『ヒンジ』×『3Dプリンター』

今回は、3Dプリンター造形に適したヒンジの検証結果をまとめました。
ヒンジは、ドアのように部品同士が接続し、1つの直線軸上で可動する設計に用いるものです。

3Dプリンター造形では、複数個の部品を同時に造形することができ、ヒンジ形状も一度に造形することで、組み立ての手間の排除、ヒンジ部の強度向上、組み立て不可部品の造形が可能です。

ヒンジには、内部の形状とスキ設定がとても重要となります。
内部形状によっては、ヒンジがスムーズに動かなかったり、軸がぶれたりします。
また、スキ設定によっては、部品同士のがぐらついたり、ヒンジとして機能しなくなります。

今回は、3Dプリンター向けに複数部品の一体造形を念頭に置いた、ヒンジの内部形状、スキ設定を検証しましたので、その結果をまとめた記事になります。
誰かの設計に役立ててもらえると嬉しいです。

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検証環境

今回の検証は以下の検証環境で行っています。

使用3Dプリンター：FLASHFORGE GuiderII
材料：Pxmalion PLAフィラメント Φ1.75mm
積層ピッチ：0.08mm
ノズル温度：210℃
ベッド温度：50℃
サポート：無し
ラフト：無し
造形速度：50mm/s

造形環境によっては、検証結果が変わります。
今回の検証結果を基に、自身の造形環境に適した設計を行ってください。

ヒンジ内部形状検証

ヒンジの内部形状を検証します。
今回検証するために用意したモデルがこちらです。

検証する内部形状は、赤丸で囲った、ヒンジの軸となる部分です。
ここの形状によっては、スムーズに動かなかったり、軸がぶれたりします。
検証では、動きのスムーズさ、軸のブレ具合を重点的に見ています。

検証する内部形状は4パターンを用意しました。

①円柱形状
➁山形状（大）
③山形状（中）
④山形状（小）

3Dプリンターで造形し、形状によって差異があるのかを検証しました。
検証は、3Dプリンターでの造形品を手を使って動かしやすさやガタツキを比較しました。
その結果が以下です。

×：悪い結果　△：中程度の結果　〇：良い結果

①円柱形状
動きのスムーズさ：×
軸のブレ：△

➁山形状（大）
動きのスムーズさ：△
軸のブレ：△

③山形状（中）
動きのスムーズさ：〇
軸のブレ：〇

④山形状（小）
動きのスムーズさ：〇
軸のブレ：×

感覚的な検証方法ですが、わずかに山形状（中）の形状が動きのスムーズさ、軸のブレ具合において良い結果となりました。

スキ設定検証

それでは、次はヒンジ形状のスキ設定の検証結果を見ていきましょう。
検証するために用意したモデルがこちらです。

ヒンジ内部形状はすべて前述で良い結果を残した山形状（中）にしています。
断面ルールは画像の様に、X寸法スキのみ変更しています。
X寸法は、0.0mm、0.1ｍｍ、0.2mm、0.3mmの4パターンで検証しています。

3Dプリンターで造形して、スキ寸法によって差異があるか検証しました。
検証方法は、3Dプリンター造形物を手で動かし、部品のがたつき、ヒンジの硬さを比較しました。
検証結果が以下になります。

×：悪い結果　△：中程度の結果　〇：良い結果

X寸法：0.0mm
部品のがたつき：×（動作不可）
ヒンジの硬さ：動作不可

X寸法：0.1mm
部品のがたつき：〇
ヒンジの硬さ：硬い

X寸法：0.2mm
部品のがたつき：〇
ヒンジの硬さ：引っ掛かりなく可動

X寸法：0.3mm
部品のがたつき：△
ヒンジの硬さ：ゆるゆる

感覚的な検証方法ですが、0.2mmが一番ヒンジとしての用途に適していると感じました。

ヒンジ最小板厚

ヒンジの形状、スキ設定検証を板厚を変え、ヒンジとして最低限の強度を保てる板厚を検証しました。

設計条件としては、ヒンジ形状は山形状（中）、スキ設定は0.2mmで板厚のみを変えて検証します。
板厚は、1.0mm、2.0ｍｍ、3.0ｍｍ、4.0mmの4パターンを検証しました。

検証方法は、3Dプリンター造形物を手で引っ張り、ヒンジ部が壊れるか比較しました。
検証結果が以下になります。

×：悪い結果　△：中程度の結果　〇：良い結果

板厚寸法：1.0mm
引張強度：×（弱い力により破損）

板厚寸法：2.0mm
引張強度：△（強い力により破損）

板厚寸法：3.0mm
引張強度：〇

板厚寸法：4.0mm
引張強度：〇

感覚的な検証方法ですが、ヒンジ形状の最小板厚は3.0mmが限界だと判断しました。

ヒンジ検証結果まとめ

以上がヒンジ検証です。
検証結果をまとめると、ヒンジ形状は山形状（中）、スキ寸法は0.2mm、最小板厚は3.0mmということがわかりました。

ヒンジは部品同士をつなげ、動かすことができる便利な要素です。
今回の検証が誰かの役に立てば嬉しく思います。