かみ合わせ部品やアセンブリの3Dプリント

かみ合わせ部品やアセンブリは日常の至るところに溢れています。様々な業界・用途で3Dプリントが製造手法として定着するにつれ、かみ合わせ継手の3Dプリント方法を理解しておくことが不可欠になってきています。

かみ合わせ継手は2つの部品間に生じる摩擦力を利用するもので、凸部と凹部で構成されます。継手は両者の形状と摩擦によって強固に保持され、特定の方向からは外れにくく、別の方向から力を加えると外せるように設計されます。かみ合わせ継手は、木材のような剛性の高い材料で作られることが一般的ですが、3Dプリント製のものも広く活用されています。

これに対し、スナップフィット継手は相手部品が突出部を乗り越える際に一方の形状がわずかに弾性変形し、その後元の位置に「パチッ」と戻って相手部品をロックするように設計されています。プラスチックは木材などより繰り返しの変形に強いため、プラスチックで3Dプリントしたスナップフィット継手はアセンブリ製作で一般的な方法です。

かみ合わせ継手やアセンブリの例は、古典的な木造建築（柱や梁、ログハウス）からチェーンメイル（鎖かたびら）、さらに相互に回転・移動する部品で構成されるエンジンアセンブリまで、様々なものがあります。かみ合わせ継手には多くの利点があり、次のことが可能になります。

• 構造物を容易に組立・分解できる
• 個々の部品サイズを超える大きなシステムを構成できる
• 2種類以上の材料や色を組み合わせられる
• ねじや接着剤などを使って手作業で接合する必要性を減らしつつ、強度を高め、設計・組立を簡素化できる

かみ合わせ継手を3Dプリントで作ると、従来のように部品を別々に製作してから組み付けるのではなく、すでに組み立て済みの状態で造形できる場合があります。例えば伝統的な木造軸組工法では、2本の大きな木材を面取りして当たり面を作り、さらに込み栓や木栓で固定して保持します。伝統的な木造建築では、スカーフジョイント（具体的にはアンダー・スクインテッド・ストップ・スプレード・スカーフジョイント）によって、かみ合わせ部材を作ります。 

伝統的なチェーンメイルの製作では、開いたリンクを順に前の輪へ掛け、最後に溶接して閉じる工程を丹念に繰り返します。現代では甲冑としての需要は多くありませんが、試作やファッション用途では、リンクやメイル（鎖帷子）を3Dプリントする方が簡単で迅速です。 

かみ合わせ継手を3Dプリントで製作すると、大型製品や複雑なアセンブリの設計において多くの利点があります。主な利点の一つは、他の方法では製造できない形状が存在することです。例えば、切削や成形では、形状によっては突起・タブ・フィンなどが引っ掛かる凹部を作れないことがあります。以下のかみ合い部品は、3Dプリントでしか製作できません。 

いくつかの基本的な設計原則と、用途に合った3Dプリンタや材料の選定方法を理解できれば、かみ合わせ継手を備えた部品の3Dプリントは簡単に行えます。

FDM（熱溶解積層）方式、SLA光造形方式、SLS（粉末焼結積層造形）方式のいずれも使用できますが、方式ごとに優位点が異なります。

かみ合わせ部品の3Dプリントで重要な要素の一つは、公差設計（寸法に対して許容されるばらつき）です。射出成形のかみ合わせ部品の場合、公差は一般に0.1mm程度ですが、3Dプリントでは交差に影響する要因が増えます。例えば、プラスチック材料を押し出す・硬化させる・焼結させる際の熱で収縮が起きたり、バインダー（結合材）が体積を増やして狙いより大きい寸法になったりすることがあります。それでも、一部の3Dプリンタは一体型の造形に対応しており、2部品を射出成形してから組み付ける方法に比べて大きな利点があります。

上記の例で示したとおり、3Dプリント向けのシンプルなかみ合わせ機能の設計は難しくありません。3Dプリント用にかみ合わせ継手を設計する際に最重要となるのは、プリント方式と材料に応じた公差を織り込むこと、そして大型・肉厚または小型・薄肉といった造形対象の性質を考慮することです。これらの検討事項は公差設定に影響しますが、FormlabsのSLA光造形とSLSはいずれも公差が厳しく、再現性の高い精度を備えているため、目的に合わせて設計を調整できます。

小型で薄肉の部品では、複数部品からなるアセンブリを設計する際に0.2mmの公差（すき間）を設定できます。大型で肉厚のアセンブリでは、公差をやや大きめの最大0.4mm程度まで確保することが賢明です。 
FormlabsのSLSプリンタ Fuse 1+ 30Wは、2つ目の例にあるチェーン・ハッキーサックのように、かみ合わせ部品を一体型で造形する用途に適しています。サポート材なしで連結リングを造形でき、リング間に入った未焼結パウダーも、手作業ではなくFuse Blastで容易に処理することができます。

Form 4／Form 4LなどのFormlabs SLA光造形プリンタは、非常にシャープなエッジと滑らかな表面を持つ部品の造形に適しており、摩擦を最小限にしたスライド部品などの製作に有用です。

FormlabsのSLA光造形およびSLS 3Dプリンタの詳細は、弊社のWebサイトをご覧ください。Webサイトからサンプルパーツをお申し込みいただくと、かみ合わせ機能を備えたSLA光造形またはSLSの3Dプリントサンプルを無料でお届けします。