JS Precision

数日のうちに、完全に機能するプロトタイプを手にすることができます。片側は冷間アルミニウム合金で、ヒートシンクフィンと構造フレームを作成するために精密に機械加工されています。もう片側は硬質エンジニアリングプラスチックで、人間工学に基づいた輪郭のハウジングに成形されており、内部には柔らかいシリコンシールも入っています。

このマルチマテリアルアセンブリ全体は、複数の生産ラインではなく、1台のCNCマシニングセンターで、1回のセットアップ、つまりリーンプロセスで製造されます。これが今日のラピッドプロトタイプ製造の能力です。

このガイドでは、 CNC ラピッドプロトタイピング技術が金属、プラスチック、複合材料を活用して、マルチマテリアルプロトタイプを簡単に開発し、製品イノベーション サイクルを大幅に合理化する方法について説明します。

主要な回答の要約

マルチマテリアルプロトタイピングを実現するには？JS Precision CNC加工ソリューション

JS Precision は、マルチマテリアル ラピッドプロトタイピングの分野で15 年以上の実務経験を有し、航空宇宙、医療、民生用電子機器など 12 の業界にわたる 500 社を超えるクライアント向けにマルチマテリアル プロトタイプ プロジェクトを完了してきました。

たとえば、航空宇宙業界の顧客向けにチタン合金と PEEK の複合センサー ハウジングの試作を行い、寸法精度±0.005 mm を維持しながら納期をわずか 4 日間に短縮しました。

医療関係者向けにステンレス鋼と医療用シリコンを組み合わせたカテーテルコネクタの試作機を完成させた際、物理的なインターロッキング構造を採用することで引張強度を30%向上させることができました。さらに、消費者向け電子機器向けに、 PCプラスチックとアルミニウム合金を一体化したハウジングの試作機も製作し、外観と構造強度の両面で高い評価を得ました。

この経験は10種類以上の材料の組み合わせを網羅し、 5軸CNCや適応型パラメータ調整といった主要技術を駆使しています。このガイドは、1,000件を超えるラピッドプロトタイプ開発プロジェクトからまとめられており、各項目は試行錯誤を重ねてテストされています。

JS Precisionは、豊富なマルチマテリアルCNC加工の経験を活かし、ラピッドプロトタイプ開発プロジェクトに最適なソリューションを提供いたします。設計図面をお送りいただければ、すぐに内容を確認し、プロジェクトを効果的に実行するためのプロセスに関するご提案をさせていただきます。

ラピッドプロトタイプ開発のエンジン：CNCの基本的なボトルネックを打破

高品質なマルチマテリアルラピッドプロトタイピングを実現するには、まずCNC加工における基本的な課題、すなわち材料特性の違いやプロセスの複雑さに起因する課題に対処する必要があります。これらの課題を克服することによってのみ、ラピッドプロトタイピング開発の効率性と精度を確保することができます。

課題1：デザインの統合

従来のプロトタイプは通常、個別の部品で開発されるため、後の組み立て時に精度の問題が生じやすくなります。マルチマテリアルプロトタイピングでは、設計者は最初から材料の接合と固定方法を考慮する必要があります。例えば、金属とプラスチックを接合する場合、後々の接合不良を防ぐために、物理的な連結機構を事前に設計しておく必要があります。

課題2：製造シリアル化

製造のシリアル化の基礎は、加工順序の計画と治具の設計です。硬い材料と柔らかい材料のどちらを先に加工するか？ 異なる材質のワークを治具でしっかりと固定するにはどうすればよいでしょうか？これらの問題を解決しないと、加工不良が発生します。例えば、柔らかい材料を先に加工すると、後続の硬い材料の加工時に振動の影響を受けやすくなります。

チャレンジ3：教材「対話」

材料によって切削抵抗、熱膨張係数、剛性は大きく異なります。例えば、アルミニウム（金属）とABS樹脂を加工する場合、アルミニウムは高速・低送りが必要ですが、ABSは低速・高送りが必要です。

すべての部品に同じパラメータを使用すると、部品の歪みや寸法誤差が発生しやすくなり、ラピッドプロトタイピングの製造品質に影響を及ぼします。

課題4：効率とコストのトレードオフ

多材質加工では、より複雑な工程計画と追加のセットアップが必要となり、加工時間とコストが増加します。ラピッドプロトタイピングの基本的な速度要件を満たしながら品質を維持することは、企業が克服しなければならない課題です。

ラピッドプロトタイプ製造をマスターする：CNC加工における主要技術

CNC加工によるマルチマテリアルプロトタイプの基本的な課題を克服した後、ラピッドプロトタイピング製造を進化させる鍵となるのは、主要技術の習得です。これらの技術は、以下の3つの領域で品質と効率を向上させます。

高度なCAMソフトウェアとシミュレーション

Mastercamのような、多軸加工と「加工シーケンス」計画を支援するCAMソフトウェアを使用することで、多材質加工プロセスを正確に計画できます。また、仮想環境での切削シミュレーションにより、工具と治具の干渉問題を事前に予測できるため、実際の加工におけるエラーを回避し、材料の無駄を削減できます。

適応加工戦略

1. 「シングルセットアップ」テクノロジー：精密治具を用いて異なる材料を事前にクランプします。プログラム制御により、すべての材料を単一のセットアップで加工できるため、非常に優れた相対位置精度が得られ、複数のセットアップエラーを排除できます。

2. パラメータの連続呼び出し： CAMソフトウェアは、金属加工における高速・低速送り速度、プラスチック加工における低速・高速送り速度への瞬時変更など、様々な切削パラメータライブラリを自動的に呼び出します。最適な工具が自動的に選択されるため、手動での継続的な調整は不要です。

インテリジェントなフィクスチャ設計

専用治具やフライス加工可能なバイスブロックなど、モジュール式で構成可能な治具システムにより、様々な不規則形状のブランクに合わせて調整できます。治具の取り付けが簡単なだけでなく、様々な材質のワークの加工を安定させ、ラピッドプロトタイプ加工の精度を向上させます。

図1: CNCラピッドプロトタイピング

ラピッドプロトタイピングの精度：複合材料の課題を克服

マルチマテリアルラピッドプロトタイピングにおいて、複合材料（炭素繊維複合材およびガラス繊維複合材）の加工精度は、ラピッドプロトタイピング全体の品質に直接影響を及ぼします。それぞれの特性がそれぞれ異なる課題をもたらし、カスタムメイドのCNCソリューションが必要となります。

複合材料の課題とCNCソリューションの比較

その他のCNCソリューション

プロセスパラメータを綿密に調整し、最適化することが不可欠です。繊維を「引っ張る」のではなく「せん断する」方法で加工することで、剥離やバリのない完璧なエッジが得られます。強力な掃除機で粉塵を直接吸引することで、設備と作業者の健康を守り、粉塵が加工精度に影響を与えるのを防ぎ、スムーズなラピッドプロトタイプ製造を実現します。

JS Precision は複合材料の CNC ラピッドプロトタイピング技術に精通しており、複合加工における裂け目や工具摩耗の問題を完全に解決し、高精度のラピッドプロトタイプ加工を保証し、機能テストの要件を満たします。

金属とプラスチックのラピッドプロトタイピングの難しさを克服

金属とプラスチックは、マルチマテリアルラピッドプロトタイピングにおいて最も人気のある組み合わせです。しかし、それらの物理的特性（熱伝導率や硬度など）の違いが、加工において大きな課題をもたらします。これらの課題を克服することによってのみ、金属とプラスチックのラピッドプロトタイピングにおけるプロトタイプの品質を保証することができます。

熱制御は大きな問題です。金属の加工熱がその部分の樹脂に伝わり、軟化させてしまいます。この解決策は、スキップ加工を用いることです。スキップ加工とは、金属部品をしばらく加工してから樹脂部品や他の加工領域に移り、金属部分を冷却させる加工方法です。また、局所的な冷却、すなわち空冷も、樹脂の熱変形を防ぐのに有効です。

接合面の応力と精度も極めて重要です。プラスチック部品と金属部品の間にシームレスな接合部を実現するにはどうすればよいでしょうか？

解決策は、JS Precision などのカスタム CNC ラピッドプロトタイピング サービス プロバイダーの精密機械加工機能を使用して、プレスフィット、スナップフィット、または接合用の微細構造 (アンダーカットやリブなど) を直接機械加工し、物理的な連結を実現して、接合部の強度と密閉性を高めることです。

JS Precision は、金属およびプラスチックのラピッドプロトタイピングの機械加工の課題を克服するために、革新的な熱管理およびインターフェース機械加工ソリューションを提供し、プロトタイプの安定したパフォーマンスのために 2 つの材料間の結合の精度と耐久性を確保します。

図2: ラピッドプロトタイピング金属

硬質および軟質材料のカスタムCNCラピッドプロトタイピング戦略

カスタムプロトタイピングでは、硬質材料（例：ステンレス鋼とアルミニウム合金）と軟質材料（例：軟質プラスチックとシリコン）の組み合わせが一般的です。異なる材料の加工要件をバランスよく満たす科学的な加工アプローチを採用することで、高品質のカスタムCNCラピッドプロトタイピングを実現できます。

加工原理とパラメータ調整

硬い材料を先に加工することで、振動やたわみが少なくなり、加工工程がより安定します。その後、加工した硬い材料を基準にして柔らかい材料を加工することで、全体的な精度が向上します。

切削工具の選定においては、切れ味と切削屑の堆積防止能力のバランスが重要です。動的パラメータ調整により、軟質材料の過熱による溶融や変形を防ぎ、カスタムCNCラピッドプロトタイピングにおける品質を確保します。

JS Precision はカスタム CNC ラピッドプロトタイピングの専門サービスを備えており、硬質および軟質固体の特性に基づいてカスタマイズされた加工技術を開発して、プロトタイプの品質を保証し、カスタム要件に正確に適合させることができます。

CNC vs. 3Dプリンティング：マルチマテリアルプロトタイプ製造の対決

CNC加工と3Dプリントは、マルチマテリアルプロトタイピングにおいて最も需要の高い技術です。どちらにもメリットがあり、どちらを使用するかはラピッドプロトタイピングのニーズによって異なります。両者の違いを理解することで、最適な選択を行うことができます。

CNCと3Dプリントのマルチマテリアルプロトタイピングのメリットの比較

結論: CNC ラピッドプロトタイピングは、高精度、高強度、機能テストレベルのプロトタイプの作成に適しており、ラピッドプロトタイピング開発の高性能要件を満たしています。ただし、 3D プリントは、概念実証、フォームフィッティング、複雑な内部空洞を持つプロトタイプに適しています。

図3: CNC加工と3Dプリント

ケーススタディ：JS Precisionがドローン用の統合型マルチマテリアル推進プロトタイプを開発した方法

この例は、CNC加工がマルチマテリアルラピッドプロトタイピング開発における課題にどのように対処するかをより明確に示しています。次に、JS Precisionがドローン業界のクライアント向けにマルチマテリアル推進プロトタイプを作成するために実施したプロセス全体について説明します。

クライアントの要件

あるドローン会社は、飛行試験用に軽量で高推力の推進プロトタイプを必要としていました。

カーボンファイバー複合材ブレードとアルミニウム合金ハブの高強度かつ高同軸統合が要件でした。ブレードの重量は20g未満、ハブは10,000rpmの高速回転に耐え、軽量である必要があり、両者のインターフェースは±0.003mmの精度を維持する必要がありました。

最も顕著な課題は、CFRP ブレードの耐裂性加工、アルミニウム ハブの高強度かつ軽量な構造設計、そしてこの 2 つのインターフェースにおけるミクロンレベルの精度でした。

JS Precisionのソリューション

1. 協働設計：当社のエンジニアはお客様と協力し、接合設計の改良に取り組みました。従来の接着接合ではなく、ほぞ継ぎ構造を採用することで接合強度を35%向上させ、機械加工と組立を簡素化しました。

2.シリアル加工：

• まず、すべての CFRP ブレードは、ダイヤモンドコーティングされた切削工具を使用し、12,000 rpm の高速と 0.1 mm の非常に小さな切削深さで、エッジの剥離なく5 軸 CNCマシンによって一度に精密に機械加工されました。
• 2 番目の例では、同じアセンブリで、ブレードの中心部分が超硬切削工具によって高精度のほぞ継ぎ構造に前処理されています。
• 第三に、加工前のアルミ合金ホイールブランクを精密治具に設置し、中空構造（20％軽量化）を利用して、ほぞ継ぎ部と干渉嵌合するほぞ継ぎ部ヘッドを加工した。

3. 統合と検証：耐熱性接着剤と物理的な連結設計を用いて、2つの部品を圧入し、完成したプロペラを形成しました。その後、主要寸法を座標測定機で検査し、適合性を確認しました。

結果

顧客は 5 日以内に飛行と高速風洞テストの準備が整った実用的なプロトタイプを完成させ、設計を検証し、製品開発サイクルを 70% 短縮しました。

プロトタイプは期待通りの推力を発揮し、テスト中も安定していたため、必要な投資が確保され、顧客は迅速なプロトタイプ開発プロジェクトを次の段階に進めることができました。

図4：カーボンファイバー製折りたたみプロペラ

プロジェクトの開始：プロのCNCラピッドプロトタイピングサービスの利用

手間のかからないマルチマテリアル CNC プロトタイプ開発のためには、専門的な CNC ラピッドプロトタイピング サービス プロバイダーを選択する必要があります。

技術力の幅広さを評価する：サービスプロバイダーが、ラピッドプロトタイピング用の金属から特殊プラスチックまで、プロジェクトのあらゆる材料に対応できるノウハウと設備を備えているかどうかを確認します。例えば、PEEKやセラミック充填複合材などの特殊材料に対応できるか、複雑な構造物に対応できる5軸CNC装置を備えているかなどです。

エンジニアリングサポート能力の探求：有能なサービスプロバイダーは、図面を受動的に受け取るだけでなく、製造性を考慮した設計レビューを提供します。設計における製造性に関する問題を積極的に指摘し、最適化の提案を提供することで、後期段階の修正コストを削減し、ラピッドプロトタイピングの製造効率を向上させます。

品質システムのレビュー：サービスプロバイダーは、マルチマテリアルプロトタイプの主要な寸法、特にインターフェースの嵌合精度をどのように管理しているかを調査する必要があります。座標測定機などの試験装置と徹底した試験手順を備えているかどうかは、プロトタイプの品質に直接影響します。

見積もりプロセスをガイド：最新のサービスプラットフォームには、スムーズなオンライン見積もりプロセスと、プロセス上の問題点やコスト構造を明確に示す機能が必要です。迅速かつ確実な見積もりにより、プロジェクト予算を予定通りに計画し、プロジェクト開始までの時間を最小限に抑えることができます。

JS Precisionは、高度な技術力と専門エンジニアによるサポート、そして完全な品質保証体制を備えたCNCラピッドプロトタイピングサービスです。迅速な見積もりプロセスにより、お客様のプロジェクトを効果的かつ確実に、そして迅速に開始することができます。

よくある質問

Q1: マルチマテリアルプロトタイプの CNC 加工は 3D プリントよりもはるかに遅くなりますか?

必ずしもそうではありません。構造は複雑だが強度がそれほど要求されないプロトタイプであれば、3Dプリントの方が速い場合があります。一方、表面仕上げが良好で、現実的な材料特性が求められる高精度な機能プロトタイプの場合、CNCは通常、最初の部品の供給までの時間において優位性があります。これは、3Dプリント後のサポート除去、研磨、二次硬化といった煩雑な工程にかかる時間を節約できるため、ラピッドプロトタイプ開発の効率性要件により合致するからです。

Q2: マルチマテリアル CNC プロトタイピングは非常に高価ですか?

マルチマテリアル加工は複雑性からコストは高くなりますが、その価値は増分コストをはるかに上回ります。一度のラピッドプロトタイピング製造により、材料の適合性の問題、組み立て時の干渉、性能のボトルネックなどを事前に解決し、量産時には数十倍、あるいは数百倍のコストがかかるような変更を回避できます。

Q3: マルチマテリアル CNC プロトタイプをどれくらい早く入手できますか?

JS Precisionでは、通常のラピッドプロトタイプ加工プロセスを採用しており、お客様からのデータ受領から出荷まで、シンプルなマルチマテリアルプロトタイプであれば2～3営業日、複雑なプロトタイプでも5～7営業日で完成します。これにより、お客様の開発サイクルを遅らせることなく、ラピッドプロトタイプの開発スケジュールを期日通りに達成することができます。

Q4: 機械加工できる特殊な材料の組み合わせにはどのようなものがありますか?

標準的な金属やプラスチックに加え、PEEKとチタン合金の組み合わせ、セラミック充填複合材とアルミニウム合金、ULTEMと銅合金の組み合わせも加工実績があります。当社のエンジニアは、カスタムCNCラピッドプロトタイピングにおいて豊富な経験を有しています。お客様の具体的なニーズについてご相談いただき、効率的な加工ソリューションを開発いたしますので、お気軽にお問い合わせください。

まとめ

CNC 加工は長い間「金属を切る」という固定観念を超え、比類のない柔軟性と精度によりラピッドプロトタイピングを新たな高みへと引き上げています。

さまざまな素材の最高の性能を組み合わせることで、製品開発の開始時にほぼ完成した製品を実際に触って確認することができ、研究開発のリスクと市場投入までの時間を大幅に削減できます。

革新的な製品を開発しており、 複雑な設計に慣れ、高精度で製造できる製造パートナーを探している場合、 JS Precision は最適な選択肢です。

当社は豊富な経験、最先端の技術、効率的なプロセスを備えており、迅速なプロトタイプ開発プロジェクトを高品質で実行し、製品を予定通りに市場に投入できるようサポートします。