工程の選び方
実際の部品に合う製造プロセスの選び方：材料、形状、大きさ、精度、必要な数量。
エンジニアは、材料、数量、形状、大きさ、必要な精度、コストの 6 つを天秤にかけて、製造工程を選びます。6 つすべてで勝てる工程はないので、どの選択もトレードオフです。このページは、選択肢を絞り込み、読むべきレッスンへ案内します。
6 つの問い
- 材料。どの工程も、特定の材料にしか使えません。それぞれのやり方で、溶かし、流し、曲げ、切る必要があるからです。
- 数量。必要な数が、高価な型やダイが元を取れるかどうかを決めます。
- 形状。薄肉、中空の内部、深いポケット、細かい穴は、ある工程には簡単でも、別の工程には不可能です。
- 大きさ。どの機械にも型にも限界があるので、米粒ほどの部品と、車のドアほどの部品では、別の工程が必要です。
- 精度。厳しい公差（寸法の許容誤差）やなめらかな表面は、最初の成形工程のあとに、機械加工や研削が必要になることが多いです。
- コスト。目的は、その数量での総コストを最小にすることです：金型・治具（部品のためにつくる型、ダイ、治具）、機械の稼働時間、材料、仕上げ。
選択ガイド
数量と材料で、最も早く選択肢が絞れるので、このガイドはそこから始めます。
早見表
身の回りのほとんどの物は、一連の工程を経ており、ここでは順番に並べています。
| つくりたいもの… | ふつうはこうつくられる | レッスン |
|---|---|---|
| プラスチックの飲料ボトル | 小さな試験管の形（プリフォーム）を射出成形し、再加熱してボトルの形にブローする | 2.1, 2.3 |
| スマートフォンケース | 射出成形のプラスチック。硬いシェルとやわらかい縁をもつケースはオーバーモールド | 2.1, 2.2 |
| ガーデンホース | やわらかい PVC やゴムを、リング状のダイスから押し出す。編んだ網の周りに、層状に重ねることも多い | 3.3 |
| 車体のパネル | 鋼板またはアルミニウム板からスタンピングし、ボディにスポット溶接してから塗装する | 4.2, 7.2, 11.1 |
| 飲料缶 | アルミニウム板の円板をカップに絞り、壁をしごいて薄く高くし、そのあと印刷する | 6.1, 4.2 |
| 台所のシンク | 1 枚のステンレス鋼板から深絞りし、トリミングして、ヘアラインや研磨で仕上げる | 4.2, 5.9 |
| アルミニウムのサッシ枠 | アルミニウム形材を押し出し、切断して角で接合し、陽極酸化または粉体塗装する | 3.3, 11.6, 11.2 |
| 自転車のフレーム（アルミニウムまたは鋼） | 引抜きまたは押出しの管を、ハイドロフォーミングで成形することも多く、そのあと TIG 溶接する。アルミニウムのフレームはその後、熱処理する | 3.3, 4.5, 7.1, 12.1 |
| ねじ | 鋼線を冷間圧造で頭部に成形し、ねじ山を転造する。硬化処理と亜鉛めっきをすることも多い | 3.5, 3.6, 12.1, 11.5 |
| クランクシャフト | 鍛造した鋼（鋳鉄のこともある）を、旋削、研削し、表面硬化する | 3.1, 5.1, 5.7, 12.2 |
| 歯車 | ホブ加工で歯を切り、そのあと表面硬化して研削する。小さな歯車は、焼結や成形でもつくられる | 5.5, 12.2, 5.7, 9.1, 2.1 |
| エンジンブロック | 鉄またはアルミニウムを砂型で鋳造するか、アルミニウムをダイカストし、そのあと機械加工してホーニングする | 1.1, 1.4, 5.2, 5.8 |
| ジェットエンジンのタービンブレード | ニッケル超合金の単結晶としてロストワックス鋳造し、冷却穴を放電加工やレーザーであけ、そのあとコーティングする | 1.2, 1.8, 6.6, 11.10 |
| チタン製の股関節インプラント | 鍛造して機械加工したチタン合金。多孔質の表面は、3D プリントやプラズマ溶射でつくることが多い | 3.1, 5.2, 8.4, 11.10 |
| カーボンの自転車ホイール | カーボンのプリプレグ（樹脂を含浸した繊維の布）をリムの型にレイアップし、熱と圧力で硬化させる | 10.1 |
| プリント基板（PCB） | ガラス繊維の基板上の銅箔を、光でパターニングしてエッチングし、穴をあけてめっきし、部品をはんだ付けする | 13.2, 6.8, 5.3, 11.5, 7.3 |
| シリコンチップ | シリコン結晶を育ててウェハーにスライスし、そのあと数百のパターニング、成膜、エッチングの工程で積み上げる | 13.1, 13.2, 13.4, 11.9 |
コストと数量の関係
どの工程にも、2 種類のコストがあります。金型・治具コストは、最初の良品ができる前に、1 回だけ払います：その部品のためだけにつくる型、ダイ、治具です。ランニングコストは、部品ごとにまた払います：材料、機械の稼働時間、エネルギー、人件費。
1 個あたりのコスト = 金型・治具コスト ÷ 部品数 + 1 個あたりのランニングコスト
金型・治具を分け合う部品が多いほど、1 個あたりの負担は小さくなります：10 個なら各 10 分の 1、100,000 個ならほとんどゼロです。そのため、射出成形のように金型・治具コストが高い工程は、少数では非常に高価で、多数では非常に安くなります。機械加工や 3D プリントのように金型・治具が少ない工程は、数量に関係なく、1 個あたりのコストがほぼ同じです。
経験則
- まず数を数える。ほんの数個なら、機械加工や 3D プリントのような、専用の金型・治具が要らない工程を選びましょう。数万個なら、型やダイにお金をかけましょう。
- 近づけてから仕上げる。最終形状に近く（ニアネットシェイプ）鋳造、鍛造、成形してから、精度が必要な面だけを機械加工します。
- 精度は必要な所だけに求める。公差を厳しくするたびに、機械加工、検査、コストが増えるので、はめ合い、密封、摺動する面に限りましょう。
- 肉厚を均一に保つ。成形や鋳造では、厚い部分が最後に冷え、ひけたり、反ったり、穴を閉じ込めたりします。リブなら、肉厚を増やさずに剛性を加えられます。
- 抜き勾配を付け、アンダーカットは避ける。わずかなテーパーとフック状の形状がなければ、部品が型からまっすぐ抜けるので、型は単純で安くなります。
- 繰り返し荷重に対する強さが必要なら、鍛造を検討する。鍛造は金属の繊維状組織を部品の形に沿わせるので、鋳物より疲労に強くなります。
- 中空や長い形には、専用の工程があります。ボトルとタンク：ブロー成形か回転成形（2.3、2.5）。断面が一定の長い形材：押出し（3.3）か引抜成形（10.3）。
- 工程全体を計画する。ほとんどの部品は、成形され、機械加工され、熱処理され、仕上げられます。どの工程もコストと時間を加えます。