GD&Tとは何か、なぜ重要か
幾何公差（GD&T、Geometric Dimensioning and Tolerancing）は、部品の形状・姿勢・位置を定義するための記号言語です。単なる±の寸法公差が、その形状がどれだけの大きさでよいかしか示さないのに対し、GD&Tはどこに無ければならないか、形がどれだけ崩れてよいかまで規定します。機能を加工現場に伝えるための、エンジニアの標準的な手段です。
GD&Tが効くのは、生の寸法ではなく、実際に嵌合や機能に影響するものを管理できるからです。線寸法がまったく同じ二つの部品でも、穴がずれていたり面が反っていたりすれば、うまく組み付きません。幾何を直接指定すれば、効かない寸法は緩め、本当に効く寸法だけを締められます——結果としてコストを下げながら、製品を良くできるのです。
データム：基準となる座標系
データムとは、部品の残りの寸法を測るよりどころとなる、理想的な基準——平面・軸・点——のことです。実在の面は決して完全ではないため、データムは理論上厳密なアンカーとして公差を支えます。GD&Tのあらゆる指示は、最終的に一つ以上のデータムへ対象形状を結び戻します。
データムは意図を持って選びます。主データムは固定具に最初に当たる面、副・第三データムは残りの自由度で部品を位置決めします。安定していて、アクセスしやすく、機能上重要な形状を選び、小さな段差や使用中に動く形状は絶対に避けましょう。データムの順序が明確なら、検査も再現性を持ちます。
フィーチャーコントロールフレームの読み方
フィーチャーコントロールフレームは、GD&Tが収まる枠のことです。左から右へ、幾何記号、公差値、材料条件（ある場合）、そしてその公差が関係するデータム記号が並びます。図面上の引出線や三角印が、枠を管理対象の特定の形状に結び付けます。
この枠を読めるようになれば、GD&Tの大半は習得したも同然です。例えば「位置度 0.1 A B C」と読めば、ある形状の中心が、データムA・B・Cを基準とした直径0.1mmの領域内に収まらねばならないと分かります。残りの体系は、この簡潔で曖昧さのない表記のバリエーションにすぎません。
形状公差
形状公差は、データムを参照せずに単一の形状の形だけを制限します。真直度はエッジや軸の曲がりを、平面度は面のうねりを、真円度は断面の真円からのずれを、円筒度は円筒全体について同じことを抑えます。
形状公差は、図面上では正しく見えるのに手に取ると違和感がある、という部品に対する最初の防衛線です。例えばシール面に平面度を指定すれば、厚み寸法をどれだけ締めるより、はるかに直接的に漏れを防げます。問題が寸法ではなく面の形にあるときに使いましょう。
姿勢公差
姿勢公差は、形状の角度をデータムに対して規定します。直角度は壁を面に対して直角に保ち、平行度は二つの面の距離を一定に保ち、角度度は形状を指定角度に保ちます。形状公差と違い、関係を表すため必ずデータムを参照します。
取り付け面や穴でよく使われます。例えば穴の軸に、相手面を基準とした直角度を付ければ、穴の正確な位置にかかわらず、ピンやネジがまっすぐ立ちます。どちらを向いているかをどこにあるかから切り離せるわけで、±寸法がどうしても曖昧にしてしまう違いを、まさに明確にしてくれます。
位置度・位置に関する公差
位置度はGD&Tの主力です。データムを基準とした公差領域——たいていは真位置を囲む円筒か直方体——で、形状の中心がどこにあるかを管理します。同心度・対称度は、同軸形状や鏡像形状向けの関連する公差です。位置度を使えば、複数の寸法を、きつい数字の檻ではなく一つのすっきりした領域にまとめられます。
試作の嵌め合わせでは、線寸法を一つ一つ締めるより位置度を指定したほうが安く上がることがよくあります。ボルトを通すだけの二つの穴なら、絶対座標は緩いままで、余裕のある位置度を共有させれば済みます。使いもしない精度にお金を払わずに、毎回きちんと組み付く部品が手に入るわけです。
振れと輪郭度
振れ公差は、部品がデータム軸のまわりを回転するとき、面や軸がどれだけぶれるかを管理します——シャフト、シール、回転部品には欠かせません。円周振れは断面ごとに、全振れは全長まとめて調べます。輪郭度は、面の輪郭を真形状に対して、全周または一区間にわたって管理します。
輪郭度は、±寸法なら十か所もの測定が要るような曲線的・輪郭形状の部品で特に役立ちます。輪郭度一つで曲線全体を定義でき、図面も検査もシンプルに保てます。曲面を盛り込んだ筐体の試作には、心強い道具です。
GD&Tと±寸法公差の違い
±寸法公差は、形状が可能性の直方体の中ならどこへでも漂移することを許し、しかも全方向を同等に扱います。これに対しGD&Tは、機能が必要とする形——穴なら円、面なら帯——の、より厳しく明確な領域に、データムを介して形状を固定します。
実務上の差は、コストと明快さに出ます。良い嵌合を得ようと線寸法を過剰に締めると、関連する切削がことごとく高くつきます。GD&Tは実際の機能を狙い撃つので、関係ないところは緩め、効くところだけを締められます。結果は、役目を果たすのに、より安い部品です。
材料条件の修飾記号
材料条件修飾子は、材料がどれだけ存在するかに応じて公差を変えます。最大実体寸法（MMC）は、形状が最大または最小の極端にあるときに追加の公差を与え、最小実体寸法（LMC）はその逆、実体寸法にかかわらず（RFS）は公差を固定します。M・L・あるいは記載なしの記号が、枠内の公差値の後ろに置かれます。
MMCは試作・量産の穴で特に重宝します。穴と相手ピンが、組み付きやすい側の極端へそれぞれ寄れても、なお嵌合が成立するからです。このおまけの公差が、すきま嵌合と手直しの分かれ目になることもあります。機能が許すところで使いましょう。ただし、頼る前に仕組みをきちんと理解しておくことが前提です。
試作にGD&Tを適用する
初期の試作では、GD&Tは軽く留めます。緩い形状公差と広い寸法は、現場に余地を与え、検査も単純に保てるため、イテレーションが速くなりコストも下がります。厳しく締めるのは、設計が試験をくぐり抜け、どの形状が本当に嵌合を支配しているか分かってから、その重要な指示だけにします。
コントロールフレームは、前もって加工現場と共有しましょう。どのデータムと領域が効くかを理解した職人は、そこを外さずに保持しつつ、他を削り過ぎることもなく、こちらの意図どおりに部品を測定してくれます。試作における良いGD&Tは、完璧さを要求することではなく、意図を伝えることなのです。
判断チェックリストとFabProtoの支援
GD&Tを始めるときのチェックリストです。組み立て・機能に影響するデータムと公差だけを記す。安定してアクセスしやすい主・副・第三データムを選ぶ。きつい線寸法の檻より位置度を優先する。すきまが効く箇所にMMCを使う。そして初期試作では、それ以外はすべて緩める。
FabProtoはCNC加工・3Dプリント試作のどちらでもGD&Tを読み取って適用します。コントロールフレーム入りの図面をお送りいただければ、効くデータムと領域を保持し、ご指定に対する初物の実測結果をお返しし、コストを下げるために緩められる箇所を助言します。目指すのは、嵌って、機能して、余分にお金のかからない部品です。