3Dプリントマスター: 第1部 - 正確でコスト効率の良いビルドのためのユニットテストと公差

新ブログシリーズ「3Dプリント向け設計(DF3DP)」へようこそ。DF3DPは、あらゆる3Dプリンターで従うべきヒントとトリックを提供し、コスト、プリント時間、材料を削減しながら、初回で狙い通りのパーツを得る方法をガイドするシリーズです。

誰しも経験があるはずです: 時間をかけてプリントしたパーツが、思った通りにはフィットせず、貴重なプリント時間と材料を悪いパーツに浪費してしまう。3Dプリントはハンズオフ製造プロセスなので、CADモデルをプリンターに送った後はほとんど変更できません。パーツには数時間、時には数日かかり、期限があれば、修正公差で全面再プリントする余裕は時間的にも金銭的にもないことが多々あります。FFF(溶融積層造法)で作られる3Dプリントパーツは熱収縮で縮むため、3Dプリンターは指定寸法通りにプリントしないことが多く、公差を考慮する必要があります。この記事では、パーツ全体をプリントしてから公差が間違っていたと気づくのではなく、事前に3Dプリント公差が正しいことを確認する方法をご案内します。

ここで役立つのが、3Dプリントパーツのユニットテストです。ユニットテストは本来ソフトウェア用語で、後でフルスクリプトに組み込む前に、小さなコード断片が独立して動作するかテストするものです。同じことを3Dプリントでやります: 後で大きな設計に統合される小さな速いセグメントをプリントし、巨大なパーツをプリントする前に機能とフィットを検証・テストします。

たとえば、設計中のプロトタイプ3Dプリントアントウェイト格闘ロボットのトップは、ベースに鳩尾風グルーブ(下図で丸印)セットでスライドします。両パーツ合わせて4日7時間かかるため、グルーブが正しいサイズか確認するために3Dプリントユニットテストを作りたいのです。

3Dプリント用の良いユニットテスト設計

よく設計されたユニットテストは、設計もプリントも迅速・簡単であるべきです(通常30分〜1時間のプリントジョブを目標)。グルーブペアのミニチュア版を1つモデリングし、面オフセット距離を変えたコピーを作りました。オフセットなしから、鳩尾のすべての面に-0.2mmオフセットまで。つまり、各オスグルーブプロファイルが順に薄くなります。

どのオフセット距離か思い出せるよう、CADスクリーンショットのように番号も追加しました:

3Dプリントユニットテストのテスト

最終パーツと同じ向きでユニットテストをプリントすることを忘れないでください。テストを可能な限り正確にするためです。プリントはわずか1時間15分。ロボットシャーシ全体をプリントしてからグルーブ公差が悪いと気づくよりはるかに良いです。

テストでは、メスグルーブプロファイルピースを各オスプロファイルにスライドさせ、最大面オフセット(-0.2mm)から0.0mmオフセットへ向かって試しました。

-0.2mmオフセットプロファイルは非常に緩く、ロボットのトップが滑り落ちてしまいます。-0.15mmと-0.1mmのオスプロファイルはまあまあですが、望むほどスナッグではありません。-0.05mmオフセットがちょうど良く、簡単には外れず、少し力を入れればスライドできます。最終プロファイルの0.0mmオフセットは、私の好みには少しきつすぎました。これで最終設計に-0.05オフセット値を入力でき、意図通りにスライドすることが確実になります。トップを固定する追加機能がいくつかありますが、2ピースを繋ぐグルーブが不安だった公差です。

ユニットテストのその他の用途

ユニットテストはあらゆる種類の公差で本当に価値があります。たとえば、特定の3Dプリンターでの穴公差を把握したい場合、こんなものをプリントするとよいでしょう:

穴サイズを測定し、CADモデルで指定した寸法値と比較すれば、3Dプリントするパーツの各平面でどの程度の穴公差を残すべきか感覚がつかめます。このテストを今後の設計作業の参照に使えば、1つだけでなく多くの3Dプリントパーツ設計を支援できます。

さらに、私たちのプリンターではユニットテストプロセスをもう一段階進められます: ロボットシャーシ全体をプリントする必要があるが、カーボンファイバーでフレームを強化する前にすべてのコンポーネントが3Dプリントパーツ内に収まるか確認したい場合。3Dプリントフィットプロトタイプを作り、ファイバーを投入する前に、コンポーネントが3Dプリントパーツ内に収まるか(またはその逆)をテストできます。これも材料廃棄を減らしコストを削減し、ファイバー入りパーツの最終形状とフォームをテストしてから本番プリントに進めます。

ユニットテストの真の価値:

シャーシとトップ全体をプリントしてグルーブ公差を間違えたとしましょう。なら全体を2回プリントするか、奇妙な小さな幾何学的フィーチャーを数時間かけて削る羽目になり、誰もそんなのは望みません。小さな形状が絡む3Dプリントパーツのヤスリがけやサンディングは、傷や悪い表面仕上げを残し、フィーチャーを壊したり内部構造を露出させたりするリスクがあります。大きなパーツを2回プリントするより、少し設計時間をかけて小さなパーツ1つと大きなパーツ1つをプリントする方が良いのは明らかですが、私のロボットの数字で納得いただけない方のために:

ユニットテストは、大型3Dプリントパーツを初回で正しく仕上げたいなら不可欠です。後処理は、3Dプリントでは当たり前のように受け入れられがちなプロセスです。表面サンディング、穴あけ、寸法違いジョイントの削りなど。Mark Two複合3Dプリンターのように信頼性と精度の高いプリンターでは、後処理は必須ステップではなく、ユニットテストでパーツが意図通りに出ることを保証できます。

これらのテストを自分で試したい方は、こちらからダウンロードできます。

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