CNC がラピッドプロトタイピングの定義に理想的なプロセスである理由は何ですか?

製品開発の競争が激化するほど、スピードが重要になります。ラピッドプロトタイピングというと、多くの人がまず思い浮かべるのは3Dプリントでしょう。しかし、プロトタイプに最終製品とほぼ同等の性能、精度、材料特性を与えることができる技術があります。それがCNC加工です。

ラピッドプロトタイピングの定義は、製品の発売に決定的な影響を与えることを考慮せずに、 「モデルを素早く作成する」と多くの人に解釈されてきました。

以下の記事は、ラピッドプロトタイピングとは何かという理解を再定義し、比類のない実世界での能力を備えた CNC テクノロジーが、概念実証から機能テストまで、ラピッドプロトタイピングプロセス全体において、いかにして最も信頼性が高く強力なエンジンとなるかを明らかにします。

主要な回答の要約

JS Precision チームがプロトタイピングに CNC を選択する理由は何ですか?

Precision, JS はラピッドプロトタイピングの分野で12 年以上の実務経験を持ち、航空宇宙、医療機器、民生用電子機器、自動車部品、産業オートメーション、半導体の 6 つの主要産業にわたる 500 社以上の顧客にサービスを提供しています。

例えば、JS Precision は医療機器会社向けに、手術時の精度を確保するために許容誤差 ±0.005mm 以内の高精度手術器具の試作品を製造し、自動車部品会社の緊急検証要件を満たすために72 時間以内に20 個のエンジン試験試作品を納品しました。

航空宇宙業界では、衛星部品会社向けに、TC4チタン合金を使用し、5軸CNC加工で複雑な空間角度を実現し、 ±0.003mm以内の許容差を制御する姿勢制御システムブラケットのプロトタイプを製作し、顧客の軌道上テストの完了を支援しました。

当社は、生産ラインの設備を製造する産業オートメーション会社向けにロボットアームジョイントのプロトタイプ 30 個を製作し、わずか 48 時間という記録的な速さで試運転スケジュールを満たすことに成功しました。

JS Precision のエンジニアリング チームの CNC 加工経験は平均8 年以上であり、ラピッドプロトタイピングのプロジェクトを 1,000 件以上手掛けてきました。

この工場は、3軸や5軸を含む40台以上のCNC高精度マシンを備え、 ISO 9001およびISO 13485医療品質管理システムに基づいて運営されており、さまざまな分野の試作のニーズを十分に理解しています。

このガイドは、これらの実際のプロジェクトの概要に基づいており、すべての提案は実際に検証されているため、完全に信頼できます。

高品質なCNCラピッドプロトタイピングサービスをお探しなら、業界経験豊富なJS Precisionがお客様のご要望に確実にお応えします。CADファイルをご提供いただければ、迅速にお見積もりを作成し、製造を開始いたします。最短期間で試作品の品質と効率性を確保いたします。

スピードの再定義: 現代におけるラピッドプロトタイピングとは何ですか?

まず、JS Precision がどのような取り組みを行ってきたか、つまり現代のラピッド プロトタイピングの定義は何かを理解しましょう。CNC が最適な理由を理解するには、ラピッド プロトタイピングとは何かを説明することによってのみ、それをうまく説明できるからです。

現代のラピッドプロトタイピングは、 「モデルをより速く作る」ことではなく、「概念実証 - 機能テスト - 市場からのフィードバック - 少量のパイロット生産」を繰り返す統合プロセスです。

プロセス全体を通して、あらゆるステップにおいてプロトタイプからの正確なデータによる裏付けが不可欠です。例えば、概念実証ではプロトタイプが設計要件を満たしていること、機能テストではプロトタイプが実際に負荷に耐えられること、そして市場からのフィードバックではプロトタイプの品質が量産品に非常に近いことが求められます。

ラピッドプロトタイピングの成功した結果には、「形式的な類似性」、「精神的な類似性」、および「機能的な信頼性」が備わっている必要があります。

つまり、「形式の類似性」とは外観が最終製品と一致していることを意味し、「精神的な類似性」とは材料特性が量産基準に近いことを意味し、「機能の真正性」とは実際の使用シナリオでのパフォーマンスをシミュレートできることを意味します。

したがって、上記の 3 つの要件により、プロトタイプの精度と材料強度に対する要求が高まり、CNC 加工の道が開かれました。

JS Precision は、現代のラピッドプロトタイピングプロセスの中核的なニーズを深く理解しており、「形式の類似性、精神的な類似性、機能の真正性」を実現するプロトタイプを顧客に提供して、顧客が迅速に反復して製品の発売を推進できるように支援します。

3Dプリンターを超えて：ラピッドプロトタイピングツールの全容を公開

ラピッドプロトタイピングの定義と厳格な基準が示されたので、いくつかの主流のラピッドプロトタイピングツールを比較し、需要の高いシナリオに最適な選択肢を見つけたいと思います。

次の表は、ドローンのアーム、高温装置の部品、医療機器など、プロトタイプが実際の負荷に耐え、極限の条件下で動作し、精密な組み立て検証を受ける必要がある場合、 CNC 加工が間違いなく第一の選択肢であることを示しています。

例えば、非常に高い生体適合性と寸法精度が求められる医療用インプラント部品があります。場合によっては、本物のチタン合金を用いたCNC加工によって臨床試験の要件を満たすことができるかもしれません。

通常、3Dプリントで製造された金属部品は内部に空隙があるため、このような安定性を実現できません。そのため、CNCはラピッドプロトタイピングツール群の中でハイエンドの地位を占めています。

図 1: CNC マシンは材料の切断、成形、仕上げを自動化し、高精度のプロトタイプを作成します。

CNCの利点：ラピッドプロトタイピングプロセスの詳細

需要のあるラピッドプロトタイピングのほとんどは CNC の使用に依存しているため、ここでは CNC ベースのラピッドプロトタイピングプロセスについて説明し、高効率と高品質をどのように実現するかを理解していただきます。

CADモデルの受領:

お客様からSTEPまたはIGES形式の3D設計ファイルをご提供いただきます。JS Precisionのエンジニアが設計の実現可能性チェックを行い、加工時に問題となる可能性のある深いキャビティや薄壁などを考慮し、最適化の提案を行います。

お客様への設計において、肉厚が薄く変形しやすいという問題がある場合は、補強のためにリブを追加することをご提案しています。例えば、センサーハウジングの試作品では、肉厚が1mmと薄く、加工時に非常に変形しやすい状態でした。リブを追加して肉厚を1.2mmに調整したところ、直行率が70%から98%に向上しました。

CAMプログラミングとデジタル事前シミュレーション:

専門のCAMソフトウェアを使用して加工パスを生成する際には、「デジタルプリシミュレーション」機能を同時にオンにして加工プロセス全体をシミュレーションし、工具の衝突やパスエラーなどの問題を事前に回避します。これはJS Precisionワークフローの主要技術の一つです。

自動工具交換機加工:

3軸または5軸CNC工作機械を採用しています。どちらを選択するかは、部品の複雑さによって異なります。このような複雑で多面的な部品の加工において、 「ワンクランプ・パー・マルチフェース加工」と呼ばれる技術は、クランプ操作回数を削減し、誤差を±0.01mm以内に抑えます。

オンライン検査:

重要な寸法は、加工中に工具に装着されたプローブを用いて測定されます。誤差が生じた場合は、試作品の要求精度を維持するために、直ちに調整されます。

後処理:

機械加工後の後処理には、バリ取り、マイクロブラスト、陽極酸化処理などがあり、これらのプロトタイプは、追加の調整なしにお客様がすぐに使用できるように準備されます。したがって、CNCプロトタイピングの初回試行が成功すれば、ラピッドプロトタイピングにおける反復時間が短縮されます。

図 2: コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用すると、エンジニアや設計者は製品の詳細な 3D モデルを作成し、あらゆる詳細と寸法を指定できます。

コストの真実：CNCプロトタイピングと製造でコストを削減する方法

CNC 加工の技術は高価だと多くの人が考えていますが、 ラピッドプロトタイピングと製造の観点から見ると、主に 3 つの点で、実際にはかなりのコストを節約できます。

1. CNC プロトタイプにより、高価な金型の修正にかかるコストを回避できます。

金型製作前にCNCで試作することで、設計上の欠陥を事前に検出できます。例えば、ある自動車部品メーカーは、CNC試作で穴位置に2mmのずれを発見し、設計を修正することで、金型の手直し費用10万ドルを回避しました。

2. CNC により市場投入までの時間が短縮されます。

CNCプロトタイプは、時間のかかる後処理を必要とせず、後続のテストに直接使用できます。例えば、ある電子機器メーカーのお客様は、CNCプロトタイプを使用して2週間で機能テストを完了しました。これは、3Dプリントと比較して1週間（3日間のプリントと2日間の硬化を含む）の時間を節約できるため、製品のリリースを1か月早め、市場における大きな優位性を獲得しました。

3. 大量生産へのスムーズな移行を可能にします。

CNCプロトタイピングで使用されるプロセスのほとんどは、量産工程に非常に近いものです。例えば、アルミニウム合金部品の試作における切削パラメータと工具選定は、量産工程にもそのまま適用できるため、量産工程への変更や再調整コストのリスクを軽減できます。

ラピッドプロトタイピングと製造の観点から、JS PrecisionのCNCサービスは、金型の修正を回避し、市場投入までの時間を短縮し、コスト削減を実現します。具体的なソリューションの詳細については、お気軽にお問い合わせください。

図 3: CNC 工作機械の価値の 1 つの現れは、試作品の大量生産コストが大幅に削減されたことです。

適切なラピッドプロトタイピング装置の選択ガイド

適切なラピッドプロトタイピング装置の選択が成功の鍵です。ニーズに応じて必要な装置は異なります。以下の4つの要素に基づいて判断できます。

1. 材料要件:

• プロトタイプがアルミニウム合金やチタン合金などの金属で作られる場合は、CNC 加工が適しています。
• エンジン周辺部品など、試作品が高温に耐える必要がある場合、CNC加工されたステンレス鋼やチタン合金は300℃以上の高温耐性を満たすことができますが、3Dプリントされたプラスチックの試作品は150℃を超えると簡単に軟化します。
• プラスチックで視覚的な検証のみが必要な場合は、SLA 3D プリントを選択します。
• 少量のプラスチック部品の場合には真空成形法を選択できます。

2. 寸法精度：

医療機器など、公差要件が±0.01mm以上の場合はCNC加工を選択する必要があります。玩具のシェルなど、公差要件が±0.1mm未満と比較的緩やかな場合は、SLAまたはFDM加工が適しています。

3. 構造の複雑さ:

ドローンアームのコネクタのように、複雑で多面的な表面や深い空洞を持つ部品の場合は、5軸CNCを選択する必要があります。カップシェルのように、単純で滑らかな曲面の場合は、 3Dプリントが選択肢となります。

4. 予算と納期:

予算が限られていて (50 ～ 200 ドル)、納期が非常に短い (1 日以内) 場合、単純な部品には FDM が選択肢となります。予算に余裕があり (200 ～ 1000 ドル)、高品質が求められる場合は、納期が 1 ～ 3 日の CNC が必要となります。

JS Precisionは、3軸から5軸まで、お客様の材料や精度要件に合わせて最適なラピッドプロトタイピング装置を幅広く取り揃えています。ご要望をお聞かせいただければ、最適なソリューションをご提案いたします。

ケーススタディ：CADから飛行可能なUAVアームまで72時間で

クライアントの背景と課題

産業用ドローンの新興企業の炭素繊維複合材アームコネクタは、投資実証前の飛行テスト用に設計をアップグレードする必要があります。

以前に作られた FDM 3D プリントのサンプルは、印刷された材料の引張強度がわずか 20 MPa で、実際の負荷には不十分であったため、周波数 1000 Hz で 2 時間模擬飛行振動テスト中に破損しました。

顧客は72 時間以内に機能プロトタイプを必要としており、そうでないと投資デモンストレーションを逃し、500 万ドルの投資を失う可能性があります。

JS Precisionのソリューション

1. 材料とプロセスのマッチング：

JS Precisionのエンジニアは材料を分析し、3Dプリント部品の層間結合不足が破損の主な原因であると指摘しました。彼らは、引張強度がFDM材料の5倍にも達する7075航空宇宙グレードのアルミニウム合金の使用を推奨しました。

事前に引張試験を実施し、材料の適合性を検証しました。その結果、降伏強度は505MPaに達し、お客様の要求値である450MPaを大きく上回りました。試験データはリアルタイムでお客様と共有されました。

2. 迅速な対応と同時進行のエンジニアリング：

CADモデル（STEP形式）受領後2時間以内にCAMのプログラミング作業と工程計画を完了し、予備原材料（7075アルミニウム合金の在庫シート）も事前に用意しておきました。

すべての複雑な曲面加工は 5 軸工作機械で1 回の設定で実行され、主要な組み立て面の許容差は±0.008 mm 以内に制御されました。

3. 効果的な後処理：

DMG MORI製5軸CNC工作機械を用いて、 6面を1回のセットアップで加工することで、主要な組立面公差は±0.005mm以内を実現しました。加工直後に超音波バリ取りとマイクロブラスト処理を実施し、表面粗さをRa 1.6μmまで向上させました。

同時に、座標測定機を使用して重要な接続穴を再検査し、穴の直径の許容差がアセンブリの要件を満たしていることを確認し、後続のアセンブリでギャップが発生しないようにしました。

結果と価値

顧客からの注文から実際の納品まで、わずか70時間で、予定より2時間早く納品されました。CNC加工されたコネクタは、その後のストレステスト（1200Hzの振動試験2時間、100kgの衝撃試験）でも変形や破損は見られず、顧客は投資実証試験に合格し、300万ドルの投資を確保しました。

顧客からのフィードバック: 「JS Precision の CNC プロトタイプは、緊急のニーズを解決しただけでなく、重要な投資機会を維持するのにも役立ちました。」

図4：折りたたみ式ドローンアームのカーボンチューブコネクタ

スピードのためのエンジニアリング：ラピッドプロトタイピングプロセスを最適化する実証済みの戦略

迅速なプロトタイピングプロセスにおいて、CNC効率を最大化するにはプロセス最適化が鍵となります。JS Precisionは、効率を高めコストを削減するための実証済みの方法をいくつかご紹介します。

1.デザインの簡素化：

機能に付加価値を与えない、不必要な複雑な面は避けましょう。例えば、機械部品に6つの不規則な面がある場合、それを3つに簡素化することで、加工時間を8時間から4時間に短縮し、コストを40%削減できます。

2. 合理的な許容範囲の設定：

不必要な高い公差は避けてください。例えば、重要でない寸法の公差を±0.005mmから±0.02mmに広げると、加工の難易度が下がり、コストが30%削減されますが、部品の機能には影響しません。

3.インテリジェントな材料使用：

機能試験の初期段階では、快削性材料を活用します。例えば、加工が難しく高価な7075アルミニウム合金の代わりに、加工が容易で低コストの6061を試験の初期段階で使用し、試験合格後に目的の材料に移行することで、初期コストを最大25%削減できます。

4.標準化とモジュール化：

JS Precisionでは、ネジ穴や位置決めピンなど、一般的に使用される標準構造部品を前処理で確保しています。また、一般的に使用されるM3およびM4ネジ穴用のナットインサートも事前に加工済みで、お客様の試作アセンブリに直接組み込むことができます。これにより、現場での穴あけやタップ立てが不要になり、加工時間を1～2日短縮できます。

これらの方法は、CNC ラピッドプロトタイピングの利点を最大限に活用して、より高速かつ低コストでプロトタイプを開発するのに役立ちます。

JS Precision は、設計の簡素化と合理的な許容差設定によってCNC ラピッドプロトタイピング製造の利点を最大限に引き出し、顧客の効率向上とコスト削減を支援するプロセス最適化の提案も行います。

よくある質問

Q1: CNC プロトタイピングの速度は本当に 3D プリントの速度に匹敵しますか?

単純な形状の3Dプリントであれば完成までに数時間かかる場合もありますが、高強度の機能プロトタイプの場合は、CNC加工の方がはるかに短時間で済みます。これは、強度を高めるための後加工の時間が不要になるためです。例えば、拳大の部品であればCNC加工なら1日で納品できますが、3Dプリント＋後加工だと3日かかります。

Q2: CNC 加工はどのような材料をサポートしていますか?

アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金、真鍮、そしてPOM、ナイロン、PEEKなどのエンジニアリングプラスチックなど、ほぼあらゆる種類のエンジニアリング材料をCNCで加工できます。これはラピッドプロトタイピングの重要な利点の一つです。

Q3: CNC 加工プロトタイプの実現可能な最小/最大サイズはどれくらいですか?

JS Precisionの設備は、数ミリ単位の部品から800mmを超える大型試作品まで、幅広い加工に対応可能です。図面に基づいて正確なサイズを決定する必要があります。図面をご提供いただければ、できるだけ早くご返答いたします。

Q4: CNC は内部が複雑な流路を持つプロトタイプをどのように処理しますか?

JS Precisionによれば、これらの複雑な内部空洞と流路構造は、「分解加工してから接合する」または「溶解性サポート材料を使用する」というプロセスによって完璧に実現されたという。

Q5: アルミニウム合金の試作品の CNC 加工にかかる一般的な時間はどれくらいですか?

JS Precisionでは、一般的な握りこぶしサイズのアルミニウム合金部品の注文から発送まで、通常1～3営業日かかります。ラピッドプロトタイピング生産ラインのおかげで、効率的に注文に対応できます。

Q6: 当社のデザインは非常に複雑ですが、CNC で対応できますか?

もちろんです。JS Precisionは5軸CNC工作機械を用いて、極めて複雑な自由曲面や内部キャビティ構造の加工が可能です。設計図をご提供いただければ、ほぼ確実に加工可能です。

Q7: CNC ラピッドプロトタイピングの見積りを依頼するにはどうすればよいですか?

STEPやIGES形式などの3D CADファイルをJS Precisionにご提供いただくだけで、システムが解析を実行し、即座にお見積もりを作成します。複雑なプロジェクトの場合は、エンジニアがお客様にご連絡し、最適化のご提案をさせていただきます。

Q8: プロトタイプの設計の機密性と安全性をどのように確保すればよいですか?

JS PrecisionはNDA（秘密保持契約）を厳格に遵守します。お客様の設計ファイルとデータはすべて厳重に保護されます。お客様の知的財産は私たちの生命線です。どうぞご安心ください。

10.まとめ

実環境でのテストに耐え、研究開発の反復を加速し、全体的なコストを削減できるプロトタイプを求めるなら、CNCの理想は明白です。CNCは、プロトタイプを「見た目」から「機能」へ、 「単発検証」から「量産」へと変革する能力を備えています。

プロトタイプが製品チェーンの弱点となることは決してありません。JS PrecisionのCNCラピッドプロトタイピングサービスをお選びいただければ、ラピッドプロトタイピングの定義に関するご相談から機器の選定、プロセスの最適化からケースのカスタマイズまで、フルプロセスサービスをご利用いただけます。

続いて、設計ファイルを当社の Web サイトにアップロードし、当社のラピッドプロトタイピング サービスがいかに迅速で、専門的で、信頼性が高く、成功に導くかをご自身でご確認ください。