FDMマスターへの道：製造向け設計包括ガイド

このイラスト付きチェックリストは、溶解積層法（FDM）での製造向け設計（DFM）の基本をチームが理解するのに役立ちます。

はじめに

FDMとは

溶解積層法（FDM）は、付加製造の最も一般的な形式の1つで、多くの人が「3Dプリント」と聞いて思い浮かべるものです。

FDMの仕組み

このプロセスでは、FDMマシンが加熱された熱可塑性フィラメントをノズルから押し出し、コンポーネントを1水平層ずつ積み上げて構築します。このプロセスの大きな利点の1つは、レガシー技術と比較して機械がどれほど速く部品を製造できるかです。ターンアラウンド期間が最短24時間であるため、FDMは手頃なラピッドプロトタイプ、さらには一部機能部品の作成に有用なプロセスです。

FDMプリントの利便性とFDM材料のアクセスしやすさにより、プロフェッショナルとホビーの両ユーザーの間で技術の人気が高まり、おもちゃから食品、電子機器エンクロージャまであらゆるものの作成に使用されています。FDMのプロセス革新は継続中で、非平面プリント、複合材プリント、マルチマテリアルプリントなどの新機能が追加されています。

製造向け設計は、製造技術に関わらずすべての設計者と製品チームにとって重要です。部品設計は、試作または最終部品に期待される機能的・材料的要件を満たすだけでなく、製造プロセス自体も考慮する必要があります。

このガイドには、FDMプリント部品を高品質かつ効率的に製造するための5つのヒントが含まれています。製造に提出する前に設計をこのリストでダブルチェックすることで、部品改善、時間とリソースの節約、生産時間短縮に役立ちます。

1. 設計は異方性振る舞いを考慮しているか？

FDMプリンターが熱可塑性材料のラインを1層ずつ押し出す仕組み上、プロセスは本質的に異方的であり、部品のバルク機械的特性が方向によって異なります。これは層間結合強度が面内強度と異なることに起因します。FDMプリント部品は、プリントヘッドの経路に平行な方向（X-Y、すなわちスライス平面内）で最高の引張強度を示します。層間結合強度はZ方向の引張強度に影響し、通常X-Y平面内の引張強度より低くなります。

熱可塑性樹脂は長期間高応力下に置かれると材料クリープを起こしやしいため、FDMは重要機械部品の製造には推奨されません。部品の造形配向と形状を変更してこれを考慮・緩和できます。同様に、部品と工具に面取りと丸みを帯びたエッジを組み込めば、寿命向上と応力集中低減が可能です。

2. 公差期待は妥当か？

製品チームは、FDMプロセスでは極めて厳しい公差を達成できないことを知っておくべきです。

ほとんどの産業用FDM機械は、寸法精度±0.15%（下限±0.2mm）を提供でき、デスクトッププリンターでは±0.5%（下限±0.5mm）の公差達成が可能です。しかしFDMには大量の熱が関与するため、形状など他の要因が冷却時のプリント品精度に影響します。部品にFDMプリンターが直接達成できる精度より高い精度が必要な重要面や高公差穴が含まれる場合、後処理操作やブッシュ・インサートナットなどのコンポーネント追加を検討してください。多くの場合、FDM公差問題は更なる後処理で軽減できます。

文字サイズについては、面内文字の最小推奨サイズは6mm太字ですが、実際の値はプリンターによって異なります。垂直壁の文字は3.5mm太字まで小さくできます。

部品に薄い隙間が含まれる場合、サポート材料が容易に除去できるよう最小幅5mmを維持すべきです。部品造形を配向し、隙間がX-Y平面に垂直になるようにすれば、良好な表面仕上げの維持に役立ちます。

3. 壁厚、穴サイズ、オーバーハングを考慮しているか？

部品の最適壁厚はフィラメントサイズによって決まります。一般的に、フィラメント厚の2倍以下の形状はうまくプリントできません。壁の場合、フィラメント厚の4倍が適切です。

閉じた面内プロファイルは、閉ループが高速・シームレスなプリントを可能にするため、FDMで非常にうまくプリントできます。例としては、花瓶、カップ、チューブなどで、不連続な側面と鋭い形状を持つ複雑な部品とは対照的です。必須ではありませんが、これを意識して設計すればFDMプリント成功を後押しできます。

FDMプリントで作られる穴は、特徴がうまく解決されるよう直径1mm未満にしないでください。隙間と同様、穴をX-Y平面に垂直にプリントするように配向すれば特徴品質が向上します。後処理で穴をドリル加工またはリーミングするのも精度確保の手法です。

FDMは部品を層ごとに構築するため、部品のオーバーハングが十分大きい場合、新しい材料を造形プレートから浮かせて保持する十分な支持がありません。この材料は、プリントソフトウェアで犠牲サポート形状で支持するか、部品を修正してオーバーハングを排除する必要があります。

4. 設計は反りやすいか？

反りは、部品の異なるセクションが異なる速度で凝固・収縮する冷却プロセス中に発生し、材料を非均一に引っ張る内部応力を生み出します。すべてのFDMプリント部品で反りが問題になるわけではありませんが、垂直壁、薄いセクション、アスペクト比の高い形状など、特定の設計形状は冷却プロセス中の反り発生可能性を高めます。

反りは以下で回避可能：

• 垂直壁にリブを追加
• 鋭いコーナーにフィレットを追加
• 薄いまたは突出した形状のエッジに追加サポートを設ける
• アスペクト比の高い部品（長さ/幅/厚み比）を避ける

5. 部品分割で枠にとらわれない問題解決を検討しているか？

セクショニングとは、部品のCADファイルを小さな個別プリントコンポーネントに分割することです。セクショニングにより、プリンターの造形ボリュームに収まらない大きな部品の構築・組み立てや、サポート構造の必要性低減が可能になります。脆弱な形状を別々にプリントすれば、より適した造形配向が使え、より強く優れた部品が生産できます。ただしセクショニングには専門知識と注意が必要です。部品をピースに切断するたびにリスクが伴うためです。

DFMエキスパートと共に始める

FDMは、短いリードタイム、プリント技術の入手しやすさ、幅広い材料互換性により、熱可塑性試作と部品製造に非常に効率的で手頃な手法です。ホビーストとプロフェッショナルの両方がFDMのメリット活用を目指すのも当然です。

Fast Radiusのような経験豊富な製造業者と提携すれば、これらの考慮事項 — そしてその他多数 — がすべて考慮されることを保証できます。エンジニアとプロダクトマネージャーチームが、最先端デジタル設計技術と数十年の経験を活かし、私たちが製造するすべての部品がその仕事に最適な部品になるよう確保します。それだけでなく、設計から納品まで各ステップで顧客と密に協業し、各部品がエンドユースと製造可能性の両面で最適化されるよう確保します。

今すぐお問い合わせいただき、アイデアを現実にする方法について詳しくお知りください。

付加製造、CNC加工、その他生産プロセスについて詳しくは、Fast Radiusリソースセンターをご覧ください。

溶解積層法（FDM）製造向け設計ガイドをダウンロードできます。

Fast Radiusで部品製造を始めませんか？

今すぐ見積もりを開始