プロトタイプ部品:金属またはプラスチックからそれらをうまく製造する方法

最近、製品 (または部品) の設計を思いつきましたか、それとも次の大きなものになると思われる新しい製品のアイデアをお持ちですか?もしそうなら、プロトタイピングが製品開発プロセスの重要なプロセスであることに同意するでしょう。設計上の欠陥を早期に発見し、製品の適合性と耐久性を判断できます。

しかし、プロトタイピングに飛び込む前に、プロトタイプの設計に適した製造方法を選択する必要がある可能性が高い重要な決定を下す必要があります。プロトタイプパーツの品質を損なうことなく、短いリードタイムを提供する手頃な価格の製造プロセスが必要です。

そのため、プロトタイプ部品の製造を成功させるための包括的なガイドをまとめました。この記事では、ラピッドプロトタイピングの一般的な 4 つの方法と、適切な方法を選択するためのヒントを紹介します。また、ラピッドプロトタイピングの金属およびプラスチックパーツに役立つ設計のヒントも提供します。

ラピッドプロトタイピングの一般的な 4 つの方法

#1 CNC 加工

CNC 機械加工は、常にプロトタイプを作成する一般的な方法です。たとえば、2007 年の時点で、Apple がアルミニウムのためにポリカーボネートを捨てていたとき、彼らは CNC マシンを使用して、アルミニウムのブロックから MacBook の筐体のプロトタイプを作成しました。

CNC 機械加工は、コンピュータ制御を利用して切削工具の動きを決定し、目的のカスタムパーツが作成されるまでワークピースから材料を除去する製造プロセスです。

CNC 機械加工は、最大 ±4 μm の非常に厳しい公差を提供します。さらに、その幅広い材料互換性は、ブロック内にあれば、ほぼすべての金属またはプラスチックで作業できることを意味します。 (関連記事:ラピッドプロトタイピングに CNC を使用する必要がありますか? 長所と短所)

#2 3D プリント

3D プリントと CNC 機械加工は、3D CAD モデルとコンピューターの指示に基づいてプロトタイプパーツを自動的に作成するという点で似ています。ただし、CNC 機械加工の減法的な性質とは異なり、3D プリントは積層造形プロセスです。材料を層状に堆積させることで、プロトタイプパーツを最初から作成します。

3D 印刷技術には、ステレオリソグラフィー (SLA)、溶融堆積モデリング (FDM)、および選択的レーザー焼結 (SLS) が含まれ、これらはすべて 0.25 mm ～ 0.8 mm の範囲の最小フィーチャサイズを持っています。このサイズ範囲は、プロトタイピング要件の大部分に対して十分に正確です。

#3 ウレタン鋳造

真空鋳造とも呼ばれるウレタン鋳造では、シリコン金型を使用して真空下でプラスチックのプロトタイプ部品を製造します。この鋳造プロセスは通常、CNC マシンまたは 3D プリンターを使用してマスターパターンを作成することから始まります。次に、液体ポリウレタンを型に流し込み、プロトタイプデザインのコピーを作成します。

#4 高速射出成形

高速射出成形 (RIM) は、技術的には、従来の射出成形の高速バージョンにすぎません。ウレタン鋳造と同様に、RIM プロセスは高速 CNC 機械加工を利用して金型キャビティを作成し、複雑な部品や機能を製造できるようにします。

適切な製造方法をどのように選択しますか?

CNC 機械加工、3D プリント、ウレタンキャスティング、高速射出成形にはすべて、いくつかの利点があります。通常、適切な選択は以下に依存します:

取得したい機械的特性
必要なプロトタイプパーツの量
ご予算
リードタイム
素材の互換性

品質、短いリードタイム、手頃な価格、および幅広い材料互換性の組み合わせを探している場合は、CNC ラピッドプロトタイピングを選択する必要があります。 CNC 機械加工は、望ましい機械的特性を備えた大量の試作品を作成するのにも理想的です。しかし、この減法製造プロセスは材料の浪費を伴います。

3D プリントは、CNC 機械加工における材料の浪費の問題を解消し、高品質の表面仕上げを提供します。ただし、コストが高く、材料の選択肢が限られているという欠点があります。 3D プリント技術は、熱可塑性樹脂 (ABS、ナイロン、PLA、ULTEM など) と、工具鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどのいくつかの金属とのみ互換性があります。（関連記事：アルミの試作品製作：最適な製法はどうやって決めるの？）

ウレタンキャストおよび射出成形パーツは、CNC 機械加工パーツの構造的完全性と 3D プリントパーツの優れた表面仕上げを兼ね備えています。また、特に大量のプラスチックプロトタイプを製造する場合は、非常に手頃な価格です。

ただし、通常、ウレタンキャスティングや急速射出成形は、3D プリントや CNC 機械加工よりもリードタイムが長くなります。経験則として、100 個以上の同一のプラスチックプロトタイプパーツを作成する場合は、これらの方法を使用する必要があります。

ラピッドプロトタイピング金属部品のヒント

次のヒントは、迅速な金属プロトタイプ作成に役立ちます。

設計に CNC マシンではアクセスできない埋め込み機能がない限り、金属部品には CNC ラピッドプロトタイピングを使用してください。
3D プリンタを使用して、CNC マシンでは作成が困難な凹みのあるプロトタイプを作成する
キャビティの深さと幅の比率が 4 未満になるようにキャビティを設計します。これにより、CNC 加工中の過度の振動と工具のたわみをなくすことができます。
薄肉の金属は CNC 加工中に変形しやすいため、肉厚が 0.8 mm を超える金属プロトタイプパーツを設計する
一流の機械工場に製造プロセスを外注して、時間を節約し、製造コストを削減する

プラスチックパーツのプロトタイピングのヒント

3D プリント、射出成形、およびウレタンキャスティングは、プラスチックパーツのプロトタイプを作成するための最も一般的な方法であり続けていますが、特定のシナリオでは、CNC 機械加工がより優れた代替手段になる場合があります。たとえば、CNC 機械加工は、デザインに細かいディテールが含まれている場合や、PVC、PEI、PEEK などの特殊プラスチックを使用しようとしている場合に理想的です。 (関連記事:CNC 加工プラスチックプロトタイプ:それは最良の選択ですか?)

それでも、プラスチックパーツのプロトタイプ作成に 3D プリントを使用する場合は、次の設計のヒントを参考にして、コストを削減し、プロトタイプパーツの製造を成功させることができます。