ステンレス製エンブレム付きホイールセンターキャップの製作 ～エンブレムの3Dプリント編～
目的 ： 修理・故障・メンテナンス
作業 ： DIY
難易度 ： ★★
中級
作業時間 ： 12時間以上
最近の3Dプリンターの発展は目覚ましく、金属の3Dプリントも一般的になってきました。家にいながらにしてオンライン注文できる業者も増え、格安と思える値段のところも出てきました。
一方、ホイールセンターキャップがつるんとしているのが、前々から少し寂しいと思っていました。と言うのも、20代の頃に乗っていたB6 2.7(Alpina)も、長年乗った996(Porsche)も、今乗っている355(Ferrari)も、ホイールセンターキャップにはメーカーエンブレムが配されているのです。30年以上それらを見続けてきた結果、ここにメーカーエンブレムがあることが自然に感じるように刷り込まれました。何もないととても寂しく感じるのです。
そして、外装にメッキパーツの多いスピットファイアの場合、エンブレムに金属光沢を持たせることで、足元にアクセントが付けられると考えました。そこで、トライアンフのエンブレムを金属3Dプリントで作り、それを取り付けたホイールセンターキャップを作ることにしました。
パーツレビューの方に書いたことと被ることも多いのですが、その製作過程の詳細を整備手帳に記録しておくことにします。正直、これは車の整備ではないと思いますが、他に車用パーツ製作を書き残す場所が見当たらないので、ここに記します。
なお、これは1月までに行った作業です。記録が遅くなりました。3Dプリントするまでと、それを使ってセンターキャップの形に仕上げるまでとの2つに分けて記録します。
一般的になってきたとはいえ、本格的な金属3Dプリントは家庭でできるようなものではありません。工業用の金属3Dプリンターを使って、製造を請け負ってくれる業者に作ってもらいます。
そのため、やることのほとんどは、作るものをモデリングしてCADデータを作ることです。最終的に形にするモデルデータだけを業者に送れば、プリントに必要なデータ前処理は全部やってもらえますので、作りたい最終イメージだけをモデリングすれば良いです。
そこで、どうやってゼロからモデルを作ったのかについて説明します。肝心のエンブレムの形を作るところからです。
まずは、トライアンフのエンブレム画像をネットで拾ってきて、輪郭をトレースした線画図形(ベクトル図形)を作ります。これには、inkscapeというソフト(無償)を使いました。白黒画像や濃淡画像から、境界線(BRep)を自動生成する機能を使います。
この画像にあるように、右側の羽根（縦格子グリルがモチーフらしい）に関しては、左図の白黒エッジのところを出っ張らせたいので、そこだけ入れ替える別図形を作ったりしています(右図)。
出来上がったベクトル図形(.svgデータ)をFreeCADにインポートすると、3D CAD上での2D図形（scketchと呼ばれる）に変換できます。
ただし、前工程で画像を基に自動生成されたBRepは、線と線の間隔が均一ではなかったり、連続した部位の曲率変化が滑らかではなかったりします。また、すべての線はベジェ曲線となっています。
そのままでも、実際には誤差として問題にならないレベルかも知れませんが、幅が不均一なままで製造するのは気持ち悪いので、それをベースにscketchを書き直しました。
図形を直線と楕円弧のみで書き直し（≒ベジェ曲線はやめて）、線と線の間隔が同じになるように値を入力し直しました。途切れ途切れの曲線部は、同一の楕円から切り取った楕円弧にしています。
2D図形であるsketchを直交方向に押し出して、厚みのある立体図形にします。
それを汎用のホイールセンターキャップに貼り付けるためのベース板の上に配置した様子です。
最初、そのベース板を裏側を球面でくり抜くようにモデリングしました。これは、貼り付けようと思っていた汎用のホイールセンターキャップの表側が球面状だったためです。
6で出来上がったCADデータを使って、JLC3DPにオンラインで製造を依頼して出来上がってきたものがこちらです。
エンブレムはほぼ思った通りにできてきました。しかしながら、ベース板の裏側を球面にしたはずなのに、裏側が真っ平になって、表側が球面状に窪んだ形となってできてきました。これでは、ホイールキャップへの安定的な取り付けができなさそうです。
金属3Dプリントには原理の異なるいつくかの方式がありますが、このときには、BJ法(Binder Jetting)による製造を選択していました。BJ法では、金属粉を液状のバインダーで固めて形を作り、それでできた脆い立体構造物を炉で焼いて(焼結工程)最終形にします。おそらく、裏側の球面側を下にして置かれた状態で焼結され、そのときに変形して真っ平になったのではないかと思われます。
ちなみに、この焼結工程で最大20%も収縮するそうです。その収縮を事前にシミュレーションすることで、焼結後にちょうどいいサイズになるようにプリントモデルを事前に加工するのだそうです。
関連して、金属3Dプリント方式に関しては、ここに少し書きました。
ホイールキャップからエンブレムが脱落するようなことを起こしてはならないので、設計を見直すことにしました。
当初は、6のように裏面全体でホイールキャップに面密着するように球面にしたのですが、固定方法を変更します。エンブレムの周囲全周を汎用ホイールキャップに線状に当て付けて、中心に柱を立ててそれで引き寄せる構造にすることにしました。
左が当初のもので、右が修正後の断面図です。修正後は、ベース板を均一な厚さにして、周囲だけ円弧の回転体にしています。そして、真ん中に柱を立てました。
これが、裏側の比較です。
表側はほぼ同じですが、周囲のRをできるだけ滑らかにしたくなったので、エンブレムぎりぎりまでのRにしました。
修正した新しいCADモデルを使って、出来上がってきたものがこちらです。
エンブレムもきれいに仕上がり、表側が真っ平で、裏側も思った通りの形に仕上がってきました。うまくいったので、同じものを3つ追加で製造依頼しました。
これが修正版の3Dプリントにかかった費用です。1個目が14.6ドル、追加3個が30.59ドルでした。これには送料が含まれています。クーポン値引きもありました。
製造の明細です。BJ法を用いたステンレス316Lで製造しました。
ここで重要な項目はVolumeです。JLC3DPでの3Dプリントでは、使った材料の量で値段が決まるようで、このVolumeに比例して値段が決まります。
修正後のモデルの方が柱があったりしてより複雑な構造をしていると思いますが、修正前の方が板の厚みのために体積が大きく、そちらの方が高額なのです。構造の複雑さは料金に関係しません。送料を抜いた製造費で、修正前は$13.79、修正後は$11.60でした。
3Dプリントする上では、如何に体積を小さく作るのかが重要であるということを学びました。
《おまけ》ちょっと失敗した最初の一つは、もったいないので、SA-GIRLの装飾に活用しました。
これを使って、ホイールセンターキャップに仕上げる工程は、次の整備手帳に記載します。
関連情報URL : 【パーツレビュー】自作 トライアンフ エンブレム ホイールセンターキャップ