試作ラボに3DプリンティングかCNCフライスか：実践的選択ガイド

試作ラボ立ち上げの第一歩：3Dプリンティング vs CNCフライスの選択

両方の選択肢は従来の製造方法に対する多くのメリットを備え、現代の製造プロセスに不可欠であることが証明されています。最終的に、3Dプリンティング vs CNCフライスについて、「CNCマシンで試作するか3Dプリンターで試作するかは、いくつかのことに依存します：価格帯、部品/試作のサイズ、使用する材料のタイプ」

だからこそ、私たちは記録を正し、いくつかの誤解を解くことにしました。3Dプリンティングには間違いなくその場所がありますが、産業試作に関してCNCミルのメリットを評価する際、近視眼的にならないことが重要です。

以下は、現代製造が進化し続ける中で、両プロセスの定義、歴史、アプリケーション、予測の内訳です。最終的に、この情報が、試作ラボ立ち上げにおいて、あなたのビジネスに具体的に必要なものを決める際のガイドになれば幸いです。

3Dプリンティング vs CNCフライスの定義

3Dプリンティングのシンプルな説明は、「三次元（3D）立体オブジェクトを作成する製造プロセスである。添加的または積層的な開発フレームワークを使用し、層を連続して積み重ねて完全な3Dオブジェクトを作成することで、オブジェクトの物理的3Dモデルの作成を可能にする」というものです。この理由から、3Dプリンティングは積層造形とも呼ばれます。

Investopediaによると、「3Dプリンティング技術はすでに製造生産性を向上させており、大量生産で成功裏に使用され、製造がよりローカルになれば、製造ロジスティクスと在庫管理業界を大規模に破壊する潜在能力がある」

一方、「コンピュータ数値制御（CNC）マシンは、ツールに取り付けられたマイクロコンピューターに埋め込まれたソフトウェアを通じて、工作機械の制御を自動化する。金属とプラスチック部品の加工で製造業で一般的に使用される」

CNCについての一般的な誤解は、この自動制御がコスト——文字通り——を伴うというものです。CNCは、高度な熟練労働が必要だと信じられているため、しばしば不正確により高価だと想定されます。現実には、CNC加工はこれらの初期の真実から大きく前進しています。

3Dプリンティング——略史

3Dプリンティングの現代的な応用は1980年代初頭に根ざしています。3Dプリンティングの歴史は急速な進化の研究です。1981年の3Dプリンティング誕生に続き、1984年にステレオリソグラフィーが創出されました。これは「光化学プロセスによって光が化学モノマーを結合させポリマーを形成する、層ごとの方式でモデル、試作、パターン、生産部品を作成するために使用される3Dプリンティング技術の一形態」です。

医療業界は早々に3Dプリンティングの進歩を活用しました。まず1999年、Anthony Atala医師率いるWake Forest再生医療研究所が、ヒト膀胱組織のプリントと生成に成功し、自身の細胞構造や足場から作られていたため免疫システムが拒絶するリスクがほとんどないとして、個人に移植したと発表しました。

2016年に早送りすると、「研究所は、研究者たちが10年以上かけて設計した特殊な3Dプリンターを使用し、生きた組織構造のプリントに成功したと発表。耳、骨、筋肉構造をプリントし、動物に移植すると、機能的な組織に成熟し、血管系を発達させた」

現在、「最も先進的な3Dプリンティング応用として期待されているのは、複雑な臓器のバイオプリント。完全に機能するプリント可能な心臓まで、20年未満と推定されている」

産業用ラピッドプロトタイピングでの3Dプリンティング利用に関して、「製造業者は、より広範な製造戦略の一部として3Dプリンティングへの依存を高めており、生産利用は2018年の38.7%から51%へ上昇（全回答者ベース）」

これは、Forbesの「The State of 3D Printing, 2019」で発表されたいくつかのハイライトを考慮すると、驚くべきことではありません：

このレポートによると、研究設計調査で8つの業界が取り上げられています：産業財（13.6%）、ハイテク（10.6%）、サービス（9.9%）、消費財（8.6%）、ヘルスケア・医療（6.2%）、自動車（5.7%）、航空宇宙・防衛（5.5%）、教育（4.9%）、これは3Dプリンティングが多様な垂直分野をサポートし、利益をもたらす潜在能力を示しています。

しかし、「製造の戦い：積層 vs 減算」において、CNCマシンが支配的です：「積層製造が航空宇宙と自動車業界で印象的な進出を見せているものの、CNC加工は大多数のメーカーにとって依然として定番の選択肢である」

CNCミルがどのように生まれたか

CNC 100の歴史と定義に概説されている通り、CNCマシンは元々NCマシンとして知られ、「複雑な電気回路によって制御されていた。NCマシンは、ペーパーテープやマイルテープにパンチされたパートプログラムから、一度に1行のコードを読み取り実行した」

小型コンピューターの技術が進化するにつれ、コンピューターが工作機械を制御し始め、CNCが製造プロセスとして誕生しました。最初の一行のコードから、CNCマシンは数百のプログラムを格納する能力を開発しました。

CNC工作機械の詳細な歴史については、Encyclopedia.comがすべてをカバーしています。注目すべき点は：

しかし、以下のタイムラインでいくつかの重要なハイライトを確立できます：

• 木工旋盤のような工作機械は聖書の時代から存在するが、金属加工旋盤が発明されたのは1800年、Henry Maudslayによるものだった
• そのすぐ後、1818年にEli Whitney（綿花選別機の発明者で最も知られる）が最初のフライス盤を導入した
• これら両方のマシンには人間のオペレーターが必要で、完成品に人為的エラーが生じた
• 第二次世界大戦後、John T. Parsonsが初期のIBMコンピューターをこれらの計画に組み込んだ、最初の現代的フライス盤を導入した
• 1960年代には価格低下とよりアクセスしやすいマシンが登場し、追加のアプリケーションと業界に不可欠となった
• 集積エレクトロニクスの進歩により、上記のペーパー/マイルテープが排除され、現代のマシンはプログラムコンピューターメモリからデータを読み取れるようになった

現在、「CNCマシンを使用する一般的な製造プロセスには、曲げ、穴あけ、パンチング、接着、研削、レーザー切断、フレーム・プラズマ切断、ルーティング、ピックアンドプレース、超音波溶接などがある。ミル、旋盤、放電加工、ウォータージェットカッターはしばしばCNCで動作する」

3DプリンティングとCNCマシンの両方の歴史を簡単に振り返ると、試作ラボ立ち上げにおいて、どちらも製造プロセスを最適化する潜在能力があることがわかります。

積層 vs 減算製造プロセスの評価

試作ラボに3DプリンティングかCNCミルが必要かを判断するには、まず、あなたの製品が積層 vs 減算製造プロセスのどちらに従って最も効果的かつ効率的に提供されるように設計されているかを考慮する必要があります。

減算が積層に勝る主な利点は、「積層プロセスの積層を排除するだけでなく、減算プロセスには他の利点がある。多様な表面仕上げを提供し、多くの積層プロセスでよく見られる『段差』表面を排除する。仕上げは、部品が滑らかに滑る必要がある場合は機能的に重要であり、試作が市場テストに使用される場合は化粧的に重要である」

これらのプロセスがサポートするアプリケーションのタイプを考慮すると役立ちます。

積層 vs 減算アプリケーションの理解

二者の間では新参者ですが、「積層製造はすでに印象的な製品群の生産に使用されている」。これらの製品は主に以下の業界に登場します：航空宇宙、自動車、ヘルスケア、製品開発。

様々な業界で3Dプリンティングがトレンドになっているにもかかわらず、事実は「減算製造は、最終用途材料で設計、試作、製造する機会を与える。小・大量生産ラン、特定の仕上げ取得、特定の機械的特性取得のために使用される部品には適切な選択肢である」

この理由で、「減算プロセスは製造業で非常に広く使用されている…… 旋盤加工、フライス加工、穴あけ、鋸引き、ねじ切り、歯切りは、専用機で伝統的に行われる金属切削を含む減算プロセスの例である」

アプリケーション以外にも、3DプリンティングとCNC加工を天秤にかける際に考慮すべき他の要因があります。

騒音と振動に注目

CNC加工で使用される基本ツール（ミル、旋盤、プラズマカッター、放電加工、マルチスピンドルマシン、ウォータージェットカッター）を考えると、減算製造プロセスが3Dプリンティングのような積層製造よりも現場でより多くの騒音と振動を生むことは想像に難くありません。立地条件によっては、これが最適な試作ラボ立ち上げの判断材料になるでしょう。

操作が簡単なのは？ 3DプリンターかCNCマシンか

一般的に、3DプリンティングはCNCよりも簡単な操作と謳われています。主な理由は、「ファイルが準備できたら、部品の向き、充填、必要ならサポートを選ぶだけ。プリントが始まれば監督は不要で、部品が完成するまでプリンターを放置できる」からです。

CNCは労働面からはより関与が必要なため、CNC加工には熟練機械技師が必要という通説があります。かつてはそうだったかもしれませんが、時代は変わりました。

私たちのDATRONマシンは、簡単なセットアップを可能にする複数の機能を組み込んでいます。実は、マシンは初心者ユーザーを、CNCマシンを初めてセットアップする8ステップのプロセス全体をガイドできます。最終的に、平均わずか1〜2日のトレーニングで、テクノロジーを快適かつ自信を持って使用できるようになります。

インターフェースはスマートフォンのように見え、機能するように設計されており、カメラとメカニカルプローブシステムを備え、部品を自動的に登録し、熟練技術者がこの情報を入力する必要を軽減します。統合ワークホールディングソリューションと切削工具テクノロジーが含まれ、同様のコンポーネントを別途仕様決定・購入する必要を排除することで、プロセス全体を社内に内包します。

限界を知る：精度、サイズ、幾何学的複雑性

3Dプリンティング vs CNC加工——あなたの試作に最適なオプションはどちらか？ Josh Biggs氏はこう述べています：「まず、CNC加工は優れた寸法精度を求めるなら素晴らしい選択肢だ。さらに、CNC加工はまだプリントできない材料（木材など）でも加工できる。CNC加工は金属加工でも優れ、プラスチックでも同様にうまく機能する」

さらに氏は、「さらに、CNCマシンは通常より精密な結果を提供する。非常に狭い部品や信じられないほどタイトな公差が必要な場合、CNCマシンがより良い選択だ。何も0.01mm公差には匹敵しない」と主張します。

3Dプリンティングに専念する3Dnativesチームでさえ、減算製造のかなりの利点を報告しています：「公差の観点では、CNC加工はすべての3Dプリンティングプロセスに優れている」

しかし、高い幾何学的複雑性を持つ部品の製造という課題では、3Dプリンティングが優位です。

コストを天秤にかける：3Dプリンティング vs CNC

ご覧の通り、製造は単一ソリューションの提案ではありません。試作ラボに必要な資金は、何を生産するかだけでなく、サイズと生産数にも依存します。

例えば、Biggs氏のシンプルなコストベネフィット分析によると：

Interesting Engineeringが発表した「CNC加工生産に関する一般的な誤解」では、高コストなCNCプロセスという神話を払拭しています：

明らかに、あなたのビジネスにとって最もコスト効率の良いルートは、あなたの特定の製品設計と計画によって決定されます。

3Dプリンターに関しては、オプション、サイズ、価格帯は多岐にわたり、各々が様々な材料から実際に何をプリントできるかも同様です。未知または不明確な材料コストに加え、オペレーターは通常、常駐エキスパートからのトレーニングを必要とし、これは人材教育への投資を意味します。

DATRON設備では、私たちの切削マシンはあらゆるベンダーのプラスチック、木材、アルミニウム、鋼材に対応し、材料コストを事前に見積もり確立できます。説明した通り、私たちのマシン操作に高度なトレーニングは不要で、人件費を節約できるため、DATRON CNCマシンはよりコスト効率の良い代替手段となります。

無駄をなくす

減算製造の性質——製品を作るために材料の層を剥ぎ取る——だけでなく、必要なCNC加工ツールのタイプを考慮すると、CNCマシンが少し汚れを残すのは驚くべきことではありません。

どれくらいの汚れで、その廃棄物が何を意味するかは、Energy.govが2015年のレビュー「先進製造におけるクリーンエネルギー技術の革新」で評価しました。レポートは、積層製造の利点として、「生産ステップを排除し、大幅に少ない材料を使用し、副産物の再利用を可能にし、より軽量な製品を生産することで、エネルギーを節約する潜在能力」を強調しています。

レポートは続きます：

よりクリーンなアプローチの導入

DATRONでは、仕上げ部品をバリ取りや脱脂なしで取り出せるよう、高速加工設備を微調整しました。

さらに、DATRONのCNC工具とアクセサリーは、市場最小フットプリントマシンで最高RPMを提供します——これを私たち独自のグリーンイニシアチブと考えています。

通常、産業能力を持つCNCフライス盤は大型モーターを備え、大量の熱を発生させ、マシンコンポーネントの冷却と潤滑にオイルを必要とします。オイル廃棄は必要ですが、過去の大規模流出で見たように、プロセスは環境にリスクをもたらします。

私たちは同量の熱、オイル、フラクールを必要としないため、はるかに小さなフットプリントからより良いエネルギー節約を提供します。

結論：3Dプリンティング vs CNC加工

プロフェッショナルな試作ラボに必要なのが3DプリンティングかCNC加工かは、あなたの特定の製品によって最もよく決定されます。ここで共有した情報がいくつかの明確さを提供できれば幸いですが、真実は、あなたの製造ニーズに基づいて、3DプリンティングとCNC加工の両方が機能し得る——あるいは互いを補完し得る——ということです。

実際、公差、時間、および/または大幅なサイズのワークピースのために、3DプリンティングとCNC加工を組み合わせるべきケースがいくつかあります；さらに、「これら2つのプロセスを組み合わせるのに、あなたが想像するような複雑なワークフローは必要ない。同様に重要なことは、それはあなたの製造会社にいくつかの意味のあるメリットを提供できる」

あなたの試作ラボに理想的な製造プロセスまたはプロセスの組み合わせについてより詳細な議論をご希望の場合は、お問い合わせください。迅速に対応し、専門知識を共有することを楽しみにしています。