金型や治具製作を3Dプリントで高速・低コスト化：ラピッドツーリング総合ガイド

射出成形 は、熱可塑性樹脂やシリコン、ゴム製品の生産に最も広く採用されている製造方法です。少量生産時に従来の金属製金型を使って射出成形を行うとコストが高騰してしまうため、ラピッドツーリングを採用することで大幅なコスト削減が期待できます。  

そこで低コストで導入できるデスクトップ3Dプリンタと耐熱性を備えた材料を活用することで、3Dプリント製の金型を内製し、機能確認用の試作品や小型の機能部品を実際の製品生産時に使用するものと同じ樹脂材料で生産することが可能となります。

約10～1,000点程度の少量生産の場合、3Dプリント製の金型を使用すれば金属性の金型と比較して、製作時間と費用の双方を大きく圧縮することができます。また、ラピッドツーリングではその名の通り、生産と製品開発全般をアジャイル（高速）化することもできます。エンジニアや設計者は量産用の金属製金型を製作することなく、実際の材料を用いた機能確認用プロトタイプや小ロット生産の最終部品を生産し、材料の検証や設計調整による反復検証を高速かつ低コストで実施できます。

光造形（SLA) 方式3Dプリントは、鉄やアルミ製の金型を機械加工による削り出しで製作するよりもコスト効率の高い代替策として普及しています。SLA方式での3Dプリント品は、FDMなど他の方式での造形物とは違い、完全な等方性を備えて造形されます。0.45MPaの負荷に最大238℃まで耐える荷重たわみ温度を備えたFormlabsのHigh Tempレジンのような材料を使えば、射出成形の熱や圧力にも十分に耐えることができます。

中国・深圳に本拠を置く委託契約メーカーMultiplusでは射出成形用金型の製作に、ガラス分を多く含み高い耐熱性をもつRigid 10K ResinレジンとSLA方式3Dプリンタ Form 3を導入して以降、約100点のパーツを射出成形する小ロット生産工程を、4週間から僅か3日まで、90％近くも短縮することができています。

このほか、石油化学会社Braskemの災害用マスクのストラップ、手動射出成形機メーカーHolimakerの試作品や顧客向けプリプロダクション品等の事例があります。

500から10,000点の製造を行う中規模生産プロジェクトの場合は、アルミ製の金型を機械加工で製作しても金型製作の固定費を削減することができます。アルミであれば鉄と比較して5倍から10倍早く機械加工が可能である上、使用期間中の劣化も軽微なものであるため、製作期間の短縮とランニングコスト削減を同時に実現できます。また、アルミニウムは鉄に比べて熱伝導率が高いため冷却回路の必要性が低く、金型設計を簡素化しつつ早いサイクルで成形作業を回し続けることができます。

熱成形は真空成形や加圧成形等に代表される、加熱した樹脂製シートを成形する様々な成形方法の総称です。熱成形では様々な熱可塑性材料や複合材料を用いて製品を生産することができます。

熱成形用の金型製作には、既に多くの企業がSLA方式3Dプリントを利用しています。特に小ロット品やカスタム品、試作品の設計において、低価格・短納期を実現できるという理由です。また、3Dプリントでは金型の形状がどれだけ複雑であっても問題になることはなく、より大きな自由度をもって金型を設計できる点もメリットとなります。小型の金型製作にはデスクトップSLAプリンタForm 3+ が、最大335×200×300mmまでの大きな金型製作には大型SLAプリンタForm 3Lのご使用をおすすめします。

製品開発会社のGlassboardは、Draftレジンの造形スピードを活用し、金型やヘルメット外郭、パッケージ類等のポリカーボネート製品の試作品製作を高速化しています。同社はこの方法で、従来の製作方法では難しい複雑な形状をもつ金型や、金型内全面をより確実に真空引きするための細かな形状調整や穴あけ等も簡単に行えるようになりました。

コスメメーカーのLUSHでは以前、自社の人気商品のマスター原型を手作業で製作していました。しかし最近になって同社は高精細なテクスチャがデザインされた真空成形用の金型を、3Dプリンタで製作するようになりました。同社はアイデアを24時間以内に形にするというポリシーを打ち立て、毎年1,000を超える新しいデザインをテストしています。

3Dプリントによるラピッドツーリングは、カスタム品や多品種小ロット品を高いコスト効率で生産するには理想的な手段と言えます。3Dプリント製の金型を使った真空成形の例としては、他にも歯列矯正用の透明アライナー等があります。

炭素繊維等の高機能複合材は、3Dプリント製の金型上に手作業で積層することも可能です。3Dプリンタの中でも最も滑らかな表面と高い精度をもって造形が行えるSLA方式3Dプリンタは、このハンドレイアップ成形の型にも活用いただけます。

ベルリン工科大学の学生フォーミュラチームは、3Dプリント製の成形型に炭素繊維部品を手作業で塗り重ねて競技車両用の部品を製作しています。Tough 1500レジン製の成形型は、レイアップ成形を行う上で十分な強度と支持力を備えるだけでなく、炭素繊維の硬化後に型から部品を簡単に取り外せるだけの十分な柔軟性もあり、デザインの自由度という点にもメリットがあります。

3Dプリント製の金型によるラピッドツーリングは、樹脂やシリコン、ゴム製品の生産やインサートや内部機器のオーバーモールド成形にも活用できます。 

GoogleのATAPチームは工場での初期段階のツール調整にオーバーモールド成形製の電子部品の代替品として3Dプリント製品を採用した。

Google Advanced Technology and Projects（ATAP）ラボのデザイナーチームは、3Dプリントとインサート成形を導入することで、テスト期間を3週間から僅か3日間まで短縮し、10万ドル以上のコスト削減を実現しました。Google ATAPチームは高額な電子部品をサプライヤーから買い入れるのではなくテストパーツを3Dプリントした方が、製作時間もコストも大きく削減できることを発見しました。

また、米ブルックリンに本拠を置くスタートアップ企業、Dame Productsは健康関連グッズのデザインを行っています。同社はシリコンインサート成形を採用し、顧客向けベータ版試作品の内部装置を封入しています。Dame Productsの製品は、肌に無害で鮮やかな色彩のシリコンで包まれた複雑な人間工学形状をしています。

同社のエンジニアたちは、3～4つの3Dプリント製金型を駆使して1日に数十点の装置をインサートおよびオーバーモールド成形で試作しています。試作品のシリコンゴムを硬化させている間に次の試作品を脱型して次の充填の準備をすることができ、脱型した試作品の仕上げや洗浄作業も同時進行で行えます。顧客が試作品を試した後に同社に返却されると、その試作品は漂白された後シリコン部が除去され、内部装置は別の新しいベータ版試作品に再利用されていきます。

3Dプリントによる圧縮成形用金型のラピッドツーリングは、熱可塑性プラスチック、シリコン、ゴム、そして複合材製品の製造に採用されています。小型から中型サイズのパーツを試作する場合、3Dプリントは最も安価かつ高速な金型製作方法です。試作品をテストした後CADソフトウェアで設計を微調整し、再度試作を行ってまた検証するという反復検証サイクルも遥かに高速に回すことができます。3Dプリント製の圧縮成形金型は主に、熱を使わない圧縮成形用金型に使用されます。

キッチン用品ブランドOXOの商品開発チームは、3Dプリント製の金型による圧縮成形で2分割したシリコン部品を製作してガスケット等のゴム部品を試作するという形で3Dプリントを活用しています。

エンジニア、デザイナー、ジュエラー、ホビイストらは、間接または直接インベストメント鋳造、ピューター鋳造、砂型鋳造等の金属鋳造方法と3Dプリント製の原型を組み合わせる、あるいは3Dプリント製の鋳型に金属を流し込むことで、3Dプリントのスピードと柔軟性をフルに活用することができます。3Dプリントによるラピッドツーリングで製作された金属鋳造品は、従来の鋳造の数分の一の短時間かつ金属3Dプリントより遥かに安いコストで製造することができます。 

光造形（SLA）方式3Dプリンタには鋳造に対応した高精細材料が豊富にあり、従来型の鋳造方法に比べ、金属部品をデザイン上の制約なく、低コストかつ短時間で製作することができます。 

従来、インベストメント鋳造のパターン（原型）はワンオフ品や少量だけを作る場合は、手彫りか機械加工で作られていました。例えばジュエラーが3Dプリントで原型を直接製作できるため、他のプロセスでよくあるデザインや時間の制約を受けることはありません。 

砂型鋳造の場合も、インベストメント鋳造同様に原型を3Dプリントで製作できます。木材等の古くから用いられる材料に比べ、3Dプリンタでは非常に複雑な形状が表現でき、デザインからそのまま実際の鋳造が行えます。 

また、3DプリントではHigh Temp ResinレジンやRigid 10K Resinレジンといった高い耐熱性をもつレジンを材料として金型を直接3Dプリントすることも可能で、ピューター鋳造用の金型も同様の方法で製作できます。

鋳造は、金属以外にも医療機器やオーディオ機器、食品安全といった用途でシリコンやプラスチック製品の製造にも広く用いられています。

医療器具メーカーのCosmは、骨盤底障害を持つ各患者に合わせて個々にデザインされたペッサリーを製造しています。同社はSLA方式3Dプリンタで金型を製作し、その中に医療用の生体適合性シリコンを流し込んで製品を製造しています。3Dプリントによるラピッドツーリングにより、同社は従来のツ―リングに要した高額なコストを掛けることなくこれらのカスタム品を製造しています。

また、耳型が3Dプリントで製作できるようになったことで、補聴器や防音用イヤーマフ、カスタムメイドのイヤホン等、オーディオ分野にも革命的な進歩をもたらしています。デジタルマニュファクチャリングは、従来の金型製造方法よりも品質管理や精度調整がしやすいため、エラーや作り直しの回数を大きく減らすことができる点にメリットがあります。

3Dプリントによるラピッドツーリングは、板金加工にも興味深い好影響を与えます。その高い精度と滑らかな表面に特徴があるSLA方式3Dプリンタでは、高い再現性をもって高精度なツールを製作できるだけでなく、様々な機械的特性をもつ豊富な材料ライブラリから用途に合わせたレジンを選定することで、理想的な成形品を製造することができます。SLA方式のレジンはどの方向から負荷を受けても同じ強度を発揮する等方性を備え、負荷に晒された時の安定性の面でも他の3Dプリント材料よりも優れています。樹脂製のダイを使用した場合は金属のようにシートに痕が残らないため、樹脂製の金型製作では研磨作業を省くことができます。 

このメカニズムは通常の板金加工プロセスとよく似ていますが、その違いは上型と下型で構成される2分割の金型の設計と、製作方法が3Dプリントであるという点です。このケースでは新しいシートを上下の型の間に挟み、油圧プレス等の成形装置でプレスして成形を行っています。

3Dプリントは、幅広い用途のラピッドツーリングを最も安価かつ短期間で行える方法です。本記事の事例で見てきたように、直接的なラピッドツーリングでも間接的なラピッドツーリングでも、様々な方法で3Dプリントを活用し、従来の製造方法に使用する金型や治具等を作ることができます。

3Dプリントにも様々な造形方式がありますが、SLA方式は最も幅広い用途のラピッドツーリングに活用できる方式です。SLA方式での3Dプリント品は、高精度で高い水密性も備え、金型に不可欠な滑らかな表面に仕上がるため、金型や原型の形状が複雑で細かなデザインであっても正確に造形することができます。

SLA用高機能材料は、迅速・手軽に数百から数千のパーツを製造する強く、滑らかで高精細な金型や原型の製作作業にも簡単に導入できます。

ラピッドツーリングの内製化は、SLA方式3Dプリントを導入することで、かつてないほど簡単になっています。3Dプリンタ自体も安価で導入できる上、その操作は非常に簡単です。こうした環境を社内に整備すれば、ラピッドツーリングを24時間以内に完成させ、設計の反復検証を他のどのプロセスよりも高速で実施できるようになります。

機械加工は、従来型のツーリングやハードツーリングの最も一般的な製作方法と考えられています。また、その機械加工によるラピッドツーリング手法も開発されています。ラピッドツーリングを機械加工で行う場合、鉄やニッケル合金等の高耐久性の金属ではなく、アルミや樹脂ブロック、木材等を材料にするのが一般的です。

3Dプリント製の金型に比べ、軟質材料を切削して作られた金型はサイズの大きな金型やシンプルな形状の金型では非常に効率的である一方、設計が複雑になってしまうとコストも労力も大きくなってしまいます。アルミ製の金型は耐久性が高く、一般的に少量から中規模の生産、特に射出成形に使用されます。

3Dプリンタと比較すると、工作機械は高額で、習熟したオペレータが必要で、内製化には複雑なオペレーションを構築しなければなりません。特に1回限りのワンオフ品に試作を繰り返す反復検証が必要になった場合には、機械加工のラピッドツーリングではこの点が問題になってしまいます。そのため多くの企業では外部委託という形で機械加工によるツーリングを行っていますが、外注の場合は2-3週間の製作期間が必要となり、ラピッドツーリングの「ラピッド（迅速）」という要素が薄れてしまいます。