迅速プロトタイピング完全ガイド：あなたの製品に最適な手法の選び方

最近製品設計を思いついたなら、製造業者からの一般的な質問（材料選定、寸法、強度・公差要求、生産数量など）にはすでに答えているかもしれません。

しかし、これらすべてに答えても、最終製品の量産開始時に失敗の可能性を完全に排除することはできません。トップクラスの製品設計者がこれらのリスクを軽減する方法の一つが迅速プロトタイピングです。本記事では迅速プロトタイピングを説明し、理想的な手法選択のためのヒントを提供します。

迅速プロトタイピングとは？

迅速プロトタイピングとは、あなたの製品のサンプル部品を製造し、部品の嵌合、機能、製造可能性、外観、強度をテストすることです。製品開発初期段階で設計欠陥を早期発見し、修正措置を講じることを可能にします。しかし、今日利用可能ないくつかの迅速プロトタイピング技術があるため、あなたのプロジェクトに最適な技術と手法の選択に迷うかもしれません。

理想的な迅速プロトタイピング手法の選択

迅速プロトタイピングで一般的に使用される3つの手法は以下の通りです。

1. 3Dプリント
2. 射出成形
3. CNC加工

#1 3Dプリント

3Dプリントは積層造形プロセスであり、目的のプロトタイプを形成するために材料を層ごとに積み重ねます。高精度、材料適性、低コスト（特に少量部品の場合）により、迅速プロトタイピングで最も一般的な手法です。

図1：3Dプリントプロセス

しかし、3Dプリント技術にはいくつかのタイプがあり、それぞれ異なる能力とプロトタイピングニーズへの適性を持っています。例えば、一般的に使用される3つの3Dプリント技術は以下の通りです。

• 溶解積層法（FDM）
• 光造形法（SLA）
• 選択的レーザー焼結法（SLS）

溶解積層法（FDM）

溶解積層法（FDM）は迅速プロトタイピングで最も人気のある3Dプリント手法です。FDM 3Dプリンターは、熱可塑性フィラメント（PLA、ABSなど）を加熱ノズルから層ごとに押し出します。典型的な最大造形サイズは320×132×154mmで、形状適合テストを受けるプロトタイプの作成に適しています。

例えば、図2はラズベリーパイケースのプロトタイプで、FDM 3Dプリンターで作成され形状適合テストを受けています。

図2：FDMプリントされたラズベリーパイケース

しかし、押出ノズルのサイズがFDMプリント部品の解像度を決定するため、複雑なディテールを必要とするプロトタイプ部品の作成にはFDMが最適でない場合があります。

光造形法（SLA）

光造形法（SLA）3Dプリンターは、高精度レーザーを使用してプロトタイプを作成します。このレーザーが液体レジンを硬化させ、FDM 3Dプリントで一般的な低解像度課題を解決します。その結果、SLA 3DプリンターはFDMより高い精度、より微細なディテール、滑らかな表面仕上げを実現できます。

タイトな公差、究極の精度、正確さ、滑らかな表面仕上げを要求する詳細なビジュアルプロトタイプを作成したい場合はSLA 3Dプリントを選択すべきです。ただし、SLA 3Dプリントの典型的な最大造形サイズは145×145×175mmであることに注意してください。

図3：SLA 3Dプリンターで作成されたプロトタイプ

選択的レーザー焼結法（SLS）

選択的レーザー焼結法（SLS）では、レーザーを用いて粉末材料（通常ポリアミドまたはナイロン）を層ごとに焼結し、目的のプロトタイプを作成します。SLS 3Dプリントは、優れた機械的特性を要求する完全機能プロトタイプの作成に最適です。SLA 3Dプリントより大きな造形サイズ（300×300×300mm）を提供しますが、表面仕上げは粗くなります。

図4：SLS 3Dプリンターで作成されたプロトタイプ

#2 射出成形

射出成形は、金型を使用してプロトタイプを作成する製造手法です。射出成形機でプロトタイプを作成するには、製造業者がまず希望製品形状の金型を作成します。次に、熱可塑性ポリマーを加熱し溶融流体に変えます。この流体がランナーシステムを通じて金型キャビティに射出され、目的の形状を形成します。

図5：射出成形プロセス

射出成形は多くの材料（熱可塑性樹脂、金属、液体シリコーンゴム）と互換性があり、複雑な製品設計を作成できます。しかし、通常、プロトタイプの複数レプリカを製造する場合、特にこれらのプロトタイプで一連のテストを実行する必要がある場合に最適です。

例えば、電気システムのないコンピュータマウスプロトタイプ（シリコーンゴム製）を示す図6を考えてみましょう。

図6：コンピュータマウスプロトタイプ

このシナリオでは、このプロトタイプの複数ユニットを作成し、人間工学（ユーザーが快適かつ効果的に作業する能力へのマウスの影響）をテストできます。例えば、このマウス設計がユーザーの手にどうフィットするか、腕の動きや血行をどう制限するかを判定できます。

このテストから得られた結果は、マウスアーム症候群や手根管症候群のリスクを低減する製品設計対策の策定に役立ちます。

#3 CNC加工

CNC加工は減法製造手法であり、切削工具を用いてワークピースから材料を除去することで目的のプロトタイプを作成します。コンピュータ数値制御（CNC）技術が切削工具とワークピースの動作シーケンスを自動化し、プロトタイプを作成します。

図7：CNC加工プロセス

CNC加工は一般的に金属部品の迅速プロトタイピングで最良の手法です。特に、ジグ・治具やエンドユース用途のコンポーネントのような高精度な機能的プロトタイプ製品を作成する必要がある場合に適しています。例えば、CNC工作機械は±0.004mmの公差と最大136MPaの機械的強度を達成できます。しかし、CNC加工の減法的性質により、一部のフィーチャー（アンダーカットなど）の製造が困難な場合があります。

詳細はこちら：CNC加工向け設計の理解。

迅速プロトタイピングサービス：ゲンスンがサポート

3Dプリント、射出成形、CNC加工は幅広い製品設計プロトタイプを迅速に作成できます。しかし、あなたの迅速プロトタイピングプロジェクトの成功は、主にあなたが協働する機械加工業者にかかっています。

ゲンスン・プレシジョン・マシニングはアジア全域で大手迅速プロトタイピングサービスプロバイダーです。3Dプリント、射出成形、CNC加工の能力を備えるだけでなく、高度に訓練されたエンジニアと品質管理エキスパートが連携し、あなたの製品を正しく仕上げます。

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