防水性とは、水をはじく、あるいは水が部品に付着したり吸収されたりするのを防ぐ、材料固有の能力のことです。水密性とは、エンクロージャ内部への水の出入りを防ぐ能力のことで、部品の材料特性そのものよりもエンクロージャやアセンブリの構造に大きく左右されます。

異なる材料の防水性も本試験一部ではありますが、最終的な結果は複数部品からなるエンクロージャーとしての水密性に基づいています。材料が元々持っている防水性も必然的に今回の試験結果に影響しますが、最終的な試験結果は複数部品から構成されるエンクロージャの水密性に基づいて判断されます。これはデータの有用性を考慮したもので、水密性の高いエンクロージャの製作は難しく、従来の工法では時間もコストもかかる背景があります。3Dプリントは、質の高い水中・海洋研究を実施する新たな可能性が拓けるだけでなく、防衛や石油・ガス、公共事業など、水中での運用が必要な様々な業界でも有用です。

水密部品は、ボートやレクリエーション用の船外モーター、深海ロボット探査、水中撮影など、さまざまなシーンで使われています。部品が水密であれば、他の流体も保持することができるため、自動車、化学研究、公共事業、建設など、コンポーネント、部品間でチューブが液体を運ぶような活用法に非常に役立ちます。

生態学や地質学、気候学などの研究分野では、サンプリングや研究目的のためにカスタム機器を作る場合、多大なコストがかかることがよくあります。すべての用途が特殊で、使用環境も常に変化し、地上からの管理が難しいため、水中や流体コンポーネントの製作には何らかのカスタマイゼーションが必要になることが一般的です。

現在、水密コンポーネントを製造する場合は、金属や射出成形プラスチック、ゴムといった一般的な材料を用いることがほとんどです。大量生産された部品はコストが低いものの、特定の用途に合わせて構成するのは難しく、カスタムコネクタや治具、エンクロージャなどを別途用意する必要があります。

マルチフィット型アセンブリでは、ネジ式締結やインターロック・嵌合構造、Oリング、ガスケットなどを組み合わせて部品同士をシールします。Oリングの選定は非常に難しく、エンクロージャに適したパラメータを割り出すのに時間がかかることも少なくありません。Parker O-ringハンドブックには、圧縮率や直径、厚み、材料、加圧条件などに応じた数千もの推奨事項が掲載されています。カスタムサイズのOリングを選択するプロセスが難しいため、多くの場合、標準化や大量生産部品に頼ってしまい、技術革新や新しい活用法が制限されてしまいます。

3Dプリントがカスタマイゼーションや少量生産の活用法として普及して以来、3Dプリントを水中用途に使用する取り組みが行われてきました。研究、石油・ガス掘削、建設などの業界で使用される水中機械、ロボット工学の部品はどれも独特で、部品の仕様や必要な機能は、そのベンチャー企業のニーズに特化したものです。従来、水中での活用は、莫大な費用をかけて特殊機器を製作できる資金力のあるプロジェクトに限られてきました。しかし3Dプリントを活用すれば、研究開発に必要なカスタム製品を、従来比のごく一部のコストで製作できます。実際に水中で問題なく使用できる3Dプリント品を製作するには、使用する3Dプリント方式や材料を適切に選定することが重要です。

3Dプリントとして最も一般的に知られているFDM（熱溶解積層）方式は、水密性のある部品を作ることができないことから、「3Dプリントで作る部品は水密用途には使えない」という誤解が広く生じてきました。FDM方式では、溶融したプラスチックをノズルから押し出して積層しますが、各レイヤー間を化学結合するわけではありません。そのためFDM部品は異方性を持ち、荷重を加える向きによって機械特性が変化し、他の方式で製造した同等品よりも密度が低くなります。レイヤーが化学結合していないため、層と層のわずかな隙間から液体が染み込みやすい構造です。そのため、FDM方式でプリントしたエンクロージャは、ベーパースムージングやコーティングなどの後処理を徹底しない限り、水密とはいえません。加圧下では層の境目に沿って亀裂が入り、部品がレイヤーに沿って潰れてしまいます。

SLA光造形方式で3Dプリントした部品は、各レイヤーが化学的に接着されているため水密性能を備えています。光造形品は、レーザー照射によって液体レジンを一層ごとに硬化させる仕組みで、レイヤー間やレイヤー内のポリマー鎖を架橋します。そのため、実質的に積層痕がほとんどない滑らかな表面と、無孔質で水が浸透しにくい構造を実現できます。また、高い寸法精度が得られるため、今回の実験で使われたエンクロージャのように複数パーツをねじ締結しても、気密・水密性を損なう隙間がほとんど発生しません。さらに、シールやガスケットと組み合わせれば、非常に高い圧力にも耐えられる完全な水密エンクロージャが作れます。

SLS（粉末焼結積層造形）方式は、粉末の層に部品の断面をレーザーで焼結し、その後に新しい粉末を被せて再度焼結を繰り返すことで造形します。造形後の部品はある程度等方性を持ちますが、力のかかる方向によって機械特性が変化する場合もあります。適切な公差やシール技術を施せば、SLS方式で製作したパーツも水密性能を持たせることができます。

ロード・アイランド大学のUndersea Robotics and Imaging Laboratory（URIL）は、深海研究をより開かれた分野にしようとしています。Form 4や大容量のForm 4Lなど、手頃な価格の3Dプリンタを活用することで、高度に洗練された深海探索用ツールを設計・製作し、科学研究を行う他のコミュニティにも公開しています。

URILはまた、深海イメージング・制御システムのDEEPiの斬新な設計に関するガイド、海上を走行する船上でもSLA光造形プリンタを安定して使用できるようにするパッシブ姿勢安定化機構の使用に関する調査、オウムガイの形状を参考にエンクロージャの設計を目指すバイオミミクリー（生物模倣）に関する調査など、独自の深海研究に関する論文も発表しています。主任研究員のBrennan Philips氏と博士号候補のBreanna Motsenbocker氏は、深海カメラやロボット用エンクロージャを長年にわたり改良してきており、これまでに複数の詳細な論文を公表しています。これまで資金面で深海調査が難しかった地域でも、製作工程を利用できるようにするため、研究所は設計データをオープンソースで公開しています。

ここで紹介するデザインは、マイクロコンピュータ（Raspberry Pi Zero）と小型バッテリーを搭載するのに十分な内部ボリュームを持つように選択されました。このボリューム要件により、ハウジングの内径と長さのパラメータが設定されます。壁の厚さは、これまでの試作品製作、プロトタイピング、そして目標深度（少なくとも1500m）に基づいて選ばれました。3Dプリントされた造形物の爆縮圧力をシミュレートする信頼性の高いFEA手法は存在しないため、デザインは静水圧チャンバーでテストされ、水密性と1500mの圧力に耐える十分な厚みがあることが確認されました。Undersea Robotics and Imaging Labは、試験で使用した薄肉構造の設計と、試験では未使用だった壁の厚みを増やした設計の2つをオープンソース化し、誰でも複製できるようにしました。

各コンポーネント、部品には3Dプリントのねじ山があり、エンドキャップや本体からカラーを簡単にねじ込んだり、外したりすることができます。フィールドでは、研究者は波と一緒に動く小さな船にいることが多く、スクリューボルトを使うのは不便です。FORM 4シリーズプリンタの操作確認は、ねじ山がOリングとともにデザインに組み込まれ、完全な水密性を実現し、変更時に機能的に組み立てまたは分解できることを意味します。

この基本的な筐体デザインは、ある特定のタイプのマイクロコンピュータ向けですが、カメラ、センサー、パススルーなどのための貫通部やマウントを簡単に変更することができます。また、エンドキャップやカラーは、ネジ山の嵌合機能が本体と一体化できるものであれば、本体が同じであれば、目的、サイズ、形状が異なる複数のデザインが可能です。

Undersea Robotics and Imaging Labは、Oリングフェイスシールとボアシールの両方で実験を行い、どちらでも有用性を確認していますが、Oリングフェイスシールを好んで使用しています。

エンクロージャの内径・外径を決定した後、フェイスシールOリングは内径を基に選定します。Oリングはエンドキャップと本体の間の面にしっかりとフィットする必要があります。2ダッシュOリング、または⅛（0.139インチ）の端数幅を持つOリングは、SLA光造形で作る部品を最も安定して密閉できます。

一般的な観察によると、3Dプリント製の部品、造形品、3Dプリント品では、直径が太いOリングの方が圧縮に強いです。溝の寸法は、Oリング自体の分数直径よりも15%～20%小さい深さを目指してください（例：100* (1-(0.115"/0.139")) = 17.2%）。また、溝はOリングの断面よりも広く、ある程度の圧縮が可能でなければなりません。

ParkerのOリングハンドブックには、様々な使用例に応じた寸法情報が詳しく掲載されています。

Undersea Robotics and Imagingの研究室では、ガスケットカバーを低圧（水深100m未満）で使用するのと同じ方法で、Oリングフェイスシールを3Dプリント製のハウジングとレーザーカットのアクリルカバーと組み合わせることに成功しました。

Oリングに十分な半径があれば、これらのデザインに複雑なOリング溝形状を使用することができます。2ダッシュOリング（端数幅0.139インチ）は、0.375インチの溝半径の曲がりに対応できます。正しいOリングサイズを予測するには、Oリングの溝全体の内半径の長さを使用して、それに近いOリングの等価内径を計算し、実際にテストフィットするために、同じ範囲のサイズを2～3個注文します。このような複雑な形状の破砕深度を正確に予測することはできませんが、厚さ0.375インチのアクリル製を使用すれば、水深100mまではうまくいきます。

FDM方式、SLA光造形、SLS方式 それぞれでエンクロージャを製作しました。Fuse 1+ 30W SLSプリンタではNylon 12 GFパウダーを使用し、その他の材料（Greyレジン、Clearレジン、BioMed Amberレジン、Rigid 10Kレジン）はForm 3+ SLA光造形プリンタで使用しました。FDM方式ではCraftbotにてPLAフィラメントを使用して部品を3Dプリントしましたが、水に浸すとすぐに浸水が確認されたため、試験の対象外となりました。

SLSとSLA光造形はどちらもエンジニアリングや研究分野で活用されますが、それぞれ得意とする条件が異なります。SLS方式は、ナイロンやTPUなどの馴染みある材料のライブラリを備え、工業品質レベルの強度と品質を持つ部品を少量生産するのに適しています。SLA光造形方式は、表面をより滑らかに仕上げたり、特殊な材料特性を追求する場合に強みを発揮します。このテストでは、SLA光造形品は滑らかな表面と高い密度を備え、加圧環境で優れた性能を発揮しました。

今回選択した4種類のSLA光造形3Dプリント用材料の長所は以下の通りです。

• Greyレジン：一貫性が非常に高い万能材料。試作品製作や滑らかな表面品質が求められる用途に最適。
• Clearレジン：正確性と一貫性が高い材料。造形後に表面を研磨することでほぼ完璧な透明性が実現でき、部品内部の様子を目視で確認したい用途に最適。
• BioMed Amberレジン：生体適合性材料。規制当局の承認を受けた医療器具の試作品や製作に使用可能。
• Rigid 10Kレジン：高密度のガラス繊維で強化された硬質材料。射出成形用の成形型など、高圧にも耐えられる工業用部品の製作に最適。

選ばれた粉末焼結積層造形方式、ナイロン12 GF パウダー は、厳しい生産条件に耐える剛性と耐熱性を強化したガラス充填材料です。構造的な剛性と耐熱性が求められる用途に最適です。

研磨、ブラスト処理、コーティング、めっき処理、染色などの後処理方法は、3Dプリント品の多孔質性だけでなく、表面品質にも影響を与える可能性があります。これらの方法の中には、より高い水密性を得るために使用できるものもあります。この実験では、Rigid 10Kレジン製エンクロージャーの一部にブラスト処理を施しました。

3Dプリント製部品の爆縮試験については工業水準となる基準値がないため、URILは研究開始時に、海面下数千メートルの圧力を模倣できる爆縮チャンバーをカスタムで製作しました。

試験結果の考察時に考慮しておきたいのは、FuseシリーズのSLSプリンタにてNylon 12 GFパウダーで製作した部品が爆縮した最低平均爆縮圧力1304psiも、相当な深さに相当することです。1304psiというのは水深1000mに相当する水圧で、手頃な価格で深海研究が行えることのメリットを享受できる海洋調査コミュニティがこれまで研究を行った水深をはるかに超える深さです。

その結果、SLA方式3Dプリントと粉末焼結積層造形方式3Dプリントは、Oリングシールと組み合わせて水密エンクロージャーを作成するのに有効な方式であり、SLA方式3Dプリントの圧勝であることが実証されました。一方FDM方式の部品は、水中に入れた瞬間に水を含んでしまい、少しの加圧にも耐えられないことから、水密用途には適さないという結果になりました。

加圧環境では剛性の高いSLA光造形材料が特に有効で、ブラスト処理などの後処理を施すと、表面の微細な空隙が減って性能がさらに向上します。

Form 4シリーズでプリントし、ブラスト処理されたRigid 10Kレジンは、水密品の作成に最適で、5500psi以上の圧力に耐えることができます。Oリングの選択とエンクロージャーの設計は、完全な水密エンクロージャーを作成するための重要なステップです。URILでMotsenbocker氏が作成したようなオープンソースのデザインを使用することで、水密部品やアセンブリを迅速かつコスト効率よく作成することができます。

これらの調査結果は、3Dプリント、特にFormlabs Form 4シリーズのような身近で安価なプリンタが、海洋調査の民主化に役立ち、沿岸地域社会に新たな探査の道を開くことができることを証明しています。利用可能な詳細材料は、実績のある簡単な作業手順と相まって、この技術を低コストで価値の高い研究に理想的なソリューションにしています。

URILの概要と、海洋コミュニティと深海環境の調査に関する研究については、URILのウェブサイトをご覧ください。