製品開発で実際に起こったこと

ラピッドプロトタイピングは、基本的に製造業を可能な限り良い意味で壊した。もううまくいかない」というような壊れ方ではなく、「今までやっていたことが突然不合理になった」というような壊れ方だ。

思い浮かべてほしい：1995年、あるエンジニアが試作品のブラケットを必要としている。まず、手書きで図面を書く（運がよければAutoCAD）。ボブは頭をかきながら、3週間と$500の見積もりを出す。3週間後、ボブが図面を違うように解釈したため、それは間違っていた。この繰り返しだ。

今は？同じブラケットを印刷するのに4時間かかり、プラスチック製で20ドルほどかかる。テストして、気に入らなかったら、デザインし直して、また印刷する。必要なら、これを1日に5回やる。

NISTは、開発サイクルが業界全体で60～80%低下しているという数字を発表した。しかし、数字では心理的な変化は捉えられない。プロトタイプが高価で遅かった頃、エンジニアは恐る恐る設計していた。プロトタイプが安くて速ければ、エンジニアは大胆に設計する。

これはスピードだけの問題ではない。反復が基本的に自由になるということだ。"うまくいかなかったらどうしよう "という理由でテストされることのなかったアイデアが、"何が起こるか見てみようじゃないか "という理由でテストされるようになる。

それを可能にしたマシン

ラピッドプロトタイピングがカバーするのは、次のようなことだけではない。 3Dプリンティングしかし、アディティブ・マニュファクチャリングが最も注目されるのは、従来の方法からの劇的な変化だからだ。

FDMプリンター：誰もが知っている主力製品

FDM（Fused Deposition Modeling）は、多くの人が3Dプリンティングとして思い浮かべるものだ。ウィキペディアには基本的なことは書かれているが²、学習曲線については触れられていない。この機械は本当に寛容で、同時に本当にイライラさせられる。

プラスチック・フィラメントを熱してノズルから絞り出し、それを重ねてオブジェクトを作る。最初のレイヤーがうまくくっつかなかったり、プリントのブリッジが途中で折れたり、翌朝締め切りのある夜中にフィラメントが詰まったりするまでは、すべて簡単そうに聞こえる。

レイヤーの高さは通常0.1mmから0.3mmです。寸法精度は？すべてが正しく整列していれば、±0.1mm程度でしょう。印刷の向きは予想以上に重要で、同じデザインでもビルドプレートの位置だけで成功したり失敗したりします。

FDMは、見た目の美しさを必要としない機能的なプロトタイプを得意としています。ブラケット、ハウジング、テストフィクスチャーに最適です。滑らかな表面や細かいディテールには向いていません。レイヤーラインが常に見えるため、あらゆるものが「3Dプリント」されたように見える。

SLA：FDMでは不十分な場合

ステレオリソグラフィーは、UV光で硬化する液体樹脂を使用します。表面仕上げとディテールの解像度が格段に向上し、0.025mmのレイヤーハイトを実現できる。FDMでは不可能に見えるディテールも、日常的なものになります。

しかし、それには代償がある。液状の樹脂はひどい臭いがし、皮膚を刺激する。後処理にはアルコール洗浄、UV硬化、有毒廃棄物の慎重な処理が必要だ。後処理を考慮すると、プリンターのコストも材料費も高くなり、すべてに時間がかかる。

UT Austinは、解像度をさらに高める高度なSLAシステムの研究を行っていますが、ほとんどのプロトタイプ製造用途では、標準的なSLAでは必要以上の詳細が得られ、コストも高くなります。

SLS：産業用オプション

選択的レーザー焼結法は、プラスチック粉末をレーザーで溶融します。支持構造不要、複雑な内部形状が可能、射出成形部品に近い機械的特性。

表面仕上げは細かいサンドペーパーのようで、機能テストに実際に役立つ。部品は、大がかりな後処理をすることなく、すぐに使える状態で機械から出てくる。

マイナス面？システムは6桁の費用がかかり、粉末の取り扱いには特別な換気が必要で、材料費はFDMを安く見せる。ほとんどの企業は、時折のために正当化できるものではない。 ラピッドプロトタイピング ニーズがある。

ラピッドプロトタイピングオールドスクールとニュースピードの融合

ラピッドプロトタイピングマシニングは、従来のCNCと最新のプログラミングを組み合わせ、機械加工されたプロトタイプを数週間ではなく数日で提供します。プログラミング時間はセットアップに支配的ですが、スピードよりも寸法精度が重要な場合、機械加工が唯一の選択肢となることがよくあります。

ASTM規格はアディティブ・マニュファクチャリングをカバーしているが、機械加工は異なるルールに従う。時間とコストに応じて、Ra 0.4umからRa 3.2umの工業用コーティング。適切なセットアップにより±0.01mmの寸法精度。

最終形状に近づけて印刷し、重要な面は機械加工する。ソリッドストック加工と比較して材料を節約しながら、必要な場所で精度を実現します。

実際にこの技術が応用される場所

自動車スピードが安全規制に適合

自動車会社はラピッドプロトタイピングが大好きだ。開発サイクルは残酷で、変更は絶え間ないからだ。問題は、試作車であっても安全要件を満たさなければならないことだ。

米国運輸省道路交通安全局には、試作品のテストに関する規則があり、材料選びがより複雑になっている。手近なプラスチックなら何でもいいというわけにはいかない。耐熱性、衝撃特性、可燃性など、規制遵守のためにはすべてが重要だ。

フォードの電気自動車開発では、バッテリーパックの筐体にラピッドプロトタイピングを多用した。従来の金型では12～16週間のリードタイムが必要でしたが、3Dプリントでは2～3週間に短縮できました。さらに重要なのは、複数の冷却チャンネル設計をテストし、最も優れたものを選ぶことができたことです。

材料の制限は自動車エンジニアをいらだたせる。ABSはほとんどの用途に使え、PETGは目に見える部分には使えるが、ガラス繊維の補強や特殊な添加剤が必要なものは通常、高価な特殊材料を使うことになる。

航空宇宙すべてが高くつき、永遠にかかる

航空宇宙用ラピッドプロトタイピングは、故障が致命的な結果をもたらすことが一般的であるため、全く異なる制約の下で行われます。FAA(連邦航空局)の航空機部品に対する要求事項は広範囲に及びます。すべての文書化、材料のトレーサビリティ、テストプロトコルなど、自動車の要求事項がカジュアルに見えるほどです。

ボーイングの787開発では、内装部品にプロトタイプ製造が採用され、従来の金型製作に比べて大幅な時間短縮が図られた。キャビンレイアウトは、航空会社の要件変更に伴って絶えず変更されるため、さまざまなコンフィギュレーションを素早くモックアップできることは、非常に貴重でした。

材料要件がラピッドプロトタイピングの能力を限界まで押し上げることはよくあります。PEEK、チタン合金、炭素繊維複合材料など、ほとんどの3Dプリンティングシステムでは扱えない材料です。結局、ほとんどの人の家よりも高い産業用機器が必要になる。

医療機器規制がすべてを複雑にする

医療用ラピッドプロトタイピングは、進歩を遅らせるように設計されたと思われるFDAの要求事項⁷に対処する。プロトタイプのテストでさえ、患者に接触するあらゆる材料について生体適合性の文書化が必要です。

ISO 10993規格は、たとえ一時的なモデルであっても、医療製品がいかに安全であるかをテストするためのルールを定めている。つまり、短期間の使用であっても、多くのテストが必要となる。必要な書類や記録は、通常の医療製品に以前必要とされていたものよりも多くなることが多い。

医療において、患者固有の器具は大きな意味を持つ。手術計画を立てるための模型、カスタムメイドの人工装具、インプラントを装着するためのガイドなどのツールがそれだ。旧来の方法では作るのが非常に困難だったものも、3Dプリンターを使えば簡単に作れるようになります。

材料の生体適合性が依然として制限要因となっている。ほとんどのラピッドプロトタイピング材料は医療グレードではないため、高価な特殊樹脂や金属を使用することになり、技術の選択肢が限られてしまう。

誇大広告の裏に隠された技術的現実

精度への期待と現実

ラピッドプロトタイピングの精度は、使用される技術や部品サイズ、セットアップにかける労力によって大きく変化します。FDMは一般的に+/-0.1-0.2mm、SLAは小さな部品で+/-0.05mm、機械加工は良好な治具の下で+/-0.01-0.02mmになる可能性がある。

表面仕上げは、ほとんどのプロトタイプが失望するところです。FDMは常にレイヤーラインを示し、Ra 6.3μmが可能な限り滑らかです。SLAは高解像度設定でRa 0.8μmを達成できますが、印刷時間は劇的に長くなります。

NIST、積層造形用の測定標準を維持しかし、ほとんどの工場では非公式な品質管理を行っています。重要な寸法については、CMMによる検証を行うべきですが、時間とコストがかかるため、多くの用途では目的が達成されません。

製品に近い外観を得るためには、通常、後加工が必要である。サンディング、ケミカル・スムージング、機械加工など、すべて手間のかかる作業であるため、本来であれば短時間で仕上げられるはずの工程に時間がかかる。 ラピッドプロトタイピング プロセスがある。

資料永遠の限界

材料選択ドライブ ラピッドプロトタイピング ジオメトリーや技術的な選択以上の成功。プロトタイプの材料は、利用可能な装置との互換性を保ちながら、意味のあるテストを行うために、十分に近い生産特性を表すべきである。

一般的な素材とその性格

• PLA:印刷しやすい、キャンディーのような匂い、60℃以上では使えない。
• ABS:耐衝撃性に優れるが、注意しないと反る。
• PETG:耐薬品性、光学的に透明、一般的に行儀が良い。
• ナイロン:優れた機械的特性、悪夢のような安定した印刷
• カーボンファイバー:強度重量比が高い、高価、ノズルを食う

エネルギー省が先端材料開発を追跡しかし、新しい選択肢は常に設計者が実際に必要とするものに遅れをとっています。通常、要件に合う材料を見つけるよりも、利用可能な材料に合わせてプロトタイプの要件を妥協することになります。

経済学誰も語らない数字

実際の費用

ラピッドプロトタイピングのコストは非常に幅があります。デスクトップFDMはプロトタイプ1個あたり$2-20、工業用SLSは1個あたり$200-2000、ラピッドプロトタイピングの機械加工は複雑さによって$100-5000です。

時間の比較は、コストの比較よりも劇的である。従来の射出成形の金型製作には6～12週間を要します、 3Dプリンティング 同一形状は4～24時間。機械加工されたプロトタイプは、4～6週間のリードタイムから1～3日に短縮される。

MITの製造経済に関する研究¹¹によると、ラピッドプロトタイピングは、ほとんどの形状でおよそ1000パーツまでは費用対効果が高いが、損益分岐点は複雑さに大きく依存する。単純な形状の場合、数量が少なければ従来の製造が有利になり、複雑な内部形状の場合、数量が多くても3Dプリンティングが有利になります。

隠れたコストには、印刷の失敗、設計の反復サイクル、後処理の労力、サポート材料の無駄などが含まれる。ほとんどのコスト見積もりはこれらの要素を無視しており、楽観的な見積もりに終わっています。

ROI：理にかなっている場合

ラピッドプロトタイピングへの投資は、通常1年半で3～5倍の投資利益率（ROI）を達成できるが、それは企業が能力を活用できるように設計プロセスを変更した場合に限られる。従来のプロトタイピングを3Dプリンティングに置き換えるだけでは、ワークフローを変更しない限り、すべてのメリットを実現することはできません。

大きな節約は、設計上の問題を早期に発見することから生まれます。ラピッドプロトタイピング中に干渉の問題が見つかれば、修正に$50かかるかもしれない。同じ問題を生産ツーリング後に見つけると、修正に$5万円かかります。このような経済性により、ラピッドプロトタイピングへの投資は容易に正当化できる。

次に来るもの（そしておそらく来ないもの）

マルチマテリアルシステム：複雑化する

次世代ラピッドプロトタイピングシステムは、異なる領域で異なる特性、埋め込まれた電子機器、さまざまな剛性など、マルチマテリアル造形に取り組んでいます。カーネギーメロン大学では、印刷中にセンサーを埋め込み、計測器を組み込んだプロトタイプを作成するという興味深い研究¹²を行っている。

加法プロセスと減法プロセスを組み合わせたハイブリッド製造システムは、生産環境において実用的になりつつある。基本的な形状を印刷し、重要なフィーチャーを加工し、場合によっては二次加工を追加する。

インダストリー4.0：実態のあるバズワード

リアルタイムのモニタリングと適応制御を備えたスマート・プロトタイプ製造が産業システムに登場している。レイヤーごとの品質監視、自動パラメーター調整、予知保全など、無駄を省き一貫性を向上させるものだ。

クラウドベースのラピッドプロトタイピングサービスは、中小企業の経済性を変えています。設計ファイルをアップロードすると、アルゴリズムが能力と納期要件に基づいて最適な製造方法と場所を選択します。高価な工業用ラピッドプロトタイピング技術へのアクセスを民主化します。

実際に機能する決断を下す

ラピッドプロトタイピング技術の選択は、トレードオフを理解することに尽きます。短納期が必要で、表面仕上げにこだわらない？ 多重伝送装置.サポート除去なしの複雑な内部形状？SLS。精密公差？機械加工。滑らかな表面？SLAと後処理。

材料の要件は、しばしば形状以上に技術選択の原動力となります。耐熱性、化学的適合性、機械的特性 - これらは、どのラピッドプロトタイピング手法が特定の用途に有効かを制約します。

品質管理は試験要件と一致させる。目視評価用プロトタイプには寸法確認は必要ない。機能試験用プロトタイプは、重要な寸法をすべてチェックする必要がある。ASTM規格はガイダンスを提供している¹³が、ほとんどの工場は非公式に操業している。

既存の設計ワークフローとの統合は、技術の選択以上に重要です。印刷可能性解析、自動サポート構築、積層造形に向けた形状の最適化を組み込んだCAD - これらのツールは、アイデアから実際のビジュアライゼーションまでの時間を短縮します。

プロトタイプ製作を最もうまく活用できるのは、設計のさまざまなプロセスに組み込んだときであり、その代用としたときではない。技術の限界を知り、その限界を念頭に置いて設計を行う企業が最大限の恩恵を受ける。3Dプリンターがあらゆるものを救ってくれると期待する人は、失望する傾向がある。

要点：ラピッドプロトタイピングは、反復が安価で迅速であるため、製品開発業界を完全に変えた。それでもまだツールであることに変わりはない。成功するためには、適切に使用することが重要だが、奇跡は起こらない。