ガイド：3Dプリント製マスキング治具の活用で塗装やコーティングなどの表面処理を効率化

マスキングとは、ワーク表面に塗装、ブラスト処理、めっき処理などを施す際に特定箇所を意図的に覆うことを指しますが、従来のやり方ではマスキング治具製作にはミスが許されず、工程内でも労力を要する作業でした。3Dプリントを活用すれば、複雑な形状にもフィットし、繰り返し使用できる専用のマスキング治具をコスト効率良く製作することができ、表面処理工程で手作業にかかる時間を削減することができます。

SLA光造形方式とSLS（粉末焼結積層造形）方式どちらの3Dプリント方式でもマスキング治具の製作が可能で、使用する方式によって得られるメリットも変わります。このガイドでは、マスキング治具製作時に考慮すべき点、お客様の作業手順に適した3Dプリント方式の見極め方、3Dプリント製マスキング治具を使って部品の表面処理を行っているお客様の活用事例をご紹介します。

マスキングとは、特定の箇所だけ表面処理が施されないようワークの一部を覆う作業です。一部だけ表面処理を避ける理由は様々です。その箇所が組み立て時に接着面となる場合や導電性を考慮した場合、またはその部分だけ他の材料や色でコーティングする必要がある場合などがあります。そのため、マスキングは、最終的な部品に合わせてカスタマイズして製作したり、一つだけ製作してそれぞれの部品の表面処理工程で使用する治具として扱われます。

どの産業で使われる部品も、コーティングや塗装、めっき処理を施すことで機能や見た目が大幅に向上します。しかしこういった表面処理には通常、追加工が必要で、マスキングもその1つです。マスキングとは、特定の箇所だけ表面処理が施されないようワークの一部を覆う作業です。一部だけ表面処理を避ける理由は様々です。その箇所が組み立て時に接着面となる場合や導電性を考慮した場合、またはその部分だけ他の材料や色でコーティングする必要がある場合などがあります。

従来のマスキング手順では、マスキングテープを手作業で計測・切断したり、金属や樹脂製のマスキング治具を切削したり、場合によっては部品全体をコーティングしてから一部だけコーティングを切削したり削り取る手法も用いられます。マスキングテープを使用する場合、材料費は安く抑えられるものの非常に労力がかかり、生産ラインで1部品にかかる時間が数分ずつ増えてしまうことになります。マスキング治具を切削で製作する場合は繰り返し使用が可能ですが、製作費用が高額で、切削で製作できる形状にも限りがあります。

そのためマスキング治具に3Dプリントを活用するのは素晴らしい解決策となります。マスキング治具の製作は通常少量単位で行われ、かつワークの中心や端だけを覆ったり、大きめのワークで特殊な模様を実現するために非常に特殊な形状が求められるからです。3Dプリント製のマスキング治具が使用できるコーティング材料は多数あります。セラコートやエアブラシ塗装、スプレー塗装、低温およびUVパウダーコーティング、真空蒸着めっきを始め、ブラスト処理などのサブストラクティブ工程ではマスキング治具が部品の一部を覆うことですでに施してあるコーティングや表面処理を保護することもできます。3Dプリント製のマスキング治具は少ない労力で制作できるほか、繰り返し使用や複雑なマスキング作業の簡素化が実現できます。温度許容度の関係でどうしても金属製のマスキング治具が必要な場合は、切削前に3Dプリントでマスキング治具のプロトタイプを製作して設計を検証することができます。

マスキング治具の製作用に材料を選ぶ際は、機械的・化学的要件、部品のフィット感、生産要件を考慮する必要があります。

• 温度：3Dプリント製のマスキング治具の最大の制約は、温度です。パウダーコーティングなど、コーティングの種類によっては238°C以上の温度で硬化するものがあります。用途に応じた最適な3Dプリント材料を選ぶには、コーティング工程での使用前にテクニカルデータシートで荷重たわみ温度をご確認ください。より低温で行うパウダーコーティング工程の場合、High Tempレジンなら238°Cまで耐えることができます。

• 磨損性：表面処理の中には、ブラスト処理やバレル研磨など表面の平滑化処理が施されるものがあります。その場合、マスキング治具で部品の表面を覆い、コーティングを保護することができます。他の処理手法より磨損度が高いため、マスキング治具に使用する材料を選ぶ際は、研磨で使用するメディア（セラミックペレットやくるみの殻など）の圧力に耐えられる材料を選ぶ必要があります。このような用途の場合、SLA方式の場合はRigid 10Kレジン、SLS方式の場合はガラス充填で強化したNylon 12 GF パウダーなど、より硬度の高い材料を使用してください。

• 溶剤の使用：多くの場合、コーティングには塩基性と酸性両方の溶剤が必要になります。表面処理に酸性または塩基性の溶剤を使用する場合は、テクニカルデータシートで化学的要件をご確認ください。FormlabsのSLAレジンの中には、浸す溶剤によって機能が向上するものがあります。表面処理で酸性溶剤を使用する場合、Tough 1500レジンまたはRigid 10Kレジンの使用をご検討ください。Formlabsが提供する材料全てのテクニカルデータシートは、弊社Webサイトでご覧いただけます。

• 部品の適合性：FormlabsのSLAおよびSLS材料はどちらも優れた弾性と剛性を備えています。従来の手法でマスキング治具を製作する場合、新しい材料を容易に試すことができませんでした。切削や射出成形では一度きりの試験製作にはコストが高すぎるためです。3Dプリンタを導入することで様々な材料を低コストで試すことができ、マスキング治具の使用材料の可能性を広げることができます。
  
  FormlabsのSLA光造形の場合、Tough 1000レジン のような材料を使用することでプレスオンフィットが簡単に実現できます。SLSでは、部品をわずかに曲げたり何度も使用する必要がある場合にはNylon 11パウダーがおすすめです。高い曲げ弾性率が求められるマスキング治具には、Rigid 10KレジンやNylon 12パウダーが最適です。FormlabsのSLA光造形やSLSプリンタを使用すると、企業が様々な材料を試し作業手順に最適なものを見つけられるようになります。最終部品に何かしら変更があったりヤング率などの要件に変更があった場合にも、切削に高額なコストをかけることなくマスキング治具に使用する材料を変更することができます。

• 製造要件： 用途によってマスキングの必要量が異なり、1〜2点のみ製作すればよい場合や、部品と同じ数だけ必要になる場合もあります。FormlabsのSLA光造形プリンタForm 3+とForm 3Lはどちらも、サブトラクティブ工法などで少量生産する部品のマスキング治具製作に最適です。一方のSLSプリンタFuse 1+ 30Wは、造形スペース内にモデルを縦方向に重ねて配置できるため、大量のマスキング治具を製作するのに向いています。自動塗装やロボットを使ったセラコートコーティングなどで一度に何万個もの造形品に表面処理を施すことが可能な場合、大量にマスキング治具を製作できるSLS方式3Dプリンタがおすすめです。

セラコートのメーカーであるNIC Industriesは、長年に渡り3Dプリント製の部品のコーティングをしたり3Dプリント製のマスキング治具を使用してきましたが、特に大量生産でロボットによるセラコートコーティングを施す際に3Dプリント製の部品が役に立つと感じています。

同社は試作品のバッチ生産の際にFormlabsと提携し、SLS方式の3Dプリント製マスキング治具を使って迅速かつ効率的に部品の一部をマスキングしながら1000ユニットを生産しました。マスキング治具は、Nylon 12パウダーを使用してSLS方式プリンタのFuse 1+ 30Wで造形しました。2部品からなる最終製品の内側を造形品で覆い、スプレーから保護することで色の見切りをより鮮やかで明確にしました。同じマスキング治具を使用して塗装ロボットのアセンブリに部品を固定することもでき、作業性を高め、ムラのないコーティングを実現します。

^{SLS方式3Dプリント製のマスキング治具（左）、3Dプリント製のマスキング治具を使ってロボットによる塗装を補助（中央）、SLS方式3Dプリント製のサンプルパーツ。Cerakote Hシリーズで表面処理をしたもの（右）。}

また、下図の弓のライザーの表面処理をする際には、最終アセンブリの前段階であるコーティング工程でねじ穴の内側を保護する必要がありました。セラコートを塗布する前に、同社は弓ライザーのねじ穴の内側を保護するためのマスキング治具を設計・3Dプリントしました。プラグ形状で、ねじ穴に差し込むことで内側をコーティングから保護できるマスキング治具を設計し、最終組立工程でスムーズにねじを通せるようにしました。プラグは上下方向にわずかに動かすことで簡単に取り外せ、何百回ものコーティング工程で繰り返し使用できるほどの耐性を備えています。

熱成形の業界リーダーであるProductive Plasticsは、SLSプリンタFuseシリーズを使用して製造現場で使われるさまざまな治具を製作しています。塗装工程では、銅めっき処理を施した表面をマスキングテープで多い、塗料がつかないよう保護します。銅めっき処理の施された表面の外側をなぞって余分なテープを切り取る必要がありますが、正確に切り取るには数分の時間がかかります。

銅めっき処理済みの表面に完璧にフィットするマスキング治具を3Dプリンタで造形したことで、マスキングテープの型取りが迅速に行え、銅部分を傷つける心配なく不要なテープを取り除くことができるようになりました。

以下は小型のポンプハウジング用に3Dプリントしたマスキング治具です。SLS、SLA光造形どちらのプリンタを使った場合でも、3Dプリント製マスキング治具のコスト効率の良さがわかる事例です。ポンプハウジング（灰色）は、コーティング前にマスキング治具で内面を保護する必要があります。SLSプリンタのFuse 1+ 30WでNylon 12パウダーを使ってプリントした造形品で内面をマスキングします。このマスキング治具は位置決めや固定がしやすく、ポンプの内面を保護しながら外側を塗装できるようになります。このように複雑な位置決めピンや固定機能が求められる工具の場合、サポート材なしで造形できるSLSの3Dプリンタが向いています。上側の円形になった部分は、Form 3+でDurableレジンを使って3Dプリントしたキャップ（白）でマスキングします。Durableレジンはこの用途に適した材料です。ビルドプラットフォーム上で平坦に造形することができ、弾性を備えているためにポンプハウジングの外側の穴にピッタリ密着した状態で圧入できるためです。