FreeCADで基板固定ボスを設計！インサートナットやネジ穴の作り方

「基板をケースに入れたけど、中でカタカタ動いてしまう……」
「ネジで固定しようとしたら、プラスチックの支柱が根元から折れてしまった！」
「インサートナット用の穴って、何mmで設計するのが正解なの？」

電子工作のデバイスを完成させる最後の難関、それが「基板の確実な固定」です。ただ箱に入れるだけでは、ボタンを押した時に基板が逃げたり、端子が壊れたりする原因になります。

本記事では、FreeCAD 1.0.2を使って、基板をネジ止めするための「ボス（支柱）」を設計する方法を解説します。正確な位置決めから、強度の高いネジ穴の作り方まで、実務で使える「基板固定 ボス 設計」のテクニックを網羅しました。

この記事を読み終える頃には、あなたの作るケースは「ただの箱」から、本格的な「電子機器の筐体」へと進化しているはずです！

1. ベースとなる箱形状の作成

まずは、基板を収めるための「外箱」の底面から作っていきます。ここでは第21回でスプレッドシートに登録した変数（エイリアス）を活用し、後からサイズ変更が可能なパラメトリックな設計を行います。

FreeCAD 1.0.2の [Part Design] ワークベンチでボディーを作成し、底面となるスケッチを描きましょう。この時、外寸は以下の計算式で定義するのがコツです。

• 横幅：基板幅 + (クリアランス × 2) + (壁の厚み × 2)
• 縦幅：基板奥行 + (クリアランス × 2) + (壁の厚み × 2)

このように数式で管理することで、基板のサイズや3Dプリンターの精度（クリアランス）が変わっても、一瞬で箱のサイズを修正できるようになります。

2. 採寸データに基づき基板配置を決める

次に、箱の中のどこに基板を固定するか、「ボスの中心位置」を決定します。ここで活躍するのが「外部参照」の機能です。

第21回でノギスを使って測った「基板の端からネジ穴までの距離」を正確に入力します。ケースの内側のカドを参照線（マゼンタ色の線）として取り込み、そこからの距離でボスの位置を固定しましょう。

FreeCAD 1.0.2では、スケッチ内で [点を作成] ツールを使い、それぞれの点に座標を割り当てるのが最も効率的です。この「点」が、後に作成する円柱（ボス）の中心点になります。

3. ネジ留め用「ボス（支柱）」の設計テクニック

ボスは基板を支える重要な柱です。細すぎるとネジを締めた際に割れてしまい、太すぎると基板上の他の部品に干渉してしまいます。

ボスの外径と高さの目安

一般的に、M3ネジ（直径3mm）を使用する場合、ボスの外径は 6.0mm 〜 7.0mm 程度に設計します。肉厚が片側1.5mm以上あると、3Dプリント品としての強度が安定します。

高さについては、基板裏面のハンダの飛び出し（ツノ）がケースの底に当たらないよう、3.0mm 〜 5.0mm 程度浮かせるのが理想的です。これもスプレッドシートの変数 boss_h などで管理しましょう。

💡 プロの知恵：根元の補強
ボスの根元には必ず [フィレット] をかけましょう。ほんの 0.5mm 程度の丸みをつけるだけで、応力集中が分散され、ボスの折れ強度が劇的に向上します。

4. 直接ネジ止め vs インサートナット

ボスの中心に開ける「穴」の設計は、固定方法によって数値が全く異なります。ここが「基板固定 ボス 設計」で最も注意すべきポイントです。

FreeCAD 1.0.2では、ボスの上面にスケッチを描き、[ポケット] 機能で穴を開けます。深さは、ネジの長さ（例：6mm）に対して1mmほど余裕を持たせた設計にしてください。

5. 配線の逃げと底面リブの追加

基板が固定できても、配線が壁に挟まって断線しては意味がありません。最後の仕上げとして、中身の環境を整えましょう。

• 配線逃げの設計：基板の端とケースの壁の間に、コネクタやワイヤーが通るスペースを確保します。必要であれば、ケースの壁の一部を [ポケット] で切り欠きます。
• 底面リブ（補強板）：ケースが大きい場合、底面がたわむことがあります。ボス同士を繋ぐように高さ1mm程度の細い壁（リブ）を立てることで、ケース全体の剛性を高めることができます。

これらすべてを [Part Design] の中で完結させることで、機能的で美しいケースが完成に近づきます。

よくあるトラブルと解決策

Q：ボスの位置がズレて基板の穴に入らない！
A：ノギスで測った「基板の角」と、FreeCADで設定した「基準点」が一致しているか再確認しましょう。また、3Dプリンターの誤差を吸収するために、ボスの穴径ではなく「基板のネジ位置」そのものに 0.2mm 程度の遊び（ルーズホール）を設計に持たせるのも有効です。

Q：ネジを締めたらボスが縦に割れてしまった……
A：3Dプリントの積層方向に注意が必要です。ボスは垂直に積み上がるため、横方向の力には強いですが、中から押し広げる力には弱いです。壁の厚みを増やすか、スライサー設定で「壁のライン数（ウォールカウント）」を増やして、ボスが100%充填されるように設定してみてください。

5. まとめ

今回は、ケース設計の心臓部である「基板固定ボス」の設計について学びました。

• 外箱のサイズはスプレッドシートの変数を使って、クリアランス込みで算出する。
• ボスの配置は外部参照を使い、基板の正確な座標データに基づき決定する。
• 固定方法（直接 or ナット）に合わせて、穴径を 0.1mm 単位で調整する。
• 根元のフィレットが、実用強度を出すためのプロの隠し技。

これで、基板がしっかりと安定して収まる「ボトムケース」の土台が完成しました。

次回は、今回作ったケースの横壁に「USBポートやスイッチ用の穴」を開ける方法を解説します。斜めの面や側面に正確な穴を開けるための「データム平面」の使い方をマスターしましょう！

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※本ブログはこの一文以外は、AIによる記載です。内容にウソが含まれている可能性がありますので、ご注意ください。写真もAIで作成しています。

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