射出成形、熱成形、鋳造といった従来の製造プロセスでは、特定の用途向けの部品を製造するために特殊な工具が必要です。しかし、これらの工具は初期コストが高く、サプライヤーからのリードタイムも数週間から数ヶ月と長く、製品開発の遅延や市場投入までの期間の長期化を招きます。

金型、試作、3Dプリント金型などの社内ラピッドツーリングプロセスを製品開発プロセスに統合することで、企業は量産に移行する前に設計と材料選定を検証・確認することができます。また、特定の用途向けのカスタム部品や限定版部品をコスト効率よく製造することも可能です。

この包括的なガイドでは、次の内容を取り上げます。

1. ラピッドツール製作と従来のツール製作の違いは何ですか?

2. ラピッドツーリングの多様な用途。

3. 迅速なツール作成に関する実際のケーススタディ。

4. ラピッドツールのメリットを享受できる製造プロセス。

5. 独自の社内ツールの構築をすぐに開始する方法。

ラピッドツーリングとは何ですか?

ラピッドツーリングは、従来の製造プロセスに代わる、短期間で低コストかつ効率的にツールを製造し、厳しい期限内に部品を製造したり、少量生産したりするために使用される一連の技術です。

従来の工具は、機械加工、フライス加工、鋳造といった技術を用いて耐久性のある金属から製造されることが多いです。しかし、これらの工程はコストが高く、大規模な生産サイクルには適していません。しかし、複数の工具再加工サイクルや少量生産用の工具を製造する場合、コストは大幅に増加し、リードタイムも大幅に延長されます。

ラピッドツーリングを製品開発プロセスに統合することで、メーカーは量産に移行する前に設計と材料選定を検証・検証することができ、製品開発を加速し、設計を迅速に改善し、より優れた製品を市場に投入することができます。ラピッドツーリングにより、エンジニアは実際の製造工程と同じグレードの材料を用いて、実際の条件下での部品の性能を評価できるほか、ベータテストと検証のために少量生産することも可能です。また、ラピッドツーリングは、高価な生産ツールに投資する前に製造プロセスの問題を解決するのにも役立ちます。

一方、ラピッドツーリングは、従来の製造プロセスではコストがかかりすぎるため、実用用途向けにカスタムメイドまたは少量生産の部品を生産する方法でもあります。この方法により、メーカーは新製品の市場テスト、より幅広い製品ラインナップの提供、顧客ニーズに合わせた部品のカスタマイズなどが可能になります。

ラピッドツーリングとラピッドプロトタイピング

ラピッドプロトタイピングに精通している人は、ラピッドプロトタイピングとラピッドツーリングの違いについて疑問に思うかもしれません。

ラピッドプロトタイピングとは、3次元コンピュータ支援設計（CAD）データに基づいて、物理的な部品やアセンブリの縮小モデルを迅速に製造する一連の技術です。これらの部品やアセンブリは、従来の機械加工法ではなく、積層造形技術を用いて製造されることが多いため、「ラピッドプロトタイピング」という用語は、積層造形や3Dプリンティングと同義語となっています。

ラピッドツーリングは、部品を直接製造するのではなく、積層造形または機械加工プロセスを用いて「ツール」を作成します。金型、ダイ、または鋳造品を作成し、それらを従来の製造プロセスで使用して最終部品を製造します。このアプローチは、（ラピッド）プロトタイピングと実際の製造の間のギャップを埋め、実世界のアプリケーション向けの部品の製造を可能にします。

ソフトツール vs. ハードツール

ソフトツーリングとハードツーリングという用語は、ラピッドツーリングの文脈でよく使用されます。ソフトツーリングは一般的に、シリコンモールドとウレタン鋳造プロセスの使用を指します。ラピッドツーリングと同様に、プロトタイピング、ブリッジツーリング、小規模生産によく使用されます。ウレタン鋳造のプロトタイプは、多くの場合3Dプリントを用いて製造されます。

ハードツールとは、主に射出成形において金属製のツールを指す用語です。ハードツールはラピッドツール法を用いて製造され、主にアルミニウムで作られています。ハードツールは耐久性に優れ、大量生産が可能ですが、ソフトツールやほとんどのラピッドツール法よりも大幅に高価であるため、大規模生産に適しています。

ラピッドツーリングの応用

ラピッドツーリングは、プラスチック、シリコン、ゴム、複合材料、さらには金属部品から作られた部品を製造するためのさまざまな従来の製造プロセスをサポートするために使用できます。

プラスチック部品の製造:

1. 射出成形
2. 熱成形
3. 鋳造
4. オーバーモールドとインサート成形
5. 圧縮成形

シリコンまたはゴム部品の製造:

1. 射出成形
2. 鋳造
3. 圧縮成形
4. オーバーモールドとインサート成形

複合部品の製造：

1. 熱成形
2. 圧縮成形
3. 形にする

金属部品の製造:

1. 鋳造

2. 板金成形

さまざまなラピッドツーリング方法は、直接ツーリングと間接ツーリングの 2 つの主なカテゴリに分類できます。

間接ツールでは、マスターパターンを使用して金型またはツールを作成し、それを使用して最終部品を製造します。

ダイレクトラピッドツーリングでは、工業規模の 3D マシンまたはプリンターが金型やツールを直接作成し、最終部品の製造にすぐに使用します。

射出成形

射出成形は、熱可塑性樹脂、シリコン、ゴム部品の最も一般的な製造プロセスの一つです。従来の金属金型は非常に高価であるため、このプロセスはラピッドツールのメリットを最も享受できるプロセスです。

手頃な価格のデスクトップ樹脂 3D プリンターと耐高温 3D プリント材料を使用すると、社内で 3D プリント射出成形金型を作成し、生産グレードのプラスチックを使用して機能プロトタイプや小型の機能部品を生産することが可能になります。

少量生産（10～1,000個程度）の場合、3Dプリント射出成形金型は高価な金属金型と比較して、時間とコストを大幅に削減します。また、製品の製造・開発におけるよりアジャイルなアプローチを可能にし、エンジニアや設計者は、ハードツールへの投資前に、機能プロトタイプや部品を少量で作成し、材料選定のテスト・検証を行い、短いリードタイムと低コストで設計を継続的に改良することができます。

光造形法（SLA）3Dプリントは、アルミニウムや鋼鉄製の金型を機械加工するよりも費用対効果の高い代替手段です。SLAプリントされた部品は、固体で等方性の材料組成を有し、0.45 MPaで最大238°Cの熱変形温度に耐えることができるため、射出成形プロセスの熱と圧力に耐えることができます。

深センを拠点とする契約製造業者 Multiplus は、Formlabs 3D 樹脂プリンターで高繊維ガラス強化耐熱性 Rigid 10K 樹脂を使用した 3D プリント射出成形金型を使用し、約 100 個の小バッチ射出成形部品のリードタイムを 4 週間からわずか 3 日に短縮しました。

ABS 素材で作られたコントロール ボックス ハウジングは、3D プリンターで印刷された金型を使用した射出成形で製造されます。

その他の例としては、石油化学会社 Braskem の緊急用マスクストラップや、手動射出成形機メーカー Holimaker の顧客向けのプロトタイプおよび試作部品などがあります。
500個から10,000個程度の中量生産の代替手段として、アルミ金型の加工は金型製造に伴う固定費の削減にも役立ちます。アルミの加工は鋼鉄の加工に比べて約5～10倍速く、工具の摩耗も少ないため、リードタイムの​​短縮とコスト削減につながります。

さらに、アルミニウムは鋼鉄よりも熱伝導が速いため、放熱チャネルの必要性が減り、メーカーはサイクルタイムを短く保ちながら、よりシンプルな金型を設計できるようになります。

熱成形

熱成形は、真空成形や圧力成形など、加熱したプラスチックシートを成形するためにメーカーが選択できる様々な方法を網羅した包括的な製造プロセスです。熱成形により、メーカーは複合材料を含む幅広い熱可塑性材料から部品を製造できます。

多くの企業が熱成形工程用の金型作成にSLA 3Dプリントを選択しているのは、特に少量生産、カスタムパーツ、試作において、低コストで迅速な生産が可能だからです。3Dプリントは設計の自由度も高く、複雑で繊細な形状の金型作成を可能にします。小型の金型作成にはForm 4のようなデスクトップSLAプリンターが使用され、最大35.3 x 19.6 x 35センチメートル（13.9 x 7.7 x 13.8インチ）の金型作成には大型のForm 4L 3Dプリンターが使用されます。
製品開発会社であるGlassboardは、自社のFast Model Resinの高速印刷速度を活用し、ヘルメットシェルやパッケージなどのポリカーボネート製品の金型を迅速に製作し、試作を行っています。同社は、従来の方法では製造が困難な複雑な金型形状、例えば複雑なディテールや、真空圧を表面全体に均一に分散させるための穴など、様々な形状の金型を製作することができます。

製品開発会社である Glassboard は、3D プリントされた金型を使用して、ヘルメットのシェルやパッケージなどのポリカーボネートのプロトタイプを熱成形しています。

化粧品メーカーのラッシュは、かつては人気商品のマスターモールドを手作業で製作していましたが、近年では3Dプリンターを活用し、精緻で精密な真空成形用モールドを製作しています。これにより、コンセプトを24時間以内に実際の製品へと落とし込み、年間1000以上のデザインコンセプトをテストすることが可能になっています。

ラッシュのチームは、真空成形プロセスで使用するために社内の 3D プリンターを使用してマスタープロトタイプを印刷しました。
3Dプリントによるラピッドツーリングは、実用用途向けのカスタムパーツや特注パーツをコスト効率よく製造するのにも最適です。例えば、3Dプリントモデルを用いた真空成形は、矯正歯科用の透明アライナーの製造に主に用いられる方法です。


3D プリントモデルの真空成形と圧力成形は、矯正歯科用の透明アライナーを製造するために使用される主な方法です。

カーボンファイバーなどの高性能複合材料は、3Dプリントされた金型に手作業で積層できます。SLA 3Dプリントは、レイアップ金型の重要な特性である滑らかな表面仕上げを実現します。

ベルリン工科大学フォーミュラ・スチューデント・チームは、3Dプリントされたレーシングカーの型にカーボンファイバーを手作業で積層しました。Tough 1500 Resinでプリントされたこの型は、積層工程において優れた強度と構造的サポートを発揮するだけでなく、硬化後に完成品を型から容易に取り外せるほどの柔軟性も備えており、より幅広いデザインの可能性を切り開きました。

フロントステアリングホイールカバー用の3Dプリント金型と金型から取り出されたカーボンファイバー部品。

オーバーモールディングとインサート成形。

3D プリンターで印刷された金型を使用するラピッド ツーリングは、プラスチック、シリコン、ゴム部品の成形や、内部インサートやハードウェアのオーバーモールドにも使用できます。

Google ATAP チームは、社内での初期ツール調整に、オーバーモールドされたサブ電子アセンブリの代わりに、3D プリントされた代替部品または代替部品を使用しています。

Google Advanced Technology and Projects Lab（ATAP）の設計者は、3Dプリントとインサート成形を組み合わせることで、コストを10万ドル以上削減し、テストサイクル時間を3週間からわずか3日に短縮することに成功しました。Google ATAPチームは、テスト部品を3Dプリントすることで、サプライヤーから注文・発送する必要のある高価な電子部品を使用する場合と比較して、時間とコストの両方を節約できることを発見しました。

ブルックリンを拠点とするスタートアップ企業であるDame Productsは、ヘルスケア・ウェルネス業界向けに、顧客向けベータプロトタイプの内部ハードウェアをシリコンインサート成形で封止する製品を設計しています。Dame Productsの製品ラインには、人間工学に基づいた複雑な形状を、肌に安全な鮮やかな色のシリコン層で完全に包み込んだ製品が含まれています。

Dame Products は、シリコンインサート成形プロセスを使用して、顧客向けのベータプロトタイプの内部ハードウェアをカプセル化します。

エンジニアは、SLA 3Dプリントされた金型を3～4セット回転させることで、1日で数十個のインサート成形およびオーバーモールド成形のプロトタイプを作成できます。1つのプロトタイプのシリコーンゴムが硬化している間に、次のプロトタイプを型から取り出し、次の注入の準備を整えます。型から取り出したプロトタイプのディテール加工と洗浄は同時に行われます。

プロトタイプのハードウェアが会社に返却されると、ベータ デバイスは洗浄および消毒され、シリコンの薄い層が除去され、内部のハードウェアが新しいベータ プロトタイプで再利用されます。

圧縮成形

圧縮成形プロセス用の3Dプリントラピッドツールは、熱可塑性樹脂、シリコーン、ゴム、複合材などの部品の製造に使用できます。小型から中型の部品の試作においては、3Dプリントは最も低コストかつ迅速な金型製作方法と言えるでしょう。CADソフトウェアを用いて設計を複数回迅速に修正し、再度プリントしてテストすることも可能です。3Dプリントは、主に加熱を必要としない用途向けに設計された圧縮金型で最も一般的に使用されています。

キッチン家電メーカー OXO の製品開発者は、3D プリントされた金型を使用した 2 部構成のシリコン圧縮成形プロセスを使用して、ガスケットなどの柔軟なゴムのような部品の試作品を 3D プリントで作成しました。

3D プリントは、圧縮成形プロセス用の金型を作成するための高速かつ低コストの方法です。

鋳造

エンジニア、デザイナー、ジュエリーメーカー、そして愛好家は、間接インベストメント鋳造、直接インベストメント鋳造、ピューター鋳造、砂型鋳造といった従来の鋳造プロセスを3Dプリントされた金型に統合したり、3Dプリントされた金型に直接鋳造したりすることで、3Dプリントのスピードと柔軟性を活用できます。3Dプリントされたラピッドツーリングを用いて鋳造された金属部品は、従来の鋳造方法に比べてはるかに短時間で、大幅に低コストで製造できます。

光造形法（SLA）3Dプリンターは、高精度と幅広い材料に対応できるため、鋳造プロセスに最適です。従来の方法よりも低コスト、より自由な設計、そしてより短時間で金属部品を製造できます。

通常、ダイレクトインベストメント鋳造用の鋳型は、一点物の場合や少量生産が見込まれる場合は手彫りまたは機械加工されます。しかし、3Dプリントでは、ジュエリーメーカーは鋳型を直接印刷できるため、他のプロセスでしばしば発生するデザインや時間の制約から解放されます。

3D プリントされたジュエリー デザインと貴金属から鋳造されたリング。

インベストメント鋳造と同様に、3Dプリントは砂型鋳造用のモデルを作成するために使用できます。木材などの従来の材料と比較して、3Dプリントは製造業者が複雑な形状を作成でき、デジタル設計から鋳造プロセスへの直接的な移行を可能にします。

3Dプリントでは、メーカーは耐熱性樹脂であるHigh Temp ResinやRigid 10K Resinなどの材料を用いて、鋳造用の型を直接印刷することもできます。同様の方法で、ピューターの直接鋳造用の型も作成できます。

透明な鋳造樹脂で印刷された型と完成した鋳造金属片。

鋳造は、金属以外にも、医療機器、聴覚機器、食品安全用途などのシリコン部品やプラスチック部品の製造にも一般的な方法です。

医療機器メーカーCosmは、骨盤底筋群障害の患者向けにカスタムメイドのペッサリーを製造しています。SLA方式の3Dプリンターで金型を印刷し、生体適合性のある医療グレードのシリコンを注入してデバイスを製造します。ラピッドツーリングと3Dプリンティングを組み合わせることで、従来の金型製造に伴う高額なコストをかけずに、オーダーメイドの部品を製造できます。

シリコン成形プロセスを使用して製造される、各患者向けのカスタムメイドのペッサリーです。

3Dプリントによるカスタム耳型の製造は、聴覚学の分野にも革命をもたらしました。補聴器、聴覚保護具、パーソナライズされたイヤーマフなどの用途において、デジタル製造は従来の型製造方法よりも優れた制御性と精度を提供し、エラーや手戻りを大幅に削減します。

シリコン製の耳型を使用してカスタム耳栓を作成する手順を説明します。

板金成形

3Dプリントによるラピッドツールは、板金成形プロセスにおいても魅力的な特性を示します。高精度で滑らかな表面を特徴とするSLA 3Dプリンターは、優れた位置合わせ精度を備えたツールを製造できるため、再現性が向上します。

多様な材料が多様な機械的特性を持つため、特定の用途に適した樹脂を選択することで、成形結果を大幅に向上させることができます。SLA樹脂は、他の3Dプリント材料と比較して、等方性特性と比較的良好な応力安定性を示します。

さらに、プラスチック製の工具は、金属の金型のように金属板に跡を残さないため、研磨工程を減らすのに役立ちます。

交換用ブレードガードの形成に使用するための、3D プリントを使用して製造されたさまざまなバージョンの上部および下部のダイ セット。

動作メカニズムは一般的な板金成形プロセスと似ています。違いは、上型と下型からなる2ピース金型の設計と印刷にあります。次に、2つのプラスチック金型の間に金属板を挟み、油圧プレスなどの成形装置でプレスします。

ラピッドツーリングの製造方法。

ラピッドツーリングの最も一般的な方法は、3Dプリントと機械加工です。アプリケーション、製造プロセス、生産量などの要因に応じて、これら2つのプロセスを比較し、最適なアプローチを特定しましょう。

3Dプリント

3Dプリンティングは、幅広い用途に対応するラピッドツーリングを製造するための、最も高速かつ費用対効果の高い方法です。これまでの例で見てきたように、直接型と間接型のラピッドツーリングはどちらも、様々な従来の製造プロセスに対応する金型、鋳型、ダイなどの実用的なツールを開発するために、3Dプリンティングをさまざまな方法で活用しています。

様々な3Dプリントプロセスの中でも、SLA 3Dプリンターは、ツール用途において最も汎用性と柔軟性に優れたソリューションを提供します。SLAでプリントされた部品は、精度が高く、防水性があり、表面が滑らかなため、金型製作に最適です。また、複雑な金型や鋳造品の細部まで再現できます。

3D プリントされたラピッド ツールは、少量の射出成形に最適です。

高性能 SLA 材料は工業プロセスに簡単に統合でき、強度があり、表面が滑らかで、細部まで精密に仕上げられ、数百から数千の部品を製造できる金型や鋳造品を生産できます。

SLA 3D プリンターは組織内で使いやすく、迅速なツール作成がより迅速かつ簡単に行えます。

SLA 3D プリントにより、現場での迅速なツール作成がこれまで以上にアクセスしやすくなります。3D プリント ワークステーションは手頃な価格でセットアップでき、組織内に簡単に導入できるため、企業は 24 時間以内に迅速なツールを作成し、他のどのプロセスよりも迅速に設計を変更できます。

機械加工

機械加工は、従来の工具や硬質工具を製造する際に最も広く用いられる方法の一つですが、ラピッドツーリングにも使用できます。ラピッドツーリングでは、鋼やニッケル合金などの耐久性の高い金属を使用する代わりに、工具板、木材、プラスチック、アルミニウムなどの材料から機械加工されることが多いです。

3Dプリントツールと比較すると、軟質材料で作られたフライス加工ツールは、大型ツールや単純な形状のツールではより効率的ですが、設計の複雑さによっては労働集約的でコストも高くなります。アルミニウム製のツールは耐久性が高く、一般的に少量から中量の生産、特に射出成形に使用されます。

フライス盤は3Dプリンターに比べて高価で、熟練したオペレーターが必要であり、特にラピッドツーリングによる複数バージョンの試作といった単発の作業では、社内生産には複雑なワークフローを伴います。そのため、多くの企業はフライス加工サービスを外部委託することを選択します。しかし、このアプローチではリードタイムが数週間に及ぶことが多く、ラピッドツーリングの「スピード」という要素が大幅に損なわれます。

Rapid Tooling の製造プロセスを比較します。

セクション	3Dプリントラピッドツール	機械加工ラピッドツール
方法	工具・部品の自社生産。	ツールの製造は多くの場合外部委託され、通常はコンポーネントの製造も含まれます。
必要な機器	3D プリンターおよび製造装置 (例: デスクトップ射出成形機、熱成形機など)	-
材料	3Dプリントポリマー	木材、プラスチック、アルミニウムを旋盤加工するための工具ボード。
ツールコスト	$	$$ - $$$
最終部品までのリードタイム	1～3日	1～4週間
最適な生産量	500個未満	50～10,000個
アプリケーション	試作、テスト、製品検証、カスタム製造、短期生産、オンデマンドのブリッジ生産。	短期またはオンデマンドの橋梁生産製品の検証テスト。

Rapid Tooling は 3D プリントでどのように機能しますか?

ラピッドツーリングは、様々な従来の製造プロセスにシームレスに統合できます。ワークフローは具体的な製造プロセスによって異なりますが、一般的には以下のステップで構成されます。

	デザイン CAD ソフトウェアを使用して、マスター金型、鋳造品、ダイ、またはプロトタイプ作成ツールを設計します。
	3Dプリント 用途に適した材料をお選びください。Formlabsは、Formlabs SLA 3Dプリンタで様々なラピッドツールを印刷するために使用できる、包括的で多様な材料ライブラリを提供しています。
	製造業 直接ラピッドツーリングでは、3Dプリントしたツールを機械に取り付けるだけで、すぐに製造プロセスを開始できます。間接ラピッドツーリングでは、マスターパターンに基づいて金型またはツールを作成し、完成したツールをワークフローで使用します。
	後処理の改善 実際のアプリケーションに必要な表面仕上げと部品特性を実現するために、必要なポストプロダクションの微調整手順を実行します。

ラピッドツーリング入門

3Dプリントによるラピッドツールを従来の製造プロセスに統合することで、柔軟性、俊敏性、拡張性、そしてコスト効率を向上させ、生産性を向上させることができます。量産に移行する前に設計と材料選定をレビュー・検証し、特定の用途向けのカスタム部品や限定版部品を製造できます。

当社のプロセスをご覧いただき、ワークフロー、ベストプラクティス、実例を詳述したホワイトペーパーをウェブサイトからダウンロードしてください。ご質問がございましたら、Formlabsのソリューションエキスパートまでお気軽にお問い合わせください。

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参考文献

https://formlabs.com/blog/rapid-tooling/