FDM 3Dプリントのプロトタイピング精度について

スピードとコスト重視の場合、FDM 3Dプリンティングはプロトタイピングの主役になりがちです。しかし、繰り返し浮上する疑問があります。FDM 3Dプリンティングの精度は本当にどれほどなのか？

機能プロトタイプの開発、フィット試験、機械的特性評価を行う場合、特にFDMにおける3Dプリンティングの精度を理解することは、信頼できるテストピースと誤解を招くモックアップの違いを生みます。

(出典: Unsplash)

FDM 3Dプリンティングとは？

FDM（Fused Deposition Modeling）は、熱可塑性フィラメントを溶融し、層状に積層して3Dオブジェクトを形成する人気の積層造形法です。低コストで手軽に使えることから、FDM 3Dプリンティングプロセスはラピッドプロトタイピング、コンセプト検証、少量生産に広く利用されています。

しかし、FDMは市場で最も精密な方法ではありません。

それでは、詳しく見ていきましょう。

3Dプリンティングで「精度」とは何か？

3Dプリンティングの精度について語るとき、実際には次の2つのことを指します。

a. 寸法精度: 最終プリントが元のCAD設計にどれだけ近いか？

b. 再現性: 複数のプリントで一貫した結果を得られるか？

FDMは両方においてまずまずの性能を発揮しますが、限界もあります。

FDM 3Dプリンティングの典型的な精度範囲

標準的なデスクトップまたは工業用FDMプリンターでは、以下が期待できます。

a. XY精度: ±0.1 mm ～ ±0.3 mm

b. 層厚: 0.1 mm ～ 0.3 mm（調整によりさらに細くできることも）

c. 壁許容差: 通常 ±0.2 mm、形状・向きに依存

SLAやSLSの精度には及びませんが、FDMはほとんどの機能プロトタイプに十分な精度を持ち、プロによる微調整が施されれば特にそうです。

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FDM精度に影響する要因

1. プリンターのキャリブレーション

適切にキャリブレーションされたプリンターは成功の半分です。ベッドレベリング、エクストルーダー温度、ベルトテンションはすべて最終結果に影響します。

2. 材料選択

フィラメントによって挙動が異なります。PLAは寸法安定性に優れ、ABSやPETGは条件を制御せずにプリントするとワープする可能性があります。

3. パート形状

オーバーハング、微細ディテール、小さな穴は、層ごとの積層限界により正確にプリントされないことがあります。

4. プリント向き

垂直にプリントしたパーツは、層の積み重ね誤差が累積するため高さ方向のばらつきが大きくなることがあります。

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3Dプリンターの寸法精度をテストする方法

プリンターが正確だと思う？ 推測はやめて、テストしましょう。

寸法精度を測定する迅速で効果的な方法は、キャリブレーションキューブ（通常は20×20×20 mmの精度測定用キューブ）をプリントすることです。プリント後、デジタルノギスで各軸（X、Y、Z）を測定し、想定の20 mmと比較します。値が一貫してずれている場合、それはキャリブレーションの問題であり、たまたまのプリントミスではありません。

もっと詳しく知りたい？ XYZキャリブレーションキューブや3D Benchyのような多次元テストモデルを試してください。これらはオーバーハング、ブリッジ、曲面、微細ディテールを含み、現実世界での寸法精度に影響する要素すべてにプリンターを挑戦させます。

以下を忘れずに：

a. 適切に保管された新鮮なフィラメントを使用。湿気はプリント精度に影響します。

b. スライサーの壁ライン数とインフィルオーバーラップを正しく設定。最終的な壁厚に影響します。

c. ノズルを清潔に保持。詰まりは層の一貫性を損ないます。

テストは定期的な習慣でなければなりません。ハードウェア変更後や長期間使用していない後でも精度テストを実行してください。

より高い精度を得るための3Dプリンターキャリブレーション方法

プリントが少しずれている？ 以下で調整方法を説明します。

1. ステップ/ミリメートルをキャリブレーション

これは精度の基礎です。プリンターは「ステップ/mm」を使ってモーターを正確な距離だけ動かします。ステップがずれていれば、寸法もずれます。

以下の式を使用：

新しいステップ/mm = (想定寸法 / 測定寸法) × 現在のステップ/mm

これらの値をファームウェアまたはプリンター設定で調整（マシンにより異なります）。通常、X、Y、Z、エクストルーダー（E）ステップを個別にキャリブレーションします。

2. ホットエンドとベッドのPIDチューニング

温度の変動は押出の不均一を招きます。PIDチューニングを実行して温度を安定させます。

ほとんどのプリンターはGコードで対応（200℃でのホットエンドチューニングはM303 E0 S200 C8）。完了後、結果をEEPROMに保存します。

3. フローレート（押出倍率）をキャリブレーション

過剰押出/不足押出は壁厚と穴径に直接影響します。

a. 単層壁キューブをプリント。

b. ノギスで壁厚を測定。

c. 実測厚さが想定と一致するようフローレートを調整。

4. ベルトテンションとプーリーアライメントを確認

ベルトが緩むと壁が揺れ、張りすぎるとモーターに負荷。指でしっかりしなやかなテンションを確認。プーリーがモーターシャフトに確実に固定されていることも要チェックです。

5. スライサー設定を更新

時にプリンターは正常でも、スライサーが問題を起こします。

a. 正確な層高（0.2 mmなど）を使用。

b. リニアアドバンスを有効化（サポートされている場合）。

c. ノズル径設定を再確認。

キャリブレーションは一度で終わる作業ではなくプロセスです。しかし、その報酬は？ 寸法通りにぴったり合う、シャープで正確なプリントです。

FDM精度が「十分」な場合

FDMは以下に最適：

a. コンセプト検証モデル

b. 人間工学テスト・フィットチェック

c. 許容差≥0.2 mmの基本的な機能パーツ

プロトタイピングの目的が完璧よりスピードなら、FDMは圧倒的な価値を提供します。

FDMでは不足する可能性がある場合

以下を要するプロジェクトでは：

a. 超精密許容差

b. 射出成形のような滑らかな表面

c. 0.1 mm未満の複雑な形状

FDMは適さない場合があり、SLA、SLS、CNCマシニングの方が適しています。

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ギャップを埋める：FDM精度＋マシニング

場合によっては、FDMでラフプロトタイプを3Dプリントし、CNCマシニングやワイヤーEDMで仕上げ・精製するのが理にかなっています。このハイブリッドアプローチは、重要な部分のディテールを犠牲にせず、時間とコストを節約します。

JLC3DPでは、スピード、精度、コストのバランスを取るため、適切なプロセス（または組合せ）を選択し、クライアントのプロトタイプニーズをサポートしています。あるケースでは、クライアントが機能パーツで0.5 mmの許容差を達成できずにいました。私たちはFDM設定をチューニングし、後処理でCNC仕上げを施すことで寸法精度を向上。結果、スペックを満たす高速・低コストプロトタイプを最初からやり直すことなく実現しました。

あなたのプロトタイプにFDMの精度は十分か？

答えは？ 期待を知っていれば、イエスです。

FDMは、多くのラピッドプロトタイピングニーズに対して驚くほど良好な精度を提供し、そのニュアンスを理解する専門家によってプリントされれば特にそうです。

しかし、きつい許容差、可動部、CNCミルやワイヤーEDMのみが達成できる精度が必要な場合は、JLC3DPがサポートします。