3Dプリンターでアイデアを形に

ラピッドプロトタイピングとは?特徴や3Dプリンターと活用するメリットを解説

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングとは?特徴やメリットについて解説

製品を開発するためには、アイデアやデザインに改善すべきところがないか、試作品で検証することが重要です。しかし、十分な時間や予算がとれないケースは珍しくありません。

そんなときに活用したいのが、「ラピッドプロトタイピング」です。今回は、ラピッドプロトタイピングで用いられる3Dプリンターの方式とどんなメリットがあるのか解説します。

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングとは?

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングとは?

ラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping) とは、「高速(Rapid)」に「試作(Prototyping)」を行うという名称の通り、製品開発の初期段階で素早く試作品を製作する技術や手法を指します。この手法により、設計の確認や改善を効率的に行うことができます。

具体的には、CADソフトウェアやスキャナーで製作した3Dデータを使い、3Dプリンターを活用して試作品を短時間で製作する手法などがあり、迅速に物理的なモデルを製作することで、設計の確認やフィードバックを早く得ることが可能になります。また、試作段階での修正も容易であることも含め、従来の製造方法に比べてコストを抑えられる点も大きな利点です。

ラピッドプロトタイピングで用いられる3Dプリンターの方式

ラピッドプロトタイピングで用いられる3Dプリンターの方式

近年は、3Dプリンターの普及が進んでいくなかで、ラピッドプロトタイピングの技術が身近なものになりました。ラピッドプロトタイピングで用いられる3Dプリンターの造形方式には、どのようなものがあるのかについての情報をお届けします。

熱溶解積層(FDM/FFF)方式

熱溶解積層(FDM/FFF)方式は、熱で溶かした樹脂を一筆書きのようにして、積み重ねていく方法のことです。造形の仕組みがシンプルなため、比較的低コストで、手軽にデジタルデータから立体物を製作することができます。

もし、製品の素材が熱で溶ける熱可塑性樹脂であれば、同じ素材で試作品を作ることができます。FDM/FFF方式は、XY方向とZ方向で強度が異なるため強度が必要な試作を行う場合は、積層方向に注意した試作品の検討が必要です。また、寸法精度は光造形方式などに比べると劣ります。

光造形方式

光造形方式は、紫外線によって硬化する光硬化樹脂に紫外線レーザーをあてながら、1層ずつ硬化させていく方法です。光照射後はすぐに樹脂が硬化するために、造形スピードが速く、複雑な造形であっても、短時間で細部まで再現することができます。また、造形エリア内で複数個の造形も同時に行えるのも光造形方式のメリットです。

光造形方式は、より表面凹凸や形状精度の高い試作品を作りたい場合に適していますが、その一方で、使える材料が限られています。また、熱溶解積層(FDM/FFF)方式に比べて、3Dプリンターの機器が高価になる傾向であることもデメリットといえそうです。

光造形方式について、詳しくは「光造形3Dプリンターとは?基礎知識を解説」をご覧ください。

インクジェット方式

インクジェット方式は、プリンターの印刷技術を応用した、インクの代わりに少量のUV硬化性樹脂を吐き出させることで積層していく方法です。

ヘッド幅方向に複数のノズルがあるため、面で造形できるのがインクジェット方式の特徴です。積層ピッチを細かくできるので、表面の質感をなめらかにし、微細に造形できるという利点があります。また、通常のインクジェットプリンターと同じように、フルカラーでの造形も可能です。その一方で、サポート材の使用が通常より多く必要になり、コストが高くなる傾向があります。また、太陽光による劣化が起こりやすいため、耐久性が低いのがデメリットです。

粉末焼結造形方式

粉末焼結造形方式とは、造形ステージ上に薄く敷いた粉末にレーザーを照射し、樹脂材料は焼結、金属材料は溶融させ積層造形する方式のことです。高精度かつ高強度な造形が可能となるほか、樹脂だけでなく、アルミニウム合金やステンレスなどの金属や、近年では、銅やチタンなど一部の金属にも対応しているため、最終製品や鋳型の製造にも活用することができます。

また、金属の造形では、材料の融点が高く高出力のレーザーで造形をするため、熱変形を防ぐ目的でサポート材が必要ですが、樹脂の造形では、材料の融点がひくいためサポート材の必要はありません。いずれも粉末を除去した後の造形物には、研磨やブラスト処理などの後処理で表面を整えることもできます。

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピング活用のメリットとデメリット

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピング活用のメリットとデメリット

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングの活用には、どんなメリットやデメリットがあるのか解説します。

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングのメリット

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングのメリットは、スピーディーに試作品を作成できることです。

どれだけスケジュールに余裕がなくても、新製品を開発する場合には、デザインや機能を事前に確認するための試作品作りが欠かせません。しかし、従来のような粘土や木材、金属などの材料を使用し、職人が製作するまでの時間や費用がない場合もあるでしょう。

3Dプリンターでは、3Dデータをもとに試作品を作るため、想定通りの形状や素材で、わずか1日で試作品を作れる場合もあります。試作品が早くできれば、機能の評価やデザインの修正などにも、いちはやく対応できます。そのため、3Dプリンターを用いることで、全体的な設計期間の短縮へとつながっていきます。

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングのデメリット

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングのデメリットは、素材や造形方法が限られることです。実際の製品と素材や加工方法が異なる場合は、素材の物性や量産適用にも十分留意して、試作品による検証を進めていく必要があります。また、納期やコスト面も踏まえて、3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングによる試作品の製作が有効なのかを検討してみてください。

ラピッドプロトタイピングに3Dプリンターを用いることの事例

ラピッドプロトタイピングの事例

ラピッドプロトタイピングは、さまざまな分野で活用されています。

製品デザイン

家電などの製品のデザインでは、製品の外観や操作性を検討するために3Dプリンターで試作品を製作します。これにより、デザインの確認や改善が容易になります。

自動車産業

自動車メーカーは、新しい車両のデザインや機能を評価するために、物理的なモックアップや仮のコンセプトモデルを3Dプリンターで製作することがあります。これにより、デザインの確認や改善が容易になります。

医療機器

医療機器の設計では、患者と医療プロフェッショナルの利用を想定したプロトタイプが作成されます。患者のフィードバックや医療従事者の意見を取り入れつつ、3Dプリンターで試作品を制作し、最適な形状の検討を行う事ができます。最近では生体適合性材料も出てきており、今後も医療分野へ3Dプリンターの活用拡大が期待されています。

そのほか、ロケットのパーツ作りや、ロボットアームの先端形状など、多岐にわたる分野で、ラピッドプロトタイピングの技術が活用されています。

『3D-FABs』がラピッドプロトタイピングをサポート

3D-FABsで3Dプリント試算×造形シミュレーション。試算結果がすぐわかる・3Dモデルの改善点もすぐわかる。3D-FABsへ

3Dプリンターを活用したラピッドプロトタイピングの概要や試作品づくりにおけるメリットについてご紹介しました。ものづくりの現場で、よりスピーディーな対応が求められている中、3Dプリンターによるラピッドプロトタイピングは今後、現場でますます重宝されることでしょう。

3Dプリンターで試作品を作る前に、3Dデータのブラッシュアップをする際には、ぜひオリックス・レンテックが提供する、学べる見積サイト・3Dプリントソリューション「3D-FABs」をご利用ください。手元にある3Dデータをアップロードすると、オリックス・レンテックが培ってきたノウハウをもとに、AIが自動判定して造形のポイントや改善点をアドバイスします。

また、3Dプリンターで造形物をイメージ通りに造形するには、最適な材料と造形方式を選ぶ必要があります。「3D-FABs」では、金属3Dプリンターでは2種類、樹脂3Dプリンターでは3種類を用意しており、金属・樹脂併せて計10種類の材料を選択可能です。また、3Dプリンターと材料を組み合わせて何度でもシミュレーションや試算ができます。予算や内容に応じて、適した材料と造形方式を選びましょう。

「3D-FABs」についてさらに知りたい方は、「学べる見積サイト・3Dプリントソリューション『3D-FABs』とは?その活用ポイントに迫る」を、実際の操作については「『3D-FABs』を使えば、誰でも3Dプリンターのノウハウを学べるのか?? 初心者ライターが検証」をご覧ください。

写真/Getty Images