3Dプリンターでしか作れないもの(形状)とは？機械設計者が考えてみた
樹脂成形品のように金型も必要なく、切削のように素材の塊から削り出すこともなく、3Dプリンターは所望の形状を直接作り出すことができます。
切削のように素材を削る「除去加工」に対して3Dプリンターは無から素材を追加していく「アディティブマニュファクチャリング(AM)」と呼ばれる分類になります。
加工方法の違いから、樹脂射出成形や金属切削では不可能な、3Dプリンターでしか作れないもの(形状)が存在します。
樹脂成形品や切削部品、板金部品の設計をすることがあり、3Dプリンターも活用している私が、3Dプリンターでしか作れない形状がどんなのがあるか、具体例を交えながら考えてみたいと思います。
この記事の目次
完全に閉じた構造
例えば完全に閉じた形状は3Dプリンターが得意とする形状です。
下図のような家みたいな形状ですが、中が中空になっています。
通常の樹脂の射出成形では不可能ですし、切削加工でも中空部分には当然工具が入らないので、加工不可能です。(接着や溶接はしないとして)
3Dプリンターの種類によっては、中空部に素材の粉末や液が残るため不可だったりしますが、家庭用でよくあるFDM(熱溶解積層)方式だとプリント可能です。
FDM方式は60度程度のオーバーハングならサポートなしで造形できるので、この例のように屋根が斜めになっていたら完全に中空で造形できます。
サイコロみたいに直方体だと、屋根を支えるために内部にサポート材が形成されてしまうので、できるかどうかは形状次第となります。
中空構造で中に何か入ってる形状
中空構造な上に、内部にさらに形状がある、みたいなのも3Dプリンタなら簡単二可能です。
こんな形状をプリントして、強い衝撃を加えると中の部分が折れて、振ると音がする鈴みたいなものも作れるかと思います。
変なとこに穴が開いてる形状
下の図の例で、｢E｣型の真ん中の棒に丸穴があいています。
何気ない形状ですが、樹脂成形品では作るのに難儀する形です。
なぜなら、金型に溶けた樹脂を流し込んだあと、型を開いて成形品を取り出さなきゃならないから。
成形品に丸穴があるということは、金型にはピンがあるということ。
こんなとこにピンがあると、金型をすんなり開くことができません。
｢置きコマ｣などを駆使すれば絶対に成形不可能ではないですが、普通は避ける形状です。
切削では丸穴にドリルやエンドミルが入らないので、加工不可となります。
こんな形状も、3Dプリンターなら深く考えずに作れてしまいます。
一体構造のヒンジ(蝶番)
ヒンジ(蝶番)は普通、複数部品を組み立てて製造されますが、形状を少し工夫すれば3Dプリンタの1回の造形で作ることも可能です。
断面はこんな感じで、60度以上のオーバーハングがないようにすれば、サポート材なしで造形でき、プリント完了と同時に可動するヒンジの完成です。
実際にプリントしてみましたが、きちんと機能しました。
こんな芸当は3Dプリンターでしか出来ないと思います。
非常に複雑な形状
3次元的に構造が入り組んだ形状等、3Dプリンタでないと製作が難しい場合があります。
ジェネレーティブデザインされた形状
特定の形状ではないですが、ジェネレーティブデザインにより設計された形状は3Dプリンタと相性が良さそうです。
ジェネレーティブデザインは、従来の設計方法と違い、入力した条件によりコンピュータが強度等が最適になるように形状を生成すること。
なんとも有機的な形状の例が多く、3Dプリンタ以外の従来の加工方法では作るのが難しい場合があります。
イメージとしては、樹木の枝の形ですかね。
風に耐え、光を効率的に浴び、なおかつ使用する材料が少なくなるよう大自然により生成されたデザインという意味で、ジェネレーティブデザインと通じるものがあると勝手に思っています。
3Dプリンター製の臓器
3Dプリンターで人間に移植するための臓器を作る研究も進められています。
培養した細胞を3Dプリンタのノズルで押し出して所定の形を作っていくわけですが、SFの世界の話みたいですね。
まとめ
3Dプリンターでしかつくれない形状はちょっと考えれば無数にあります。
3Dプリントする前提で部品を設計するときは、射出成形品とは違った考え方が必要なので注意が必要ですね。
抜き勾配が必要なかったり、オーバーハングが問題ない場合があったり。
そのため、3Dプリントで試作して問題なく作れたとしても、金型を作って射出成形品にするときに不可能な形状かもしれません。
各加工方法で出来ること、出来ないことの特徴を把握しておくのが大切ですね。