ラピッドプロトタイピング材料：種類、利点、および選択ガイド

ラピッドプロトタイピング材料

プロトタイプの性能の基盤となるのは、適切な素材選びである。 ラピッドプロトタイピング デジタル設計を迅速に物理的な部品に変換する技術だが、不適切なラピッドプロトタイピング材料を使用すると、検証プロセスが無駄になり、高額な手戻りが発生する可能性がある。 

使用可能な材料には、金属、プラスチック、樹脂、セラミックス、複合材料、生体材料、ワックス、紙・粉末などがあります。エンジニアはこれらの材料を用いて、本格的な量産に先立ち、視覚的および機能的なモデルを開発します。 納期を短縮し、顧客に価値を提供しようとするメーカーにとって、目的の部品と異なる、あるいはわずかな負荷でも故障するような試作品は許容できない。 

硬質複合材料から加工しやすいプラスチックまで、それぞれのラピッドプロトタイピング材料は、製品開発プロセスの特定の段階において重要な役割を果たします。適切な材料を選ぶことは、設計の反復を促進し、コスト管理に役立つだけでなく、関係者の関心を高めることにもつながります。 

このガイドで提供される材料オプションの詳細な説明を通して、各カテゴリの選択肢、利点、および制限について理解を深めることができます。これにより、次のプロジェクトでプロトタイプを作成する際に最適な材料を選択できるようになります。 

ラピッドプロトタイピングとは何ですか？

ラピッドプロトタイピングとは、デジタル設計を迅速に物理的な部品に変換する製造技術です。この技術を用いることで、従来の金型製作に伴うリードタイムとコストを削減できます。 

ラピッドプロトタイピングは、その核心において5つの段階から構成される。

ラピッドプロトタイピング段階

一般的なラピッドプロトタイピング手法としては、板金加工、CNC加工、3Dプリンティング、低コストの金型を用いた射出成形などが挙げられる。 製造業者は、ラピッドプロトタイピングによって得られた視覚モデルや機能モデルを用いて、形状、適合性、機能性をテストします。これは、本格的な量産開始前の重要なステップです。 

ラピッドプロトタイピングの利点

ラピッドプロトタイピングは、コンセプトと実際の製品との間のギャップを埋めます。その結果得られるビジネス上の利点には、市場投入までのスピード、コスト効率、品質、テストと検証、カスタマイズ、持続可能性、そしてより良いコミュニケーションが含まれます。

金属プロトタイプ

ラピッドプロトタイピングで最も一般的に使用される金属は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンの3種類である。 金属プロトタイピング 耐熱性、耐久性、強度などの利点を提供する。 

迅速プロトタイピング用のこれらの金属が、それぞれのプロジェクトにどのように適合するかを以下に示します。 

アルミニウム製金属プロトタイプ 

アルミニウムがラピッドプロトタイピング材料として最適な選択肢となる理由としては、優れた加工性、比較的低コスト、耐食性、そして最大1.8という高い強度対重量比が挙げられる。3]

アルミニウム製プロトタイプ

エンジニアは、寸法公差と機械的性能の一貫性を確保するため、ASTM B221規格に準拠して製造された押出アルミニウム材を頻繁に利用する。2]

ステンレス鋼製金属プロトタイプ

ステンレス鋼製の金属試作品は、部品が腐食、繰り返しの機械的ストレス、および一般的に過酷な環境に耐える必要がある場合に使用されます。 ステンレス鋼は強度が高いため、工具の摩耗が激しくなり、加工時間も長くなることが予想されます。 

チタン金属プロトタイプ 

これらの金属試作品は、生体適合性、耐腐食性、強度対重量比において、他の金属にはない優れた性能を発揮します。これらの金属試作品は、航空宇宙産業や医療産業などで広く利用されています。

チタン製医療用プロトタイプ

チタンは加工に時間がかかり、高価であるため、主に検証目的のプロトタイプに使用されるのは当然と言える。初期段階のプロトタイプは、より安価で加工しやすい、より安価な材料で製作する方が適している。 

プラスチックプロトタイピング

最もよく使われる5つのオプション プラスチック製品のプロトタイプ製作 ポリカーボネート（PC）、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリプロピレン（PP）、ポリスチレン（PS）などである。4]

プラスチックがラピッドプロトタイピングで最も一般的な材料である理由は2つあります。1つは複数のグレードが入手可能であること、もう1つは加工が容易であることです。 

ポリカーボネート（PC）プラスチックの試作

PCの最も顕著な特性の一つは、優れた耐衝撃性です。さらに、この素​​材は本来透明であり、広い動作温度範囲（-30℃～120℃）で卓越した性能を発揮します。5]

ポリメタクリル酸メチル（PMMA）プラスチックの試作

これはガラスのようなアクリル素材で、プラスチックの試作においてガラスの代替品としてよく用いられます。優れた透明度を持ち、ポリカーボネート（PC）よりも脆い場合もありますが、耐候性と耐紫外線性に優れているため、屋外でのラピッドプロトタイピングに適しています。 

アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチックの試作

ABS樹脂製プロトタイプ

ABS樹脂は、その優れた加工性、強度、そしてコスト効率の良さから、機能プロトタイプの製作においてメーカーに好まれています。PC樹脂と同様に、ABS樹脂も優れた耐衝撃性を備えています。 この低コスト素材は、機械加工や3Dプリントも容易です。さらに、表面仕上げも均一です。 

ポリプロピレン（PP）プラスチックの試作

ポリプロピレンは高い疲労耐性を持ち、スナップフィット構造やヒンジの製造に不可欠です。また、優れた耐薬品性も、過酷な環境で使用される部品の迅速な試作において重要です。 このプラスチックに関して懸念される点は、PCやABSに比べて寸法安定性が低いことである。 

ポリスチレン（PS）プラスチックの試作

PSはコスト効率が高く加工も容易なため、初期コンセプトのプロトタイプ製作に最適な素材です。しかし、脆い性質のため、機械的検証用途には適していません。そのため、エンジニアは形状や適合性を確認するプロジェクトでの使用を好みます。 

一般的な試作用プラスチックの典型的な特性

以下の表は、一般的な試作用プラスチックの典型的な特性を示しています。 

[4]

ラピッドプロトタイピング用樹脂

樹脂は、金属やプラスチックでは実現できない高い精度と優れた表面仕上げを実現します。DLP方式でもSLA方式でも、メーカーがラピッドプロトタイピングに樹脂を選択する具体的な理由は以下のとおりです。

• 詳細なビジュアルモデルの必要性
• 高い寸法精度と優れた表面仕上げ
• 特殊配合に関する要件 – 標準、フレキシブル、キャスタブル、その他

しかし、ラピッドプロトタイピングに使用される樹脂は、紫外線に対する感受性や脆さのため、機能的なプロトタイプには適していません。

ラピッドプロトタイピング用セラミックス

セラミックスは、断熱性と極度の耐熱性という要件を満たす必要がある設計において、優れた試作品となる。その耐熱温度は、ほとんどのプラスチックや金属が耐えられる温度よりも高い。 

機械的強度を求めるのであれば、セラミック製の試作品は最良の選択肢とは言えません。 

セラミックプロトタイプ

ラピッドプロトタイピング用複合材料

複合材料は強度と剛性に優れていますが、固体金属ほど重くはありません。 炭素繊維の試作 その他のラピッドプロトタイピング用途としては、チョップドカーボン／ポリウレタン混合物、炭素繊維強化ナイロン、ガラスビーズ／ガラス繊維充填ポリマーなどが挙げられる。

• 細断カーボン／ポリウレタン混合物
• 炭素繊維強化ナイロン
• ガラスビーズ／ガラス繊維充填ポリマー

炭素繊維の試作 高強度かつ軽量な試作品に特に適しています。 

ラピッドプロトタイピング用バイオマテリアル

バイオマテリアルは、ラピッドプロトタイピングにおいてますます注目を集めている。これらのラピッドプロトタイピング材料の主な利点は、環境負荷の低減である。 

ラピッドプロトタイピングにおける生体材料の特徴：

• コンセプトモデルに最適
• 石油由来プラスチックよりも環境負荷が低い
• 機械的強度と耐熱性が低い 

バイオマテリアルの例としては、バイオベースのPA（ポリアミド）やPLA（ポリ乳酸）が挙げられる。 

ラピッドプロトタイピング用ワックス

ワックスは、精密鋳造用パターンを製作する上で欠かせない材料です。ワックスがラピッドプロトタイピング材料として高く評価されている主な理由は、きれいに焼き切れることと、優れた表面仕上げが得られることです。 しかし、ワックスは脆いため、機能的な試作品の材料としては不向きです。とはいえ、鋳造金属部品を迅速に製造するのに役立つことは誰もが認めるところでしょう。 

ラピッドプロトタイピング用の紙と粉末

この材料のラピッドプロトタイピングにおける役割は限定的ではあるものの、確かに存在します。これは、初期プロトタイピング用の視覚モデルを迅速かつ費用対効果の高い方法で作成する手段です。しかし、このようなモデルの機械的強度には限界があるため、機能的なプロトタイプには適していません。

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ラピッドプロトタイピング材料の長所と短所 

以下の表は、金属の場合は高強度と高コスト、生体材料の場合は環境負荷の低減と低強度など、さまざまな材料におけるラピッドプロトタイピングの長所と短所をまとめたものです。 

ラピッドプロトタイピング材料を選択する際の考慮事項 

試作品製作段階で材料を選定する際には、速度、機能性、コスト、表面仕上げ、環境への曝露、機械的ストレスといった要素を考慮することが重要です。  

• 速度 材料の調達、加工、印刷、射出成形にかかる速度は、チームが実行できる設計反復回数を決定する要因の一つです。  
• Functionality 試作品の外観が重要であるのと同様に、材料は量産完了後の部品の実際の性能を模倣するものでなければならない。 
• 費用 材料費と加工費は、試作品の目的に見合ったものでなければなりません。試作品段階で量産グレードの材料を使用する必要は通常ありません。 
• 表面仕上げ プロトタイプによっては、製品版のような外観が求められる場合もあれば、そうでない場合もあります。レビュー担当者や関係者がプロトタイプに製品版のような外観を求める場合は、表面仕上げが一致する素材を使用するよう強く求めるのが賢明です。 
• 環境暴露 化学物質、湿度、塩分濃度などの要因は、実際の環境条件を特徴づけるものです。試作品の材料は、該当する場合、これらの条件に耐えられるものでなければなりません。 

環境条件は重要

• 機械的ストレス プロトタイプを実際に使用するということは、機械的な力にさらされることを意味します。機能的なプロトタイプに使用する材料は、こうした要件を満たすものでなければなりません。 

目的に基づいたラピッドプロトタイピング材料の選択：表による分析

以下の表は、用途に応じて推奨されるラピッドプロトタイピング材料を示しています。 

*部品に機械的検証と熱的検証の両方が必要な場合は、単一用途材料ではなく、PCまたはチタンを選択してください。 

さまざまな材料のプロトタイプ作成プロセス

プロトタイプの製作速度とコストを左右する主な工程は、CNC加工、射出成形、3Dプリンティング、板金加工です。では、これらの方法はラピッドプロトタイピング材料とどのように適合するのでしょうか？  

CNC加工

CNC加工は、幅広い材料との互換性が高いため、ラピッドプロトタイピング材料の加工において信頼性の高い方法です。また、比較的高速であるため、スピードが求められるプロトタイピングの要件に最適です。 

CNC加工によるプロトタイプ製作の手順は以下のとおりです。

• ステップ 1デザイン構想
• ステップ 23Dファイル作成
• ステップ 3特定のCNC加工プロセス（旋削、フライス加工、穴あけなど）の識別。
• ステップ 4CNCプログラミング
• ステップ 5: プロトタイピング 
• ステップ 6: テスト 

CNCプロトタイプ加工

射出成形 

射出成形は、量産準備段階にあるプラスチック部品の検証方法の一つです。主に成形性能や生産用材料の試験に用いられます。 試作用金型は通常、量産用金型ほど高価ではありません。アルミニウムで製造することも可能です。 

3D印刷

3Dプリンティングは、そのスピードと、専用工具なしで複雑な形状を処理できる能力において魅力的です。また、幅広い種類のプラスチック、複合材料、樹脂に適しています。 3Dプリントされた部品の中には、量産レベルの機械的性能を満たすものもあるが、メーカーは通常、迅速なプロトタイプ作成を目的として3Dプリントを選択する。 

板金製作

板金加工

試作品製作における板金加工は、筐体、パネル、ブラケットなどの部品製作に役立ちます。最終製品の製造と同様に、切断や曲げ加工などの工程が用いられます。 

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ラピッドプロトタイピング材料の将来動向 

材料科学の進歩により、プロトタイプと最終部品の間のギャップは縮小しています。柔軟性樹脂、生分解性プラスチック、最新の複合材料、 軽量設計と耐久性のあるプロトタイプは、次世代のラピッドプロトタイピング材料の代表例である。 

• 柔軟な樹脂 DLP方式とSLA方式の3Dプリンティングは脆さが特徴だが、現代の樹脂はより柔軟性がある。 
• 生分解性プラスチック 持続可能性への圧力が高まるにつれ、より強度が高く耐熱性に優れた生分解性プラスチックが製造現場で利用可能になりつつある。 
• モダンコンポジット ― 最新の充填ポリマーや繊維強化ポリマー配合技術のおかげで、試作品と量産品との性能差は縮小している。 
• 軽量設計と耐久性のある試作品 ―一般的に、ラピッドプロトタイピング用の材料は機能テストにより適したものになりつつあり、強度対重量比の高い、より堅牢な設計が一般的になりつつある。

結論 

使用する材料によって、プロトタイプの外観と性能が決まります。反復作業のスピードや最終製品との類似性は、この選択に大きく左右されます。 アルミニウム、ステンレス鋼、その他の金属は、機能的なプロトタイプに必要な機械的強度を提供します。PSやABSなどのプラスチックは、加工性とコスト効率という独自の組み合わせを実現します。エンジニアは、高精度なプロジェクトには樹脂を、特殊なプロジェクトには複合材料を使用します。 

要点は、選択肢はたくさんあるので、試作品の機能に合わせて材料を選ぶべきだということだ。 アイデアから部品への移行を計画する際に、 ラピッドプロトタイピングサービス 素材選びなど、必要なアドバイスを提供します。デザインファイルをアップロードしていただければ、24時間以内に無料でお見積もりいたします。 

資料 

【1]https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

【2]https://store.astm.org/b0221m-13.html

【3]https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

【4]https://kunststoff-profi.de/en/materials/

【5]https://www.directplastics.co.uk/data-sheets