ラピッドプロトタイピングとは何ですか? 理想的なプロトタイピング方法を選択するにはどうすればよいですか?

最近製品設計を思いついた場合は、製造元からのよくある質問に答えているでしょう。たとえば、選択した材料、寸法、強度、公差の要件、および生産するユニットの数は何ですか?

ただし、これらすべての質問に答えた後でも、最終製品の量産を開始するときに失敗する可能性を排除することはできません.一流の製品設計者がこれらのリスクを軽減する 1 つの方法は、ラピッドプロトタイピングです。この記事では、ラピッドプロトタイピングについて説明し、理想的な方法を選択するのに役立つヒントを提供します。

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 コンポーネントの適合性、機能、製造可能性、外観、および強度をテストするために、製品のサンプル部品を製造する必要があります。製品開発の早い段階で設計上の欠陥を発見できるため、それらを修正するための対策を講じることができます。ただし、今日利用可能なラピッドプロトタイピングテクノロジがいくつかあるため、プロジェクトに最適なラピッドプロトタイピングテクノロジと方法の選択について混乱する可能性があります。

理想的なラピッドプロトタイピング方法の選択

ラピッドプロトタイピングに一般的に使用される 3 つの方法は次のとおりです。

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3D プリント

射出成形

CNC 加工

#1 3D プリント

3D プリンティングは積層造形プロセスㅡです。つまり、材料の一部を層状に追加して、目的のプロトタイプを形成します。これは、精度が高く、材料の互換性があり、低コストであるため (特に少量の部品の場合)、ラピッドプロトタイピングの最も一般的な方法です。

図 1:3D 印刷プロセス

ただし、3D プリンティング技術にはいくつかの種類があり、それぞれがさまざまなプロトタイピングのニーズに対応する能力と適合性を備えています。たとえば、次の 3 つの一般的な 3D 印刷技術が含まれます。

溶融堆積モデリング (FDM)
立体造形
選択的レーザー焼結 (SLS)

溶融堆積モデリング

Fused Deposition Modeling (FDM) は、ラピッドプロトタイピングで最も一般的な 3D プリント方法です。 FDM 3D プリンターは、熱可塑性フィラメント (PLA や ABS など) を加熱ノズルから層ごとに押し出すことによって機能します。通常、最大ビルドサイズは 320 x 132 x 154 mm で、フォームフィットテストを受けるプロトタイプの作成に適しています。

たとえば、図 2 は、FDM 3D プリンターを使用して作成された Raspberry Pi ケースのプロトタイプを示しており、フォームフィットテストを受けています。

図 2:FDM で印刷された Raspberry Pi ケース

ただし、押出ノズルのサイズによって、FDM で印刷されたパーツの解像度が決まります。したがって、FDM は、複雑な詳細を必要とするプロトタイプパーツを作成するための理想的な方法ではない可能性があります。

ステレオリソグラフィー (SLA)

光造形 3D プリンターは、高精度のレーザーを使用してプロトタイプを作成します。このレーザーは液体樹脂を硬化させ、FDM 3D プリントで一般的な低解像度の問題を解消します。その結果、SLA 3D プリンターは FDM 3D プリンターよりも高い精度と詳細を実現できます。

厳しい公差、究極の精度、精度、および滑らかな表面仕上げを必要とする詳細なビジュアルプロトタイプの作成を検討している場合は、SLA 3D プリントを選択する必要があります。ただし、通常、SLA 3D プリントの最大造形サイズは 145 x 145 x 175 mm であることに注意してください。

図 3:SLA 3D プリンターを使用して作成されたプロトタイプ

選択的レーザー焼結 (SLS)

選択的レーザー焼結 (SLS) では、レーザーを使用して粉末材料 (通常はポリアミドまたはナイロン) を層状に焼結し、目的のプロトタイプを作成します。 SLS 3D プリンティングは、優れた機械的特性を必要とする完全に機能するプロトタイプの作成に最適です。 SLA 3D プリントよりも造形サイズ (300 x 300 x 300 mm) が大きくなりますが、より粗い表面仕上げのパーツが生成されます。

図 4:SLS 3D プリンターを使用して作成されたプロトタイプ

#2 射出成形

射出成形は、金型を使用して試作品を作成する製造方法です。射出成形機を使用して試作品を作成するには、まずメーカーが目的の製品の形状の金型を作成します。次に、メーカーは熱可塑性ポリマーを加熱して、溶融流体に変えます。この流体は、ランナーシステムを介して金型キャビティに射出され、目的の形状が形成されます。

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、液状シリコーンゴム) と互換性があり、複雑な製品設計を作成できます。ただし、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は特に、プロトタイプの複数のレプリカを作成するのに理想的です。

たとえば、図 6 を考えてみましょう。これは、電気システムのないコンピューターマウスのプロトタイプ (シリコンゴム製) を示しています。

図 6:コンピューターマウスのプロトタイプ

このシナリオでは、このプロトタイプのいくつかのユニットを作成してエルゴノミクスをテストできますㅡ つまり、このコンピューターのマウスがユーザーの快適かつ効果的な作業能力にどのように影響するかをテストする必要があります。たとえば、このマウスのデザインがユーザーの手にどのようにフィットするか、腕の動きや血液循環をどのように制限するかを判断できます。

このテストから得られる結果は、マウスアームシンドロームと手根管のリスクを軽減するための製品設計対策を講じるのに役立ちます。

#3 CNC 加工

CNCマシニングは、切削工具を使用してワークピースから材料の一部を除去することにより、目的のプロトタイプを作成するサブトラクティブ製造方法ㅡです。コンピューター数値制御 (CNC) 技術により、切削工具とワークピースの一連の動作が自動化され、プロトタイプが作成されます。

図 7:CNC 加工プロセス

CNC 機械加工は、一般に金属部品のラピッドプロトタイピングに最適な方法です。特に、非常に正確な機能プロトタイプ製品 (ジグ、治具、最終用途のコンポーネントなど) を作成する必要がある場合は特にそうです。たとえば、CNC マシンは、最小 0.004 mm の公差と最大 136 MPa の機械的強度を達成できます。ただし、CNC 機械加工の減法的な性質により、一部の機能は製造が難しい場合があります (たとえば、アンダーカット)。

詳細:CNC 機械加工の設計方法を理解する