ラピッドプロトタイピングとは何ですか？-タイプと動作

ラピッドプロトタイピングとは何ですか？

ラピッドプロトタイピングは、3Dコンピューター支援設計（CAD）を使用して、物理的な部品、モデル、またはアセンブリを迅速に製造することです。パーツ、モデル、またはアセンブリの作成は、通常、3D印刷として一般的に知られている積層造形を使用して完了します。

ラピッドプロトタイピングは、製品をすばやく評価するために使用できるものを作成するプロセスです。エンジニアリングでは、プロトタイプは製品の初期バージョンです。ラピッドプロトタイピングにより、企業はテクノロジーをテストおよび分析できます。

設計が提案された最終製品と厳密に一致する場合、プロトタイプと最終製品の間に明確な違いがある低忠実度のプロトタイプとは対照的に、高忠実度のプロトタイプであると言われます。

言い換えれば、ラピッドプロトタイピングはテスト方法です。製品の将来と顧客との成功を分析できます。結果として、分析はそれがうまくいくかどうかを教えてくれます。企業は、製品開発のすべての段階でこのプロセスを使用しています。

効率はプロセスをより安くそしてより速くします。これにより、製品を作成する際の柔軟性とエラーの余地が広がります。長期的には、これは他の方法よりも有益です。

詳細： 3Dプリントとは何ですか？

ラピッドプロトタイピングには3つの主要なステップがあります。 1つ目はプロトタイプを作成することです。彼らは、会社がテストするためのソリューションを開発することによってこれを行います。

次のステップはレビューです。多くの企業は、プロトタイプをユーザーや利害関係者と共有することでこれを行っています。これにより、フィードバックを得ることができるため、製品を修正して顧客のために改善することができます。

最後のステップは精製です。会社が受け取ったフィードバックに基づいて、製品を修理または変更することができます。これは、将来の設計を改善するのにも役立ちます。

ラピッドプロトタイピングはどのように機能しますか？

3D印刷とも呼ばれるラピッドプロトタイピングは、積層造形技術です。このプロセスは、モデリングまたはコンピューター支援設計（CAD）ソフトウェアから仮想設計を取得することから始まります。 3D印刷機は、CAD図面からデータを読み取り、一連の断面から物理モデルを構築する液体、粉末、またはシート材料の連続する層を配置します。

CADモデルの仮想断面に対応するこれらのレイヤーは、自動的に結合されて最終的な形状を作成します。

ラピッドプロトタイピングは、STLファイル形式として実装された標準のデータインターフェイスを使用して、CADソフトウェアから3Dプロトタイピングマシンに変換します。 STLファイルは、三角形のファセットを使用してパーツまたはアセンブリの形状を近似します。

通常、ラピッドプロトタイピングシステムは数時間以内に3Dモデルを作成できます。ただし、これは、使用されているマシンのタイプ、および製造されているモデルのサイズと数によって大きく異なります。

アディティブマニュファクチャリングは最も一般的なラピッドプロトタイピングプロセスですが、他のより一般的な方法を使用してプロトタイプを作成できます。

詳細： アディティブマニュファクチャリングとは何ですか？

これらのプロセスには次のものが含まれます：

• 減算 –材料のブロックを彫って、フライス盤、研削、または旋削によって目的の形状を作成する場合。
• 圧縮 –固化する前に、半固体または液体の材料によって、たとえば鋳造、圧縮焼結、または成形によって、目的の形状にプレスされます。

さまざまなタイプのラピッドプロトタイピング

ラピッドプロトタイピング技術の種類：

• ステレオリソグラフィー（SLA）
• 選択的レーザー焼結（SLS）
• 直接金属レーザー焼結（DMLS）
• 熱溶解積層法（FDM）
• バインダー噴射
• ポリジェット

プロトタイプを作成する方法は数十あります。プロトタイピングプロセスが進化し続けるにつれて、製品設計者は常に、独自のアプリケーションに最適な方法またはテクノロジーを決定しようとしています。

1。 ステレオリソグラフィー（SLA）またはバット光重合

この高速で安価な技術は、商用3D印刷の最初の成功した方法でした。コンピューター制御の紫外線（UV）光を使用して層ごとに固化する感光性液体の浴が使用されます。

SLAは、コンピューター制御のレーザーを使用してUV硬化性フォトポリマー樹脂のプールに部品を構築するプロセスである産業用3D印刷または積層造形です。レーザーは、液体樹脂の表面の部品設計の断面をトレースして硬化させるために使用されます。

次に、固化した層を液体樹脂の表面のすぐ下に下げ、このプロセスを繰り返します。新しく硬化した各層は、その下の層に付着します。このプロセスは、パーツが完了するまで続きます。

長所： コンセプトモデル、化粧品のプロトタイプ、および複雑な設計の場合、SLAは、他の付加的なプロセスと比較して、複雑な形状と優れた表面仕上げを備えた部品を製造できます。コストは競争力があり、テクノロジーはいくつかのソースから入手できます。

短所： プロトタイプ部品はエンジニアリンググレードの樹脂で作られたものほど強力ではない可能性があるため、SLAを使用して作られた部品は機能テストでの使用が制限されています。さらに、パーツはUVサイクルを経てパーツの外面を固化しますが、組み込みのSLAは、劣化しないように、UVと湿度への露出を最小限に抑えて使用する必要があります。

2。 選択的レーザー焼結（SLS）

SLSは、金属とプラスチックの両方のプロトタイピングに使用され、粉末床を使用してレーザーで層ごとにプロトタイプを作成し、粉末材料を加熱および焼結します。ただし、部品の強度はSLAほど良くありませんが、完成品の表面は通常粗く、完成させるために二次的な作業が必要になる場合があります。

SLSプロセス中、コンピューター制御のCO2レーザーは、ナイロンベースの粉末の温床に下から上に向かって吸引し、そこで粉末を軽く焼結（融合）させて固体にします。各層の後、ローラーがベッドの上に新しい粉末の層を置き、プロセスが繰り返されます。

SLSは、実際のエンジニアリング熱可塑性プラスチックと同様の硬質ナイロンまたはエラストマーTPU粉末を使用しているため、部品はより高い靭性と精度を示しますが、表面が粗く、細部が欠けています。 SLSは大量のビルドを提供し、非常に複雑な形状の部品を製造し、耐久性のあるプロトタイプを作成できます。

長所： SLSパーツは、SLAパーツよりも正確で耐久性が高い傾向があります。このプロセスは、複雑な形状の耐久性のある部品を作成でき、一部の機能テストに適しています。

短所： パーツには粒子の粗いまたは砂のようなテクスチャがあり、プロセスには限られた樹脂の選択肢があります。

3。直接金属レーザー焼結（DMLS）

DMLSは、金属のプロトタイプと機能的な最終用途の部品を製造する積層造形技術です。 DMLSは、噴霧された金属粉末の表面に描画するレーザーシステムを使用します。引き寄せる場所で、粉末を溶接して固体にします。

各層の後に、ブレードは粉末の新しい層を追加し、プロセスを繰り返します。 DMLSはほとんどの合金を使用できるため、プロトタイプを生産コンポーネントと同じ材料で作られた完全な強度の機能的なハードウェアにすることができます。

また、製造可能性を念頭に置いて設計されている場合、必要に応じて生産量を増やしたときに金属射出成形に移行する可能性もあります

長所： DMLSは、機能テストに使用できるさまざまな金属から強力な（通常、97％の密度の）プロトタイプを作成します。コンポーネントはレイヤーごとに構築されるため、キャストやその他の方法で加工できない内部フィーチャや通路を設計することができます。機械的特性の部品は、従来の成形部品と同等です。

短所： DMLSパーツを数個以上製造すると、コストが上昇する可能性があります。直接金属プロセスの粉末金属起源のため、これらの部品の表面仕上げはわずかに粗いです。プロセス自体は比較的遅く、通常は高価な後処理が必要です。

4。 熱溶解積層法（FDM）またはマテリアルジェッティング

この安価で使いやすいプロセスは、ほとんどの非産業用デスクトップ3Dプリンターに見られます。熱可塑性フィラメントのスプールが使用されます。このスプールは、圧力ノズルハウジング内で溶融されてから、コンピューター堆積プログラムに従って層ごとに液体プラスチックが堆積されます。

初期の結果は一般的に解像度が低く、不十分でしたが、このプロセスは迅速に改善され、迅速かつ安価であるため、製品開発に最適です。

FDMは、熱可塑性樹脂（ABS、ポリカーボネート、またはABS /ポリカーボネートブレンド）を層状に溶融および再凝固させて完成したプロトタイプを形成する押出成形法を使用します。本物の熱可塑性樹脂を使用しているため、バインダージェットよりも強力であり、機能テストでの使用が制限される場合があります。

長所： FDMパーツは手頃な価格で比較的強力であり、一部の機能テストに適しています。このプロセスでは、複雑な形状の部品を作成できます。

短所： パーツの表面仕上げは悪く、波状の効果が顕著です。また、SLAやSLSよりも遅い追加プロセスであり、機能テストへの適合性は限られています。

6。 射出成形

急速射出成形は、生産射出成形の場合と同様に、熱可塑性樹脂を金型に射出することによって機能します。このプロセスを「迅速」にするのは、金型の製造に使用される技術です。金型は、製造金型で使用される従来の鋼ではなく、アルミニウムで作られることがよくあります。

成形品は丈夫で仕上がりも抜群です。これはプラスチック部品の業界標準の製造プロセスでもあるため、状況が許せば、同じプロセスでプロトタイピングすることには固有の利点があります。

ほぼすべてのエンジニアリンググレードのプラスチックまたは液体シリコーンゴム（LSR）を使用できるため、設計者はプロトタイピングプロセスの材料制限に制約されません。

長所： 成形部品は、エンジニアリンググレードの材料の配列から作られ、優れた表面仕上げを備えており、製造段階での製造可能性の優れた予測因子です。

短所： 添加剤プロセスやCNC機械加工では発生しない、急速射出成形に関連する初期の金型費があります。したがって、ほとんどの場合、射出成形に移行する前に、ラピッドプロトタイプ（減法混色または加法混色）を1〜2回実行して、適合性と機能を確認するのが理にかなっています。

7。 バインダー噴射

この手法では、1つまたは複数のパーツを一度に印刷できますが、作成されるパーツはSLSで作成されるパーツほど強力ではありません。バインダージェットは、ノズルが液滴を噴霧する粉末床を使用して、粉末粒子を結合し、部品の層を形成します。

次に、各層をローラーで圧縮してから、次の粉末層を塗布し、プロセスを再開します。部品が完成したら、オーブンで硬化させてバインダーを焼き払い、粉末を融合させて一体型の部品にすることができます。

8。ポリジェット

ポリジェットは、プリントヘッドを使用して、紫外線を使用して次々に硬化するフォトポリマー樹脂の層をスプレーします。レイヤーは非常に薄いため、高品質の解像度が得られます。材料は、部品の完成後に除去されるゲルマトリックスによってサポートされています。エラストマー部品はPolyjetで可能です。

長所： このプロセスは手頃な価格で、柔軟で剛性のある材料でオーバーモールドされた部品のプロトタイプを作成でき、複数の色のオプションで部品を製造でき、複雑な形状を簡単に複製できます。

短所： Polyjetパーツは、強度が制限されており（SLAと比較して）、機能テストには適していません。 PolyJetは複雑な形状の部品を製造できますが、設計の最終的な製造可能性についての洞察は得られません。また、時間の経過とともに光にさらされると、色が黄色になることがあります。