ラピッドプロトタイピングプロセス：知っておくべきことすべて

ラピッドプロトタイピングは数十年前から利用されてきました。しかし、過去と現在ではその利用方法は異なります。以前は、メーカーは物理的な製品モデルを作成するために従来の手法を用いる必要がありました。このプロトタイピングは、時間がかかり、時間のかかるプロセスのため、非常に困難でした。しかし、ラピッドプロトタイピングプロセスの導入により、状況は変わりました。

 

その理由は、ラピッドプロトタイピングではコンピューター化されたデータや指示書を使用するためです。これにより、数日や数ヶ月ではなく、文字通り数時間でモデルを作成できます。プロトタイピングプロセスにはさまざまな種類があり、それぞれ仕組みが異なります。この記事では、ラピッドプロトタイピングの基本と一般的な手法について解説します。それでは、早速始めましょう。

 

ラピッドプロトタイピングとは何ですか?

まず第一に、「ラピッド」とは「速い」という意味で、このプロセスのスピードを指します。ほぼすべての現代産業において、製品の初期モデルを発売前に確認するために使用されています。

 

ラピッドプロトタイピングは、製品開発において用いられるプロセスです。コンピューターによる指示を用いて、製品のプロトタイプ（モデル）を非常に迅速に作成するのに役立ちます。このプロセスでは、3Dプリンターや射出成形機などの最新機械が使用されます。ラピッドプロトタイピングは、物理的な方法ではなく、デジタル製造技術を採用しています。これにより、数分ではなくとも数時間でプロトタイプを作成できます。

 

ご存知のように、現代の製造業者は激しい競争に直面しています。そのため、製品の改良と信頼性の向上に全力を注いでいます。このような場合、プロトタイピングはテスト用の初期製品モデルの開発に役立ちます。従来の印刷方法は非常にコストがかかる場合があります。なぜでしょうか？

 

それは、高価で動作が遅いツールを使用するためです。そこでラピッドプロトタイピングが真価を発揮します。このプロセスでは、プロトタイプが必要な製品のCADモデルを作成します。これらのモデルは、熟練したCAD設計者が精密に作成することを忘れないでください。 CAD設計における小さなミスが最終製品（プロトタイプ）の精度に影響を与える可能性があるため、このステップは非常に重要です。

 

CAD設計が完成したら、次のステップはデジタルファイルをコード化された命令セットに変換することです。これは、当社の機械がデジタルファイルではなくコードのみを理解できるためです。このために、CAD設計をSTL形式のコードに変換する高度なソフトウェアが使用されます。このコード化された命令は、使用する機械に送られます。使用する機械は製造工程によって異なります。

 

機械は命令を解析した後、最終製品（プロトタイプ）を製造します。機械によるプロトタイプの作製方法は製造プロセスによって異なります。積層造形（アディティブマニュファクチャリング）では、機械が層ごとに製品を製造します。切削加工（サブトラクティブマニュファクチャリング）では、機械がワークピースから材料を切削して除去します。その結果、プロトタイプ（製品）が作製されます。このプロトタイプ製作プロセス全体は数時間で完了するため、プロトタイプを迅速に作成できます。

 

ラピッドプロトタイピングの利点は何ですか?

ラピッドプロトタイピングは、様々な業界で広く普及しています。これは、迅速なモデル作成が可能で、非常に柔軟性が高いためです。ラピッドプロトタイピングの主なメリットは次のとおりです。

 

• 廃棄物の削減と最適化

ラピッドプロトタイピングで使用される機械は非常に高精度です。大量の材料を使用せずに製品（プロトタイプ）を製造します。簡単に言えば、製品の製造に必要な材料のみを使用します。これにより廃棄物が削減され、プロセスがより効率的になります。

 

• 製品開発の高速化

ラピッドプロトタイピングは、そのスピードで知られています。CADモデルがあれば、その設計からわずか数分または数時間で物理的なプロトタイプを作成できます。3DプリンターやCNCマシンなどの最新の機械は、コンピューターによる指示に従って動作します。そのため、設計を高精度に物理的なモデルに瞬時に変換できます。

 

• 柔軟性と設計変更

従来の方法は柔軟性に欠けます。しかし、ラピッドプロトタイピングでは、CADモデルを修正し、その変更ごとにプロトタイプを作成できます。これにより、さまざまな設計を試すことができます。一方、CADモデルが最適でない場合は、新しいモデルを作成して迅速にプロトタイプを作成できます。

 

• 可視化と複雑な形状

ラピッドプロトタイピングの際立った特徴の一つは、その精度です。前述の通り、このプロセスはコンピューター化された指示（コード）に基づいています。そのため、複雑な形状の製品も簡単にプロトタイプできます。プロトタイプモデルの寸法は、使用するCADモデルの寸法と一致します。

 

• コスト削減とツール不要

従来のプロトタイピング方法では、金型などの専用ツールが必要でした。しかし、ラピッドプロトタイピングでは、専用の機械以外に追加のツールは必要ありません。製品の製造に必要なのは、プリンターまたは射出成形機の1台だけです。これは、特に予算が限られている場合、コスト削減の大きなメリットとなります。

 

最も人気のあるラピッドプロトタイピングプロセス

ラピッドプロトタイピングは単一のプロセスのように思えるかもしれません。しかし、実際には複数のプロセスが製品のプロトタイプ作成に用いられます。以下のセクションでは、最も一般的なラピッドプロトタイピング手法について説明します。

 

1- 3Dプリンティング

 

前述の通り、ラピッドプロトタイピングには主に2つの製造プロセスがあります。それらは以下の通りです。

 

• 積層造形
• 切削造形

 

3Dプリンティングは、専用のプリンターを用いた積層造形です。このプリンターは、プロトタイプ（物体）を層ごとに作成します。このラピッドプロトタイピングで使用される一般的な材料には、プラスチック、ゴムなどがあります。3Dプリンティングには、以下の種類があります。

 

• SLA（光造形法）
• SLS（選択的レーザー焼結法）
• FDM（熱溶解積層法）
• DMLS（直接金属レーザー焼結法）

 

これらの3Dプリンティング手法はそれぞれ動作が異なります。しかし、基本的なメカニズムはどの種類でも同じです。まず、CADモデルを作成し、コードファイルに変換します。このファイルは3Dプリンターに送られ、プリンターはそれに従って動作します。材料（プラスチックフィラメント）は紫外線下で溶融・硬化します。

 

プリンターは層ごとに最終プロトタイプを作成します。私は3Dプリントをラピッドプロトタイピングに最適な方法だと考えています。なぜでしょうか？それは、デザインを迅速に調整できるからです。さらに、この方法は他のラピッドプロトタイピングプロセスよりも費用対効果が高いからです。プロトタイピングだけでなく、本格的な製造プロセスにも適しています。

 

2- 射出成形

 

射出成形は、もう1つのプロトタイピング方法です。この方法では、材料を溶かして金型に注入します。その後、溶融した材料は冷却・固化し、金型の形状に沿って最終製品を形成します。専用の射出成形機と金型が必要です。

 

この方法はプロトタイプの作成に使用されますが、私はお勧めしません。なぜでしょうか？それは、専用の金型が必要になるからです。プロトタイプごとに金型を作成する必要があるからです。金型は試作品と形状が同一になります。金型の製作は複雑で非常にコストのかかるプロセスです。そのため、試作品ごとに専用の金型を用意するのは賢明ではありません。

 

かつては、速度の遅い手動の射出成形機が使用されていました。しかし、高度な機械をコンピュータ制御するようになったため、状況は変わりました。大規模な試作品を製作する必要がある場合は、射出成形を使用する必要があります。金型のコストが高いため、この方法は小規模な試作品には適していません。

 

3- CNC加工

 

CNC加工は、ラピッドプロトタイピングにおいて最も普及している手法の一つです。これは、ワークピースから材料を削り取る減算型製造プロセスです。プロトタイピングに使用されるCNC工作機械には、以下の種類があります。

 

• CNCフライス加工
• CNC旋削加工
• CNCルーティング加工
• 多軸CNC加工
• CNC放電加工（EDM）

 

上記の各手法は、専用の工作機械を使用します。例えば、専用のCNCフライス加工機は、旋削加工にCNC旋盤を使用します。興味深いことに、CNC工作機械は専用のコンピュータ化された指示を使用します。まず、CADモデルを作成し、それをコードに変換してCNC工作機械に入力する必要があります。

 

切断・成形するワークピースを工作機械にセットします。電源を入れると、切削工具が（コード化された）指示に従ってワークピースを切削します。この間、カッターはワークピースから材料を削り取り、CADモデルと同一のプロトタイプを製作します。この方法では、CNC工作機械にコンピューターデータを与え、原材料から試作品を作成します。

 

ラピッドプロトタイピングにCNC工作機械を検討すべきでしょうか？はい。この方法は、材料を無駄にすることなく、高精度な試作品を製作できるからです。また、CNC工作機械を使用すれば、大型試作品も小型試作品も製作できます。ただし、試作品の形状によっては、異なる機械が必要になる場合があります。例えば、円筒形の製品を作るには旋盤が必要です。

 

4- 真空鋳造

 

真空鋳造は、小規模試作品製作に使用されるもう1つの方法です。基本的な動作原理は射出成形と似ていますが、射出成形は大量生産に適しています。一方、真空鋳造は少数の試作品製作に最適です。この試作品製作方法では、射出成形で使用される金属製の型ではなく、シリコン製の型を使用します。

 

この型に溶融した材料（プラスチック）を流し込み、物体（試作品）を製作します。注目すべきは、溶融材料を金型に注入する際に真空状態で行うことです。なぜでしょうか？それは、金型内に気泡が入り込むことなく注入できるためです。その結果、優れた品質の製品が得られます。この方法は、複数の部品で構成される組立製品の製造において一般的に好まれます。

 

ラピッドプロトタイピング手法の選び方

 

前述の通り、プロトタイピング手法には様々な種類があり、それぞれに特徴があります。また、多数のプロトタイプに適した手法と、少数のプロトタイプに適した手法があります。適切なラピッドプロトタイピング手法を選ぶためのヒントをいくつかご紹介します。

 

1- 数量要件

まず、必要なプロトタイプの数を分析します。これらのプロトタイプは、投資家にプロジェクトを納得してもらうためのものです。1～3個のプロトタイプの場合は3Dプリントを使用します。一方、15～50個のプロトタイプの場合は、一般的に真空鋳造が最適です。最後に、100個を超えるような多数のプロトタイプが必要な場合は、射出成形が最適です。

 

2- 強度と機能性

場合によっては、より強度が高く、完全に機能するプロトタイプが必要になることがあります。そのような場合は、CNC加工を検討する必要があります。この方法では、金属材料を使用して非常に強度の高いプロトタイプを製造します。さらに、3Dプリント、特にSLSは、プラスチック材料から完全に機能する製品を製造できます。射出成形や真空鋳造は、強度の高いプロトタイプの製造には適していません。

 

3- 材料要件

ラピッドプロトタイピングは特定の材料に限定されません。ニーズに応じて、プラスチック、金属、ゴムなどを使用できます。プラスチックのプロトタイプを作成する場合は、3Dプリントが最適です。一方、CNC加工は金属プロトタイプの製作に最適なラピッドプロトタイピング手法です。これらのプロトタイピング手法では、あらゆる金属を使用できます。さらに、真空鋳造と射出成形は、ゴムとプラスチックの両方に使用できます。

 

4- 設計の複雑さ

各ラピッドプロトタイピング手法は、設計の複雑さという点でそれぞれ異なります。複雑な形状のプロトタイプには、CNC加工の使用をお勧めします。一方、3Dプリントは、内部チャネルや格子構造を持つ製品に適しています。最後に、射出成形と真空鋳造は、設計の複雑さという点では似ています。適切な金型形状があれば、これらの方法を用いて複雑なデザインを作成できます。使用する金型は、作成したいモデルと適合している必要があります。いずれの方法もコンピュータ化されたシステムを使用しているため、複雑な形状でも最適な精度が得られます。

 

5- 予算と時間

予算に合ったラピッドプロトタイピング方法を選択することが重要です。3Dプリントは、プロトタイプを迅速に製造する最も安価な方法です。同様に、CNC加工は価格が手頃でありながら、非常に高速です。CNC加工の精度も最高レベルであるため、複雑なプロジェクトに最適です。一方、射出成形は、射出成形用金型を必要とするため、最も高価なプロトタイピング方法です。金型の作成には時間と費用の両方がかかるため、予算が限られたプロジェクトには適していません。

 

結論

 

結論として、ラピッドプロトタイピングはサンプル製品を作成するための優れた方法です。このモデルは、アイデアやコンセプトの品質と機能性を確認するのに役立つ小型のテスト製品です。さらに、このモデルを投資家に提示することで、プロジェクトへの投資を促せる可能性があります。

 

ラピッドプロトタイピングでは、様々な技術とプロセスが用いられます。それぞれの手法は独自のものであり、様々な材料と互換性があります。材料、数量要件、予算に合ったプロセスを選択する必要があります。この記事では、ラピッドプロトタイピングとその手法について詳しく説明しました。