ラピッドプロトタイピングのさまざまなタイプ

ラピッドプロトタイピングは、現代の製造業において重要なステップです。その理由は、製品のサンプルやモデルを作成するのに役立つからです。このモデルをテストすることで、最終製品が機能するか、特定の要件を満たすかを確認できます。この方法は迅速であるため、プロトタイプを非常に短時間で製造できます。興味深いことに、ラピッドプロトタイピングにはさまざまな種類があります。

これらの方法はすべて精度が高く、プロトタイプの作成に最適です。ただし、これらのプロトタイピング方法は動作原理が異なります。切削工具を使用してプロトタイプを作成するものもあれば、溶融材料を使用するものもあります。この記事では、ラピッドプロトタイピングの基本的な種類について解説します。それでは始めましょう。

ラピッドプロトタイピングの概要

前回の記事では、ラピッドプロトタイピングのプロセスについて詳しく解説しました。製品開発におけるこの重要なステップについて基礎知識がない方は、前回の記事をご参照ください。まずは、ラピッドプロトタイピングとは何かを簡単に見ていきましょう。

ラピッドプロトタイピングとは、3Dデザインから製品のサンプルまたはモデルを作成する手法です。このサンプルはプロトタイプと呼ばれ、最終製品の性能を確認するために用いられます。ラピッドプロトタイピングでは、CADモデルと高度な機械を使用してプロトタイプを製作します。この製造方法の最大の特徴は、そのスピードです。

製品開発において、加工後の製品の状態をテストすることは非常に重要です。テストを行わなければ、製品の性能を確実に把握することはできません。そこで、ラピッドプロトタイピングが役立ちます。この手法では、テスト用のサンプルやプロトタイプを迅速に作成できます。プロトタイプが一定の基準を満たした場合にのみ、メーカーはその製品の大量生産を開始します。 

しかし、試作品が機能しない場合は、生産を継続しません。代わりに、設計を見直したり、最終製品が機能するように調整したりします。ラピッドプロトタイピングは、最終製品の機能に影響を与える可能性のあるエラーを検出するのに役立ちます。ラピッドプロトタイピングは、迅速なだけでなく、非常に費用対効果が高いという点も注目に値します。

試作品（サンプル）を少量で非常に手頃な価格で作成できます。ラピッドプロトタイピングは特定の業界に限定されるものではありません。むしろ、ほぼすべての分野のメーカーが製品の品質チェックにラピッドプロトタイピングを活用しています。ラピッドプロトタイピングを主に利用している業界には、航空宇宙、自動車、医療などがあります。精度が重要な部品や製品は、一般的に製造過程で試作品が作成されると言えるでしょう。

ラピッドプロトタイピングの種類

先ほども述べたように、ラピッドプロトタイピングには様々な種類があります。つまり、プロトタイプを作成する際に複数の選択肢があるということです。これは製品開発プロセスにおいて非常に役立ちます。それでは、ラピッドプロトタイピングの基本的な種類について詳しく見ていきましょう。

1- 3Dプリンティング

 3Dプリンティングは、数十年にわたり使用されてきた非常に迅速なプロトタイピング手法です。この技術では専用の3Dプリンターを使用します。印刷にはプラスチックや樹脂が用いられます。これらの材料が溶融し、プリンターヘッドが移動して溶融した材料を層状に堆積させることで最終的なプロトタイプを構築します。溶融した材料が固まることで最終製品が完成します。

3Dプリンターは、専用のコンピュータ命令に基づいて動作します。まず、プロトタイプのCADモデルが生成され、コードとしてプリンターに送信されます。3Dプリンターはこのコードを実行して、最終製品と同一のプロトタイプを作成します。このプロトタイピング方法は非常に高速で、金型などの高価なツールを必要としません。3Dプリンティングにはさまざまな種類があり、それらについては後述のセクションで説明します。

2- 光造形法（SLA）

これはSLA 3Dプリンターを使用する3Dプリントの一種です。3Dモデルまたはデザインがこのプリンターに入力され、指示に従って印刷されます。この印刷方式では、レーザー光源が樹脂を層状に硬化させます。主要材料である液体樹脂がタンクに注がれます。レーザー光源は、タンク内の液体樹脂の表面にレーザービームを照射します。

これらのレーザーは樹脂を硬化させ、層を形成します。その後、造形プラットフォームが移動するにつれて、2層目が造形されます。レーザーは再び樹脂を硬化させ、2層目を形成します。このようにして、SLA 3Dプリンターの造形プラットフォームが移動し、レーザーは液体樹脂の硬化を続けます。こうして、プリンターは最終的な製品が完成するまで層を作り続けます。この方法は、プロトタイプを作成するのに最も迅速かつ効果的な方法です。

3- 溶融堆積モデリング（FDM）

 このラピッドプロトタイピング方式は非常にコスト効率が高く、広く利用されています。まず、設計図（3Dモデル）をプリンターに入力します。この方式では、PLA、ABS、ナイロンなど、さまざまな材料を使用できます。プリンターはまず材料を溶融させ、溶融状態になるようにします。

その後、プリンターノズルが液体材料を層状に吐出し、最終製品を形成します。このプリンターノズルの動きは、指定された3Dモデルまたは指示に従って非常に精密に行われます。溶融した材料は冷却され、固化します。その後、これらの層が固化して最終的な製品が形成されます。

4- 選択的レーザー焼結（SLS）

SLSは複雑な形状のプロトタイプ作成に有効です。この方式では、粉末状の原材料を使用します。この方式で使用される3Dプリンターには専用のベッド（造形台）があります。プリンターには専用のローラーまたはブレードがあり、これが移動してベッド上に粉末の層を広げます。その後、レーザー光源が粉末粒子を溶融、融合させ、層を形成します。

その後、3Dプリンターのローラーが最初の層に押し当てられ、その上に2番目の層が敷き詰められます。次にレーザーが粉末粒子を溶かし、融合させて2番目の層を形成します。このようにして、3Dプリンターは作業を続け、層を一つずつ積み重ねていきます。その結果、粉末状の原材料から最終的な製品が完成します。

5- デジタルライトプロセッシング（DLP）

この3Dプリント方法は、ステレオリソグラフィーに似ています。タンク内の樹脂を硬化させます。ただし、DLP方式ではレーザーを使用して樹脂を硬化させるのではなく、樹脂の表面に集束させたデジタル光を使用します。このデジタル光は、従来の光と同様に樹脂を硬化させる役割を果たします。この硬化によって、樹脂タンク上に層が形成されます。

3Dプリンターの造形プラットフォームが移動します。デジタルライトが樹脂の2層目を硬化させます。このようにして樹脂は層状に硬化し、最終製品が形成されます。造形プラットフォームの移動とデジタルライトの焦点はCADモデルによって制御される点が特筆すべきです。細部まで精巧なプロトタイプを作成したい場合、これは迅速なプロトタイピング手法と言えるでしょう。

6- 電子ビーム溶解（EBM）

このラピッドプロトタイピングの動作原理は、選択的レーザー焼結（SLS）と類似しています。3Dプリント時に粉末材料を使用し、粒子を溶融・融合させて層を形成します。SLSとは異なり、電子ビーム溶融ではレーザーは使用しません。代わりに、電子ビームを用いて粉末粒子を溶融・融合させます。

 

これらの粒子は完全に融合して層を形成します。3Dプリンターには、ブレードが移動して最初の層の上に新しい粉末層を広げます。次に、電子ビームが2番目の粉末層を溶融・融合させます。このようにして、複数の層が積み重ねられ、最終的な製品が形成されます。この方法は、粉末粒子を融合させるために電子ビームを使用するため、非常に高速です。

7- 選択的レーザー溶融（SLM）

このラピッドプロトタイピング方式は、主に金属プロトタイプの製作に用いられます。この方法の動作原理は選択的レーザー焼結に似ています。ただし、この方法では、原料（金属粉末）をベッド上に広げます。次に、レーザー光が金属粉末を溶融させます。溶融した粉末は凝固し、層を形成します。

その後、3Dプリンターは最初の層の上に別の粉末層を広げます。こうして、レーザーが2番目の層を最初の層の上に溶かし込みます。この方法では、層を積み重ねることで最終的な金属製品が作られます。SLSは粉末粒子を融合させる方式ですが、SLMは単に融合させるだけでなく、粉末を溶かして層を作る方式です。

8- バインダージェット方式

この3Dプリント方式では、原材料を溶融する必要はありません。興味深いことに、この方式では液体状のバインダースプレーを使用します。粉末状の材料（金属、セラミック、プラスチックなど）をベッド上に広げます。その後、3Dプリンターが粉末粒子を結合するバインダー液をスプレーします。このバインダーによって粒子同士がくっつき、融合して最初の層が形成されます。その後、プリンターは最初の層の上にさらに粉末粒子の層をスプレーします。

次に、この2層目に液体バインダーを噴霧します。これにより粒子が結合し、2層目が形成されます。このようにして、3Dプリンターは最終製品を層ごとに構築していきます。このラピッドプロトタイピング方式では、CADモデルがプリンターを制御することを覚えておいてください。この方法で作られた部品は強度がそれほど高くないため、欠点となる場合があることを覚えておいてください。強度と硬度を向上させるには、後処理が必要になります。

9- CNC加工（高速CNCプロトタイピング）

CNC加工は、ワークピースを切削する人気の高いラピッドプロトタイピング手法の一つです。この方法では、ワークピースから材料を除去して、製品の目的の形状の部品を作成します。この加工方法の例としては、フライス加工、旋削加工、研削加工などがあり、他にも多くの種類があります。現代のCNCベースの機械は、加工作業に使用されます。これらの機械はCAD設計（モデル）に基づいて動作するため、精度が向上します。

切削工具は、コンピュータ制御されたコードに従って材料を切削します。一般的に、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属はCNC加工に適していますが、木材やプラスチックなどの材料も使用できます。このラピッドプロトタイピングは非常に高速で、製品開発の遅延を防ぎます。特に強度に優れたプロトタイプを作成する場合は、CNC加工の使用をお勧めします。

10-高速射出成形および真空鋳造

 射出成形と真空鋳造は、どちらもラピッドプロトタイピングの手法として似ています。しかし、生産規模が異なります。少量のプロトタイプが必要な場合は真空鋳造を用いるべきです。一方、射出成形はプロトタイプの大量生産に適しています。射出成形では、原材料を溶融し、それを金属金型に流し込みます。

金型は、目的のプロトタイプの形状を複製したものです。金型に流し込まれた溶融材料は冷却・固化して、最終的な形状の製品を形成します。このラピッドプロトタイピング法では、プラスチックとゴムの両方の材料を使用できます。最新の射出成形機は自動化されており、非常に高速です。真空鋳造も溶融材料を金型に流し込む工程ですが、真空鋳造で使用される金型は特にシリコーン製です。

結論

結論として、ラピッドプロトタイピングはモデルやサンプルを作成する優れた方法です。これは製品開発プロセスにおいて非常に役立ちます。エンジニアや製造業者はサンプルをチェックして、最終製品が要件を満たすかどうかを確認できます。サンプルに問題があれば、製造業者は最終製品の生産を中止します。これにより、機能しない製品を作ってしまうことを防ぐことができます。現代の製造業では、さまざまな種類のラピッドプロトタイピングが使用されています。この記事では、プロトタイピングに同様に効果的な上位10種類のラピッドプロトタイピングについて説明しました。