付加製造から射出成形へ：生産成功のためのシームレスな移行

産業グレードの3Dプリントの精度と再現性により、付加製造は機能プロトタイピングにおいて効果的かつ正確なプロセスとして確立されています。同時に、プラスチック射出成形は、数万個以上の大量生産において、長年にわたり信頼性が高く、コストと時間の面からも効率的な生産方法として知られています。

その結果、エンジニア、デザイナー、製品開発者は、これら2つのプロセスが製品ライフサイクルにおいてうまく連携することを発見しました。まず3Dプリントによるプロトタイピングで設計リスクを軽減し、その後、射出成形へ移行して大量生産へと拡大するという流れです。長年にわたり、数百万もの部品設計でこの組み合わせが定番となっています。

プロトラブズでは、航空宇宙・防衛、メドテックなど複数の業界で数多くの事例があります。

なお、完全な機能を持つ最終用途部品を製造できる3Dプリントプロセスもいくつか存在します。例えば、ダイレクト・メタル・レーザー・シンタリング（DMLS）は多様な金属を用いて最終用途部品を製造します。ナイロン系材料を用いる選択的レーザー・シンタリング（SLS）や、マルチ・ジェット・フュージョン（MJF）も最終用途のナイロン部品製造に使用されます。

そうした中でも、3Dプリント・プロトタイプから射出成形最終部品への移行は頻繁に選択されるオプションです。主な理由は、前述の通り、成形の方が大量生産においてコストと時間の面で効率的だからです。

この選択をする際、いくつかの独自の設計考慮事項があります。本記事では、その移行をスムーズに進めるためのアドバイスを提供します：

• 部品を設計する前に部品を定義する
• 複数のプロトタイプを活用する
• 成形設計をマスターする
• 材料を選定する
• コストと納期を最適化する

設計リスクの軽減：部品を設計する前に部品を定義する

3Dプリントや付加製造によるプロトタイピングは、すべて設計リスクの軽減を目的としています。部品設計の改善点を探り、形状・適合・機能における潜在的リスクを洗い出し、多様な設計コンセプトを試作・検証し、製造可能性を考慮せずに設計を進めて行き詰まることを防ぎます。3Dプリントでは部品作成にほとんどルールや制約がありませんが、成形可能な部品を設計するのは別の話です。あらゆる部品において機能が形状に影響しますが、特にプラスチック部品では仕上げや、部品を形作る金型の設計にも影響を及ぼします。

ここで当社の自動デジタル見積プラットフォームが役立ちます。この解析は、部品を成形する予定がある場合、あるいはプロトタイピング段階を超えてある程度の量産を見込んでいる場合に特に重要です。3Dプリント部品の場合、材料・解像度・仕上げに基づくインタラクティブな価格設定で即座に見積が得られ、社内の付加製造エンジニアから設計フィードバックを受けられます。成形部品の場合、数時間以内にインタラクティブなオンライン見積とDFM解析、数量・仕上げ・納期に基づくリアルタイム価格が提供されます。

リスク軽減の具体例に戻りましょう。自動車業界では、SUVのエンジン部品として機能する部品設計は、高温多湿への耐性が求められます。これは材料選定や製造方法の選択を大きく左右します。SLSのような機能的な最終用途部品を製造できる3Dプリントプロセスが必要になるかもしれませんし、成形や切削加工が適している場合もあります。一方、メドテック企業が新しい手持ち型手術器具をプロトタイピングする場合、3Dプリント・プロトタイプであれば、医師のオフィスやクリニックでのデモンストレーションやユーティリティテストに十分耐えられます。

この初期フロントエンド段階では、優れた設計原則を用いて、部品を「設計する」前に「定義する」ことが最良のアプローチです。これが次のセクション「反復的・複数のプロトタイプの役割」につながります。

複数のプロトタイピングが生産方式の決定を助ける

前述の通り、付加製造で部品を作成する際にはルールや制約がほとんどありません。これは利点でもあり、欠点でもあります。特に、設計者がプリントされたプロトタイプ設計を成形部品や他の生産方式へ移行させたい場合に課題となります。なぜなら、成形は「厚肉断面、アンダーカット、コア周りの流れとウェルド、複雑な形状、内部チャネルやチャンバー、有機的な形状」などを嫌うからです。つまり、3Dプリントで作れるからといって、必ずしも成形できるとは限らないのです。

その結果、クロス・クオーティング（複数プロセスへの同時見積）と反復プロトタイピングを組み合わせることで、部品設計の妥当性を検証する有効なプロセスとなります。これを並行して行うことで、部品が機能するかどうか、そして大量生産に適した方式（成形、鋳造、切削、板金加工など）へどのように移行できるかを把握できます。この複数プロトタイピングは、価格と納期の検討にも役立ちます。

射出成形の場合、金型が製造できなければ部品も製造できないため、成形可能かどうかに関する制約が多くなります。多くの成形技術と要素を用いたり追加したりする必要があります（次節「成形設計をマスターする」参照）。

このマルチ・クオーティング・プロセスの航空宇宙業界での例が、ロッキード・マーティンのクアッドコプター・ドローンです（サイドバー参照）。プロジェクト設計者のミゲル・ペレス氏（ロッキード・マーティンのエンジニア）は、プロトラブズのDFM解析自動見積システムを活用し、さまざまな部品イテレーションを経て、最終的に3Dプリントによるプロトタイピングから、射出成形によるプロトタイピングおよび少量生産へと移行しました。

彼は未修正のモデルを提出し、金型の分割案、サイド・コアの提案、成形不能なフィーチャーの指摘などのフィードバックを得ました。ペレス氏はこの情報を用いて、3Dプリント部品を複数の成形可能なインターフェース部品に分割し、設計意図を維持しました。再度提出すると、さらに詳細なフィードバック（必要なドラフト角が不足している箇所など）が得られました。

医療業界の例として、シリンジ先端にねじ込むルアーロックの検証テストがあります。成形時のコスト削減方法はいくつかありますが、まず3Dプリントで設計を検証し、十分なシール性が得られるかなどを確認してから、成形へ移行するか判断できます。

結局のところ、設計する部品によって異なりますが、テストと複数のプロトタイプを活用することで、機能するかどうかを検証し、成形への移行前にプロトタイプへの信頼度を高めることができます。

成形設計をマスターする

プリント・プロトタイプから成形部品へ移行するには、いくつかの成形設計手法を検討し、適切に適用する必要があります。最も重要な2つは「均一肉厚」と「ドラフト角」ですが、他にもいくつかあります。概要を示します：

均一肉厚。 均一な肉厚を維持することは、良好な成形部品を得るための最も重要な設計要件です。均一肉厚により、溶融プラスチックが金型内を均等に充填し、反り、ヒケ、薄いウェルドライン、その他の欠陥を防止できます。

ドラフト角。 部品の垂直壁にドラフト（テーパー）を付けることで、金型からの脱着が容易になります。基本ルールは、金型キャビティの深さ1インチあたり1度のドラフト角を設けることです。

R（フィレット）。 丸みを帯びたコーナー（R）を用いることで、プラスチックの金型内への流れと部品の強度が向上します。鋭角なコーナーは部品への応力を高め、溶融樹脂の流れを阻害します。

リブ、ガセット、ランプ。 リブとガセットを追加すると、構造部品の強度が増し、反り、ヒケ、ボイドを防止できます。リブ厚は隣接壁厚の40〜60%が目安です。急な段差ではなくランプ（緩やかな傾斜）を用いると、厚肉と薄肉の移行部での応力を低減できます。

ボス。 ネジを受けるボスやマウント機能の肉厚を薄く設計すると、ヒケとボイドを防止できます。

射出成形の設計ガイドラインの詳細（部品サイズ、材料推奨など）については、プラスチック射出成形の設計ガイドライン（最大サイズ寸法、一般的なプラスチックと表面仕上げの一覧、カスタム色合わせと二次仕上げオプション）、液状シリコーンゴム（LSR）設計ガイドライン、オーバーモールドおよびインサート成形ガイドラインをご参照ください。

射出成形における材料考慮事項

プラスチック材料は大きく分けて熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂（LSRなど）の2カテゴリがあります。材料選定は多様な観点から行います。機械的・物理的・熱的・電気的特性が重要です。製造可能性も不可欠で、樹脂（原料状態のプラスチック材料）の特性、例えば冷却時の変形抵抗や、金型の微細フィーチャーへの充填性などが関わります。部品機能によっては外観も重要です。材料コストも考慮事項です。FDAやUL認証の必要性など、その他の特別な要件がある場合もあります。

コストと納期の最適化

全体的なコストと予算、納期と期限も重要な考慮事項です。場合によってはコストが部品・製品開発の最大の影響要因に感じられるかもしれません。しかし、成形のようなより手頃な生産方法を用いることで、コストを抑制できます。

同様に、迫る期限も最大の影響要因のように感じられるかもしれません。しかし、デジタル製造手法が製品開発を加速するおかげで、部品・製品のプロトタイピングと生産を大幅に短縮できます。

ガス・ブレランド氏は、ミネソタ州プロトラブズのシニア・テクニカル・エンジニアです。

エリック・アトリー氏は、ノースカロライナ州プロトラブズのアプリケーション・エンジニアです。