プロトタイプ加工：プロトタイプ作成のためのCNCの長所と短所

CNC機械加工とは何ですか？

コンピューター数値制御（CNC）機械加工は、コンピューター入力を使用してドリルや旋盤などの工作機械を制御する製造プロセスです。さまざまなプロトタイプおよび最終用途の部品に多くの業界で使用されています。

このプロセスは、CADソフトウェアを使用して作成されたデジタル3D設計から始まります。これは、コンピューターが機械の切削工具への一連の指示に変換できます。これらの命令はGコードとして知られています。 Gコードがマシンに送信されると、マシンはいつどこでカットするかを認識し、自律的に加工を実行するため、手動による監視はほとんど必要ありません。これにより、熟練した機械工が手動の切削工具を使用してワークピースを切削する従来の機械加工と比較して、時間とコストを大幅に節約できます。

機械加工はサブトラクティブプロセスです。つまり、装置は新しい材料を導入するのではなく、既存の材料を除去します。 3Dプリンターが材料を層状に堆積させてオブジェクトを形成する積層造形とは異なり、CNC機械加工では、「ワークピース」と呼ばれるフォームレスブロックからセクションを切り取ります。余分な材料は廃棄またはリサイクルされ、最終的には完成した部品が残ります。より複雑なCNCマシンは、軸の数が多いため、より複雑な方法でワークピースを切断し、より複雑な形状の部品を製造することができます。

CNC機械加工は、その汎用性、精度、一貫性、および互換性のある幅広い材料のおかげで広く使用されている製造プロセスです。アルミニウム合金が機械加工の最も一般的な材料ですが、他の多くの金属やプラスチックも使用できます。

CNC機械加工はプロトタイピングに適していますか？

現在、多くの人が3D印刷をラピッドプロトタイピングの主要な形式と見なしていますが、CNC機械加工もプロトタイプ部品を作成するための重要なプロセスです。理由を理解するには、プロトタイプがとることができるさまざまな形式を検討し、これらのプロトタイプが存在する理由を検討することが有益です。

プロトタイプは多くの異なる機能を持つことができます。最も基本的には、プレースホルダーまたは小道具として機能します。最終部分がどのように見えるか、またはどのように動作するかについての視覚的な情報を伝えるために使用される、最終部分の緩い表現です。これらの見た目はプロトタイプ 研究開発プロセスをガイドしたり、概念実証を提供したりするために使用できます。高い美的基準に基づいて作成された場合、それらは潜在的な投資家に新製品を売り込むためにも使用される可能性があります。このようなプロトタイプは非常に重要ですが、必ずしもハイエンドのプロ仕様の機器を使用して作成する必要はありません。手作業で作成することも、ローエンドのデスクトップ3Dプリンターで印刷することもできます。

ただし、一部のプロトタイプは、単なる視覚的表現以上のものに使用されます。製品開発の段階によっては、企業はエンジニアリングプロトタイプを作成する必要がある場合があります。 または本番プロトタイプ ：見た目だけではないプロトタイプ 最後の部分と同じですが、それと同じように機能し、可能な限り本物に近い代替品として機能します。 3D印刷は見た目のようなプロトタイピングに最適なオプションですが、強度、機械的安定性、または付加的なプロセスでは得られないその他の特性を必要とするこれらの機能的なプロトタイプには、CNC機械加工が適していることがよくあります。結局のところ、3Dプリンターで製造される最終用途の部品は多くありません。

CNC機械加工はプロトタイピングに最適ですが、その適合性はプロトタイプの性質によって異なります。プロトタイプはどのような目的で使用されますか？どのような素材から作られますか？そして、どの素材から最終になりますか 一部作られますか？これらの質問やその他の質問は、最終的にユーザーを最も適切なプロトタイピングの方法に導きます。

CNC機械加工アルミニウムプロトタイプ

CNC機械加工によるプロトタイピングの利点

企業がCNC機械加工を使用してプロトタイプを製造する理由は多数あります。たとえば、製造速度、部品の品質、材料のオプション、最終部品との類似性などです。

ファイルからプロトタイプへ

CNC加工の最大の利点の1つは、「CNC」要素です。 CNC機械加工は、コンピューターファイルから部品を作成するデジタルプロセスであるため、エンジニアは、機械加工されたプロトタイプがデジタル3D設計と厳密に一致し、同じデジタル設計を後で使用して同じ寸法の最終部品を作成できることを知っています。再現性は特に高いです。

さらに、デジタル3Dデザインを使用すると、すばやく正確に変更できます。機械加工されたプロトタイプが悪い設計に起因する物理的な欠陥を示した場合、エンジニアはCADソフトウェアに戻って、次のプロトタイプに適した変更を加えることができます。さまざまなバージョンを並べて比較できます。また、シミュレーションソフトウェアを使用して、パーツが実際の世界でどのように機能するかを事前にテストすることもできます。

3DCADファイル

5軸CNC加工によるプロトタイプ

品質と一貫性

コンピューターは完璧ではありませんが、コンピューター制御の機械は、故障しない限り、想定どおりに機能する傾向があります。多くのプロトタイピングプロセスは人間のスキルに依存していますが（したがって、ヒューマンエラーの影響を受けやすい）、CNCマシンはその指示に従って1ミリ未満になります。

重要なのは、彼らはそれを何度も繰り返すこともできるということです。企業は単一のプロトタイプしか作成していない可能性がありますが、CNCマシンは、必要に応じて、最初からの偏差を最小限に抑えて、同じジョブを2回実行できます。これは、プロトタイプの新しいイテレーションを開発したり、同じ機械で本番環境に移行したりする場合に非常に役立ちます。 （手動プロセスは非常に重要ですが、自動化されたマシンとの一貫性を保証する方が簡単です。）

強力な素材の範囲

プロトタイプに機械的な目的がない場合は、3D印刷に適している可能性があります。これは、高強度の部品を製造することで知られていませんが、コストが非常に低く、短時間で実行できます。ただし、ほとんどの3D印刷プロセスでは、材料の選択肢は機械加工の場合よりも狭くなります。

CNC機械加工は、互換性のあるさまざまな材料を提供するだけでなく、さまざまな金属を含む、非常に強力で耐久性のある材料も提供します。金属を使用して3D印刷することもできますが、低コストのFDMプリンターを使用することはできません。

一般的なCNC機械加工材料は次のとおりです。

金属	プラスチック
Aluminum	ABS
鋼	PC
ステンレス鋼	PP
マグネシウム	PS
Titanium	POM
Zinc	PMMA
真ちゅう	PAGF30
ブロンズ	PCGF30
銅	テフロン
	LDPE
	HDPE

最後の部分との類似性

プロトタイプにCNC機械加工を使用することのもう一つの大きな利点は、最終部品と同様のプロトタイプを作成できることです。マシニングセンターは、プロトタイプだけでなく最終用途の部品も完全に生産できるため、最終製品に近いプロトタイプを作成することができます。これは、3D印刷やその他の方法ではめったに不可能なことです。

これの一部は材料にあります。多くのエンジニアリング金属は機械加工性が高いため、エンジニアは最終部品に使用するのと同じ（または類似の）材料からプロトタイプを作成できます。しかし、プロセス自体の品質も要因です。機械加工された部品は強く、印刷部品のように特定の軸に沿って弱さを示しませんが、機械加工プロセス自体は、板金成形などの他のプロセスを複製するために使用することもできます。

さらに、外観と動作が最終部分に近いプロトタイプを作成すると、重要な変更が少なくなるため、ブリッジプロダクションへの移行が容易になります。

CNC機械加工によるプロトタイピングのデメリット

その利点にもかかわらず、CNC機械加工にはプロトタイピング方法として一定の制限があり、企業が代替アプローチを好む可能性があります。

3Dプリントよりも高価

CNC機械加工のプロトタイプの明らかな欠点の1つは、プロセスのコストです。マシニングセンターは、3Dプリンターよりも大きなパワーと、より優れた人間による監視を必要とする大型の機械です。機械加工可能な金属は、PLAのような一般的な印刷材料よりも高価格です。

これが、最終部品に機械加工を使用する場合でも、エンジニアが代替のプロトタイピングプロセスを選択する主な理由の1つです。開発はリソースを浪費する可能性があり、企業が（初期の）プロトタイピング段階ですべての費用を削減する必要があるかどうかは理解できます。

いくつかの幾何学的制限

4軸および5軸マシニングセンターは、幾何学的な柔軟性を備えていますが、これらの機械にも限界があります。内部形状が複雑な精巧な構造の場合、切削工具の角度によって制限されないため、積層造形プロセスの方が適している場合があります。

ただし、3D印刷されたプロトタイプは誤解を招く可能性があることに注意してください。マシニングセンター、射出成形装置など、選択した製造装置を使用して3Dプリンターから完全に出力されるデジタル3Dデザインを作成することは不可能な場合があります。プロトタイプの幾何学的な柔軟性は、その柔軟性を最終的な部分で再現できる場合にのみ役立ちます。

廃棄物

CNC機械加工はサブトラクティブプロセスであるため、実際に部品に入る材料よりも多くの材料が必要になります。一部の材料は切り取られて金属またはプラスチックのチップになり、廃棄する必要があります。これは、印刷が失敗して繰り返す必要がない限り廃棄物を生成しない付加的なプロトタイピングプロセスとは異なります。

プロトタイピングプロセスとして機械加工を使用すると、材料の使用量と無駄が増えるため、材料費が高くなる可能性があります。ただし、チップはリサイクルできることが多いため、プロセスによる環境への影響はそれほど深刻ではありません。 （リサイクル可能な廃棄物を販売することも、材料費の一部を回収するのに役立ちます。）

ソリッドブロックからマテリアルが削除されました

高速工具：CNC機械加工による射出成形プロトタイプ

CNC機械加工がいかに優れたプロトタイピングプロセスになり得るかを見てきました。ただし、機械加工を間接的に使用して、射出成形されたプロトタイプを作成することもできます。

CNC機械加工の工具または金型により、企業は射出成形に必要な装置を作成するためのより費用効果の高い方法を利用できます。このCNC機械加工された工具は、従来の工具よりも迅速に作成できるため、成形されたプロトタイプへの近道です。 （プロトタイピング段階後の最終成形部品には、従来の金型法を採用できます。）

機械加工された工具は、成形樹脂部品自体よりも製造コストがはるかに高いため、大量の成形部品を注文する場合は、迅速な工具プロセスを使用する方がはるかに費用効果が高くなります。また、プロトタイピングの段階では大量の製品は特に望ましくない場合がありますが、本物の成形プロトタイプは、たとえば3D印刷された代替品よりも、成形部品を代表するものになります。

3E RPにお問い合わせください CNC機械加工がプロジェクトに最適なプロトタイピングプロセスであるかどうかを確認します。