素晴らしい製品アイデアがあっても、それを実際のプラスチック試作品にする方法に行き詰まりを感じていませんか？適切なプロセスを踏まなければ、時間もお金も無駄になってしまいます。幸いなことに、主な手順と選択肢を知れば、プロセスはずっと管理しやすくなります。あなたのアイデアをスケッチから物理的な形に素早く、手頃な価格で仕上げるための実証済みのテクニックがいくつか存在します。
プラスチックのプロトタイプを作るには、3Dプリント、CNC機械加工、射出成形、真空鋳造など、いくつかの方法を使うことができます。パーツの形状、数量、タイムラインに基づいてプロセスを選択します。CADモデルから始め、最終用途のニーズに合った材料を選択し、サプライヤーや社内のツールと協力して部品を製造し、改良します。
プロトタイピングは専門的に聞こえますが、思ったより簡単です。実際のテストやフィードバックのために、プラスチック部品がどのように作られるのか、順を追って見ていきましょう。
プラスチック・プロトタイプとは何か？
プラスチック・プロトタイプは、プラスチック材料で作られたサンプル部品である。最終製品の形状、サイズ、機能を表しています。高価な金型を作ったり、大量生産を開始する前に、アイデアをテストするために使用します。プロトタイプは、どの段階にあるかによって、粗いものから洗練されたものまであります。基本的な形状をチェックするためのものもあります。また、見た目も機能もほぼ最終製品に近いものもあります。
さまざまな方法で作ることができる。最も一般的なものは、3Dプリント、CNC機械加工、射出成形、真空鋳造です。それぞれ、部品の形状や目的、数量によって使い分けられます。
製品開発においてプラスチック試作品が重要なのはなぜか？
プロトタイプは、大量生産の前にデザインの欠陥を特定することを可能にします。これは時間と費用の節約になります。部品を手に取ったり、他の部品との組み合わせを確認したり、見た目を確認したりすることができます。
コミュニケーションにも役立つ。テーブルの上にサンプルがあれば、アイデアを説明しやすくなります。エンジニア、デザイナー、クライアントも、製品を見て触れ合うことで、より効果的なフィードバックができる。
プロトタイプのテストはリスクも軽減する。素材、強度、機能をテストすることができる。何かうまくいかないことがあれば、金型や大量注文に費用をかける前に、早めに調整することができる。
計画・設計段階
明確な計画から始めよう。プロトタイプに何を見せたいかを知ること。そうすることで、手戻りを防ぎ、プロセスを軌道に乗せることができます。
プロトタイプの目的の定義
なぜプロトタイプが必要なのか、自問してみてください。ビジュアル・レビューのためか、フィット・テストのためか、機能的な使用のためか。目的を知ることは、デザイン上の決断を導くのに役立ちます。展示用モデルは見た目を重視するかもしれません。フィットテストには正確なサイズが必要です。実用的なサンプルは、ストレスや動きに対応できなければなりません。
CADデザインと3Dモデルの作成
CADソフトウェアを使って、あなたのアイデアをデジタルモデルにしましょう。このファイルがプロトタイピング・プロセス全体の原動力となります。サイズ、形状、すべての特徴を示す必要があります。穴、カーブ、主要な面も含めてください。きれいに作られたモデルはミスを減らし、生産をスピードアップします。
適切なプロトタイピング・アプローチの選択
お客様のニーズに最も適した方法をお選びください。迅速で低コストのサンプルには、3Dプリンティングの使用を検討してください。高精度の部品にはCNC機械加工を。細かいディテールの小ロットの場合は、真空鋳造の方がよいかもしれません。目的、素材、予算に応じたプロセスを選択しましょう。
プラスチック試作品の作り方
プラスチック・プロトタイプの作成には様々な方法があります。それぞれの方法は、特定のニーズに最適です。以下は、最も一般的な4つの方法とその特徴です。
プラスチックプロトタイプのための3Dプリンティング
3Dプリント はレイヤーごとにパーツを構築します。高速でコスト効率が高く、初期段階のサンプルに最適です。金型は必要ありません。CADファイルをわずか数時間でパーツに変換できます。
FDM（溶融堆積モデリング）
ファジィ は最も一般的な3Dプリント方法である。プラスチックフィラメントを溶かし、層ごとに堆積させる。単純なパーツや大まかなモックアップに適しています。FDMは安価で短時間でできますが、表面に追加の加工が必要になる場合があります。
SLA（ステレオリソグラフィー）
SLAはレーザーを使って液体樹脂を硬化させ、固体の形状にする。滑らかな表面と細かいディテールが得られる。この方法は、視覚的なモデルには最適です。しかし、SLA部品はもろく、耐荷重試験には適していません。
SLS（選択的レーザー焼結法）
SLSはレーザーでプラスチック粉末を溶融する。支持構造のない強固で複雑な部品を作ることができる。フィットテストや機能的な使用に適している。表面は粒状に仕上がるが、これは後で改善できる。
プラスチックプロトタイプのCNC加工
CNC加工 ソリッドプラスチックブロックから材料を除去します。精度が高く、公差が小さく、表面仕上げが良い。部品の強度が必要な場合や、寸法を厳密に管理する必要がある場合に最適です。
CNC加工に適したプラスチック
一般的なプラスチックには、ABS、ナイロン、POM（デルリンとも呼ばれる）、アクリル、ポリカーボネートなどがある。それぞれ性質が異なります。ABSは頑丈で加工しやすい素材です。ナイロンは摩耗に適しています。アクリルは透明です。ポリカーボネートは衝撃に強い。
公差と表面仕上げ能力
CNCマシニングは、±0.05 mm以内の厳しい公差を提供します。特に微細切削工具では、きれいなエッジと滑らかな表面が得られます。部品が正確にフィットしなければならない場合や、最終的な使用品質と一致させる必要がある場合に効果的です。
プラスチックプロトタイプ用真空鋳造
真空鋳造 は、プラスチック部品の小ロットを生産するためにシリコーン金型を使用しています。最終製品に近い複数のサンプルが必要な場合に有効です。
マスターパターンからシリコーン型を作る
まず、マスターパターンが必要だ。これは通常、3DプリンターかCNCマシニングで作られる。そして、その周りにシリコンを流し込んで型を作る。硬化後、マスターを取り除きます。これで、液体ポリウレタンや同様の材料を使用してプラスチック部品を鋳造するための金型の準備が整いました。
これらの金型は、磨耗する前に約15～25個の部品を作ることができる。工程はシンプルで速く、透明、着色、ゴム状の部品に対応する。
真空鋳造をいつ、なぜ使うのか？
生産部品を模倣した試作品の少量生産が必要な場合は、真空鋳造をご利用ください。デザイン検証、ディスプレイモデル、初期のマーケティングサンプルに最適です。部品は良好な表面仕上げと正確なディテールを備えています。また、複雑な金型に移行する前に、フィット感や機能をテストすることもできます。
プロトタイプ用射出成形
射出成形 は多くの場合、本格的な生産に使用される。しかし、ソフト・ツーリングを使えば、プロトタイピングも可能だ。セットアップには時間とコストがかかるが、生産レベルの結果が得られる。
ソフト・ツーリングとハード・ツーリング
ソフト・ツーリングは、アルミニウムや低級鋼の金型を使用する。複雑な金型よりも早く、安く作ることができる。これらの金型はそれほど長持ちしませんが、試作や少量生産には十分です。複雑金型は焼き入れ鋼を使用し、大量生産用に作られる。高コストと長いリードタイムのため、初期段階の試作には実用的ではありません。
射出成形をプロトタイピングに使用する理想的なシナリオ
最終用途の製品にマッチした高品質の部品が何十個も何百個も必要な場合は、射出成形をお選びください。射出成形は、機能試験、組立試験、顧客からのフィードバック試験などに最適です。また、量産前に金型設計を検証したい場合にも役立ちます。
プラスチック試作品の材料選択
適切なプラスチック素材を選ぶことは、試作品の外観、感触、性能に影響します。強度、柔軟性、表面仕上げ、予算などを考慮して選びましょう。
一般的なプラスチック材料とその特性
- アブソリュート:丈夫で加工しやすく、低コスト。機械部品に適している。
- PLA:FDM 3Dプリンティングでは一般的。プリントしやすいが脆い。
- ナイロン:強靭、柔軟、耐摩耗性。歯車やヒンジに使用される。
- ポリカーボネート（PC）:非常に強く、衝撃に強い。透明な部品や丈夫な部品に適しています。
- アクリル（PMMA）:透明で硬く、光沢のある仕上げ。ディスプレイ用に最適。
- POM（デルリン）:滑らかで強度があり、耐摩耗性に優れている。可動接点部品に使用。
- TPU:柔軟でゴム状。シールやグリップなどの柔らかい部品に適している。
それぞれの素材は、熱や圧力、摩耗の下で異なる挙動を示す。あるものは見せ物に適している。また、強度や動きを試すために作られたものもある。
耐久性、柔軟性、コストでどう選ぶ？
プロトタイプが何をする必要があるのかを考えることから始めよう。曲げなければならない場合は、TPUかナイロンを選ぶ。形状を維持する必要がある場合は、ABSかポリカーボネートを選ぶ。透明な部品には、アクリルかPCを選ぶ。
初期のテストには、PLAやABSのような素材が適しています。機能テストや販売用サンプルの場合は、より強度が高く、見た目も美しいプラスチックが適しています。
プラスチックプロトタイプのテストと検証
プロトタイプが完成したら、次はその性能をテストします。このステップは、生産前にデザインを確認したり、必要な変更を加えたりするのに役立ちます。
パフォーマンスのための機能テスト
プロトタイプが実際にどのように機能するかをテストする。強度、動き、他の部品との適合性をチェックする。折れたり、ぐらついたり、壊れたりしたら、メモを取る。動作を繰り返して、持ちこたえを確認する。すべての主要機能が期待通りに機能することを確認する。こうすることで、後で大きな問題が発生するのを防ぐことができます。
美観と人間工学の評価
表面、色、形を見る。部品を持ってみる。感触を確かめる。使い心地がいいか、持ちやすいか。デザインコンセプトに合っているかどうかを確認する。消費者向け製品の場合、このステップは非常に重要です。使いにくいと感じる部品は、形状やサイズの変更が必要かもしれません。
イテレーションのためのフィードバック収集
プロトタイプを他の人に見てもらい、使ってもらう。エンジニア、デザイナー、ユーザーから意見を聞く。明確な質問をする。何がうまくいくか？何がダメなのか？意見を集め、デザインを調整する。小さな変更でも大きな違いを生むことがある。
プラスチックプロトタイピングの主な検討事項
プロトタイプを作る前に、いくつかの重要なポイントについて考えてみましょう。これらはあなたの選択の指針となり、遅延や無駄を避けるのに役立ちます。
素材の選択
材質は強度、外観、コストに影響する。部品の用途に合わせましょう。柔軟か硬質か？透明か不透明か？軽量か耐荷重か？最適なものを選びましょう。
デザインの複雑さ
複雑な形状には特殊な方法が必要な場合があります。単純なデザインは、FDMやCNCにはデリケートです。カーブやアンダーカットのある複雑な部品は、SLA、SLS、真空鋳造が適しています。より複雑なデザインは、価格とリードタイムが増加する可能性があることにご注意ください。
公差要件
厳密なサイズ管理が必要な部品もある。そうでないものもある。もしその部品が他の部品と適合するのであれば、厳しい公差が重要になります。CNC機械加工は最高のコントロールを提供します。3Dプリンターや鋳造には限界があります。部品に要求される精度のレベルに応じて選択してください。
時間と予算
納期が短いと選択肢が限られるかもしれません。FDMとSLAは、初期モデルには早くて安い。CNCと鋳造は時間がかかりますが、より良い品質が得られます。必要なものと、かけられる費用のバランスをとりましょう。
最終用途
プロトタイプが何に使われるのか聞いてみよう。クライアントに見せるのか？機能テスト？動作デモに使うのか？その答えは、方法、素材、仕上げを選ぶのに役立ちます。ある部品は見た目がよくなければなりません。また、本物と同じように機能しなければならない部品もあります。
結論
プラスチックの試作品を作るのは複雑なことではありません。まず目的を明確にし、明確なCADモデルを作成します。部品の用途、詳細、数量に基づいて、3D印刷、CNC機械加工、真空鋳造、射出成形の中から適切な方法を選びます。強度、外観、予算などの要件を満たす材料を選択する。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
