減算加法 vs 加法：適切なラピッドプロトタイピング手法の選択

添加製造（3Dプリンタ）がホットな話題となる中、減算加工（フライス加工）がラピッドプロトタイピングにおいて依然として極めて重要である理由を再確認する必要があります。まず、加法ラピッドプロトタイピング（ダイレクトデジタル製造）のメリットと限界を検証しましょう。

加法ラピッドプロトタイピングのメリット

加法ラピッドプロトタイピングは、液体レジンなどの材料を層ごとに結合・融着させ、モデルデータから3Dオブジェクトを造形するプロセスです。一般的にシンプルで、比較的安価、かつ高速です。また、フライス加工などの減算プロセスではアンダーカットが必要となり、不可能な場合もある内部キャビティや内部領域の複雑な形状にも対応できます。

加法ラピッドプロトタイピングの限界

最大の欠点は、造形されたパーツが通常、金属などのエンドユース材料でないこと。仮に金属であっても、構造的強度に欠けます。なぜなら、層と層の接合部は、層や接合のない同材質の無垢ブロックが示す物理的強度を持たないからです。

エンドユース材料による減算ラピッドプロトタイピング

減算ラピッドプロトタイピングは、エンドユース材料での試作を可能にします。フライス加工や切削加工は、より大きな材料ブロックから材料を除去するため、3Dプリンタの加法プロトタイピングで見られる積層構造ではなく、無垢の組成を持つパーツが得られます。これにより高い構造的完全性が得られ、試作品を製品テストに使用する場合に極めて重要です。減算プロトタイピングで作られたパーツで製品テストを行えば、量産部品と同じ材料で作られているため、パーツの実用性や耐久性を正確に分析できます。

減算プロトタイピングで実現する多様な表面仕上げとテクスチャ

減算ラピッドプロトタイピングプロセスは、3Dプリンタの加法プロトタイピングでよく見られる標準的な「ステップ状仕上げ（積層痕）」とは異なり、完成試作品により幅広い表面仕上げを提供できます。これは、鏡面のような完全な滑らかな表面から、フライス加工や彫刻によるテクスチャ付き表面まで多岐にわたります。このように、高速CNCフライス盤による減算ラピッドプロトタイピングは、エンドユース生産に適した繰り返し精度で試作品を製造できます。高速加工で実現できる滑らかな表面仕上げは、パーツが摺動する必要がある場合は機能的に、市場テスト用試作品の場合は審美的に有益です。

加法 vs 減算ラピッドプロトタイピング

上記のポイントを説明するため、アプリケーションエンジニアに両プロセスで同一パーツを試作してもらいました。私たちのアフターアワー（ウィンク）の定番娯楽はフーズボール（テーブルサッカー）なので、壊れた1985年製ヴィンテージテーブルの「交換用」フーズボール人形を作ることにしました。これは実際のニーズに基づいています。加法ラピッドプロトタイピング（3Dプリント）では、簡易的なフーズボール人形の設計に約90分、プリントに1時間強で完成しました。

一方、減算ラピッドプロトタイピング（高速フライス加工）ではプログラミングに3時間45分かかりましたが、実際の切削は28分で完了しました。

加法試作品 vs 減算試作品の製品テスト

当然「テスト」が必要です。4回の熱戦で各試作品を使用した結果は以下の通り。機能性と耐久性の面では、減算試作品の圧勝でした。4試合を通じて破損せず、無垢構造により高速で強力なシュートが可能でした。明らかに数百試合以上耐えられます。対照的に、3Dプリント品は3試合目半ばで右側から剥離が始まり、4試合目にはセロテープで補修して凌ぐ羽目に。破損箇所から3Dプリント品の内部構造が露見しました。

かなり中空な構造であることが、強力なシュートが出せなかった理由を裏付けています。双方の表面仕上げを分析した結果、減算試作品の方が「単純に魅力的」と感じられました。また、フライス加工では多様な表面仕上げが可能です。例えば、減算試作品の大部分を滑らかに仕上げつつ、足の部分のみテクスチャを持たせて「グリップ」やボールコントロールを向上させることができました。対照的に、加法試作品固有の「ステップ状」表面はボールコントロールには良かったものの、全体としてはあまり魅力的ではありませんでした。

究極の減算ラピッドプロトタイピングCNCマシン：

昨年発売のDATRON neoコンパクト高速フライス盤により、減算ラピッドプロトタイピングがこれまで以上に手頃かつ実用的になりました。コンパクトなサイズとタッチスクリーン操作により、狭い「ラボ型」環境でも簡単に設置・使用できます。