CNCマシニングに軸を追加すると生産コストが削減される理由
公式に判明！ マシニングプロセスに軸を追加すると効率が上がり、コストが下がります。その理由を解説します。
製造の世界では常に変化が起きています。新技術が登場し、旧技術が改良され、プロセスをアップデートし続ける必要があります。
最近の変化の一つは、CNCマシニングで使用できる軸数の増加です。現在のトレンドでは、最新技術によりマルチアックスマシニングがこれまで以上に身近になっています。
しかし、「軸が多いほど本当に良いのか？」と疑問に思うかもしれません。
答えは… イエスです。
マシニングプロセスに軸を追加すると、効率向上とコスト削減を含む多くのメリットが得られます。
軸を追加するには、マルチアックスCNC工作機械への投資か、ロボットマシニングの二通りがあります。
どちらが良いか？ それを答える前に、まず従来マシニングの問題点を見てみましょう。
従来の3軸CNCの5つの問題点
従来、CNC工作機械は3つのプログラマブル軸（通常X、Y、Z）を持ちます。これらで3次元でのドリル、フライス、その他の加工が可能です。一部の軸数削減機（彫刻機など）は2Dまたは2.5D機能のみです。
3Dマシニングは多くの一般的製造オペレーションに適しています。しかし、3軸のみでは非常に制約が大きいこともあります。
従来のCNC工作機械で生じる5つの問題：
1. セットアップ回数が増える
軸が少ないとセットアップが増えます。製品が極めてシンプルなマシニングのみでない限り、必要なすべての切削を実現するために、部品の位置や向きを変える必要が生じます。
追加セットアップはマシニングセルの生産性に直結します。特に小ロット（増加傾向）では、マシニング時間の最大90%がセットアップに費やされることもあります。
2. 手作業時間が増える
セットアップ増加は機械生産性だけでなく、作業者の生産性も下げます。すべてのセットアップに貴重な人的時間を費やすことになり、付加価値のない作業です。この時間をより生産的な業務に充てられます。
段取り替えを効率化すれば多少減らせますが、ハンズオンタイムを極力排除する方が遥かに効果的です。
3. 専用治具が必要になる
3軸機はワークピースへのアプローチ姿勢が制限されます。わずかにずらした姿勢で加工する必要があると、専用治具の設計・製作が必要になりがちです。
専用治具は超大ロットなら許容できます。しかし、セットアップごとに膨大な手間が加わり、リードタイムとコストを大幅に押し上げます。
4. オペレーションあたりの工程数が増える
どのメーカーも同意するでしょう：マシニング工程は少ないほど良い。Design for Manufactureの多くの原則は、マシニングオペレーションをシンプルにし、必要なマシニングステップ数を減らすことに注力されています。
3軸機は、より多くの自由度を持つマシニング技術と比べて、不必要に工程数を増やしがちです。
5. リードタイムと製品コストの増大
上記すべての問題が製造プロセス全体に悪影響を及ぼし、リードタイム延長と製品コスト上昇を招きます。技術者が貴重な時間を新しいセットアップに費やし、専用治具を製作するたびに、ボトムラインに直撃します。
なぜ軸追加でコストが下がるのか
これらの問題へのますます人気の解決策は、マシニングオペレーションに軸を追加することです。
実現方法は2つあります（後述）が、まずなぜ軸追加でコスト削減になるかを見てみましょう。
6自由度の「スイートスポット」
世界は3次元と考えがちですが、完全に柔軟なマシニングには実際には6次元が必要です：
- 3つの位置次元（X、Y、Z）
- 3つの回転次元（Rot[X]、Rot[Y]、Rot[Z]）
これら6つの値が、ワークスペース内の任意の点に任意の角度からアプローチするために必要な最小自由度（DoF）です。
3軸、4軸、さらには5軸CNC機は、この6 DoF「スイートスポット」を満たさないため、常に制約を受けます。
軸追加でコスト削減する5つのメカニズム
マシニングオペレーションに追加DoFを加えると、いくつかの方法でコストを下げられます：
- 単一セットアップで完了（いわゆるDone-in-oneセットアップ）。
- オペレーターのハンズオンタイムを最小限に削減。
- 通常、専用治具が不要。
- マシニングステップを削減・シンプル化。
- 製品リードタイムを短縮。
これらすべてが生産時間とコストの削減に貢献します。
いくつ軸を追加できるか？
完全柔軟なマシンに6 DoFが必要なら、次は「どうDoFを追加し、いくつ追加できるか？」です。
マシニングセルに軸を追加するには2つの選択肢があります：
- マルチアックスCNC工作機械
- ロボットマシニング
それぞれでいくつ軸を追加できるか：
CNC工作機械の場合
CNC工作機械と言うとき、現在市場で最も一般的な3タイプを指します：
- 従来の3軸CNC
- 4軸CNC
- 5軸CNC工作機械
他の機械も出現しつつあります（2019年に報じられた6軸機など）が、5軸が最も一般的な「上限」です。
ロボットマシニングの場合
CNCの代替としてロボットマシニングがあります。産業用ロボットにマシニングツールを取り付けます。
この構成では、基本セットアップで6 DoFを持ちます（産業用ロボットの標準）。しかし、必要なだけ追加軸を加えることで、ロボットマシニングセットアップにさらに多くの軸を追加できます！
DoFを6以上に増やすことはできませんが、追加軸により遥かに大きなワークスペースと柔軟性が得られます。
どちらが良いか：CNCかロボットマシニングか
マルチアックスマシニングへのトレンドで5軸機が普及しています。しかし、CNC工作機械にはロボットマシニングと比べてデメリットがあります。
マルチアックスCNCの大きな欠点2つ：
- 非柔軟 — ロボットマシニングのように軸を後から追加できません。
- 巨大！ — CNCでは軸数が増えると機械も大きくなりがちです。
最終的な技術選択はあなた次第ですが、ロボットマシニングがCNC工作機械を上回る性能を発揮するケースもあることは述べておきます。
ロボットマシニングは、マルチアックスCNC工作機械と比べてあなたの生活を本当にシンプルにできます。
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