金属加工のための高速試作方法
新製品を市場に導入するには、設計、市場調査、製造の複雑なプロセスが伴います。高速試作はこのプロセスの一部であり、部品を作成して製品の動作モデルを開発し、その機能や制限をテストします。これらの試作品は最終製品と同じ材料で作ることも、テストケースの目的で代替材料を使用することもできます。
金属の試作方法には次のようなものがあります：
投資鋳造
金属素材から直接部品を製作する方法
金属素材から直接部品を機械加工する方法
高速試作の方法と用途
各試作方法にはそれぞれの利点と欠点があり、特定のプロジェクトに最適な要素があります。
3Dプリンティングは比較的新しいプロセスで、積層造形とも呼ばれます。これは、1層ずつ積み重ねて3Dコンポーネントを構築する方法で、各層は約100ミクロンの厚さです。プリンターはコンピュータ制御されており、3D設計を入力として受け取り、3D製品を出力します。
技術は進化し続けており、さまざまな材料がプリントに利用可能になっています。プラスチック、ナイロン、レジン、銀、チタン、鋼、ワックス、フォトポリマー、ポリカーボネートなどが3Dプリント材料として使用できます。
若い女性が球形の試作品を作成している3Dプリンターを見ている
3Dプリンティングは革新的な積層造形の一形態であり、製品の一層ずつを印刷して3Dコンポーネントを作り出します。
3Dプリントには主に3つのタイプがあります：
選択的レーザー焼結（SLS）は粉末状の材料を使用します。各層はレーザーで粉末を溶かして作成されます。新しい粉末を部分的に完成した部分の上にローリングし、全体の部分が完成するまでこのプロセスを繰り返します。
溶融堆積造形（FDM）は熱可塑性フィラメントを使用し、押出しのために溶かします。押出しは3D設計に従って正確に制御され、層ごとに順次印刷されます。
XTJは、試作から量産までのワンストップ製造ソリューションを提供することに専念する主要なOEMメーカーです。私たちはISO 9001認証の品質管理システム企業であることを誇りに思い、すべての顧客関係に価値を創造することを決意しています。それは、協力、革新、プロセス改善、そして卓越した技術によって実現しています。
ステレオリソグラフィもレーザーを使用しますが、この場合は液体の材料をレーザーの作用で一層ずつ固化させます。設計に合わせて制御されます。
3Dプリンティングは資源効率が非常に高いため、迅速な試作に人気があります。生産ラインの工具作成は不要で、労働力も最小限で済み、廃棄物もほとんど出ません。欠点は、複雑な部品の製作には時間がかかることです—数時間から場合によっては数日かかることもあります。部品のサイズはプリント機の印刷範囲によって制限されます。また、一部の金属の非常に高い融点のため、望む材料で部品を作ることができない場合もあります。
砂型鋳造
金属鋳造所では、パターンを使用して鋳型を作り、その鋳型を使って金属部品を鋳造します。試作品のパターンは最も簡単でコスト効率の良い方法で作られ、必要に応じてテストや調整が行われます。そのため、パターンは最も安価で迅速に製作できる砂型に使われることが多いです。最初から最後まで、緩い木製パターンを使って2〜4週間で試作品を作ることができます。
緩い木製のパターンは、回転、工具、ダイ製作、精密木工などの技術を用いてパターンメーカーによって木材から作られる。パターンは、金属が冷却される際に縮小することを考慮した許容差を含めて、試作品の設計に従って製造される。試作品の設計に逆流部分が必要な場合、これらの部分はピンで固定された緩いパターンの部品として作られる。
鋳造砂は、金属鋳造に必要な特性を持つように適切な成分のブレンドで特別に構成されている。形状を保持し、過剰な水分を放出せず、良質な仕上がりを提供する必要がある。砂は緩い木製パターンの周囲に詰められ、鋳型を形成し、その後金属試作品を作るために使用される。
金属試作品の鋳造は、金属を溶かし、組成を制御し、溶融金属を鋳型に注ぐ標準的な鋳造工程である。冷却後、鋳型は壊され、金属試作品は仕上げの準備が整う。
緩い木製パターンを用いた金属試作品の鋳造は、コストが低く、パターンの調整や必要に応じた再鋳造が比較的容易なため、人気がある。また、最終製品と同じ材料で試作品を作ることも可能であり、開発のさらなるステップを省くことができる。メーカーは、試作品の開発工程が最終生産の方法にほぼ変わらず、わずかな修正で済むことが多いと気付くことが多い。
投資鋳造投資鋳造も金属鋳造工程の一つだが、鋳型を作るためのパターンを作る方法が異なる。最初のステップは、試作品の設計に一致するワックスパターンの作成である。歴史的には、ワックスパターンは射出成形機やワックスプレスで作られてきたが、新素材や3Dプリンティングの発展により、投資鋳造用のパターンをより簡単かつ迅速に作ることが可能になった。
パターンが作られたら、それはセラミック材料に覆われ、硬化するにつれてパターンの形状を取る。その後、鋳型は加熱され、ワックスが溶けて流れ出し、失われたワックス鋳造と呼ばれる。標準的な鋳造工程に従い、溶融金属を鋳型に注ぐ。金属が冷却・固化したら、セラミック鋳型は壊され、金属試作品は仕上げの準備が整う。
この方法の迅速な試作の利点は、緩い木製パターンと類似しているが、より細かい許容差と仕上げの良さが追加される点にある。
金属試作品の製作
在庫の金属材料には、シート、ロッド、チューブ、バー、ワイヤーなどがある。これらは、鋳造や3Dプリンティングなどの一次製造ではなく、二次工程として金属試作品を製作するための原材料として使用できる。
シート金属の試作品製造には、多くの異なる工程を用いて試作品を作ることができる。例えば、物理モデルを平らにして金属シートに配置し、テンプレートとして使用し、レーザーやトーチを使って輪郭や開口部を切断し、折り曲げをマーキングする。プレスを使ってマーキングされた境界で金属を折り曲げ、特殊な溶接装置を使って部品を接合する。
試作品の自動車用フレームを溶接する作業者
溶接による迅速な試作は、サンプルに少しの調整を加えることを、時間やコストを大きくかけずに可能にする。
チューブは、設計に合った試作品部品を作るために、多様な工程を経て加工されることで試作に使用できる：
フレアリング – チューブの端を広げてじょうご形にすること
スウェージング – チューブの直径を縮小または拡大すること
ディンプル – 金属表面に小さな変形を作ること
曲げ – チューブの所定のポイントに折り曲げを入れて形状を作ること
平坦化 – プレスを使ってチューブを圧縮すること
ピアス – 材料に穴を開けること
拡張 – 熱と工具を使ってチューブの直径を広げること
在庫材料から金属プロトタイプを製作する主な利点は、時間効率が良いことです。パターンや金型は不要で、原材料は既製品として入手可能です。欠点は、一部のプロトタイプ設計が標準的な製造プロセスには複雑すぎて、この技術では製造できないことです。
XTJは、試作から量産までのワンストップ製造ソリューションを提供することに専念する主要なOEMメーカーです。私たちはISO 9001認証の品質管理システム企業であることを誇りに思い、すべての顧客関係に価値を創造することを決意しています。それは、協力、革新、プロセス改善、そして卓越した技術によって実現しています。
金属プロトタイプの機械加工
エンドミル加工ツールは、金属プロトタイプの仕上げに使用されます
ロストワックス鋳造によるプロトタイピングは成功する可能性があり、仕上げ機械加工によってさらなる改善を享受できます
機械加工とは、制御された材料除去プロセス（減法製造とも呼ばれます）によって、原材料を希望する最終形状とサイズに切断するプロセスのことです。木材、プラスチック、セラミック、複合材料などの材料だけでなく、さまざまな金属製品の製造にも使用できます。現代の生産では、機械加工はコンピュータ数値制御（CNC）によって行われます。
CNCとは、3D設計に基づいて部品を製造するために、機械加工装置をコンピュータで制御することです。機械加工装置には、旋盤、フライス盤、ルーター、ドリル、研削盤などがあります。CNC機械の原材料は、鋼板や棒などの在庫金属製品です。
3D設計はコンピュータプログラムに変換され、そのプログラムが制御システムによって機械を制御するために使用されます。選択された原材料は、製造されるプロトタイプよりも大きくする必要があります。なぜなら、機械加工によって金属を除去することでプロトタイプが製造されるからです。高度なCNC機械は、すべての3軸（x、y、z）での動作を制御し、部品を反転させたり、機械加工ツールを自動的に切り替えたりできるため、高品質の仕上がりと高い精度が得られます。
ラピッドプロトタイピング用のコンピュータ数値制御（CNC）機械
コンピュータ数値制御（CNC）機械を使用すると、高精度で金属プロトタイピングを行うことができます
他の製造技術に対するCNC機械の利点は、3D設計に基づく自動化された動作です。人的介入は制限されており、製造されたプロトタイプは設計と高精度で一致します。手動操作よりも複雑なプロトタイプをCNC機械を使用して製造できます。部品の機械加工の欠点は、部品が原材料から金属を除去することによって作られるため、廃棄物が発生することです。廃棄物はリサイクルできますが、コストと損失が発生します。
ラピッドプロトタイピングに関する事例研究
自動車産業
調査によると、3Dプリンティングの発展は、エンジニアがアイデアをテストし、製品を迅速に市場に投入する能力に劇的な影響を与えています。自動車関連の記事では、特定の自動車部品の空力特性をテストすることが、車の性能への影響を測定するために重要であることが強調されています。テスト結果が得られると、設計にわずかな調整を加え、新しいプロトタイプを非常に迅速に再印刷できます。空力テストの場合、強度ではなく形状がテストされるため、部品が最終材料で作られている必要はありません。3Dプリンティングは、自動車エンジニアが開発を加速し、効率を向上させるのに役立っています。
さまざまなアプリケーションは、さまざまな製造方法に適しています。ある例では、設計者が内部空間にマイクロSDカード用のスペースを備えた2部品のリングアセンブリを製造する際に、これを発見しました。最初のプロトタイプは、ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）によって作成されましたが、表面仕上げの品質が低く、組み立てが不十分だったため、静電放電加工を備えたCNC機械の使用を検討することになりました。プロトタイプの性能が向上したことで、この特定のアプリケーションにおけるCNCの利点が強調されました。
ハイテク産業
開発コストの削減は、多くのハイテク企業が新しい製品を市場に投入する上で、経済的に不可欠なことです。Icon AircraftがA5レクリエーション航空機のプロジェクトを開始したとき、プロトタイピングと大量生産のためにコンポーネントを構築するための最も費用対効果が高く効率的な方法を見つけるために、多大な時間とエネルギーを費やしました。ある事例研究によると、Icon Aircraftは、特殊なツーリングの必要性を減らすことで、生産スケジュールを2〜3週間、およびエアダクト部品あたり2人日短縮しました。
航空機産業
American Foundry Societyの2017年の鋳造賞は、航空機用旅客座席フレームの新しい鋳造を開発した企業に授与されました。歴史的に、この構造部品は単一のビレットから作られていましたが、詳細な設計とエンジニアリングのプロセスにより、アルミニウムよりも軽量ですが3Dプリントできない材料であるマグネシウムで作られた格子構造が実現しました。鋳造プロトタイプは、必要な強度を備えながら、既存の機械加工部品よりもはるかに軽量な製品を生み出しました。軽量シートによる燃料費の削減と、それに関連する排出量削減に基づいて、単一の旅客機で年間10万ドルの節約が計算されました。
ラピッドプロトタイピングと今後の展望
イノベーターやエンジニアが利用できるラピッドプロトタイプ製造の方法はますます増えています。各方法には、独自の利点と欠点があります。鋳造プロセスは、特に高融点金属の場合、プロトタイプを完成品と同じ材料で作る必要があるアプリケーションに適しています。3Dプリンティングは、特定の印刷可能な材料で作られた小型コンポーネントに適しています。この技術は継続的に開発および改善されています。機械加工は、複雑さがそれほど深刻ではなく、フライス加工や研削などの標準的なプロセスをまだ使用できる場合に、在庫製品から金属を切断するために使用できます。
XTJは、試作から量産までのワンストップ製造ソリューションを提供することに専念する主要なOEMメーカーです。私たちはISO 9001認証の品質管理システム企業であることを誇りに思い、すべての顧客関係に価値を創造することを決意しています。それは、協力、革新、プロセス改善、そして卓越した技術によって実現しています。
