3Dプリンティングによる高速プロトタイピング：鋳造プロセスに革命をもたらす

砂型鋳造とインベストメント鋳造への3Dプリンティングの影響

3Dプリンティングは、より高速なプロトタイピングを可能にする多くの進歩の一つです。

デザイナー、起業家、発明家がアイデアを思い付き、それを実現するプロセスを開始します。最初はスケッチと計画、研究と設計でアイデアは構成されますが、デザイナーの焦点は物理的なオブジェクトの創造に向けられます。モックアップやプロトタイプを手に取り、ビジョンが形になるのを見ることに代わるものはありません。プロトタイピングにより、デザイナーはアイデアに自信を持ち、生産上の欠陥を解消し、投資家やクライアントを魅了できます。

オブジェクトを世に送り出す最初の段階で、クリエイターは知的財産問題、最終コスト分析、機械的・美的懸念、投資家・クライアント・市場の期待などを、新製品を通じて調整しなければなりません。優れたプロトタイピングランは、これらすべての問題を検証する余地を与えます。

幸い、コンピュータ主導のラピッドプロトタイピングの台頭により、このプロセスの技術的詳細が簡素化され、クリエイターは可能な限り最高の製品を生み出せるようになりました。

プロトタイピングの歴史

コンピュータ支援技術の台頭以前、すべての金属鋳造プロトタイプは手設計のパターンから構築されていました。初期設計段階後、職人パターンメイカーが図面を三次元彫刻に仕上げました。砂型鋳造用には通常木製でしたが、時には金属やセラミックも使われました。一部のパターンはインベストメント鋳造プロセス用にワックスで作られました。これらのルーズパターンが最終オブジェクトの最初の大まかなレンダリングでした。

これらのパターンは、最終製品に似ていても、プロトタイプと同一ではありません。パターンは金属鋳造プロセス中の収縮を補うため、最終モデルよりわずかに大きく作られることが多いです。また、セクションに分割されたり、スイープ金型用の単なる幾何学的輪郭として作られたり、収縮する金属の変形を補正したり、砂型からパターンを引き抜くためのドラフトを提供するために奇妙な角度で設計されたりすることもあります。

パターンは鋳造現場の熟練モルダーに渡され、通常プロトタイプ鋳造に必要な砂型を作りました。成型ステップは、単にパターンを砂に押し付けるほど単純ではありませんでした。モルダーは鋳物のパーティングラインを彫り、溶融金属が金型を均一かつ完全に満たし、欠陥なく冷却できるよう必要なチャネルと穴を配置しなければなりませんでした。これらのチャネルには、液体金属を注ぐ入り口であるスプルー、溶融材料の流量を制御する可変サイズのチャネルであるゲート、金型の一領域から別の領域へ液体金属を流すランナー、鋳物より大量の金属を保持し鋳物より長く熱く保つことで冷却収縮時に液体金属を鋳物に供給し、穴の形成を防ぐライザーなどが含まれます。

パターンメイカーとモルダーのこの骨の折れる作業から、金属プロトタイプが鋳造されました。

鋳造作業員がきれいな金属鋳物を型から出したら、元のデザイナーが評価できます。美観、重量、仕上げ、フィット感が明確になります。単なる装飾品ではなく機械的応力を扱う設計なら、デザイナーは公称許容荷重まで、そしてそれを超えて負荷をかけてエンジニアリングをチェックします。鋳造所もプロトタイプを破壊試験します：鋳物を切断して内部の欠陥を探ります。

設計を製造に移すことは、投資とリターンをより明確にします。デザイナーや発明家はプロトタイピング段階で予算を立て、本生産ランの効率化を図ることがあります。

これらすべての観点からプロトタイプを検討した後、設計変更が必要になることがあります。変更が大小にかかわらず、通常は職人パターンメイカーに再び数時間の作業を生じさせ、その後モルダーにも作業が生じます。

プロトタイピングは長く高コストなプロセスでした。

デジタル化とコンピュータ支援設計

ラピッドプロトタイピングの台頭により、作動モデルの作成がはるかに容易になりました。また、物理的オブジェクトが最初に必要になるタイミングを遅らせることもできます。

図面と技術スケッチはかつてすべて手作業で行われました。今はCADプログラム（コンピュータ支援設計）でデジタル化されています。デジタルCADファイルはプロトタイピングプロセスを通じて何度も簡単に変更できますが、従来の図面は再描画に労力がかかりました。

CAD図面は、製造ランと最終製品の複雑でよく想像されたシミュレーションに変換できます。これらはデジタルプロトタイピングステップであり、ペンと紙では不可能だったほど初期プロトタイプのように振る舞う完全なコンピュータモデルを作ります。CADファイルは、製造と生産情報を持つコンピュータプログラムでも使用できます。デザイナーがオブジェクトとともにCADファイルを鋳造所に送れば、冶金学者は膨大な金属特性と成型プロセスのデータベースを持つプログラムを使ってスケッチを評価し、潜在的な問題を予測できます。かつてプロトタイピングランで発見されていた問題が、最初の金属が注がれる前に見つけられます。

これらのプログラムは鋳造所にも役立ち、パターンが鋳造現場に到達する前に、スプルー、ゲート、ランナー、ライザーを最も堅牢な鋳物を生む位置に配置するのを助けます。

それでも、どれほど複雑でよく想像されていても、それらはまだ抽象化です。人々はしばしばデザインを真に理解するために物理的なプロトタイプを必要とします。

モックアップとプレプロダクションプロトタイプ

3Dプリンティングの登場により、モックアップをあらゆるスケールで迅速に作成でき、多くの場合メーカーに連絡する前から可能です。デザイナーが自社内で最初のプロトタイプを作ることは今や一般的です。ミニチュアでも実物大でも、デザイナーはプロジェクトのモックアップを手に取り、すべてがどう組み合わさるかを見られます。

3Dプリンティングは、急速に変化する「反復設計」の新しいスタイルの一部です。3Dモデルをプリントし、批評し、変更し、再プリントするのがすべて1日以内に可能です。これはパターンメイキングと金属鋳造の複雑なプロセスに比べて高速かつ低コストです。

鋳造所では、ラピッドプロトタイピングが、金型に押し付けるパターンを新しい斬新な方法で作るのにも役立ちます。レーザー誘導加工で金属製パターンを製造したり、3Dプリンティングでインベストメント鋳造用パターンを直接作成したりでき、短期や複雑なランに効率的です。

生産プロトタイプ

最終的に、プロトタイプは適切な材料とサイズで作られ、メーカーから短期生産ランが注文されます。デジタル技術の到来により、パターンメイカーとモルダーはそれぞれコンピュータプログラムのガイドのもとで作業するようになり、これらのプロトタイピングステップが高速化されました。しかし、すべてが変わったわけではありません。砂型鋳造生産ランの最初のプロトタイプには、通常ルーズ木製パターンが作られます（インベストメント鋳造ならワックスパターン）。これらの作動モデルは従来通り作られ、試験されます。

鋳造所は依然として破壊試験を行います。金属作業員は鋳物の一部を切断またはコア抜きし、欠陥がないか、欠陥が合意公差内かを確認します。鋳造所が自信を持ったらサンプルを顧客に送ります。顧客は意図した通りに鋳物を仕上げ、実働させます。作動プロトタイプは意図通りに見え、振る舞うか？ 想定荷重を扱えるか？

新規発明では、革新者が設計や材料をいじるために、作動プロトタイプを何ラウンドも必要とすることがあります。より標準的な部品では、作動プロトタイプが概念実証となり、本生産ランの資金を出すクライアントや投資家を見つけることになります。

これらのプロトタイピングランの速度は、超音波とX線のような技術の到来によって向上しています。鋳造所は今や破壊的試験だけでなく非破壊的試験でもテストできます。技術者は鋳物を切断せずに金属の健全性をチェックできます。これにより、より少ないプロトタイプで生産ラインの完全な検証が可能になります。非破壊検査されたアイテムは、鋳造所から顧客へ検査、仕上げ、負荷試験のために送れます。ラピッドプロトタイピングは、生産プロトタイピングランへの投資を減らせる新しい非破壊検査オプションによっても提供されます。

秘密保持契約と特許

ラピッドプロトタイピングの影響を受けるのは技術的問題だけでなく、知的財産の問題もです。設計がデザイナーの工房を離れ、製造の世界に入ると、IPが懸念されます。

製品が初めての種類なら、発明家は一般的に特許出願を計画します。多くの状況で、作動する生産プロトタイプがテストされる前に特許を出願するのは賢明ではありません。プロトタイピングにかかる作業と、その後の設計テストの両方が、特許出願を変更する可能性のある欠陥を発見するかもしれません。

特許は出願時に公開されます。ラピッドプロトタイピングは皆の生産サイクルを加熱します。欠陥のある特許は競合他社の創造的な糧となり、特許をベースラインとして自社の研究開発を迅速に開始できます。したがって、プロトタイピングの終わりまで特許を待つことは、コストと知的財産の両面で保護的です。発明家は通常、複雑な特許プロセスにお金をかけ、競合が後を追う中でやり直したくはありません。

このプロセスは、プロトタイピングプロセスの誰かが設計をコピーして先に市場投入するのではないかという脆弱性を発明家に感じさせます。したがって、評判の良いメーカーと良好な関係を築き、明確な秘密保持契約で設計を保護することが重要です。

より良い設計のためのラピッドプロトタイピング

この慎重さの裏返しは、限定テスト市場やベータテスター向けでも製品を世に出そうというビジネスの衝動です。LinkedIn創業者リード・ホフマンは「最初のバージョンの製品で恥ずかしくないなら、遅すぎる」と広く引用されています。

ラピッドプロトタイピングは、市場投入前にデザイナーがより良い製品を実現するのを助けています。しかし、この段階の容易さは、発売前に完璧を目指していじり続けるセイレーンの歌にもなり得ます。開発が製品の改良と完璧化の作業を終わらせる必要はないことを忘れてはなりません。鋳物の寿命は設計とプロトタイピングから始まりますが、しばしばスタイル、材料、鋳造方法、機械的能力、サイズ、機能をわずかに変えた世代の製品を生み出します。