3D プリンティングと射出成形: 適切な製造プロセスの選択

結論

「長すぎて読まなかった」バージョンを探している場合は、次のような現実があります。 3D プリントはアイデアを実現するためのものです。射出成形はそれらにコミットするためのものです。 通常、選択は 1 つの質問に集約されます。 何個必要ですか? * 3D プリントを使い続ける 製造する部品の数が 500 未満の場合、まだデザインを微調整している場合、または明日の朝までに「メアリー万歳」のプロトタイプが必要な場合。工具の前払いはゼロですが、生産するユニットごとに「時間税」を支払うことになります。

• 射出成形のトリガーを引く 1,000 ユニットを超えてスケールする準備ができた瞬間です。金型の高額な前払い金 (5,000 ドルから 50,000 ドルを考えてください) を飲み込む必要がありますが、部品あたりのコストはドルからペニーへと急落します。

正直に言うと、最も賢明なチームは実際にはどれかを選択しません。彼らは 3D プリントを使用して迅速かつ安価に失敗し、その後、小売で大きな利益を得るために成形に切り替えます。このガイドでは、その「損益分岐点」がどこにあるのかを正確に説明し、通常はプロジェクトが立ち上がる前にプロジェクトを台無しにする高額な失敗を回避する方法を説明します。

早速本題に入りましょう。デジタル ファイルがあり、物理的な部分が必要です。通常、プロジェクトが成功するか大きな頭痛の種になるかを決定する瞬間が来ます。 実際どうやって作るの？

ほとんどの人は、「新しい学校」 (3D プリンティング) か「古い学校」 (射出成形) のどちらかを選択するだけだと考えています。でも正直に言うと？それほど白か黒かはもうめったにありません。

本当の違い

ちょっと教科書のことは忘れてください。実際に何が起こっているかは次のとおりです。

• 3D プリント これは、ハイテク グルーガンを使用してオブジェクトをレイヤーごとに描画するようなものです。ツールや大掛かりなセットアップは必要ありません。必要なのは、あなたとマシンとデジタル ファイルだけです。金曜日までに 1,000 個必要になることに気づくまでは、究極の自由です。
• 射出成形 より暴力的です。精密にカットされた鋼鉄の「洞窟」に、信じられないほどの圧力で溶けたプラスチックを叩き込むことになります。開始には費用がかかり、セットアップには永遠に時間がかかりますが、一度マシンが動き始めると、止められないほどの効率性が高まります。

これが単なる「技術トーク」ではない理由

私は、多くの創業者が 3D プリントにロマンティックになっても、ユニットあたりのコストがかかって製品が売れなくなることに気づいたのを見てきました。逆に、まだ市場テストもされていない製品の鋼製金型にエンジニアが 3 万ドルを投じているのを見てきました。それは痛ましい間違いです。

印刷は玩具であり、成形は「本物の」製造であるという「古いルール」は終わりました。今日、その境界線はぼやけています。橋梁の生産工程を印刷できますか?いつもの。プロトタイプを成形する必要がありますか?時々。

目標

私はあなたに講義をするためにここにいるわけではありません。私は、その「スイートスポット」、つまり、あるプロセスがコストを節約し始め、もう一方のプロセスがコストを浪費し始めるまさにその瞬間を見つけるお手伝いをしたいと考えています。ここでは、リードタイム、機械的強度、損益分岐点の冷酷で難しい計算といった要点を見ていきます。

どのパスが実際にプロジェクトに適合するかを確認する準備はできましたか?移動しましょう。

次は「3D プリンティングとは」のセクションに直接入ったほうがいいでしょうか?そのまま鋭く保ちます。

3D プリンティング、または業界で「積層造形」と呼ばれるものを見てみましょう。正直に言うと、名前がすべてを物語っています。ゼロから始めて、必要な場所にのみ素材を追加します。

これは、レンガを 1 つずつ家を建てていくようなものだと考えてください。ただし、レンガは微細であり、「石工」はデジタル マップに従うレーザーまたはノズルです。

現実世界のテクノロジー

おそらく聞いたことがあるでしょう FDM （ロボットのグルーガンのように見えるもの）しかし、それは氷山の一角にすぎません。ガレージで作られたようには見えないものが必要な場合は、次のようなものを探しています。 SLA または DLP 、光を使用して液体樹脂を固体のガラスのように滑らかなパーツに変えます。それから、 SLS または MJF ――強打者たち。これらは、レーザーを使用してナイロン粉末を部品に融合するため、実際に車のエンジンや飛行服に使用できるほど強度が高くなります。

良い人、悪い人、そして正直な人

なぜ人々はそれを愛するのでしょうか？ スピードと自由。 午前 9 時にアイデアが浮かんだら、夕食までに実際の部品を手に入れることができます。金型や「工具」は必要ありません。また、気難しい機械工から「その形状は作れない」と言われることもありません。 1 つの部品が必要な場合でも、10 の部品が必要な場合でも、3D プリントはあなたの強い味方です。

しかし、ほとんどの人が見逃している落とし穴があります。 遅いですね。 パーツをレイヤーごとに構築するには時間がかかり、場合によっては数時間、場合によっては数日かかります。次に、「部品ごとの」コストについて話しましょう。最初の部分は安いですが、1,000 番目の部分のコストは最初の部分とまったく同じです。ここには物理法則による「一括割引」はありません。

さらに、「穀物」の問題もあります。木材と同じように、印刷パーツにも層があります。これらの層を引っ張ると、部品が折れる可能性があります。新しい樹脂や金属の採用により性能は向上していますが、それでもエンジニアは夜眠れなくなります。

それはあなたのためですか？

まだデザインを調整している場合、または SF 映画に出てくるようなカスタム パーツが少数必要な場合は、探すのをやめてください。勝者が見つかりました。しかし、倉庫をいっぱいにするつもりなら?まあ、それはまったく別の会話です。

射出成形に進みたいですか?使い始めるととても頭が痛くなるのに、一度実行すると非常に美しい理由については話せます。

さて、強打者について話しましょう： 射出成形。 3D プリントが彫刻家が彫像を慎重に彫ることであるとすれば、射出成形は高速スタンプです。スチールまたはアルミニウムのブロックを用意し、その中に部品の「ネガティブ」キャビティを彫り込み、その空洞に恐ろしい高圧で溶融プラスチックを吹き込みます。冷却されると (数秒で完了します)、金型が開いて部品を落とし、リセットされます。洗い流しては1日に何千回も繰り返します。

目の前にある「壁」

率直に言いますが、射出成形を始めるのは大変です。ただ「印刷を押す」だけではありません。金型を設計する必要がありますが、これ自体がエンジニアリングの偉業です。 「抜き勾配」(部品が引っかからないように) と「ゲートの位置」(プラスチックが入る場所) について考える必要があります。

それから請求書です。まともなスチール金型を使用すると、使用可能な部品を 1 つ製造する前に、簡単に 5,000 ドル、20,000 ドル、さらには 100,000 ドルもかかります。それで待って？工具が機械加工され研磨されるまで、4 ～ 10 週間は放置されることになります。

なぜわざわざ？

こんなに面倒なのに、なぜ誰もがそんなことをするのでしょうか？なぜなら、「ツールの作成」が完了すると、計算が有利になるからです。私たちは部品あたりのコストがドルからペニーに下がったことについて話しています。

ただし、お金だけの問題ではありません。射出成形部品は、 強い。 プラスチックは層を重ねたものではなく、連続した加圧された塊であるため、構造的完全性は世界クラスです。特定のテクスチャが必要ですか? 「ソフトタッチ」仕上げ? 「フェラーリレッド」の特定の色合い?射出成形はそれを簡単に処理します。レゴ ブロックの ABS から心臓弁の医療グレードの PEEK まで、材料ライブラリは基本的に無限です。

トレードオフ

コスト以外の最大の欠点は、「閉じ込められる」ことです。型を切断した後で設計に間違いが見つかった場合、非常に高価な文鎮を見ていることになり、会計士に多くの説明をしなければなりません。これは、下調べを終えて大きくなる準備ができている人に報酬を与えるプロセスです。

「主な違い」セクションに移ったほうがよいでしょうか?ここでは、実際の「損益分岐点」の計算を詳しく分析して、どれが予算を節約できるかを確認します。

真鍮の鋲について見ていきましょう。 意思決定マトリックス。 ここで理論的な話は終わり、予算が始まります。ほとんどの人はここで麻痺してしまいますが、実際にはいくつかの冷酷で難しい変数によって決まります。

1. 「損益分岐点」の計算

これが大きなものです。 3D プリントの場合、コストは一律です。部品を 1 つ作るか 100 個作るかに関係なく、機械時間と材料の代金を支払うことになります。それは直線です。

ただし、射出成形では、垂直方向に膨大なコスト (金型コスト) がかかります。しかし、より多くの生産を行うと、そのコストは「薄められ」ます。

経験則: * 1～500単位： ほぼ常に 3D プリントが勝者となります。

• 500 ～ 2,000 ユニット: これが「グレーゾーン」です。それはパーツがどれだけ複雑かによって異なります。
• 2,000 ユニット: 考えるのをやめて、射出成形を選択してください。部品ごとに節約した 1 セントが、最終的には高価な金型の購入費とその後の一部の支払いにつながります。

2. 設計の柔軟性と精度

3D プリントを「あらゆるもののデザイン」と考えてください。球の中に中空の格子構造が欲しいですか?問題ない。 3D プリントでは複雑さは関係ありません。

射出成形は別の生き物です。 「製造のための設計」(DFM) を行う必要があります。必要です 抜き勾配角度 （わずかにテーパーが付いている）そのため、パーツは実際に金型からスライドして取り出すことができます。心配しなければなりません 壁の厚さ - デザインの一部が厚すぎると、冷えるにつれて「沈む」か反ってしまいます。後で気が変わったら？ 3D ファイルの変更には 5 分かかります。鋼製金型の交換には 5 週間と数千ドルかかります。

3. 強度と表面仕上げ

正直に言うと、部品を小売店の棚から取り出したような外観にする必要がある場合、射出成形が標準です。表面は滑らかで、色は焼き付けられており、パーツは「等方性」です。つまり、どの方向に対しても同等の強度を持っています。

3D プリンティングは長い道のりを歩んできましたが、ほとんどの部品 (特に FDM) は依然として、明らかに「層状」の外観を持っています。また、それらは「異方性」でもあります。これは、過度に力を加えると層の線に沿って裂ける可能性があることを派手に表現したものです。

4. 材料の選択

• 3D プリント: フィラメント、粉末、または樹脂に変換できるものは限られています。リストは増え続けていますが、まだ一部です。
• 射出成形: プラスチックであれば成形も可能です。高熱に耐えるガラス繊維入りナイロンが必要ですか?それともゴムのような柔軟な TPE でしょうか?あなたはポリマー王国全体への鍵を手に入れました。

「いつどちらを使用するか」の概要と実際の例でこれを締めくくる準備はできていますか?

それで、実際にどこにお金を置きますか？理論的な話はやめて、私の机の上にいつも載っている現実世界のシナリオを見てみましょう。

3D プリントにこだわるべきとき

正直なところ、もしあなたがまだ「もしも」の段階にいるなら、3D プリントはあなたの親友です。

• プロトタイピング段階: 部品を手で触ったり、フィット感をテストしたり、月曜日までに投資家に「見た目も機能も同じ」モデルを見せたりする必要がある場合は、金型さえ見ないでください。
• 橋梁の製造: これは賢明なチームが常に行う動きだと私は見ています。設計が完了し、射出成形金型を注文しましたが、その金型が完成するまでに 2 か月かかります。今すぐ 500 部を印刷して、販売と市場へのシードを開始します。勢いを維持し続けます。
• 「不可能」な形状: 場合によっては、デザイナーはスチール製のツールでは到達できない内部格子や有機的な形状に夢中になることがあります。パーツがサンゴのように見える場合は、印刷が唯一の選択肢かもしれません。

射出成形でトリガーを引くタイミング

「実験」が終わり、「ビジネス」が始まるときのためです。

• 大量の確実性: 5,000 個売れる自信があるのであれば、金型の初期費用は数週間で元が取れます。それは趣味と生産ラインの違いです。
• 「小売店の雰囲気」: あなたの製品が Best Buy や IKEA の棚に並ぶ場合、それは「本物」であると感じられる必要があります。層や粗いエッジはなく、高圧成形のみが提供する滑らかで重量感のある一貫した感触だけです。
• 医療/自動車規格: 命がかかっているとき、「これで十分」という選択肢はありません。射出成形により、何十年にもわたってテストされてきた認定された医療グレードの樹脂を利用できます。

チートシート: クイックツールと材料

「方法」を知りたい場合は、現在業界で実際に何が使用されているかを簡単に確認してください。

最後の言葉

一方は他方よりも「優れている」のでしょうか？あまり。それはドライバーよりもハンマーの方が優れているかどうかを問うようなものです。

実際、私が目にした最も成功したプロジェクトは、どちらか一方を選択するのではなく、両方を活用しています。彼らは 3D プリントでプロトタイプを作成し、それを使用して「ブリッジ」ストックを構築し、市場がその正しさを証明したら射出成形に移行します。

正直に言うと、最大の間違いは「間違った」テクノロジーを選択したことではありません。待つ時間が長すぎて選択することさえできません。ボリュームを確認し、銀行口座を確認して、すぐに作り始めてください。後でいつでもピボットできます。

カスタマイズの現実: 3D プリントの実際

小さな医療技術会社が、脊椎手術用のカスタム サージカル ガイドという特定の問題を解決しようとしていたのを覚えています。患者ごとに脊椎は異なるため、「標準」パーツは役に立ちませんでした。

もし彼らが射出成形の道を進んでいたら、彼らは水の中で死んでいたでしょう。一度しか使用しない部品のために 10,000 ドルの鋼製金型を加工することを想像できますか?それは不合理だ。を使用することで SLA (光造形) 24 時間以内に患者の CT スキャンを取得し、生体適合性ガイドを印刷することができました。部品あたりのコストは高く、プラスチック 1 個あたり 50 ドルほどでしたが、「工具」のコストはゼロでした。実際、このニッチ市場では 3D プリントは単なる選択肢ではありません。それがこのビジネスが存在する唯一の理由です。

ピボットの力: 射出成形によるスケーリング

さて、これを、私が協力して再利用可能な「スマート」な水ボトルを設計したスタートアップ企業と比較してみましょう。彼らは Kickstarter でスタートし、3D プリントを使用しました (具体的には マルチジェットフュージョン ）最初の 200 の「ベータ」ユニットに対して。フィードバックを得るには最適でしたが、注文が 5,000 件に達するとすぐに、計算は醜くなりました。

彼らはそれらを印刷するために、一戸当たり 12 ドル近くを支払っていました。思い切って高品質のアルミニウム金型に 25,000 ドルを投資することで、そのコストを 1 個あたり 0.85 ドルにまで下げました。正直に言うと、その 25,000 ドルは当時大金のように感じられましたが、出荷から最初の 1 か月で元が取れました。これは射出成形の「猛獣」です。乗り越えなければならない大きな壁ですが、その向こう側の景色は信じられないほど有益です。

実際に次は何になるのでしょうか？

私たちは、もう「どちらの側を選ぶ」必要がない世界に向かって進んでいます。について聞いたことがありますか 3D プリントされたツール ?魅力的な中間地点だ。企業は現在、3D プリントを行っています。 型自体 高温樹脂を使用。プリンターの速度だけでなく、成形部品の材料特性も得られます。これは、従来の方法のどちらも当てはまらない、50 ～ 100 個の「中間」の作業に最適です。

結論

結局のところ、選択はどのテクノロジーが「よりクール」であるかということではありません。それはあなたの特定のゴールラインに関するものです。

• まだ繰り返していますか？ 印刷してください。 * あなたのデザインは「凍結」されており、注文書はいっぱいですか? 成形してください。 何よりも重要なのは、「分析麻痺」に陥ってはいけないということです。私が知っている最も成功しているメーカーは、すぐに失敗するために 3D プリンターを使用することを恐れず、射出成形機を使用して大きな成功を収めているメーカーです。

今日はどれから始める準備ができていますか?

よくある質問

3D プリントは実際に射出成形よりも「安い」のでしょうか?
正直に？最初だけ。 1 つの部品を作成する場合、3D プリントは金型に 10,000 ドルもかからないため、お買い得です。しかし、一定の量 (通常は約 500 ～ 1,000 ユニット) に達すると、印刷の「パーツごとの」コストが痛くなり始めます。タクシーと車の購入のようなものだと考えてください。1 回の移動ならタクシーの方が安いですが、毎日 160 マイルを運転するのであれば、車を所有した方が良いでしょう。

両方のプロセスに同じデザインを使用できますか?
おそらくそうではありません。これは多くのデザイナーが陥る罠です。 3D プリントを使用すると、「怠惰な」デザインから抜け出すことができます。厚いプラスチックのブロックや鋭い内側の角を作ることができます。同じデザインを射出成形金型に押し込もうとすると、歪んだり、沈んだり、詰まったりします。最終的に部品を成形する予定がある場合は、その設計を開始してください 今 (抜き勾配と均一な肉厚を考慮してください)、今のところプロトタイプを印刷しているだけであっても。

より強い部品を生み出すプロセスはどれですか?
これは間違いなく射出成形の勝ちです。プラスチックは圧力下で 1 つの連続した溶融塊として射出されるため、全体的に構造的に一貫しています。 3D プリントされた部品には「層」があり、それらの層は本質的に小さな断層です。印刷されたパーツに間違った方向に力を加えると、木片のように割れてしまいます。

部品はどれくらい早く入手できますか?
明日必要な場合は、印刷してください。 CAD ファイルから物理部品を数時間で作成できます。射出成形は待ちのゲームです。 「速い」金型でも加工には 2 ～ 4 週間かかりますが、それは実際の生産を開始する前です。

3D プリントはプラスチックのみに適用されますか?
実際には、いいえ。金属 3D プリンティング (SLM/DMLS) は、航空宇宙および医療インプラントにおいて非常に重要です。インベストメント鋳造用にセラミックやワックスに印刷することもできます。ただし、ほとんどの消費者製品では、通常、さまざまな種類の樹脂や熱可塑性プラスチックについて話します。

ちょっと待って、金型を 3D プリントするのはどうでしょうか?
それが今の「プロの動き」だ。 50 個の実際の成形部品が必要な場合は、高温樹脂を使用して金型インサートを 3D プリントできます。これは、鋼製工具に大金を費やすことなく、実際の生産材料をテストする優れた方法です。ただし、印刷されたモールドが 10,000 回のショットに耐えられるとは期待しないでください。おそらく 50. を超えると使用できなくなるでしょう。