CNCと3D印刷：パーツを作成するための最良の方法は何ですか？

はじめに

より強力な3D印刷材料の開発により、さまざまな業界のメーカーがCNC対3D印刷を検討し、以前にCNC機械加工された機能部品を3D印刷する方法を見つけるようになりました。 3D印刷プロセスは、産業レベルの生産に必要な品質を生み出しながら、製造業者にかなりの時間とお金を節約することができます。

切り替えを行うメーカーは、3D印刷ソフトウェアを活用して、従来のCNC機械加工の数分の1のコストで、1日で部品のプロトタイプ作成と製造を行うことができます。ただし、CNCが依然として正しい選択である可能性があるいくつかの重要な領域がまだあります。

物理的なものから財務的なものまで、CNC印刷と3D印刷のどちらを選択するかを決める前に、評価する重要な領域のいくつかを見ていきましょう。

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物理的な考慮事項

ジオメトリ

機能サイズ： CNCと3Dの両方の印刷プロセスは、ツールのサイズによって制約されます。 CNCの場合、ツールの直径によって、作成できる最小のネガティブフィーチャーが決まります。ただし、3D印刷の場合、ノズルの直径によって、生成できる最小のポジ​​ティブフィーチャが決まります。押し出しベースの3Dプリンターのノズル直径は通常0.25mmから0.8mmであり、これらのマシンの最小フィーチャーサイズはその4倍であるため、最小フィーチャーサイズは1.0mmから3.2mmになります。

連続繊維強化の最小フィーチャーサイズの詳細については、最小ファイバーフィーチャーサイズのガイドを作成しました。

表面仕上げ： 適切なツールを使用すると、CNCマシンは3Dプリンターよりもはるかに滑らかな表面を生成できます。 3Dプリンターは、フィット感と仕上げのための部品を製造できますが、他の精密部品との嵌合に並外れた滑らかさが要求される部品には、CNC機械加工が望ましい場合があります。

許容範囲： 最高の複合3Dプリンターのいくつかは、寸法公差を+/- 0.005インチまで抑えることができ、通常、圧入用の柔軟な表面を備えています。 3D印刷された部品の厳しい公差機能は、後加工することができます。ただし、パーツの他の機能によっては、全体を加工する方が簡単な場合があります。結果は、機械、材料、および部品の形状によって異なる場合があります。

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読み込み中： 非構造部品は通常、従来の3D印刷の簡単なターゲットです。大きな物理的負荷に耐える必要のある構造部品は、連続繊維強化またはCNC機械加工によって製造できます。連続繊維強化は他の3D印刷部品に比べて大幅な強度向上をもたらしますが、複合部品はZよりも2軸（X、Y）で強く、金属部品のような等方性を示しません。これが印刷用のパーツのデザインと向きにどのように影響するかについて詳しくは、等方性繊維充填に関するこの記事をお読みください。これらのパーツについて詳しく説明しています。

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環境

3D印刷とCNC機械加工はどちらも金属とポリマーで部品を製造できるため、必要な材料を形成するためにどちらのプロセスをより簡単に利用できるかを選択します。

温度： 3D印刷とCNC機械加工はどちらも金属とポリマーで部品を製造できるため、必要な材料を形成するためにどちらのプロセスをより簡単に利用できるかを選択します。特定の金属の使用温度は、通常、その溶融温度と何らかの関係があります。 「純粋な金属は通常、絶対温度スケールの融点の約半分（華氏+ 459の融点）で深刻に弱まります。」合金は通常、有用な範囲をより高く、場合によっては溶融温度の約65％まで押し上げることができます。

3D印刷された複合材料とポリマーには、金属よりも低い使用温度制限があります。マークフォージド素材は通常、150°Cを超える高温で長期間使用しないでください。

湿気 ：一部のポリマーフィラメントは湿気を吸収し、長時間の暴露または水没により強度を失う可能性があります。 Liquitexなどのコーティングが必要になる場合があります。湿気は通常、アルミニウムには影響しませんが、鋼が錆びる原因となる可能性があります。

化学薬品： 部品が化学薬品にさらされる場合は、材料と化学薬品との化学的適合性を確認してください。多くの金属はさまざまな化学薬品での使用に適していますが、新しい材料や環境を導入する前に、必ず適合性を確認してください。マークフォージドナイロンベースの素材は化学的に耐性があり、ほとんどの石油化学製品の影響を受けません。強酸または強塩基環境での使用には適していません。

経済的考慮事項

いつ必要ですか？

社内での機械加工 ：部品がすぐに必要な場合、操作に対する他のホールドアップはなく、機械、オペレーター、材料、およびワークホールディングが利用可能である場合は、部品をCNC機械加工する必要があります。より緊急の仕事がある場合、または部品が待つことができる場合、3D印刷は通常、翌日に部品を手に入れることができ、より重要なタスクのためにオペレーターの時間を解放します。

CNC機械加工は通常、3D印刷で堆積するよりもはるかに速く材料を除去することができます。サイズは通常、機械加工の時間の制約にはあまり影響しません。必要な材料除去の量ははるかに重要です。部品の体積とストックの体積の比率が非常に低い場合（材料の除去率が高い場合）、3D印刷が適切なオプションとなる可能性があります。

3D印刷では、パーツサイズは時間に影響します。パーツが大きいほど、印刷に時間がかかります。パーツが手のひらに収まる場合は、通常、同じ日にそれを手に入れることができます。部品が小さいと、機械よりも3Dプリントの方が速いことがよくあります。 CNCマシンでは、在庫の取得、Gコードの記述、作業の保持の把握、ツールのセットアップ、および後片付けに時間を費やす必要があります。一部の部品は、CNCマシンを準備するだけの時間で印刷できます。

社外での機械加工： 機械加工されたコンポーネントをCNC機械加工サービスにアウトソーシングするプロセスは、通常、部品のレビュー、図面の作成、見積もりの​​ための発送、購入によるレビューの間に、最低でも数日かかります。これに加えて、ショップからの発送とリードタイムにより、非常に長いプロセスが発生する場合があります。この場合、印刷は、フィット感と仕上がりを確認したり、永久的なパーツをカットしている翌日にパーツを準備したりするのに適した方法です。

いくつ必要ですか？

少量の機械加工部品のコストを分析すると、コストの大部分はプログラミングとセットアップに必要な時間から発生します。金属を切断する実際の時間は、一般的にかなり短いです。生産量の拡大は、一般的に、より多くの部品を無人で切断するために、より大きなセットアップを行うことによって達成されます。部品の複雑さと機能の数が増えると、プログラミング時間と必要なセットアップの数も増える可能性があります。ただし、追加ユニットのコストはかなり急速に低下します。ジオメトリに応じて、プログラミングとセットアップを再利用できるため、ユニットあたりのCNCコストは、月に数百から数千のオーダーにまで拡大します。

3D印刷では、プログラミング（スライス）はほんの数分で行われ、複雑さはプログラミング時間にほとんど影響しません。最初のユニットコストと労力は低いですが、ユニットあたりのコストはボリュームの影響をあまり受けません。生産量の拡大は、通常、より多くのマシンをオンラインにすることで達成されます。

設備とオペレーターの予算はいくらですか？

CNCマシンは、適切にセットアップされていれば無人で実行できますが、通常、訓練を受けたフルタイムのオペレーターとプログラマーが成功に不可欠です。所有者が機械を修理するのは必ずしも簡単ではなく、高価なメンテナンス計画が必要です。

3Dプリンターは完全に無人で簡単に実行でき、オペレーターは最小限のトレーニングで済み、プログラミングはソフトウェアによって簡単になります。機械は通常、保守が簡単で、保守コストがはるかに低くなります。

CNCマシンと3Dプリンターは、機能とビルド品質に基づいてさまざまな価格で提供されますが、通常、3Dプリンターは、CNCマシンよりも大幅に低い投資で所有できます。

アディティブマニュファクチャリングの初期費用と運用コストは低く、プロトタイピングやツーリングなどの少量のアプリケーションに最適です。ただし、大量にスケーリングする場合は、サブトラクティブ製造と成形の方が費用効果が高くなります。

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CNCと3D印刷の議論はどこにあるべきですか？

ケースが1対1のプロセス交換ほど単純なことはめったになく、3D印刷ですべての生産上の問題を一夜で解決できるわけではありません。経済的制約により、3D印刷の費用効果の高い部品の数量が少量に制限され、材料とプロセスの制約により、アプリケーションスペースが制限される場合があります。一方、CNC機械加工では、数量が少し増えると、通常は1か月あたり数百ユニット程度の規模の経済が見込まれます。 ‍