3Dプリンター光造形方式の精度を上げるには反りなどの考慮も必要！？

ものを製造する前には必ず試作品を作ることが一般的です。試作品を作製することによって、製品の評価が簡易的に行うことができます。試作品を正確に早く作れることは、失敗作を生み出さないための大切な工程であり、極めて重要です。この工程を容易に短時間で行えるようにしたことで注目を浴びているのが、3Dプリンターです。

そんな3Dプリンターにも性能という評価項目があります。できればこの項目が良質である製品を選択したいところです。

より精巧なものを作れる製品を追い求めたいという気持ちは、どの時代にもあるものですが、やはり3Dプリンター本体が高価であるからといって、目的のものを作ることに適しているとも限らないのです。

もしかすると、購入した3Dプリンターよりもっと安いもので再現できてしまうものだったり、高価だけれど目的のものを作るための材料が使えなかったり、様々な問題が発生する可能性があります。

少し3Dプリンターに関して知見をお持ちの方でしたら、解像度を高くすれば滑らかな仕上がりになるから、印刷の細かさがより細かなものを選択すればよいと結論付けるかもしれません。

しかしながら、3Dプリンターで目的のものを正確に作るためには、解像度を上げるだけでは不十分なのです。

今回はそんな3Dプリンターの中で、光造形を題として、どの部分が理想的な製品を作ることに関与しているのか、細分化していきます。

光造形3Dプリンターの精度を決める要素

光造形3Dプリンターの性能を見るときに見るべき項目は次の通りになります。

• 適切な造形速度
• Z方向の積層ピッチ(印刷するときの高さ）
• XY方向の解像度(目の細かさ）
• 造形中の変形
• サポート材付着分のずれ
• 造形後の変形
• 造形方向

などなど

このように、機器そのものの特徴に帰属するものや、造形物そのものの異変による精度誤差が生じるケースがあります。

適切な造形速度

速さを売りとしている3Dプリンターもあり、一般的な指人形程度のサイズの小物を10秒程度で印刷してしまうほど、驚異的なスピードを誇る製品も日本に存在します。しかしながら、速度を上げすぎてしまうと、正確な座標に材料を付加することが難しくなってくる、また安定する前に次の工程に移ってしまう場合があるため、印刷された製品の品質に問題が出てきてしまいます。この現状は販売されている3Dプリンターのスペックの比較によっても判断することが出来ます。

一般向けの3Dプリンター

ホビーユーザーが多くは鑑賞用展示物や自己完結型の使用が目的といった点から、そこまでの精度は求められていないことが多いです。主に手に取りやすさ、製品制作の手軽さを売りとしており、表面が粗いものが多いです。その代わりとして非常に印刷スピードが早いものがあります。製品の特徴としては、精度を少しそぎ落として、速度に力を入れているイメージです。

業務用の３Dプリンター

医療製品などを造形できるといった、非常に高品質なものを生み出すための精度が求められています。3Dプリンター出なければ造形が困難な構造のものや、オーダーメイドだと高価になるものを作製するために利用されます。印刷スピードは比較的遅いものが多く、精度に特化したものとなっています。弊社製品のように、速度と精度のバランスをとった異例の製品も存在しますが、基本的に業務用3Dプリンターの造形スピードはゆっくりです。

適切な造形速度は結論、遅い方が良いということになります。

あまりにも遅すぎると、作業工数も増えて非常に効率が悪くなってしまうことも懸念されますが、速度と品質を天秤にかけたとき、必ず品質の方に振れることは確かだと思います。

話の中で出てきた、弊社の3Dプリンターの造形時間はサイズに依存してますが、2～40時間ほどで実用的な医療器具を作ることが出来ます。中心となる微細な造形物ならば前後工程も含めて6時間ほどで完了します。

Z方向の積層ピッチ(印刷するときの高さ）

Z方向というとピンとこない人もいるかと思いますが、縦方向のことです。材料を出すときの高さがこれに当たるのですが、この高さが低くて、印刷面に近いほど綺麗にプリントできます。これは狙った座標に、正確に材料が定着するためです。よく考えてみると、粉末を高いところから落としたら、どうやっても横へ流れて真下には落ちないですよね。低い位置から落とすと比較的狙ったところに近いところに落ちると思います。これと同じ原理で、材料を低い位置から落とす方が、綺麗に造形できるわけです。この点は造形物の表面の粗さや、頑丈さに関係してきます。

XY方向の解像度(目の細かさ）

主に印刷したときの表面の話になります。XYで構成された点を分解能ともいいます（DPIという単位で表記されます）。デジタルアートでいう、ドットの数が多い画像のほうが美しく滑らかな画像に見えるように、材料を細かく出すことが出来る製品ほど、設計図通りの滑らかな造形物をプリントできます。この項目は、寸法に大きく関係してきます。より細かく印刷できる製品ほど、正確な寸法を再現できることとなりますが、実際問題、環境の問題も含まれるため、この項目だけ改善したとしてもCADデータで印刷物の縮小を加味していないなどの問題があると、正確な寸法を再現できません。

造形中の変形

造形中に「造形物が反ってしまった。」「室温や湿気で変形してしまう。」「想定していたより小さな造形物が出来てしまった（縮小）」などの問題が起こることがあります。この場合はどれだけ優れた製品を使っていたとしても、3Dプリンターの使い方によって左右されれることが多いため、利用者が対策を講じる必要があります。

反る

こちらの問題は造形時の温度を変更することで改善されます。造形するときの温度が高いと反りやすいため、温度を下げてみて調節してください。

またモデルが左右対称でなく、左右で構造体の粗密がある場合収縮率が異なるためによる反りが発生します。

室温の問題

明確な答えとして、3Dプリンターを使うときは常温(20℃）の室温に設定しましょう。低くてもレジンの感度が低くなりますし、高いと変形の原因になります。

材料の収縮

これは3Dプリンターによく見られる傾向で、CADデータよりも小さい製品が出来上がる現象です。印刷中は問題ないのですが、温度低下とともに収縮してしまうのです。対策としては収縮のことを考慮して設計図を書くことです。実寸よりは大きく3DCADで図面を書くことによって、出力したときに、理想のモデルが造形できるようにします。しかしながら収縮率は材料によって様々ですので、材料を購入したサイトでご確認ください。出力オーダーを送る際にモデルデータの寸法を拡大縮小できる優れたソフトウェアもあります。

サポート材付着分のずれ

造形後にサポート材が残ったままだと、寸法に誤差が出てしまいます。（理想のサイズより大きくなる）しっかりとやすりや耐水ペーパーを使って取り除きましょう。

造形後の変形

樹脂を例に上げると光（主に紫外線）の影響により変形、保管する場所の温度により変形してしまいます。対策としてはアルコール消毒や二次硬化させて強度を高めます。造形後の後処理は重要で、これを行うことによって製品の出来栄えを格段に上げることが出来ます。

造形方向

方向によってはサポート材が付加されたり、まったくされないことがあります。サポート材が全くない状態ですと、形状が崩れやすく不安定です。かといってたくさんつきすぎると、その分面積が不正確になり、それらを取り除く作業が必要になります。またこの時に製品の破損のリスクも伴います。角度を5度ずつ変更して造形した場合、それぞれの造形面の角度分だけ約0.05mmほど長さが拡大、縮小してしまいました。このように方向によってばらつきが出てしまうため、造形時は方向の設定には注意が必要です。光造形で最も安定している角度は、30度ほどという結果が出ています。（やなか技術士事務所調べ）

まとめ

いかがだったでしょうか。みなさんが求める高い精度というものは、思った通りに造形できることだと思います。大体の形状は割と簡単に誰でも造形できるのが3Dプリンターです。一方で高い精度を出すためには様々な対策が必要であり、チェック項目もいくつかあることがわかっていただけたと思います。主に精度と聞くと、製品の正確な位置への印刷技術、印刷速度などの3Dプリンターそのものへ目が行きがちですが、実は材料の選定、扱い方、図面（モデルデータ）にも気配りが必要です。ぜひ本記事をきっかけに、3Dプリンターで理想の造形物を作り出すにはどのようにしたらよいか、対策をとってみてください。