CNC加工と3Dプリントの主な違いを徹底解説

新しい部品を作りたいとき、利用できる製造方法は主に2つあります：CNC加工と3Dプリント。どちらも今日では標準的なプロセスですが、それぞれ異なる要求に応えるよう進化してきたため、どの方法があなたのニーズに最適か知ることが重要です。

CNC加工の概要

コンピュータ数値制御（CNC）は、一般的な減法製造の一種で、大きな材料ブロックから必要な部品を削り出すことを意味します。MITが1950年代にこの技術を導入し、以来、製造業の定番となっています。そのため、従来型製造と呼ばれることもあります。

CNC加工は、強度があり精密な寸法の部品を製造できます。エンジン、航空機機械など、頑丈な部品が必要な分野に最適です。木工、文字彫刻、彫刻などの業界で一般的です。

仕組み

まず、エンジニアがCAD（コンピュータ支援設計）ソフトウェアを使って2Dまたは3Dモデルを作成します。CADファイルは、CAM（コンピュータ支援製造）プログラムを使って指示に変換されます。指示が作成されると、ポストプロセッシングプログラムがそれらを特定のコマンドに変換し、CNCマシンに転送して実行します。

このプロセスは通常、材料ブロックから始まり、回転工具と鋭い刃のアレイが材料を削り取ります。基本的なマシンは3軸で動きますが、より高度なマシンは4軸または5軸を持ちます。ステッピングモーターまたはサーボモーターが動きの精度を保証します。

一般的なCNCマシンの種類：

フライス盤：回転切削工具で部品を削り出す。
旋盤：材料を主軸で回転させる。
研削盤：砥石で切削する。
ドリル：回転ドリルで固定材料を削る。
ルーター：木材、プラスチック、板金から大型部品を切り出す。
プラズマカッター：プラズマトーチで板金に2D形状を切り出す。
レーザーカッター：金属、プラスチック、木材の切断に適した強力な切断工具

CNCマシンは、ドリルやノコギリなど複数の工具を使って必要な切削を行うことが多いです。効率を最大化するために、さまざまな工具を単一の「セル」に統合することもあります。最新のCNCマシンはほぼ完全に電子化されています。

3Dプリントの概要

3Dプリントは、積層造形（アディティブマニュファクチャリング）の一般的な名称で、製品を底から積み上げ、一度に1層ずつ作ることを指します。1980年代後半にMITで発明され、最初の用途は試作でしたが、以来、さまざまな分野に応用が拡大しています。

3Dプリントと積層造形は医療分野で大いに役立ち、臓器、義肢、インプラントの作成に使われます。食品業界でも、食材を層ごとに押し出すことで食品を生産するのにこの技術を利用しています。アーティストはアート作品の制作に、ファッションデザイナーは衣服やジュエリーの制作に定期的に使用しています。

3Dプリントにはエキゾチックな応用もあります。3Dセルフィーの作成や、損傷したサンゴ礁の修復を助けるサンゴ形状の構造物の作成など。NASAは無重力3Dプリンターを開発し、宇宙船上で部品を製造しています。

仕組み

まず、エンジニアがCADを使って3Dモデルを作成します。別の選択肢は3Dスキャナーで、実在する3Dオブジェクトの形状と外観を分析し、デジタルモデルを作成するデバイスです。第3の選択肢はフォトグラメトリソフトウェアで、写真を分析するだけで3Dオブジェクトを構築できます。

完成したモデルはエラー分析され、一般的なエラーには穴と交差する面があります。

次に、スライサーと呼ばれるプログラムがモデルを3Dプリンター用に準備し、薄い2D層のシリーズに変換してGコードファイルを生成します。このファイルにはプリンターが実行する一連の指令が含まれます。

次に、3DプリンターがGコードファイルを読み取り、材料を1層ずつ積み重ねて立体物を生成します。プリンターがこれらの層を堆積させる方法は様々ですが、一般的な方法は以下の通り：

熱溶解積層法（FDM）：プラスチックフィラメントを使用して製品を生成。
選択的レーザー焼結（SLS）：金属粉末を加熱して融合。
選択的レーザー溶解（SLM）：金属粉末を完全に溶かして融合。
ステレオリソグラフィー（SLA）：光を用いて分子鎖を結合させポリマーを形成。

モデルのサイズと複雑さ、使用する方法により、プリントプロセスは数時間から数日かかることがあります。

場合によっては後処理が最終ステップとして必要です。コンポーネントは使用前に洗浄、研磨、シーリングが必要なことがあります。

3DプリントとCNC加工の主な共通点

CNC加工と3Dプリントにはいくつかの基本的な共通点があります：

3Dモデルに基づいて3D製品を作る。
コンピュータからの指示に従って実行する。
STLとOBJファイル形式に対応。
テクノロジーの最前線にある。
今日では一般的。

しかし、これらの基本的な共通点を超えて、CNC加工と3Dプリントは大きく異なる要求を満たし、異なるメリットを提供します。

3DプリントとCNCフライス加工の主な違い

2つのプロセスを区別する主要な要因がいくつかあります。

1. 廃棄物の量

積層造形と減法製造の主な違いの1つは、発生する廃棄物の量です。CNC加工は材料を削り取るため、リサイクル不可能な大量の廃棄物が発生します。想像通り、後片付けは大変です。一方、3Dプリンターは部品製造に必要な正確な量の材料のみを使用するため、後片付けは不要です。3Dプリンターは振動しないため、騒音も少ないです。

2. ファイル形式

前述の2つのファイル形式を除き、CNC加工と3Dプリントは互いに互換性のないファイル形式を使用します。

3. 部品のサイズ

CNCフライス加工では、幅広いサイズの部品を作れます。一方、3Dプリントでは、作れる部品のサイズはプリントベッドのサイズを超えられません。3Dプリンターで大型部品を作ることも可能ですが、部品を小さなパーツに分割し、別々にプリントしてから組み立てる必要があります。言うまでもなく、これは製造プロセスに大幅な時間を追加します。

4. 材料の選択肢

CNC製造は、金属合金、木材、アクリル、モデリングフォーム、熱可塑性プラスチックなど、幅広い材料に対応できます。一方、3Dプリンターはより限られた材料、主にプラスチック、金属、ポリマーで動作します。融点の高い金属には対応できません。また、CNCマシンは新しい材料への適応も容易ですが、3Dプリンターは1つの材料しか扱えません。

5. 速度

CNCと積層造形のもう1つの重要な違いは速度です。製品を大量生産する場合、CNC加工の方が速いです。アセンブリラインのように複数のマシンが各部品を生産するからです。単一の3Dプリンターは製品全体を最初から最後まで作るため、大量生産には不向きです。

6. 精度

CNC加工はより精密で、マイクロメートル単位の精度を提供します。CNCマシンはより高い公差能力を持つためです。3Dプリントはまだこのレベルの精度には達していません。

7. 繰り返し精度

CNCマシンは、毎回同じように製品を一貫して生産できます。

8. 品質

高い公差により、CNCマシンはより洗練された外観の製品を生産できます。製造中に材料が変形しません。3Dプリンターで作られた部品は曲がりや反りが生じやすく、層のラインが見えることがあり、特に曲面で顕著です。一部の3Dプリンターは高精度を謳っていますが、それでも時に失敗することがあります。両製造法には幾何学的制限があります。CNCは非常に薄い壁を作れますが、3Dプリントにはこの点で制限があり、エンドエフェクタのサイズが能力を決定することが多いです。

減法製造 vs 積層造形

3DプリントとCNC加工のもう1つの重要な違いは、一方が減法製造、もう一方が積層造形であることです。一方は材料を除去して部品を形作り、もう一方は材料を追加して部品を作ります。

減法製造

CNC加工は減法製造の一形態です。機械加工者は「ブランク」と呼ばれる材料ブロックから始め、回転工具、ドリル、カッターを使ってブランクを成形し、材料を除去します。ブランクはプラスチック、木材、金属から作れます。

減法製造は、ブランクから除去された材料の形で大量の廃棄物を生み出します。利点は、部品の切削と成形において通常より高い精度が得られることです。

積層造形

3Dプリントは製造に積層的アプローチを取ります。ブランクから材料を切り出す代わりに、オブジェクトに材料を1層ずつ追加します。層は結合し、プリンターは部品が完成するまで層を追加し続けます。積層造形で使用される材料には、樹脂、金属粉末、プラスチックフィラメントなどが含まれます。

積層造形は減法製造より廃棄物が少なく、部品の形状に関してより自由度と柔軟性があります。

製造タイプ選択時の主要決定要因

CNC加工と3Dプリントの長所と短所を検討する際、他の要因も考慮する必要があります。

1. コンポーネントの複雑さ

3Dプリントは積層製造法のため、複雑な形状の部品に適しています。ただし、単一材料でしか部品を作れないため、複数材料で部品を作るには、材料ごとに1台ずつ3Dプリンターが必要です。

2. カスタマイズ性

3Dプリンターは、よりカスタマイズされたユニークな製品の作成にも優れています。アーティストはアート作品の制作に、歯科などの医療分野では特定の患者に適したユニークなアイテムの作成にこの技術を活用しています。

3. 納期

CNCは3Dプリントより大幅に速いです、特に大量生産では。既存の大きな材料から削り出す方が、無から何かを作るより一般的に時間がかからないからです。3Dプリンターを遅くする他の要因：作業中、正確にするために速度を落とすことが多い。プリント完了後も仕事は終わりではない — 洗浄や研磨が必要な場合があります。コンポーネントの形状は両製造法の速度に影響します。コンポーネントの表面積がCNCフライスの完了速度を決定し、一方3Dプリントではコンポーネントの総体積が所要時間の鍵となります。

4. 精度

CNCでは、精度を犠牲にして生産速度を上げられます — 時間が短く高精度が不要な場合（試作テスト時など）に有利です。3Dプリンターは生産速度を上げられません。速くするにはより速いプリンターを買うしかありません。

5. 柔軟性

一般的にコンポーネント生成は遅いですが、3Dプリンターは柔軟でジョブの切り替えが素早いです。少量の多品種を作る場合、3Dプリントが適しているかもしれません。

6. コスト

CNCと3Dプリントのコストは、作りたいアイテム数に依存することが多いです。大量生産ならCNCが有利で、単位あたりコストが減少します。3Dプリントでは単位コストが数に関わらず同じなので、少量生産では通常より経済的です。それでも、金属製品ではCNC加工の方がコスト効率が良い場合があります。CNC製品の価格は、製品が複雑になり高精度が必要になるほど上昇します。3Dプリント製品の価格は、プロジェクトの複雑さに関わらず一定です。

7. 生産量

CNCは大量生産向きで、一度により多くの出力を生産できます。CNCマシンは、3Dプリンターが1個作る時間で数百個の部品を製造できます。

8. コンポーネントの材料

CNCと3Dプリンターは主に異なる材料で動作するため、必要な材料がどの技術を使うかを決めることがあります。CNCは高密度金属、木材、ワックス、プラスチックなど、より幅広い材料に対応。重金属を扱えるため、エンジン、航空機、その他特に強度と耐熱性が求められる厳しい環境向け部品の製造に適しています。3Dプリンターは特定のプラスチックや樹脂など、より少ない種類の材料で動作し、これらは通常エンジンや他の機械の部品として十分な強度がありません。3Dプリンターは家庭での個人用製品作成に適しています。