金属3Dプリントで達成できる寸法精度と表面仕上げは？
エンジニアリングおよび製造の観点から見ると、金属3Dプリンティング、特に DMLS/SLM のような粉末床溶融方式における寸法精度と表面仕上げは、その適用範囲を決定づける重要な性能指標です。「造形まま（as-printed）」の状態はあくまで基準レベルであり、最終的なエンジニアリング公差を達成するためには、ほとんどの場合で追加の後処理が必要になることを理解しておくことが重要です。
造形まま部品の寸法精度
金属3Dプリント部品の寸法精度とは、実測寸法が CAD モデルの設計値とどれだけ一致しているかを指します。DMLS における典型的な精度は、X-Y 平面の重要寸法で±0.1 mm ～ ±0.2％（いずれか大きい方）程度です。Z 方向（造形方向）の精度は、ややばらつきが大きくなる傾向があります。
精度に影響する要因：
プロセスパラメータ： レーザー出力、走査速度、ハッチ間隔など。
部品形状： 薄肉やオーバーハング形状は、残留応力による変形が生じやすくなります。
材料： 異なる合金（例：アルミニウム6061 と インコネル718）では、熱膨張係数や溶融特性が異なります。
後処理： 応力除去や 熱処理、HIP などの熱プロセスにより、わずかな寸法変化が発生する場合があります。
従来工法との比較： 造形ままの精度は、±0.025 mm あるいはそれ以上の公差を安定して実現できるCNC加工と比較すると、一般的に劣ります。
ハイブリッド製造による高精度公差の実現
精密な嵌合部、ベアリングシート、ねじ部などを必要とする部品では、標準的な造形まま精度だけでは不十分です。ここで重要になるのがハイブリッドアプローチです。
二次 CNC 加工： 重要な機能面には意図的に仕上げ代（ストック）を残して造形し、その後 精密加工、具体的にはCNC フライス加工やCNC 旋削によって、公差の厳しい寸法に仕上げます。これにより、DMLS の形状自由度と CNC の寸法精度を組み合わせることができます。
現実的な公差： この方法を用いることで、指定された重要箇所について±0.025 ～ ±0.05 mm（IT7～IT9程度）の公差を達成でき、航空宇宙や医療機器などの厳しい用途にも適用可能となります。
造形まま部品の表面仕上げ
DMLS の造形まま表面は、焼結粉末粒子に起因する一定の粗さを持つのが特徴です。一般的な表面粗さはRa 10 ～ 25 μm（400 ～ 1000 μin）程度で、ざらつきのあるテクスチャーとなります。
粗さの主な原因：
部分的に焼結された粉末： 細かい粉末粒子が溶融池の周辺に付着します。
「段差（ステアステップ）」効果： 層ごとの積層により、曲面や傾斜面に階段状のテクスチャーが生じます。
サポート痕： サポートが接触していた部分には跡や欠陥が残ることがあります。
機能への影響： このような粗い造形まま表面は、ベアリング面、シール面、疲労クリティカルな部位には一般的に不向きであり、応力集中を引き起こす原因になります。
後処理による表面仕上げの改善
表面仕上げを向上させるために、目的に応じてさまざまな後処理技術が用いられます。
研掃処理： サンドブラストは一般的な初期工程で、表面洗浄とピーク粗さの低減を行い、通常Ra 4 ～ 8 μm程度まで改善し、均一なマット仕上げを得られます。
バレル・振動仕上げ： バレル研磨（タミング）は、エッジの面取り、バリ取り、より滑らかな半光沢の表面を得るのに優れており、表面粗さをRa 1 ～ 4 μm程度まで改善できます。
アブレシブフローマシニング（AFM）： 他の方法ではアクセスしにくい内部流路や複雑形状の研磨に有効です。
電解研磨： この電気化学的プロセスは、非常に滑らかなミクロ研磨面を得るのに有効です。電解研磨により、表面粗さはRa 0.2 ～ 0.8 μm程度まで改善され、同時に耐食性も向上します。
CNC 加工／研削： 重要な平面や円筒面で最高レベルの表面性状が必要な場合は、従来のCNC 研削や切削加工が用いられます。これによりRa 0.4 μm 以下の仕上げも可能で、高品質な機械加工仕上げと同等のレベルが得られます。
達成可能な仕様のまとめ
特性 | 造形まま（DMLS） | 後処理後 |
|---|---|---|
寸法精度 | ±0.1 mm ～ ±0.2％ | ±0.025 mm（機械加工された箇所） |
表面粗さ（Ra） | 10 ～ 25 μm | 0.2 ～ 4 μm（処理方法による） |
