3Dプリントでは、CADのイメージとほぼ同じようなかなり細かいモデルができますが、寸法精度や公差は完全に同じではありません。 これは収縮と呼ばれるもので、3Dプリントではおそらく気づかないうちに起きていることです。

3Dプリントの収縮はどの程度発生するのか、厳しい公差が要求される機能的な物体を作りたい人にとって理想的な質問だと思ったので、それを調べて皆さんと共有することにしたんです。

今回は、収縮とは何か、3Dプリントはどの程度収縮しやすいのか、また、収縮補正を行う際の注意点などを説明します。

3Dプリンターにおける収縮率とは？

3Dプリントにおける収縮とは、溶融した熱可塑性プラスチックから冷却された押し出し材料層への温度変化により、最終モデルのサイズが小さくなることである。

印刷では、押出機で印刷用フィラメントを溶かして3Dモデルを作りますが、その際に素材が膨張します。 押出直後の層が冷えると、素材は密度が高くなり、サイズは小さくなります。

ほとんどの人は、もう少し寸法精度が必要なモデルができるまで、この現象に気づかないでしょう。

美術品や花瓶、玩具などの美的なモデルを印刷する際には、収縮は問題になりませんが、携帯電話のケースや物体をつなぐ台紙など、公差が厳しいものになると、収縮が解決すべき課題になりますね。

3Dプリントのほとんどの工程で発生する温度変化によるものですが、その発生率はいくつかの要因によって変化します。

その要因とは、使用する素材、温度、印刷技術、樹脂プリントの硬化時間などです。

これらの要因の中で、収縮率に最も影響を与えるのは、おそらく使用する素材でしょう。

素材の種類によって、縮み具合が変わってきます。

また、印刷温度や冷却速度も重要な要素で、高温で印刷したり、冷却速度が速すぎると収縮が発生することがあり、高温のプラスチックほど収縮しやすくなります。

急激な冷却ムラは反りにもつながり、モデルを傷めたり、プリントを台無しにしてしまうこともあります。 この反りは、隙間風や寒い部屋など、ほとんどの人が経験したことがあるのではないでしょうか。

反りを抑えるだけでなく、加熱時間を短縮し、ベッドの温度をより一定に保つことができるのです。

FDMのような安価な技術では、厳しい公差を持つ高品質なパーツを作ることはできませんが、印刷技術の種類によって、モデルに見られる収縮の程度が変わります。

SLSやメタルジェット技術は、正確なモデルを作ることで高価格を正当化しています。

しかし、収縮を考慮することで、寸法精度の高い部品を作ることができます。

ABS、PLA、PETGのプリントはどのくらい縮むのか？

先ほども述べたように、収縮率は素材の種類に大きく依存します。 素材によって異なりますが、ここでは3Dプリンターで最も広く使われている3つの素材について、収縮に対する耐性について見てみましょう：

PLA

PLAは、FDMプリンターにも使用される有機・生分解性素材で、プリントしやすく、毒性もないため、3Dプリンターで最も人気のある素材の一つです。

PLAは収縮率が小さく、低温の熱可塑性プラスチックであるため、収縮率は0.2％から最大3％と言われています。

PLAフィラメントは押し出しに高温を必要とせず、印刷温度は190℃前後と、ABSよりも小さい。

PLAの収縮は、密閉された環境でプリントしたり、収縮を補うためにモデルを単純に拡大することによっても低減することができます。

これは、急激な温度変化を抑え、モデルへの物理的な負担を軽減するためです。

この収縮率は、ブランドや製造工程、さらにはフィラメント自体の色によっても異なると思います。 明るい色よりも暗い色の方が収縮しやすいという意見もありました。

エービーエス

ABSは、FDMプリンターで使用される石油系印刷材料で、高強度、耐熱性、汎用性に優れているため、携帯電話ケースからレゴまで幅広く使用されている。

ABSは収縮率が高いので、寸法精度の高い3Dプリントが必要な場合は、なるべく使わない方がいいと思います。 収縮率は0.8％から8％というコメントを見たことがあります。

これは極端な例で、適切な設定をすればもっと減らせるとは思いますが、収縮が本当にひどくなることを示すには良いショーだと思います。

収縮を抑える主な方法の1つは、適切なヒートベッド温度で印刷することです。

正しくキャリブレーションされたヒートベッドを使用することで、ファーストレイヤーの接着を助け、またボトムレイヤーが他のプリント部分より早く冷えすぎて反りが生じるのを防ぐことができます。

また、3Dプリントを外気から遮断し、冷却ムラをなくすために、密閉されたチャンバーでプリントすることも、収縮を抑えるコツです。

密閉されたチャンバーは、印刷が完了するまでプラスチックに近い安定した温度を保ち、すべてのセクションを同じ速度で冷却することができます。

AmazonのCreality Fireproof & Dustproof Enclosureは、何千人もの人々が使用し、楽しんでいる素晴らしいエンクロージャーです。 これは、一定の温度環境を保ち、インストールとメンテナンスが非常に簡単です。

そのうえ、火災時の安全性、音の発生を抑え、ホコリの付着から守ることができます。

PETG

PETGは、ABSの構造強度や強靭さと、PLAの印刷のしやすさ、無毒性を併せ持つ、驚異的な特性を持つ3Dプリント材料で、これも広く使われています。

そのため、高い強度と材料の安全性が求められる多くの用途に使用することができます

PETGフィラメントの収縮率は0.8％と最も低く、他のフィラメントと比較して寸法が安定しているため、ある程度厳しい公差が要求される機能性プリントの製作に適しています。

PETGプリントの収縮を補正または低減するために、プリント前にモデルを0.8%スケールアップすることができます。

3Dプリンターで適切な収縮率を得る方法

ここまで見てきたように、収縮はいくつかの方法で抑えることができますが、どんなに工夫しても収縮をなくすことはできません。 そのため、印刷用のモデルを作成する際には、収縮を考慮するようにしましょう。

印刷ソフトの中には、この補正を自動的に行うプリセットが用意されているものもありますが、ほとんどの場合、手作業で行う必要があります。

収縮補正の計算方法は、使用する材料、印刷温度、モデルの形状の3つによって決まります。

これらの要素を組み合わせることで、プリントの収縮がどの程度予想され、それをどのように補正するのかがわかります。

また、同じ素材でもブランドによって収縮率が異なることもあり、試行錯誤の繰り返しとなります。

そこで、縮みを測定して数値化する方法として、まずテストモデルを印刷して縮みを測定し、そのデータをもとに数学的に根拠のある縮み率補正を行うことが有効です。

収縮率を測定する優れた方法は、Thingiverseのこの収縮率計算オブジェクトを使用することです。 あるユーザーは、これを「最高の一般的な校正ツールの1つ」と評しました。 他の多くのユーザーは、このCADモデルの製作者に感謝の気持ちを伝えています。

手順は以下の通りです：

• 使用するフィラメントとスライサーの設定で、テストパーツを印刷します。
• 測定してスプレッドシートに入力する（私のは //docs.google.com/spreadsheets/d/14Nqzy8B2T4-O4q95d4unt6nQt4gQbnZm_qMQ-7PzV_I/edit?usp=sharing で共有）。
• スライサー設定の更新

そのGoogle Sheetを使って、新鮮な状態から自分で編集できる新しいコピーを作りたいのです。 詳しくはThingiverseのページに手順が載っていますよ。

本当に正確な補正をしたいのであれば、実際には2回繰り返せばいいのですが、メーカーによれば、150mmの部品を100um（0.01mm）以内の公差に収めるには、たった1回の繰り返しで十分だったそうです。

あるユーザーは、モデルを101%にスケーリングするだけで、かなりうまくいくと言っていました。 これは本当にシンプルな見方ですが、素早く結果を出すには成功する可能性があります。

また、3DプリントのサイズをX/Y方向に調整する水平展開という設定を利用することで、モデルが冷えて縮むことによるサイズの変化を補正することができます。

自分でモデルを作成する場合は、モデル自体で公差を調整することができますし、練習を重ねれば、特定のデザインごとに正しい公差を推測できるようになりますよ。