最適なラピッドプロトタイピング手法選定で優れた製品開発を実現

「ラピッドプロトタイピング（RP）」とは、製品ライフサイクルの設計段階において、コンピュータ支援設計（CAD）を用いて物理製品を迅速に製作することを指します。概念創出から最終テストまで、設計プロセス全体で使用できます。効果的なラピッドプロトタイピングは、エンジニアが早期に潜在的落とし穴を回避し、製品の全体的品質を向上させ、市場投入までのスピードを加速させます。ラピッドプロトタイピングは、ツーリングを必要とせず、CADファイルから複雑な形状を直接迅速に再現することもできます。

プロトタイプには低忠実度と高忠実度の2タイプがあります。低忠実度プロトタイプは、設計サイクル初期段階で使用される粗いモックアップで、設計者とエンジニアが概念の形状と機能を理解し、設計を迅速に改善するのを助けます。高忠実度プロトタイプは、最終設計のほぼ正確な表現で、製品の性能、外観、人間工学を検証するために使用されます。

ラピッドプロトタイピングはアディティブの主要メリットの一つですが、どの種類の3Dプリントを使うか判断するのは難しいです。与えられた製品のラピッドプロトタイピングプロセス選定のプレッシャーを軽減するため、最も一般的な6つの手法を分解して解説します。

溶解積層法（FDM）

溶解積層法（FDM）では、加熱プリントノズルがポリカーボネートやABSなどの熱可塑性材料をバレル内で溶かし、液状化した材料を設定ツールパスに沿って層ごとに押し出します。FDMは長年存在し、簡単、安全、比較的強い部品を中〜低価格で製造できるため、最も一般的なプロトタイピング技術の一つです。

残念ながら、FDMは構造的完全性で知られていません。このプロセスは多孔質で、強度が不均一、機能テスト能力が限られる部品を生み出しがちです。FDMは光造形や選択的レーザー焼結より遅いです。それでも、エンジニアは製品開発段階でFDMを実行可能な選択肢と見なすべきです。コスト効率の良いラピッドプロトタイピング手段を提供するからです。

光造形（SLA）

光造形（SLA）は、多くの設計・エンジニアリングチームにとって定評あるラピッドプロトタイピングの選択肢です。このプロセスでは、コンピュータ制御UVレーザーがビルドプラットフォーム上で部品の各2Dスライスをトレースし、液体光重合性レジンを硬化させます。完了した各層が次の層に接着し、フル部品が形成されるまで繰り返されます。高速、安価、広く利用可能です。SLAプロトタイプは医療機器とモデルによく使用されます。

SLAはエンジニアリンググレードレジンを必要としないため、このプロセスで作られるプロトタイプは弱く、過酷なテストには不向きです。さらに、UVは時間経過と湿気曝露で劣化します。しかし、レーザーの高解像度と積層ラインの目立ちにくさにより、SLA部品はFDMよりはるかに優れた表面仕上げを持ちます。エンジニアは、複雑な設計や高表面要件を持つ限定用途部品のプロトタイピングにSLAを検討すべきです。

デジタルライトシンセシス（DLS）

CarbonのDigital Light Synthesis（DLS）は、光化学プロセスで部品を構築します。光を酸素透過性ウィンドウを通じてUV硬化性レジン槽に投影し、デジタルデバイスが一連のUV画像をレジンに投影、部品が層ごとに固化し、完全な部品が形成されます。プリント部品は強制対流炉で焼成され、熱の適用によりDLSプリント部品に優れた機械的特性が与えられます。

このプロセスは、プリントプロセスが連続的であるため、高忠実度プロトタイプと小型等方性部品の開発に最適です。DLSプリント部品は、射出成形で製造された部品と強度と機械的特性が類似しています。DLSは幅広い工業グレード材料と適合するため、複数の部品反復にも理想的です。

しかし、DLSは手のひらサイズより大きい部品のプロトタイピングには最適ではなく、エンジニアはこのプロセスのサポートを考慮して設計を見直す必要があるかもしれません。また、一般的に他のプロトタイピングプロセスより高価で、ビルドボリュームが大きくありません。

選択的レーザー焼結（SLS）

選択的レーザー焼結（SLS）は、強力なコンピュータ制御レーザーを用いて、通常ナイロンベースの粉末材料の複数層を焼結し、固体を形成します。ナイロンに加え、SLSは熱可塑性樹脂と機械的に類似したエラストマーTPU粉末とも適合します。このラピッドプロトタイピングプロセスは、自動車ハードウェア部品の作成に特に適しています。

SLSで構築されたプロトタイプは、SLAよりタフで耐久性があり、機能テストに適しています。このプロセスは、幅広い材料で均一な強度を維持しながら実行できるため、SLAより汎用性が高いです。しかし、SLSプリント製品は多孔質で、ディテールが劣り、高価で、製造に時間がかかります。

マルチジェットフュージョン（HP MJF）

マルチジェットフュージョン（HP MJF）は、インクジェットヘッドで粉末層に融着剤を堆積させ、赤外線ランプで融着させることで2D断面を積み上げる粉末ベッド技術です。部品はビルドボックスから取り出され、余分な粉末を除去するためにブラストされます。

HP MJFは高速で、平均してSLSより約3日速いです。このプロセスは、機能的、耐薬品性、高密度なプロトタイプを最短1日で製造できます。これにより、水密用途、エンクロージャ、複雑なアセンブリを持つその他のプロトタイプに最適です。プロトタイプはフルカラーでも作成可能で、デザイナーが製品の美観もテストできます。ただし、HP MJFはPA12ナイロンのみ使用可能で、微小形状の作成では高精度を約束しません。

PolyJet

PolyJetプリントプロセスでは、プリントヘッドがフォトポリマーレジンの層をゼラチンマトリックスに噴射し、紫外線でレジンを硬化させます。これにより超薄で非常に滑らかな材料層が生成され、プロトタイプに優れた表面仕上げを与えます。さらに、プリントヘッドは異なる材料の液滴を吐出できるため、単一プリントでマルチマテリアルプロトタイプを作成できます。

しかし、PolyJetはSLAの多くの脆弱性を共有します。このプロセスで構築されたプロトタイプはあまり強くなく、UV感度で劣化する可能性があります。それでも、エンジニアが多材料適合でエレガントな高解像度プリントを生み出すラピッドプロトタイピングプロセスを求めているなら、PolyJetは適切な選択肢となり得ます。

専門家アドバイスでより良いプロトタイプを構築

最適なラピッドプロトタイピングプロセス選びは圧倒的に感じられるかもしれません。予算制約、タイムライン、物理的要件、その他重要な要素をバランスよく考慮することで、エンジニアは自分のプロジェクトに最適なラピッドプロトタイピングプロセスを絞り込み始められます。専門の製造パートナーと組むことで、正しい選択を確実にできます。

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弊社が提供するアディティブ製造プロセスと、それぞれで何が作れるかについての詳細は、リソースセンターの関連記事をご覧ください。

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