高度な精度を解き放つ：5軸CNCフライス盤がワークショップ能力を拡張する方法

製造業コミュニティでは、「CNC」という用語がしばしばCNCフライス加工、すなわちスピンドルを工具ヘッドとするプロセスを指すために使用されます。しかし、CNCはフライス加工だけでなく、より多くの用途に使用できる点に留意すべきです。

本記事では、CNCフライス加工を、最終形状を生成するために材料を系統的に除去する切削工具と定義します。この減算プロセスでは、コンピュータがCAD設計を座標に変換し、それを切削工具への指示に変換して材料を除去し、最終オブジェクトを表示します。
 

5軸CNCフライス加工の解明

5軸CNCフライス盤は、切削工具が5つの異なる軸に沿って同時に移動する、通常のフライス盤の高度なバリエーションです。この移動の自由度のおかげでのみ、複雑な形状を作成できます。愛好家に人気の普通の3軸CNCマシンでは、材料を途中で手動調整せずに、部分的なキャビティやオーバーハングを作成するような方法で切削スピンドルを動かすことはできません。

CNCフライス加工の典型的な材料：

• カーボンファイバー
• アルミニウム
• チタン
• 木材（芸術・デザイン用途）

強靭な材料から複雑な部品を製造できる能力により、5軸CNCは、複雑な部品と例外的な強度を要求する航空業界で一般的な生産・試作ソリューションとなっています。
聴衆の中の数学的読者の方は、追加の2軸がどこから来るのか疑問に思うかもしれません。デカルト座標系にはX、Y、Zの3軸しかありません。しかし実はいたってシンプルです：5軸CNCは、X軸とY軸のそれぞれを中心とした回転「軸」を1つずつ追加します。
上図は6軸を示しています。垂直Z軸周りの回転が一部のマシンに存在しますが、実際6軸CNCフライス盤は稀で、第6軸はメリットがほとんどないためです。
参考製品：5軸マシニングセンタ
 

3軸世界における5軸

CNCフライス盤が5軸効率を達成する機械的な方法は2つあります：

• 工具ヘッドを回転させる
• テーブル（と材料ブロック）を動かす

スイベルヘッド付きマシンは、名前の通り、材料ブロックの周りを工具ヘッドが操作し、異なる角度から狭いスペースに入り込めます。この方法の利点の1つは、材料ブロックがプロセス全体を通じて静止したままであるため、より大型・重量のワークを加工できることです。
一方、テーブル上のオブジェクトを動かすCNCフライス盤（ピンとも呼ばれる）は、材料が置かれたテーブルを回転させることで、さらに2軸の自由度を達成します。このアプローチの利点は速度と安定性ですが、大型・重量物はこの方法では回転できません。
しかし、5軸CNCフライス盤には特にフライス加工時にいくつかの複雑さがあります。例えば、5軸切削能力を達成するために使用される2つのアプローチ、連続方式と3+2軸方式には明確な区別があります。名前が定義をある程度示しています。
連続5軸CNCシステムでは、切削工具先端を切削面に最適に垂直に保つため、すべての5軸で切削工具を連続的に調整する必要があります。対照的に、3+2方式では、XとY周りの回転軸で決まる角度で要素をロックし、工具ヘッドが3軸で動いて部品を切削します。
 

連続フライス加工 vs 3+2軸

連続CNCの主な利点が何か疑問に思うかもしれません。それは「速度」です。プロセス中に部品の向きを変えるために切削を中断する必要がないため、連続5軸CNCフライス盤はより高速です。ただし、常に動く工具ヘッドにはより多くの可動部品（摩耗増）と高度な衝突検出が必要です。したがって、機械的にもプログラム的にも、成功裏に実行するのはより複雑です。
これは5軸世界の重要な問題、すなわち「衝突」を提起します。重い切削工具と材料片が高速で飛び交う中、何も衝突しないことを保証するのは非常に重要です。しかし、機械に3D空間でのすべての位置を追跡する方法を教えることは、大きなソフトウェア課題です。
 

ソフトウェア側面

ソフトウェア課題の話が出ましたが、CADソフトウェアファイルから3D設計を物理的な工具パスに変換することも大きなエンジニアリング偉業です。最も高度なソフトウェアツールの一部のみが、現実世界で本当に滑らかな結果を提供できます。
5軸フライス加工と3Dプリントの類似性は見えやすく、これら2つのプロセスをどう比較するか疑問に思うかもしれません。短い答えは：3DプリントとCNCは加算ではなく減算であり、CNCは最も強く硬い部品に使用されます。
明確な違いは、5軸CNCシステムが主に産業用途で見られるのに対し、3DプリントもSLSマシン（レーザーで粉末浴から物体を付加生産）の形でこの世界に存在することです。両者ともアルミニウム等のプロフェッショナル品質材料で作業可能ですが、SLS 3Dプリントの問題の1つは性能です。
 

フライス加工 vs 3Dプリント

簡潔なバージョン：
産業用3Dプリントはリードタイムが長くなる可能性があります。
CNCフライス加工は、ほとんどのオーダーサイズで原材料消費を削減できます。
SLS 3Dプリントプロセスでは、プリントチャンバー全体を粉末で満たす必要があり、部品サイズに関わらず粉末が必要です。未使用粉末はすべて再利用可能とは限らず、プリント中にチャンバー全体を加熱する必要があるためです。その結果、プリントジョブは系統的にキューイング・スタックされ、各サイクルで使用される粉末体積を最大化し未使用スペースを減らす必要があります。未使用粉末の一部は単に廃棄されます。
CNCフライス加工には一般的にそのような制約はありません：完成モデルとほぼ同サイズの材料ブロックが納品されれば、余分な部分が削り取られ最終形状が得られ、モデルの大小に関わらず材料無駄は少ないです。元の材料ブロックが最終部品とサイズが似ていれば、あまり材料は無駄になりません。さらに、アルミニウム等一部のCNC材料では、切削材料を回収・リサイクルすることさえ可能です。
 

ひとこと補足

SLSほど広く使用されていませんが、電子ビーム溶解（EBM）という別の産業用3Dプリント手法は、より少ない材料で済みます。これは一定体積を満たす必要がなく、基本的に創造時に「発射」して材料を構築するためです。