3D プリントを使用したことがある方は、最も正確なデジタル デザインであっても、プリンターから取り出すと小さな隆起、層の線、不完全な部分が多くなる可能性があることをご存知でしょう。ロボット工学チームから医療機器設計者に至るまで、何百ものクライアントと協力してきた 3D プリンティング モデルのパーツ サプライヤーとして、私は滑らかな表面の問題のトラブルシューティングに何年も費やしてきました。そして、これはプリンターの設定を高めるだけではない、ということをお伝えしたいと思います。完璧で洗練された仕上げを実現するには、部品の目的に合わせた賢明な準備、適切な材料、後処理を組み合わせる必要があります。金属、プラスチック、カスタム コンポーネントのいずれをプリントする場合でも、科学に裏付けられた一貫した手順を実行して、大まかなプロトタイプを完成品と同様の外観と機能を備えたパーツに変換します。
まずは基礎から始めましょう。適切な印刷プロセスと材料を選択します。多くの初心者は、手頃な価格の FDM プリンタに飛びつきますが、FDM の層ごとの押し出しでは、本質的に、特に曲面では隆起が目立つ傾向があります。そのため、私はお客様のニーズに応じて、ベース表面をより滑らかにするための SLA (光造形) や SLS (選択的レーザー焼結) などのプロセスを検討することをお勧めします。金属部品の場合、当社の SLA 3D プリント サービスはアルミニウムとステンレス鋼を使用しており、UV 硬化またはレーザー溶解の精度により、FDM よりもはるかに少ない初期層ラインで部品を製造します。プラスチック パーツが必要な場合は、当社の 3D プリント プラスチック パーツ ラインは、プリント ベッドからすぐに表面の凹凸を最小限に抑えるように設計されており、滑らかで一貫した層を備えているため、プリント後の作業が少なくなります。医療部品については、厳しい生体適合性基準を満たしたSLA 3Dプリンティングを採用しており、滑らかな樹脂表面は皮膚や内部環境と接触する必要がある用途にすでに最適です。カスタム機能部品の場合でも、ナイロン SLS 3D プリント部品の表面は FDM と比べて自然に滑らかで、多くの場合、レイヤー ラインのクリーンアップは必要ありません。部品の材料と機能に適したプロセスを選択することは、交渉の余地のない最初のステップです。これを省略すると、後処理が非常に困難になり、効率が低下します。
次に、プリンターと設定を正確に調整することが、発生源の表面の欠陥を軽減する鍵となります。多くの人は、日常の小さな校正の問題が積み重なって表面が粗くなることを見落としています。これを詳しく見てみましょう。まず、ノズルとベッドのレベリングです。 FDM の場合、ノズルがベッドに近すぎるとフィラメントが圧迫されすぎて層が膨らみ、不均一な層が発生します。一方、ノズルが遠すぎると層間に隙間が生じ、線として表示されます。 SLA プリンタの場合、樹脂層の高さは重要な設定です。層が薄いほど (0.1 mm ではなく 0.02 mm など)、層間の段差が小さくなるため、隆起は肉眼ではほとんど見えなくなります。ただし、ここに落とし穴があります。レイヤーが薄いと印刷時間が長くなるため、速度と仕上がりのバランスを取る必要があります。もう 1 つの見落とされがちな設定は、印刷速度です。印刷が速すぎると、押出機またはレーザーが材料を均一に堆積または硬化するのに十分な時間がなくなり、ギャップ、ブロブ、および粗いパッチが発生することになります。 SLA の場合、ほとんどの部品に対して 20 ～ 30 mm/秒の速度を推奨します。 SLS の場合、15 ～ 25mm/s で一貫した滑らかなレイヤーが得られます。温度も関係します。FDM の場合、ノズルが冷たすぎるとフィラメントが適切に溶けず、層がゴツゴツになります。一方、樹脂 SLA の場合、樹脂が熱すぎると硬化が不均一になり、表面がベタベタしたり粗くなったりする可能性があります。私はいつも、新しいクライアントに、最初に小さなキャリブレーション キューブ プリントを実行し、寸法を測定し、表面に線がないか確認し、最終パーツをプリントする前にこれらの設定を微調整するように伝えています。作業時間は 30 分余分にかかりますが、その後の後処理にかかる時間を節約できます。
パーツがプリントされると、後処理段階で粗い表面を実際に滑らかな表面に変えることになります。このステップは使用した材料によって異なります。私たちのショップで使用する最も一般的なプロセスから始めましょう。
SLA 樹脂部品の場合、最初のステップは洗浄と硬化です。印刷後、余分な未硬化樹脂を除去する必要があります。これにはイソプロピル アルコール (IPA) を使用し、2 段階の洗浄を行います。最初に 10 分間浸し、次に新しい IPA で 5 分間すすぎ、遊離した樹脂をすべて取り除きます。これを怠ると残った樹脂の硬化が不均一になり、表面がベタベタしてザラザラした状態になってしまいます。洗浄後、部品は UV 硬化チャンバーに入れられます。適切な硬化時間が重要です。硬化時間が短すぎると、パーツが柔らかくなり傷がつきやすくなります。硬化時間が長すぎると、脆くなったり、マットで埃っぽい表面が発生したりする可能性があります。 405nm で 10 分間の硬化を行うことで、滑らかに仕上げるための硬くて安定したベースが得られます。 SLS 部品の場合、最初のステップは脱粉末であり、表面に付着した余分なナイロン パウダーを除去します。エアーブラストとメディアのタンブリングを組み合わせてルースパウダーを落とし、その後細かい掃除機で隙間に入り込みます。ナイロン SLS パーツは、適切に粉末を除去しないと表面がわずかに多孔質になる可能性があるため、滑らかにする前のこの手順は重要です。
金属部品の場合、SLA 金属 3D プリント サービスで印刷した後の最初のポストステップは、サポート構造を取り外すことです。金属サポートは部品に融着されているため、精密機械加工とサンディングを組み合わせて、傷を残さずに取り除きます。次に、部品の歪みや表面の凹凸の原因となる内部応力を緩和するために熱処理を行います。それが完了すると、平滑化の手順がより集中的に行われます。ビーズブラスト（微細なガラスビーズを使用して表面を均一にエッチングし、小さな層の線を除去する）と、細かい粒子のサンディングを組み合わせ、その後、バフホイールとコンパウンドで研磨します。非常に滑らかで非多孔質の表面が必要な医療部品の場合、弱酸溶液を使用して金属の最上層を溶かす化学研磨ステップも行い、小さな隙間を埋めて鏡のような仕上げを残します。
さらに、見栄えを良くし、適切に機能する必要があるパーツに対しては、特殊なスムージング テクニックが使用されます。ヒューマノイドや器用なロボット用のカスタム ロボット ハンド ハウジングなどのカスタム パーツの場合、表面は引っかかることなく動かせるほど滑らかである必要がありますが、顧客のプレゼンテーション用にきれいに見える必要もあります。これらについては、より積極的なサンディングやビードブラストを省略し、蒸気スムージングを使用します。蒸気平滑化は、プラスチック部品 (ロボットのハウジングに一般的な ABS や ASA など) を溶媒蒸気にさらすことによって機能し、プラスチックの最上層を溶かし、すべての層の線や小さな欠陥を埋めます。その結果、完璧に滑らかで光沢のある表面が得られ、サンディングは必要ありません。ここで重要なのは、露光時間を制御することです。長すぎるとパーツが歪む可能性があり、短すぎると適切に滑らかになりません。密閉チャンバーを使用して温度と蒸気濃度を監視できるため、すべての部品で一貫した結果が得られます。光沢ではなくマットにする必要がある部分については、蒸気時間を調整したり、蒸気スムージング後にビーズブラストステップを使用して、滑らかな手触りを保ちながら柔らかく均一な質感を作り出すことができます。
多くの人が考慮していないもう 1 つの要素は、サポート構造の設計です。サポートは、プリント中にオーバーハングや複雑な形状を保持するために必要ですが、間違って配置されたり、材料が多すぎる設計になったりすると、取り外したときにパーツ表面に跡が残ります。たとえば、曲面に大きなサポートを置くと大きな凹みが残り、何時間もかけて研磨する必要があります。そのため、当店ではデザイナーがクライアントと緊密に連携して、必要な箇所にのみサポートを配置し、痕跡が最小限に残る分離式サポート（素材によっては溶解可能なサポートの代わりに）を使用しています。 45 度よりも急なオーバーハングの場合は、精密ペンチで簡単に取り外せる、薄くまばらなサポートを設計しており、跡がほとんど残りません。小さなヒンジや穴などの繊細な機能を備えたパーツには、印刷中の損傷から機能を保護するカスタムのサポート足場を使用しているため、壊れたエッジを研磨する必要はありません。
品質管理は、部品の使用後も滑らかな表面が滑らかなままであることを保証する最終ステップです。多くのクライアントは、スムージングは 1 回限りのステップであると考えていますが、使用にさらされる部品 (こすられるロボットの筐体や消毒される医療部品など) は、時間の経過とともに小さな傷が発生する可能性があります。当社はすべての部品の表面耐久性をテストします。ロボット部品の場合は、仕上げに傷がつきにくいことを確認するために柔らかい布で摩擦テストを行います。医療部品の場合、一般的な消毒剤に対する耐性をテストして、滑らかな表面に穴が開いていないことを確認します。また、当店では表面粗さ計を使用して各部品の粗さ値 (Ra) を測定します。滑らかな部品の標準は Ra < 1.6 マイクロメートルです。これは層の線をほとんど感じられないほど滑らかで、ほとんどの既製の 3D プリント部品よりもはるかに滑らかです。
長年にわたり、私はクライアントがあらゆる種類の理由で表面の平滑性に苦労しているのを見てきました。彼らは、間違った材料を選択したり、キャリブレーションを省略したり、後処理を手抜きしたりしています。良いニュースは、これらはすべて正しいアプローチで解決できるということです。ロボット工学チーム向けのカスタム ロボット ハンド ハウジング、消費者製品のプラスチック部品、医療機器の金属部品のいずれを印刷する場合でも、適切なプロセス (金属部品の 3D 印刷 SLA アルミニウム ステンレス鋼サービスや医療部品向けの SLA 3D 印刷ラインなど) から始めて、プリンターを適切にキャリブレーションし、目的を絞った後処理を使用することで、必要な完璧で滑らかな表面を得ることができます。
粗い 3D プリント プロトタイプを超えて、プロジェクトに必要な滑らかな仕上がりのカスタム パーツを入手する準備ができている場合は、私たちのチームがお手伝いします。当社は、小規模な新興企業から大規模な製造会社まで、さまざまな業界のクライアントと協力して、機能的要件と美的要件の両方を満たす部品を提供しています。単純なプラスチック部品、複雑な金属部品、ロボット デバイス用のカスタム ハウジングなど、プロジェクトについて話し合うには、当社のチームにお問い合わせください。必要なスムーズで高品質な部品を確実に入手できるよう、設計から後処理までの各ステップを順を追って説明します。
参考文献
- I. ギブソン、DW ローゼン、B. スタッカー (2015)。積層造形テクノロジー: 3D プリンティング、ラピッド プロトタイピング、およびダイレクト デジタル マニュファクチャリング。スプリンガー。
- カンポ、E. (2020)。 3D プリントの表面仕上げの科学。 3D プリンティング業界。
- カルパクジャン、S.、シュミット、SR (2019)エンジニアリング材料の製造プロセス。ピアソン。
- グリフィス、ML、他。 （2014年）。積層造形における表面仕上げ: レビュー。製造科学と工学のジャーナル。
