ラピッドプロトタイピングとファウンドリ

3Dプリントが砂とインベストメント鋳造に与える影響

3D印刷は、より高速なプロトタイピングを可能にする多くの進歩の1つです。

デザイナー、起業家、または発明者はアイデアを得て、それを実現するためのプロセスを開始します。最初のアイデアはスケッチと計画、調査とデザインで構成されていますが、デザイナーの焦点は物理的なオブジェクトの作成にあります。モックアップやプロトタイプを持ってビジョンが実現するのを見ることに代わるものはありません。プロトタイピングにより、設計者は自分のアイデアに自信を持ち、生産上の欠陥を解決し、投資家やクライアントを引き付けることができます。

オブジェクトの世界への最初の立ち上げ時に、作成者は、知的財産の問題、最終的なコスト分析、機械的および美的懸念、投資家、クライアント、または市場の期待を通じて新製品を管理する必要があります。優れたプロトタイピングを実行することで、これらすべての問題を調査する余地が生まれます。

幸いなことに、急速なコンピューター主導のプロトタイピングの台頭により、このプロセスの技術的な詳細が簡素化され、作成者は可能な限り最高の製品を製造できるようになりました。

プロトタイピングの歴史

コンピューター支援技術が登場する前は、すべての金属鋳造プロトタイプは手作業で設計されたパターンから構築されていました。最初の設計段階の後、職人のパターンメーカーが図面を3次元の彫刻にレンダリングします。砂型鋳造の場合、これらのパターンは通常木で作られていましたが、金属やセラミックで作られていることもありました。一部のパターンは、インベストメント鋳造プロセスのためにワックスからレンダリングされました。これらの緩いパターンは、最終的なオブジェクトの最初の一般的なレンダリングでした。

これらのパターンは、最終製品に似ている場合でも、プロトタイプと同一ではありません。金属鋳造プロセス中の収縮を補うために、パターンは多くの場合、最終モデルよりもわずかに大きくなります。また、セクションに分割したり、スイープモールドの単なる幾何学的輪郭として作成したり、収縮する金属の変形を補正したり、砂型からパターンを削除するためのドラフトを提供したりするように設計された奇妙な角度を持っている場合もあります。

パターンは、通常、プロトタイプの鋳造に必要な砂型を作成するために、鋳造フロアの専門の成形業者に渡されます。成形工程は、砂に型紙を押し込むほど簡単ではなく、やりがいのあるものでした。成形業者は、鋳物のパーティングラインを彫り、溶融金属が金型を均一かつ完全に満たし、欠陥なく冷却できるようにするために必要なチャネルと穴を配置する必要がありました。これらのチャネルには、スプルー、または液体金属が注がれる入口が含まれます。ゲートは、溶融材料の流量を制御するさまざまなサイズのチャネルです。液体金属が金型のある領域から別の領域に流れることを可能にするランナー。ライザー、鋳造物よりも高温にとどまる大量のプール。したがって、冷却および収縮時に液体金属を鋳造物に供給して、穴の形成を防ぐことができます。

パターンメーカーと成形者の両方のこの骨の折れる作業から、金属のプロトタイプが鋳造されます。

鋳造労働者がきれいな金属鋳物を型から外すと、元の設計者はそれを評価することができました。美学、重量、仕上がり、そしてフィット感が明らかになるでしょう。それが単なる装飾的なオブジェクトではなく、機械的応力を処理するように設計されたものである場合、設計者は、指定された許容範囲を超えてオブジェクトをロードすることによってオブジェクトをテストし、エンジニアリングをチェックします。鋳造所はまた、プロトタイプを破壊することによってテストします。鋳造物は、内部の変形を探すために細かく切断されます。

デザインを製造に持ち込むことで、投資と収益もより明確になります。設計者または発明者は、プロトタイピングフェーズを使用して予算を立て、完全な生産実行の効率を見つけることができます。

これらすべての方法でプロトタイプについて考えた後、設計の変更が必要になる場合があります。変更が大規模であろうと小規模であろうと、通常、職人のパターンメーカーとその後の成形者にとって、何時間もの作業が再び発生します。

プロトタイピングは長くて費用のかかるプロセスでした。

デジタル化とコンピューター支援設計

ラピッドプロトタイピングの台頭により、実用的なモデルの作成がはるかに容易になりました。また、最初に物理オブジェクトが必要になったときに遅延します。

設計図と技術的なスケッチは、かつてすべて手作業で行われていました。現在、それらはCADプログラム（コンピューター支援設計）によってデジタル化されています。プロトタイピングプロセスを通じてデジタルCADファイルを何度も変更するのは非常に簡単ですが、過去の設計図は再描画に多大な労力を要しました。

CAD図面は、製造工程と最終製品の複雑でよく想像されたシミュレーションに変えることができます。これらはデジタルプロトタイピングのステップであり、ペンと紙で可能であったよりも初期のプロトタイプのように機能する完全なコンピューターモデルを作成します。 CADファイルは、製造および製造情報を持つコンピュータプログラムでも使用できます。設計者がオブジェクトを含むCADファイルを鋳造所に送る場合、冶金学者は、金属特性と成形プロセスの膨大なデータベースを備えたプログラムを使用して、スケッチを評価し、起こりうる問題を予測できます。かつてプロトタイピングを実行して発見した可能性のある問題は、最初の金属が注がれる前に見つけることができます。

これらのプログラムは鋳造所にも役立ち、パターンが鋳造所の床に到達する前に、最も堅固な鋳造物を作成する場所にスプルー、ゲート、ランナー、ライザーを配置するのに役立ちます。

それでも、どれほど複雑であろうと、どれほどよく想像されていようと、それらは依然として抽象化です。設計を実際に理解するには、多くの場合、物理的なプロトタイプが必要です。

モックアップと試作プロトタイプ

3D印刷の登場により、多くの場合、メーカーに連絡するかなり前に、モックアップをすばやく任意のスケールで作成できるようになりました。現在、設計者は独自の最初のプロトタイプを社内で作成するのが一般的です。ミニチュアであろうとスケールであろうと、設計者はプロジェクトのモックアップを保持して、プロジェクトがどのようにまとめられるかを確認できます。

3D印刷は、急速に変化する「反復設計」の新しいスタイルの一部です。 3Dモデルは、すべて1日以内に印刷、批評、変更、および再印刷できます。これは、パターン作成と金属鋳造の複雑なプロセスと比較して、高速で安価です。

ファウンドリでは、ラピッドプロトタイピングは、新しい斬新な方法で型に押し込むパターンを作成するのにも役立ちます。レーザー誘導機械加工は、金属からパターンを製造する場合があります。 3D印刷は、インベストメント鋳造のパターンを直接作成できます。これは、短期または複雑な実行に効率的です。

生産プロトタイプ

最終的には、プロトタイプは適切なサイズの適切な材料で作成する必要があり、短い生産工程がメーカーに注文されます。デジタル技術の到来は、パターンメーカーと成形業者がそれぞれコンピュータープログラムによって作業をガイドされ、これらのプロトタイピング手順をスピードアップすることを意味します。しかし、すべてが変わったわけではありません。砂型鋳造の生産工程の最初のプロトタイプ（またはインベストメント鋳造のワックスパターン）では、通常、ルーズウッドパターンが作成されます。これらの作業モデルは、これまでどおりに作成およびテストされます。

鋳造所はまだ破壊的なテストを行っています。金属加工業者は、鋳造物の一部を切断またはコアリングして、欠陥がないこと、または欠陥が合意された許容範囲内にあることを確認します。ファウンドリが自信を持ったら、サンプルを顧客に送ります。その後、顧客は意図したとおりに鋳造を終了し、それを機能させます。動作するプロトタイプは、意図したとおりに表示および動作しますか？予想される負荷を処理できますか？

新しい発明では、イノベーターは、デザインや素材をいじくり回すために、数ラウンドの実用的なプロトタイプを必要とする場合があります。より標準的な部品の場合、実用的なプロトタイプは、クライアントまたは投資家が完全な生産実行の費用を支払うことを見つける概念実証である可能性があります。

これらのプロトタイピング実行の速度は、超音波やX線などのテクノロジーの登場によって強化されています。ファウンドリは、破壊的な方法だけでなく、非破壊的な方法でもテストできるようになりました。技術者は、鋳物を切断せずに金属の健全性を確認できます。これは、より少ないプロトタイプを作成でき、それでも生産ラインで完全な校正を提供できることを意味します。非破壊的な方法で鋳造所によって検査されたアイテムは、検査、仕上げ、および負荷テストのために鋳造所から顧客に送ることができます。そのため、ラピッドプロトタイピングは、新しい非破壊検査オプションによっても提供されます。これにより、生産プロトタイピングの実行への投資を減らすことができます。

秘密保持契約と特許

ラピッドプロトタイピングの影響を受けるのは技術的な問題だけでなく、知的財産の問題でもあります。デザインがデザイナーのワークショップを離れて製造の世界に移るとすぐに、IPが問題になります。

製品がその種のものである場合、発明者は通常、特許を提出することを計画します。多くの場合、実用的な生産プロトタイプがテストされる前に特許を提出することは賢明ではありません。プロトタイピングにかかる​​作業とその後の設計のテストの両方で、特許出願を変更する可能性のある欠陥を見つける可能性があります。

特許は、出願時に公に発表されます。ラピッドプロトタイピングは、すべての人の生産サイクルを熱くします。欠陥のある特許は、その特許をベースラインとして使用して、独自の研究開発を迅速に開始できる競合他社にとって創造的な飼料とな​​る可能性があります。したがって、特許のプロトタイピングが終了するまで待つことは、多くの場合、コストと知的財産の保護の両方になります。発明者は通常、複雑な特許プロセスにお金をかけたくないのですが、競争を勝ち抜いてやり直す必要があるだけです。

このプロセスは、プロトタイピングプロセスの誰かが自分のデザインをコピーして最初に市場に出す可能性があるという脆弱性を発明者に感じさせる可能性があります。したがって、評判の良いメーカーと良好な関係を築き、明確な機密保持契約で設計を保護することが重要です。

より良い設計のためのラピッドプロトタイピング

この注意のもう1つの側面は、限られたテスト市場やベータテスターであっても、製品を世に送り出したいというビジネス上の衝動です。 LinkedInの創設者であるReidHoffmanは、「製品の最初のバージョンに戸惑わなければ、リリースが遅すぎます」と広く引用されています。

ラピッドプロトタイピングは、設計者が市場に出る前により良い製品を実現するのに役立ちます。この段階の容易さはサイレンの歌である可能性がありますが、デザイナーは立ち上げ前に物事を完璧にするためにいじくり回し続けます。開発は、製品の改良と完成の作業を終了する必要がないことを覚えておくことが重要です。鋳造の寿命はデザインとプロトタイピングから始まるかもしれませんが、多くの場合、スタイル、素材、鋳造方法、機械的能力、サイズ、または機能をわずかに変える世代の製品を生み出します。

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