迅速な試作：ゲームコンソールのイノベーションを加速する

迅速な試作がなければ、CNC機械技師やエンジニアがスケールモデルを物理的で触れられる製品に変えることができず、Microsoftは最新ゲームコンソールをこれほど興奮して、これほど速く披露できなかったかもしれません。「史上最強のゲームコンソールと謳われ、リビングルームでネイティブ4Kゲーミングを提供する予定だ」とAll3DPは伝えています。

議論の余地はありますが、迅速な試作という驚異的なイノベーションなしでは、成功への道のりはより長かったかもしれません。

なぜ迅速な試作がMicrosoftのようなブランドや、その他無数の中小メーカーにとって極めて重要なのか？機械技師やエンジニアにとって、迅速な試作とは何を意味するのか？

Tom Chiに聞けば、迅速な試作がもたらす迅速なソリューションによって、空は限界ではないと言うでしょう。そのインパクトは、起業家にとってもMicrosoftのような大企業にとっても、時間とコストを劇的に節約するという点で、ゲームチェンジャー（冗談抜きで）となり得ます。

では、迅速な試作とは何か？なぜ機械加工とエンジニアリングにますます統合されようとしているのか？

このプロセスを理解することは、設計をこれまで以上に速く製品に変える可能性を広げる上で不可欠です。以下をご覧になり、迅速な試作がいかにあなたのビジネスを変革し、収益を押し上げるかを想像してみてください。

迅速な試作とは

複雑なプロセスを過度に単純化するリスクを承知で定義すれば、迅速な試作とは「実物大モデルの高速作成」です。プロトタイプという言葉は、ラテン語のproto（原初の）とtypus（モデル）に由来します。

ここでいう「作成」は抽象的なものではありません。迅速な試作とは、手に取れる、物理的で実在する「創造」を表します。

迅速な試作には様々なタイプがあり、現在のトレンドはアディティブマニュファクチャリングと3Dプリンティングです。しかし、サブトラクティブ（切削）試作も依然として主要なドライバーであり、特定のプロジェクトや製品設計にはより適していることが多々あります。

アディティブ、サブトラクティブ、あるいはその組み合わせのいずれであっても、事実として迅速な試作は設計者にモデルを具現化させます。「これは多くの場合、高度なCADやその他のアセンブリソフトウェアを用い、3Dプリンターで物理的に実装される」とTechopediaは定義しています。

英国の3D Creation Labチームはこう説明します。「3D迅速試作の進歩により、人手と高価な金型を排除することで、より速く、低コストで試作とモデル製作が可能になり、企業や発明家が競合より速く製品と設計を市場投入できるようになります。」

これほどの製品可能性を秘めた迅速な試作には、どこかに欠点があるはずだと考えがちです。

これほど革新的なものに、落とし穴が一つや二つないわけがない。

実は、あります。

メリットがすべてである一方で、迅速な試作にはいくつかのデメリットも存在します。その中でも、人手を不要にする可能性があり、CNC機械技師の雇用を減らす恐れがあることは見逃せません。

しかし、『The Future of Rapid Prototyping』において、Soren Petersen博士（デザイン研究Ph.D.、『Profit from Design』著者）は以下のように予測しています。

メリットは多数あり、業界全体の基準を引き上げ続けています。しかし、バランスを取るため、両面から検証しましょう。

メリットとデメリット

迅速な試作のメリットは、速度とコストに集約されますが、APT Moldは顧客サービスとクライアント満足度という固有のメリットも指摘しています。

市場での優位性……どのビジネスも欲しくないわけがありません。

その優位性には代償があり、それが迅速な試作のデメリットを表します。総じて、主要なデメリットは3つあります。

トンネルビジョン

残念ながら、単一のプロトタイプに集中しすぎると、プロジェクト全体を見失いがちです。ここでの落とし穴は、手元のプロトタイプに過度に集中することで、長期的に見てより優れた解決策を見逃すリスクです。

取り違えのリスク

プロトタイプが間違ったクライアントの手に渡ると、完成品と取り違えられ、不公平に、あるいは性急に評価される恐れがあります。逆に、プロトタイプの方が最終製品より好まれるケースもあります。どちらも、背後にいるエンジニアや機械技師にとっては不利益です。

選択肢の制限

迅速な試作は、利用可能な選択肢の数を制限する傾向があり、比較的単純なプロジェクトに最適と言えます。

しかし、以下の5ブランドが示す通り、これらの潜在的な落とし穴があっても、迅速な試作は極めて収益性の高い目的への効果的な手段であり続けます。

迅速な試作の実力を体現する5ブランド

これら5社が迅速な試作を活用する唯一の企業ではありませんが、それぞれがこのプロセスがブランドの製品と収益に何をもたらせるかを示す好例です。

Brightwake

決して有名な名前ではありませんが、Brightwakeは血液を節約することで、より正確には失われるはずだった血液をリサイクルすることで、命を救う研究開発企業です。

同社の代表作であるHemosepは、手術中に失われる血液をリサイクルする装置です。Hemosepの開発にあたり、Brightwakeは迅速な試作プロセスとして3Dプリンティングを採用しました。これにより、製造プロセスが96%短縮されたと報告されています。財務面での節約効果も同様に莫大だったと推測されます。

Fender

音楽愛好家なら誰でも、アマチュアからジミ・ヘンドリックスのようなロックレジェンドまで愛用される楽器メーカー、Fenderブランドを知っています。

すでに速い迅速な試作プロセスをさらに加速させるため、FenderはStratasys産業用3Dプリンターを購入し、アンプのノブに至るまで自社でプロトタイプを作れるようになりました。これらのプロトタイプ作成リードタイムは、約2週間から一晩に短縮されました。リードタイム短縮は利益率向上に直結すると推測されます。

Ford

Fordのような大手自動車メーカーでさえ、予算管理には慎重でなければなりません。迅速な試作は「Ford Tough」をさらにタフにし、プラスチックと金属のプロトタイプで数百万ドルのコスト削減を実現しました。

3Dプリンティングは時間も大幅に節約し、数時間でプロトタイプを作れるため、Fordエンジニアが実際の量産が有利かどうかを迅速に判断できるようになりました。

これらは迅速な試作を製品設計に活用する企業のほんの一例です。他にもBMW、Lamborghini、Valero、Volkswagenなどの大手ブランドが採用しています。

Lockheed Martin

高速CNC試作は、航空宇宙、防衛、セキュリティ分野で先端技術を追求するグローバル企業Lockheed Martinの製品開発に不可欠です。同社は「積層技術の限界を押し広げ、設計エンジニアを工場現場に招き、これまで製造不可能だった部品を層ごとに製造している」と主張します。

Epson

迅速なCNC加工を活用し、日本のセイコーエプソン株式会社は、より軽量で快適なAR（拡張現実）Moverioスマートグラスへの消費者ニーズに応えました。

「前モデルでは、重量とサイズについてユーザーから多くの要望があり、快適性の向上と、スマートグラスの更なる小型化・軽量化を開発目標に掲げました。そこで高速CNC試作が活躍しました」と、エプソン視覚製品事業部HMDビジネス管理部門シニアスタッフの鎌倉和也氏は語ります。

これらのブランドは先進製造がもたらす可能性を体現していますが、迅速な試作において、サブトラクティブとアディティブ、どちらが優れているのでしょうか？

サブトラクティブ迅速試作への敬意

Datronでは、効果的な加工プロセスに基づくサブトラクティブ迅速試作を称えています。他の迅速試作オプションと異なり、サブトラクティブ迅速試作は、より高い構造的完全性を持つ実用材料でのプロトタイプを生み出します。

サブトラクティブ迅速試作のフライス加工プロセスは、大きな材料から小さなピースを削り取り、固体または完全なピースを残します。一方、アディティブ迅速試作は材料を層状に積み上げるため、最終結果の構造的完全性は劣ります。

なぜこれが重要なのか？

さらに、フライス加工は、アディティブ迅速試作に伴う「ステップ状の仕上げ面」と比較して、より幅広い表面仕上げを実現できます。高速CNC（コンピュータ数値制御）フライス盤を使用すると、実用材料に理想的な再現性を持つプロトタイプが得られます。

「サブトラクティブ製造の主たる利点の一つは、極薄のプラスチックをリビングヒンジに加工できることだ。この種のプロセスは、3Dプリンターではまだ単純に不可能である」とCreative Mechanismsは述べています。「先進CNCマシンは複数の工具を使用し、少なくとも3軸（X、Y、Z）周りで切削するため、設計者がブロックを裏返す必要性を最小限に抑えます。」

究極的には、「小ロットから大ロットの生産ランで使用される部品、特定の仕上げが必要な部品、特定の機械的特性が必要な部品に適した選択肢である。」

もちろん、適切な設備なしにサブトラクティブ迅速試作プロジェクトを支えることはできません。

高速CNC加工から期待できること

高速CNCマシンは、3Dプリンターが力不足の時にエンジニアが選ぶ理想的な代替手段です。通常、特定のプロトタイプに使用される材料のせいで3Dプリンターが力不足になります。現在、エンジニアはアルミニウムのような金属を3Dプリントできません。

高速CNC加工のその他のメリットには、電子機器エンクロージャの加工のような小型部品の製造能力があり、需要増に対応して最大工具径0.50インチベースの切削工具を使用できます。これらのマシンは現在60,000 RPMスピンドルを搭載し、重要なコンポーネントを犠牲にすることなく、より高い送りと高速切削に対応できます。最適化された工具と組み合わせることで、チップ排出性が向上し、発熱を抑え、クリーンな切削を実現します。

運用面では、おそらく高速CNCマシンの最大の魅力は、携帯電話を使える人なら誰でもマシンを操作できるユーザーフレンドリーなタッチスクリーンです。

現在のCNCマシン選択肢を探る

歴史的に、CNCマシンは既存工具にレトロフィットする必要がありました。しかし技術が進化するにつれ、CNC専用に設計された新しいマシンが登場しました。レトロフィットマシンの例には旋盤とフライス盤があります。いずれも、内蔵機構を高精度コンポーネントに置き換え、アクチュエータ用の新しいマウントを追加しています。

新しいCNCマシンには、3Dプリンター、CNCレーザーカッター、CNCプラズマカッター、フライス盤、ピックアンドプレースマシン、ルーターなどがあります。

3Dプリンター

レーザーカッターやCNCルーターと類似した設計で、3Dプリンターはホットプラスチックを小さな穴から押し出し、材料を層状に積み上げてプロトタイプを構築するプラスチックエクストルーダーを必要とします。

CNCレーザーカッター

金属、プラスチック、木材の切断に最適で、材料に応じた特定のレーザーを使用します。

CNCプラズマカッター

プラズマトーチを備え、シートメタルへの2次元形状切断に最適です。

CNCフライス盤

かつては巨大なサイズのみでしたが、今日CNC専用に構築されるフライス盤は設置面積が小さく、オートフィード機構、内蔵ツールチェンジャー、安全な切削を保証する電気センサーを備えることができます。

ピックアンドプレースマシン

多数の小さなノズルを備え、電気部品を高速で動かし、スマートフォンやタブレットのような個人用デバイスに必要な回路基板に実装します。

ルーター

大型案件向けに設計され、プラスチック、シートメタル、木材などの材料を3軸セットアップで加工し、プロファイル切削と3Dレリーフ加工を容易にします。より複雑な形状には、4、5、6軸マシンが適しています。

迅速な試作がエンジニアとCNC機械技師を高める

エンジニアやCNC機械技師として、長期的に見て迅速な試作はあなたに何を意味するのか？

まず、あなたは正しい道を進んでいます。

現在、「世界の試作製造業界は約120億ドル規模だが、2010年から2015年にかけて年率22.6%以上の急成長を遂げている」とRobotics Business Reviewは報じています。試作製造は「2020年までに200億ドル規模に達すると予測され、今後15〜20年で技術革新が業界とそれを支える市場を牽引し、400億ドル規模まで成長すると予測されている。」

雇用予測も明るく、「様々なCNCサービスの需要が非常に高く、精密加工の訓練を受けた人材は、米国で最も必要とされる上位5職種にランクインしている。」

つまり、前進あるのみ！

迅速な試作の可能性を秘めた注目業界

伝統的な死亡率の境界を押し広げ続ける社会に生きる特典の一つは、革新的ヘルスケア製品への需要です。現在、世界中で生産される補聴器の98%以上が3Dプリントされています。それぞれのユニークなモデルをこの方法で製造することで、時間、コスト、精度において大幅な節約が可能になるからです。

CNC製造を通じた迅速な試作により、かつて治療不可能とされた病気や症状を緩和する独創的な個人用医療機器の製造も可能になり、CNC製造の明るいニュースは続きます。

迅速な試作、特にCNC製造を通じて恩恵を受けている他の分野には、航空とロボティクス産業があります。

実際、Robotics Business Reviewはこう断言します。

先進製造の進化は続き、米陸軍とLockheed Martinが迅速な試作手法の開発で提携したという興奮するニュースがあります。「バイオプロダクションと自己組織化を用いて、防衛光学技術と保護コーティングへの応用を持つ新材料のビルディングブロックを創造する。」

米陸軍は、革新的材料のバイオプロダクション能力の統合を検討するため、「調整可能な材料のためのナノ構造自己組織化」に1,000万ドルを投じました。

Lockheed Martinのシニアリサーチマネージャー兼プロジェクトリーダーのMelissa Rhoads氏は「細胞はクモの糸や蝶の虹色の羽のような、あらゆる材料を効率的に生成する」と説明します。

私たちはすでに、アディティブとサブトラクティブの迅速な試作が先進製造に何をもたらせるかを目撃してきました。この最新の提携は、まだ想像もつかない製品開発の新たなフロンティアを切り開くことでしょう。

では、迅速な試作とは何か？我々の視点から言えば、それは「最速の前進の道」です。

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