3Dプリンター出力は、複雑な形状にも対応できる加工方法です。ただし、切削加工と比べると、寸法や見た目の精度には限界があります。そして、その精度は3Dプリンターの造形方式によって大きく変わります。
それでは、3Dプリンターの造形物の精度は、実際どの程度なのでしょうか。本記事では、造形方式ごとの精度の特徴について、詳しく解説していきます。
3Dプリンター出力の造形物は、材質や造形方式によりますが、およそ±0.05mm〜±0.3mmの誤差が生じることがあります。そのため、高い精度を求める最終製品よりも、試作品や治具などの製作に適しています。
また、造形物の精度は造形方式の影響を強く受けます。それでは、代表的な造形方式ごとの精度の特徴を見ていきましょう。
FDM方式とは、糸状の材料を熱で溶かし、層状に積み重ねる造形方式です。FDM方式での造形物は、X方向(横)・Y方向(縦)・Z方向(高さ)によって精度の高さが異なります。
FDM方式では、材質を熱で溶かすため、造形直後は膨張しています。そのため、X・Y方向の造形は、それぞれ0.1mmほど外側が大きめに、内側は小さめになる傾向があります。
Z方向は、積層ピッチの影響により、正確な寸法での造形が難しい傾向です。例えば、積層ピッチを0.3mmに設定した場合、1.0mmの寸法にするには、0.9mmか1.2mmでの出力です。この積層ピッチの設定は、3Dプリンターの機種によって異なります。
3Dプリンターの造形物の精度は、ノズル径の影響も受けます。溶かした材質が出てくるノズルを大きくすると、造形時間の短縮はできますが、積層が厚くなるので見た目の精度が低くなる可能性があります。
光造形方式は、液状の樹脂に光を当てて硬化させる造形方式です。この造形方式では、熱による膨張がないため、高い精度で造形できます。
X、Y方向については、平均0.1mm〜0.2mm、工業用の機種だと0.05mm程度の誤差で造形できます。
一方で、光造形方式の造形物は、逆さまの状態で造形されます。この影響で、硬化する前に材料の重さで伸びてしまう可能性があるため、Z方向に関しては0.3mm程度の誤差が生じることがあります。
光造形方式の造形物は、基本的に滑らかな表面に仕上がります。しかし、その仕上がりの精度を上げるには、後処理が重要です。
造形直後は、未硬化の樹脂が残り、表面がベタついてしまうことがあります。そのため、UV照射による二次硬化やアルコール洗浄が必要になります。
さらに光造形方式では、サポート材が非常に細かくつくため、除去の際に痕が残りやすい傾向があります。除去痕が残る場合は、ヤスリなどで表面を削り、滑らかにします。
光造形方式の造形物。細かい粒はサポート材を除去した痕。
ヤスリがけをした痕の表面。処理前と比べると滑らかになる。
粉末焼結方式とは、敷き詰められた粉末状の材質に、レーザーを当てて1層ずつ焼き固める造形方式です。サポート材が不要で、安定した造形ができます。
この造形方式では、レーザーが当たらなかった箇所がサポート材の役割になるため、造形中の安定感があります。
そのため、X・Y・Z方向全てで、同じ誤差0.3mm以内の精度で仕上がります。
一方で、造形物のサイズが100mmを超えると、高温から急速に冷却されることによって、反りが発生する場合があります。反りが起こると、幾何学精度(形状の正確さ)に影響が生じます。
また、粉末を焼き固めるので、造形物の表面はザラつきが残る仕上がりになります。
3Dプリンター出力は、切削加工と比べると寸法や見た目の精度に課題があります。
そこで、3Dプリンターの造形後に、切削加工などの追加工をすることで精度を補うことができます。このように、3Dプリンターでの造形後に追加工することを「ハイブリッド加工」といいます。
詳しいハイブリッド加工についてはこちら→ハイブリッド加工
3Dプリンター出力は層を重ねて造形するため、積層痕が残り、寸法の精度にも誤差が生じます。そこで、切削などの追加工をすることによって、±0.05mm以内の精度にすることができます。切削加工以外では、薬剤などで表面処理をすることで、滑らかな仕上がりに近づけることができます。
FDM方式と粉末焼結方式では、熱による膨張が起きるため、貫通穴などの寸法が0.1mm〜0.2mm程度大きくなることがあります。この場合は、切削で追加工をすることで、H7公差まで実現できます。
また、3Dプリンターでのネジ造形は、材質を積み重ねるため横方向からの力に弱く、雄ネジ・雌ネジともに強度が低い傾向があります。そこで、下穴のみを3Dプリンターで造形し、追加工でタップ加工やインサート加工を施すことで、ネジ部分の強度を上げることができます。
3Dプリンターの造形物は、造形方式によって見た目や寸法の精度に差があります。その背景には、造形中の熱による膨張や材質の特性などが影響しています。
そこで、寸法の誤差や見た目に対して、切削などで追加工を施すことにより、高い精度の仕上がりに近づけることができます。
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