積層造形と切削加工：違い、メリット・デメリット、用途を徹底比較

近年、積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング）と切削加工（サブトラクティブ・マニュファクチャリング）は、世界的に大きな影響を与えています。技術の進歩により、多くの産業がこれらの革新的な製造プロセスの恩恵を受けています。

実装方法には違いがありますが、応用モードが重なるため、両者は互いに依存し合っています。しかし、試作や部品製造にどちらのプロセスを用いるかは、生産量や製品開発段階などの要因によって決まります。

この記事では、積層造形と切削加工を比較し、主要な違い、メリット・デメリット、主な用途を解説します。

積層造形とは

積層造形は、一般に3Dプリントとして知られ、コンピュータ制御下で材料をベース材料上に層ごとに積み上げて3Dオブジェクトを作る産業プロセスです。

この手法の核心は、材料を積み重ねて新しいオブジェクトを作ることにあります。また、積層造形ではプリントプロセスに応じて多様な材料を使用でき、金属合金、熱硬化性ポリマー、複合材料、熱可塑性プラスチックなどが含まれます。

さらに、積層造形技術の応用は航空宇宙と医療業界から始まりましたが、現在では自動車、石油・ガス、重機などのエンドユーザー産業へと拡大しています。

積層造形プロセスの種類

一般的に、積層造形の規格ではプロセスを7つのカテゴリに分類しています。

バインダー・ジェッティング

粉末ベッドにバインダーを選択的に堆積させて固体層を形成するプロセスです。使用材料は粒状で、金属、砂、セラミックスなどが含まれます。ローラーで粉末材料をビルドプラットフォーム上に均一に広げ、バインダー接着剤を選択的に堆積させ、さらに粉末層を重ねる工程を繰り返してオブジェクト全体を形成します。

指向性エネルギー堆積（DED）

粉末や金属ワイヤーを材料とし、ビームやレーザーなどの集束エネルギー源で溶解させ、ビルドプラットフォーム上に精密に堆積させる複雑なプロセスです。液体が硬化して層となり、最終形状まで繰り返します。

材料押出法

グルーガンのような機構で、コイル状の材料をノズルから押し出します。ノズル先端で熱により溶解し、ビルドプラットフォーム上に層ごとに積み上げて固化・成形します。これは積層造形の中で最も高コストな形式ですが、いくつかの制約もあります。

粉末床溶融結合（PBF）

直接金属レーザー焼結（DMLS）、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的熱焼結（SHS）、電子ビーム溶解（EBM）、直接金属レーザー溶解（DMLM）など多様なAMプロセスを含みます。レーザー、ビーム、プリントヘッドを用いて微細な材料層を3Dで溶融・融合し、余分な粉末を除去します。

シート積層

主に積層造形法（LOM）と超音波積層造形（UAM）の2つがあります。UAMは薄い金属シートを超音波溶接で接合し、LOMは接着剤コーティングされた紙シートを原料とするため、視覚・美観モデルの造形に最適です。

光造形（VAT光重合）

液体光重合性レジンの槽内でオブジェクトを造形します。光重合プロセスにより、紫外線でマイクロファインなレジン層を硬化させ、ミラーで光をオブジェクトに導きます。

材料ジェッティング

バインダー・ジェッティングに似ていますが、ワックスを使用します。粉末ベッドに接着剤を使う代わりに、ワックスをビルドプラットフォームに層ごとに堆積させてオブジェクトを作ります。安価で高品質な表面仕上げと高精度が得られるため、多くの製造者に好まれています。

積層造形のメリットとデメリット

メリット

• 高効率で廃棄物を排除
• 設計から生産までのリードタイムが短い
• 複雑な設計を容易に作成可能

デメリット

• 他プロセスと比較して使用可能な材料の範囲が限られる
• 金属使用時は高コストになりやすい
• 大量生産には不向き

切削加工とは

名前の通り、切削加工は固体ブロックから材料を削り取って新しい製品を作るプロセスです。金属、プラスチック、木材の固体ブロックを切削することも含まれます。フライス盤で金属やプラスチックを中空にするのが好例です。

この製造技術では、設計、試作、最終用途での製造がエンドユース材料で可能です。特定の機械的特性や仕上げが必要な少量・大量生産の両方に最適です。アルミニウム、真鍮、ABS、デルリン、ナイロン、PEEK、PVC、プレキシガラス、PCA、ポリプロピレン、木材などに対応します。

また、切削加工では設計を材料の強度、柔軟性、耐薬品性、誘電特性などに合わせやすい利点があります。

切削加工プロセスの種類

一般的な切削加工には、切断、機械加工、研削があります。それぞれの詳細を以下に示します。

レーザー切断

レーザーを用いて様々な材料を所定の形状に切断するプロセスです。このプロセスで得られる材料は、工業用と芸術用の両分野で広く使われています。CNC（コンピュータ数値制御）と光学系で強力なレーザービームを材料に導き、モーション制御システムで所定のパターン通りに切断します。その後、気化や高圧ジェットガスにより高品質な表面仕上げを実現します。

CNC機械加工

事前にプログラムされたコンピュータソフトウェアが工作機械を制御する生産方式です。1組のコマンドだけで三次元切削加工を完了できます。CNCシステムを起動する前には、必要な切削をソフトウェアにプログラムし、それが適切な装置・機械に指示を出して所定の加工を実行します。複数方向への同時切削では誤差が生じやすいものの、数値制御システム内のコード生成装置は機構が完璧であると仮定することが多々あります。パートプログラムと呼ばれる一連の入力が、数値制御システムにおける工具の位置を決定します。

研削（アブレーディング）

研磨材を用いて材料の一部を削り取ったり、ブラシで除去したりするプロセスです。研磨材は材料を削ったり、研磨したり、表面を滑らかにしたりする粗い物質です。一定の摩擦で材料を除去したり、表面を滑らかにしたりできます。研磨材を硬い表面に取り付けたり、液体に懸濁液として添加したりして使用します。効率を高めるには、除去対象の材料より硬い研磨材を使う必要があります。

放電加工（EDM）

放電を利用して所望の形状を得る切削加工技術です。放電加工、スパーク加工、スパーク侵食、ダイシンキング、ワイヤー放電加工、ワイヤー侵食とも呼ばれます。2つの電極（工具電極と工作物電極）が誘電液体で隔てられ、電圧が印加された状態で、急速に繰り返される電流放電の系列を利用します。EDMプロセスの帰結は工作物からの材料除去です。工具と工作物は物理的に接触しません。

切削加工のメリットとデメリット

メリット

• 金属、プラスチック、木材、複合材料など幅広い材料に対応
• 穴、円筒、ねじ山、平面などあらゆる形状に対応
• 滑らかな表面仕上げの取得に最適
• 0.0025mmの厳しい公差で高精度な加工が可能

デメリット

• 材料の無駄と切り屑が発生（切り屑はリサイクル可能だが廃棄物扱い）
• 積層造形より時間がかかる

積層造形 vs 切削加工：主な違い

積層造形は材料を層ごとに積み上げて製品を作り、切削加工は固体材料から部分を削り取って製品パーツを作ります。両者とも試作と製品開発の手段を持ちますが、生産へのアプローチが異なります。主な違いを以下に示します。

材料オプション

積層造形では使用可能な材料の範囲が狭く、主にプラスチック誘導体です。セラミックス、生化学材料、熱可塑性プラスチック、金属、レジンなども使用されます。一方、切削加工は単一の固体材料から始まり、ガラス、金属、プラスチック、木材、複合材料、プラスチック誘導体などが使用できます。

実現可能な複雑さ

複雑な設計については、積層造形が適しており、切削加工は比較的シンプルな設計に向いています。ただし、複雑な設計を大ロットで生産する場合は切削加工に軍配が上がります。

精度

積層造形用機械と比較して、切削加工機械の方が高精度です。積層造形で高精度を得るには、プリント後に機械加工が必要です。

完成品の特性

積層造形で作られた製品は表面に微細な気孔を持つことが多く、これが構造的弱点となり、医療分野製品では食品汚染や感染リスクを招く可能性があります。したがって、積層造形製品は洗浄と仕上げが必要です。一方、CNC機械加工による切削加工製品はより強靭で、公差も良好、仕上げも優れています。

表面仕上げの選択肢

表面仕上げも比較要因の一つです。積層造形では粉末床溶融結合と組み合わせると表面仕上げが悪く、部分的に融合した粉末や積層痕が見えて表面が粗くなります。粗い表面は疲労特性が悪く、破壊しやすくなります。表面機械加工やショットピーニングで滑らかにできますが、内面や微細形状への対応は難しいです。逆に、CNC切削加工はより滑らかな仕上げと良好な公差を実現します。

速度

積層造形の速度はバッチサイズと設計のユースケースによって決まります。積層造形の利点は、試作と少量生産の総時間が短いことです。しかし、単一パーツのプリント時間で比較すると切削加工の方が速く、プラスチック部品の大量生産では3Dプリントほど速くありません。

積層造形 vs 切削加工 比較表

	積層造形	切削加工
材料オプション	狭い範囲。主にプラスチック、プラスチック誘導体、生化学、レジン、一部金属	幅広い範囲。石材、ガラス、木材、発泡材、金属、プラスチックなど
実現可能な複雑さ	5軸CNC加工より複雑・精巧な設計の開発に優れる	シンプルな形状に最適
精度	従来プロセスより低精度。最高精度プロセスでも公差0.100mm	高い寸法精度。公差0.025mmまで可能
完成品の特性	積層による製造のため構造的弱点を持つ可能性	優れた耐熱性と構造的健全性
表面仕上げ	仕上げが重要	仕上げは必須ではない
速度	試作と少量バッチ生産で高速・低コスト	大型パーツ試作や大量生産バッチで高速・低コスト

コスト比較：どちらが高コスト？

機械・工具コスト

高精度な積層造形装置の導入・設置は高額で、機械投資が積層造形コストの最大要因です。積層造形では工具費が総生産コストの5%を占め、切削加工より有利です。層ごとのプリントにより多様な製品に適応でき、コスト削減につながります。一方、切削加工では各プロセスごとに工具設計が必要です。

労務コスト

両方式とも高度に自動化されているため、労務コストは総コストの小さな割合を占めます。両方式でパーツを簡素化すれば労務費を削減できます。簡素化とは、製品を再設計して必要パーツ数を減らすことで、生産・組立・後工程コストも削減できます。一般的に積層造形では労務コストが生産コストの10%未満です。

材料コスト

積層造形用材料は切削加工用より高価です。国際コスト見積・分析協会によれば、積層造形材料は重量ベースで切削加工材料の8倍のコストです。正確なコストは使用材料と積層プロセスにより決まります。

後処理コスト

製造パーツは最終状態にするため後処理が必要です。金属パーツでは洗浄や研磨で光沢を改善します。積層造形製品、特に精密機械システムを用いたものは、余分な材料の除去が必要です。後処理コストは両プロセスで同様であり、避けられません。

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積層造形と切削加工の用途

積層造形の用途

積層造形技術を採用し、切削加工と創造的に組み合わせる企業が増える中、用途は幅広く広がっています。

• 宝飾品製造
• 航空宇宙産業
• エネルギー利用の改善
• 産業用モデル製造
• ロボット・電気機械システム
• ソリッド・フリーフォーム造形
• メタマテリアル、電磁気学、3Dエレクトロニクス
• 歯科・医療部品

切削加工の用途

この製造プロセスは大量生産に最適で、用途には以下が含まれます。

• 輪郭プロファイルとテクスチャ表面の製造
• 家庭用、自動車、電子機器、航空宇宙、歯科・医療産業向けの切削機能部品

ハイブリッドプロセス：設計から試作へ

ハイブリッドシステムは、積層造形と切削加工それぞれの利点を最大化し、切削加工の利点と積層造形の汎用性を組み合わせます。専用機械で両システムを処理し、破損パーツの修理に最適です。ハイブリッド製造では、積層で形状を作り、フライス工具で仕上げることで複雑なパーツを容易に製造できます。

RapidDirectは認定企業（ISO 9001:2015登録）として、これらの製造プロセスを設計から試作まで実装しています。お客様のニーズに応える最高品質のパーツを、要求基準を維持しながら製造します。即時見積もりと最高の自動DfM解析を保証し、強力な製造能力と勤勉な労働力で、最高品質のパーツをタイムリーにお届けします。

よくある質問（FAQ）

どちらが優れている？積層造形か切削加工か

世界は廃棄物削減に向かっており、積層造形がより良い選択肢です。自然界のプロセスを模倣し、層を重ねて製品を作るため、切削加工より廃棄物が少ないです。また、高速で複雑な設計の作成に優れています。

射出成形は積層造形か切削加工か？

射出成形はどちらでもありません。溶融材料を金型に注入して大量生産を支援する製造プロセスです。金型には完成品の形状があらかじめ形成されています。