3D プリンティング vs CNC 加工:エンジニアのための究極の比較

3D プリンティングと CNC 機械加工 — 設計エンジニアとして、どの製造技術がプロジェクトに最も適しているかという選択に直面することになるでしょう。間違ったルートを取ると、時間の無駄、コストの超過、さらには製品の失敗につながる可能性があります。

CNC 加工のようなサブトラクティブな方法が必要か、3D プリントのようなアディティブな方法が必要かに基づいて決定するには、それぞれがどのように機能するか、サポートされている材料と公差、およびそれぞれが真に発揮される場所を明確に理解する必要があります。

このブログは、その決定を簡素化することを目的としています。両方のプロセスの背後にある中心的な原則を説明し、主要な要素間でそれらを比較し、実際のユースケースに焦点を当てて、どの手法がユースケースに最も適しているかを判断できるようにします。

CNC 加工とは何ですか?

CNC 加工は、手工具を使用して物を作成する昔ながらの方法を現代化したものです。 CNC 機械、特にフライス盤のプロトタイプは、1952 年に MIT の研究者グループによって構築されました。

本質的に、CNC 加工はサブトラクティブ製造法であり、材料の固体ブロックが最終設計まで成形されることを意味します n.切断は、3D モデルから派生した G コードと M コードで実行されるプログラムされた CNC システムによって自動的に行われます。

CNC 加工は、フライス加工、旋削、穴あけ、研削などの幅広いプロセスをカバーしており、それぞれのプロセスには、特定のタスクに適した独自のツール セットと加工戦略があります。

長所:

• 高い寸法精度と厳しい公差
• 優れた表面仕上げ。
• 大規模な本番稼働にも対応できる拡張性
• 金属やプラスチックとの優れた適合性

短所 :

• ツールとセットアップのコストが高くなる
• 減算的な性質により材料廃棄物が多くなる

3D プリント (3PD) とは何ですか?

3D プリンティングまたは 3D プロトタイピングは、1980 年代に登場した比較的新しいテクノロジーです。これは積層造形技術であり、固体ブロックから削り出すのではなく、製品を層ごとに構築します。

最も単純で最もアクセスしやすい形式と言えば、それが溶融堆積モデリング (FDM) です。 FDM では、熱可塑性フィラメントが加熱され、ノズルから押し出され、プログラムされた経路で移動して一度に 1 層ずつ積層されます。各層が固化すると、次の層が上に堆積し、徐々に完全なオブジェクトが形成されます。

CNC 加工と同様に、複数の 3DP テクニックがあり、それぞれが材料の堆積または融合方法に基づいています。注目すべきものには、FDM、SLS (選択的レーザー焼結)、SLA (光造形)、および DMLS (直接金属レーザー焼結) が含まれます。

長所:

• 設計の柔軟性が向上。複雑な形状も構築可能
• プロトタイプのセットアップ コストの削減
• 材料の無駄を最小限に抑える
• プロトタイプの納期が短縮される

短所 :

• 低次元の精度。
• ほとんどの場合、機械的強度が低下する可能性があります。

3D プリントと CNC 加工:8 つの違いについて説明

前のセクションでは概要を簡単に説明しましたが、どの方法を選択するかについてのすべての質問に答えられたわけではないかもしれません。 3D プリントと CNC 加工は、ワークフロー、精度、材料、生産能力、仕上げ品質、コストが異なります。 

それでは、もう少し詳しく見て、両方のテクニックを並べて、それぞれがさまざまな側面に何をもたらすかを見てみましょう。

 CNC 加工 3D プリント ワークフロー ツールのセットアップと熟練したオペレーターが必要です。加工は自動化されています。最小限のセットアップ。印刷が開始されるとほとんどが自動化されます。素材の互換性 スチール、真鍮、チタン、アルミニウム、エンジニアリング合金、プラスチックなどの金属。PLA、ABS、ナイロン、ULTEM、および一部の金属の許容差 ±0.015 ～ 0.025 mmFDM:±0.2 ～ 0.5 mm、SLS:±0.3 mm、バインダー ジェッティング:±0.2 mm。ジオメトリ ツールのアクセスによる制限部品サイズの設計の自由度が向上 4000×1500×600 mm（RapidDirect 時）最大 1000×1000×1000 mm（FDM）表面仕上げ 非常に滑らかなレイヤー ラインが表示セットアップ コスト 100,000 ドル以上。デスクトップ プリンタは 500 ドルの産業用から最大 100,000 ドルまで。部品あたりのコスト 少量の場合は高く、少量の場合は安くなります

1.制作ワークフロー

どちらの方法も同じ時点から始まります。 3D デザインは CAD ソフトウェアで作成されます。このデザインは、ソフトウェアによって機械加工や 3D プリントに適した必要な形式に変換されます。

違いはその直後から始まります。 CNC 機械には特定の切削工具が必要で、通常、加工自体は自動化されていますが、ジョブのセットアップ、適切な工具の選択、および材料の取り扱いには熟練したオペレーターが必要です。 

一方、ほとんどの 3D プリンターは最小限の介入で動作します。印刷が開始されると、プロセスは完全に自動化され、通常はオペレーターが関与し続ける必要はありません。

2. 素材の互換性

どちらの方法も材料の選択の点で多用途です。一般的に、3D プリンティング システムはプラスチック用であり、CNC 製造は金属用であると考えられています。ただし、どちらも金属や高性能プラスチックなどの幅広い材料を処理できます。

とはいえ、CNC プロセスは一般的に使用される金属に最適です。 CNC 材料には、スチール、真鍮、チタン、アルミニウム、エンジニアリング合金が含まれます。最も重要なことは、CNC 加工は、高い強度、耐久性、耐熱性が必要とされる材料用途に使用されていることです。

対照的に、3D プリント材料には PLA、TPU、ABS、ASA、ナイロン、ULTEM が含まれており、機械的強度はそれほど重要ではないか、設計によって補正されます。アルミニウム、スチール、チタン、生体適合性合金などの金属は、SLS、バインダー ジェッティング、SLM などの高度な金属 3D プリント技術を使用してプリントすることもできます。

3.寸法許容差

ご存知のとおり、重要な部品の製造において、公差は非常に神聖なものです。 CNC 機械加工部品は、現在の 3D プリント方法で製造されたすべての部品よりも一貫して優れています。

具体的には、CNC 加工では通常、±0.025 mm ～ ±0.015 mm の公差範囲が提供されます。この範囲は、使用される CNC マシンの種類と加工プロセスによって異なります。たとえば、RapidDirect で CNC フライス加工に対して提供している公差範囲は約 ±0.05 mm です。

3D プリントでは、公差も方法によって異なります。 FDM 3D プリントでは通常、±0.2 mm ～ ±0.5 mm、SLS では約 ±0.3 mm、バインダー ジェッティングでは通常約 ±0.2 mm の公差が提供されます。

4.形状とサイズ

設計の自由度について言えば、3D プリント プロジェクトは CNC 加工に比べて柔軟性が高くなります。 CNC の場合、従うべき特定の CNC 設計ガイドラインがあります。壁の厚さ、内側のコーナーには制限があり、最も重要なのは、全体の形状が使用する切削工具や治具の制約に適合する必要があることです。

それに比べ、3D プリントは物理的な切削工具に依存しないため、従来の設計上の制約を受けません。オーバーハングやブリッジのサポート構造を含める必要がある場合でも、機械加工では不可能または非実用的である非常に複雑で有機的なジオメトリを実現できます。

部品のサイズに関してはCNCシステムが優位です。より大きなブロックは産業機械に取り付けることができるため、より大きな部品の製造に適しています。たとえば、RapidDirect には、最大 4000 × 1500 × 600 mm の部品サイズを処理できる 5 軸 CNC マシンがあります。  

3D プリントされたモデルはサイズがより制限されており、多くの場合、プリンターの造形体積によって制限されます。すべての技術の中で、FDM プリンタのパーツ サイズはわずかに大きく、約 1000 x 1000 x 1000 mm です。

5.表面仕上げ

寸法公差のセクションで述べたように、CNC 加工は、通常 3D プリント ソリューションで達成されるものよりもはるかに優れた最終表面仕上げを実現します。その理由は、2 つのプロセスがどのように機能するかにあります。 

CNC 加工では、鋭利な切削工具を使用して材料を正確に除去し、機械から直接滑らかな表面を残します。適切なツールと送り速度を使用すると、後処理をほとんどまたはまったく必要とせずに仕上げを達成できます。

3D プリントでは、表面の品質は部品の層ごとの構造に影響されます。各レイヤーには目に見える線が残りますが、3D プリンターの解像度によってその線がどの程度細くなるかが決まります。高い設定でも、ほとんどの 3D プリント パーツの表面にはわずかなテクスチャーまたは隆起があります。

6.セットアップ費用

セットアップ コストの観点から見ると、両方の技術はスペクトルの完全に異なる端に位置します。 

3D プリンティングは現在最もアクセスしやすいテクノロジーであり、デスクトップ プリンターの価格は約 500 ドルからあります。  工業用 3D プリンターの価格は、もちろん高く、数千ドルから 10 万ドルをはるかに超えることもありますが、それでも材料やツールのコストは比較的限られています。ほとんどの機械では、印刷材料自体、フィラメント、樹脂、または粉末と、時折のメンテナンスのみが必要です。

対照的に、CNC 加工は主に工業プロセスであり、セットアップコストは簡単に数十万ドルに達する可能性があります。機械自体は高価であり、特殊な切削工具、工具ホルダー、ワーク保持具、冷却システム、およびそれらを操作するために必要な専用の床スペースのコストを考慮する前の金額です。 

さらに、CNC マシンには熟練したオペレーターが必要であり、継続的な人件費が追加されます。これらすべてにより、CNC への投資は、ほとんどの 3D プリント設定と比較してはるかに多額になります

7.製品のコスト

大まかに全体的に見ると、3D プリント製品は、CNC 機械加工部品に比べて製造コストが安くなることがよくあります。これは、主に CNC システムのセットアップ コストがはるかに高いためです。 1 回限りの部品や非常に少量の部品の場合は、3D プリントがより経済的な選択肢となる可能性があります。

ただし、長期的に見ると、またはバッチを生産する場合、3D プリントの実行可能性は低くなります。このプロセスには部品ごとにかなりの時間がかかり、生産を拡大すると全体のコストが CNC 機械加工を上回る可能性があります。 CNC マシンは、セットアップが完了すると、部品をより高速かつ効率的に大量生産できるようになります。

CNC 加工と 3D プリント:どちらをいつ選択するべきですか? 

最後に、プロジェクトにどのテクニックを使用するかを決定することになります。 CNC と 3D プリンティングは、設計ニーズ、材料の互換性、精度要件、予算に基づいて評価する必要があります。

次の場合に CNC 加工を選択します。

• 製品のバッチを作成する必要があります。
• あなたは標準寸法の金属部品を作成しています。
• 設計には非常に厳しい公差が必要です。
• 部品は、熱応力、機械的負荷、摩耗に耐える必要がある機能的な用途で使用されます。
• 機械から出した直後の表面仕上げをより良くしたい
• 素材は、スチール、アルミニウム、真鍮、チタンなど、在庫の形で広く入手可能です。

次の場合に 3D プリントを選択してください。

• あなたは、特にプラスチックのプロトタイプに取り組んでいます。
• あなたのデザインには、型破りな、または非常に複雑なジオメトリが含まれています。
• 特定の複合材料や高性能ポリマーなど、機械加工が困難または高価な材料を使用している
• 工具や治具に投資せずに、すぐに 1 回限りの部品が必要になる
• パーツの強度は、材料特性ではなく設計によって実現できます。

また、両方の手法が実現可能な場合は、決定を下す前に総コスト、リードタイム、および必要な品質を比較検討してください。特に CNC プロトタイピングと 3D プリンティングの比較では、金属プロトタイプの方が 3D プリンティングよりもコスト効率が高い可能性があります。 

RapidDirect はどのように役立ちますか?

これまで見てきたように、CNC 加工と 3D プリントにはそれぞれ長所があり、プロジェクトの要件に応じてどちらも製造において重要な役割を果たすことができます。

RapidDirect では、航空宇宙などの重要な産業向けに、CNC フライス加工、CNC 旋削、5 軸加工、精密加工などのエンドツーエンドの CNC 加工サービスを提供しています。当社は最小 0.001 インチの公差を実現し、100 以上の材料オプションと 20 以上の表面仕上げを提供します。

当社の 3D プリント サービスは、SLA や SLS から HP MJF や SLM まで、複数のテクノロジーをカバーしており、300 を超えるプロの 3D プリント ショップのネットワークによってサポートされています。また、印刷パーツを確実に生産準備ができるよう、完全な後処理も提供します。

プロジェクトはあるものの、3D プリントと CNC 加工のどちらの技術が最適かまだわかりませんか?今すぐ RapidDirect の専門家チームに連絡して、専門的なアドバイスと即時の見積もりを入手してください。