ラピッドプロトタイピング徹底解説：定義、プロセス、種類、主要技術

この記事ではラピッドプロトタイピング、技術、関連テクノロジー、完全なプロセス、応用について議論します。まずラピッドプロトタイピングの定義から始めましょう。

ラピッドプロトタイピングとは？

ラピッドプロトタイピング（RP）は、CADデータソースから直接物理オブジェクトを製作する関連技術群に与えられた最も一般的な名称です。これらの手法は、材料を層状に積み上げて結合しオブジェクトを形成する点でユニークです。

これらのシステムは、積層造形、三次元印刷、ソリッドフリーフォーム製造（SFF）、レイヤードマニュファクチャリングなどの名称でも知られています。今日の積層技術は、フライス加工や旋削などの古典的な除去加工法と比較して、多くの応用で優位性を提供します。

ラピッドプロトタイピング技術の能力は以下の通りです：

1. 3Dモデルの迅速な作成により、製品開発時間を大幅に短縮
2. 多機能設計チーム内でのコミュニケーション（可視化）を改善
3. 競争力を維持しながら、柔軟性の向上と小ロット生産に対応（迅速な製造）

ラピッドプロトタイピングプロセス

基本プロセス

いくつかのラピッドプロトタイピング技術が存在しますが、すべて同じ基本的な5ステッププロセスを採用しています。下図はRP技術の概念的表現です。手順は以下の通り：

1. 設計のCADモデルを作成
2. CADモデルをSTL形式に変換
3. STLファイルを薄い断面層にスライス
4. 層ごとにモデルを造形
5. モデルを洗浄・仕上げ

1. 設計のCADモデルを作成

まず、製作対象オブジェクトをCAD（コンピュータ支援設計）ソフトウェアパッケージでモデリングします。Pro/ENGINEERなどのソリッドモデラは、AutoCADなどのワイヤーフレームモデラよりも3Dオブジェクトをより正確に表現し、より良い結果をもたらします。設計者は既存のCADファイルを使用するか、プロトタイピング専用に新規作成できます。このプロセスはすべてのRP造形技術で共通です。

2. CADモデルをSTL形式に変換：

さまざまなCADパッケージは、ソリッドオブジェクトを表現するために多数の異なるアルゴリズムを使用します。一貫性を確立するために、STL（ステレオリソグラフィ、最初のRP技術）形式がラピッドプロトタイピング業界の標準として採用されています。第2ステップは、CADファイルをSTL形式に変換することです。この形式は、三次元表面を平面三角形の集合として表現します（「カットジュエリーのファセットのように」）。

ファイルには各三角形の頂点座標と外向き法線の方向が含まれます。STLファイルは平面要素を使用するため、曲面を正確に表現できません。三角形の数を増やすと近似精度は向上しますが、ファイルサイズが大きくなる代償があります。大規模で複雑なファイルは前処理と造形により多くの時間を要するため、設計者は精度と扱いやすさのバランスを取って有用なSTLファイルを作成する必要があります。STLファイル形式は普遍的であるため、このプロセスはすべてのRP造形技術で共通です。

3. STLファイルを断面層にスライス：

第3ステップでは、プリプロセッシングプログラムがSTLファイルを造形用に準備します。いくつかのプログラムが利用可能で、ほとんどのものはユーザーがモデルのサイズ、位置、向きを調整できます。造形向きはいくつかの理由で重要です。第一に、ラピッドプロトタイプの特性は座標方向によって異なります。

例えば、プロトタイプは通常、x-y平面におけるz（垂直）方向でより弱く、精度も低くなります。また、パーツの向きはモデル造形に必要な時間を部分的に決定します。最短寸法をz方向に配置すると層数が減り、造形時間が短縮されます。プリプロセッシングソフトウェアは、造形技術に応じて0.01mm〜0.7mmの厚さでSTLモデルを多数の層にスライスします。

4. 層ごとにモデルを造形：

第4ステップはパーツの実際の造形です。いくつかの技術（次節で説明）を用いて、RPマシンはポリマー、紙、金属粉末から1層ずつ造形します。ほとんどのマシンはかなり自律的で、人間の介入はほとんど必要ありません。

5. モデルを洗浄・仕上げ：

最終ステップは後処理です。これはマシンからプロトタイプを取り出し、サポートを取り外すことを含みます。プロトタイプは微細な洗浄と表面処理を必要とする場合もあります。サンディング、シーリング、塗装により外観と耐久性が向上します。

ラピッドプロトタイピング技術

さまざまなRP技術が開発されています。RPプロセスにおける出発材料の形態によって、主に3カテゴリに分類できます：

1. 液体ベース
2. 固体ベース
3. 粉末ベース

1. 液体ベースのラピッドプロトタイピング技術

このカテゴリでは3つのRP手法を議論します：

1. ステレオリソグラフィ
2. ソリッドグラウンドキュアリング
3. 液滴堆積製造

ステレオリソグラフィ

ステレオリソグラフィは、光化学プロセスにおいて光が化学モノマーとオリゴマーを架橋させてポリマーを形成することを利用し、モデル、プロトタイプ、パターン、生産部品を層ごとに作成する3D印刷技術の一種です。

ステレオリソグラフィ（SL）は、1987年末に3D Systems Inc.（バレンシア、カリフォルニア州）によってチャールズ・ハル氏が開発した特許プロセスに基づき商業導入されました。これが最初のRP技術であったため、現在さまざまなシステムが産業向けに市販されています。

ソリッドグラウンドキュアリング

キュービタル社がこのRPシステムを開発しました。このプロセスでは、液体ポリマー樹脂の層を紫外線で硬化させます。これは層をフラッシュまたはフラッド露光することで達成されます。露光領域と境界は、黒色トナーの静電堆積によってガラスマスクプレートを開発し、次の層の平坦な支持を提供するためにミリングすることで生成されます。全層が完了すると、プロトタイプ部品を洗浄して水溶性ワックスを除去します。キュービタル光重合樹脂は各層の造形中に完全に硬化します。

液滴堆積製造

この技術を用いると、金属液滴を柔軟に生成し、精密に制御できます。精密に制御された金属液滴に基づくネットシェイプ製造（部品またはインゴット）は、急速凝固処理による部品品質向上の期待と、構造部品を1つの統合操作で製造する経済的メリットにより産業界の関心を集めています。

2. 固体ベースのラピッドプロトタイピング技術

このカテゴリでは2つのRP手法を議論します：

1. 積層造形（LOM）
2. 溶解堆積法（FDM）

積層造形（LOM）

積層造形は、ビルド材料のシートを連続的に積層し、熱と圧力で接着し、ブレードまたは炭酸ガスレーザーで所望の形状に切断する、あまり知られていない積層造形プロセスです。

Helisys Inc.（トーランス、カリフォルニア州）の積層造形（LOM）プロセスは、固体シート材料、最も一般的には漂白「ブッチャー」紙を使用してプロトタイプ部品を作成します。このプロセスでは、LOMマシンがロールから薄いシート材料を自動的にエレベータプラットフォーム上に位置決めします。

溶解堆積法（FDM）

溶解堆積法（FDM）は、熱可塑性フィラメントを溶融押出し法で特定パターンに堆積させる技術です。FDMは3DPと同様に、ビルドプラットフォーム上方でX軸とY軸に移動可能なプリントヘッドを持ちます。

溶解堆積法（FDM）は、Stratasys Inc.（ミネアポリス、ミネソタ州）の商用ラピッドプロトタイピング（RP）システムで使用される技術名です。Stratasysシステムは主に概念設計段階で使用する製品開発チームを対象としています。システムは簡単な操作を採用し、不活性材料とヒュームのなさにより、オフィス環境と高い互換性があります。

3. 粉末ベースのラピッドプロトタイピング技術

このカテゴリでは3つのラピッドプロトタイピング手法を議論します：

1. 選択的レーザー焼結
2. 三次元印刷
3. レーザー工学的ネットシェイピング

選択的レーザー焼結（SLS）

DTMコーポレーション（オースティン、テキサス州）の選択的レーザー焼結（SLS）システムは、レーザーを用いて粉末材料を結合し、所望の部品形状に層ごとに造形します。このプロセスでは、熱可塑性粉末の層を広げ、高出力レーザービームでモデルに必要な部分を溶融・冷却させます。ローラーが次の層を広げ、プロセスを繰り返します。

未焼結粉末はオーバーハング特徴のサポート機能を果たします。最近ではセラミックおよび金属部品の製造にも拡張されています。完全な結合のために炉での焼結が必要です。プロセスはシンプルで、材料範囲が広いです。視覚的制限として、部品が多孔質であるため、特定の用途にのみ有用です。

三次元印刷（3DP）

このプロセスでは、薄い粉末層に選択的にバインダーを適用し、粉末粒子を互いに付着させることで三次元オブジェクトを造形します。各層は、薄い粉末コーティングを生成し、インクジェットのような機構でバインダーを適用することで形成されます。層は順次形成され、互いに接着して三次元オブジェクトを生成します。

不要なバインダー液滴は、ノズルで電気的に帯電させ、ノズル下部の電極に電位をかけて偏向させることで、粉末に到達する前に除去されます。全層形成後、未結合粉末を除去し、部品を炉で焼成して硬化・強化します。

このプロセスは、セラミック、金属、金属-セラミック複合材、ポリマーなど幅広い材料で部品を造形できます。制限は表面仕上げの不十分さと多孔性です。

レーザー工学的ネットシェイピング（LENS）

これらの技術の強みは、優れた冶金的特性を持つ完全致密な金属部品を合理的な速度で造形できる能力にあります。高出力レーザーを用いて、堆積ヘッドを通じてレーザービーム焦点に同軸的に供給される金属粉末を溶融させます。ステンレス鋼、銅、アルミニウムなど多様な材料が使用可能です。特にチタンなどの反応性材料が注目されています。

ほとんどのシステムは粉末原料を使用します。造形オブジェクトはニアネットシェイプですが、一般的に仕上げ加工が必要です。完全致密で良好な結晶構造を持ち、固有材料と同等またはそれ以上の特性を示します。初期応用は射出成形金型の製作・修理、航空宇宙用大型チタン・エキゾチック金属部品の製作に集中しています。

ラピッドプロトタイピングの限界

ラピッドプロトタイピングシステムは、まだ幅広い製品を高速で製造することはできません。しかし、増加する応用が積層造形の利点を活用し、RPプロセスで直接作られた部品を取り入れています。今日、典型的には複雑な形状の低量産品が、医療や航空宇宙など高付加価値用途で使用されています。

材料と技術が改善され、能力が広く理解されるにつれ、直接製造はラピッドプロトタイピングにおける急成長分野となっています。

より幅広い用途に早期に対応するため、RPは従来の製造プロセスをより速く、安く、良くするための出発点としてもよく使用されます。ラピッドプロトタイピングはこの目的で2通りの方法で使用されます：金型をRPシステムで直接製作する、またはRPで生成したパーツをパターンとして、いわゆる間接または二次プロセスで金型を製作する。

ラピッドプロトタイピングの応用

ラピッドプロトタイピングは、新製品を非常に高速でモデリングするために使用されます。Jacobは以下のラピッドプロトタイピング応用を特定しています：

1. 可視化
2. 検証
3. 反復
4. 最適化
5. 製造

1. 可視化

図面やCADモデルでは、盲穴、複雑な内部通路、複合曲面などがある製品の特徴を視覚化者が正確に特定するのが困難です。ラピッドプロトタイピングでは最終製品のプロトタイプが検査・意思決定のために利用可能なため、すべての特徴を検出できます。

2. 検証

製造エンジニアとマネージャーは、完全に機能するプロトタイプでひずみ、動作温度、疲労などの特性をチェックできます。これにより製品を本格生産サイクルに移す前に検証できます。

3. 反復

プロトタイプが作られたら、設計者はプロトタイプの物理的限界内でテストを実行できます。例えば、流体動力学テストを硬化光重合材料のプロトタイプで実施できます。テスト中に問題が検出されれば、モデルの形状を修正し、新しいRPを作成し、同じテストを再実施できます。

4. 最適化

設計最適化により状況をさらに改善できます。RP技術では設計を問題なく変更できます。RP反復で許容設計を達成した後、設計者は製品のさまざまなパラメータを変更し、どれが最適かをテストすることで設計を最適化する機会を得ます。

5. 製造

RP技術のいずれかの方法で最適化されたプロトタイプが開発されたら、機能テストモデル（FTM）を製作することが重要です。このモデルはまだ製作・テストされていないため、機能テスト要件を満たすか不明です。RPを用いてFTMで機能テストを実行できます。テスト結果が満足なら、ツール製作などの量産前活動を開始します。

ラピッドプロトタイピングの定義、技術、テクノロジー、応用を含む完全な概要についてのこの記事をお気に召していただけましたら幸いです。