CNC加工 vs 3Dプリンティング：プロジェクトに最適な製造方法を選ぶ

ステレオリソグラフィー発明者で3D Systems創業者のチャールズ・ハルが1986年に3Dプリンター販売を開始。数年後、ストラタシスのスコット・クランプが熱溶解積層モデリング技術を商業化。他社も続き、間もなく起業家たちがこれら「ラピッドプロトタイピング」マシンを購入し、「サービスビューロー（3Dプリント専門業者）」を開業しました。

今日、かつての最先端用語の多くは陳腐化しています。付加製造は試作のみ、ラピッドであれ何であれ、に限定されなくなりました。サービスビューローはE-マニュファクチャラーに取って代わられ、彼らのオーナーとマネージャーは、3DプリンティングがCNC加工やその他の従来製造プロセスを補完し、ツールボックスのもう一つの道具（ただし非常に強力な）になったと主張します。

強みと弱みの補完

ロサンゼルス拠点のStratasys Direct Manufacturingでもその通りで、オペレーション担当副社長グレッグ・レイノルズ氏は、プロジェクトでどの製造技術を使うかの決定は、部品複雑性から始まる多数の要因に依存すると説明します。

「付加製造は従来プロセスに対し、特に金属においていくつかの重要な利点をもたらします」と同氏。「リスト上位にあるのは部品統合です。複数部品を加工してボルト締めや溶接で組み立てる代わりに、金属3Dプリンティングならアセンブリを単一の、しばしばより軽量なワークピースとして製造可能です。それに伴い、内部通路、複雑な掃引面や有機的形状、薄肉ラティス構造などの特徴が得られます。これらは切削では非常に高コストか、まったく不可能です。しかし付加製造では、それらはかなり容易です。」

逆に、ブラケット、シャフト、ハウジング、その他多数の「ブロッキー（塊状）」なコンポーネントのような、よりシンプルで単一構造の部品は、試作であれ数千個の量産であれ、依然として切削加工の領域にしっかりとあります。

また、3Dプリンティングは精度で切削加工と競合できないため、厳しい公差と非常に滑らかな仕上げ面が必要な部品も、CNC旋盤やマシニングセンターの方が適しています。

そのため、多くのプラスチック部品と実質的にすべての金属部品は、重要な部品特徴の仕上げ加工と、ほとんどの3Dプリンティングプロセスの悩み種であるサポート除去のため、造形後のマシンショップでの後処理が必要です。

3Dプリンティング：複雑な形状、複雑な特徴に適す

「部品精度と仕上げ面が最優先でない低生産量では、3Dプリンティングが確かに適しています」と、ハイデンハイン社工作機械ビジネス開発ディレクター、ギスベルト・レドヴォン氏。「非常に複雑な形状の部品や、従来では製造困難な特徴を3Dプリンティングで生産できる場合も同様です。二次加工が必要でも、これらの部品は金属付加製造でますます生産されています。」

プラスチック射出金型が一例だとレドヴォン氏。従来の金型製作では、金型ベースやインサートにスイスチーズのように冷却穴をドリルであけますが、レーザー金属粉末床溶融結合（LPBF）マシンなら、金型全体をプリントし、金型キャビティに沿って戦略的に配置されたコンフォーマル冷却チャネルで満たせます。結果として、従来では不可能なほど高速なサイクルタイムと高い部品品質が得られます。

ここでも、金型キャビティや他の重要面を仕上げ加工する二次加工が必要です。レドヴォン氏とレイノルズ氏の両方が指摘する通り、金属付加製造は鋳造や鍛造に匹敵する仕上げ面を残します。

両専門家は、これらの部品を3DプリンターからCNC工作機械へ移すには、堅牢な治具戦略が必要だと言います。「3Dプリンターに、マシニングセンターと統合可能なパレットシステムがあれば理想的です。これにより多くの時間と手間が省けます」とレドヴォン氏。

3Dプリント部品の把持は鋳物の把持と似ており、固定の基準点で参照できないことが多いとレイノルズ氏。「鋳物と同様、ニアネットシェイプから加工を開始するため、まずゼロポイントをフライスまたは旋削で作り、そこから進めます。案件によりますが、全体的に寸法管理は3Dプリント部品の方が確実に難易度が高いです。」

CNCがスピードニーズに応える

CNC旋盤とマシニングセンターがバーやビレットから驚異的な速度で材料を削り取れるのに対し、レーザー式金属・ポリマー3Dプリンターは悪名高いほど遅く、ほとんどの部品に数時間、大型なら数日を要します。

しかし、レーザーが材料を結合する唯一の方法ではありません。付加製造には7つの異なる技術と多数の派生技術があり、近年になっていくつかはかなり高速化しています。例えば、Markforgedのような3Dプリンターメーカーは、「グリーン」部品を大量にプリントし、その後焼結するバインダージェッティングマシンを開発し、数十年前の金属射出成形（MIM）プロセスを模倣しています。また、MakerBotと親会社StratasysのFDMプリンターは、スコット・クランプの初期より大幅に高速化しただけでなく、特定金属のプリントも可能になりました。

同様に、チャック・ハルのステレオリソグラフィープロセスはデジタルライトプロセッシング（DLP）に拡張され、UV光源でラインごとに丹念にトレースする代わりに、フォトポリマー樹脂の層全体を一回のパスで硬化させます。

これらや他のポリマープリンターも、かつてよりはるかに高精度になりました（ただし依然として切削加工ほどではありません）。いわゆる「ベーパーポリッシング」装置と併用すれば、例外的な仕上げ面を生み出せます。

さらにストラタシスの選択的吸収融合があります。現在はエコフレンドリーなPA11ナイロンに限定されますが、接触するポリマー粉末の融点を下げる独自インクで部品をプリント。赤外線熱源に晒すと、これら領域が融合し、完全機能部品を生成。「1個でも1,000個でもビルド速度は同じです」とレイノルズ氏。「選択的レーザー焼結（SLS）ほど熱を部品に加えないため、材料一体性は一般的に高いです。」

生産時間の短縮

ツーリングは、3Dプリンティングと従来製造のもう一つの重要な違いです。前者は完全にデジタルプロセスであるため、従来製造プロセスで必要とされるジグ、治具、その他のツーリング（二次加工用を除く）が不要です。

これには多くのメリットがあり、最も明確なのは一部またはすべてのツーリングコストの削減です。しかし、ツール製造に必要なリードタイム、準備完了後の機械への取り付け、プログラムゼロのピックアップ、CNCプログラムの試運転も不要になります。一方、3DプリンターならCADモデルから数時間で完成部品まで到達できます。

レイノルズ氏は、デケーキングとサポート除去について3Dプリンティングが最近より自動化されたと指摘しますが、自動化は他の製造タイプでもより大きな役割を果たしつつあります。

いずれにせよ、与えられた部品をどう生産するかの選択は複雑な決定で、ジョブ数量、部品形状、精度と仕上げ面、材料、その他多数の要因に依存します。

金属加工者は、部品をストラタシスのウェブサイトにアップロードして即時見積もりを取得し、どちらが最速かつ最も効果的かを知ることができます。

「かつて自社3Dプリンターへの投資を検討したが、高すぎるか十分な能力がないと判断した人들에게、もう一度見直すことを勧めます」と同氏。「非常に成熟した技術となり、CNC旋盤とマシニングセンターと同様、部品を作るもう一つの手段になりました。」

クイック投票：付加製造の優位性

付加製造は、切削加工とより伝統的な製造プロセスを補完するためにますます使用されています。

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