3Dプリンターと3D CNCルーターの比較：あなたのプロジェクトに最適なのは？

近年、CNC技術の普及と低コスト化により、CNCルーター、CNC旋盤、さらには5軸CNCマシニングセンタなど、材料を容易に製品へ加工できる設備が愛好家に受け入れられ、普及してきました。DIY用CNCルーターも登場しています。長年にわたり、3D CNCルーターは愛好家の間で人気のトピックの一つでした。しかし最近、3Dプリンターの低コスト化とハードウェア・ソフトウェアのオープンソース化により、3Dプリンターが注目の的となっています。

3D CNCルーター

CNCはComputer Numerical Control（コンピュータ数値制御）の略で、コンピュータ制御の工作機械を指します。この技術により、コンピュータで加工データを機械加工装置に伝送できます。フライス加工、旋削、研削、穴あけなどの加工工程を高精度で実行でき、一台の装置で複数の加工工程を実現することも可能です。このような装置には多くの種類があり、機能も異なります。一般的なのはCNCマシニングセンタ、CNC旋盤、CNCルーターです。これらの制御システムは、制御コードやその他の象徴的命令を含むプログラムを処理し、コンピュータを介してコードを変換することで、工作機械が規定の動作を行い、ブランクを工具で切削して半製品や完成部品に加工します。

ほとんどのDIY愛好家が持つ3D CNCルーターは、一般的に2軸～5軸を持ち、最も一般的なのは3軸CNCルーターです。主にフレーム、モーター、伝動機械部品、スピンドル、制御システムで構成されます。基本動作原理は：制御システムがデータを翻訳・処理し、電気信号に変換してモーターを駆動。モーターが伝動機械部品を駆動し、スピンドル上の工具またはワークをX、Y、Z空間方向に移動させます。高速回転する工具がワークから不要な材料を切り取ります（図1参照）。3軸CNCルーターは一般的にブロック材料の穴あけ、フライス加工、切断に使用されます。切削工具は従来の合金工具やレーザーを使用できます。伝統的なCNC技術は「減法技術」と言え、ブランク材料を少しずつ削り取って完成品を得ます。

3Dプリンター

伝統的なCNC技術が減法技術なら、3Dプリンターは「加法技術」を採用しています。3D印刷技術は20世紀末に起源を持ち、その後開発された様々なラピッドプロトタイピング装置は非常に高価でした。最近までCNC技術がオープンソース化し、ラピッドプロトタイピング特許期間が満了したことで、海外で安価な3Dプリンターが相次いで登場。日本にも流入し、様々なシンプルな3Dプリンターが愛好家の目に触れるようになりました。

3Dプリンターはラピッドプロトタイピング装置の一種です。基本原理は、伝統的なCNCとプリンターの組み合わせと見なせます。数値制御CNC技術を用いてモデルファイルをフレームの空間変位に変換し、3Dプリントノズルで粉末金属やプラスチック材料を接着し、層ごとに印刷して物体を構築します。インクジェットプリンターで印刷する際、デジタルファイルがプリンターに転送され、プリンターが解釈してインクの層を紙表面に噴射し、二次元画像を形成します。3D印刷では、ソフトウェアがコンピュータ支援設計技術（CAD）で一連のデジタルスライスを完了し、これらのスライス情報を3Dプリンターに伝送します。3Dプリンターは連続する薄い層を積み重ねて立体物体を形成します。3Dプリンターと従来のプリンターの最大の違いは、使用する「インク」が実際の原材料であることです。

積層薄層には様々な形式があり、以下の3方式が一般的です。

1. 「インクジェット」方式：3Dプリンターノズルが極薄の液体プラスチック材料層を噴射し、紫外線やレーザーで硬化させ、トレイが微小距離下がって次の層を積層。これを継続して完成させます（図2参照）。
2. 「溶融造形」方式：追加の硬化プロセス不要。ノズルでプラスチックを直接溶融させ、圧力で押し出し、積層、空気中で冷却成形します（図3参照）。
3. 「粉末焼結」方式：粉末粒子をトレイに噴射して極薄の粉末層を形成し、液体バインダーを噴射して固化、またはレーザー、電子ビームで粉末層を溶融・焼結・固化させ、層ごとに積層します。これらの方式で印刷する際、穴やカンチレバーなど複雑な構造が含まれる場合、印刷プロセス中にゲルや他の物質を追加してサポートやスペース確保を行い、印刷後にその部分を除去します。印刷媒体にはプラスチック、金属、セラミックス、ゴム、食品、さらには人体細胞を用いた臓器など多様なものがあります。

比較

作動原理の比較から、両者にはそれぞれ長所と短所があることがわかります。CNCルーターは既存のプロファイルや半製品を加工でき、材料要求が高くなく、入手しやすく安価です。金属、木材、石材、プラスチックなど多様な材料に対応でき、かなり大きなサイズも加工可能です。一方、3Dプリンターは特殊な印刷消耗材を必要とし、印刷コストが高く、大型化が困難です。CNCルーターは工業製品生産、金型製造、工芸品制作、広告業界、アマチュア部品制作などに適しています。3Dプリンターは材料によって制限され、作成される製品は比較的脆弱です。例えば「溶融造形」機では消耗材が主にプラスチックで、金属ほど硬くなく、一般的に模型手作り、パーソナライズ工芸品、製品サンプル、古代化石修復などに適しています。CNCルーターは作業時に適切なプロファイルや半製品を準備する必要がありますが、3Dプリンターは不要で、印刷物は「空から降ってくる」ように作成できるため、デザイナーに人気です。構造面では両者に大きな違いはありません。両方ともX、Y、Zの3軸で構成されるフレーム構造を採用しています。主な違いは、CNCルーターがスピンドルと工具で材料をフライス加工するのに対し、3Dプリンターはノズルで材料を積層する点です。