ガイド：3Dプリントにおける公差、精度、精密さを理解する

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。

精度は、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。

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。

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。

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光造形およびDLP（デジタルライトプロセッシング）：フィーチャーの大きさが1〜30mmで±0.15%、31〜80mmで±0.2%、81〜150mmで±0.3%。下限は±0.02mm。
  • 光造形では、液体レジンに光源を選択的に照射し、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）：±0.5％または0.3mmのいずれか大きい方
  • 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ありません。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

はめあいの種類に応じて求められる実際の公差を把握するには、以下のような代表的な形状を評価するとよいでしょう。

2部品間の摩擦の大きさは、はめ合いの接触表面にかかる荷重（フィット感に直接関連）と、材料固有の定数（摩擦係数）の積で決まります。摩擦係数は、部品の動きや摩耗に連動してどの程度の摩擦が発生するかを予想したり、Formlabsレジンが他の一般的な材料と比較して相対的にどの程度の性能を発揮できるのかを把握するのに有用です。

Tough 1000レジンのように潤滑性の高い材料は、摺動摩擦が低くなります。摩擦係数が低い材料は、運動アセンブリで相互に作用する可動部品に適しています。

レール、ピストン、ロッドなどの摺動部では、2つのはめ合い面の接触面積を減らすことで摩擦力が低下します。これは、レイヤーの「木目」（積層パターン）が部品間で垂直になるようようにPreFormでモデルの向きを調整することで実現できます。積層方向を平行にすると、レイヤーの溝が噛み合い、表面積が増えて静摩擦・動摩擦が大きくなります。

表面の方向と摩擦力の関係を示す簡略図

静的・動的いずれの試験でも、垂直向きの方が摩擦係数が低くなりました。静摩擦係数は、積層方向の影響をより強く受けます。表面の摩耗が進むにつれ、部品間の摩擦は低下します。これは運動アセンブリに有利に働くことが多く、サンディングや研磨は意図的に摩耗させる手法の一例です。ただし、過度の摩耗は部品間のクリアランスを増大させる原因になります。長期的な摩耗を抑えるには、潤滑が最善の方法です。

ローラーやホイール、ロボットグリッパなど、ものによっては摩擦が大きい方が有利な用途もあります。その場合は、摩擦係数が高く潤滑性の低い材料を選定してください。

製品設計の実務においては、材料特性と機能要件に基づいてはめ合いを定義することが不可欠です。上記で示した代表的な形状の適合範囲は、多くの設計に幅広く適用でき、試作・検証の回数を抑えながら機能確認用試作を作ることができます。精度をさらに高め、部品の組み付き具合を直感的に把握するには、幅広い材料でテストモデルを造形し、各部品の挙動を確認します。

こちらでご紹介したポイント以外にも、3Dプリンタを評価する際に考慮すべき点は多数あります。部品は等方的である必要があるか、どのような機械的特性が求められるのか、など、機能的な部品製作には用途と要件に合った材料選定が欠かせません。Formlabsの材料は、それぞれ引張強さ・伸び率・耐摩耗性が大きく異なります。

お客様用途に最適な材料の確認には、Formlabsの材料比較ページを参照いただくか、各材料の品質確認には無償サンプルパーツをお申し込みください。