プラスチック部品のラピッドプロトタイピング手法：迅速な比較と選択

コスト、リードタイム、バッチごとの品質の一貫性を管理しながら、プラスチック部品を含む新製品を開発していますか？検証のために3DプリンティングやCNC加工から始めるべきでしょうか、それとも真空鋳造や高速射出成形に直接移行すべきでしょうか？

20年以上にわたる試作経験に基づき、試行錯誤を減らすために、7つのプラスチック試作方法を簡潔に比較します。

1. ラピッドプロトタイピング手法の概要

下記の表は、一般的なプロジェクトにおける概算比較を示しています。実際の精度、コスト、納期は、部品サイズ、構造の複雑さ、表面仕上げ、材料、サプライヤーの生産能力によって異なります。

2.汎用プラスチックを用いたラピッドプロトタイピング手法

3D印刷

3Dプリンティングは、金型を必要とせず、3Dモデルから部品を層状に積み重ねて製造します。設計が変更された場合でも、モデルを更新して再度印刷するだけで済むため、製品開発の初期段階における迅速な反復作業に特に適しています。

一般的な3Dプリント方法：

FDM方式：熱可塑性フィラメントを溶融し、層状に押し出して造形する方式です。比較的安価で、コンセプトモデル、大型部品、初期組立テストなどに適しています。

SLAまたはDLP：光を用いて液体樹脂を硬化させるプロセスです。これらのプロセスは滑らかな表面と微細なディテールを生み出すため、精巧な外観プロトタイプの製作に適しています。

SLS：レーザーを用いてナイロンまたはTPUの粉末を溶融させる方式です。追加の支持構造は不要なため、複雑な形状、スナップフィット、機能的なプロトタイプの製作に適しています。

MJF：このプロセスは主にナイロン粉末を使用します。比較的高い生産効率と安定した機械的特性を備えているため、機能試験や少量生産に適しています。

ポリジェット方式：複数の色や、硬質材料と軟質材料の組み合わせを用いて、非常に精緻なモデルを製作できるが、材料の長期的な性能は通常限られている。

一般的な材料としては、 PLA、ABS、ASA、PETG、PA11、PA12、TPU、光硬化性樹脂、ABS類似樹脂、PP類似樹脂、耐熱樹脂、および炭素繊維強化またはガラス繊維強化の印刷材料などが挙げられます。

「ABS類似樹脂」は、ABSの特性の一部を模倣しているに過ぎず、実際の射出成形グレードのABSとは異なる点に注意が必要です。

CNC加工

CNC加工は、プラスチックのシート、ブロック、またはロッドから材料を除去して、必要な部品を作成する技術です。固体エンジニアリングプラスチックを使用するため、寸法、強度、および材料性能のテストにおいて、一般的に標準的な3Dプリンティングよりも信頼性が高いと言えます。

一般的な材料： ABS、PC、POM、PMMA、PA、PEEK、PE、PP、PVC、PTFE。

CNC加工は実際の材料特性を検証するのに適していますが、CNC加工部品と射出成形部品は同じではありません。同じ材料グレードを使用した場合でも、両者の加工プロセスでは異なる内部応力と構造特性が生じます。

真空鋳造

真空鋳造は、3DプリンティングまたはCNC加工で作成されたマスターパターンから始まります。次に、マスターパターンからシリコーン型が作られ、その後、真空下で液状ポリウレタン樹脂が型に流し込まれます。この方法は主に、少数の同一のプラスチックサンプルを複製するために用いられます。

一般的な材料：

真空鋳造では主に、以下のような様々な配合のポリウレタン樹脂が使用されます。

ABS樹脂、PC樹脂、PP樹脂、透明ポリウレタン、耐熱ポリウレタン、および軟質ゴム状ポリウレタン。

これらの材料は、ABS樹脂、ポリカーボネート、またはゴムの外観や性能特性の一部を模倣することができますが、実際のABS樹脂、ポリカーボネート、または熱可塑性エラストマーではありません。

ラピッドツーリングと試作射出成形

ラピッドツーリングは、金型構造の簡素化、製造工程の削減、アルミニウムや軟鋼などの材料の使用などにより、金型製作時間を短縮します。金型が完成すると、射出成形機で実際のプラスチック部品が製造されます。

ラピッドツーリングは金型を製作する方法であり、試作射出成形は部品を製造するプロセスである。この2つは通常、併用される。

一般的な材料： ABS、PC、PC/ABS、PP、PE、PA、POM、PMMA、TPE、TPU、PBT、PPS、PEEK、およびガラス繊維強化プラスチックまたは難燃性プラスチック。

試作射出成形の主な利点は、単に多くのサンプルを生産できることだけではありません。実際の射出成形材料と実際の成形条件を用いて部品を評価できる点にあります。

3. 特定部品構造のプロトタイプ作成方法

熱成形

熱成形とは、プラスチックシートを加熱して軟化させた後、真空、圧力、または機械的な力を用いて金型に沿って成形するプロセスです。真空成形は、最も一般的な熱成形プロセスの一つです。

一般的な材料： ABS、HIPS、PET、PETG、PC、PP、PE、PVC、PMMA。

最終製品も熱成形で製造する場合、熱成形された試作品は生産部品の有用な表現手段となる。しかし、最終製品が射出成形で製造される場合、熱成形サンプルは外観と空間構造の概観しか確認できない。

4. 特定材料の成形方法

反応射出成形

反応射出成形（一般的にRIMと略される）は、2種類以上の低粘度液体成分を混合し、金型に射出することで、化学反応を起こさせて硬化させる成形方法である。

RIMは主にポリウレタン材料に使用され、従来の熱可塑性樹脂射出成形とは異なるプロセスです。

一般的な材料：硬質ポリウレタン、弾性ポリウレタン、構造用ポリウレタンフォーム、および強化ポリウレタン材料。

RIMは、機器筐体、自動車部品、医療機器筐体、および大型ポリウレタン構造部品に適しています。

圧縮成形

圧縮成形では、一定量の材料を開いた金型に流し込みます。その後、金型を閉じ、加熱・加圧することで、材料が流動して金型内の空洞を満たし、硬化または冷却されます。

熱硬化性プラスチック、シリコーン、ゴム、繊維強化複合材料などに広く用いられています。

一般的な材料としては、液状または固体シリコーン、天然ゴム、EPDM、NBR、SBR、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ成形コンパウンド、およびSMCやBMCなどの繊維強化複合材料が挙げられる。

最終製品を圧縮成形する場合、高速圧縮成形金型を用いて作製した試作品は、材料の流れ、バリの発生、硬化挙動に関する有用な指標となる。

5．選び方：クイック決定ガイド

最も安価な方法を選ぶのではなく、まずプロトタイプが何を証明する必要があるのか​​を明確にすることから始めましょう。

以下の点を考慮することで、選択肢をさらに絞り込むことができます。

デザインは今でも頻繁に変更されていますか？

デザインがまだ確定していない段階では、3Dプリンティングは通常、最適な出発点となります。修正のたびに新しい金型を作る必要がないため、試行錯誤にかかるコストを低く抑えることができます。

実際の材料が必要ですか？

CNC加工は、固体エンジニアリングプラスチックの試験が必要な場合に適しています。実際の射出成形材料と成形結果を検証することが目的の場合は、試作射出成形の方がより良い選択肢となります。

真空成形ポリウレタン樹脂や光硬化性樹脂は、外観や特定の特性をシミュレートするのに適していますが、最終製品材料を用いた試験を直接代替することはできません。

製造にはどのような製造プロセスが使用されますか？

プロトタイプ作成方法が最終的な生産プロセスに近ければ近いほど、テスト結果の妥当性は高まる。

最終部品が熱成形、RIM成形、または圧縮成形によって製造される場合、試作品も理想的には同じプロセスを用いるべきです。そうしないと、形状が似ていても、肉厚、材料特性、成形不良などが全く異なる可能性があります。

実際の製品開発では、複数のプロトタイピングプロセスが併用されることがよくあります。ある電子機器メーカーのお客様向けに、当社は製品設計から製造まで、筐体プロジェクトを完了しました。このプロジェクトでは、DFM最適化を1回、3Dプリントによるプロトタイプを2回、CNCサンプル検証を1回実施した後、ラピッドツーリングを製作し、射出成形部品50個を製造して、組み立て性、材料性能、バッチの一貫性を評価しました。量産前検証プロセス全体は4週間以内に完了し、その後、プロジェクトは無事に本格的な量産へと移行しました。