【3Dプリンティング】防水3Dプリントガイド：FDM、SLA、SLS技術の比較

FDM、SLA、SLSにおける防水3Dプリントテスト

Formlabsはロードアイランド大学水中ロボティクス・イメージング研究所（URIL）と共同で、熱溶解積層方式（FDM）、光造形方式（SLA）、選択的レーザー焼結方式（SLS）を用いてマルチパーツ・エンクロージャーを製作し、水中模擬圧力チャンバー内でテストを実施しました。

研究ではマルチパーツ・エンクロージャーの水密性に焦点を当て、テストデータには耐圧結果、Oリングに関する推奨事項、およびエンクロージャー設計原則が含まれています。結果として、適切な造形技術、材料、シーリング設計を採用することで、高圧環境に必要な水密エンクロージャーをよりシンプルかつ費用対効果の高いプロセスで製作できることが示されました。

そのため、材料自体に優れた防水性があっても、マルチパーツ構成では継ぎ目から漏水する可能性があります。逆に、精密な公差、ねじ構造、インターロック構造、ガスケット、Oリングなどを活用すれば、組品全体の水密性を効果的に向上させることができます。

水密3Dプリントパーツの用途・応用分野

水密パーツは、船舶や船外機、深海ロボット、水中撮影、サンプリング機器、センサーハウジングなどに活用されています。さらに、自動車、化学研究、建築、流体輸送・保持が必要なインフラ設備にも広く利用されています。

生態学、地質学、気候研究の設置環境は常に変動するため、市販の標準機器が適合するとは限りません。3Dプリンティングなら、センサー、接続ポート、取り付け位置、動作環境に合わせて、カスタム研究ツールを迅速に製作できます。

NOAA（アメリカ大気海洋庁）によるサンゴ研究用防水パーツの3Dプリント事例

サンゴ礁の減少を研究するため、米国大気海洋庁（NOAA）大西洋海洋・気象研究所（AOML）およびパートナー機関は、野生のサンゴを調査するとともに、制御された環境下で特定条件を再現し、水温上昇や気候変動に対するサンゴの反応を分析しています。

AOMLはFormlabs SLAおよびFuseシリーズSLS機を活用し、高耐久サンプラーハウジング、実験用センサー固定具、水族館用カスタムコンポーネントを製作しています。多様な材料選択肢により、研究者は防水3Dプリント部品の設計・反復改修・導入を迅速に行うことができ、実験の標準化、精度、比較可能性を向上させています。

「最初のサンプラー設計にかかるコストを1,000ドルから220ドルへと削減しました。これにより、以前は1台しか設置できなかった予算で、現在は5台のサンプラーを設置できます。」

AOML研究員 Nate Formel

従来の水中・水密部品がカスタマイズしにくい理由

従来の水密コンポーネントは、一般的に金属、射出成形プラスチック、またはゴムで製作されます。大量生産時には単価を抑えられますが、特定の研究や設備ニーズに合わせてコネクタ、治具、ハウジングを変更しようとすると、巨額の金型・開発コストと長いリードタイムが発生します。

マルチパーツ構成のエンクロージャーは、通常ねじ、インターロック構造、Oリング、ガスケットによって密閉されます。Oリングのつぶし量、内径、線径、材質、動作圧力はいずれも密閉効果に直結するため、カスタムエンクロージャーに最適な規格を選定・評価するには膨大な時間を要します。

防水3Dプリント技術の比較：FDM、SLA、SLS

水中ロボットや機械部品は独自の機能を持ち、必要なサイズ、圧力、材料、密閉方法はプロジェクトごとに異なります。3Dプリント技術を選定する際は、表面の空隙（ポロシティ）、公差、層間結合力、材料特性、後処理、および想定される動作圧力を総合的に評価する必要があります。

FDM

コストを管理しやすい反面、層間の微小な隙間が吸水や漏水の原因となるため、造形設定の調整やコーティング等の後処理が必須となる場合が多いです。

SLA

滑らかな表面、極めて低い気孔率、高い寸法精度を備えており、ねじ接合、精密シーリング面、耐圧水密エンクロージャーの製作に最適です。

SLS

高耐久で幾何学的自由度の高いパーツ製作に適しています。適切な公差設計、材料選定、シール設計を組み合わせることで優れた水密性を実現します。

熱溶解積層方式（FDM）

FDMはノズルから溶融した熱可塑性樹脂を押し出し、1層ずつ積み上げて造形します。パーツは異方性を持つことが多く、受力方向によって機械的性質が変化します。また、層間の微細な隙間が水の浸透経路となるリスクがあります。

無処理の密閉FDMパーツは、必ずしも信頼性の高い圧力シーリングを形成できるとは限りません。高圧環境下では、エンクロージャーが層間から破断したり、爆縮（インプロージョン）を起こす恐れがあります。FDMパーツの水密性を改善するには以下の対策が有効です。

• 不要な隙間、接続ポート、開口部を徹底的に減らす。
• 壁厚やシェル数を増やし、押し出し量（押出倍率）と層高を最適化する。
• PETGやポリプロピレン（PP）など適切な材料を選定する。
• 研磨、スチームスムージング、レジン塗布、コーティングで表面を塞ぐ。
• 想定される実動作圧力下で浸水テストおよび水圧検証を行う。

これらの手法によりパーツの水密性は向上しますが、高圧水中環境での使用を直接保証するものではありません。

光造形方式（SLA）

SLAは光源を用いて液状レジンを層ごとに固化させ、層内および隣接する層間でポリマー鎖を架橋（クロスリンク）結合させます。このプロセスにより、積層痕が目立たない滑らかで極めてポロシティ（気孔率）の低い表面が形成され、精密組み立てに適した高い寸法公差が得られます。

マルチパーツ構成のSLAエンクロージャーは、ねじ構造や互ロック構造で精密に接合でき、Oリング、シール材、ガスケットと組み合わせることでエアギャップを解消できます。各種テスト研究により、適切なSLA材料と設計を施したハウジングは高い水圧に耐え得ることが実証されていますが、実際の耐久値は材料、壁厚、形状、プリント条件に基づいて個別検証が必要です。

選択的レーザー焼結方式（SLS）

SLSはパウダーベッド上の断面をレーザーで焼結し、新しい粉末を積層しながら成形を繰り返します。SLSパーツは設計の自由度と耐久性に優れており、寸法公差、表面処理、シーリング構造が適切であれば、高い水密性を持つエンクロージャーを製作可能です。

3Dプリント防水エンクロージャーの設計テクニック

エンクロージャーの水密性能は、材料、本体構造、および組み立て設計によって決まります。SLAやSLSは公差の非常に小さい結合構造を造形できますが、高圧環境下ではOリングなどの独立したシールメカニズムを組み込むことを強く推奨します。

1. 接合面（パーティングライン）を減らす：メンテナンスや組立てに必要な範囲に留め、部品点数と漏水リスクのある経路を低減する。
2. 壁厚とコーナー形状の制御：極端に薄い肉厚部や顕著な応力集中を避け、フィレット（R面取り）を追加して耐圧性能を高める。
3. 安定したシール面の設計：Oリング溝、エンドキャップ、ハウジング嵌合面の寸法整合性を保ち、表面を平滑に仕上げる。
4. 使用環境に応じた材料選定：水圧、温度、化学物質、紫外線、長時間の水中浸漬による影響を評価する。
5. 実機環境でのテスト実施：単なる「防水」と「耐圧」は異なります。想定される動作条件と安全率のもとで必ず検証を行う。

URILによる深海用エンクロージャー設計

URILは深海研究におけるハードウェアのハードルを下げる取り組みを行っています。Form 3+や大型のForm 3LといったSLA装置の導入により、研究チームは高精度な深海探査ツールを自作し、これまで水中データ収集のリソースが不足していた研究コミュニティへオープンソース設計を共有できるようになりました。

主な研究成果には、DEEPi深海イメージング・制御システム、洋上移動船におけるパッシブ制振技術、およびオウムガイのシェル構造幾何学に基づくバイオミメティクス（生体模倣）耐圧エンクロージャーなどが含まれます。

バイオミメティクス（生体模倣）耐壓エンクロージャー

研究チームは、スキャンとデジタル再構築技術を用いて、オウムガイの殻が深海の高圧環境下でどのように構造を維持しているかを解析しました。球体や円筒形といった従来の耐圧構造と複雑な生体模倣形状を比較評価し、深海ロボット用ハウジングとしての可能性を探っています。

3Dプリント防水ハウジングにおけるOリングの選定方法

URILはフェイスシール（端面密閉）型およびボアシール（軸密閉）型のOリングを評価した結果、ハウジング設計には「フェイスシール」方式を推奨しています。筐体の内径と外径を確定後、内径に合わせたサイズを選定することで、Oリングをエンドキャップとボディの接合面にしっかりフィットさせることができます。

一連の実験結果において、線径が約⅛インチ（0.139インチ / 約3.53mm）の「ダッシュ100番台」サイズのOリングが、SLAプリントパーツに対して非常に高い密閉信頼性を示しました。実際の設計では、Oリングの材質、圧縮率、溝寸法、動作温度、および圧力条件に基づいて最適な規格を選定してください。

防水3Dプリント技術の選定結論

防水エンクロージャーが信頼性高く機能するかどうかは、単にプリント技術の選択だけで決まるものではありません。使用材料、壁厚、幾何形状、プリント方向、二次硬化、表面処理、Oリング設計、そして最終的な組み立て品質のすべてが、水密性能と耐圧能力に直接影響を与えます。