中空構造・アンダーカットも加工できる3Dプリントによる複雑形状の設計限界

3Dプリンターでは、従来の加工方法では実現が難しかった中空構造やアンダーカット形状の設計が可能となりました。一方で、自由度が高い反面、設計上の制約や量産移行時の課題も存在します。本記事では、複雑形状設計の可能性と限界、そして設計段階で押さえるべきポイントについて解説します。

3Dプリントが実現する「複雑形状設計」とは

従来加工では難しかった形状の制約

従来の製造方法では、加工プロセスそのものが設計の自由度を大きく制限していました。

切削加工では、工具が物理的に到達できる範囲でしか加工ができないため、内側に入り込んだアンダーカット形状や閉じた中空構造の一体加工は困難です。結果として、複数工程や分割加工が前提となります。

射出成形においても、金型から製品を取り出すために抜き勾配が必須であり、アンダーカット形状はスライド機構などの複雑な金型構造を必要とします。これにより金型コストが大幅に増加し、設計自由度も制約されます。

このような背景から、従来は部品を分割し、後工程で組み立てる設計が一般的でした。しかし、これは組立工数の増加や品質ばらつきの要因となっていました。

3Dプリンターで中空構造・アンダーカット形状の加工ができることによるメリット

軽量化と強度最適化

3Dプリントでは、内部にラティス構造やトポロジー最適化を取り入れることで、必要な強度を確保しながら大幅な軽量化が可能です。これは特に航空機や自動車分野において、性能向上に直結する重要な要素となります。

部品点数削減によるコスト・品質向上

従来は複数部品で構成されていた構造を一体化できるため、ボルト締結や溶接などの工程が削減されます。これにより、組立コストの低減だけでなく、接合部の不具合リスクも低減し、品質の安定化につながります。

冷却・流体・機能統合設計

内部に複雑な流路を形成できるため、冷却性能や流体制御を最適化した設計が可能になります。例えば、金型のコンフォーマル冷却や、流体機器の効率改善など、従来では実現困難だった機能統合が可能になります。

3Dプリンターの設計段階で押さえるべきポイント

「造形前提設計（DfAM）」の重要性

3Dプリントを最大限活用するためには、「DfAM（Design for Additive Manufacturing）」の考え方が不可欠です。

従来設計の流用では、不要な肉厚や過剰な安全設計が残り、コスト増や造形不良の原因となります。3Dプリントでは、材料配置を最適化し、必要な部分にのみ強度を持たせる設計思想が求められます。また、積層方向による強度差や表面品質の違いなど、3Dプリント特有の特性を理解した設計が重要です。

サポート・後処理を考慮した形状設計

複雑形状が可能とはいえ、すべての形状が無制限に造形できるわけではありません。オーバーハング部にはサポート材が必要となる場合があり、これが後処理工数やコストに影響します。

そのため、サポート材を最小化する形状設計や、除去工具がアクセス可能な設計が求められます。特に内部構造の場合、サポート除去が不可能になるケースもあるため注意が必要です。

試作から量産への移行を見据えた設計

3Dプリントは試作に適した技術と認識されがちですが、近年では量産用途も拡大しています。ただし、コスト構造は従来加工とは大きく異なり、造形時間や材料費がコストに直結します。

そのため、初期段階から量産を見据えた設計を行うことが重要です。場合によっては、3Dプリントで試作を行い、量産は切削加工や射出成形に切り替えるなど、加工法のハイブリッド活用も有効です。

3Dプリンターの加工はSST設計開発センター株式会社にお任せください

今回は、3Dプリンターの複雑形状の設計限界についてご紹介しました。ワンストップ部品加工センターを運営するSST設計開発センター株式会社は、1,000社を超える加工ネットワークを活かし、様々なサイズ、形状の部品加工に対応しております。ぜひお気軽にご相談ください。

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