筆者は、「めねじ」（ナット）の場合には、プリント後にタップ処理をしていました。
「おねじ」（ボルト）の場合には、金属ではダイスと言う道具を使用しますが、プラの場合には、ネジ山を壊しやすいので、モデルでクリアランスを施したり、ダイスの代わりに金属のナットで処理をしていました。
舞ちゃんの飛行機を作った時にも、ネジをかなり多用しましたが、同様な方法で作成しました。

朝ドラ『舞いあがれ！』の、舞ちゃんの飛行機をFusion360と３Dプリンタで作ってみた。

私の出身地の五島列島のバラモンが話題になると言うことで、NHK＋でお昼休みに見ています。五島だけでなく、もの作りの町工場もテーマなので、親近感を持ってみています。ドラマの中で、主人公の舞ちゃんが、町工場と連携して、模型飛行機を製作しました。私も３Dプリンタで作ってみました。パーツのＳＴＬデータは、フ...

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2023.03.20

Fusion360でのねじ機能

ネジのモデリング

ネジのモデリングは、「めねじ」も「おねじ」も「Fusion360」では簡単にできます。
穴やピン形状を描いて「作成」⇒「ねじ」を実行し、ネジ処理したい円筒面をクリックするだけです。
ねじ込んで組付けた位置を合わせたい場合であれば、位相を合わせなくてはいけませんから
「おねじ」か「めねじ」どちらのモデルからか、引き算したモデルのほうが無難ですが
ボルト・ナットのように位相があまり関係ない場合では、Fusion360のネジ機能を使用した方が簡単ですね。
今回は、Fusion360のネジ機能でモデリングしたモデルを使用してプリントした製品がそのまま、市販の金属ネジに入るような方法を考えてみます。

Fusion360ネジ機能のクリアランス

Fusion360では、簡単に「おねじ」「めねじ」のモデリングができますが、この二部品のクリアランスはどうなっているのでしょう？
M5サイズを、適当に描いて、断面をみてみましょう。

なにもしなくても、自動的にクリアランスは付けてくれるみたいです。
測定してみると、横方向では片側で約0.08mm、楔の法線方向では約0.04ぐらいでした。
隙間は、ネジの大きさでも変わると思いますが、この程度の隙間で家庭用のプリンタでは、
たぶんそのまま印刷しても結合できないと思います。

Adventurer3 のプリント精度

FFF方式の家庭用プリンタの場合、精度はそれほど期待できないと思います。
このサイトでも、簡単に調べた時の記事があります。

3Dプリンタ、Adventurer3 Pro　キタぁ～

約５年前に購入した３Dプリンタ「FlashForge Finder」が壊れました。最近動かす機会も減って数か月ぶりのプリント。一個目は正常に終了しましたが、二個目の途中でフィラメント詰まり。詰まりを解消しノズル掃除して、再度スタートでもまた詰まり。予備のノズルに交換したけど、また詰まり・・・今度はま...

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2022.08.23

この時は、凸形状は結構狙い通りの寸法になりましたが、
凹形状では径で0.2～0.3mm程度小さくなりました。
したがって、凹の場合には少なくても片側0.15程度は、水平方向に調整する必要がありそうです。

ねじモデルの修正

では、Fusion360でねじモデルを調整するには、どうすればいいでしょうか？
確実なのは、スケッチで断面形状を取り出して、２D的に横移動した図形を螺旋形状にスワーフする
モデリング方法だと思いますがちょっと、面倒だし大変ですね。

スケーリング（尺度）

筆者は、水平（横）方向のみ、スケーリングする方法でやってみました。
ねじの側面方向２軸（Z軸がねじ進行方向の場合、X軸とY軸）のみをスケーリングします。
ナットは大きく、ボルトは小さく縮尺します。

ナットのモデリング

通常は、スケッチ⇒ポリゴンで六角形とねじ用穴を描き、「押し出し」後「作成」⇒「ねじ」で
「モデル化」にチェックする事で、ねじのモデリングが完成します。
ところが、このままAdventurer3 に持って行ってプリントしても、市販の金属ボルトは
すんなり入りません。
筆者のプリンタの傾向で、凹形状では上記の精度確認テストから、径で0.2～0.3mm程度小さくプリントされてしまいます。
したがって、最低でも、それ以上は径を広げる必要があります。
そこで、ねじの側面方向への拡大は、Fusion360の「尺度」機能を使用しました。

・まずは、ねじ部のみ「拡大」したいので、ねじより大きい径の円輪郭を「分割ツール」にして「修正」⇒「面を分割」の機能で「分割」。
・次にねじ部分のみ、「尺度」で拡大。
・「尺度」で「尺度のタイプ」は「不一致」とし、ねじ径方法のみ尺度を設定。
・ここで、拡大する原点の設定「点」を、必ず「ねじの中心軸上」に設定しなおす事。
・尺度量は筆者の環境でテストした結果、径で+0.4ｍｍぐらいでいい感じになった。
・具体的には、Ｍ６の場合、尺度の設定を「6.4/6=1.07」。
・その後、分割しておいた、外周と「結合」して完成。

ナット裏面にザグリを設ける

上記の方法でモデリングしたナットは、プリント後すぐに市販の金属ボルトがスルスル入ります。
ところが、最後まで入ったところで、抜け出す時にすごく固くなります。
レンチを使用して何度か抜き差しすれば緩くはなりますが、できればレンチは使いたくないですね。
原因はわかりませんが、積層の始まり付近なので、少し太めに積層されるのかもしれません。
筆者はここには、ザグリを付ける事で回避しました。

大きさとしては、ねじ呼径よりも、+１ｍｍの径とし、ねじの半ピッチの深さとしました。
この処理で、レンチを使用しなくても、手締めで入るようになりました。

ボルトのモデリング

ボルトは、ナットと同形状のヘッド部分と、ネジ部の円筒部分を結合した形状になります。
ただし、ねじ部分はナットとは逆に、小さく縮尺しますから、結合は縮尺後に行います。

・ヘッド部分と結合する前に、ナットと同様に「尺度」機能を使用。
・「尺度」で「尺度のタイプ」は「不一致」とし、ねじ径方法のみ尺度を設定。
・ここで、縮尺する原点の設定「点」を、必ず「ねじの中心軸上」に設定しなおす事。
・縮尺量は筆者の環境でテストした結果、径で-0.2ｍｍぐらいでいい感じになった。
・具体的には、Ｍ６の場合、尺度の設定を「5.8/6=0.97」。
・その後、ヘッド部分と「結合」すれば完成。
・追加でヘッドとネジ部の付け根は壊れやすいので、フィレット処理したほうが安心。
・必要あれば、結合前に、ヘッドとねじの間にフィレットモデルも用する。

先端は若干細くしてねじ込みやすくする

ボルトも縮尺した事で、市販の金属ナットにレンチを使わず入るようになりました。
ただ、どうしても先端が入りにくい場合が多いです。
どのみち縮尺するのであれば、ねじ込みやすいように、先端はさらに少し細めにしようと思います

・先端部分を分割するために、「構築」⇒「オフセット平面」で「平面」を作成。
・オフセット量は、「ねじピッチ×２」とした。
・この「平面」を「分割ツール」として「修正」⇒「面を分割」の機能で「分割」。
・M6の場合、ネジ部は「5.8/6=0.97」で縮尺。
・先端部は、さらに細くしたいので、「5.6/6=0.93」で縮尺。

ボルト完成

先端を細くしたので、ねじ込みやすくなりました。

ボルト・ナット完成

今まで、タップなどの道具を使用して作成していましたが、それでもM5ぐらいが限界でした。
今回、モデルから作り込む事で、道具も不要になり、M3も問題なく作成できました。
まとめると、下記のように、スケーリングしました。

・ナットねじ部は、「ネジ径+0.4/ネジ径」の尺度で拡大
・ナット裏面には、「ネジ径+1.0mm」深さ「ネジピッチ/2」のザグリを追加
・ボルトねじ部は、「ネジ径-0.2/ネジ径」の尺度で縮小
・ボルトねじ先端部「ネジピッチ×2」は、「ネジ径-0.4/ネジ径」の尺度で縮小

この方法で、M3、M4、M5、M6、M8、M10　のボルト・ナットをプリントしてみました。
黄色がプリント製品で、黒とシルバーは市販の金属性です。
いずれも、道具やレンチを使用せず、すんなり入りました。

３Dプリンタで部品作成する場合、形状によってはどうしても分割になってしまいますし
使用方法によっては、組み立てが必要な場合もあります。
接着などは、二度と分解しない場合には簡単でいいですが、取付・取り外しをしたい場合には
ねじ締結は非常に便利です。
今回道具なしで「M3」まで製作できたことで、３Dプリントの幅が広がると思っています。

データ公開・ダウンロード

Mねじ規格寸法、表示ソフト

ボルト・ナットをモデリング際、ネジ頭径やナット幅などの標準の幅を調べるのが面倒でした。
表示するだけの簡単なソフトですが、メートルネジの寸法を表示するツールを作成しました。
興味あれば、下記からダウンロードして使ってみてください。

Fusion360データとFlashPrint5設定ファイル

今回紹介の、M3～M12までの、ボルトナットのFusion360用モデルと、Adventurer3でテストプリントした際の、FlashPrint5用の設定ファイルがダウンロードできます。

設計思想

もちろん、ドラマ内の飛行機の設計図はありません。
ドラマの映像をヒントにした程度なので、六角形ボディと２枚翼程度しか参考にできません。
だいたいのイメージをもとにAdventure3のサイズを基本にFusion360で設計しました。

こだわり

・胴体はドラマを参考に六角形、プロペラの複葉機
・プリンタは、Adventurer3を使用するので、サイズは150mm以内
・フィラメントは、手持ちのPLA、黒・黄色・緑
・設計ツールは、Fusion360 個人使用無料ライセンス
・部品は全て３Dプリンタ作とし、締結も金属ネジや接着剤を使用しない
・プロペラとタイヤは、回るようにしたい

こんな方針でモデリングしてます。

３Dプリンタ製作を意識した設計ポイント

・部品厚さやパーツサイズはあまり小さくできない。
　小さくしすぎるとうまくプリントできません。今回は最小1.5mm厚、ネジは最小M5とします
・アンダー部はなるべく出ない形状で設計したいけど、でてしまう場合は分割も考えます。
　ただし分割すると、今度は分割部品の締結が面倒です。思案のしどころですね。
　サポートとヤスリ調整も選択肢の一つと考えます。最悪接着かな～。
・はめ込む部分のクリアランス（隙間）は片側0.1～0.2mmで、精度的にヤスリでの調整は必須かな！
・ネジ部は、メネジはタップ、オネジはネジサイズ比率で縮小し金属ナットでネジ山仕上げ

ネジのプリント

分解・組み立てできる、締結方法で一番メジャーなのはネジ（ボルト）だと思います。
ただし、家庭用低価格な３Dプリンタでのネジのプリントは失敗する事もよくあります。
金属ネジを使用すれば、強度があり小さくできますが、ここはプリンタ製にこだわりたい！

プリント可能なネジサイズ

サイズが小さくなると、失敗するリスクが大きくなります。
筆者の経験では、M4までいけそうですが、失敗したくない場合にはM5までかな？と思っています。

ネジのモデリング

Fusion360 では、簡単にネジをモデリングする事ができますが、オス・メスを
そのままモデリングした造形品同士ではなかなか、スムーズに入りません。
やはり、クリアランス（隙間）を与えてモデリングしたほうが、スムーズに締結できます。
筆者は経験から、隙間片側0.1～0.15ｍｍで設定して、モデリングするようにしています。
Fusin360でのネジモデリングの方法は、例えばM6のボルトナットをモデリングする場合
「φ６ネジ穴用モデル」「φ6円筒ボルト用モデル」「穴にネジモデリング」
「ボルトモデルからネジ穴モデルを引き算」「ヘッドとネジ部分割」
「ボルトモデルを径方向のみ倍率0.95～0.97縮尺」。このような工程でモデリングします。
【径方向のみ縮尺】というのがミソです。
基本的に、メスはFusion360のネジ機能でモデリングし、オスはメスを引き算し、縮尺する方法です。
Fuison360はオス・メスどちらも簡単にネジをモデリングできますが、それでは隙間が空きません。

ボルトネジ部の縮尺率は、「プリント径 / ネジ径」とします。

プリント後のネジ山仕上げ

金属の場合、メネジはタップ、オネジはダイス、という道具でネジ山をさらいます。

しかし、フィラメントのネジの場合、どうしても弱いので、せっかくプリントしたネジ山を
壊してしまう危険があります。
タップの場合はまだやりやすいですが、ダイスは結構難しいです。
特に、小さくなるほど難しく、筆者はM4が最小ではないか？と思っています。
メネジの場合には、プリント後直接タップ処理しても、ネジ山を壊す事は少ないですが
ダイスは難しいので、上記で説明したように、縮尺処理する事でやりやすくなります。
また、ダイスを使うよりも、市販の金属ナットをダイス代わりに使うほうが壊しにくいです。

プロペラ

プロペラは、羽根は少しねじり、組み立て後も回るようにしたいです。

回るようにするために、隙間を空けて一体でプリントする方法も検討しましたが、
やはり一体では、プリントが難しそうです。
まずは、羽根をボルト・ナットで挟み込むことにしました。
CAD的には悪くないバランスだと思いましたが、実際の寸法では
ナット厚が結構薄くなりちょっと不安になりましたが、とりあえずプリントできました。

プロペラ部のプリントは、羽根をねじったので、FlashPrint5の自動サポートで対応しました
ただ、中央のシリンダーの部分の一層目でテーブルと水平なのにうまく貼り着きません
スティックのりを使ったりラフトを追加したりしましたが、シリンダ部分の一層目で剥がれます。
プリント状況を観察していると、真円のはずなのに、多角形に動いています。
これは、NC工作機械でも加工スピードが速かったり、円弧を直線分解するデータの場合には
トレランスが大きすぎる事が原因で多角形のG-Codeになる場合があります。
まずは、プリントスピードを少し下げて、さらに、FlashPrint5 には、「高度な」の項目に
「パス」⇒「パス精度」があったので、この値を、「0.1」⇒「0.05」にする事で解決できました。

レンチ

今回はプロペラ羽根を止めるナットが薄く止めづらかったですが、以前作ったレンチが重宝しました。
今回に限らずナット用のレンチを作成しておくと便利です。

もちろん、金属用の道具は市販でも購入できますが、３Dプリンタでボルトナットを作る場合、
どうしても弱いので、このよな手締めのレンチを作っておくと重宝します

車輪

プリントできるのか？と思いながらモデリングしていたのが、車輪部分です。
車輪も回るようにしたいのですが、カバーとタイヤとシャフトをどう固定するか？悩みどころです。
金属の細めのネジを使用すれば、簡単ですが、プリンタで作るとなると
最小M4、実用M5ぐらいにはしたいです。
ただし、M5のナットは外径は大きく、車輪全体も大きくなってバランスが悪くなります。

今回は、シャフトを少しテーパにして、押し込む事にしました。
最悪、接着で妥協する事としてモデリングしましたが、意外としっくり挿入できました。
また、イメージ的には、後輪は前輪より小さくしたかったのですが、前輪の大きさが限界そうです。
結局、前後輪同じサイズとしました。

細かいパーツのプリント

全体サイズが115×100mmと、設計的に小さかったため、各部品はかなり細かくなってしまいました。
やはり、細かいパーツやアンダー形状のプリントは難しいですね。
サポートやスライサーの設定など、苦労したパーツもあったので、いい勉強になりました。
また、ラフトを使った方がプリントは安定しますが、どうしても底面に影響がでる形状もあります
スティックのりでうまくいけば、そのほうが綺麗でした。

組み立て

組み立て自体は簡単ですが、やはり弱い箇所が、ポキッ！と言う事がありました。
主翼のステーが折れました。

見るからに、弱そうですね。
根本にフィレットを追加したら、折れなくなりました。

パーツ同士の固定方法は、ネジがほとんどですが、上で説明したように、
プリント後、ネジ山はタップやナットでさらっておきます。
さらに、組み合わさるネジ同士は、事前に何度かはめ込んで、軽く入るようにしておきます。
プリンタの制限で、全体のサイズに比べて、ネジ部分が大きい傾向にあるので
組み立てる時に、指が入りにくい箇所もでてきます。
パーツが変に曲がらないように、焦らずに、はめ込んでいきましょう！

完成！

パーツデータ「STL」公開

パーツデータは、こちらからダウンロード可能です。
ただ、ネジや細かい部品は、失敗する可能性もあります。
ご使用のスライサーの設定などで調整してください。

組み立て動画

組み立て方法を、Fusion360のアニメーションで動画にしてみました。
Fusion360のアニメーションはうまく使えば、取説などにも使えそうです。