付加製造と除去製造の違いを徹底解説
製造は、原材料やスクラップを所望の製品へと変換し、実質的な付加価値を与える生産における重要なステップです。多様な材料を幅広い方法で加工するニーズに応えるため、いくつかの製造プロセスが存在します。より良い表面品質とより多くの内蔵機能を持つ小型製品への需要の高まりが製造の急速な発展を促し、その結果、今日の市場ニーズをより良く満たすために材料を効率的に加工できる様々な高度なプロセスが進化してきました。製造の範囲も、従来の産業分野から先進的な製品・サービスベースの企業まで広範囲に拡大し、それらの要求に十分に応えるよう進化しています。
様々な提唱者がすべての製造プロセスを体系的に分類しようとしましたが、多くの場合、そのような分類は新たに開発されたプロセスを明確に包含できていません。すべての関連プロセスを考慮すると、製造は以下の5グループに分類できます：
- 鋳造プロセス： 原材料を溶融して予め作られた空洞に注ぎ込み、凝固させる。空洞の逆形状の製品が得られる。この古典的プロセスは部品の基本形状を与えるのに適しているが、複雑な形状の製作や滑らかな表面の実現には不向き。砂型鋳造、ダイカスト、射出鋳造などすべての鋳造・成形プロセスがこの基本原理に従う。
- 接合プロセス： 2つ以上の固体部品を一時的または永久的に接合。凝集形成による溶融接合、または他の機械的要素による接合が可能。溶接、リベット接合、はんだ付け、ろう付け、カップリング、嵌合接合、接着接合、締結、コッタージョイント、ナックルジョイントなどが含まれる。分解プロセスもこのカテゴリーに入る。
- 改質プロセス： 材料特性や基本形状を様々な手段で変更し、要求により適合させる。鍛造、圧延、引抜き、押出しなどの成形プロセスは形状変換に、熱処理、極低温処理、コーティングなどは部品特性の改質に用いられる。
- 付加プロセス： 半固体状の材料層を積み重ねて、必要な特徴と高精度を持つ真の三次元部品を直接構築。後処理が不要になるが、小型部品に適する。ラピッドプロトタイピング（3Dプリント、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結等）がこの原理に従う。
- 除去プロセス： 名前が示す通り、固体ワークピースから層ごとに材料を除去して所望の製品を生産。材料廃棄が発生する。機械加工・切削プロセスがこの原理に従う。旋削、整形、フライス、穴あけ、研削、ラッピング、研削ジェット加工、放電加工、レーザービーム加工などが例。
付加製造と除去製造の主な違い
| 付加製造 | 除去製造 |
|---|---|
| 材料層を積み重ねて3D部品を構築 | 固体ブロックから材料層を除去して3D部品を成形 |
| 融点の低い材料に適する | 融点は通常制約とならない |
| 作業中に工作材料の体積密度を変更可能 | 作業中に工作材料の体積密度を変更不可 |
| 材料廃棄が発生しない | 切り屑、気化など様々な形で材料廃棄が発生 |
| 狭い材料範囲に適する | 工作材料に制約なし |
| 小型部品に適し、大型部品には対応不可 | 小型から大型まで加工可能 |
| あらゆる複雑形状を直接製作可能 | 部品複雑さが実現可能性を制約 |
| 完全に閉じた内部中空部品を容易に製作可能 | 完全に閉じた空洞は製作不可 |
| 時間を要し、高度な装置・熟練工・厳格な環境管理が必要 | 時間効率が良く、経済的で、作業負担が少ない |
詳細な比較
付加と除去の哲学
両哲学とも、真の三次元部品や特徴を高い寸法精度と厳しい公差で生産するために用いられますが、アプローチが異なります。付加製造は、設計に従って材料層を積み重ねる原理に従います。プロセスは高さゼロ（材料なし）から始まり、層が堆積するにつれて徐々に高さが増します。材料は通常半固体状で堆積し、前層が完全に乾燥したら次の層を追加します。対照的に、除去製造では固体原材料ブロックから所望の位置の材料を層ごとに除去して所望の部品を得ます。プロセスは固体原材料ブロックから始まり、材料を除去して所望の特徴を作り出します。材料除去は、プロセスに応じて固体切り屑としてのせん断、溶融・気化、電離、スパッタリングなど様々な方法で行われます。
工作材料の融点
付加プロセスでは、工作材料を溶融させるか加熱して可塑状（半固体）にする必要があります。融点の高い材料は可塑状になるにより多くの熱を消費するため、プラスチックやPMMAなどの低融点材料が好まれます。一方、除去法では材料が固体状態で除去されるか電離によって除去されるため、融点は工学材料の加工において大きな制約とはなりません。材料を溶融・気化させて除去する熱エネルギー系NTMプロセスでは、ビームエネルギー強度が常に材料の融点を大きく上回ります。例えばEDMでは局所温度が10,000℃を超え、これは全金属中最高のチタン融点（3,422℃）より遥かに高温です。
体積密度の操作
付加プロセスの最大の利点は、層堆積時に工作材料の密度を変更できることです。ここでは20〜100%の範囲で密度を採用でき、全材料体積を制御可能です。これにより材料消費を削減し、壁強度をほぼ犠牲にせずに部品重量を大幅に軽減できます。除去プロセスでは工作材料の密度が操作中一定であるため、このような利点は得られません。基本の原材料ブロックが選定されると部品重量を減らすことはできません。
材料廃棄
付加プロセスでは、設計（CADなどのコンピュータ設計）に従って薄い材料層を前層に積み重ねます。空洞やスロット状の特徴がある位置では材料を堆積しません。設計に従った層の繰り返し堆積が最終的に所望の3Dオブジェクトを生成します。それ以上の後処理は行われないため、材料廃棄は発生しません。除去プロセスでは、基本原材料から余分な材料を徐々に除去しますが、プロセスに応じて固体切り屑、溶融・気化、電離、スパッタリングなど様々な形で除去されます。
適合性
現時点では、技術が最大限発展しても、付加プロセスはプラスチックやPMMAなどの限定された材料に適しています。また大型オブジェクトを扱えず、システム容量は通常2kgに制限されます。一方、除去プロセスは多様な材料を扱えます。硬度、脆性、電気伝導度、融点などの機械的・電気的・熱的特性が特定プロセスの切削性を制約することはありますが、別のプロセスを採用することで克服可能です。これらのプロセスは大型オブジェクトも効率的に扱えます。
複雑形状と中空部品の製作
付加プロセスでは、CAD図面を薄い層にスライス（層厚は所望の寸法精度と表面仕上げに依存）し、材料を層ごとに積み重ねます。したがって、スライスとその後の材料堆積の段階であらゆる複雑形状を考慮でき、後処理が不要になります。完全に閉じた空洞のような内部中空部品も製作可能です。除去プロセスは複雑形状の製作能力に限界があり、完全に閉じた空洞を作れません。
産業的側面
付加プロセスは層堆積時間と乾燥時間を伴うため時間を要します。しかし、複雑形状と高精度を持つ小型オブジェクト（試作品など）の製造では、生産数量が極めて少ない場合に時間とコストの面で効率的です。多くの場合、厳格な作業室環境管理も必要です。付加プロセスは特定分野で除去プロセスの有力な代替として台頭していますが、単純形状の大型オブジェクトの大量生産では、除去プロセスが圧倒的に優位です。
本記事では付加製造と除去製造の科学的比較を提示しました。より深い理解のために以下の参考文献もご参照ください。
- Additive Manufacturing of Metals: The Technology, Materials, Design and Production by L. Yang, K. Hsu, B. Baughman, D. Godfrey, F. Medina, M. Menon and S. Wiener (1st edition, Springer).
- Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing by A. Gebhardt and J. Hötter (1st edition, Hanser).
- Newman et al. (2015); Process planning for additive and subtractive manufacturing technologies; CIRP Annals; Vol. 64 (1); pp. 467-470.
産業技術