一緒に適合する部品を設計する場合、どのようなギャップ/許容差を使用すればよいですか？

蓋付きのシンプルなボックスをモデリングしているとしましょう。例として、ボックスの上部に沿った外縁が50mm x 50mmであるとします。3Dモデリングソフトウェアを使用すると、このボックスの蓋を簡単に作成して、上端をちょうど50mm x 50mmの内端サイズで囲むことができますが、これは悪い考えのようです。確かに、簡単なオン/オフを確実にするために、ある種のギャップが必要です。正確なことはトラブルを求めているようにフィット思えます。

• このようなことのためにどれだけのギャップを残しますか？
• ノズルサイズと関係ありますか？
• きついフィットが重要な場合はある種のスナップまたはクリップが使用されることになると思いますが、それはあなたがどのくらいきつくフィットしたいかも重要だと思います。
• レイヤーサイズが大きいドラフトプリントは、これを理解するのに役立ちますか、それとも粗いレイヤーは、最終的なプリントよりもタイトに見えるようになりますか？

ショートバージョン：基本的に、これはプリンター、メーカー、モデル、タイプ、メンテナンスの状態、押出機、スライサーの設定、ベルトの張り、遊び、摩擦などに依存します。

長いバージョン：基本的に、お使いのプリンターによって、印刷の精度が決まります。プリンタを調整して微調整することで、精度に少し影響を与えることができます。定期的に行われるのは、固定サイズのキャリブレーションキューブを印刷することです。その前に、「プリンタの押出機をどのように調整しますか？";これはエクストルーダーのキャリブレーションについて説明しています。微調整されたエクストルーダーを使用して、XYZキャリブレーションキューブを印刷するか、50 x 50 x 15 mmのボックスを作成できます。キャリパーで長さと幅を測定するとき、この印刷サイズの許容値がわかります。最終的には、プリンターのファームウェアでmmあたりのステップを再調整することでこれを変更できますが、これは常に推奨されるわけではありません（mmあたりのステップは関連しているため）使用されるメカニズムの機械的レイアウト、たとえば、プーリーおよびステッパー分解能と組み合わせたベルトのサイズとピッチ）。

「可動部分がくっつかないようにする方法」の回答もご覧ください。この答えは、ピース間のオフセットのいくつかの値によって外側のオブジェクトから離れて設定された悪魔のような形状を使用する許容誤差キャリブレーションモデルを印刷するヒントです。これを印刷すると、どのような許容値が機能するかがわかります。小さい部品の許容差は大きい部品の許容差と異なる場合があることに注意してください。

したがって、あなたの質問に対する答えは3D印刷機に依存しますが、通常、許容値の範囲は数十分の一ミリです。例のようにボックスの上部にあるふたを有効にするには、ふたを設計するときに許容誤差を念頭に置く必要があります。通常、10分の1ミリの余分な量でうまくいきますが、最初にテスト印刷を行うと、正確にわかります。

公差に対する層の高さの影響は何かという質問に答えるために、私は引用します：

25 mmの立方体をスライサーにロードし、インフィルを0％、周囲を1に、上部のソリッドレイヤーを0に設定します。これを高解像度で印刷することもできます。0.15mmを選択したのですが、実際には0.3 mmとは対照的に、肉厚のわずかな（0.02 mm）違い。

はい、レイヤーの高さには影響がありますが、ほとんどありません。

興味深い読み物は、「matterhackers」の「3Dプリンターの許容範囲を理解するためのガイド」です。

私の経験則に従って、私のクリアランス値を使用します。0.1mm-ある程度の力でフィットするには、0.2mm-力を加えずに端から端までちょうどフィットします。

例：

1）3mmの金属シリンダーをプラスチック部品に圧入するには、3mm + 0.1mm * 2 = 3.2mmの直径の印刷穴が必要です（両側からのクリアランス）

2）プラスチック部品に適合する3mmのネジには、3mm + 0.2mm * 2 = 3.4mmより大きい穴が必要です。3.5mmは、すでに良好です。

これは完全に実験的なものですが、常に3つの異なるプリンタで、PLAとABSの両方で機能しました。

はい、ある程度のクリアランスが必要です。完璧な金属部品を加工している場合でも、隙間が必要になります（Z軸に沿った位置ずれも考慮に入れると、長いジョイントが非常に簡単に結合する可能性があります）。

これに加えて、押し出し圧力の下で壁がわずかに膨らむように小さな余裕を作る必要があります（層の高さがノズルの直径よりも小さい）。

考慮すべき他の要因としては、レイヤーチェンジのにじみ（小さなシームが現れることが多い）と、加速から生じる波及効果があります。これは、特定のモデルがプリンタで必要とするギャップをテストした後でも、別のモデルを設計するときに同じギャップが完全に機能することを信頼できないことを意味します。フィットに回転対称性が必要な場合は、信頼性の高い良好なジョイントを得るのが難しくなります。

時々インプレース印刷のデザインは、一緒にクリップするデザインと同様の効果をもたらしますが、より確実な保持を可能にします

ノズルサイズとスナップフィットに入る前に、全体像から始めましょう。パーツを定義するには、共通言語を使用する必要があります。

• 許容値は、公称値または参照値と正確な値の計画された差です。
  • クリアランスは、2つのパーツ間の意図的なスペースを定義する許容値です。
  • 干渉は、2つのパーツ間の意図的な重なりを定義する許容値です。
• 寛容とは、特定の次元で許容されるランダムな偏差または変動の量です。部品はどれだけのエラーを許容し、それでも機能しますか？

例を使用してみましょう。5mmのピンが5mmの穴に入るようにし、それらの間をゆるくフィットさせます。

5mmと言いましたが、5mm穴と5mmピンのどちらがより重要ですか？他の人が私たちの穴で使用したい5mmピンを持っているとしましょう。この場合、ピンの寸法は制御できないため、相互運用性にとってより重要です。

ルーズフィットはクリアランスを求めています。0.2mmと指定して、自由に回転できるようにします。穴に0.2mmの許容差を追加すると、5.0mmのピンで5.2mmの穴ができます。ピンから0.2mmの許容差を差し引くと、5.0mmの穴に4.8mmのピンができます。または、5.1mmの穴と4.9mmのピンなど、必要な方法で違いを分割します。ピンがより重要であることを指定したので、穴にアローワンスを追加します。

これでパートを定義したので、製造プロセスを理解するのに役立つ他の重要な用語を定義しましょう。

• 精度とは、部品間の最大寸法変動です。（別の言葉は再現性かもしれません。）機械はその精度より厳しい公差で部品を製造できないことに注意してください。
• 精度は、マシンが実行できるステップのサイズです。精度と精度はよく混同されますが、同じものではありません。

次に、マシンの精度を理解する必要があります。プリンターは、5mmより大きいまたは5mmより小さいピンを印刷できます。または、5mm以上または5mm未満の穴を印刷できます。プリンターの精度を判断するには、いくつかの5mmピンと5mm穴を印刷し、定義したものと印刷したものの違いを測定する必要があります。最大測定値と最小測定値の違いは、マシンの精度です。X、Y、Z寸法の精度を測定してください。プリンターには、X軸とY軸の違いがあり、パーツの真円度に影響する場合があります。（オフの場合、これは通常、キャリブレーションプロセスを通じてマシンのファームウェアで調整できます。）さらに、丸いパーツ、丸い穴、四角いパーツ、四角い穴をテストする必要があります。

丸穴と丸ピンの両方のプリンターの測定精度が+/- 0.2mmであるとしましょう。

次に、クリアランスに移動します。部品間の最小ギャップはどのくらいですか？それでも仕事はできますか？許容可能な最大ギャップは何ですか？デザイナーとして、あなたが決めるのはあなた次第です。この例では、ルーズフィットが必要であると述べたので、ピンと穴の間に少なくとも0.2mmのクリアランスを定義しましょう。しかし、1.0mmを超えると部品が脱落します。

機械の精度は+/- 0.2mmなので、ピンは5.2mmから4.8mmの間のいずれかになります。したがって、穴は5.2mm にクリアランスと穴の精度を加えたものでなければなりません。これにより、穴の寸法は5.6mm +/- 0.2mmになります。最小公差条件は、最小サイズの穴（5.4mm）と最大サイズのピン（5.2mm）で、0.2mmのクリアランスを与えます。最大許容差は、最大サイズの穴（5.8mm）と最小サイズのピン（4.8mm）であり、1.0mmのクリアランスを提供します。

1.0 mmのクリアランスは実際にだらしないことに注意してください。私たちのアプリケーションには緩すぎるかもしれません。クリアランスを小さくするために、公差を0.05mmに厳しくすることが考えられます。しかし、機械はその精度よりも厳しい許容誤差を生成することはできません。プリンターが指定された許容範囲を満たす部品を製造できない場合は、部品を製造または仕上げる別の方法を見つける必要があります。

金属加工の世界では、これを行う一般的な方法は、意図的に最大の材料で最初に製造する部品を指定することです。これにより、小さな穴から始めて、ボアまたはドリルビットを使用して、より正確で丸い穴にそれを開くことができます。太い棒から始めて、それを回したり削ったりしてより滑らかで丸くすることで、ピンで同じことを行うことができます。

FDM 3Dプリンティングの世界では、ワークベンチでも同じようなことができます。最初に、追加の壁レイヤー（または2つ）を使用してパーツを印刷します。余分な厚さは、パーツをひどく弱めることなく、穴をあけたり、削ったりするときに取り除く材料を増やします。印刷後、ドリルビットを穴に通してきれいにします。または、ドリルモーターのチャックでピンを回転させ、サンドペーパーのループでそれを磨り潰します。

もちろん、仕上げ操作を追加するときはいつでも、より労働集約的であり、したがってより高価です。したがって、これはすべての部分で実行したいことではありませんが、検討することはできます。

この方法で部品を定義する場合、ノズルの直径や層の高さから始めていないことに注意してください。代わりに、ノズルの直径、層の高さ、および変動のすべての原因の合計を、機械の測定精度に表示できるようにします。より小さなノズル、より薄い層、加熱床、または冷却ファンは、それぞれ精度の向上に寄与する可能性がありますが、すべての機械オプションの累積的な影響を考慮することが最善です。

あなたがノズルと言ったので、私はあなたがFDM 3D印刷を意味することを期待しています。通常は、パーツ間のギャップのアウトラインを1つ使用します。アウトラインは通常、ノズルのサイズと同じです。3Dプリントされた正方形のオブジェクトの角は丸められます。その丸めの半径は、ノズルの直径（つまり、ノズルの半径）の半分になります。また、アウトラインで過剰な押し出しが発生した場合、2つのパーツは互いに適合しません。もちろん、これは簡単にバラバラになるように設計されていることを前提としています。それ以外の場合は、それらを摩擦で合わせる場合は、完全に一致させることができます。

私は通常、壁の厚さが異なるテストキューブを印刷して、平均偏差を計算します。これは許容範囲として使用します。ただし、ベルト駆動のデカルトプリンターの多くは、XY軸に沿って+/- 0.1〜0.25 mmよりもはるかに優れているとは思いません。したがって、0.1〜0.25 mmの範囲の値を使用することをお勧めします。0.5 mmを超える場合は、力学に問題があります。

4か月印刷した後、フィラメントとノズルの形状に基づいて、少なくとも2つの状況に対する答えを学びました。この説明では、.4mmのノズルで.1mmのレイヤーを使用しています。

まず、私の質問から、基本的なボックスと蓋です。円形のノズル開口部の形状を覚えておくことが重要です。そのため、押し出して空気を開くと、シリンダーができます。しかし、戸外に押し出すことはしません。押し出されたフィラメントをビルドサーフェスまたは前のレイヤーに微妙に押し込みます。その場合、私の最高のアスキーアートを使用して、押し出されたフィラメントのラインの断面には、次のように、その.4mmのノズルサイズに近似するだけの丸みのあるエッジがあります。

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また、複数のレイヤーを配置すると、印刷されたパーツの外縁は次のようになります。

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曲線の外縁は、実際にはパーツの計画寸法からわずかに突き出ています。問題は、「いくら」ですか。これまでの私の経験は.05mmです。また、箱の部分と蓋の部分の両方でそれを考慮する必要があることを覚えておいてください。さらに、ふたを設計するときは、各次元軸の両端のこのギャップを考慮する必要があります。つまり、.2mmのギャップでも、ぴったりとぴったりフィットする可能性があります。

2番目のシナリオでは、一緒に収まる1組のプリントがあるとします。ベースプリントには、レゴのピースのような上向きのロッドまたはシリンダーが含まれており、ペアの開口部に挿入されます。

次に、上部に一致するシリンダー開口部を作成する必要があり、その大きさを知る必要があります。気になるのは開口部の上部です。開口部の下には、フィラメントを保持するための空気しかありません。小さなギャップの場合は、距離を埋めることができます。ギャップが大きい場合は、サポート素材または半球のトップを使用する場合があります。

これらのオプションがこのシナリオでは難しいと思うか、他の要因によってこのパーツを横向きに印刷しているとしましょう。そのため、スープの缶のように座っているシリンダーの開口部の代わりに、シリンダーが横に置いていたのと同じようにパーツを印刷します。

これで、フィラメントの配置方法のジオメトリを検討できます。私の例のノズルとレイヤーの寸法では、開口部がモデルによって示される正確な円ではないことがわかります。代わりに、古い8ビットコンピュータアートのようなグリッドパターンがあります。さらに悪いことに、各「ピクセル」の幅は高さの最大4倍です。

それを念頭に置いて、必要な最小の余分なスペースは、0.1mmの高さの1/2であり、間違った状況では、これを.4mmのフィラメント幅の1/2まで拡張する可能性があります。そして、これは成形品全体（両側）に及ぶため、これらの距離は2回必要です。これは、以前のボックスで説明したリギング効果に追加されます。結果は、丸みを帯びたパーツが.3mmと.5mmの間のギャップを探す必要があることを意味します。ある時点で拡大縮小したいパーツを設計している場合は、追加のギャップスペースがあります。ただし、プラスチックはしなやかであり、押し込みが（リテラル）突き出た場合は、研磨可能であることを忘れないでください。実際には、その範囲の下限近くでうまくやった。