研究開発の試作で測定困難な形状を避ける6つの設計チェック

研究開発の試作では、製品の機能や性能を確認するために、複雑な形状や新しい構造を採用することがあります。しかし、設計段階で加工方法や組立方法ばかりを重視すると、完成した試作品の寸法や形状を正確に評価できない問題が発生する場合があります。特に、深い穴や狭い溝、複雑な曲面、薄肉構造などは、一般的な測定器では測定位置へのアクセスが難しくなることがあります。

測定困難な形状を含む試作品では、設計どおりに製作できたか判断しにくくなります。測定結果が得られないまま性能試験を進めると、不具合の原因が設計条件にあるのか、加工誤差にあるのかを切り分けることも難しくなります。その結果、追加測定や設計変更、再試作が必要になり、研究開発の進行に影響する可能性があります。

こうした問題を防ぐには、研究開発の試作を依頼する前に、測定方法を考慮した設計チェックを実施することが重要です。形状そのものを変更できない場合でも、測定基準や評価方法、測定用の補助形状を工夫することで、検証しやすい試作品にできる場合があります。

本記事では、研究開発の試作で測定困難な形状を避けるための6つの設計チェックを解説します。試作依頼先との打ち合わせで確認したい項目や、測定しにくい形状が避けられない場合の対応方法についても紹介します。

研究開発の試作で測定しやすい設計が重要な理由

研究開発の試作は、単に設計図面どおりの部品を製作することが目的ではありません。新しい構造が期待する機能を発揮するか、使用環境に耐えられるか、量産工程で安定して製作できるかなど、複数の技術的な課題を検証する工程です。そのため、試作品の形状を評価できることは、研究開発の判断材料を確保するうえで重要な条件になります。

例えば、新しい機構部品を試作した場合、組立後に動作不良が発生することがあります。このとき、部品の寸法や位置関係を測定できれば、設計値との差や組立状態を確認し、不具合の原因を絞り込めます。一方、重要な部分が測定できない形状になっていると、加工精度に問題があるのか、設計上の干渉があるのかを判断しにくくなります。

また、研究開発では試作を繰り返しながら設計を改善することがあります。初回試作と改良試作の違いを正しく比較するには、同じ測定条件で評価できることが望まれます。測定する位置や固定方法が毎回変わってしまうと、設計変更による効果と測定条件による差を区別しにくくなります。

測定しやすい設計は、加工会社や測定担当者との意思疎通にも役立ちます。測定基準が明確で、必要な位置に測定器が届く形状であれば、測定手順を計画しやすくなり、検査結果について共通の認識を持ちやすくなります。

ただし、測定しやすさを優先して、本来必要な機能や強度を損なう設計変更を行うことは適切ではありません。重要なのは、製品の機能を維持しながら、測定可能性を設計条件の一つとして検討することです。

研究開発の試作を依頼する際には、加工できるかどうかだけでなく、完成後にどの部分を、どのような方法で評価できるかまで確認することが重要です。測定計画を設計段階から検討することで、完成後に測定方法が見つからない事態を減らし、試作の検証を進めやすくなります。

チェック1：測定目的と合否判定の基準を明確にする

最初の設計チェックは、試作品のどの寸法や形状を測定する必要があるのかを明確にすることです。研究開発の試作では、多くの寸法が図面に記載されますが、すべての寸法を同じ精度や方法で測定する必要があるとは限りません。機能に直結する重要寸法と、形状を構成するための参考的な寸法を区別することが大切です。

例えば、位置決め機構の試作では、部品全体の外形寸法よりも、取付穴の位置関係や接触面の平面度が重要になる場合があります。摺動機構では、組み合わされる部品間の隙間や案内面の形状が性能に影響することがあります。このように、試作品の使用目的によって優先的に測定すべき項目は変わります。

重要寸法を明確にしないまま試作を依頼すると、加工会社は一般的な図面指示に従って製作し、研究開発側が本当に確認したい特性について十分な測定結果が得られない可能性があります。そのため、依頼前に、何を検証するための試作なのかを整理することが必要です。

測定目的を整理するときは、寸法が規定範囲に収まっているかを確認する検査と、形状の変化や加工傾向を把握する評価を分けて考えると効果的です。合否判定を目的とする場合には、判定基準となる寸法、公差、測定条件を定めます。一方、形状の傾向を把握することが目的であれば、複数の測定点や形状データを比較する方法も検討できます。

特に注意したいのは、図面上に厳しい公差を設定するだけでは、適切な測定が保証されないことです。要求公差に対して測定器の性能や測定の不確かさが適切かどうかも確認する必要があります。測定のばらつきが大きい条件では、測定値が公差範囲に近い場合の合否判定が難しくなることがあります。

設計段階では、重要な寸法について、測定箇所、測定方法、測定器の種類、必要な測定精度、判定基準を検討します。研究段階で数値が確定していない場合には、暫定的な評価範囲を設け、試作結果をもとに見直す方法も考えられます。

また、測定対象を増やしすぎると、検査工数が大きくなるだけでなく、重要な評価項目が埋もれてしまう可能性があります。研究開発で検証したい仮説と関連付けながら、優先順位を設定することが重要です。

試作依頼先との打ち合わせでは、図面に記載された寸法のうち、どれが機能上重要なのかを具体的に説明するとよいでしょう。測定目的が明確になれば、形状の変更が必要な部分と、別の測定方法で対応できる部分を判断しやすくなります。

チェック2：測定基準面と基準点を確保する

2つ目の設計チェックは、試作品の位置や姿勢を決めるための測定基準を確保することです。部品の寸法や形状を測定するときには、どの面や位置を基準として評価するのかを定める必要があります。基準が不明確な設計では、測定者によって測定結果の解釈が変わる可能性があります。

例えば、複雑な外形を持つ部品で、平面部分がほとんど存在しない場合を考えます。このような形状では、測定器の上に安定して設置することが難しく、測定姿勢を再現しにくくなることがあります。測定するたびに部品の向きが変われば、同じ位置を測定しているつもりでも結果に差が生じる可能性があります。

こうした問題を避けるには、設計段階で測定基準となる面や穴、位置決め形状を検討することが重要です。機能面と測定基準を共通化できる場合には、実際の組立状態に近い条件で評価できる利点があります。

ただし、製品の機能に影響する場所へ測定専用の形状を追加すると、強度や組立性に悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、測定用の基準面を追加する場合には、製品の使用状態や加工工程との整合性を確認する必要があります。

研究開発の試作では、完成品には残さない仮設的な測定基準を設ける方法もあります。例えば、加工途中で測定に利用する補助部分を残し、必要な測定が終了した後に除去する方法です。ただし、補助部分の除去によって変形が生じたり、最終形状の測定ができなくなったりする可能性もあるため、工程計画と合わせて検討しなければなりません。

測定基準を設計するときには、単に平面を用意するだけでなく、部品の位置と姿勢を安定して決定できるかを確認することが必要です。部品が傾いたり、固定時に動いたりする状態では、測定結果の再現性が低下する場合があります。

また、図面に基準を設定する際には、加工基準、測定基準、組立基準の関係も整理しておくと役立ちます。これらが異なる場合でも問題があるとは限りませんが、基準間の関係が不明確だと、加工結果と組立性能を比較する際に混乱が生じることがあります。

例えば、取付面を基準として穴の位置を評価する部品では、取付面の状態が測定結果に影響します。取付面自体に反りや局所的な凹凸がある場合には、基準の設定方法や評価方法も検討する必要があります。

研究開発の試作を依頼する際には、どの面を基準として加工し、どの面を基準として測定するかを明確に伝えることが重要です。測定基準が確保された設計は、試作品の評価だけでなく、設計変更後の比較にも役立ちます。

チェック3：測定器がアクセスできる空間を確保する

3つ目の設計チェックは、測定器が必要な位置に到達できる形状になっているかを確認することです。図面上では測定位置が明確でも、周囲に壁や突起があると、測定器の先端が届かない場合があります。

特に、狭い開口部の奥にある面や、複雑な段差に囲まれた部分、部品の裏側にある形状などは注意が必要です。加工工具が届く形状であっても、測定器が同じようにアクセスできるとは限りません。

例えば、接触式の三次元測定器では、測定子を対象面に接触させる必要があります。このとき、測定子の直径や支持部分の形状、測定方向によっては、周囲の壁と干渉する可能性があります。測定子が対象位置に到達できても、適切な方向から接触できなければ、期待する測定結果を得られないことがあります。

光学式の測定方法でも、測定対象が見える位置にあることが重要です。壁の裏側や深い凹部など、測定光が届きにくい部分では、測定範囲が制限される場合があります。透明な材料や反射の強い表面、暗い表面などでは、測定方式によってデータ取得の難易度が変わることもあります。

こうした問題を防ぐには、三次元データを確認する段階で、測定器のアクセス方向を検討することが効果的です。測定したい面に対して、測定子や光学系がどの方向から近づくのかを想定し、周辺形状との干渉を確認します。

設計変更が可能な場合には、測定に不要な壁の高さを調整する、開口部を広げる、測定位置の周囲に空間を設けるといった対応が考えられます。ただし、これらの変更は部品の強度や機能に影響する可能性があるため、単純に形状を削除するのではなく、設計要件との両立を検討する必要があります。

また、試作品が複数部品から構成される場合には、組立前に測定する方法もあります。完成後には隠れてしまう面でも、単品状態であれば測定できることがあります。ただし、組立によって位置や形状が変化する場合には、単品測定だけでは組立後の状態を保証できません。

測定器へのアクセスを検討するときは、測定位置だけでなく、測定時の姿勢変更や固定具との干渉も確認することが大切です。測定器が対象位置に届いても、固定具が測定経路を妨げる場合があります。

試作依頼先に相談する際には、重要な測定箇所を三次元データ上で示し、利用可能な測定器でアクセスできるか確認してもらうとよいでしょう。測定が難しい箇所を製作前に把握できれば、形状変更や測定方法の見直しを早い段階で検討できます。

チェック4：深穴・狭溝・内部形状の測定方法を見直す

4つ目の設計チェックは、深い穴や狭い溝、外側から直接確認できない内部形状について、測定方法をあらかじめ検討することです。これらの形状は、測定器のアクセスが制限されやすく、通常の外形測定とは異なる対応が必要になる場合があります。

例えば、細長い穴の奥に重要な寸法が設定されている場合、入口付近の寸法は測定できても、奥の形状を十分に評価できないことがあります。穴の深さや径、内部の段差などによって、使用できる測定器が制限されるためです。

狭い溝についても同様です。溝の幅を測定できたとしても、底面の平面度や側面の傾きまで評価できるとは限りません。測定対象がどのような形状特性を持つかによって、必要な測定方法は変わります。

研究開発の試作では、冷却流路や流体経路、軽量化のための内部空間など、複雑な内部形状を設けることがあります。これらの形状は、製品の性能に直接関係する一方で、完成後に内部へ測定器を挿入できない場合があります。

内部形状を評価する方法としては、透過型の断層撮影を利用する方法や、試験片を切断して断面を観察する方法などが考えられます。ただし、透過型の断層撮影では、材料や厚さ、形状、装置条件などによって取得できる情報や測定精度が変わります。切断による評価では試作品が破壊されるため、評価後に同じ部品を使用できなくなることがあります。

そのため、設計段階で内部形状を評価する必要がある場合には、要求精度と測定方法の適合性を確認することが重要です。形状の有無を確認したいのか、内部の寸法まで測定したいのかによっても、適切な手段は異なります。

形状変更が可能であれば、深穴を段階的な加工形状に変更する、内部構造を分割部品で構成する、測定可能な位置に確認用の形状を設けるといった方法を検討できます。ただし、分割構造に変更すると接合部が発生するため、密封性や強度、組立精度などへの影響を評価する必要があります。

また、最終製品と同じ内部形状を持つ確認用試験片を別途製作し、加工状態を評価する方法もあります。この方法は加工条件の検証に役立つ場合がありますが、試験片の測定結果が実際の製品内部の状態を完全に保証するわけではありません。形状や加工条件の違いを考慮して評価する必要があります。

研究開発の試作を依頼するときには、内部形状のうち、どの部分を直接測定する必要があるのか、どの部分は機能試験や工程確認によって評価するのかを整理しておくことが重要です。完成後に測定できないことが判明する状況を避けるためにも、内部形状の評価方法は設計の初期段階から検討しましょう。

チェック5：複雑な曲面と微細形状の評価方法を決める

5つ目の設計チェックは、複雑な曲面や微細な形状について、評価方法と判定基準を明確にすることです。研究開発の試作では、流体性能や接触状態、外観、軽量化などの目的で、自由曲面や細かな凹凸形状を採用することがあります。

これらの形状は、単純な長さや直径だけでは評価できない場合があります。例えば、滑らかな曲面を持つ部品では、特定位置の寸法だけが設計値に一致していても、曲面全体の形状が適切であるとは限りません。

曲面を評価する際には、基準となる三次元形状と測定データを比較する方法が考えられます。ただし、比較を行うには、測定データと設計データの位置合わせ方法を明確にする必要があります。位置合わせの基準が異なると、形状偏差の分布や最大偏差の評価が変わることがあります。

また、曲面全体の評価では、測定点の密度や測定範囲によって得られる情報が異なります。測定点が少ない場合には、局所的な形状変化を捉えられない可能性があります。一方、測定点を増やしても、測定器の性能や表面状態による影響がなくなるわけではありません。

微細形状については、測定器の分解能だけでなく、測定子の大きさや光学的な測定条件なども考慮する必要があります。例えば、細い溝や小さな曲率半径を持つ部分では、接触式の測定子が形状に追従できない場合があります。その結果、実際の形状を十分に反映しない測定値が得られる可能性があります。

設計段階では、重要な曲面をどの範囲で評価するか、部分的な形状偏差をどこまで許容するかを検討します。機能に影響する領域と、機能への影響が小さい領域を区別することで、必要な測定精度や測定範囲を設定しやすくなります。

さらに、曲面の公差を設定する場合には、加工方法との整合性も重要です。必要以上に厳しい公差を設定すると、加工や検査が難しくなる可能性があります。一方、公差を緩くしすぎると、研究開発で確認したい性能差を正しく評価できなくなることがあります。

そのため、試作品に求める機能と測定可能性を踏まえ、公差の設定根拠を整理することが大切です。初回試作では形状偏差と性能の関係を調べ、その結果をもとに次回試作の公差を見直す方法も有効です。

また、複雑な曲面を加工する場合には、加工方向や工具の接触条件によって表面状態が変わることがあります。設計値との差を評価する際には、形状誤差と表面粗さなどの影響を区別して考えることも必要です。

研究開発の試作依頼では、曲面の三次元データを渡すだけでなく、どの領域が重要で、どの程度の形状差を評価したいのかを説明しましょう。加工会社や測定担当者と評価方法を共有することで、試作目的に合った測定計画を立てやすくなります。

チェック6：測定時の固定方法と変形を考慮する

6つ目の設計チェックは、測定時の固定方法と試作品の変形を考慮することです。試作品が測定器に設置できる形状であっても、固定によって変形する場合には、設計どおりの形状を評価することが難しくなります。

特に、薄肉部品や細長い部品、柔らかい材料を使用した試作品では注意が必要です。固定具で強く押さえると、部品がわずかに変形し、測定値に影響する可能性があります。固定を弱くすると、今度は測定中に部品が動いてしまうこともあります。

例えば、薄い板状部品の平面度を測定する場合、自由な状態で測定するのか、実際の取付状態を再現して測定するのかによって結果が変わることがあります。どちらが適切かは、部品の使用目的と評価したい特性によって異なります。

そのため、研究開発の試作では、測定時の拘束条件を明確にすることが重要です。自由状態での形状を評価するのか、一定の荷重や固定条件を与えた状態で評価するのかを決める必要があります。

また、材料によっては温度変化による寸法変化も考慮しなければなりません。熱膨張の影響を受けやすい寸法や、温度条件に敏感な測定では、測定環境と試作品の温度状態を管理することが重要です。特に、加工直後の部品と十分に温度が安定した部品では、測定値が異なる場合があります。

加工工程に起因する変形にも注意が必要です。材料内部の残留応力や加工時の熱、固定状態などによって、加工後に反りやねじれが発生することがあります。加工中には所定の寸法を満たしていても、固定を解除した後に形状が変化する場合があります。

こうした問題を避けるためには、測定時だけでなく、加工工程から測定工程までの状態変化を考慮することが必要です。必要に応じて、加工途中の測定、固定解除後の測定、一定時間経過後の測定などを計画し、形状がどの段階で変化するのか確認します。

また、測定専用の固定具を準備する場合には、部品の機能面を傷つけず、安定した姿勢を再現できる構造を検討します。複雑な形状の試作品では、支持位置や支持点の数によって変形状態が変わる可能性があるため、固定具の設計も重要になります。

試作依頼先との打ち合わせでは、測定時の固定方法、測定するタイミング、温度条件、測定姿勢について確認するとよいでしょう。測定条件が適切に定義されていれば、同じ部品を複数回測定した場合や、改良試作品と比較する場合にも、結果の解釈を統一しやすくなります。

研究開発の試作依頼前に測定条件を共有する方法

ここまでの6つの設計チェックを実施したら、研究開発の試作依頼先と測定条件を共有することが重要です。設計担当者が測定方法を想定していても、加工会社や測定担当者にその内容が伝わっていなければ、期待する評価結果を得られない場合があります。

試作依頼時には、図面や三次元データに加えて、測定目的と重要な評価項目を説明することが効果的です。特に、一般的な加工図面だけでは伝わりにくい研究開発上の意図については、別途説明することで認識の違いを減らせます。

例えば、特定の曲面が流体性能に影響する場合には、その曲面が重要である理由を共有します。穴の位置関係が機構の動作に関係する場合には、組立後にどのような機能を確認するのかを説明します。加工会社が機能上の重要部分を理解できれば、加工方法や測定方法について具体的な提案を受けやすくなります。

また、測定結果をどのような形式で受け取るかについても、事前に確認することが必要です。寸法の合否判定だけで十分な場合もあれば、実測値や測定位置、形状偏差の分布などが必要になる場合もあります。

研究開発では、合否判定だけではなく、設計変更の効果を分析するために測定結果を利用することがあります。そのため、規定範囲内であったという情報だけでは不十分な場合があります。必要な測定データの内容をあらかじめ決めておくことで、追加測定の発生を減らせる可能性があります。

測定条件の共有では、測定の不確かさや合否判定方法についても確認しておくとよいでしょう。測定値が公差の境界に近い場合、どのように判定するかを事前に合意しておくことで、検査結果の解釈を巡る認識の違いを防ぎやすくなります。

さらに、初回試作では、すべての形状や測定条件が確定していないこともあります。その場合には、測定可能性の確認を試作工程の一部として組み込む方法が考えられます。

例えば、加工開始前に測定器のアクセスを確認し、必要に応じて測定方法や設計条件を調整します。試作品の完成後には、測定結果と実際の加工状態を比較し、次回試作で改善すべき項目を整理します。

研究開発の試作を外部へ依頼する場合には、加工対応範囲だけでなく、測定設備や検査体制、外部測定機関との連携可否なども確認するとよいでしょう。高精度な加工が可能な会社であっても、すべての形状を社内で測定できるとは限りません。

特に特殊形状の試作では、加工方法と測定方法を別々に検討するよりも、両者を関連付けて確認することが重要です。試作依頼の初期段階から測定上の課題を共有することで、設計変更や追加工程の必要性を早めに把握できる可能性があります。

測定困難な形状を変更できない場合の対処方法

研究開発の試作では、測定しやすさを考慮しても、複雑な形状を変更できない場合があります。性能上の理由から内部流路や微細な構造が必要な場合や、実際の使用環境を再現するために特定の形状を維持しなければならない場合などです。

このような場合には、形状を無理に変更するのではなく、測定方法や評価工程を工夫することが重要です。

まず検討したいのは、製作途中で測定する方法です。完成後には測定器が届かない部分でも、部品が組み立てられる前や、追加加工が行われる前であれば測定できることがあります。重要な内部形状については、加工工程の途中で測定する計画を立てることで、最終状態では確認できない情報を取得できる場合があります。

ただし、中間工程で得られた測定結果が、完成後の形状をそのまま表しているとは限りません。後工程によって変形や寸法変化が生じる可能性があるため、工程間の影響を考慮することが必要です。

次に、測定用の試験片や確認用モデルを利用する方法があります。実際の試作品と類似した加工条件で確認用の形状を製作し、測定しにくい部分の加工状態を評価します。この方法は、加工条件の妥当性や形状の再現性を確認する目的で役立つことがあります。

一方、確認用試験片は実際の試作品と形状や剛性が異なる場合があるため、測定結果をそのまま製品の品質保証に使用できるとは限りません。評価対象との違いを明確にしたうえで利用することが重要です。

また、接触式の測定が難しい場合には、光学式の測定や透過型の測定など、異なる原理の測定方法を検討することもできます。ただし、測定方式によって得意な形状や材料、必要な表面条件が異なります。要求精度を満たせるかどうかは、測定設備や実際の条件を確認して判断する必要があります。

さらに、形状を直接測定することが難しい場合には、機能試験によって性能を評価する方法も考えられます。例えば、流路形状の検証では流量や圧力特性を確認するなど、形状によって実現したい機能を評価する方法があります。

ただし、機能試験で期待する結果が得られたとしても、すべての寸法や内部形状が設計値どおりであることを保証できるわけではありません。機能評価と寸法検査は、それぞれの目的と限界を理解して使い分ける必要があります。

研究開発では、製品の性能を確認することが最優先になる場面もあります。その場合でも、測定できない部分を放置するのではなく、どの項目を直接測定し、どの項目を代替的な方法で評価するかを明確にすることが重要です。

測定方法を決定できない場合には、設計を確定する前に加工会社や測定の専門担当者へ相談するとよいでしょう。利用できる設備や測定条件を確認することで、設計を変更せずに評価できる方法が見つかる場合もあります。

まとめ：測定しやすい設計で研究開発の試作精度を高める

研究開発の試作では、加工できる形状であることと、完成後に適切に測定できる形状であることは必ずしも一致しません。複雑な曲面や深穴、狭溝、内部構造などを含む試作品では、設計段階から測定方法を検討することが重要です。

今回紹介した6つの設計チェックでは、測定目的の明確化、測定基準の確保、測定器のアクセス、内部形状の評価、曲面や微細形状の測定、固定方法と変形への配慮を取り上げました。これらを確認することで、試作品の完成後に測定が難しいことが判明するリスクを減らし、検証作業を進めやすくなります。

特に、研究開発の試作を外部の加工会社へ依頼する場合には、図面や三次元データを渡すだけでなく、重要な評価項目や測定条件を共有することが大切です。加工方法と測定方法を合わせて検討することで、設計意図に沿った試作品の製作につながります。

また、研究開発では、試作品の測定結果だけでなく、試験環境や使用状況、設置状態などの情報も重要になります。試作品の性能が期待どおりでなかった場合、寸法や形状だけでなく、試験時の条件や使用状況を振り返る必要があるためです。

特に、屋外設備や建設・土木分野に関連する研究開発では、現場で使用した試作品の状態を写真や位置情報とともに記録することが、検証作業に役立つ場合があります。試作品の設置位置、周辺環境、施工状況などを記録しておけば、後から測定結果や試験結果を確認する際の参考情報になります。

こうした現場記録の管理には、現場写真・位置情報・施工記録を管理する自社プロダクトの LRTK Phone を活用する方法があります。現場で得られた記録を整理し、別途管理する試作品の図面や寸法検査結果との対応関係を明確にすることで、研究開発の検証履歴を追いやすくなります。

ただし、LRTK Phone による現場記録の管理と、専用測定器による精密な寸法検査は目的が異なります。重要寸法の合否判定には、要求精度に適した測定方法を使用し、LRTK Phone は現場状況や施工履歴を記録する用途として活用することが大切です。

研究開発の試作を成功につなげるには、設計、加工、測定、現場での評価を一連の工程として考えることが重要です。測定しやすい形状を意識した設計と、試作から評価までの記録管理を組み合わせることで、検証結果を次の設計改善に活用しやすくなります。