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テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド

ホワイトペーパー

あなたのニーズにあった試作手法が必ず見つかる!

プラスチック部品・製品の設計者必見!
試作の技術ガイドとしてご活用ください。

このカタログについて

ドキュメント名 テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
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取り扱い企業 金森産業株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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テーマ別! 試作手法の選び方徹底ガイド あなたのニーズにあった試作手法が必ず見つかる!
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❶ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド あなたのニーズにあった試作手法が必ず見つかる! 目次 ⒈ とりあえず形状を確認したい ⒉ ヒンジ特性のある試作品を作りたい ⒊ 試作にも高い寸法精度を求めたい ⒋ 出来るだけ量産品に近い試作品が欲しい ⒌ スケッチを型にしたい ❷ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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⒈ とりあえず形状を確認したい 「とりあえず形状を確認したい」という場合におススメなのが、3Dプリンタによ る出力です。3Dプリンタは、材料を積層しながら形状を作っていく。LEGOブ ロックで建物や乗り物を作るように、1層目、2層目と下から順番に1層ずつ2次元 で形をつくり積み重ねていきます。3Dプリンタを用いた出力では「積層ピッチ」 という表現を使いますが、これはそれぞれの層の高さ、LEGOブロックでいうとこ ろのブロックの高さを意味します。 3Dプリンタの種類 3Dプリンタと一言で言っても、利用する材料や成形方法によってFDM方式、紫外 線硬化インクジェット方式、石膏インクジェット方式、粉末焼結方式などいくつ かの種類があります。 FDM方式(Fused Deposition Modeling/熱溶解積層方式)は、フィラメントと 呼ばれるひも上に加工された材料を熱で溶かし、成形したい形状に合わせて一筆 書きのように押し出して1層ずつ成形していきます。材料としてよく用いられるの はABS、PC、PC/ABSで、着色された材料を用いてカラフルな試作品を作ること も可能です。ネット等で見られる安価な3Dプリンタは、このFDM方式が多いよう です。ABSなどの材料を使うので、それなりに強度もあります。難点としては、 積層ピッチが大きく、どうしても断面にギザギザが生じてしまいます。 紫外線硬化インクジェット方式は、インクジェットプリンタのようにプリンタ ヘッドから紫外線で硬化するアクリル樹脂を射出し、紫外線で固めて積層する方 式。積層ピッチが小さく、高精細な試作品を造形できます。難点としては、アク リル系の材料なので成形品の耐久性が弱いことです。 石膏インクジェット方式は、インクジェットプリンタのようにプリンタヘッドか ら石膏と結合剤を射出し、積層していく方式。色のついた結合剤を複数用いるこ とで、フルカラーの造形も可能で、造形速度も比較的早いです。 粉末焼結積層方式は、粉末状の金属や樹脂にレーザーを照射して焼結させ、積層 していく方式。ナイロン樹脂や金属など耐熱性や強度のある材料を利用できます。 難点はコスト。3Dプリンタ自体の価格は数千万円と高く、利用にも熟練を要しま す。 ❸ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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3Dプリンタの問題点 上記のように3Dプリンタの種類はいくつかあり、仕様する材料も様々ですが、共 通する課題が2つあります。一つはコスト、もう一つは再現性です。 3Dプリンタは、1個だけ作るのであれば安価ですが、1個ずつ造形するという特性 上、複数個作っても規模の効果を出すのは限定的です。複数の造形品を同時に造 形してコストダウンを図る方法もありますが、同じ形状のものを複数作るから安 くなるというわけではありません。 もう一つの再現性は、実際の量産品と素材や製造方法が違うという問題です。確 かにABSやPC、ナイロンなどの材料の選択肢は複数ありますが、ABSの3Dプリン タで造形したからABSの量産品と同じ機械的特性をもつわけではありません。ま た、プラスチック製品の量産は射出成形で作られることが多く、3Dプリンタによ る出力では当然作り方も違います。あくまで「形状確認」程度にとどめた方が無 難です。 PlaQuickでは、ニーズに合わせて複数の造形方法から 最適な方法を選択し、ご提案します。 お問合せはお気軽にwww.plaquick.comまで! ❹ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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⒉ ヒンジ特性のある試作品を作りたい ヒンジってなに? 「ヒンジ」とはいわゆる蝶番のことです。英語表記ではhingeとなるためヒンジと カタカナで表記されることを知る人は意外と少ないのではないでしょうか。本来 のヒンジ(蝶番)は、複数点数の部品からなる機構ですが、プラスチックを使え ば一体成形でヒンジの機能をもたせることができます。 例えば化粧品やシャンプーの蓋です。蓋ごと外すものもありますが、キャップ部 分が完全に取れずすぐに蓋をすることができるタイプの蓋を「ヒンジ」と呼びま す。また、このような蓋のことをリビングヒンジとも言います。「ヒンジ特性」 というのはこのようにヒンジのように何度も開閉する個所に用いることの出来る、 折り曲げに耐える特性を言います。 ヒンジ特性のある材料 ヒンジ特性のある材料として一般的にも周知されているのはポリプロピレン(PP) です。ポリプロピレンは材料の中でも粘り気があり屈曲させても破壊されない性 質があるのでヒンジの仕事をする材料として適しています。 さらにポリエチレン(PE)もヒンジ特性のある材料として知られています。 ヒンジの製品設計のポイント 活用する以前に設計をしなければモノづくりは始まりません。設計する際の注意 点についてまとめていきます。 ①使用する材料の選定 ヒンジ製品のモノづくりで使用出来る材料は前述のように主にポリエチレンとポ リプロピレンです。この2つの材料のどちらを選択するのか、また過度の強い力で 使用する場合この2種の材料で良いのかという根本から考え直す必要もあります。 ②設計 設計はモノづくりの基本です。完成した設計図を元にして試作型や3次元データを 制作することになります。設計をしっかりとすることで試作品を作った際にも誤 差が少量で抑えることができるのです。試作を繰り返す必要があるモノづくりに おいて設計図は何よりも大切です。また、ヒンジ特有の屈折率なども設計で決ま ります。 ヒンジ製品の試作品を作る ヒンジ特性のある製品を製品化する過程で必要不可欠なのが試作品の作成です。 ヒンジ特性のある試作品の作り方には大きく2つの方法があります。 1つは、射出成形法です。射出成形法では、試作用の簡易な型を作りヒンジ製品の 元になるプラスチックを流し込みます。もう一つは、ヒンジ特性を持った材料を 3Dプリンタで出力する方法です。 ❺ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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これら2つの選択基準は試作品の個数と再現性です。前者は試作品の数が数十個と いうときに多く使用されます。量産のように型を作るのでたくさん作れば作るほ ど、一個当たりのコストを安価に抑えることができます。約50個の試作品政策で 価格は40万円程度を見込んでおけば良いでしょう。また、量産と同じ方法、同じ 材料で成型しますので、量産品と同じようにテストすることができます。 後者は1点ずつ3Dプリンタで造形するので、試作品の個数が増えてもなかなかコ ストダウンを図れません。1個あたりの価格は2万円前後になります。また、ヒン ジ特性のある材料を使用するにしても、量産とは材料の種類や成形方法が異なり ますので、再現性が劣ります。 では、ヒンジ製品の試作を作る過程で注意すべきことはどのようなことがあるの でしょうか。 試作をする際の注意点 ヒンジ製品の試作を作る際の注意点は以下の3点があげられます。 ①材料の選出 ヒンジ特性のある材料を前述で紹介しましたが、その他にもヒンジ特性を持つプ ラスチックは多種存在しています。プラスチックはそれぞれのグレードごとに物 性が異なり用途や形状にあわせた選択が必要です。肉厚も許容範囲がグレードに よって異なるので実物として表現したい厚みが実現できる材料を使用する必要が あります。 ②寸法や設計を留意 前述のとおり寸法や設計に留意をしなければ試作品もできません。使用する材料 をあらかじめ明確にしておくことで試作から量産までの期間を大幅に短くできま す。 ③特性を理解しておく ヒンジ設計の中でもリビングヒンジ成形の過程では成形の特徴を理解しておくこ とが必要です。例えばヒンジ上部から下部に向け樹脂を充填する(流す)ときが、 上部は強圧で流し込めますが下部では圧力が弱くなるのです。設計をする際はこ うした成形過程の特性に注意しておくことも必要になります。 強度、ヒンジ特性の確認には射出成形での試作がおススメ 試作品を作り何を確認したいのか。試作のニーズで多いのは、形状や機能の確認、 強度試験ではないでしょうか。形状確認に重きをおいた試作であれば、3Dプリン タによる出力や注型での試作がおススメです。強度テストやヒンジ特性などの機 能の確認に重きをおいた試作であれば、射出成形での試作がおススメです。量産 と同じグレードの材料を利用できますのでヒンジ特性や強度は量産品と同じもの を作れます。また、数十個作ってもコストはあまり変わりませんので、条件を変 えた強度テストを複数回行うことが可能です。 ❻ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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⒊ 試作にも高い寸法精度を求めたい 試作品を製作する際に寸法精度を求めたいと思っている方は少なくないのではな いでしょうか。すでに開発され実用化されている商品に適用されている技術や形 状の場合はあまり気になりませんが、新しい材料や設計では寸法精度を求めた試 作品が必要になります。今回は寸法精度の高い試作品を作りたいと考えている方 へ向けた記事になります。 寸法精度を意識した試作の重要性 モノづくり関係者の間で一時期試作品を作らないことが主流となりました。試作 品を作らないという大きな決断は、試作品ができるまでの時間やコストを削減で きるメリットがある一方で、いざラインに乗せて大量生産となったときに製品化 すると不具合や形の不備が起きることも多かったです。 モノづくりをしていく過程で不具合や不備はつきものですが、いかに製造ライン に乗せたときに不具合を少なくするかはモノづくりの大きな課題の一つです。 そのためにはやはり事前に試作品を作り形状や設計の把握や評価をすることが大 切になってきます。 試作品を作る過程でも寸法精度の違いを理解しておくことで量産品を作ったとき の効率や効果が大きく変わってくるのです。 試作方法によって寸法精度は異なる 試作品の作り方には大きく分けて4種類あります。まずはその方法について紹介し ていきます。 「切削」 切削は樹脂のブロックや丸棒をマシニングセンターと呼ばれる刃物を搭載した切 削機械で削り出すことで成形できます。近年、マシニングセンターの能力や搭載 されている刃物の形状・刃物の動きの自由化が進んできていて寸法精度が良いの が特徴です。大まかですが「±0.1mm程度」の寸法精度で試作品を制作できます。 「注型」 注型はまず切削と同じ過程で試作品を一つ製作します。そして、その試作品をシ リコーンゴムなどで型取りを行います。型取りで出来た模型にウレタン樹脂など の樹脂を流し込み圧をかけて試作品を作る方法です。シリコーンゴムで作ったゴ ム模型に樹脂を何度も流し込みます。樹脂は熱硬化をするものなので熱硬化によ る収縮や材料独自の収縮もあり、切削に比べると寸法制度が劣るのです。また、 ゴム模型自体も熱によって劣化していき試作品を作るにしてもおおよそ15個程度 しか製作できません。 ❼ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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「3Dプリンター」 3Dプリンターの大きなメリットは、夕方にデータを読み込ませれば翌日昼には勝 手に3Dプリンターが仕事をしてくれることです。勝手に機械が働いてくれるので 人による管理を必要最低限に抑えることができるのです。 また、一度データ化するのでコンピューター上で自由自在に設計を変更すること もできます。 溶かした樹脂を積み上げていく、もしくは液状の樹脂にレーザーを当てて樹脂を 硬化させて試作品を作っていく方法が主流です。こちらの方法だと一般的に 「±0.2mm程度」の寸法精度を得ることができます。 「射出成形」 寸法制度に関しては切削と同じで「±0.1mm程度」と言われています。切削と大 きく異なる点は実際に大量生産するときと同じ材質で試作品を作ることができる ことです。生産するときと同じ材料を利用でき、試作品の段階で機能評価もする ことができます。 実際に他の部品と組み合わせてみて、不具合なく動くか否か判断できるのは大き なメリットです。 PlaQuickでは、ニーズに合わせて複数の造形方法から 最適な方法を選択し、ご提案します。 お問合せはお気軽にwww.plaquick.comまで! ❽ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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⒋ 出来るだけ量産品に近い試作品が欲しい 試作品から量産へ 出来るだけ量産品に近い試作品を作るためにはどうすれば良いでしょうか。コス トや納期を度外視すると、量産と同じライン、作業者、設備、材料を用いて試作 すれば良いのですが、あまり現実的ではありません。 品質管理の用語に「4M変更管理」という言葉があります。4M、すなわちMan (人)、Machine (機械)、Method(方法)、Material(材料)が変わると品質が変わ る可能性があるので、この4つの変更を管理して品質を維持しましょう、という ものです。 逆に言えば、この4つを量産に近づければ近づけるほど、より量産品に近い試作 品を作ることができるのです。量産と同じ人、機械での試作は難しいですが、量 産と同じ方法、材料で試作することは可能です。それは、試作型を作成して射出 成形で試作する方法です。 射出成形とは 射出成形とはプラスチック製品の量産によく利用される方法で、金属を加工して 金型を製作しそこへ材料となるプラスチック(PP,PE,PCなど)を熱で溶かして注 入し、冷やして固まったところで金型から製品を取り出します。たい焼き屋さん の店頭をイメージされると判りやすいのではないでしょうか。 射出成形で試作品を作るメリットは、前述の4Mのうち‟Method(方法)”と‟ Material(材料)”を量産と合わせることができるというものです。 例えば、ABS樹脂を使った製品の試作をしようとするとき、ABS樹脂の塊を切削 して形状を作る方法や、3DプリンタでABS樹脂を利用する方法も検討されます。 ですが、これらの方法では量産と同じ「方法」とは言えません。プラスチックは 意外と繊細な素材なので、加工方法が変わると同じ形状でも異なる物性(機械的 強度など)を示します。 また一言で「ABS樹脂」といってもグレードは様々です。例えばPlaBase.comで ABS樹脂を検索すると150種類ものABS樹脂が出てきますが、それぞれ微妙に物性 が異なります。当然、成形後の物性も異なりますので、やはり量産で使用するの と同じグレードで試作すると安心です。 ❾ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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試作型と量産型の違いとは 量産と同じ「方法」「材料」で試作するにしても、量産と同じラインで試作する よりも「安く」「早く」試作できなければ意味がありません。では、どのように して「安く」「早く」すれば良いのでしょうか。カギは「金型」にあります。 量産と試作では、金型に求められる性格が異なります。量産型では、安く、大量 に生産することが求められますので、1つの金型で複数の製品を作れる(多数個 取り)ようにしたり、何万回というショット数に耐えられるようにする必要があ ります。当然、費用も、時間もかかります。ですが、試作型では安く、早く金型 を作ることが求められます。 試作型では、金型鋼ではなく、アルミなど切削性に優れた金属を利用します。ま た、金型の機構も極力単純にし、複数個取りではなく一個取りが基本です。 当然試作型の耐久性や生産性は量産型に劣り、量産型では数万〜数十万個製造で きますが、試作型では多くて1,000個程度が限界です。よく「試作型でそのまま量 産したい」という要望を聞きますが、改めて量産型を作る方が効率的です。 PlaQuickでは、ニーズに合わせて複数の造形方法から 最適な方法を選択し、ご提案します。 お問合せはお気軽にwww.plaquick.comまで! ❿ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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⒌ スケッチを型にしたい スケッチを元にする 「モノ」を作るときに問題となるのは設計図です。設計の勉強を大学や専門学校 などで勉強してきた人でないと図面を起こすことができず、数年勤務しただけで は設計図を書くことは難しいのが現状です。 しかし、それがスケッチで設計図ができたらどうでしょうか。あまりに画期的で 実用的な世界になると思いませんか? PlaQuickでは、スケッチから模型を作ることができるサービスも提供しており、 お客様が設計図を書いたことがなくてもモノづくりに取り掛かることができます。 ただ注意してもらいたいのはスケッチと言っても子供の描く「お絵描き」のよう なものではなく、作ろうとするモノの「模写」のようなスケッチをしなければい けないということです。 モノづくりには図面が必要 なぜ設計図が必要になるかといえば簡単です。設計図はモノづくりをするための 工程表となり、様々な職種で協力しながら製作するモノづくりの現場で意識や方 向性がぶれないようにするためにも必要となるからです。 設計図はある意味旅をするときの地図のようなもので、みんなで一つの目標へ向 かって進んでいくためには必要不可欠となります。 スケッチを読み込むには スケッチという2次元で表現されているものを、どうやって試作品へと繋げるのか 気になる方も多いのではないでしょうか。用意してもらうスケッチは手書きのも ので結構です。ただし、試作したいものに近い形状や寸法を考えておいてくださ い。材質やその特性は相談し決定できますが、形や寸法を決めて頂かないとス ケッチを図面に起こすことはできません。 スケッチはスキャナーのような機械で読み込むわけではなく、3次元CADオペ レーターによって3次元に描き直されます。その際、寸法やイメージされた形が3 次元にするときにも大切になります。3次元CADオペレーターにより3次元的なス ケッチとなれば、あとは3Dプリンターや加工機を通じて形にすることができるの です。 近年、各社で3次元CADの導入が進んできていることと思いますが、3次元CAD を使いこなせる人の数は増えていないのではないでしょうか。そんな時に誰でも 描けるスケッチから試作品まで製作できるというのは、弊社サービスの大きな強 みです。 ⓫ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド
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CAD/CAMとは CAD/CAMとはCADを使用して設計し、それを形にするための工作機械の動作の プログラミングを行うシステムです。スケッチから3Dプリンターで試作品を製作 する場合は、スケッチをCADデータにし、CAD/CAMを通じて3Dプリンターを動 かし、試作品を製作します。 注意点は? スケッチから試作品を作る際の注意点にはどのようなものがあるでしょうか。 ①寸法やイメージをしっかり持つ スケッチだけではないがモノづくりをする上でイメージはものすごく重要になり ます。寸法や試作品の使用用途を製作者が理解しておくことで、試作品製作の過 程で発生するトラブルに円滑に対応することができます。 ②モノづくりとしての技術を加える プラスチック材料でモノを作るためには材質を考慮し、プラスチック製として実 用できるような理工学的な考えや、材料学的な考えを持ち合わせておく必要があ ります。材質の提案はさせていただきますが、どうしても特性上出来ない動きや 耐力の問題も出てくることもあります。 ③再現性について CAD/CAMは比較的再現性は高く自由に設計を加えることができます。しかし、 再現性には限界があります。 例えばキーボードもスマートフォンサイズにまで小さくすれば、文字が潰れて見 えなくなってしまいます。試作品として作りたいものと、その再現性の許容範囲 はしっかりと理解しておく必要です。 PlaQuickでは、ニーズに合わせて複数の造形方法から 最適な方法を選択し、ご提案します。 お問合せはお気軽にwww.plaquick.comまで! ⓬ テーマ別!試作手法の選び方徹底ガイド