試作製造の進化：最先端ラピッド生産技術

Rudgley Mはラピッドマニュファクチャリングを「積層造形法による最終実用製品の製造技術」と定義し、試作製造技術を用いて生産向け目的製品を作るとしています。ラピッドマニュファクチャリングはラピッドプロトタイピング技術の発展方向ですが、改善余地が多く残されています。

SLA、SLS、FDMが試作製造の主技術で、共通点はパーツを個別層に離散化し、各層を独立して作ることです。

複雑形状への対応

ラピッドプロトタイピング製品の最大の魅力は、幾何形状においてほぼ無制限であることです。このプロセスでは、高い独立性と幾何学的自由度を持つ製品が製造可能です：逆テーパー凹部、オーバーハング、フリーフォーム、様々な基本幾何形状など。例えばSLSプロセスではサポート不要で、パーツを加工位置のどこにでも配置でき、クランプ不要。つまりSLSはワークにほぼ無限の幾何学的可能性を提供します。

一方、マイクロから大型まで様々なサイズ製品がラピッドプロトタイピング技術で製造可能。製品サイズはプロセス選択に依存：SLS、SLA、FDMは通常中型パーツ製造に用いられ、プロセス実行性、経済コスト、大型パーツ性能の観点から、大型製品ではこれらプロセスのサイズ制限が大きいです。

ポリマーラピッドプロトタイピング技術は従来工法のような金型を必要としないため、ラピッドプロトタイピングで製造される顧客仕様製品は従来プロセスより大幅に経済的です。この特徴と複雑形状実現能力が相まって、医療分野へのラピッドプロトタイピング導入の道を開きました。同時に幾何学的高柔軟性は、RPと従来加工の融合可能性を提供し、今日のRP技術の主要発展方向の一つへ急速に発展しました。例えば、薄肉長尺パーツ製造は従来EDM（放電加工）のみでしたが、今やRPでも完全なソリューションを提供できます。

DLMとリバースエンジニアリング

ラピッドプロトタイピングプロセスでは、従来切削加工では不可能または困難な特徴（凹部、内部鋭角、長い薄肉等）を持つパーツを容易に製造できます。同時に、設計者はこれらプロセスの自由な設計特性を示すため、パーツ設計の考え方を再考する必要があります。

注目すべきは、上記自由設計に関する全ての課題には、RP技術向け専門CADソフトの更なる開発が必要だということです。設計ツールの改善と設計者の設計概念変化の組み合わせが、RP技術の潜在力を引き出します。

必要製品モデルを直接設計するほか、エンジニアは既存物理設計に基づいて設計することが多く、これをリバースエンジニアリングと呼びます。高速検出と3D CAD再構築技術が、物理オブジェクトから直接CADモデルを取得する方法を提供します。

迅速性

RP技術が「ラピッドプロトタイピング技術」と呼ばれる理由は、従来加工より短サイクルで製品を生産できるからです。RPの設計感度は非常に低く、つまり生産柔軟性が高く、製造時に製品形状問題をほぼ考慮せず、多くの時間を節約できます。この観点から、多くの企業がRP技術で製品試験片を製造し、性能やパラメータを迅速に把握しています。

経済性とその他の制約

様々なRPプロセスの生産性は向上しましたが、RP生産性への要求はまだ満たされていません。また、RPプロセスが提供する極端な不均一性は、設備と材料損失の大幅な増大を招きます。

現在、RP技術は製品試作と試作生産で大きな利点がありますが、設備・材料の高コストと従来プロセスとの生産性差が、RPプロセスの大規模製造を制限しています。もちろん経済性はRPプロセスが長寿命パーツ製造に稀にしか使われない理由の一つに過ぎません。他の主要因子は製品強度、材料、プロセス再現性などです。

試作製造技術の発展

RP技術の発展において、製造製品と従来製造法の間には、表面粗さ、精度、再現性、製品品質の面で依然ギャップがあります。既存RPプロセスとプロセスチェーンは、プロセスが要求する精度と品質を達成する信頼性・安全性のある技術になるまで、発展期間を経る必要があります。上記RPプロセスはほぼ同等精度（0.1〜0.2mm/100mm）と粗さ（Ra 5〜20μm）で、再現性は比較的低いです。更なる改善は機械設計側から、技術フィードバックシステムで達成可能です。製品品質向上には、RPプロセスと従来プロセスを組み合わせた複合プロセス装置の登場が予見されます。

装置自体と材料の観点から、主研究方向は加工方法、加工装置、レーザー発生装置、材料に集中し、製品強度、耐久性、精度、サイクルの改善を目指しています。これら研究は最終的に、ラピッドプロトタイピングからラピッドマニュファクチャリングへの移行へ強力な推進力を与えるでしょう。

部品分野では、3Dプリント技術で複雑製品を迅速生産可能です。従来自動車製造では、自動車部品開発に長期研究開発と検証が必要です。R&Dからテスト段階まで部品金型製作が必要で、長期間かつ高コスト。問題発生時の構造修正も同等の長サイクルを要します。3Dプリント技術なら複雑パーツを迅速製作でき、テストで問題があれば3Dファイル修正して再プリント、再テスト可能。3Dプリント技術が将来の部品開発をより安価かつ効率的にすることは明らかです。