3Dプリントにおける精度、精密さ、公差のマスター

3Dプリンターの仕様に「高解像度」とあっても、すべての3Dプリントパーツが正確で精密になるわけではありません。精度、精密さ、公差の意味を理解することは、あらゆる3Dプリントで良い結果を得るために不可欠です。以下で、これらの用語が3Dプリントの文脈で何を意味するかを詳述します。

精度（Accuracy）

測定値が真の値にどれだけ近いかを正確に理解します。的を例にとると、的の中心に近いほど精度が高いと言えます。3Dプリントでは、真の値はCAD設計の投影寸法になります。したがって、3Dプリントパーツの精度は、デジタル設計により近いほど高くなります。

精密さ（Precision）

精密さは測定の繰り返し性を測ります。的の例で言えば、矢が常に同じ地点近くに当たる（精密）が、その地点が的の中心でない（不正確）可能性があります。3Dプリントの文脈では、これは各プリントで期待される結果を生み出す信頼性に相当します。エンジニアリング分野では、異なる3Dプリント材料を比較する際、「精密さ」という用語は、材料が非常に複雑な形状をプリントする能力を指すために使用されます。

画像1：精度と精密さの違いの例。出典：Formlabs

公差（Tolerance）

公差は、特定の3Dプリントでどれだけ精密である必要があるかを定義します。公差はユーザーによって定義され、各特定用途によって異なります。例えば、機械組立部品はプラスチックケースの3Dプリントよりも厳しい公差を必要とします。

的の例に戻ると、左の例では矢が互いに非常に近く、精密と定義できます。右の例では互いに離れており、精密でないと言えます。ここで、許容できる精密さの範囲として3リングの距離を公差と定義すれば、矢は仕様内に収まります。

画像2：公差は許容できる精度の範囲。出典：Formlabs

3Dプリントにおける精度と精密さ

3Dプリンターを選ぶ際、特定のニーズを特定することは非常に重要です。そのためには、精度と精密さの概念を理解することが鍵となります。

不正確だが精密な3Dプリンターが、特定の用途では最良の選択肢になることがあります。例えば、低コストFDM 3Dプリンターは精度の低いパーツを生産しますが、学生が3Dプリントを学ぶ教育用途では、プリントパーツの寸法がCAD設計と完全に一致することは重要でないかもしれません。しかし、ユーザーが必要とする公差内で、3Dプリンターが期待通りに一貫して動作することを信頼できることは、成功体験のために重要です。

逆に、産業用途では、非常に厳しい公差で精度と良好な精密さを保証する3Dプリンターが確実に必要です。

3Dプリンターの精度と精密さを決定する4つの主要因子があります：

1. 3Dプリント技術

3Dプリントはパーツを層ごとに構築する付加製造プロセスであり、各層は不精度のリスクを提示します。さらに、層が形成されるプロセスが層の精度（繰り返し性）レベルに影響します。FDM 3Dプリントではノズルから層が押し出され、複雑なディテールを実現する能力に欠けますが、ステレオリソグラフィ（SLA）3Dプリントでは、液体レジン材料が高精度レーザーで硬化されて各層が形成され、高品質な結果を繰り返し達成する際により微細で信頼性の高いディテールを実現できます。

画像3：FDMプリント（左）とSLAプリント（右）の違い。出典：Formlabs

3Dプリンターの仕様だけでは最終的な寸法精度を表しません。一般的な誤りは、XY解像度を寸法精度として記述することです。デジタル光処理（DLP）プリンターでは、XY解像度は投影ピクセルサイズです。多くの3Dプリンターシステムは、この投影ピクセルサイズまたはXY解像度を全体的な精度数値として使用します（例：投影ピクセルサイズ75ミクロンを取り、機械の精度が±75ミクロンと述べる）。しかし、これらのデータはプリントパーツの精度に何の影響も持ちません。コンポーネントから較正、および以下で分析するその他の要因（材料と後処理）まで、精度に影響を与える誤差源は多数あります。要するに、3Dプリンターを評価する最良の方法は、実物のパーツを理論的なものと比較検査することです。

2. 材料

3Dプリントに使用される材料の特性も、プリントの変形確率に影響します。前述の通り、すべては各用途のニーズによります。歯科3Dプリントでは3D設計に対する精度が不可欠なため、非常に精密な結果を保証するこれらの用途向けの特定製品があります。逆に、非機能プロトタイプの3Dプリントでは、目的が単に物理製品の大まかなイメージを得ることであれば、精度はそれほど重要ではありません。

3. 後処理

通常、レジンで3Dプリントされたパーツにはプリント後の硬化プロセスが必要で、その際パーツが収縮することがあります。これは設計時に考慮し、この収縮を考慮して、硬化プロセス後の結果パーツが元のCAD設計に対して寸法精度を持つことを保証する必要があります。

4. エコシステム

成功する3Dプリントを達成するには、3Dプリント自体だけでなく、プロセス全体を全体として注意深く見る必要があります。設計、スライサーソフト、材料、温度、後処理ツール…すべてが最終結果に影響します。