スナッピーにする：金属加工のラピッドプロトタイピング

高品質の製品は、設計から製造、市場に至るまで、かつてないほど急速に進歩しています。

新製品を市場に投入するには、設計、市場調査、製造の複雑なプロセスが必要です。ラピッドプロトタイピングは、このプロセスの一部であり、製品の動作モデルを開発するためにコンポーネントパーツが作成され、その機能と制限がテストされます。これらのプロトタイプは、最終製品と同じ材料で作成することも、テストケースの目的で代替材料を使用することもできます。

金属プロトタイピングのいくつかの方法は次のとおりです。

• 3Dプリント
• 砂型鋳造（木型）
• インベストメント鋳造（ワックスパターン）
• 金属ストックから直接部品を製造する
• 金属ストックから直接部品を機械加工する

ラピッドプロトタイピングの方法とアプリケーション

それぞれのプロトタイピング方法には、長所と短所、および特定のプロジェクトに最適な要素があります。

3Dプリント

3D印刷は、アディティブマニュファクチャリングとも呼ばれる比較的新しいプロセスです。3Dコンポーネントが多くの層で構成されるまで、一度に1層の製品を印刷するプロセスです。各層は約100ミクロンの厚さにすることができます。プリンターはコンピューター化されたシステムによって制御されます。このシステムは、3Dデザインを入力として受け取り、3D製品を出力として作成します。

技術は時間とともに進化し、さまざまな素材が印刷に利用できるようになりました。プラスチック、ナイロン、樹脂、銀、チタン、鋼、ワックス、フォトポリマー、およびポリカーボネートはすべて、3D印刷材料として使用できます。

3D印刷機には主に3つのタイプがあります：

• 選択的レーザー焼結（SLS） 粉末状で供給される印刷材料を使用します。パーツの各層は、レーザーを使用して粉末を溶かすことによって作成されます。部分的に完成した部品の上に新鮮な粉末を転がし、部品全体が構築されるまでプロセスを再開します。
• 溶融堆積モデリング（FDM） 熱可塑性フィラメントを使用し、それを溶融して押し出します。押し出しは、3Dデザインに従ってコンピューターによって正確に制御され、各レイヤーを連続して印刷します。
• ステレオリソグラフィー レーザーも使用しますが、この場合、液体製品はレーザーの作用によって一度に1層ずつ固化され、設計に合わせて制御されます。

3D印刷は、プロセスが非常にリソース効率が高いため、ラピッドプロトタイピングで人気があります。生産ラインの工具は不要で、労働要件は最小限であり、廃棄物はほとんど発生しません。 3D印刷の欠点は、複雑な部品を作成するのに時間がかかり、場合によっては数日かかることです。パーツサイズは、マシンの印刷領域によって制限されます。さらに、一部の金属は融点が非常に高いため、目的の材料で部品を製造できない場合があります。

砂型鋳造

金属鋳造所では、金属部品を鋳造するために使用される型を作るためにパターンが使用されます。プロトタイプパターンは、最も単純で費用効果の高い方法で作成されるため、必要に応じてパーツをテストおよび調整できます。このため、砂型を作るのに最も安価で迅速な型であるため、このパターンは砂型を作るためによく使用されます。最初から最後まで、ルーズな木製のパターンを使用して、2〜4週間でプロトタイプを作成できます。

ルーズウッドパターンは、旋削、工具、金型製作、上質な木工などの技術を使用して、パターンメーカーによって木から作られます。パターンは、金属が冷えるときに発生する収縮に対していくつかの公差が組み込まれたプロトタイプ設計に従って製造されています。プロトタイプの設計でバックドラフトのあるパーツが必要な場合、これらのパーツは、ピンで固定されたパターンの緩い部分として作成されます。

鋳物砂は、金属鋳造に必要な特性を備えているように、コンポーネントの適切なブレンドで特別に構成されています。それはその形状を保持し、水分を放出しすぎないようにし、高品質の仕上がりを与える必要があります。緩い木の模様の周りに砂を詰めてキャストを形成し、それを使用して金属のプロトタイプを作成できます。

金属プロトタイプの鋳造は、金属を溶かし、組成を制御し、溶けた金属を型に流し込む標準的な鋳造プロセスです。冷却されると、金型が壊れ、金属のプロトタイプが完成する準備が整います。

製造コストが低く、パターンの調整と必要に応じた再鋳造が比較的容易なため、緩い木製パターンのラピッドプロトタイプの金属鋳造が人気があります。また、最終製品と同じ素材で試作品を作ることも可能であり、今後の開発段階を省くことができます。製造業者は、プロトタイプを開発するプロセスが、わずかな変更を加えた最終生産の方法になることがよくあります。

インベストメント鋳造

インベストメント鋳造も金属鋳造プロセスですが、金型を作成するためのパターンを作成するために別の技術を使用しています。最初のステップは、プロトタイプのデザインに一致するワックスパターンを作成することです。歴史的に、ワックスパターンは射出成形機またはワックスプレスで作成されてきましたが、新しい材料と3D印刷の開発により、インベストメント鋳造パターンをより簡単かつ迅速に作成する機会が生まれました。

パターンが作成されると、それはそれが固まるとパターンの形をとるセラミック材料でケースに入れられます。次に、ワックスが溶けて鋳造金型から流出するまで金型を加熱します。そのため、別名でロストワックス鋳造が行われます。標準的な鋳造プロセスが続き、溶融金属が鋳造物に注がれます。金属が冷えて固化すると、セラミックの鋳造物が壊れ、金属のプロトタイプが完成する準備が整います。

このラピッドプロトタイピングの方法の利点は、ルーズな木製パターンの利点と似ていますが、より細かい公差と仕上げの利点が追加されています。

金属のプロトタイプの作成

ストック金属材料には、シート、ロッド、チューブ、バー、およびワイヤーが含まれます。これらはいずれも、鋳造や3D印刷などの一次製造ではなく、下流の二次ステップとして金属プロトタイプを製造するための原材料として使用できます。

板金プロトタイプの製造では、さまざまなプロセスを使用してプロトタイプを製造できます。たとえば、物理モデルを平らにして金属シートに配置してテンプレートとして使用し、レーザーまたはトーチを使用して輪郭や開口部を切り取り、曲がりをマークすることができます。プレスを使用して、マークされた境界で金属を曲げることができ、特殊な溶接装置を使用して部品を結合することができます。

チューブは、さまざまな操作を経てプロトタイピングに使用し、設計に一致するプロトタイプパーツを作成できます。

• フレアリング -チューブの端の開口部を漏斗状に広げます
• スエージング -チューブの直径を縮小または拡大
• ディプリング -金属表面の小さな変形
• 曲げ -チューブの定義されたポイントにベンドを挿入して形状を作成する
• 平坦化 -プレスを使用してチューブを圧縮します
• ピアス -マテリアルに穴を作成する
• 拡張 -熱とツールを使用してチューブの直径を開きます

ストック材料から金属プロトタイプを製造する主な利点は、時間効率です。パターンや型は必要なく、原材料はすぐに入手できます。欠点は、一部のプロトタイプデザインが標準的な製造プロセスには複雑すぎるため、この手法では作成できないことです。

金属プロトタイプの機械加工

機械加工とは、制御された材料除去プロセス（サブトラクティブマニュファクチャリングとも呼ばれます）によって、原材料を目的の最終的な形状とサイズに切断するプロセスです。さまざまな金属製品だけでなく、木材、プラスチック、セラミック、複合材などの材料の製造にも使用できます。現代の生産では、機械加工はコンピューター数値制御（CNC）によって実行されます。

CNCは、3D設計に従って部品を製造するための機械加工装置のコンピューター制御です。機械加工設備には、旋盤、ミル、ルーター、ドリル、グラインダーが含まれます。 CNCマシンの原材料は、鋼板や棒鋼などのストックメタル製品です。

3D設計はコンピュータープログラムに変換され、制御システムが機械を制御するために使用します。プロトタイプが製造されるのは機械加工による金属の除去によるため、選択される原材料は、製造されるプロトタイプよりも大きくなければなりません。高度なCNCマシンは、3つの軸（x、y、z）のすべての操作を制御し、部品を反転させて加工ツールを自動的に切り替えることができるため、高品質の仕上がりと高レベルの精度が得られます。

他の製造技術に対するCNCマシンの利点は、3D設計に基づく自動化されたアクションです。人間の介入は限られており、製造されたプロトタイプは設計と高い精度で一致します。より複雑なプロトタイプは、手動操作よりもCNCマシンを使用して製造できます。部品を機械加工することの欠点は、部品が原材料から金属を取り除いて作られているため、無駄になることです。廃棄物はリサイクルできますが、コストへの影響と損失が発生します。

ラピッドプロトタイピングのケーススタディ

自動車産業

調査によると、3D印刷の開発は、エンジニアがアイデアをテストして製品を迅速に市場に投入する能力に劇的な影響を与えています。自動車の記事では、特定の自動車部品の空気力学をテストすることが、自動車の性能への影響を測定するために重要であるという事実を強調しています。テスト結果が得られると、設計に微調整を加えることができ、新しいプロトタイプが非常に迅速に再印刷されます。空力試験の場合、強度ではなく試験対象の形状であるため、最終的な材料から部品を作成する必要はありません。 3D印刷は、自動車エンジニアが開発を加速し、効率を向上させるのに役立ちます。

さまざまなアプリケーションがさまざまな製造方法に適しています。一例では、設計者は、内部スペースにマイクロSDカード用のスペースを備えた2パーツリングアセンブリを製造するときにこれを発見しました。最初のプロトタイプは直接金属レーザー焼結（DMLS）によって作成されましたが、表面仕上げの品質が低く、組み立てが不十分なため、静電放電加工を備えたCNCマシンを使用する調査が行われました。プロトタイプのパフォーマンスの向上により、この特定のアプリケーションにおけるCNCの利点が浮き彫りになりました。

ハイテク産業

多くのハイテク企業は、新しい製品を市場に投入するため、開発コストの削減は経済的に不可欠です。 Icon AircraftがA5レクリエーション航空機のプロジェクトを立ち上げたとき、彼らはプロトタイピングと大量生産のためのコンポーネントを構築するための最も費用効果が高く効率的な方法を見つけることに多大な時間とエネルギーを費やしました。ケーススタディによると、Icon Aircraftは、特殊な工具の必要性を減らすことで、生産スケジュールで2〜3週間、2000ドル、エアダクト部品あたり2人日を獲得しました。

航空機産業

今年の2017年の鋳造に対するアメリカ鋳造協会の賞は、航空機の旅客機のシートフレーム用の新しい鋳造を開発した会社に授与されました。歴史的に、この構造コンポーネントは単一のビレットから作られていましたが、詳細な設計とエンジニアリングのプロセスにより、アルミニウムよりも軽いが3Dプリントできない材料であるマグネシウムから作られた格子構造が生まれました。鋳造プロトタイプは、必要な強度を持ちながら、既存の機械加工部品よりもはるかに軽い製品を生み出しました。単一の旅客機で年間10万ドルの節約は、座席の軽量化による燃料費の削減と、それに伴う排出量の削減に基づいて計算されました。

ラピッドプロトタイピングと今後の道

ラピッドプロトタイプ製造のためのますます多くの方法がイノベーターとエンジニアに利用可能です。それぞれの方法には、独自の長所と短所があります。鋳造プロセスは、特に高融点金属の場合、プロトタイプを完成品と同じ材料で作成する必要があるアプリケーションに適しています。 3D印刷は、特定の印刷可能な材料で作られた小さなコンポーネントに適しています。このテクノロジーは継続的に開発および改善されています。機械加工は、複雑さがそれほど厳しくなく、フライス盤や研削などの標準的なプロセスを引き続き使用できるストック製品から金属を切り取るために使用できます。

ジェームズダイソン卿は、家の掃除システムのバッグ掃除機システムに取って代わったサイクロン掃除機システムの開発で最も有名な、象徴的な発明家、起業家、エンジニアです。 BBCとの魅力的なインタビューで、ダイソンは彼の発明が完成するまでに5年かかり、合計5,127の異なる調整と修正が行われたことを明らかにしました。彼は、「最初は成功しなかった場合は、もう一度やり直してください」という古くからのモットーを固く信じています。ダイソンのストーリーは、製品開発者とエンジニアが新製品を市場に出すために開発と改善を何度も繰り返す必要があるという現実を浮き彫りにしています。ラピッドプロトタイピングの改善により、非効率性が減少し、コストが削減され、イノベーターと消費者の両方の利益になります。

参考資料

• 3ders。 「3Dプリントの基本」
• マーリンスチール。 「3Dプリントと従来の製造」
• 機械的発明。 「パターンの種類」
• 機械工学。 「成形パターン/砂型鋳造パターン/パターンと金型」
• miBot。 「砂型とパターンの作成」
• 製造のライブラリ。 「インベストメント鋳造」
• ファウンドリ管理とテクノロジー。 「インベストメント鋳造をより良い投資にする」
• トーマスネット。 「CNC機械加工の詳細」
• 高速板金。 「ラピッドプロトタイピングファブリケーション」
• クリエイティブなメカニズム。 「CNCマシンについて知っておくべきことすべて」
• ウィキペディア。 「機械加工」