振動バレル研磨でSLS 3Dプリント品の表面を滑らかに

振動仕上げと呼ばれることもある振動バレル研磨は、様々な材料で製作した部品の表面の硬度や滑らかさを向上させる確立された方法です。元々は加工品やプレス後の金属ワークからバリを取り除くために使われていましたが、現在では3Dプリント品の表面を滑らかにする方法としてバレル研磨を使うメーカーが増えています。

特に、SLS（粉末焼結積層造形）方式で3Dプリントした部品は表面がわずかにざらついた手触りになることがありますが、バレル研磨を行うことで、実製品用部品として使用可能な表面に仕上げたり、機能アセンブリにもスムーズに組み込むことが可能です。

本記事では、SLS 3Dプリント製部品のバレル研磨（振動仕上げ）についてご紹介します。また、以下のウェビナーでは研磨機の比較や試験結果、作業工程の詳細をご覧いただけます。

振動バレル研磨とは、複数の小さなメディア（通常は金属、セラミック、樹脂、クルミの殻などの植物等）をワークと共にかき混ぜることで摩擦を発生させ、ワーク表面を磨きながら硬度も向上させる研磨処理です。バレル研磨は大きさや値段の手頃さ、生産工程に多大な労力を要することなく様々なメリットが享受できるため、広く普及しています。

バレル研磨により、3Dプリント品の機能性と外観の向上という、2つの大きなメリットを享受できます。面粗度を向上することで、特に可動部の摩擦係数を引き下げることができるため、ヒンジや機械式の可動ワーク、クリップ、その他可動ワークや移動式の機械に使用されるワークを3Dプリントする場合には、バレル研磨は最適な後処理方法と言えます。研磨後のワークは表面が平滑化されるため、水密性も向上します。

もう1つのメリットである外観の向上ですが、バレル研磨を施すことで見た目の質感や美しさが向上するだけでなく表面の仕上がりが均一化されるため、アクリル塗料等での塗装やセラコートなど各種コーティングを行う際の下準備としても優れています。

実製品用の機能ワークの一部として製作または量産された3Dプリント品やPoC（概念実証）用試作品として製作された造形品は、どれも多くの人目に晒されるため、簡単に表面の硬さや面粗度を向上する手段として振動バレル研磨は良い選択肢と言えるでしょう。

3Dプリント製部品に使用できる研磨機には、工業グレードと消費者向けグレードの2つのカテゴリーがあります。工業グレードの研磨機は処理可能な容量や必要な電力要件が大きく、一般的に価格は約 $5,000以上です。工業用の研磨機はマスカスタマイゼーションや量産移行前のテスト生産など、量産レベルの数量を処理したい場合に適しています。

中型から大型の部品であっても複数のバッチを簡単に処理できるため、受託メーカーや大規模メーカーなどに最適です。Röslerの研磨機のような産業機の多くは、ベルトコンベアやロボットシステムで部品を出し入れするなど、自動化手順への統合を想定して設計されています。このような大型機のバレル研磨サイクルは4～6時間と短く、表面粗さを大幅に低減することができます。

小型のバレル研磨機を複数台使用すれば産業機と同等の効率を実現することもできますが、容量が小さいために同等の仕上げ品質を得るためにはより長い研磨時間が必要となる可能性があります。大型機とほぼ同じ表面粗さの減少を達成するためには、産業用機の6時間に対し、小型機では72時間近く処理を行う必要があります。

しかし、小型の振動式研磨機は価格が手頃で省スペースでもあるため、中小メーカーでも産業機械レベルの設備投資を行うことなくバレル研磨のメリットが得られるという利点もあります。3Dプリント品の生産量が週産で100点以下のユーザー様には、小型のバレル研磨機の方が適していると言えるでしょう。

今回は未検証ですが、遠心タンブラーも表面の平滑化には有用な第3の手段です。作業手順は従来のバレル研磨機とは若干異なり、攪拌ではなく高速回転で部品を滑らかにします。遠心タンブラーでは、部品とメディアをキャニスター内で密封し、高速回転によって加わるG値で部品の表面を高速で平滑化します。遠心タンブラーは全体的なサイクル時間を短縮したい場合には良い選択肢となりますが、より研磨性の高いプロセスのため、一部の部品では繊細なフィーチャーが損傷する可能性があります。

バレル研磨で使用するメディアペレットには様々な種類がありますが、用途に合わせて適切なメディアを選定できるかどうかで仕上がりが大きく左右されます。代表的なメディアには、ステンレススチール、磁器またはシリカ、ポリエステル複合材、クルミの殻などがあります。メディアの種類により、表面を強力に平滑化して表面粗さを排除するものから外観向上のために軽く研磨するものまで、幅広い効果が得られます。

バレル研磨機で使用するメディアを選ぶ際は、材料のほかにペレットのサイズと形状も考慮する必要があります。ペレットには大小のサイズがあり、形も鋭利なものと丸みを帯びたものがあります。大きなペレットは金属部品のバリやサビを除去するような粗研削に使用され、小さめのペレットは繊細な処理に使用されます。研磨・バニシング効果がより高く、より幅広い材料に使用可能です。鋭利なペレット（三角形、くさび形、矢じり形）はペレット自体に欠けや剥がれが発生する確率が高いものの、エッジ、隙間、チャネルのある部品の仕上げに最適です。丸みを帯びたペレットは、軽いタッチでの研磨やバニシングに最適で、欠けたり剥がれたりすることはほとんどありません。表面を完全に滑らかにするのには時間がかかりますが、より穏やかで、デリケートな部品にも使用できます。

湿式バレル研磨と呼ばれる工程では、ペレットに水や化学液剤を加えて湿らせた状態で処理を行います。液体を使用することで、強力な摩擦によって発生する熱を和らげ、ワーク表面の不純物や酸化物を除去できるため乾式研磨よりもきれいかつ洗練された状態に仕上がります。しかし、こういった液剤は高価であると同時に化学廃棄物が発生するため、使用後は適切に廃棄・処理する必要があります。金属、セラミック、プラスチックのメディアは液体を併用するプロセスでも使用できますが、クルミの殻やトウモロコシの穂軸のような有機メディアは使用できません。

^{左から右の順に、クルミの殻、セラミック、スチール}

3Dプリントの用途では、滑らかな表面品質と摩擦係数の低さが求められることがよくあります。振動バレル研磨で仕上げを行うことで、様々な業界や環境で使用されるワークの機能性と外観のどちらも向上させることができます。

Formlabsでは、ユーザーの皆さまにとっての利点を最大化できるよう、SLS方式による3Dプリント品で振動バレル研磨機の試験を実施しました。

バレル研磨は、3Dプリント品の表面品質を向上させる優れた方法です。設備も手頃で、作業手順もニーズに合わせてカスタマイズできます。バレル研磨をワークフローに加える場合は、使用する機器やメディアによって結果が異なることに留意してください。

3Dプリント製のワーク用に研磨機を選ぶ際は、処理が必要な造形品の量を考慮する必要があります。中量・大量生産の場合であれば大型の産業用研磨機が必要になり、試作品製作や治具、ラピッドツーリングなどの用途には小型で低価格の研磨機で十分かもしれません。後者の用途では、小型研磨機を使うことで所要時間が長くなったとしても、作業手順に悪影響を及ぼすことはあまりありません。

次に考慮すべきは使用するメディアの選択ですが、これは製作する部品に大きく依存します。SLS 3Dプリント品の場合、セラミックやプラスチック、有機材料はいずれも使用できますが、金属の場合は研磨性が高すぎる可能性があります。内部に多くのポケットやチャネルがある部品の場合、セラミックメディアは衝突によって欠けた部分が部品内部に詰まってしまうことがあります。こういった破片は小型のツールで簡単に除去できるものの、有機物やプラスチックのメディアの方が向いているかもしれません。非常に微細な形状や繊細なエンボス加工、薄い盛り上がりのある部品には、研磨性の低いメディアが最適です。同様に、鋭利なメディアではなく丸みを帯びたメディアを選ぶことで、デリケートな部品を保護することができます。

振動バレル研磨は、SLS 3Dプリント製部品の外観と機能性を射出成形品に近づけることができる、身近な後処理方法です。3Dプリントの工程に追加する場合、複雑で高価な装置は必要ありません。研磨装置には、設置面積や必要電力の観点でも利用しやすく手頃な価格の選択肢が豊富にあります。ラピッドプロトタイピング、生産用治具や実製品用部品の製作などの用途では、バレル研磨によって3Dプリントの可能性がより一層広がります。バレル研磨をSLS 3Dプリントで得られる形状の自由度や少量のカスタム生産能力と組み合わせることで、あらゆる業界でそのメリット享受できます。

SLS方式3Dプリントにバレル研磨を最適な形で導入する方法、またはお客様のニーズに合った研磨機やメディアを選ぶ際のアドバイスをお求めの場合は、Formlabsの営業担当者にご相談ください。当社ウェブサイトでは、SLS方式に適した後処理工程もご紹介しています。