Dfam（3Dプリンターならでは設計）とは

3Dプリンターでは、従来の加工方法では製作することが困難であった形状の製品を作ることが可能です。その特性を用いることで、部品の軽量化や組み立て時間の短縮、コストダウンなども実現できます。しかし、従来にはない製造方法なので、3Dプリンターで製造することを前提とした設計を行うことが必要になります。3Dプリンターによる製造のメリットを最大限に活かすDfamについて解説します。

Dfamとは

Dfam（ディーファム）とは「Design for Additive Manufacturing（付加製造のための設計）」の略です。3Dプリンターを活用した製造（3Dプリンティング、積層造形、付加製造) のメリットを最大限に活かすための設計手法や設計ガイドラインを指します。

例えば、切削加工による製造では、奥で曲がった穴や中空構造など、工具が入らない形状は加工ができません。そのような形の設計は避けるか、複数の部品に分けて設計します。また、加工する面が変わる際には、加工物を一度外して方向を変えて再調整する工程が入り時間がかかります。それを避けるため、あえて一つの面だけで加工が完了する形状で設計したり、部品を分けて加工を単純にし、組み立てて完成させるという形状にする場合もあります。他にも、樹脂の成型や鋳造、プレスなど、金型を用いる加工では、金型から外すことを考慮して形状を設計しなければなりません。

3Dプリンターでは、切削加工では作ることが困難な複雑な形状を作ることが可能です。金型を用いる必要がないので、外すことを考慮した設計も必要ありません。加工の関係で今まで複数の部品に分けていたようなものも、一体構造にして製造できる場合もあります。新たな構造にすることで、軽量化や組み立て時間の短縮が行えたり、コストダウンにつなげたりすることも可能です。

しかし、これらのメリットを活かすには従来の加工方法を前提とした設計ではなく、3Dプリンターでの製造を前提とした設計が必要です。Dfamを用いることで、3Dプリンターによる加工の弱点を補強し、強みを活かした新しい製品を生み出すことができるようになります。特に、業務用3Dプリンターを用いた高精度で複雑な形状の部品の製造を検討している場合には、Dfamによる設計が重要になります。

3Dプリンターの強みを活かした設計

3Dプリンターの強みを活かした設計手法の代表的なものを挙げます。

インフィル

インフェルとは、3Ｄプリンターで造形した造形物の内部を埋める構造体のことです。3Dプリンターでは1層ずつ積層して造形を行うので、構造の内部をすべて埋めてしまうと造形に時間がかかり、材料も多く使うことになります。そのため、内部の密度を下げて造形速度を速くすることができます。これをインフィルレート調整といいます。

ラティス構造

ラティスとは格子の意味です。3Dプリンターでは、内部を格子状の構造物で満たすように造形することが可能です。従来の切削や金型を用いた加工方法では、このような形状を作ることは困難でした。インフェルレートが下がればその分強度が下がりますが、ラティス構造にすることで強度を高めたり、軽量化したりすることができるようになります。

トポロジー最適化

トポロジー最適化とは、造形する部品のサイズや荷重条件などをもとに、最適な構造を導き出す解析手法です。この解析を行うことにより、内部のラティス構造への変更や、機能として不要な部分の削減などを行い、必要な機能を保ったまま、軽量化や造形時間の短縮、材料の削減などを実現することが可能になります。

ジェネレーティブデザイン

ジェネレーティブデザインは、コンピュータを使った設計手法です。3Dプリンターで製造する部品の機能や材料、負荷荷重などの条件をジェネレーティブデザインソフトウェアに入れることで、コンピュータが自動的に複数のデザインを作成します。そのデザインをテストしていくことで、最適なデザインをソフトウェアが学習していきます。トポロジー最適化は、すでにあるデザインの最適化を行ってくれますが、ジェネレーティブデザインでは条件からデザインを作ってから最適化していきます。

3Dプリンターの弱点を補強した設計

多くの3Dプリンターでは、材料を1層ずつ積層して造形していきます。従来にない製造方法のため、3Dプリンターに合わせた設計上の配慮が必要になります。3Dプリンターの弱点を補強した、3Dプリンターならではの設計には以下のようなものがあります。

形状安定

3Dプリンターでは、特に薄い形状の造形が難しく、造形後に収縮や変形が発生する場合があります。形状の変化が起こりやすい場所では、丸みを持たせたり、急激に厚みを変化させたりせず、造形後の形状を考慮して設計することが求められます。

造形時間短

3Dプリンターは、１層ずつ造形していくので、部品のサイズが大きくなるほど造形に時間がかかります。不要な段差や構造をなくしたり、強度に影響のない部分を抜いて内部を全て造形しないようにしたりするなど、時間短縮のための形状の工夫が必要です。

サポート材削減

3Dプリンターでは、中空構造やオーバーハングした部分を造形する際には、サポート材をつけることで落ちないようにして造形を行います。サポート材は造形後に除去しますが、多くのサポート材を使用すると、除去工程に時間がかかります。円形の上部をティアドロップ型にしたり、45度以上のオーバーハングを作らないようにしたりするなど、サポート材を使用しないでも造形できる形状にすることで、サポート材除去の時間を減らせます。

サポート材除去簡易化

サポート材の除去では、複雑な形状の内部などに造形されていると、除去自体が困難な場合があります。簡単にサポート材が除去できるように、サポート材の位置を変えたり、部品の形状を変えてサポート材を分割して小さくしたりするなど、サポート材除去の手間も考慮した設計が必要です。

まとめ

3Dプリンターによる製造は、従来とは大きく異なります。そのため、3Dプリンターならではの設計を行わなければなりません。Dfamを用いて設計を行うことで、3Dプリンターを最大限に活用することができます。3Dプリンターを導入する際には、設計の面からも考慮することが重要です。