製品開発のためのラピッドプロトタイピングガイド
プロトタイピングは製品開発プロセスの重要な部分ですが、従来はボトルネックでした。
製品の設計者とエンジニアは、基本的なツールを使用してその場しのぎの概念実証モデルを作成しますが、機能的なプロトタイプと生産品質の部品を製造するには、多くの場合、完成品と同じプロセスが必要でした。射出成形などの従来の製造プロセスでは、高価な工具とセットアップが必要であるため、少量のカスタムプロトタイプは非常に高価になります。
ラピッドプロトタイピングは、企業がアイデアを現実的な概念実証に変え、これらの概念を最終製品のように見えて機能する忠実度の高いプロトタイプに進め、一連の検証段階を通じて製品を大量生産に導くのに役立ちます。
ラピッドプロトタイピングにより、設計者とエンジニアはCADデータからこれまでになく高速にプロトタイプを直接作成し、実際のテストとフィードバックに基づいて設計をすばやく頻繁に改訂できます。
このガイドでは、ラピッドプロトタイピングが製品開発プロセスとそのアプリケーションにどのように適合するか、および今日の製品開発チームが利用できるラピッドプロトタイピングツールについて学習します。
ラピッドプロトタイピングとは何ですか？
ラピッドプロトタイピングは、3次元コンピューター支援設計（CAD）データを使用して、物理部品またはアセンブリの縮尺モデルをすばやく作成するために使用される一連の手法です。これらの部品またはアセンブリは通常、従来のサブトラクティブ法とは対照的に、アディティブファブリケーション技術を使用して構築されるため、このフレーズはアディティブマニュファクチャリングおよび3Dプリントと同義になりました。
アディティブマニュファクチャリングは、プロトタイピングに自然にマッチします。ほぼ無制限の形状の自由度を提供し、工具を必要とせず、従来の製造方法で製造されたさまざまな材料に厳密に一致する機械的特性を備えた部品を製造できます。 3D印刷技術は、1980年代から存在していましたが、コストが高く複雑であるため、大企業での使用がほとんど制限されていました。
設計者は3D印刷を使用して、デジタルデザインと物理的なプロトタイプをすばやく繰り返し、より早く生産に取り掛かることができます。
デスクトップおよびベンチトップ3D印刷の出現は、この現状を変え、停止の兆候を示さない採用のうねりを引き起こしました。社内の3D印刷により、エンジニアと設計者はデジタル設計と物理的なプロトタイプをすばやく繰り返すことができます。 1日以内にプロトタイプを作成し、実際のテストと分析の結果に基づいて、設計、サイズ、形状、または組み立てを複数回繰り返すことが可能になりました。最終的に、ラピッドプロトタイピングプロセスは、企業が競合他社よりも早くより良い製品を市場に出すのに役立ちます。
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概念をより速く実現して探索する
ラピッドプロトタイピングは、最初のアイデアを、すぐに実際の製品のように見える低リスクのコンセプト探索にまで高めます。これにより、設計者は仮想視覚化を超えて、設計のルックアンドフィールを理解しやすくなり、概念を並べて比較できるようになります。
アイデアを効果的に伝達する
物理モデルを使用すると、設計者は、画面上でデザインを視覚化するだけでは不可能な方法でアイデアを伝えるために、同僚、クライアント、および共同作業者と概念を共有できます。ラピッドプロトタイピングは、クリエイターがユーザーのニーズを理解し、デザインを改良および改善するために不可欠な、明確で実用的なユーザーフィードバックを促進します。
設計を繰り返して即座に変更を組み込む
設計は常に反復的なプロセスであり、最終製品に到達する前に、テスト、評価、および改良を複数回行う必要があります。 3D印刷によるラピッドプロトタイピングは、より現実的なプロトタイプをより迅速に作成し、変更を即座に実装する柔軟性を提供し、この重要な試行錯誤のプロセスを向上させます。
FormlabsSLAプリンターでプロトタイプ化されたピックアンドプレースロボットグリッパーの連続反復。
優れたモデルは24時間の設計サイクルです。作業中の設計、一晩でのプロトタイプパーツの3D印刷、翌日の清掃とテスト、設計の微調整、そして繰り返しです。
コストと時間を節約
3D印刷では、費用のかかる工具やセットアップは必要ありません。同じ機器を使用して、さまざまな形状を作成できます。社内のラピッドプロトタイピングにより、アウトソーシングに関連する高コストとリードタイムが排除されます。
相互の作用時間とコストの節約を計算する
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あなたの貯蓄を計算する徹底的にテストし、設計上の欠陥を最小限に抑えます
製品の設計と製造において、設計上の欠陥を早期に発見して修正することで、企業はコストのかかる設計の改訂や将来の工具の変更を回避できます。
ラピッドプロトタイピングにより、エンジニアは最終製品のように見えて機能するプロトタイプを徹底的にテストできるため、生産に移行する前に使いやすさと製造可能性の問題のリスクを軽減できます。
ラピッドプロトタイピングのアプリケーション
利用可能なさまざまな技術と材料のおかげで、ラピッドプロトタイピングは、初期のコンセプトモデルからエンジニアリング、検証テスト、製造に至るまで、製品開発全体を通じて設計者とエンジニアをサポートします。
ハードウェア開発プロセス。出典：Ben Einstein、Bolt
概念実証（PoC）プロトタイプとコンセプトモデル
コンセプトモデルまたは概念実証（POC）プロトタイプは、製品設計者がアイデアと仮定を検証し、製品の実行可能性をテストするのに役立ちます。物理的な概念モデルは、利害関係者にアイデアを示し、議論を生み出し、リスクの低い概念の調査を使用して受け入れまたは拒否を促進することができます。
PoCプロトタイピングは、製品開発プロセスの初期段階で行われ、これらのプロトタイプには、製品を開発の次の段階に移す前に、仮定を検証するために必要な最小限の機能が含まれています。
概念実証は単純で、製品の動作を模倣するのに十分なものでなければなりません。たとえば、充電スタンドのPOCは、標準のUSB充電ケーブルに接続された3Dプリントのエンクロージャーである場合があります。
コンセプトモデリングを成功させる秘訣はスピードです。設計者は、物理モデルを構築して評価する前に、豊富なアイデアを生み出す必要があります。この段階では、使いやすさと品質はそれほど重要ではなく、チームは可能な限り既製の部品に依存しています。
スイスのデザインおよびコンサルタントスタジオであるPanter＆Tourronのデザイナーは、SLA 3D印刷を使用して、2週間でコンセプトからショーケースに移行しました。
3Dプリンターは、コンセプトモデリングをサポートするための理想的なツールです。これらは、コンピューターファイルを物理的なプロトタイプに変換するための比類のない所要時間を提供し、設計者が追加の概念をすばやくテストできるようにします。ワークショップや製造ツールの大部分とは対照的に、デスクトップ3Dプリンターはオフィスにやさしく、専用のスペースは必要ありません。
外観のようなプロトタイプ
見た目のようなプロトタイプは、抽象的なレベルで最終製品を表しますが、その機能的な側面の多くを欠いている可能性があります。それらの目的は、最終製品がどのように見えるか、およびエンドユーザーがそれとどのように対話するかについてのより良いアイデアを提供することです。人間工学、ユーザーインターフェース、および全体的なユーザーエクスペリエンスは、製品の機能を完全に構築するために多大な設計とエンジニアリングの時間を費やす前に、外観のようなプロトタイプで検証できます。
見た目のようなプロトタイプの開発は、通常、スケッチ、フォーム、または粘土のモデルから始まり、CADモデリングに移行します。設計サイクルが1つの反復から次の反復に進むにつれて、プロトタイピングはデジタルレンダリングと物理モデルの間を行き来します。設計が完成すると、工業デザインチームは、最終製品に指定した実際の色、材料、仕上げ（CMF）を使用して、最終製品に正確に似た外観のプロトタイプを作成することを目指します。
カートリッジ配置のさまざまなソリューションを備えたForm2 SLA3Dプリンターのプロトタイプのように見えます。
動作するプロトタイプ
工業デザインプロセスと並行して、エンジニアリングチームは、製品を構成する機械、電気、および熱システムをテスト、反復、および改良するために、別の一連のプロトタイプに取り組んでいます。これらの作品のようなプロトタイプは最終製品とは異なって見えるかもしれませんが、開発とテストが必要なコアテクノロジーと機能が含まれています。
多くの場合、これらの重要なコア機能は、単一の製品プロトタイプに統合される前に、別々のサブユニットで開発およびテストされます。このサブシステムアプローチは変数を分離し、チームが責任を分割し、すべての要素をまとめる前に、より詳細なレベルで信頼性を確保することを容易にします。
初期の作品-Form3L大判SLA3Dプリンターのプロトタイプのように。
エンジニアリングプロトタイプ
エンジニアリングプロトタイプは、設計とエンジニアリングが出会って、製造用に設計された最終的な商用製品（DFM）の最小実行可能バージョンを作成する場所です。これらのプロトタイプは、リードユーザーの選択されたグループによるラボベースのユーザーテスト、後続の段階でのツールスペシャリストへの生産意図の伝達、および最初の営業会議でのデモンストレーターとしての役割を果たすために使用されます。
この段階で、詳細はますます重要になります。 3D印刷により、エンジニアは完成品を正確に表す忠実度の高いプロトタイプを作成できます。これにより、変更を加えるための時間とコストがますます法外になり、高価な工具に投資して生産に移行する前に、設計、適合、機能、および製造可能性を簡単に確認できます。
ダイビングカメラメーカーのParalenzは、3D印刷を使用して、海面下200メートル以上のテストに耐える機能的なプロトタイプを作成しました。
高度な3D印刷材料は、射出成形などの従来の製造プロセスで製造された部品の外観、感触、および材料特性に厳密に一致します。さまざまなマテリアルで、細かいディテールとテクスチャ、ソフトタッチ、滑らかで低摩擦の表面、剛性と堅牢性のあるハウジング、または透明なコンポーネントを備えたパーツをシミュレートできます。 3D印刷された部品は、サンディング、研磨、塗装、電気めっきなどの二次プロセスで仕上げて、最終部品の視覚的属性を複製したり、複数の部品や材料からアセンブリを作成するためにねじ切りしたりできます。
Wöhlerのエンジニアは、剛性の高いハウジングとソフトタッチボタンを備えた複数の材料から、見た目も作品も似た水分計のプロトタイプを作成しました。
エンジニアリングプロトタイプでは、現場での使用のストレスや条件にさらされたときに部品またはアセンブリがどのように機能するかを確認するために、広範な機能およびユーザビリティテストが必要です。 3D印刷は、熱的、化学的、および機械的ストレスに耐えることができる高性能プロトタイプ用のエンジニアリングプラスチックを提供します。
検証テストと製造
ラピッドプロトタイピングにより、エンジニアは、製造可能性をテストするためのエンジニアリング、設計、および製品検証（EVT、DVT、PVT）ビルド用の小バッチ実行、1回限りのカスタムソリューション、およびサブアセンブリを作成できます。
3D印刷により、実際の製造プロセスを念頭に置いて公差をテストし、大量生産に移行する前に社内およびフィールドで包括的なテストを実施することが容易になります。
3D印刷されたラピッドツーリングは、射出成形、熱成形、シリコーン成形などの従来の製造プロセスと組み合わせて、柔軟性、俊敏性、拡張性、コスト効率を向上させることで製造プロセスを強化することもできます。このテクノロジーは、一貫したデータを収集することで機能テストと認証を簡素化するカスタムテストジグとフィクスチャを作成するための効率的なソリューションも提供します。
医療機器設計会社のCoalesceは、社内テストにカスタムジグを使用しています。
3D印刷では、生産開始時に設計を終了する必要はありません。ラピッドプロトタイピングツールを使用すると、設計者やエンジニアは製品を継続的に改善し、組み立てやQAプロセスを強化するジグや固定具を使用してライン上の問題に迅速かつ効果的に対応できます。
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ラピッドプロトタイピングツールとメソッド
アディティブマニュファクチャリング
ラピッドプロトタイピングは、本質的に積層造形や3Dプリントの代名詞になっています。利用可能な3D印刷プロセスは複数あり、ラピッドプロトタイピングに最も一般的に使用されるプロセスは、溶融堆積モデリング（FDM）、ステレオリソグラフィー（SLA）、選択的レーザー焼結（SLS）です。
溶融堆積モデリング（FDM）
FDM 3D印刷は、溶融フィラメント製造（FFF）とも呼ばれ、熱可塑性フィラメントを溶かして押し出すことによって部品を構築する3D印刷方法であり、プリンターのノズルが構築領域に層ごとに堆積します。
FDMは、消費者レベルで最も広く使用されている3D印刷の形式であり、趣味の3Dプリンターの出現に後押しされています。ただし、プロ仕様のFDMプリンターは、設計者とエンジニアの両方に人気があります。
FDMは、他のプラスチック3D印刷プロセスと比較した場合、解像度と精度が最も低く、複雑な設計や複雑な機能を備えた部品を印刷するのに最適なオプションではありません。より高品質の仕上げは、化学的および機械的研磨プロセスによって得られる可能性があります。一部のプロ仕様のFDM3Dプリンターは、これらの問題のいくつかを軽減するために可溶性サポートを使用しています。
FDMは、ABS、PLA、およびそれらのさまざまなブレンドなどのさまざまな標準熱可塑性プラスチックで動作しますが、より高度なFDMプリンターは、より幅広いエンジニアリング熱可塑性プラスチックまたは複合材料も提供します。ラピッドプロトタイピングの場合、FDMプリンターは、通常は機械加工される可能性のある部品など、単純な部品の製造に特に役立ちます。
ステレオリソグラフィー（SLA）
SLA 3Dプリンターは、レーザーを使用して、光重合と呼ばれるプロセスで液体樹脂を硬化プラスチックに硬化させます。 SLAは、その高解像度、精度、および材料の多様性により、専門家の間で最も人気のあるプロセスの1つです。
最終製品の横にあるForm3 SLA3Dプリンターを使用して製造された時計の3Dプリントされたラピッドプロトタイプ。
SLAパーツは、すべてのプラスチック3D印刷技術の中で最高の解像度と精度、最も鮮明なディテール、および最も滑らかな表面仕上げを備えているため、SLAは、高忠実度の外観のようなプロトタイプや、厳しい公差を必要とする機能的な作品のようなプロトタイプに最適です。
ただし、SLAの主な利点は、レジンライブラリの多様性にあります。材料メーカーは、標準、エンジニアリング、および工業用熱可塑性プラスチックの特性に一致する、幅広い光学的、機械的、および熱的特性を備えた革新的なSLAフォトポリマー樹脂配合を作成しました。
ドラフトレジンを使用すると、SLA 3D印刷は、FDM3D印刷よりも最大10倍高速な最速のプロトタイピングツールの1つでもあります。
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無料サンプルパーツをリクエストする選択的レーザー焼結（SLS）
選択的レーザー焼結は、産業用アプリケーションで最も一般的な積層造形技術であり、強力で機能的な部品を製造できることで、さまざまな業界のエンジニアやメーカーから信頼されています。
SLS 3Dプリンターは、高出力レーザーを使用してポリマー粉末の小さな粒子を融合します。溶融していない粉末は、印刷中に部品をサポートし、専用のサポート構造の必要性を排除します。これにより、SLSは、内部の特徴、アンダーカット、薄い壁、ネガティブな特徴などの複雑な形状に最適です。 SLS印刷で製造された部品は、射出成形部品に似た強度で、優れた機械的特性を備えています。
SLS 3D印刷は、製品の厳密な機能テストのためのプロトタイプやエンジニアリングプロトタイプのような、強力で機能的な作品を作成できます。
ラピッドプロトタイピングでは、SLS 3D印刷は主に、製品（ダクト、ブラケットなど）の厳密な機能テストや現場での顧客からのフィードバックのためのプロトタイプやエンジニアリングプロトタイプなどの作品に使用されます。
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FormlabsSLSの品質を直接見て感じてください。無料のサンプルパーツをオフィスに発送します。
無料サンプルパーツをリクエストするCNCツール
コンピューター数値制御（CNC）ツールは、FDM、SLA、またはSLSとは異なり、サブトラクティブ製造プロセスです。それらは、プラスチック、金属、またはその他の材料の固いブロック、バー、またはロッドから始まります。これらの材料は、切断、穴あけ、穴あけ、および研削によって材料を除去することによって成形されます。
CNCツールには、回転ツールと固定部品（フライス盤）または固定ツールと回転部品（旋盤）のいずれかによって材料を除去するCNC機械加工が含まれます。レーザーカッターは、レーザーを使用して、さまざまな材料を高精度で彫刻または切断します。ウォータージェットカッターは、研磨剤と高圧を混合した水を使用して、事実上すべての材料を切断します。 CNCフライス盤と旋盤は複数の軸を持つことができるため、より複雑な設計を管理できます。レーザーおよびウォータージェットカッターは、平らな部品に適しています。
CNCツールは、プラスチック、軟質金属、硬質金属（産業機械）、木材、アクリル、石、ガラス、複合材料から部品を成形できます。アディティブマニュファクチャリングツールと比較して、CNCツールはセットアップと操作がより複雑ですが、一部の材料と設計では、特別なツール、取り扱い、位置決め、および処理が必要になる場合があり、アディティブプロセスと比較して1回限りの部品のコストが高くなります。
ラピッドプロトタイピングでは、これらは理想的なシンプルなデザイン、構造部品、金属部品、および添加剤ツールで製造するのは実現不可能または費用効果の低いその他の部品です。
ラピッドプロトタイピングツールの比較
| 溶融堆積モデリング（FDM） | ステレオリソグラフィー（SLA） | 選択的レーザー焼結（SLS） | CNCツール | |
|---|---|---|---|---|
| ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | |
| ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ | |
| ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | |
| ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | |
| ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | |
| 最大300x 300 x 600 mm（デスクトップおよびベンチトップ3Dプリンター） | 最大300x 335 x 200 mm（デスクトップおよびベンチトップ3Dプリンター） | 最大165x 165 x 300 mm（ベンチトップ産業用3Dプリンター） | ツールによって異なります | |
| ABS、PLA、およびそれらのさまざまなブレンドなどの標準的な熱可塑性プラスチック。 | さまざまな樹脂（熱硬化性プラスチック）。標準、エンジニアリング（ABSのような、PPのような、シリコーンのような、柔軟性、耐熱性、剛性）、キャスタブル、歯科、および医療（生体適合性）。 | エンジニアリング熱可塑性プラスチック、通常はナイロンとその複合材料（ナイロン12は生体適合性+滅菌と互換性があります）。 | プラスチック、軟質金属、硬質金属（産業機械）、木材、アクリル、石、ガラス、複合材。 | |
| 基本的な概念実証モデル、単純な部品の低コストのプロトタイピング。 | クイックプロトタイプ、忠実度の高い外観のプロトタイプ、機能的な作品のようなプロトタイプには、厳しい公差と滑らかな表面が必要です。 | 複雑な形状、機能的な作品-プロトタイプやエンジニアリングプロトタイプなど。 | シンプルなデザイン、構造部品、金属部品。 | |
| 予算プリンターと3Dプリンターキットは数百ドルから始まります。高品質のミッドレンジデスクトッププリンタは約2,000ドルから、産業用システムは15,000ドルから利用できます。 | プロ仕様のデスクトッププリンタは3,500ドルから、大判ベンチトッププリンタは11,000ドルから、大規模な産業用機械は80,000ドルからご利用いただけます。 | ベンチトップ産業用システムは18,500ドルから、従来の産業用プリンターは100,000ドルから入手できます。 | 小型CNCマシンは約2,000ドルから始まりますが、プロ仕様のツールはそれをはるかに超えています。基本的な彫刻家は500ドル未満で入手できますが、ミッドレンジのレーザーカッターは約3,500ドルからです。ウォータージェットカッターは約$ 20,000から始まります。 |
ラピッドプロトタイピングの開始
ラピッドプロトタイピングは、フォーチュン500企業や中小企業など、さまざまな業界で使用されており、開発をスピードアップし、コストを削減し、コミュニケーションを改善し、最終的にはより優れた製品を生み出しています。
3D印刷は従来、複雑でコストがかかるものでしたが、デスクトップおよびベンチオプ3Dプリンターにより、あらゆる企業がこのテクノロジーにアクセスできるようになりました。
3Dプリンターの詳細を学び、大手メーカーが3D印刷を活用してコストを節約し、設計から製造までのリードタイムを短縮する方法を探ります。
3Dプリント