金属およびプラスチックの迅速な試作生産: 機能テストから少量生産まで

ラピッド プロトタイピングは、もはやビジュアル モデルの作成に限定されません。製品エンジニア、OEM、および調達チームにとって、プロトタイプは、設計がツールとしてリリースされる前に、機械的負荷、動作温度、組み立てサイクル、化学物質への曝露、または寸法検査に耐える必要がある場合があります。

そのため、金属とプラスチックのどちらを選択するか、また CNC 加工、積層造形、真空鋳造、板金製造、高速射出成形のいずれを選択するかは、単にどのプロセスが速いかという問題ではなく、エンジニアリング上の決定になります。

IMTEC Mould では、プロトタイプ開発は、設計評価、製造可能性、ツーリング、射出成形、インサート オーバーモールディング、生産エンジニアリングを結び付ける、より広範な製品開発パスの一部としても考慮されます。

金属とプラスチックのラピッドプロトタイピング: プロセスの選択とトレードオフ

最初に決めるのは必ずしも「CNC か 3D プリンティング」というわけではありません。それは、プロトタイプが最終コンポーネントの機械的動作を再現する必要があるかどうかです。

構造強度、ねじ山、座面、熱放散、導電率、または高温性能をテストする場合は、一般に金属プロトタイプが好まれます。アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、真鍮の部品は、エンジニアリンググレードの素材から直接 CNC 加工できます。複雑な金属コンポーネントは、DMLS や SLM などの金属積層造形プロセスを通じて製造することもできます。

プラスチック プロトタイプは、エンクロージャの形状、クリップ、ハウジング、流体チャネル、断熱材、人間工学、または成形部品の動作を評価する際に、より高い柔軟性を提供します。 FDM、SLA、SLS では工具を使用せずに部品を製造できますが、CNC 加工ではエンジニアリング プラスチックから高精度のプロトタイプを直接作成できます。

外観モデルやポリウレタン状コンポーネントの少量バッチの場合は、真空注型の方が経済的である場合があります。設計が安定していて、実際の製造樹脂に数十または数百の部品が必要な場合、ラピッド ツーリングと射出成形が最終生産の代表的なものになります。

正しい選択は、プロトタイプが何を証明する必要があるかによって決まります。プラスチック印刷モデルはパッケージングスペースを検証できますが、負荷テスト用の機械加工されたアルミニウム部品を必ずしも置き換えることはできません。同様に、目的が単にアセンブリのクリアランスを確認することである場合、高価な金属製プロトタイプは不要な場合があります。

機能性金属およびプラスチック試作のための材料選択ガイド

材料の選択は、望ましい製造プロセスではなく、動作要件から始める必要があります。

6061アルミニウム は、機械加工性、適度な強度、耐食性、および比較的軽量を兼ね備えているため、CNC プロトタイプに広く使用されています。 7075アルミニウム より高い強度が得られ、構造性能がより重要な場合に役立ちますが、機械加工や仕上げの要件が増加する可能性があります。

304ステンレス鋼 耐食性の機械部品には一般的な選択肢ですが、 316 ステンレス鋼 攻撃的な環境や塩化物を含む環境に対するより大きな耐性が必要な場合に選択されることがよくあります。チタンは魅力的な強度重量比と耐食性を備えていますが、材料費と加工費が大幅に高くなります。真鍮は、電気部品、継手、インサート、および良好な機械加工性を必要とする部品に依然として有用です。

プラスチック側には、 ABS 多くのハウジングや汎用プロトタイプに適しています。 ポリカーボネート(パソコン) より高い衝撃強度と温度耐性を提供します。 ナイロン 靱性や耐摩耗性が要求される機能部品に有用です。 POM/アセタール ギア、ブッシュ、精密機構に低摩擦、寸法安定性、優れた機械加工性をもたらします。

要求の厳しい環境向けに、 覗く 優れた熱的および化学的性能を提供しますが、原材料および加工コストが大幅に高くなります。

材料を注文する前に、規制要件も確認する必要があります。たとえば、FDA の要件は、単に材料名ではなく、意図された用途と製品の種類によって異なります。食品と接触する用途では、食品と接触する使用を目的とした物質を考慮する必要がありますが、医療機器用途では、材料の安全性と生体適合性のより広範な評価が必要になる場合があります。同様に、UL 94 分類はプラスチック材料の試験済みの可燃性特性に関連しており、完成したすべてのプロトタイプの普遍的な認証として扱うべきではありません。

したがって、規制対象プロジェクトの場合、購入者は「FDA プラスチック」または「UL プラスチック」のみを要求するのではなく、正確な材料グレード、サプライヤーの文書、必要な試験報告書、および用途を指定する必要があります。

公差、表面仕上げ、および後処理オプション

公差要件により、プロセスの選択とプロトタイプのコストの両方を迅速に決定できます。

適切に設計された CNC 機械加工コンポーネントの場合、一般的な公差は次のとおりです。 ±0.005 インチ (±0.127 mm) は一般に達成可能ですが、選択された重要な寸法は、形状、材料、フィーチャ サイズ、および検査要件に応じてより厳密に制御できる場合があります。

積層造形では通常、より広い許容値が必要になります。 SLA は優れた詳細と外観の品質を提供できますが、寸法結果は樹脂の挙動、配向、サポートの配置、硬化、および部品の形状に影響されます。 FDM は通常、層の堆積と熱歪みに対してさらに高い許容度を必要とします。 SLS はサポート構造の多くの制限を回避しますが、異なる表面テクスチャを生成します。

真空注型ポリウレタン部品には、マスターモデルの精度、シリコンモールドの挙動、材料の収縮、硬化を考慮した余裕も必要です。

したがって、最終公差が承認される前に、表面仕上げを考慮する必要があります。

金属プロトタイプの場合、一般的なオプションには次のものがあります。

• ビードブラストによる均一なマットな表面
• 方向性のある化粧仕上げのためのブラッシング
• アルミニウム部品の陽極酸化処理
• 外観または表面機能の要件を満たす電気めっき
• 粉体塗装または塗装
• 機械研磨
• 適切なステンレス鋼用途のための不動態化

プラスチック部品は、材料とプロセスが許可する場合、サンディング、塗装、研磨、染色、テクスチャー加工、または蒸気平滑化を行うことができます。

仕上げにより寸法が変わる場合があります。陽極酸化、メッキ、コーティング、研磨、および強力なサンディングは、穴、シール表面、ベアリングの位置、および嵌合部分の周囲のフィットに影響を与える可能性があります。したがって、重要な表面をマスクしたり、仕上げ後に機械加工したり、寸法を補正したりできるように、図面上で特定する必要があります。

仕上げを完全に削除しても、プロトタイプの最低価格が必ずしも達成されるわけではありません。意図的に選択された仕上げにより、視覚的な欠陥を明らかにしたり、顧客のデモンストレーションをサポートしたり、組み立ての摩擦を再現したり、製造部品のより現実的な評価を提供したりできます。

製造性と金属とプラスチックのハイブリッドアセンブリを考慮した設計

ラピッドプロトタイプは、次の製造プロセスを念頭に置いて設計されると、さらに便利になります。

CNC 機械加工部品の場合、設計者は不必要に深いポケット、極度に薄い壁、アクセスできない内部コーナー、過度の公差要件を避ける必要があります。回転切削工具では完全に鋭利な内部コーナーを作成できないため、内部コーナーには一般に半径が必要です。

3D プリンティングの場合、方向、サポート構造、壁の厚さ、穴の形状、閉じ込められた粉末または樹脂、および後処理アクセスを製造前に評価する必要があります。

射出成形の設計には、別の考慮事項が必要です。均一な肉厚、適切な抜き勾配、制御されたリブとボス、現実的なアンダーカット、適切な半径、ゲート位置、収縮、および突き出し戦略はすべて、成功したプロトタイプが後で経済的な成形部品になるかどうかに影響します。

板金部品には、適切な曲げ半径、穴からエッジまでの距離、曲げクリアランス、工具のアクセス、および現実的な公差の割り当てが必要です。

金属コンポーネントとプラスチックコンポーネントは組み立て中や熱サイクル中に異なる動作をするため、ハイブリッド製品ではさらなる疑問が生じます。

一般的な金属とプラスチックの接合方法には、ねじ付きインサート、インサートモールディング、オーバーモールディング、プレスフィットハードウェア、リベットナット、ボルト、ネジ、構造用接着剤などがあります。選択には、使用負荷、修理可能性、電気要件、温度差、材料の膨張、および予想される組み立てサイクルを考慮する必要があります。

クリティカル インターフェイスは、ASME Y14.5 描画慣行に従って GD&T を使用して定義できます。 ASME は、Y14.5 を、寸法、公差、幾何学的な要件を工学図面上で伝達するための標準化言語であると説明しています。

実際の検証パスは次のとおりです。

CAD レビュー → DFM レビュー → プロトタイプ → 寸法検査 → 組立テスト → 機能テスト → 設計修正 → 生産目的のプロトタイプ → ツールのリリース。

重要なプロジェクトの場合、材料証明書、初品検査報告書、寸法報告書、および合意された検査方法をこのプロセスに組み込むことができます。

コスト、リードタイム、プロトタイプから生産への移行

試作品の見積もりは、原材料の重量よりもはるかに大きな影響を受けます。

CNC 加工の場合、重要なコスト要因には、プログラミング、機械のセットアップ、セットアップの数、サイクル タイム、材料の除去、切削工具、公差、検査、および表面仕上げが含まれます。したがって、単一の複雑なコンポーネントは、同じ材料で作られた複数の単純な部品よりもコストが大幅に高くなる可能性があります。

積層造形のコストは、部品の量、機械時間、構築の方向性、サポート要件、材料、後処理、および構築内で複数の部品をいかに効率的に配置できるかによって大きく左右されます。

真空注型ではマスターモデルとシリコン型の製造コストがかかりますが、同様のプラスチック部品が複数必要な場合は単価を削減できます。

高速射出成形は、これらのオプションの中で最も高い初期金型投資を必要としますが、数量が増えると単価が大幅に下がる可能性があります。 IMTEC 独自の CNC 加工と射出成形の比較でも、CNC は試作品や少量生産に有用である一方、生産量が増加するにつれて射出成形がますます有利になると位置づけています。

一般的な計画範囲は次のようになります。

*実際のスケジュールは、形状、材料、仕上げ、検査要件、容量、設計の準備状況によって異なります。

生産への移行は、1 つのプロトタイプから数千の成形部品への突然の移行として扱われるべきではありません。

よりリスクの低い戦略は、製造への取り組みを段階的に増やすことです。初期のアディティブまたは CNC プロトタイプで形状を検証します。機能的なプロトタイプは、荷重、フィット感、熱性能、および組み立てを検証します。少量生産では、プロセスとサプライチェーンの問題が露呈します。設計が安定したら、検証されたプロトタイプから重要な寸法と検査基準を引き継ぎながら、生産ツールをリリースできます。

この段階的なアプローチにより、生産ツールがすでに完成した後に基本的な設計上の問題が発見されるリスクが軽減されます。

IMTECモールドによる試作から生産まで

有用なプロトタイプは、単に CAD ファイルを再現するだけではなく、エンジニアリング上の質問に答える必要があります。

IMTEC Mold は、カスタマイズされたエンジニアリングと共同開発、積層造形、金型の設計と製造、射出成形、インサート オーバーモールディングなどの機能を通じて製品開発をサポートします。これにより、最終的な製造プロセスを念頭に置いてプロトタイプの決定を評価することができます。

3D CAD モデル、2D 図面、材料要件、予想数量、および用途を当社のエンジニアリング チームに送信してください。当社は、工具投資の前に、製造可能性をレビューし、潜在的な生産リスクを特定し、適切な金属またはプラスチックのプロトタイプ ルートを推奨します。

IMTEC は、カスタマイズされたプロジェクト提案を 48 時間以内に提供できるため、エンジニアリング チームや調達チームがすぐに量産ツールに着手することなく次のステップを評価できるようになると述べています。

単一の機能的なプロトタイプが必要な場合でも、少量の検証バッチが必要な場合でも、プロトタイプから射出成形生産への移行が必要な場合でも、目標は同じです。まず設計を証明し、量が増加しても実用的な製造パスを作成することです。

よくある質問

機能的な金属プロトタイプを作成する最速の方法は何ですか?

従来の形状の場合、CNC 加工は、生産グレードの金属ストックを使用し、専用の工具を必要としないため、多くの場合、機能的な金属プロトタイプを取得する最速の方法の 1 つとなります。金属積層造形は、複雑な内部チャネル、軽量構造、または機械加工が難しい形状に適している場合があります。

プラスチックのプロトタイプの場合、CNC 加工と 3D プリントのどちらを選択すればよいですか?

寸法精度、量産グレードのエンジニアリング プラスチック、表面品質、または機械的動作を優先する場合は、CNC を選択してください。速度、複雑な形状、頻繁な設計の繰り返し、または機械加工の制約の回避がより重要な場合は、3D プリントを選択してください。

金属およびプラスチックのラピッドプロトタイプではどの程度の公差が期待できますか?

CNC 部品では通常、±0.005 インチ程度の一般公差が使用されますが、機能によっては、より厳しい公差またはより広い公差が適切な場合もあります。 3D プリントおよび真空鋳造されたコンポーネントには、通常、より大きな許容値が必要です。コンポーネント全体に厳しい公差を適用するのではなく、必ず重要な寸法を個別に定義してください。

ラピッドプロトタイプにはどの表面仕上げが利用できますか?

金属プロトタイプには、必要に応じて、ビードブラスト、陽極酸化、メッキ、ブラシ仕上げ、研磨、塗装、粉体塗装、または不動態化を施すことができます。プラスチックのプロトタイプは、材料や製造プロセスに応じて、研磨、研磨、塗装、染色、テクスチャー加工、または蒸気で滑らかにすることができます。

ラピッドプロトタイプの部品あたりのコストはいくらですか?

プロトタイプごとに意味のある普遍的な価格はありません。コストは、材料、サイズ、形状、数量、機械加工または印刷時間、公差、検査要件、仕上げによって異なります。 CAD データと予想数量を提供することで、サプライヤーは代替生産ルートを比較できます。

ラピッドプロトタイピングは少量生産をサポートできますか?

はい。 CNC 加工、積層造形、真空鋳造、および高速射出成形はすべて、さまざまな数量範囲での少量の要件をサポートできます。最適なプロセスは、精度、材料特性、外観、工具コスト、または単価のどれが主要な要件であるかによって異なります。

ラピッドプロトタイプから本格的な生産に移行するにはどうすればよいですか?

最初に形状を検証し、次に機能、アセンブリ、材料、重要な寸法を検証します。設計が安定したら、対象の生産プロセスに対して DFM を実施し、生産向けサンプルを製造し、検査要件を確認してから、生産ツールや大量生産をリリースします。