ラピッドプロトタイピングプロセスの選択
プロトタイプの成否は、新製品開発のためのラピッドプロトタイピングプロセスの選択に依存します。エンジニアリング製品の設計プロトタイプを作成するには、単純な板紙のモックアップから完全に機械加工された金属サブアセンブリまで、さまざまな方法があります。
プロトタイピングは、エンジニアリング製品の設計、特に新製品の開発に不可欠です。これは、たとえば、製品の大まかなモデルを作成して、その機能、形状、サイズなどをテストするプロセスです。さまざまなタイプのプロトタイプとその重要性について詳しくは、こちらをご覧ください。
この記事では、パーツベースのプロトタイプについて説明します。つまり、個々のパーツを作成してシステムレベルの製品プロトタイプを作成する方法について説明します。
ラピッドプロトタイピングプロセスを選択する際に考慮すべき5つの重要な要素
プロジェクト、製品、製品設計要素がそれぞれ異なるため、プロトタイプはさまざまな点で異なります。プロトタイプの成功はプロトタイピングプロセスの選択基準に依存するため、ラピッドプロトタイピングプロセスの選択を開始する際には、これらの5つの重要な要素を考慮する必要があります。
- 目的
- 品質
- 数量
- 複雑さ
- 予算/費用
これらの重要な要素を掘り下げて、次のプロトタイピングプロセスを選択する際にそれらが不可欠である理由を理解しましょう。
1。目的
Ulrich and Eppinger（2008）によると、エンジニアリング製品の設計および開発プロジェクトでは、4つの目的でプロトタイプが作成されます。彼らは学習です 、コミュニケーション 、統合 およびマイルストーン 。プロトタイピングのこれらの目的は、 4つの新製品開発（NPD）ステージのどれを使用するかによって異なります。 NPDの各段階には、リスクを排除するための機能要件があります。これにより、必要なプロトタイプの忠実度タイプが定義されます。これは、後で説明するプロトタイプの品質です。
まず、計画されたテストまたはリスク軽減の演習に依存します テストの種類、顧客とのやり取りのフィードバックなど。製品が厳格なテスト、外部展開、製品検証を経る場合、材料の選択はプロトタイピング技術の選択において重要な役割を果たします。
次に、機能面 プロトタイプを検討する必要があります。機能テストを計画していますか、それとも可動部品がありますか？これにより、選択と組み立てが決まります。
第三に、変更と修正 。いくつかの調整を行わなくても、プロトタイプが成功する可能性はほとんどありません。したがって、プロトタイプを機能させるために変更するのがどれほど簡単か難しいかを検討してください。
NPDステージ
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製品の計画と明確化のタスク
- この段階では、通常、コンセプトのモックアップ、デモンストレーションユニット、工業デザインのプロトタイプの非常に早い段階での証明が必要です。
- プロトタイピング技術
- CNC機械加工フォームモデル
- 板紙のモックアップ
- 3D印刷された部品とアセンブリ（FDM、SLA、SLSなど）
-
コンセプトデザイン
- この段階では、おそらく、設計のスケーリングされたパーツまたはアセンブリと、いくつかのユーザーインターフェイスが必要であり、機能が制限されています
- 繰り返しになりますが、FDMパーツは、形状とサイズの感触をつかむのに最適です。より高い精度が必要な場合は、次のレベルの3D印刷、つまりSLA、SLS、およびポリジェット部品に移行できます。部品が金属製の場合、この段階でのCNCが最善の策です。場合によっては、板金の製造も検討する価値があります
-
実施形態の設計
- これは、完全に機能する（フォーム、フィット、および機能）プロトタイプを調査する必要がある開発フェーズであるため、詳細が重要です。この段階では、プロトタイプは多くの部品を含む動作中のアセンブリになる可能性が高いです
- この段階では、テスト目的で複数のユニットも必要になります。また、シミュレーションできるように、最終的な製造技術を検討する価値もあります。
- プラスチック部品の真空鋳造とSLSやSLAなどの高解像度3D印刷を検討してください
- SLM / DMLS部品は、鋳造部品（砂、投資、ダイカスト）のシミュレーションに最適です
-
詳細設計
- このフェーズで作成されたプロトタイプは、機能テストに使用される可能性が高く、実稼働前のパイロット実行にも使用されます
- 射出成形部品は真空鋳造を使用してプロトタイプを作成でき、機械加工されたプラスチック部品は3D印刷できます
2。品質
前に説明したように、製品の忠実度または正確性 requiredは、必要なプロセスと後処理のタイプを決定します。最終製品またはサブコンポーネントと比較したプロトタイプの品質も考慮する必要があります。忠実度の高いプロトタイプはコストがかかるため、投資収益率の観点から検討する必要があります。
たとえば、パーツにスレッド機能がある場合、SLAはFDMよりも優れていますが、コストが高くなります。
プロトタイプの寿命 テクノロジーを決定する際にも重要です。たとえば、部品に頻繁に使用されるファスナーが付いている場合は、3D印刷されたねじ穴やセルフタッピング穴よりも、機械加工または金属インサートの方が適しています。
材料の選択 また、プロトタイプの品質の観点からも重要な役割を果たします。機能要素が表面仕上げや耐久性などの特殊な材料特性に関連している場合は、添加剤で製造された部品を選択するのが最善の選択ではない可能性があります。さまざまな製造方法の一般的な材料の選択は次のとおりです。
| 3Dプリント | CNC | |
|---|---|---|
| ナイロン、PLA、ABS、ULTEM、ASA、TPU | ABS、ナイロン、ポリカーボネート、PEEK | ABS、ナイロンナイロンHT |
| アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、インコネル | アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、真ちゅう |
プロトタイプが複数のパーツで構成されている場合は、統合を容易にするために、プロトタイプのパーツの許容誤差を考慮する必要があります。
3。数量
一部のプロトタイピング技術は少量の場合にのみ費用効果が高いため、必要なプロトタイプ部品の数はプロセスを決定する上で不可欠です。アディティブマニュファクチャリングの場合、部品の量は、小さい部品に比べて大きい部品の方が印刷に時間がかかるため、原価計算においても重要な役割を果たします。経験則として、次のルールが適用されます。
プラスチック部品
| プロトタイププロセス | |||
|---|---|---|---|
| プラスチック部品 | 数量 | ||
| 低（1） | |||
| サイズ | |||
金属部品
| プロトタイププロセス | |||
|---|---|---|---|
| 金属部品 | 数量 | ||
| 低（1） | |||
| サイズ | |||
4。複雑さ
部品の複雑さと機能の複雑さも、ラピッドプロトタイププロセスの選択を決定します。アディティブマニュファクチャリングは、非常に複雑な小さな部品の製造には適していますが、複雑なため、非常に高価な大量生産を意味するため、最終的な設計には注意が必要です。
| 許容値（mm） | 最小壁厚（mm） | |
|---|---|---|
| FDM | ±0.20–±0.50 | 0.8 -1.0 |
| SLS / SLA | ±0.20–±0.30 | 0.7 – 1.0 |
| SLM / DMLS | 0.4 – 0.5 | |
| 1.5 mm – 2.0 mm | ||
| CNC * | 0.5 | |
| 0.9 – 1.0 |
これらの公差と最小肉厚は一般的な値であり、材料の選択と機能の設計によって大きく異なることに注意してください。
最終的に射出成形によって製造される部品、さまざまな形態の鋳造品は3D印刷を使用してプロトタイプを作成でき、機械加工された部品は従来の成形またはサブトラクティブ製造プロセスを使用して3D印刷または製造できます。
5。費用
最後に、利用可能なリソース。プロトタイプの目的は、利用可能なリソースと密接に関連しています。ラピッドプロトタイピング技術を選択する際には、プロトタイプを製造して機能させるために時間、お金、工数を考慮する必要があります。
熟考すること：
- ほとんどの場合、後処理や低品質のプロトタイプから部品を機能させるためにかかる時間は、高品質のプロトタイプよりも長くなります
- 3D印刷などの一部のプロセスでは後処理時間が必要になる場合がありますが、比較的高速で安価ですが、真空鋳造では射出成形とほぼ同じ部品が得られ、後処理なしで使用できます。ただし、これは工具費でより高価になります
- CNCのコストは部品の複雑さに比例し、AMのコストは体積とサイズに正比例します
- セットアップコストが高いため、CNCなどのプロセスの場合、全体的なコストも数量と密接に関連します。
概要
新しいエンジニアリング製品の開発には、ほとんどの場合、アイデアや機能などをテストするためのプロトタイプの作成が含まれます。ただし、テストとその後の意思決定の品質は、プロトタイプが最終製品をどれだけうまくシミュレートするかに大きく依存します。したがって、プロトタイプを作成するための適切なプロセスを選択することは、エンジニアリング製品の成功にとって非常に重要です。
上記の5つの重要な要素を明確に理解したら、調査するプロセスのタイプを決定できます。プロトタイプを作成する方法はたくさんあり、すべてのプロトタイピングプロセスには利点と制限があります。したがって、正しいものを選択することは、プロトタイピングを成功させるために不可欠です。
ラピッドプロトタイピング選択プロセスのステップ
- プロトタイプの目的を定義する
- 近似のレベル（品質と複雑さ）を確立します
- 評価方法の概要と数量の特定を計画する
- コストがプロトタイプの予算内に収まっていることを確認してください
製造プロセス