製品開発用ラピッドプロトタイピングのガイド

ラピッドプロトタイピングは、3次元のコンピュータ支援設計（CAD）データを使って物理的なパーツまたはアセンブリの縮尺モデルをいち早く作成することを可能にする一連の手法の集合体です。ラピッドプロトタイピングでは通常、パーツやアセンブリの製作には従来の削り出し（サブトラクティブ）ではなく、要素を重ねる（アディティブ）積層造形が用いられるため、アディティブマニュファクチャリングや3Dプリントと同義語と捉えられています。

アディティブマニュファクチャリングは、プロトタイピングにはとても相性の良い製法です。この製法は、フォルムにほとんど制限がなく、機械加工も不要で、伝統的な製法で製造された様々な材料の機械特性と非常に近い特性を持ったパーツの製作を可能にします。1980年代に誕生した3Dプリント技術は初期の頃、高額で複雑な技術であったため、導入できるのはほぼ大企業に限られており、当時の中小企業は3Dプリントの専門業者に外注し、反復検証の結果が出るのに数週間待つ必要がありました。

プロダクトデザイナーやエンジニアは、ラピッドプロトタイピングに様々な技術や材料が利用可能になったことで、初期のコンセプトモデリングから、エンジニアリング、有効性の確認試験や本番生産に至るまでの製品開発のどの段階でもラピッドプロトタイピングを有効活用できるようになりました。

コンセプトモデルまたは概念実証（PoC）用試作品は、プロダクトデザイナーが考案したアイデアや推測の有効性を見極め、製品の実現可能性を試験で確認するのに大いに役立ちます。物理的なコンセプトモデルは、プロダクトデザイナーが考案したアイデアを形にしてステークホルダーに見せ、その内容について議論し、ローリスクのコンセプト探求法を通じて、そのアイデアの是非を問うことができるようにします。

PoC用のプロトタイピングは、製品開発の非常に初期の段階で実施します。そこで作成された試作品には、製品開発をより具体的な方向に進む前に、初期の想定が間違っていないかを検証するために必要な最低限の機能しか備わっていません。

コンセプトモデリングを成功させるには、スピードが鍵を握っています。デザイナーは物理的なモデルを製作して評価作業を進められるようになる前に、多くのアイデアを発案し、吟味する必要があります。この段階では、製品の有用性や品質はまだそれほど重要ではなく、設計チームはできるだけ既製品を使ってアイデアの検証に着手します。

3Dプリンタは、コンセプトモデリングには最適なツールです。3Dプリンタがコンピュータに保存しているファイルを物理的な試作品に変換するまでに要するターンアラウンド時間は非常に短いため、デザイナーにはコンセプトの別バージョンを追加して試験する余裕も生まれます。また、デスクトップ型3Dプリンタは、製作所や製造工場に設置されている大半の機械設備と違って、オフィス内で必要とする専用スペースは非常に少なくて済みます。

外観確認用試作品は、抽象的なレベルで実製品を彷彿とさせますが、機能面の多くはまだ欠けている状態です。その利用目的は、実製品に求める見た目を更に良くするアイデアを生むための叩き台としての役割を果たすことであり、エンドユーザーがその製品をどのように扱うかをより深く理解できるようになることです。外観確認用試作品は、実製品に備える機能を本格的に作り込むために多くの時間をより詳細な設計やエンジニアリングに費やす前に、エルゴノミクス、ユーザーインターフェースや全般的ユーザーエクスペリエンスの検証を活用できます。

外観確認用試作品の作成は通常、スケッチ画、発泡体や粘土模型から始まり、それからCADモデリングに移っていきます。設計サイクルが一回目の反復検証から次のサイクルに移るまでの間、プロトタイピングはデジタル設計データと物理的なモデルの間を行ったり来たりしながら、修正や改良が繰り返されます。設計が最終段階に近づくにつれ、工業デザイン担当チームは、製品仕様で実際に指定されている色、材料や仕上げ材（CMF）を使って、外観確認用試作品をできるだけ実製品に近づけることを目指します。

エンジニアリング担当チームは、工業デザイン工程と並行して、製品に組み込む機械系、電気系、熱系統のシステムを試験し、反復検証を繰り返し、改良を加えるための別の試作品をもう一式作成します。機能確認用試作品は、外観的には実製品と似ていないかもしれませんが、その中には、実製品に組み込まれる中核技術や主要機能を開発して試験できるようにするために必要な要素が盛り込まれています。 

重要な中核機能は多くの場合、別のサブユニットで開発され、そこで試験を重ねてから、単一製品として一体化された試作品に統合されます。このようにサブシステムを使って製品開発を進める手法は、実製品に入るすべての要素を組み込む前に、各機能系統の開発担当チームの責任を分担させることで、より細かな粒度までそれぞれが担当する機能の信頼性を高める作業に専念しやすくします。

^{Formlabsの大容量SLA光造形3DプリンタForm 3Lの初期段階における機能確認用試作品}

エンジニアリング用試作品は、プロダクトデザインやエンジニアリングのチームが、社内で企画している実製品を商品として市場に出せるようにする最低限の要素を盛り込んだ製造に適合させた設計（DFM）を実現させるための試作品です。こうした試作品は、製作所や研究所で選抜された代表的なユーザーグループと実施するユーザー試験、設計開発内容がより具体的になる加工段階を受け持つ専門技師とのコミュニケーションや営業部門との初期のミーティングで披露するデモなどに使用されます。

この段階からは、エンジニアにとって、設計内容の細かなディテールがより重要になってきます。3Dプリントを活用すれば、実製品に一段と近づける高忠実度の試作品を容易に製作できるようになります。3Dプリントで製作する高忠実度試作品は、設計を変更することが時間的にも費用的に段々難しくなる先に高額な機械加工の工程や本番生産に移る前に、設計通りに製造可能なのかを確認したり、フィット感や機能性の検証を行いやすくします。

高度な3Dプリント用材料を使えば、射出成形などの伝統的な製造工程で製作されたパーツの外観や感触、材料特性に非常に近づけることができます。ディテールの凝った造りや複雑な構造、表面の柔らかさ、滑らかさや低摩擦性、硬くて頑丈な筐体、透明な部品など、様々な特徴を持つパーツを模倣できる材料が開発されています。3Dプリント品は研磨や塗装や電解めっきといった表面処理で実製品の外観に近づけることができ、複数の部品や材料を組み合わせたアセンブリを作れるようにネジ穴やネジ山などを設けることも可能です。

エンジニアリング用試作品として製作するパーツまたはアセンブリは、実製品が実際に置かれる外的環境や条件の下で想定通りに機能するかどうかを確かめるために実施する広範囲に亘る機能試験や有用性試験に耐えられるように造らなければなりません。今では、様々なレベルの熱応力や化学的・機械的ストレスに耐える高機能試作品をいわゆるエンジニアリングプラスチックを使って3Dプリントすることが可能です。 

小ロット量産やワンオフ品、サブアセンブリ用の設計や各種検証試験（EVT、DVT、PVT）用の試作品を製作する必要があるエンジニアたちは、ラピッドプロトタイピングを通じて製造可能性を確認することができます。

3Dプリントは、大量生産に移る前に社内や現場で、実際の製造工程で求められる条件を念頭に置いた、総合的な実施試験を実施しやすくします。

ラピッドプロトタイピング用に3Dプリントした試作品は、射出成形、真空成形やシリコン成形といった従来工法と組み合わせることで、生産プロセスの柔軟性、俊敏性、拡張性やコスト効率性を高めることもできます。3Dプリントによるラピッドプロトタイピングは、特注の冶具や固定具の試作品を短期間に繰り返し製作しながらデータを蓄積していくことで、機能試験や認証試験を簡素化することができる効率的なソリューションにもなります。

3Dプリントの場合、生産が開始した時点で、設計を更に改良する作業を必ずしも止める必要はありません。プロダクトデザイナーやエンジニアは、ラピッドプロトタイピング用のツールを使えば、生産を開始してからでも設計変更や微調整を容易に続けられます。生産ラインで製品に組み込む治具や備品に不具合が発生しても、すぐにその問題に効果的に対応できるため、組立工程や品質保証プロセスを効率化し、製品の継続的な品質向上を最終段階まで確実に図ることができます。

ラピッドプロトタイピングは実質的に、アディティブマニュファクチャリングや3Dプリントと同義語として捉えられています。今では様々な方式の3Dプリントが利用可能で、中でも最も広く普及しているラピッドプロトタイピング用の3Dプリント方式はFDM（熱溶解積層）方式、光造形方式と、SLS（粉末焼結積層造形）方式が挙げられます。

FFF（熱溶解フィラメント）方式とも呼ばれるFDM方式の3Dプリントでは、 熱可塑性樹脂のフィラメントを溶解させ、プリンタのノズルから押し出して積層していきます。

FDMは模型製作を趣味にするユーザー向けの3Dプリンタの需要の高まりと共に、消費者の間で最も広く活用されるようになった3Dプリント方式です。プロ仕様のFDMプリンタになると、プロダクトデザイナーやエンジニアの間でも広く使われています。

精密性や精度という点では、FDMは樹脂3Dプリント方式の中では最も低いため、精密で複雑な形状のデザインやモデルをプリントするのに最適な方式とは言えません。FDM方式でのプリント品をより上質に仕上げたい時は、化学的あるいは機械的な研磨を後処理工程に加えることをお勧めします。プロ仕様のFDMプリンタの中には、こうした品質面の課題を軽減するために水溶性のサポート材を使ってプリントできる機種も存在します。

FDM方式の3Dプリント用材料としては、ABSやPLAといった標準的な熱可塑性樹脂、またはそのブレンド材が使用できます。ハイエンドのFDMプリンタになると、より幅広いエンジニアリングプラスチックにも対応し、中には炭素繊維などの複合材やPEEK材などのスーパーエンプラを使用できる機種もあります。FDMプリンタをラピッドプロトタイピングに使用する場合は、従来では機械加工で製作するような比較的シンプルな形状の場合に特に有効です。

SLA光造形方式の3Dプリンタは、レーザーを用いた光重合という化学反応を利用して光硬化性の液体レジンを硬化させることで造形します。SLAは、解像度、精度や利用可能な材料の汎用性がいずれも高いため、3Dプリントの専門業者の間で最も広く活用されている方式の一つです。

SLA方式でのプリント品は、樹脂材料での3Dプリント方式の中で最高の精密性と精度、表面品質を備えます。そのためSLA方式は、その表現に対する要求水準の高い外観確認用および機能確認用の製作に最適な3Dプリント方式です。

しかし、SLAを使う最大のメリットは実はそこではなく、利用可能な材料（レジン）の幅が非常に広い点にあります。多くの材料メーカーが提供する一般的な熱可塑性樹脂やエンジニアリングプラスチックに備わる機械的特性や熱的特性に相当する高い機能を持つよう調合された、画期的なSLA用の光硬化性レジンが数多く開発されています。

例えば、FormlabsのDraftレジンでのラピッドプロトタイピングは、最高でFDM方式の3Dプリントより10倍速くプリントすることができます。

SLS（粉末焼結積層造形）方式とは、様々な業界のエンジニアや製造業者から強度がある機能的な製品やパーツを製作できる方式として信頼される方式ですが、その最大の特徴は金型レスでの小ロット量産に対応する方式である点です。

SLS方式3Dプリンタは、高出力レーザーで高分子ポリマーを焼結することで1層毎に造形を行います。プリント中は、造形品周囲に残る未焼結のパウダーが造形品を支える形になるため、サポート材が不要になる点も大きな特徴です。SLSは、複雑な内部構造や成形ではアンダーカットになってしまう形状、薄肉の壁やエンボス構造等、複雑な形状の造形に適しています。SLS方式での造形品は、射出成形品に匹敵する高い強度や優れた機械的特性を有します。

ラピッドプロトタイピングの現場ではSLS方式の3Dプリントは主に、本物のように機能確認用試作品や過酷な条件の機能試験またはお客様からフィードバックを得るための実地試験に必要になるエンジニアリング用試作品（例、配管、ブラケット）の製作に活用されています。

コンピュータ数値制御（CNC）加工機はFDM、SLAやSLSなどの3Dプリンタと違い、いずれも削り出しによるサブトラクティブマニュファクチャリングです。CNC加工での製作工程は、まずブロック状、シート状や棒状のプラスチックや金属などの材料を準備するところから始まります。次にその材料を機械加工による切削を行いながら求める形状を得ます。

機械加工には、固定したワークを回転式の工具で削るフライス加工や、固定した旋盤にワークを回転させて削る旋盤加工があります。レーザーカッターを使えば、幅広い種類の材料に彫刻やカッティングを行うことができます。また、ウォータージェットカッターでは、実質的にほぼすべての材料に高圧噴射した水のブレードで研磨、切削が行えます。CNCのフライス加工機や旋盤の中には、より複雑な加工が行える多軸式のものもあります。レーザーやウォータージェットカッターは、どちらかと言うと、フラットな形状のワークを加工するのに向いています。

CNC加工機では、樹脂、軟質金属、硬質金属、木材、アクリル、石材、ガラスや複合材など幅広い材料を加工することができます。アディティブマニュファクチャリング用のツールと比較すると、機械加工は加工開始までのCAE等のセットアップや機器の操作も複雑で、中には特殊なツールや操作方法、設置環境や処理方法などと共に作業を行う必要がある場合もあり、一度しか製作しないワンオフ品の製作などでは、3Dプリントよりもコストが割高になってしまいます。

ラピッドプロトタイピングの現場では、機械加工はシンプルなデザインや構造の部品、金属部品や3Dプリントでは製作できない種類の部品の製作に適しています。