FDM方式の寸法精度はどこまで出せる？設計時に注意すべきポイント

FDM方式は、樹脂部品の試作や治具製作に広く活用されている3Dプリンター方式です。短納期・低コストで製作できる特徴があり、さまざまな用途で使用されます。本記事では、FDM方式の特徴や寸法精度を左右する要因、設計時に注意すべきポイントについて解説します。

FDM方式とは

FDM方式とは、Fused Deposition Modelingの略で、日本語では「熱溶解積層方式」と呼ばれる3Dプリンターの造形方式です。フィラメント状の熱可塑性樹脂をノズル内で加熱・溶融し、造形テーブル上に一層ずつ押し出して積み重ねることで立体物を製作します。

ABSやPC、ナイロンなど、実製品に近い工業用樹脂を使用できる点が大きな特徴です。FDM方式は、形状確認用の試作品だけでなく、機能検証用部品、組立治具、検査治具、少量生産部品などにも活用されています。Stratasys系のFDM技術では、ABSやポリカーボネートなどの工業用樹脂を使った造形が可能とされています。

FDM方式の特徴

低コスト

FDM方式は、金型を必要とせず、3D CADデータから直接造形できるため、初期費用を抑えやすい製作方法です。切削加工では段取りや工具、材料の削り出しが必要になりますが、FDM方式では必要な形状を積層して作るため、試作品や治具を短納期で用意しやすいメリットがあります。

材料の種類が豊富

FDM方式では、光造形で使用される「ABSライク」「PPライク」といった模擬材料ではなく、PLA、ABS、ASA、PETG、PC、ナイロン、TPU、カーボンファイバー配合材料などの実際の熱可塑性樹脂を使用することが可能です。耐熱性、耐衝撃性、柔軟性、耐候性、剛性など、用途に応じた材料選定が可能です。

強度が高い

FDM方式は、熱可塑性樹脂を用いるため、用途に合った材料を選定すれば実用的な強度を持つ部品を製作できます。治具、ブラケット、カバー、仮組み部品など、負荷がかかる機能試作にも利用しやすい方式です。

FDM方式の寸法精度を左右する主な要因

材料の収縮率と吸湿性

FDM方式では、加熱された樹脂が冷却される過程で収縮します。ABSやPC、ナイロンなどはPLAに比べて反りや収縮が出やすい傾向があり、大型部品や薄肉部品では寸法誤差が大きくなる場合があります。

また、ナイロン系材料など吸湿性の高い材料は、保管状態によって造形品質が変わります。吸湿したフィラメントを使用すると、造形中に気泡や糸引き、表面荒れが発生し、寸法精度や外観品質に悪影響を与えることがあります。

積層ピッチとノズル径

積層ピッチは、Z方向の解像度や表面粗さに影響します。積層ピッチを細かくすると、曲面や傾斜面の段差は目立ちにくくなりますが、造形時間は長くなります。反対に、積層ピッチを大きくすると短時間で造形できますが、表面の段差が大きくなり、細部の再現性が低下しやすくなります。

ノズル径も寸法精度に大きく関係します。一般的に、細いノズルは小さな形状や細部の再現に向いていますが、造形時間が長くなり、詰まりのリスクも高まります。太いノズルは造形速度や強度面で有利ですが、細かなリブ、薄肉、穴形状の再現には不利になることがあります。

造形物のサイズ・形状

造形物が大きくなるほど、収縮や反りの影響は大きくなります。特に、長尺部品、平板形状、片側だけが厚い形状、急激な肉厚変化がある形状では、冷却時の応力が偏りやすく、角部の浮きや全体の反りが発生しやすくなります。

サポート材の配置と除去

FDM方式では、オーバーハング形状や空中に張り出した形状を造形する際にサポート材が必要になります。サポート材が付く面は、除去後に表面が荒れたり、寸法がわずかに変化したりすることがあります。

設計時に注意すべきポイント

嵌合部・はめ合い部にはクリアランスを持たせる

FDM方式で嵌合部品を設計する場合、CAD上でぴったり同寸にすると、ほとんどの場合うまく組み付きません。樹脂の膨らみ、ノズルの吐出幅、積層段差、収縮誤差があるため、穴と軸、凹部と凸部の間にはクリアランスを設ける必要があります。

積層方向（ビルド方向）を意識した設計にする

FDM方式では、積層方向によって強度や寸法精度、外観が変わります。荷重がかかる方向に対して層間剥離が起こりやすい向きで造形すると、設計上は十分な肉厚があっても破損する可能性があります。

肉厚はできるだけ均一にする

FDM方式では、肉厚差が大きいと冷却速度に差が出て、反りやヒケ、内部応力の原因になります。厚肉部と薄肉部が隣接する形状では、厚い部分の冷却が遅れ、寸法が安定しにくくなります。

穴径・軸径は補正を前提に設計する

FDM方式では、穴が設計値より小さく出る、軸が太めに出るといった傾向が起こりやすくなります。これは、ノズルから押し出された樹脂の幅や、円形状を積層パスで近似することが影響するためです。

ボルト穴、位置決めピン穴、ベアリング挿入部など、寸法精度が必要な箇所は、あらかじめ大きめに設計するか、造形後にドリルやリーマで仕上げる前提にすると安定します。

サポート除去を前提とした形状にする

サポート材は造形を成立させるために必要ですが、除去作業によって表面に傷が残ったり、寸法が変わったりすることがあります。そのため、設計段階からサポートを減らす工夫が重要です。

まとめ

今回は、FDM方式の寸法精度と設計時に注意すべきポイントについてご紹介しました。FDM方式は、低コストかつ短納期で樹脂部品を製作できる便利な造形方式ですが、材料の収縮、積層方向、ノズル径、サポート材などによって寸法精度が変化します。

、嵌合部品や機能試作を製作する場合は、クリアランスの確保、ビルド方向の検討、肉厚の均一化、穴径・軸径の補正、サポート除去を考慮した設計が重要です。SST設計開発センター株式会社では、FDM方式による樹脂部品の試作・治具製作・機能検証用部品の製作の豊富な実績があります。お困りの方はお気軽にご相談ください。

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