機械工学の視点、パート 2: 速度、コスト、機能

Sep 04, 2023

アダム・スミス、上級機械エンジニア | 2022 年 8 月 27 日

これは、「効率的で統合された商用製品設計のための機械工学の視点」と題された 6 部構成のシリーズの 2 番目の記事です。 製品のデザインについて考えるとき、製品で見たものや経験したものを開発することにすぐに焦点を当てるのが一般的です。 UX および UI デザインは製品の成功に不可欠ですが、目に見えにくい機械工学機能がイノベーションを推進して商業化を成功させる主力となる可能性があります。 Product Creation Studio のシニア機械エンジニアである Adam Smith は、商品化に向けて数十の製品を設計および計画してきた数十年の経験があります。 このシリーズでは、開発全体を通じてあらゆる分野と連携して作業することで、機械工学が製品アイデアの現実化をどのようにサポートするかについて、スミスが洞察とヒントを共有します。

プロトタイプの構築は、商品化に向けた製品開発の重要な部分です。 残念ながら、スケジュール、コスト、製造可能性により、早期に構築したり頻繁に構築したりすることが制限されたり、禁止されたりする可能性があります。

関連: 機械工学の観点、パート 1: 材料コスト、機能、耐久性

実稼働製造方法を使用する前に、より成熟した設計を待つと、設計の反復にコストがかかり、予算やスケジュールに影響を与える可能性があります。 利用可能な迅速製造方法の知識と創造的な「プロトタイピング用の設計」調整を組み合わせることで、より早く、より頻繁に構築できるようになります。 高品質、低コスト、使いやすい内製製造ツールの出現により、プロトタイプを自分で作成することが最も効率的な方法になる可能性があります。

この記事では、プロトタイプ手法を使用してデザインを製造する方法について創造的に考えるのに役立つ例とヒントを紹介し、同時に量産製造用のデザインを精査するために必要な重要な情報を取得します。

プロトタイプの構築を容易にするためにアセンブリを論理的なサブアセンブリに分割すると、製造上の制限を回避するのに役立ち、結果としてより明確なテスト結果が得られます。

たとえば、ハンドヘルドツールは通常、遠位エンドエフェクターを備えた近位ユーザーインターフェイスと、その間の伝達機構を備えています。 チタンまたはステンレス鋼の 3D プリント金属部品を使用して遠位端を独自に構築すると、数週間ではなく数日で機構解析が可能になります。

各個別の機構を集中的に評価することにより、理解と反復が容易になり、サブアセンブリをより大きな複雑なアセンブリに結合する前に、それぞれの機能に合わせて最適化できます。

高層ビルや橋などの非常に大規模なアセンブリの小規模モデルを構築することは、古くから行われてきました。 非常に小さなアセンブリを設計する場合、小さな量産規模の部品の特性を模倣する材料を使用して大規模なプロトタイプを作成できます。

小さなステンレス鋼やチタンの部品は 10 倍から 12 倍に拡大して PLA または ABS プラスチックで 3D プリントすることができ、実際の量産金属部品とほぼ同じように動作します。 これにより、非常に高速な反復設計が可能になり、実際のスケールに合わせたプロトタイプの反復回数が削減されます。

スケールを微調整することも非常に効果的です。 設計内のシャフト直径とチューブ直径を、すぐに入手できる (McMaster-Carr) 既製材料に最も近いものに調整することで、押出生産を待たずに、早い段階で概念実証の機構を組み立てることが可能になります。 早い段階で正確な仕様を少し緩めると、プロトタイプの作成にかかる時間を大幅に短縮できます。

生地を捉えるように設計されたカスタム 304 ステンレス鋼のファスナー。

ハンドヘルド デバイスのユーザー インターフェイスのモックアップでは、手で削ったフォーム モデルの速度と柔軟性に勝るものはありませんが、3D プリントされたプラスチック パーツは、あるモデルから次のモデルへの小規模な反復/調整を迅速に構築するための優れたソリューションとなり得ます。

私たちのほとんどは 3D プリントの価値を理解しており、驚くほど便利なプラスチック パーツ、ジグ、およびテンプレートだけでなく、設計とエンジニアリングの視覚化を改善し、市場投入までの時間を短縮する、エンジニアのデスクトップで利用できる追加テクノロジーがいくつかあります。

デスクトップ レーザー カッター (Glowforge、Flux、OMTech) とウォーター ジェット カッター (Wazer) は、特にエンジニアが平らな形状のアセンブリ (スロットやタブとスロットの連結) の設計に精通している場合、初期の機構プロトタイプに非常に役立ちます。

アクリル シートと溶剤接着を使用すると、複雑な機構を数日ではなく数時間で構築して評価できます。

設計者やエンジニアにとってのもう 1 つの新興市場は、卓上フライス加工です。 デスクトップ上でプラスチックや金属 (チタンやステンレス鋼を含む) を迅速にフライス加工できる精密卓上ミル (PocketNC、Bantam、HAAS) がいくつかあります。

1/8 インチ超硬エンドミルを使用して 304 ステンレス鋼をフライス加工します。

Pocket NC V2-10 および V2-50 の 5 軸フライス加工機能を使用すると、医療機器の 6 回の反復を 4 か月ではなく 2 週間で構築することができました。 部品を外注し (6 日)、部品の到着を待ち (2 日)、機能を評価し (約 1 時間)、必要な調整を行い (10 分)、更新された部品を要求した (さらに 1 日) 場合、各反復は次のようになります。 2週間かかります。

社内の卓上ミルを使用することで、反復作業を 2 日未満に短縮することができました。 おそらく、ツールをすぐに利用できるようになると、さらにツールを使用したくなるでしょう。 他の人が設計意図を視覚化したり、機械的コンセプトを証明したりするために簡単なプロトタイプを作成することは、例外ではなく標準になります。

最終目標は製品の成功ですが、そこに至るまでの道のりは必ずしも直接的ではありません。 場合によっては、完全な設計を一度に行うのではなく、一歩下がって特定の機能を評価するために構築する必要があります。

柔軟かつ創造的に取り組むことで、最初の製品に「最適な」ソリューションをより効率的に開発できます。

このシリーズの他の回については、機械工学の観点、パート 1: 材料コスト、機能、耐久性および機械工学の観点、パート 3: 量、品質、および市場投入までの時間を参照してください。

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