プロトタイプ量産のマスター：金属・プラスチック部品の実証済み技術

最近、製品（または部品）設計を思いついた、または次の大ヒットになると信じる新製品アイデアをお持ちですか？ もしそうなら、プロトタイピングが製品開発プロセスにおいて不可欠なプロセスであることに同意されるでしょう。設計欠陥を早期発見し、製品のフィット感と耐久性を判断できます。

しかし、プロトタイピングに着手する前に、おそらくあなたが下さなければならない重要な決定は、プロトタイプ設計に適した製造手法の選択です。プロトタイプ部品の品質を損なうことなく、手頃な価格で短納期の製造プロセスを望みます。

だからこそ、プロトタイプ部品を成功裏に製造するための包括的なガイドをまとめました。本記事では、迅速プロトタイピングの4つの一般的な手法と、適切な手法選択のヒントを紹介。さらに、金属・プラスチック部品の迅速プロトタイピングのための有益な設計ヒントも提供します。

迅速プロトタイピングの4つの一般的な手法

#1 CNC加工

CNC加工は常にプロトタイプ作成の一般的な手法でした。例えば、2007年にアップルがポリカーボネートからアルミニウムへ移行した際、アルミニウムブロックからMacBookのエンクロージャープロトタイプを作成するためにCNC工作機械を使用しました。

CNC加工は、コンピュータ制御を利用して切削工具の動きを決定し、ワークピースから材料を除去して目的のカスタム部品を作る製造プロセスです。

CNC加工は最大±4μmの極めて厳しい公差を実現します。また、幅広い材料適性により、ブロック材として入手可能であれば、ほぼあらゆる金属やプラスチックで作業可能です。（関連記事：迅速プロトタイピングにCNCを使うべきか？ メリットとデメリット）

#2 3Dプリント

3DプリントとCNC加工は、3D CADモデルとコンピュータ指示に基づいてプロトタイプ部品を自動作成する点で似ています。しかし、CNC加工の減法的性質とは異なり、3Dプリントは積層造形プロセスです。材料を層ごとに堆積させ、ゼロからプロトタイプ部品を構築します。

3Dプリント技術には光造形法（SLA）、溶解積層法（FDM）、選択的レーザー焼結法（SLS）があり、すべて最小フィーチャーサイズが0.25mm〜0.8mmの範囲です。このサイズ範囲は、大多数のプロトタイピング要件に十分な精度です。

#3 ウレタン鋳造

ウレタン鋳造（真空鋳造とも呼ばれる）は、シリコーン金型を使用して真空下でプラスチックプロトタイプ部品を製造します。この鋳造プロセスは通常、CNC工作機械または3Dプリンターでマスターパターンを作成することから始まります。液体ポリウレタンを金型に注ぎ、プロトタイプ設計の複製を作成します。

#4 迅速射出成形（RIM）

迅速射出成形（RIM）は、従来の射出成形のより速いバージョンに過ぎません。ウレタン鋳造と同様、RIMプロセスは高速CNC加工を活用して金型キャビティを作成し、複雑な部品とフィーチャーの製造を可能にします。

適切な製造手法の選び方

CNC加工、3Dプリント、ウレタン鋳造、迅速射出成形はすべていくつかの利点を提供します。適切な選択は通常以下に依存します。

• 期待する機械的特性
• 必要なプロトタイプ部品数量
• 予算
• リードタイム
• 材料適性

品質、短納期、手頃な価格、幅広い材料適性のバランスを求めるならCNC迅速プロトタイピングを選択すべきです。CNC加工は、望ましい機械的特性を持つ大量のプロトタイプ作成にも最適です。ただし、この減法製造プロセスには材料廃棄が伴います。

3DプリントはCNC加工の材料廃棄課題を解決し、高品質な表面仕上げを提供します。しかし、高コストと限定的な材料オプションという欠点があります。3Dプリント技術は熱可塑性樹脂（ABS、ナイロン、PLA、ULTEMなど）とツール鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどごく少数の金属のみと互換性があります。（関連記事：アルミニウムプロトタイプ製造：最適手法の決め方）

ウレタン鋳造と射出成形部品は、CNC機械加工部品の構造的完全性と3Dプリント部品の優れた表面仕上げを兼ね備えています。また、プラスチックプロトタイプの大量製造を目指す場合、かなり手頃な価格です。

しかし、ウレタン鋳造と迅速射出成形は通常、3DプリントとCNC加工より長いリードタイムを要します。経験則として、100個以上の同一プラスチックプロトタイプ部品を作成したい場合にこれらの手法を使用すべきです。

金属部品迅速プロトタイピングのヒント

以下のヒントは金属迅速プロトタイピングに役立ちます。

• 設計にCNC工作機械でアクセス困難なリセスフィーチャーがない限り、金属部品にはCNC迅速プロトタイピングを使用する。
• CNC加工では困難なリセスフィーチャーを持つプロトタイプには、3Dプリンターで製造する。
• キャビティの深さ/幅比を4未満に設計し、CNC加工時の過度な振動と工具たわみを排除する。
• 金属プロトタイプ部品の壁厚を0.8mm以上に設計する。薄肉金属はCNC加工時に変形しやすいため。
• トップクラスの機械加工業者に製造をアウトソースし、時間短縮とコスト削減を図る。

プラスチック部品プロトタイピングのヒント

3Dプリント、射出成形、ウレタン鋳造がプラスチック部品プロトタイピングで最も人気のある手法ですが、特定シナリオではCNC加工がより良い選択肢となります。例えば、設計に微細なディテールがある場合や、PVC、PEI、PEEKなどの特殊プラスチックを扱う場合、CNC加工が最適です。（関連記事：プラスチックプロトタイプのCNC加工：最良の選択か？）

それでも3Dプリントでプラスチック部品をプロトタイピングする場合、以下の設計ヒントでコスト削減と成功的な製造を支援します。

• 視覚表現用の非機能プロトタイプ部品は特に、嵩張る部品を中空にする。
• 設計のサポート構造を削減する。材料使用量と3Dプリント時間を増やすため。
• 最新鋭3Dプリント技術、高度な資格を持つ技術者、品質管理エキスパートを擁するサードパーティ製造業者を選ぶ。

プロトタイプ部品製造：ゲンスン・プレシジョン・マシニング

ゲンスン・プレシジョン・マシニングは約20年にわたり、多くの革新的企業に高品質なプロトタイピングサービスを提供してきました。当社の迅速プロトタイピングサービスには、CNC加工、3Dプリント、迅速射出成形、ウレタン鋳造が含まれます。

プロトタイプ設計と必要な部品数量に応じて、どのプロトタイピング手法を使用すべきか判断し、必要なプロトタイプ部品を作成するお手伝いをします。

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