ラピッドプロトタイピングにおける設計とエンジニアリングの主な考慮事項は何ですか?

ラピッドプロトタイピングは、現代の製品開発プロセスの重要な部分です.製品のプロトタイプを迅速に作成することで、企業は設計、機能、ユーザーエクスペリエンスを早期に検証できるため、開発リスクが軽減され、製品の品質が向上します。ただし、ラピッドプロトタイピングを成功させるのは簡単な作業ではなく、いくつかの主要な設計およびエンジニアリング要因を考慮する必要があります。この記事では、これらの重要な要素を探り、それらが重要である理由を説明します。

ラピッドプロトタイピングとは?

ラピッドプロトタイピングとは、要するに、高度な製造技術の使用を指しますまたは、製品開発の初期段階でソフトウェアを設計して、製品の予備モデルまたはラピッドプロトタイプを低コストで短時間で作成できます。これらのラピッドプロトタイプは、機能的なもの、外観的なもの、またはその2つの組み合わせであり、テスト、設計コンセプトの検証、ユーザーエクスペリエンスの評価、投資家へのプレゼンテーション、またはマーケティングに使用されます。

その原則は、「ビルド-テスト-学習-フィードバック」のサイクルを通じて、製品設計を継続的に改訂および改善することです。従来の製品開発プロセスと比較して、ラピッドプロトタイピングはスピードと柔軟性に重点を置いているため、設計者やエンジニアは製品開発の早い段階で問題を発見して解決し、後でコストと時間のかかる変更を回避できます。

ラピッドプロトタイピングはどのように機能しますか?

デザイン作成:CADソフトウェアを使用して、オブジェクトのデジタル3Dモデルを作成します。この段階は、プロトタイプの基礎を築く上で非常に重要です。
データ準備:CADモデルは処理され、選択したラピッドプロトタイピングテクノロジーに適した形式(通常はSTLファイル)に変換されます。
マシンのセットアップ:ラピッドプロトタイピングマシンの準備、キャリブレーション、およびプラスチック、樹脂、金属粉末などの適切な材料へのロード。
プロトタイプ構築:機械は、CADモデルの仕様に従って、プロトタイプをレイヤーごとに構築します。
後処理:造形プロセスの後、プロトタイプは、多くの場合、目的の表面仕上げまたは機械的特性を達成するために後処理を必要とします。これには、サンディング、塗装、または組み立てが含まれます。

ラピッドプロトタイピングにおける設計上の重要な考慮事項は何ですか?

1.材料の選択

プラスチック：プラスチックは、ラピッドプロトタイピングに最適な材料になりつつありますその優れた成形能力、低オーバーヘッド、および取り扱いの容易さにより。製品の最終的な視覚的および触覚的特性を模倣でき、ほとんどのアプリケーションシナリオに適しています。プラスチック材料を選択するときは、強度、靭性、耐熱性、および化学的攻撃に対する耐性の観点から、その特性を慎重に検討してください。
金属:その高い圧縮強度、強力な剛性、優れた導電性により、これらの特性により、高い耐荷重能力や極端な環境での使用に適したプロトタイプ材料になります。しかし、金属製造のコストは比較的高く、その製造過程は比較的困難です。金属材料を選定する際には、密度、硬度、耐食性、溶接性を慎重に検討する必要があります。
複合材料:これらの複合材料は、異なる特性を持つ2つ以上の物質で構成されており、これら3種類の材料それぞれの利点を兼ね備えています。高い機械的特性、軽量、優れた耐食性を示し、特に高性能が要求される用途に適しています。ただし、複合材料は一般的により高価であり、その製造プロセスは比較的複雑です。

2.プロトタイプモデルの複雑さ

プロトタイプモデルの複雑さは、要件に基づいて決定する必要があります。複雑さが増すほど、必要な処理時間とコストは高くなります。

シンプルなプロトタイプ:設計コンセプトと機能の初期検証に最適です。シンプルなプロトタイプは、迅速かつ低コストで作成でき、変更や反復も簡単です。
複雑なプロトタイプ:設計の詳細と性能の詳細な検証が必要なアプリケーション向け。複雑なプロトタイプでは、より高い加工精度とより長い生産時間が必要ですが、より詳細な設計フィードバックを提供できます。

3.精度と精度

実際のアプリケーションのニーズを満たすために高速部品の精度を確保することは、ラピッドプロトタイピングの重要な目標です。これを達成するためには、以下の対策を講じる必要があります。

高精度の機器を選択してください。光造形(SLA)、選択的レーザー焼結(SLS)など、高精度で安定したラピッドプロトタイピング装置を選択してください。これらの機械は、高い加工精度と表面品質を提供できます。
処理パラメータの最適化:選択した材料と機器の特性に応じて、レーザー出力、スキャン速度、層の厚さなどの処理パラメータを最適化します。これらのパラメータを最適化することで、プロトタイプの精度と表面品質を向上させることができます。
後処理:サンディング、サンドブラスト、塗装などの後処理により、プロトタイプの精度と表面品質をさらに向上させることができます。これらの処理により、試作品の表面に付着したバリや汚れ、凹凸などの欠陥が取り除かれ、最終製品の見た目や感触に近づけます。

4.表面処理

適切な仕上げを選択することで、最終製品のルックアンドフィールをシミュレートし、プロトタイプのリアリズムと使いやすさを向上させることができます。一般的な表面処理方法は次のとおりです。

絵画：塗装は、豊かな色と光沢の効果を提供できる一般的な表面処理です。塗料を選ぶときは、接着性、耐摩耗性、耐食性などの要素を考慮する必要があります。
鍍金：めっきは、プロトタイプの表面に金属の薄膜を形成することができ、その表面硬度と耐食性を向上させます。めっきは、金属のルックアンドフィールをシミュレートでき、プロトタイプの表面性能を向上させる必要があるアプリケーションに適しています。
サンドブラスト：サンドブラストは、研磨粒子をブラストすることで、プロトタイプの表面からバリや汚れを取り除き、その粗さと質感を高めることができます。サンドブラストは、金属やプラスチックなどの材料の表面効果をシミュレートできるため、プロトタイプのリアリズムが向上します。

ラピッドプロトタイピングではどのようなエンジニアリング要素を考慮する必要がありますか?

1.拡張性
スケーラビリティとは、ラピッドプロトタイプを設計および製造プロセス中に比率とサイズを簡単に調整して、さまざまなサイズの設計ニーズに適応できることを意味します。プロトタイプのスケーラビリティを計画する際には、考慮すべき点がいくつかあります。

モジュラー設計:モジュラー設計のアイデアを採用し、プロトタイプを複数の独立したモジュールに分割します。このように、プロトタイプのサイズを調整する必要がある場合は、対応するモジュールを交換または追加または削除するだけで済みます。
スケーリング：プロトタイプの設計段階では、さまざまなサイズがプロトタイプの性能に与える影響を十分に考慮する必要があります。スケーリングにより、さまざまなサイズで設計効果をテストして、最適な設計ソリューションを選択できます。
インターフェースの互換性:異なるモジュール間のインターフェースに互換性があることを確認し、プロトタイプのサイズを変更するときにスムーズに接続して収まるようにします。

2.構造的完全性

構造的完全性とは、ラピッドプロトタイプが機械的または環境的ストレスにさらされたときに、その構造的および機能的完全性を維持する能力を指します。構造的完全性を確保するには、次の点を考慮する必要があります。

材料の選択:試作品の使用環境や応力条件に応じて、適切な材料を選定してください。例えば、より大きな荷重に耐えなければならない試作品では、強度と靭性が高い材料を選択する必要があります。
構造設計:プロトタイプの構造を合理的に設計して、応力集中と弱いリンクを回避します。構造を最適化することで、プロトタイプの耐荷重性と安定性を向上させることができます。
製造プロセス:適切な製造プロセスを選択して、製造プロセス中にプロトタイプが損傷しないようにします。例えば、精密加工技術を用いることで、加工ミスや表面欠陥を減らすことができます。

3.プロトタイピングの速度とコスト

ラピッドプロトタイピングプロセスでは、生産速度とコストが2つの重要な考慮事項です。開発プロセスを最適化するには、次の点を考慮する必要があります。

テクノロジーの選択:プロジェクトのニーズと予算に基づいて、適切なラピッドプロトタイピング技術を選択します。例えば、高精度で複雑な構造を必要とするプロトタイプには、光造形法(SLA)や選択的レーザー焼結法(SLS)などの技術を選択することができます。
コスト管理:プロトタイピングプロセスでは、コストを厳密に管理する必要があります。設計を最適化し、適切な材料と製造プロセスを選択することで、プロトタイプのコストを削減できます。
生産速度:試作品の品質確保を前提に、生産スピードを極力アップ。効率的な製造技術を採用し、生産プロセスを最適化することで、プロトタイプの生産サイクルを短縮できます。

4.イテレーションの柔軟性

反復的な柔軟性とは、ラピッドプロトタイプを設計プロセス中に簡単に調整および反復して、頻繁な設計変更に適応できることを意味します。イテレーションの柔軟性を確保するには、次の点を考慮してください。

設計のモジュール化:プロトタイプ設計を複数の独立したモジュールに分割して、反復プロセス中に簡単に交換または変更できるようにします。
パラメトリックデザイン:パラメトリック設計法を使用して、パラメータを調整することによりプロトタイプの形状とサイズを変更します。これにより、設計の柔軟性と再利用性が向上します。
バージョン管理:プロトタイプ作成プロセス中に、バージョン管理メカニズムを確立します。設計変更は、イテレーションごとに変更と相違点を記録することで、簡単に追跡および管理できます。

ラピッドプロトタイピングにはどのような種類がありますか?

1.契約締結

SLAは、コンピューター制御のレーザーを使用して、UV硬化型フォトポリマー樹脂のプールに部品を構築する産業用3Dプリンティングまたは積層造形プロセスです。レーザーは、液体レジンの表面にあるパーツデザインの断面をトレースし、硬化させるために使用されます。その後、固化した層を液状樹脂の表面のすぐ下に下げて、このプロセスを繰り返します。新しく硬化した各層は、その下の層に付着します。このプロセスは、パーツが完了するまで続行されます。

長所

短所

コンセプトモデル、化粧品のプロトタイプ、複雑なデザインの場合、SLAは他の添加剤プロセスと比較して、複雑な形状と優れた表面仕上げを備えた部品を製造できます。コストは競争力があり、テクノロジーはいくつかのソースから入手できます。

プロトタイプ化された部品は、エンジニアリンググレードの樹脂で作られた部品ほど強度が高くない場合があるため、SLAを使用して製造された部品は機能テストでの使用が限られています。さらに、部品は部品の外面を固めるためにUVサイクルを受けますが、SLAに組み込まれた部品は、劣化しないように、UVと湿度への曝露を最小限に抑えて使用する必要があります。

2.SLSの

SLSは、Protolabsで利用可能な5つの添加剤プロセスの1つです。SLSプロセス中、コンピュータ制御のCO₂レーザーは、ナイロンベースの粉末の温床に下から上に引き込み、粉末を軽く焼結(融合)して固体にします。各層の後、ローラーがベッドの上に新しい粉末の層を置き、プロセスが繰り返されます。SLSは、実際のエンジニアリング熱可塑性プラスチックと同様の硬質ナイロンまたはエラストマーTPU粉末を使用しているため、部品はより高い靭性を示し、正確ですが、表面が粗く、細部に欠けています。SLSは大量の造形を提供し、非常に複雑な形状の部品を製造し、耐久性のあるプロトタイプを作成できます。

長所	短所
SLSパーツは、SLAパーツよりも精度と耐久性が高い傾向があります。このプロセスは、複雑な形状の耐久性のある部品を製造でき、一部の機能テストに適しています。	部品は粒子状または砂質のテクスチャーを持ち、プロセスでは樹脂の選択肢が限られています。

3.FDMの

FDMは、熱可塑性樹脂(ABS、ポリカーボネート、またはABS/ポリカーボネートブレンド)を層状に溶融して再固化し、完成したプロトタイプを形成する押出法を使用します。実際の熱可塑性樹脂を使用しているため、バインダージェッティングよりも強度が高く、機能試験での使用は限られています。

長所	短所
FDM部品は手頃な価格で比較的強力であり、一部の機能テストに適しています。このプロセスでは、複雑な形状の部品を作成できます。	部品の表面仕上げが悪く、波紋の影響が顕著です。また、SLAやSLSよりも添加プロセスが遅く、機能テストへの適合性も限られています。

4.CNC加工

機械加工では、プラスチックまたは金属の固体ブロック(またはロッドストック)をそれぞれCNCミルまたは旋盤にクランプし、サブトラクティブプロセスを通じて完成部品に切断します。この方法は、一般に、あらゆる積層造形プロセスよりも優れた強度と表面仕上げを実現します。また、プラスチックのような材料を使用し、層状に構築されているほとんどの添加剤プロセスとは対照的に、押し出し成形または圧縮成形された熱可塑性樹脂の固体ブロックから作られているため、プラスチックの完全で均質な特性も備えています。材料の選択肢が広いため、引張強度、耐衝撃性、熱変形温度、耐薬品性、生体適合性など、目的の材料特性を備えた部品を作ることができます。良好な公差により、フィットテストや機能テストに適した部品、治具や固定具、最終用途向けの機能コンポーネントが得られます。Protolabsを含む多くのメーカーは、旋削加工とともに3軸フライス加工および5軸インデックスフライス加工を使用して、さまざまなエンジニアリンググレードのプラスチックおよび金属で部品を製造しています。

長所	短所
機械加工された部品は、エンジニアリンググレードの熱可塑性プラスチックと金属を使用しているため、表面仕上げが良好で、非常に丈夫です。3Dプリンティングと同様に、カスタムプロトタイプは、一部のサプライヤーで最短1日で納品できます。	CNC機械加工にはいくつかの幾何学的制限が関連付けられている場合があり、これを社内で行うと、3D印刷プロセスよりも費用がかかる場合があります。このプロセスでは材料を追加するのではなく取り除くため、アンダーカットのフライス加工が難しい場合があります。

5.射出成形

ラピッド射出成形は、生産射出成形と同様に、熱可塑性樹脂を金型に注入することで機能します。このプロセスを「迅速」にしているのは、金型の製造に使用される技術であり、多くの場合、生産金型で使用される従来の鋼ではなく、アルミニウムで作られています。成型部品は強度があり、仕上がりも優れています。また、プラスチック部品の業界標準の製造プロセスでもあるため、状況が許せば、同じプロセスでプロトタイピングを行うことには固有の利点があります。エンジニアリンググレードのプラスチックまたは液体シリコーンゴム(LSR)は、ほとんどすべて使用できるため、設計者はプロトタイピングプロセスの材料制限に縛られることはありません。

長所	短所
成形部品は、さまざまなエンジニアリンググレードの材料から作られており、優れた表面仕上げを備えており、製造段階での製造可能性の優れた予測因子です。	迅速な射出成形に関連する初期ツーリングコストがありますが、これはどの添加剤プロセスやCNC機械加工でも発生しません。したがって、ほとんどの場合、1ラウンドまたは2ラウンド行うのが理にかなっています。ラピッドプロトタイプ射出成形に移行する前に、適合性と機能を確認します。

6. 板金加工

ラピッドシートメタルマニュファクチャリングは、効率的で高精度な金属シート加工技術です。コンピューター制御により、金属板は設計要件に従って切断、曲げ、溶接され、必要な部品を迅速に製造します。この技術は、高度なCNC機器、レーザー切断、スタンピング、およびその他のプロセス方法を組み合わせて、複雑な形状と高精度の要件を持つ板金部品の製造を短時間で完了します。

長所	短所
迅速な板金製造技術は、高効率、高精度、柔軟性、低コスト、環境保護という特徴があります。	高い設備コスト、高い技術要件、高いスクラップ率、高いカスタマイズコストなど。

プロジェクトに適したラピッドプロトタイピング技術を選択する方法は?

1. プロジェクトの要件を明確にします。製品コンセプトの検証、製品機能のデモンストレーション、ユーザーエクスペリエンスのテスト、またはその他の目的など、プロトタイピングの目的を明確にします。ターゲットユーザーが誰であるか、彼らのニーズ、好み、ユースケースは何かを理解します。プロジェクトのニーズに基づいて、プロトタイプの詳細レベルと対話性を決定します。たとえば、単純なスケッチプロトタイプを作成するか、忠実度の高い対話型プロトタイプを作成するかなどです。
2. チームの技術力を評価します。チームメンバーのスキルと経験を考慮し、彼らが慣れ親しんでいる、またはすぐに習得できるプロトタイピング技術を選択します。チームが新しいテクノロジーやツールを学ぶ必要がある場合は、トレーニングの時間とコストを評価します。
3. 予算と時間の制約を考慮します。予算に基づいて費用対効果の高いプロトタイピングテクノロジーを選択し、プロトタイピングの速度と反復サイクルを考慮し、プロトタイピングとテストが限られた時間内に完了するようにします。
4. プロトタイピングのテクニックを理解する:プロトタイピング手法には、スケッチ、紙のプロトタイプ、ワイヤーフレーム、インタラクティブプロトタイプ、およびその他のタイプが含まれます。各テクノロジーの特性と適用範囲を理解する。テクノロジーの種類に応じて適切なツールを選択してください。たとえば、スケッチの場合は、ペンと紙または描画ソフトウェアを使用できます。インタラクティブなプロトタイプには、Axure、Mockplus、InVisionなどのプロトタイピングツールを選択できます。他のチームやユーザーからのレビューやフィードバックを参照し、市場で最も評価の高いプロトタイピングツールと手法を選択してください。
5.適切なテクノロジーを選択します。正式な選択をする前に、さまざまなテクノロジーを試して、それらの長所、短所、およびアプリケーションを理解し、比較できます。プロジェクトの進捗状況とチームのフィードバックに基づいてプロトタイピング手法を柔軟に調整できます。
6.実装と反復:選択したテクノロジーに従って詳細なプロトタイピング計画を作成し、チームメンバー間の効果的なコミュニケーションとコラボレーションを確保します。ユーザーからのフィードバックとテスト結果に基づいて、プロトタイプは継続的に反復され、最適化されます。

利	形容
開発サイクルを短縮する	デザインのアイデアを、特定の機能や部品を直接製造したプロトタイプにすばやく変換できるため、製品開発プロセスが加速します。
生産コストの削減	試作の回数を減らし、大量生産によるリスクを回避することで、生産コストを効果的に削減します。
高度な技術統合	機械工学、CAD、リバースエンジニアリング技術、階層化製造技術、CNC技術、材料科学、レーザー技術など、さまざまな技術を統合しています。
幅広い素材の選択肢	プラスチック、金属、セラミックスなど、さまざまな金属材料と非金属材料を使用して製造できます。
変更と最適化が簡単	デジタル設計と製造プロセスにより、製品設計を簡単に変更および最適化できます。
高度なカスタマイズ	多様化する市場の需要を満たすために、顧客の特定のニーズに応じてカスタマイズされた生産を行うことができます。

Longsheng