
2. 高さを低くすると、スナップフィットジョイントの組立・分解に必要な応力と力が減少します。
3. 根元の幅は、構造全体の応力許容度には影響しません。
4. 直線/並行/長方形のフックではなく、テーパーをつけるか、細長い「台形」のフックを作成します。
5. フックの根元は、フィレットよりもカーブ形状の方が向いています。
6. どの組立品にも完璧なクリアランスというものは存在しません。用途に応じて、アンダーカットからフックを外すためにより大きな力を必要とするよう設計される場合もあれば、分解を容易にするために特別に設計される場合もあります。 
7. 確信が持てない時は、試作・検証を繰り返しましょう。

このプロジェクトでは、シングルボードコンピュータのPine 64用のケースを製作します（チュートリアルに沿って進めるには、Pinshapeから.STLファイルをダウンロードしてください）。このチュートリアルでは、製品設計やエンジニアリングによく使われるSolidWorksを使用しますが、類似のCADソフトウェアもご使用いただけます。

まず、デジタルキャリパまたは定規を使用して電子部品を測定します。エンクロージャの設計を始める際は、まず基板（PCB）を正確にリバースエンジニアリングし、基板のサイズ、取付穴の位置、そして筐体内でアクセスする必要があるポートやプラグの位置を測定します。単に箱として全体の外形寸法を測定するだけで済みそうですが、各部位が主要な機構部に干渉しないよう、正確な位置を把握することが不可欠です。測定した値は、SolidWorksの単一の部品ファイル内で基本的な直方体のグループとして再現します。

このケースのようなスナップフィット部品をSLA光造形プリンタで造形する場合、設計に必要な小さな穴やフィーチャーを作成するには十分すぎるほどの寸法公差が得られます。製作するパーツについてご不明点がある場合は、各種設計ガイドをご覧ください。例えば、FormlabsのSLA光造形プリンタを使用する場合はForm 4 設計ガイドを、Formlabs Fuseシリーズを使用する場合はFuseシリーズ設計ガイドをご確認いただけます。

造形時の向きは造形品の品質やプリントの成功率だけでなく、機械的特性、サポート材の除去にかかる後処理時間、造形時間にも影響します。SLA光造形方式でスナップフィットジョイント部品を作る場合は、ビルドプラットフォームに対してわずかな角度をつけて配置し、変形や精度低下の原因となる剥離力を低減させる必要があります。SLS方式で作るスナップフィットジョイント部品は造形中は周りのパウダーによって支えられますが、Nylon 11 CFパウダーのような特定の材料では、ひずみ方向がビルドチャンバー上部と平行になるように配置し、炭素繊維がその方向に敷き詰められて全体の強度が最大になるよう調整が必要な場合があります。

上半分と下半分を別々の部品としてモデリングし、スナップフィットジョイントのエンクロージャを設計します。その際、次の点を考慮してください。

1. PCBの外周と筐体の間の公差の設定：FormlabsのSLA光造形およびSLS 3Dプリンタはどちらも0.4mmの公差を容易に達成できますが、FDM 3Dプリント部品はわずかに反りが発生することがあるため、1.5mm～2.0mm程度とより余裕を持たせた公差設定の方が安全です。

2. ポート開口部の設置：ポート自体だけでなく、ポート開口部周辺のケーブルに必要な空間も考慮します。はじめはポート開口部の全周に2.0mmの余裕を持たせると良いでしょう。

3. 筐体の下半分を大きめに設計してすべてのポートが収まるようにするか、上の画像のように一部のポートが少し突き出るようような設計にするかを決めます。ここでは、下半分を浅くしてケーブルが筐体内部の近い場所に届けば済むようにし、残りの突出したポートは筐体の上半分がカバーする設計にしています。 

上半分には高さのあるポート、そして下半分の筐体との隙間をふさぐ肉付け部分を収容できるよう、同様の開口部を設けます。中央の窪んだ部分はオプションですが、この窪みを加えることでより有機的で視覚的に面白いディテールになります。

前述したすべてのスナップフィットジョイント種別に対応できますが、ここでは最も基本的な形状で、最小限の材料使用量で強度を提供できる内側カンチレバー式スナップフィットジョイントを選びました。スナップフィットの設計は、エンクロージャの上半分と下半分で同じになります。スナップフィットジョイントの強度を高めるには、突出部を伸ばして凹部から外すためにより大きな力が必要になるようにします。

このスナップフィットアセンブリでは突出部はわずか1.2mmですが、2mm以上にすることで固定力がより高くなります。この強度に正解はなく、理想的なユースケースと、エンクロージャの分解をどの程度容易にしたいかによって決まります。

今回使用した設計ではPCB上のピンがかなりのスペースを占めるため、スナップフィットの「ロック」部分は、エンクロージャを閉じた状態を保つのに十分な力を提供しながらピッタリ収まるだけの設計にしました。カンチレバー部分は長さ20mmにすることで強度を高めています。

上の図は、エンクロージャのスナップの詳細を示した断面分解図と、カンチレバー部分のサイズを制限するピン（黒色）の位置を示すPCBです。スナップの凹部をエンクロージャの下半分の内側に隠す代わりに、外側まで貫通するように開口部を設けることで、スナップフィットジョイントをより長くすることも可能です。

設計にラグ（エンクロージャの反対側に挿入する小さな突起）を追加し、エンクロージャの上半分と下半分がずれないようにします。対向する2辺にスナップフィットジョイントを作成したため、ラグは残りの2辺（何も追加されていない辺）に追加すると良いかもしれません。画像のように大きめのケースでは、全ての角にラグを配置しました。この設計では3mmほど下方向に押し出しただけですが、3Dプリント製の嵌合部品のずれを防ぐには十分です。

スナップフィットジョイント機能以外のディテールは必ずしも追加する必要はありませんが、追加することでそこまで手間をかけずにデザインの質を向上させることができます。3D設計ソフトウェア上で設計を最終化したら、ファイルをPreFormにエクスポートし、プリント方式と材料を選択します。

SLA光造形方式とSLS方式の両方に対応するFormlabsの造形準備ソフトウェアPreFormでは、テクスチャの追加をはじめ、試作・検証サイクル時の管理を容易にする製品名のラベル付けやエンボス加工など、多くの機能が利用できます。手動、またはSLA光造形のサポート材の自動生成やSLSの自動パッキングなどの機能で自動的にプリント準備を完了したら、さらにディテールを追加したり、造形の向きやサポート材の配置を編集できます。

部品のプリント準備ができたら、PreForm経由でFormシリーズまたはFuseシリーズのプリンタにデータを送信します。プリントの完了後は後処理を行います。SLA光造形の場合はサポート材を除去して造形品の洗浄・二次硬化を、SLSの場合はパウダーを除去してブラスト処理と研磨を行います。さらに、コーティング、めっき、ベーパースムージング、染色といった高度な後処理技術を利用することで、造形品をより実製品に近い外観に仕上げることができます。コーティングなどの一部の処理は公差やスナップフィットジョイントの機能に影響を与える可能性があるため、これらの処理を希望する場合は最初の設計段階で考慮に入れてください。

3Dプリントを活用することで、エンクロージャ、ボックス、蓋、機能的なアセンブリといった、スナップフィットジョイント部品の製作で様々なメリットが得られます。高性能3Dプリンタと材料が実現する厳しい公差、微細な形状、滑らかな表面品質を持った複雑で有機的な形状を製作できる能力は、こういった部品の製作に最適です。3Dプリント材料はますます工業的で耐久性が高まっており、繰り返しの使用が想定される場合でもスナップフィットジョイントの長期使用が可能です。

3Dプリント用材料の詳細については、Formlabsの材料ライブラリをご覧いただくか、無償サンプルパーツをお申し込みください。