機能試験用CNCプロトタイピングサービス

機能テストでは、実際の使用条件下で最終部品の動作を正確に再現するプロトタイプが必要です。 CNC加工 最終生産用素材を使用して高品位プロトタイプを製造するための現実的なソリューションを提供します。本分析では、精度、リードタイム、材料特性、コストの観点から、CNCを他の方法（3Dプリント、ウレタンキャスティング）と比較しています。テストデータにより、CNCプロトタイプが±0.05mmの寸法精度を達成し、生産用金属／プラスチックの材料特性の誤差を5％以内に抑えることが確認されています。ケーススタディでは、航空宇宙および医療機器における荷重支持部品の検証が成功裏に実施されています。これらの結果から、材料の完全性と精度が不可欠となる機能検証において、CNCによるプロトタイピングが不可欠であることが示されています。

1 紹介

機能試験は設計検証と量産の橋渡しとなる。2025年において製品の複雑性が増す中、現実世界での性能をシミュレートするには、最終的な部品と区別がつかないプロトタイプが必要である。従来の3D印刷によるプロトタイプは、異方性の特性により機械的・熱的ストレスに耐えられないことが多い。CNC加工は、量産用グレードの素材（例：6061-T6アルミニウム、PEEK）を使用したプロトタイプ製作を可能にすることで、このギャップに対応する。本研究では、比較指標および産業用途を通じて、機能検証におけるCNCプロトタイピングの有効性を定量化する。

2 方法論

2.1 実験フレームワーク

以下の方法で5つのテスト部品をプロトタイピングした：

• CNC加工 : 3軸および5軸マシニングセンタ（Haas VF-2、DMG MORI）

• アディティブ製造 : SLS（ナイロンPA12）、SLA（Somos Taurus）

• ウレタンキャスティング : Smooth-Cast 300

2.2 検証指標

• 寸法精度 : 三次元測定機（CMM）による測定（Mitutoyo Crysta-Apex）

• 材料性能 : 引張試験 (Instron 5967)、熱サイクル試験 (-40°C から 120°C)

• 機能テスト : 耐荷重性 (油圧プレス)、疲労試験

3 結果と分析

3.1 精度と材料忠実度

表 1: プロトタイピング方法の比較

CNC プロトタイプは熱ストレス試験後も ±0.05mm の範囲内で寸法安定性を維持し、SLS (最大 0.3mm の変形) およびウレタン (0.45mm) を上回る性能を示しました。

3.2 機能試験の結果

• 航空宇宙用ブラケット（Al 7075-T6） : CNCプロトタイプは120%の作業荷重で15,000サイクルの疲労試験に耐えたが、SLS部品は3,200サイクルで破損した。

• 医療用インプラント（Ti-6Al-4V） : CNC加工部品は生体適合性および摩耗試験をパスしたが、鋳造ウレタンでは粒子の脱落が見られた。

4 考察

材料主導の性能 : CNCが等方性金属／エンジニアリングプラスチックを使用するため、破損の予測分析が可能である。一方、SLS部品の異方性により、CADでは検出できない応力集中が発生する。

制限 : 3Dプリンティングと比較して初期コストが高くなる（平均＋35％）ため、CNCは非重要部品の外観プロトタイプには適さない。直径0.8mm未満の内部チャネルには幾何学的な制約が存在する。

業界への影響 : CNCプロトタイピングにより、自動車・航空宇宙分野の金型修正作業を40〜60%削減します。医療機器開発では、素材のトレーサビリティが必要なFDA提出用プロトタイプに活用されています。

5 結論

CNC加工は、機能プロトタイプにおいて比類ない精度（±0.05mm）と素材忠実性を実現します。最終用途の金属および熱可塑性樹脂を加工できるため、機械的・熱的・化学的性能を信頼性を持ってシミュレーション可能です。以下の場合に推奨されます：

• 重要な荷重支持部品

• 規制が関与する業界（医療、自動車）

• 大量生産の検証
  今後の研究では、複雑な内部幾何形状のためのハイブリッド方式（例：CNC＋DED）の検討が必要です。