3Dプリンタの仕様に「高解像度」と書いてあっても、必ずしも高精度で精密な造形品が出来上がるわけではありません。
どのような用途であっても、3Dプリントの性能を最大限に引き出すためには、精度、精密さ、公差の理解が欠かせません。この記事では、これらの用語の意味を解説し、3Dプリントの文脈ではどのように考えるべきかを説明します。その後、様々な3Dプリント方式で期待できる公差範囲を比較し、3Dプリント製のアセンブリの公差設定について詳しくご紹介します。
はめ合いの種類ごとに公差の測定・適用方法を詳しく解説した無料の技術資料もダウンロードしてご確認ください。Formlabsのエンジニアリング用レジンに関する具体的な推奨事項も掲載しています。
精度、精密さ、公差の定義
まずは言葉の定義から始めましょう。精度、精密さ、そして公差の違いは何でしょうか？各用語について、理解しやすいよう射撃を例にしながら視覚的に説明します。
精度
精度とは、測定値が真の値（理想値）にどれだけ近いかを示す指標です。射撃に例えると真の値は的の中心（ブルズアイ）のことです。中心に近ければ近いほど、射撃の精度が高いということになります。3Dプリントの世界では、真の値はCADで設計した寸法です。実際に3Dプリントした造形品が、デジタル設計とどの程度一致しているかがポイントになります。
精密さ
精度さは、測定の再現性、つまりどれだけ一貫して同じ結果を得られるかを示す指標です。射撃の例では、毎回同じ場所に命中するかどうかを見るのが精密さです。毎回同じ場所に当たることが大切であり、それが必ずしも的の中心である必要はありません。3Dプリントの文脈では、最終的に信頼性につながる重要な要素で、プリンタが毎回期待通りの結果を出してくれるかどうかを左右します。
公差
では、どの程度精密であれば良いのでしょうか？それはユーザーが定義する公差によって決まります。想定の用途によって、どの程度の誤差が許容されるかが変わります。精密さの測定値に対してどの程度のばらつきなら許容範囲に収まるのかはプロジェクトによって異なり、例えば動的な機械的アセンブリを含む部品とシンプルなプラスチック製のエンクロージャとでは、前者の方がより厳しい公差が求められます。
公差を定義する場合には精度も重要視されるはずですので、ここでは的の中心を狙った場合の射撃の精密さを測定すると仮定します。先ほど、右側の図の射撃は「精密ではない」と定義しました。
しかし、公差範囲、つまり許容されるばらつきの範囲が広い場合には、右の図でも問題にならないことがあります。左の図ほど弾の位置が的の中心に集まっていないとしても、仕様として精密さの許容範囲が±2.5リング以内であれば「仕様内に収まっている」と言えます。
一般的に、より厳しい公差を達成・維持するには、製造コスト・品質保証の基準ともに高くなります。
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頑丈なエンジニアリング用材料で厳しい公差を実現する
こちらのウェビナーでは、SLA光造形3Dプリントのワークフローや使用できる材料の解説とともに、3Dプリントの価値を最大限に引き出すための設計〜プリントまでの工程最適化に関する専門家のヒントをご紹介しています。
3Dプリントの公差、精度、精密さに影響を与える要因
3Dプリントにおける精度と精密さを考える際は、様々な要因を考慮する必要があります。プリンタが商品説明通り一貫した動作を続け、ユーザーが求める公差内で期待される品質を達成できるとわかっていること。これが、成功体験を得るために極めて重要になります。
3Dプリントの精度と精密さを決める4つの大きな要因は、以下のとおりです。
造形方式
3Dプリントは積層造形プロセスであり、パーツは一層ごとに形成されます。そのため層ごとに誤差が生じる可能性があり、層を形成するプロセスは各層の精度や再現性（精密さ）に影響を与えます。一般的なプラスチックを使った3Dプリント方式の場合、典型的な公差は以下の通りです。
- SLA光造形方式およびDLP（デジタルライトプロセッシング）：±0.2％（下限：±0.1 mm）
光造形では、液体レジンに光源（SLA光造形ではレーザー、DLPではプロジェクター）を選択的に照射し、非常に薄いプラスチックの固体層を形成して積み重ね、ソリッドオブジェクトを作ります。高密度な光源のおかげで細部まで丁寧な表現が可能で、一貫して高品質な結果を得ることができます。複雑な形状や大型モデル、または薄肉構造など、モデルの形状によっては寸法精度を確保するためにサポート材が必要になる場合があります。 - SLS（粉末焼結積層造形）およびMJF（マルチジェットフュージョン）：±0.3％（下限：±0.3 mm）
粉末焼結方式の3Dプリンタも光源の精度（SLSではレーザー、MJFではヒューズ型ランプ）に依存しており、粉末材料を融合させてソリッドパーツを作ります。造形中は未焼結パウダーが造形品を支えるため専用のサポート材が必要なく、内部構造やアンダーカット、薄壁や凹面等、複雑な形状の造形に最適です。 - FDM（熱溶解積層）：±0.5％（下限：±0.5 mm）
- FDM 3Dプリントでは、熱可塑性フィラメントをノズルから押し出して層を形成します。他の3Dプリント方式に比べ、細かいディテールを実現する制御力や能力に欠けます。造形品が異なる速度で冷却されることで反りや収縮が生じやすく、内部応力によって変形が生じやすい傾向にあります。高価格帯の工業用プリンタではこれらの問題が軽減されていますが、その分機器のコストも高くなります。
FDMではフィラメントを押し出してレイヤーを形成するため、複雑な形状では正確さが低下する可能性がある（左がFDMで造形したパーツ、右がSLA光造形で造形したパーツ）。
3Dプリンタの仕様だけでは、最終的な寸法精度を正しく表現することはできません。様々な3Dプリント方式でXY解像度やZ解像度（積層ピッチ）が寸法精度として表記されていますが、これはよくある誤解です。
これらのデータは造形品がどれほど正確になるかを示すものではありません。これ以外にも造形品の精度に誤差を発生させる要因は様々ありますが、以降のセクションで説明していきます。
結局のところ、実際の造形品を確認することが最も正しく3Dプリンタを評価できる方法と言えるでしょう。
材料
精度は、使用する材料によっても変わります。また、その材料の機械的特性が造形品の反りやすさにも影響します。
SLA光造形用のFormlabsRigid 10Kレジンは、グリーンモジュラス（二次硬化前の剛性）が高く、薄く複雑なフィーチャーを持つモデルのプリントが可能。
SLS用のNylonパウダーは、サポート材が不要で優れた機械的特性を持つため、公差要件の厳しい複雑形状のプリントに最適。
光造形3Dプリンタでは、材料のグリーンモジュラスが高い場合、非常に薄い構造のモデルを精密に造形でき、造形失敗の可能性も低くなります。
FDM方式の場合、高温で押し出される材料は他の材料よりも反りやすい傾向があります。例えば、ABSは冷却時により収縮するため、PLAよりも反りやすいことが知られています。
3Dプリント製の成形型を使った射出成形に対する技術研究を行うために取得した、3Dプリント製成形型のスキャン。75%以上の造形品で寸法誤差が±0.05mm以内に収まっている。
後処理
ほとんどの造形品は、プリント後に何らかの後処理が必要です。
- SLA光造形およびDLP：洗浄、二次硬化（オプション）、サポート材の除去（必要な場合）、サンディング（オプション）
- SLSおよびMJF：余分な粉末の除去、ブラスト処理またはバレル研磨
- FDM：サポート材の除去（必要な場合）、サンディング（オプション）
これら後処理工程の中には造形品の寸法や表面に影響を与えるものもあり、結果として精度や公差の変動にもつながります。設計時や造形準備中に考慮・対策が可能なものもありますが、造形品ごとに変動する場合もあります。
例えば、光造形3Dプリントでは造形後に二次硬化が必要なことが多く、この二次硬化によって収縮が生じます。これはレジンベースのSLA光造形またはDLP方式でプリントした造形品では普通のことで、プリンタによっては設計時に考慮が必要な場合があります。Formlabsの無償造形準備ソフトウェアPreFormでは、この収縮を自動的に補正し、二次硬化後の造形品が元のCAD設計と寸法的に一致するようにしています。
一方、FDM方式の造形品は、サポート痕や積層痕を除去して表面品質を向上させるためにサンディングが必要な場合がありますが、このプロセスは部品の寸法をわずかに変化させ、設計と完成品の間のばらつきを増加させます。
エコシステムとキャリブレーション
正確で精密な3Dプリントを行うには、プリンタ本体だけでなく、プロセス全体を考える必要があります。
造形準備ソフトウェア、プリント方式、プリンタとその構成部品の品質とキャリブレーション、3Dプリント材料の品質、後処理のツールや方法など、すべてが最終結果に影響を与えます。
一般的に、統合型のシステムはより信頼性の高い結果を生み出します。例えば、Formlabsの新しいSLA光造形およびSLS用3Dプリント材料は、リリース前に対応する各プリンタで一連の検証テストを行い、信頼性、一貫性、正確さを確実に実現できるようにしています。必ずしも汎用プリンタや市販の材料が良い結果を出せないということではありませんが、導入後にユーザーによる試行錯誤やキャリブレーションが必要となる可能性があります。
ToughレジンとDurableレジンを使ってプリントし、鉱物油で潤滑された空気駆動の水平対向2気筒内燃機関エンジンの機能的なスケールモデル。
3Dプリントにおける公差の設定
従来の機械加工では、より厳しい公差を達成するにはコストが大幅に増加してしまいます。厳しい公差は追加の加工ステップや時間を要するため、機械加工部品は可能な限り公差を広く取って設計される傾向があります。
一方、3Dプリントでは自動化された単一の生産ステップで製造が完了します。公差を厳しく設定すると、設計段階ではより多くの労力が必要になりますが、試作品製作や実際の製造時には時間とコストを大幅に削減できます。
また、CNC加工のように複雑な形状がコスト増につながるのに対し、3Dプリントでは複雑さは基本的に自由に設定できます。ただし、3Dプリンタの性能を超えて造形品の公差を精密化することはできません。3Dプリントは、アンダーカットや複雑な表面などの高度な複雑性が必要で、±0.005インチ（標準的な機械加工）以上の表面精度は不要な場合に最適な選択肢となります。標準的な機械加工の公差を超える場合は、3Dプリント部品でもCNC部品でも、手作業や機械加工による削り出しが必要です。
全体的に、光造形方式（SLA光造形およびDLP）と粉末床溶融結方式（SLSおよびMJF）は、市販のプラスチックを使った3Dプリント方式の中で最も公差要件への対応性が高い方式です。レジンおよびパウダーを使った3Dプリントの公差は、標準的な機械加工と精密加工の中間に位置すると言えます。
公差とは、製造時に予測される部品寸法の許容範囲のこと。
Form 4シリーズデザインガイド
3Dプリントの成功の秘訣は、モデルを適切に設計することにあります。以下にベストプラクティスをご紹介します。設計の最適化やプリント失敗を最小限に抑えるヒントとしてお役立てください。
Fuseシリーズデザインガイド
本デザインガイドでは、Fuseシリーズを使ってSLS方式の3Dプリントをする際に考慮すべき重要なポイントをご紹介するとともに、このポイントを実際に活用してプリントを成功させる方法を解説しています。
3Dプリント製の大型アセンブリや小型部品のための公差設定
機械的アセンブリを設計するエンジニアにとって、公差とはめ合いは重要な概念です。公差を考慮した設計により、プロトタイピングと生産プロセスの両方を最適化し、試作・検証プロセスにかかる材料費の削減、後処理時間の短縮、部品の破損リスクの低減が可能になります。3Dプリントは、特にカスタム部品のプロトタイピングや小ロット生産においてコスト効率の高い方法です。
一般的に、より柔軟性の高い3Dプリント用材料は、より硬質な材料よりも公差が広くなります。特にアセンブリ用の部品をプリントする場合、公差とはめ合いを適切に設計することで、後処理時間の短縮や組み立ての簡素化、試作・検証プロセスにかかる材料費の削減が実現できます。
3Dプリント製アセンブリの後処理には、洗浄、サポート材の除去・サンディング、潤滑などが含まれます。一点ものの場合、後処理でアクティブサーフェスをサンディングして適切なはめ合いを実現するのが設計段階での公差設定作業が少なく済む合理的な方法です。しかし、大型アセンブリや複数の部品を製作する場合には、設計時に適切な寸法公差を設定することが重要になります。
このセクションではエンジニアリングで使われるはめ合いの種類を順に見ていき、クリアランスフィット、トランジションフィット、インターフェアランスフィットの基本と、アセンブリ設計でどのような場合にそれぞれを選択すべきかを説明します。
エンジニアリングで最適なはめ合いを選ぶ
In order to understand and design the optimal 3D printing tolerances, it’s important to determine which type of fit works best for your assembly.
The functional needs of your assembly define how parts should fit together.
エンジニアリングにおけるはめ合いの種類は、クリアランスフィット、トランジションフィット、インターフェアランスフィットの3つのタイプに分けられ、その中でさらに2つの主要なサブカテゴリーに分類できる。
There will always be some variation in tolerances for different manufacturing methods and depending on the 3D printing process, which means that fit is a continuum rather than completely separate stages. For example, larger clearance fits trade precision for freedom of movement. Tighter transition fits are stronger, but cause more wear on the connection. An interference fit that requires more force to join will be more challenging to disassemble.
クリアランスフィット
Free movement of a component requires clearance, or space between the active surfaces. Achieve clearance by ensuring that the tolerance zones of the active surfaces do not overlap.
An active surface is a model region where two surfaces touch and either move against each other or have a static fit.
Subcategories:
- A sliding fit has some lateral play, while a running fit has almost no play.
- A running fit has slightly more friction, but more accurate motion.
Play is the amount of space for movement in an unintended direction within a mechanism.
トランジションフィット
If no motion between parts is needed, a transition fit allows for easy assembly and disassembly. A transition fit has partially overlapping tolerance zones.
Subcategories:
- With a keying fit, a component accurately inserts into or around another part, with only a light force needed to install and remove it.
- A push fit requires more force to join and remove the parts, but they can be connected by hand.
インターフェアランスフィット
An interference fit provides a rigid, strong connection, but requires much more force applied in assembly. Tolerance zones fully intersect in interference fits.
Subcategories:
- A force fit requires substantial force to install, likely with additional hand tools like a hammer, and is intended to be permanently joined.
- A press fit needs much more force to install, applied by an arbor press or similar tool.
Measuring and Applying Tolerance
To find the real-life tolerance needs of each kind of fit, it is helpful to examine a variety of common geometries including the following.
Hole and Shaft
A hole and shaft will usually require a clearance condition, which may range from a sliding fit to a running fit depending on needed accuracy. A running fit will require sufficient lubrication for free movement.
Ball and Socket
A clearance condition should exist to allow the ball to rotate freely in the socket. However, there is a large interference between the radius of the ball and the socket opening. The socket opening needs to deform enough to be inserted, but not come out in normal use.
Rod and Brushing
A bushing is a type of plain bearing designed for smooth, free movement along a rod. There should be a clearance fit between the rod and the bushing. Depending on the application, the clearance may be larger or smaller.
Friction
The amount of friction force between two components is the product of the force on the mating surface (directly related to fit), and a constant (the coefficient of friction), which is specific to each material. Coefficient of friction is useful for predicting how much resistance your parts will have to movement and wear, and how you can expect Formlabs resins to perform relative to other common materials.
Formlabs tests the coefficient of friction using a weighted sled, a track, and a force meter.
High lubricity, such as that of Tough 1000 Resin, will have lower sliding friction. A lower coefficient of friction makes it better suited for moving components which interact in kinetic assemblies.
Sliding components such as rails, pistons, and rods have lower friction if the contact surface area of the two mating surfaces is reduced. This is achieved by orienting objects in PreForm so that the layer “grain” pattern is perpendicular between the parts. If the grain is parallel the layer grooves will mesh, creating more surface area and higher static and kinetic friction.
Left: Most static and kinetic friction. Middle: High static and moderate kinetic friction. Right: Least static and kinetic friciton.
In both the static and kinetic tests, the perpendicular orientation had lower frictional coefficients. The coefficient of static friction is impacted more significantly by grain orientation. Friction between parts decreases over time as the surfaces experience wear. This is often beneficial to kinetic assemblies, and sanding and polishing is a deliberate example of wear. However, excessive wear tends to increase clearances between parts. Lubrication is the best way to reduce long term wear.
In some cases — such as rollers, wheels, and robotic grippers — more friction is beneficial. For these applications, select a material with a higher coefficient of friction and lower lubricity.
Lubrication
Lubricants are essential to keeping components running smoothly in kinetic assemblies. Mineral oil is an inexpensive and commonly available lubricant commonly used with SLA prints. Silicone oil based lubricants, such as Super Lube®, also work well, and last longer without becoming sticky.
Bonded Components
In order to bond printed components with adhesives, a narrow clearance fit is desired. Cyanoacrylate (Super Glue) will fill thin gaps due to its low viscosity. A syringe of resin cured by hand with a UV or blue-violet (405 nm) laser pen (and UV safety goggles) can be used to weld parts together in butt joints.
Machining Printed Parts
The most common post-processing steps for printed assemblies are sanding, polishing, and
lubricating. Occasionally it can be useful to machine a plastic partafter printing, for example, if
the tolerances of a feature need to be tighter than 0.025 mm, or to alter a feature after printing.
Adding holes with a drill press or threads with a tap can be faster and more efficient than re-
printing if the tools are available and the design has changed in the middle of a print.
Tough 2000, Tough 1500, and Durable Resin withstand machining the best of Formlabs range
of materials due to their high strength and elongation. Other Formlabs Resins can also be
machined, though they require more conservative techniques and faster tool speeds.
3Dプリンタについて詳しく知る
3Dプリンタを評価する際は、この記事に挙げた項目以外にも考慮すべき属性がたくさんあります。例えば、造形品は等方的である必要があるか、造形品（つまり材料）に求められる機械的特性は何か、などです。最初の一歩として、まずは造形品を実際に見てみることをおすすめします。様々な材料で造形したFormlabsの無料サンプルをお申し込みいただくと、SLA光造形の品質を直接ご覧いただけます。お気軽にご利用ください。
