プラスチック試作品の作り方

アイデアを実際の製品に発展させるためには、綿密なプランニングが必要です。エンジニアとデザイナーは、プラスチック試作品を使用して、対象物の動作を確認し、製品の美観を検討し、最終的な生産に進む前に顧客の反応を収集します。第一金型の製品プロトタイプ技術は、機能性能評価と投資家への公開を可能にする多機能を提供する。この方法によって、消費者の受けが良くなり、最適な設計開発と調達のワークフローが明確になります。

企業は様々なプラスチック試作品製造方法を通じて、最終製品に近い高品質の試作品を製造する。Firstmoldの標準的な技術には、3D印刷、CNC機械加工、高速射出成形などがあります。企業が適切な材料とプロトタイプ技術を選択することで、生産コストを削減し、リスクを最小限に抑えることができるため、ソリューションはより費用対効果が高く、効率的になります。プラスチック・プロトタイプの完全なプロセスは、目的の定義と材料の選択を含む4つの重要なセクションで構成されています。そして、最終的な最適化ポイントに到達する前に、テストへと進みます。

なぜプラスチックプロトタイプが必要なのか？

エンジニアやデザイナーは、プラスチック・プロトタイプを使用して、設計プロセスと大規模生産の間にコンセプトを結び付けます。製品の物理的なバージョンは、チームが初期の開発段階で、その外観、機能、生産準備を評価することができます。この積極的な手順により、設計者は製品を改良し、生産リスクを低減することができる。プラスチック・プロトタイプが有用な理由は以下の通りです。

デザインの視覚化

プロトタイプは、デジタル・デザインを物理的なタッチポイントに変換します。なぜなら、デザイナーはプロトタイプを使用して、美学、人間工学、そして実地でのインタラクションにおけるフォルムの存在感を評価するからです。物理的なモデルとのインタラクションにより、設計者は設計上の問題を認識し、製品の寸法を最適化し、製造前に使い勝手を向上させることができます。ハンズオン評価を通じてプロトタイプをテストすることで、設計の機能性、外観の基準、構造や材料に関連する問題の特定など、製品の品質検証が可能になる。物理的なテストアプローチにより、設計者はデジタルモデリングだけでは検出できない実世界の状況を観察することができます。プロトタイプを繰り返し作成することで、効率性とともに製品の品質とユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。

テストと改良

エンジニアは、プラスチック製プロトタイプモデルを製造することで、実際の運用評価の可能性にアクセスすることができます。エンジニアは、設計が性能基準を満たすことを検証するために、材料の挙動とともに耐久強度をテストします。初期の製造段階で試験を行うことで、エンジニアは弱点を発見することができ、後の開発サイクルで重大な問題が発生するのを防ぐことができます。プラスチックプロトタイプを試験することで、エンジニアは構造強度を向上させながら、より良い材料を製品に選択し、客観的なデータ分析を通じて設計を改善することができます。迅速な設計変更は信頼性と効率を向上させ、より強力な最終製品を生み出します。繰り返される評価プロセスにより、設計が仕様どおりに機能することが保証され、完全な製造スケールに進むことができます。

機能の最適化

プロトタイプの目的は、コンポーネントの動作方法を検証し、正確なフィットとアライメントを確認し、システム性能をチェックすることである。機能性の評価と問題の特定により、エンジニアは必要な修正を実施する。量産を開始する前に設計を洗練させることで、効率と使いやすさを向上させた製品品質の向上が可能になります。

製造性の向上

製造作業では、予期せぬ製造上の問題がしばしば発生する。メーカーがプラスチックのプロトタイプを製造する際、材料のばらつきや寸法の複雑さから生じる製造上の問題を検出します。エンジニアは、生産方法を簡素化し、高価な時間の遅れを最小限に抑えるために、早期の予防によって生産上の問題を事前に解決します。

プラスチックプロトタイプの各業界における応用シナリオ

自動車産業への応用

自動車会社は、将来の内外装部品をシミュレートするために、プラスチック試作品を頼りにしている。エンジニアのチームは、有限要素解析（FEA）と実際のフィールドテストを使用して、部品がどのように組み合わされ、どの程度の耐久性があり、どの程度堅固であるかを評価する。

テストエンジニアは、引張強度、耐衝撃性、熱膨張などの部品の機械的特性を評価し、応力要因や温度変化に対する材料の耐性を検証します。プロトタイプのテストでは、射出成形で作られた製品の反りや収縮、部品の弱点などの潜在的な問題が明らかになるため、金型設計を改善することができます。エンジニアは、外装部品のエアロダイナミクスを最適化するために、業務の一環として数値流体力学（CFD）シミュレーションを活用しています。

すべてのファスナー、接着剤、電子アセンブリ間のシームレスな接続性と相互運用性を可能にするために、部品が既存のシステムとどのように統合されるかを試験で実証します。製品メーカーは、最初の製品開発時に設計を修正することで、製造の無駄を省き、運用効率と車両性能の向上を促進します。

医療業界への応用

メディカル・エンジニアの仕事は、医療機器や手術器具の開発段階を通して、その進歩に役立つプラスチック・プロトタイプを製造することです。製造チームは、性能基準とともに材料の安全性のために医療用プラスチックの特性試験を行い、生体適合性評価を行います。医療従事者や外科医は、プロトタイプを通して実際の使い勝手や快適さを確認することができるため、デザインの人間工学を評価することができます。

エンジニアは、正確な仕様に到達するために、伸縮能力、強靭性、運動特性を評価する。CNC機械加工と積層造形技術を組み合わせることで、ラピッドプロトタイピングによるカスタマイズされたインプラント、診断用医療機器、義肢装具の開発がスピードアップします。プロトタイプを改良するエンジニアは、医療製品開発の進歩とともに、医療安全基準と手順の精度を向上させます。

コンシューマー・エレクトロニクス

家電製品の筐体やボタン、その部品の評価は、エンジニアが使用する機器としてのプラスチック試作品に依存している。彼らは、性能と信頼性を保証するために、適切なフィット感、耐久性、放熱特性をチェックする。

プロトタイプの利点には、衝撃に対する強度や構造的な安定性パラメータを確認する材料テストが含まれます。エンジニアはボタンの触覚反応を検査し、ユーザーが均一なタッチインタラクションで一貫した反応を得られることを確認します。

電子筐体性能の最適化は、温度シミュレーションプログラムを通じて行われ、システムのエアフローと熱管理を改善します。スナップフィットやスクリューフィットのコンポーネントの設計は、より良いアセンブリアプローチのためのプロトタイピング技術によって改善されます。生産を通じて設計上の問題を解決するメーカーは、優れた製品品質を生み出すと同時に、寿命を延ばし、大量生産をより効果的にします。

航空宇宙

航空宇宙設計に携わるエンジニアや、軽量コンポーネントを構成するためのプラスチック試作品を開発するエンジニアも、強化された性能特性を実証している。スモークテストは、空気力学、構造強度、信頼性を目的とした熱耐性の3つの要素を評価します。

積層造形法による複雑な部品の製造は、迅速な試作品を生み出し、生産時間の短縮とともに製品の無駄を削減します。エンジニアは、耐久性を向上させるために、引張強度、耐疲労性、振動減衰性の試験を実施します。

数値流体力学（CFD）シミュレーションにより、エンジニアは気流管理や熱制御の評価を通じて、重要なコンポーネントの性能を向上させることができます。プロトタイプは、研究者がコンポーネント、金属、複合材料間の相互作用の程度を特定することを可能にする。

材料の選択は、航空宇宙産業における重要な側面のひとつである。プラスチック試作品のような材料を適切に選択することで、生産性が向上する。そのような材料は、飛行機の重量を減らすのに役立ち、航空宇宙産業の運用効率を高めることができます。

産業機器への申請

プラスチックプロトタイプは、その幅広い用途を通じて工業生産で十分に機能する。工場設備の大部分は正確な精度レベルに依存している。機械の欠陥は、産業施設全体で報告される事故のほとんどにつながる。これらの3つの重要な要素を決定することは、エンジニアが機械を設計する際に不可欠です。プラスチックプロトタイプは、このような用途で使用する際に必要なツールです。

プラスチック材料は、厳しい熱と激しい摩擦の条件下で最高の機能を発揮する産業機器の動作を試験し、定義することを可能にします。部品設計の際に洗練された手法を採用することで、組み立ての仕組みが改善され、摩擦が低減されるため、機械的な出力が向上します。FEA解析により、期待耐用年数前に製品が故障する可能性のある領域を特定することができます。

プラスチック・プロトタイプの作成手順

ステップ1：目標と要件の定義

適切なゴールは、エンジニアリング・デザインに不可欠な要素である。プラスチック・プロトタイプの作成中、エンジニアはゴールを定義することから始めなければならない。ゴールは、プロトタイプの要件とリンクさせることができる。ゴールは、プロトタイプが解決すべき問題に由来する。試験用のプロトタイプの検査能力は、その機械的特性が最終的な製造製品に期待されるものとどれだけ一致しているかに大きく依存する。ビジュアル・デモンストレーション・プロトタイプの主な目的は、高い表面品質と正確な部品細部を達成することです。ユーザーフィードバックのプロトタイプでは、人間工学と外観を改善する必要があります。

プロジェクトの資金的な制約により、使用する材料、生産技術、設備費用が決定される。3DプリンティングとCNC機械加工のどちらを選択するかは、試作品の数量要件によりますが、射出成形は大量生産に不可欠となっています。製品の品質に影響を与えない手頃な製造方法を選択することが、経済的な持続可能性につながる。以下は、試作品作成の総コストを決定するための方程式である。

C_合計=C_m+C_p+C_頁

C_合計 は総コストである、 C_m は原材料費である、 C_p は処理コストであり C_頁 は後処理費用である。

現実味を帯びるように設計されたタイムラインは、プロジェクトの進行を維持するのに役立つ。プロジェクトでは、設計から製造、テストに至るまで、すべての開発フェーズの時間的制約を定義しなければならない。製造スケジュール全体は、材料調達、機械加工作業、後処理作業のリードタイムに依存する。プロジェクトの総時間は次のように与えられる：

T_合計=T_d+T_m+T_t

T_合計 は設計時間である、 T_m は製造時間であり T_t はテスト時間である。 

ステップ2：3Dデザインとモデリング

3Dモデルの精度レベルは、プラスチックプロトタイプを成功させるために必要なすべての重要な品質基準を確立します。コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアプログラムにより、エンジニアはアプリケーションのツールを使用して改良されたプロトタイプ設計を作成することができます。適切な最適化を経た設計により、製品は効率的に製造され、優れた性能をリーズナブルな価格で提供することができます。

正しいCADソフトウェアの選択

優れたプロトタイプの製造は、エンジニアが精密な3Dモデルを設計できる高度なCADプログラムにかかっている。

SolidWorksは、機械設計や工業設計のための強力なパラメトリック・モデリング機能を備えていますが、Fusion 360は、クラウドコラボレーションを必要とするサーフェスモデルに使用する場合に最も輝きます。Fusion 360は、2D製図やシンプルな3Dモデリングアプリケーションに最適な機能を備えています。CATIAとNXの2つのプログラムは、その強力な機能により、高精度の工業用および自動車用アプリケーションに対応しています。設計にフィーチャーベースのモデリングを使用することで、開発者は幾何学的な制約を設定し、公差を設定し、設計意図を定義することができ、それによってソリッドで生産可能なプラスチック・プロトタイプを作成することができます。

製造性の最適化

製造可能なプラスチックのプロトタイプを作成することで、製造上の問題が減少し、製造コストも削減されます。設計時に考慮すべき主な要素には、サポートされていない構造やオーバーハングを減らすことが含まれます。3Dプリント部品に45度を超える角度の張り出しがあると、サポート構造が必要になり、材料の無駄とプリント後の手順時間が増加します。はみ出し角度の許容限界は、次の角度で最大に達します：

θ_マックス≈45°

支持の必要性を最小限にするため、オーバーハングが避けられない場合は、セルフサポート・アングルやデザイン・フィレットを組み込むべきである。低品質の壁は、応力がかかると反ったり壊れたりするので、肉厚を正しく検査することが基本的に重要である。製造工程では、材料円周の仕様の最小要件を維持する。

均一な肉厚を維持することで、バランスの取れた冷却と低い応力発生が可能になります。不必要な材料重量を発生させることなく、薄肉部の弱点に対抗するためにリブ補強を正しく利用すべきである。鋭角の内部コーナーの形成は、局部的な応力蓄積を招き、材料破損の可能性を高めます。フィレットは、応力分布を材料全体に広げるのに適しています。応力集中係数（SCF）の計算は以下のようになる：

K_t​=1+2(r/d)

射出成形部品に推奨される最小フィレット半径は0.5×肉厚で、故障リスクの低減とともに部品の耐久性を向上させる。

強度、美観、機能性の確保

プラスチックプロトタイプの製造に携わるエンジニアは、美観と機能テスト機能を構築しながら、構造的完全性の手法を確立する必要があります。有限要素解析（FEA）は基本的な力のシミュレーションを可能にし、研究者がシステム全体のフォンミーゼス応力分布を評価することを可能にします。

σ_v=√[(σ₁-σ₂)²+(σ₂-σ₃)²+(σ₃-σ₁)²]/2

どこ σ₁, σ₂そして σ₃ は主応力である。材料は、応力が降伏強さ（σ_yield）以下の場合にのみ破壊する。

部品に施される表面テクスチャは、射出成形部品の不完全さを目立たなくし、問題仕上げとともに、まぶしさの問題や指紋の汚れを解決します。視覚的なプロトタイプは、高度な品質を達成するために、コーティングや研磨処理を含む仕上げ処理が必要です。

ステップ3：プロトタイピング方法の選択

プラスチックプロトタイピングプロセスの速度、精度、費用対効果に見合う複数の技術が存在する。三次元印刷法であるFDM SLAとSLSは、プラスチック部品を作るための製造技術を提供します。

これらの技術は、開発サイクルを早めるとともに、複雑な形状を作り出す。迅速で予算に優しいソリューションは、同時に数個のアイテムを作るのに最適です。CNCマシニングは、優れた耐久性と繰り返し精度を実現するため、高精度のプロトタイプを製造するための主要な方法であり、機能テストや機械的検証に最適です。

ファーストモールドを含む企業は、プラスチックプロトタイプの生産形態として、高速金型射出成形の恩恵を受けている。この技術は、高品質の大量生産の開発を強化します。組織は、生産要件のための競争力のある価格の利点を享受しています。小ロットの製造のために、真空鋳造プロセスは、様々な柔軟な材料の選択肢を提供しながら、射出成形の仕様を複製するので、卓越した結果を生成します。

ステップ4：素材の選択

適切なプラスチックの選択は、プラスチック試作品に要求される機械的特性、熱的挙動、美的品質を得る成功を左右する。家電製品や自動車部品は、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）を材料として使用しています。

ステップ5：DIY vs. アウトソーシング

プラスチック原型を組織内の生産ラインで製造するか、他のメーカーに委託するかは、多くの要因によって決まります。ファストモールドはこれらの製品の生産に携わっていますが、さまざまな部品の一部は外注しています。エンジニアとして、材料の入手可能性、生産時間、製品の緊急性など、生産の要因を評価しなければなりません。

例えば、明確な生産ラインと機械があれば、First Moldは主に外注ではなくDIYを考慮する。開発の初期段階や迅速な設計変更は、DIYプロトタイピング手法の最高のパフォーマンスを示しています。手持ちの3DプリンターやCNCマシンを使って組織内でプロトタイピングを行うことができ、同じような予算レベルでより良いコントロールと迅速な結果を提供することができます。DIY技術は、高精度、厳しい公差、高度な材料性能を持つコンポーネントを製造する上で弱点を示しています。

高精度、複雑な形状、メーカーグレードの品質を必要とするプラスチックプロトタイプの製造には、専門メーカーを選択すべきである。専門業者は、高精度のCNC機械加工、射出成形、工業用グレードの3Dプリント機能を提供することで、社内設備を凌駕します。専門メーカーは、アウトソーシングを通じて、多様な仕上げオプションや後処理方法とともに、顧客が多数の材料にアクセスすることを可能にする。プロバイダーによってリードタイムやコスト構造が異なるため、アウトソーシングの計画プロセスには注意が必要です。

アウトソーシングのためのベンダーを獲得するためには、価格要素、構築期間と生産能力、および消費者の証言に焦点を当てた評価が必要です。メーカーが業界標準に従って運営されているかどうか、また、決められた期間を通して一貫した納品を提供しているかどうかを確認しましょう。

ステップ6：テストと反復

プラスチック・プロトタイプの製造は、テストによって重要な局面を迎える。テストは、デザインが機能的な要求を満たしているかどうかを実証します。試験はまた、製品が機械的要件や美的基準を満たすことを保証します。機能テストによる主要要素の評価では、実際の状態を再現するシミュレーションを使用して、製品リリース前に弱点を検出します。エンジニアは、有限要素解析（FEA）を導入して、応力がどのように分布し、構造物全体がどのように変形するかを予測します。物理試験により、メーカーは選択した材料の落下試験耐荷重試験や熱応力耐性評価を通じて、製品の完全性をチェックすることができます。

製品の機能に関する顧客の意見は、より良いプロトタイプを開発するための基本である。エンドユーザー、エンジニア、利害関係者を対象としたラボ試験は、ユーザビリティに影響するシステム関連の問題を特定すると同時に、ユーザーフレンドリーな外観の変更を検出する貴重な能力を実証する。モビリティ要素テストは、製品要件を満たすために、機能効率、組み立てやすさ、触覚に取り組むべきである。プロトタイプは、実世界のアプリケーションからの直接的なインプットを通じて、複数の性能アップグレードの恩恵を受け、その結果、エンドユーザーの使い勝手が向上する。

設計強化戦略の最初のステップでは、受け取ったフィードバックからデータを収集します。エンジニアは、公差を変更し、形状を改善し、設計修正を実施することによって、新しいバージョンを生成する前にCADモデルを修正します。製品を繰り返し改良することで、メーカーは要求される特性を満たすことができます。このプロセスにより、顧客の要求を満たす上で起こりうるエラーを排除することができる。

プラスチック試作のコスト削減

プロトタイプの目標に沿いつつ、プラスチックプロトタイプの経費削減のアプローチとして、まず費用対効果の高い材料を選択すべきである。PLAやABSなどの素材は、優れた性能を持ちながら経費を抑えることができるため、設計の初期段階から予算を抑えたコンセプトモデルを作ることができます。機能的なプロトタイプの材料を選択する場合、強度特性と最小限の費用および耐久性要素の両方を示す材料を選択することが重要です。

専門家は、設計最適化技術を駆使して、製造時の材料を削減し、機械加工作業をスピードアップすることで、製造コストを削減します。エンジニアは、単純化された支持要素、均一な壁寸法、あらゆるハードウェア部品の排除を通じて、これらの目標を実行します。

費用を最小限に抑えるには、適切なプロトタイピング技術を選択し、生産量とデザインの複雑さのレベルに合わせる必要があります。少量生産の技術設計には3Dプリンティングが有効であり、複雑な高精度生産にはCNC機械加工が使用される。工業生産がプラスチック試作品メーカーにアウトソーシングする場合、高度な生産設備へのアクセスを通じて、専門知識を一括割引価格で得ることができる。サプライヤーは、費用対効果と優れた品質、短納期を組み合わせた最良のソリューションを実現するために、これらの要素を通して評価されるべきである。

ケーススタディ＆ツール

プラスチックプロトタイピング技術の使用は、実用的な産業応用によれば、工業生産を大幅に節約する。ある家電新興企業の製造コストは、初期のテスト段階で3Dプリントされたプラスチック・プロトタイプを利用することで、40%減少しました。FDM印刷とSLA印刷の繰り返しにより、同社は問題のある設計上の欠陥を検出し、高価な射出成形金型に関連する欠陥を防止した。このアプローチを早期に導入することで、製造費用を節約し、不必要な工具や手直しの費用を回避し、大量生産の準備を簡素化した。

SolidWorksとFusion 360、およびANSYSは、CADモデリングシミュレーションと構造解析の役割を通じて効率化を推進します。これらのツールは、物理的な製造が開始される前の製造期間に、設計の妥当性材料の最適化と応力試験を可能にします。製造コスト見積もりソフトウェアは、最も経済的なプロトタイピングソリューションを見つけるために、エンジニアがサプライヤーと一緒に材料や製造方法間の製品コストを比較するのに役立ちます。

結論

大量生産に踏み切る前に、企業はプラスチック試作品を設計し、テストを通じて機能性と製品デザインを確認すると同時に、製造工程の効率を高める必要がある。企業は、目標を明確にし、適切な材料を選択し、適切なプラスチック製造方法を用いてプロトタイプを作成することで、プロトタイプの要件を達成します。

試験と改良のサイクルを繰り返すことで、製品の性能とコスト効率を向上させることができる。社内リソースや外部メーカーを活用したプラスチック製法の適切なプロトタイピングは、アイデアから量産へのスムーズな移行のために、イノベーションのスピードアップとリスク軽減に役立ちます。