非伝統的加工の極意：先進技術と応用

非伝統的加工（別名：非従来型加工、現代加工法）は、電気、熱、光、電気化学エネルギー、化学エネルギー、音響エネルギー、特殊機械エネルギーを用いて、材料を除去、変形、特性変更、めっきする加工法です。

穴あけ、ボーリング、切削、フライス加工など従来の加工プロセスは、切れ刃を持つ伝統的工具で行われます。これら伝統的加工法は技術と時間の進歩により陳腐化しましたが、加工プロセスの基礎となっています。

この記事では、非伝統的加工プロセスの定義、用途、図解、特徴、種類、作動、利点、欠点について解説します。

非伝統的加工とは？

非伝統的加工法は、伝統的加工の欠点を克服する最先端技術です。超音波加工、レーザービーム加工、ウォータージェット加工、アブレシブウォータージェット加工、電子ビーム加工などがこの加工プロセスの例です。

現代技術の助けを借りて製品が製造されるとき、それは非従来型、非伝統的、または現代加工プロセスと呼ばれます。これらの技術は、金属・非金属を問わず、あらゆる硬度、強度、靭性、脆性を持つ複雑形状、微細表面、低剛性物体の加工に使用できます。超仕上げ、鏡面仕上げ、ナノスケール（原子レベル）加工技術も同時に採用可能です。

用途

非伝統的加工の用途は、特定用途に適した様々な種類があるため非常に広範です。これらの加工法が使用される主な分野：

複雑形状の穴とキャビティを持つ金型と部品の加工に使用されるプロセスもあります。硬質合金や焼入れ鋼など、硬い/脆いなど異なる材料特性を持つ材料の加工に使用。非伝統的加工は、深い微細穴、形状穴、深溝、狭スリット、薄板切断の製造に使われます。

• 非伝統的加工プロセスが硬い表面をフライス加工するのと同様に、非伝統的加工法はダイス設計に利用されます。通常プロセスでは加工できない複数の硬質金属を非伝統的加工法で処理可能です。
• 燃料噴射システムノズルの極小径穴あけに非伝統的手法が自動車産業で使用されます。非伝統的加工法でギア加工も可能です。
• 薄金属板への複雑なデザイン加工に、レーザービーム加工など多くの非伝統的加工プロセスが使用されます。
• ガラス、セラミックス、石英など脆性材料の切断に、アブレシブジェット加工など非伝統的加工プロセスが使用可能です。
• 非従来型加工プロセスで切削工具を製造可能です。
• 現代加工は複雑な航空機部品の製造に利用されるため、航空宇宙産業で極めて重要です。

特徴

非伝統的加工プロセスの特徴：

1. 工具材料の硬度が被削材より大幅に低くてもよい
2. 電気エネルギー、電気化学エネルギー、音響エネルギー、光エネルギーなどで材料を直接加工可能
3. 加工中に機械的力が見えず、ワークが機械的・熱的変形を稀にしか示さず、加工精度とワーク表面品質向上に有利
4. 様々な方法を選択・組み合わせて新プロセスを創出し、生産効率と加工精度を大幅向上可能
5. ほぼ全ての新エネルギー源が新しい非伝統的加工法の可能性を開く

非伝統的加工プロセスの種類

非伝統的加工プロセスの様々な方法：

放電加工（EDM）：

EDMは放電加工または電食加工とも呼ばれ、作動液中に浸された2極間のパルス放電による電食で導電性材料をエッチングする非伝統的加工技術です。基本装置は放電加工機です。放電加工の特徴：

• 切削力なしで加工
• バリ、工具痕、溝などの欠陥なし
• 従来加工で難削な材料と複雑形状ワークを加工可能
• 工具電極材料は被削材より硬くなくてもよい
• 電気加工採用で自動化が容易
• 用途によっては処理後の変質層をさらに除去必要
• 作動液の精製・処理時の煙公害対処が困難

用途：

非伝統的加工プロセスの用途：

• 金型と部品の複雑形状穴・キャビティ加工
• 硬質合金、焼入れ鋼など様々な硬い/脆い材料加工可能
• 微細深穴、曲面穴、深溝、狭スリット、薄板切断等の加工
• 切削工具、サンプルプレート、ねじリングゲージ等の測定・切削工具加工可能

EDMの図解：

電解加工：

陽極溶解の原理に基づき、成形陰極の助けを借りて電解プロセスでワークを特定形状・寸法に加工します。電解加工は難削材、複雑形状、薄肉製品に大きなメリットを提供。銃身ライフリング、ブレード、一体型インペラ、金型、プロファイル穴・部品、面取り、バリ取りなどが電解加工の例です。電解加工技術は多数の製品加工で重要、あるいは代替不可能な役割を果たしています。

利点：

• 幅広い加工対応。電気化学加工は強度・硬度・靭性など機械的・物理的特性を損なわず、金相組織もほぼ不変で、ほぼ全導電性材料を処理可能。硬質合金、耐熱合金、焼入れ鋼、ステンレス鋼など難削材に頻繁使用。
• 高い生産速度
• 優れた加工品質、特に表面
• 変形しやすい部品と薄肉部品の加工可能
• 電気化学加工プロセス中、工具とワークの非接触、機械的切削力なし、残留応力・変形なし、バリ・フラッシングなし

欠点：

• 加工精度と加工速度が低い
• 高コスト。ロットが小さいほど単品追加コストが高い

電解加工の図解：

レーザー加工

レーザーをレンズで集光し、焦点で高エネルギー密度を達成して材料を溶融・気化させ、極短時間で除去することで加工を実現します。レーザー加工は材料廃棄物削減、大量生産でのコスト効果、切断対象への高い柔軟性を提供。レーザー技術はヨーロッパで主に、高級車ボディ・ベース、航空機翼、宇宙船胴体など特殊材料の溶接に使用されています。

レーザー溶接、レーザー切断、表面改質、レーザーマーキング、レーザー穴あけ、微細加工、光化学堆積、ステレオリソグラフィー、レーザーエッチングなどが最もよく利用されるレーザー加工法です。

レーザー加工の図解：

電子ビーム加工

高エネルギー収束電子ビームの熱効果または電離効果を利用した材料加工を電子ビーム加工（EBM）と呼びます。高エネルギー密度、強い貫通力、幅広い一回溶深、大きい溶深幅比、高速溶接、小さな熱影響部、微小な作動変形などが利点です。

電子ビーム加工の加工材料は多様で、切削領域を非常に小さくできます。加工精度はナノメートル単位で測定可能で、分子・原子レベル加工が可能。著しい生産性；加工公害は少ないが、装置コストは高い。微細穴、微細スリット、その他複雑形状の製造に使用可能。微細リソグラフィと溶接にも使用可能。自動車製造での主用途は真空電子ビーム溶接ブリッジシェル技術です。

イオンビーム加工

真空条件下で、イオン源から生成されたイオン流を加速・集束し、ワーク表面に照射して加工します。イオン流密度とイオンエネルギーの精密制御により加工効果を完全制御でき、ナノメートル、分子、原子レベルの超精密加工が可能。イオンビーム加工は公害が少なく、応力・歪みが小さく、被加工材料に柔軟ですが、コストが高いです。

イオンビーム加工はエッチングとコーティングの2段階で使用可能です。

• エッチング加工：ジャイロスコープの空気軸受や動圧モーターの溝を高解像度・高精度・高再現性で加工。集積回路、光電子デバイス、光集積デバイスなど高精度グラフィックのエッチングもイオンビームエッチングの用途。透過電子顕微鏡用試料作製のための材料薄膜化にも使用。
• イオンビームコーティング加工：スパッタリング堆積とイオンプレーティングの2タイプ。金属/非金属膜を金属/非金属表面にめっき可能。各種合金、化合物、特定合成材料、半導体材料、高融点材料もイオンコーティング可能。潤滑膜、耐熱膜、耐摩耗膜、装飾膜、電気膜のイオンビームコーティング技術による形成が可能。

プラズマアーク加工

プラズマアークの熱エネルギーを用いて金属・非金属を切断、溶接、溶射する非伝統的加工技術です。箔や薄板溶接が可能で、キーホール効果により片面溶接・両面フリーフォーミングが可能。プラズマアークは高エネルギー密度、高アーク柱温度、高い貫通能力を持ちます。10〜12mm厚鋼ならベベル加工不要で、完全溶け込みと両面成形を一工程で達成、高速溶接、高生産性、最小応力変形。装置が複雑で大量ガス使用のため、屋内溶接にのみ適しています。

工業生産で広く使用、特に銅・銅合金、チタン・チタン合金、合金鋼、ステンレス鋼、モリブデンの軍事用途、航空宇宙など最先端産業技術（チタン合金ミサイルシェル、航空機薄肉容器など）で活用されています。

超音波加工

超音波周波数を工具として小振幅振動させ、ワークとの間の液体中の遊離研磨粒で処理面をパンチし、ワーク表面を進行的にクラックさせます。穴あけ、切断、溶接、ネスティング、研磨が一般的用途。あらゆる材料加工可能ですが、特に硬く脆い非導電性材料の高精度・優れた表面品質切断に適しています（加工速度は低い）。穿孔（丸穴、形状穴、曲面穴等）、切断、スロッティング、ネスティング、ガラス、石英、セラミックス、シリコン、ゲルマニウム、フェライト、宝石、翡翠など様々な硬脆材料の彫刻、小部品バリ取りバッチ処理、金型表面研磨、砥石ドレッシングなどが超音波加工の例です。

化学加工

ワークの所望形状、寸法、表面を得るために、酸、アルカリ、塩溶液で部品材料を腐食・溶解させます。広範囲の薄肉化と薄肉物体の複雑穴切断に最適。広範囲加工に適し、硬度・強度フリーで切断可能な全金属材料を一括処理可能。応力・クラック・バリなしで表面粗さRa1.25〜2.5μm達成、簡単操作。狭スロット/穴加工不可、表面粗さ・傷など欠陥除去には不向き。

ラピッドプロトタイピング

最新CAD/CAM技術、レーザー技術、CNC技術、精密サーボドライブ技術、新材料技術をすべて開発・結合したRP技術。成形材料の違いにより、複数タイプのラピッドプロトタイピングシステムが異なる成形原理とシステム特徴を持ちます。しかし基本技法は同じ：「層による製造、層ごとの重ね合わせ」。数学の積分手順に類似。外観では「3Dプリンター」に似ています。

製品設計（CAD）データを直接受け取り、金型、カッター、治具なしで新製品サンプル、金型、モデルを迅速に製造可能。結果として、RP技術の広範な採用・展開は新製品開発期間を大幅短縮し、開発コスト削減、開発品質向上を実現。従来の「除去技法」から今日の「成長技法」へ、金型製造から無金型製造への革命的意義を製造業にもたらします。航空、宇宙、自動車、通信、医療、電子、家電、玩具、軍事装置、産業モデリング（彫刻）、建築模型、機械製造など多様な産業でラピッドプロトタイピング技術が活用可能です。

動画で非伝統的加工プロセスをさらに学ぶ：

非伝統的加工法の利点と欠点

利点：

非伝統的加工法の様々な用途におけるメリット：

高精度： 精度は今日の企業、大小問わず最大の関心事。非伝統的加工法で製造された製品と比較すると、従来加工法は精度が低い結果になります。高精度の結果、非伝統的加工は現代に適し、従来加工技術を置き換え可能です。

低騒音： 非伝統的加工プロセスは従来加工法の優れた代替であるため、周辺環境の騒音公害削減に貢献。プロセスが静かなため、特定の非伝統的加工プラントは住宅地に立地可能です。

高生産性： 従来加工手順と比較すると、現代/非伝統的加工法は高い生産率を促進。非伝統的アプローチは従来法より高速かつ高精度に機能するためです。

少ない廃棄物： 古い装置では廃棄物管理が極めて困難。チップを適時に処理する必要があり、更なる労力を要します。一方、非伝統的加工技術は廃棄物を出さないか、扱いやすく処分しやすいマイクロ廃棄物のみを生成します。

工具摩耗なし： 非伝統的加工手順では工具とワークの非接触により工具摩耗がありません。これにより工具故障の可能性を排除し、工具摩耗・損耗を防ぎます。

欠点：

優れた利点がある一方、制約もあります：

高い初期コスト： 多くの電気部品が機械部品と共に動作するため、非伝統的加工プラントの立ち上げ初期コストは典型的な加工プラントより高いです。これが中小・零細企業の導入を阻んでいます。

高い電力要件： 非伝統的加工プラントは標準加工プラントより大幅に多くの電力を必要とします。工具とワークの非接触により、工具表面処理により多くのエネルギーを必要とするためです。

複雑なメカニズム： 典型的な加工手順と対照的に、非伝統的加工プロセスはより洗練されたメカニズムを持ちます。オペレーターは手順を処理する十分なスキルが必要。何らかの理由でプラントが故障すれば、高度な専門家が修理に必要です。

低い材料除去率： 標準加工手順と比較すると、非伝統的加工法は材料除去率が低いです。したがって大規模製品には非伝統的手順は不適切です。

軟材料に不適： 非伝統的加工法の切削作用は通常、ワーク局所的温度上昇によって生じます。したがってゴムやプラスチックなど軟材料の切断には不適切で、ワークが焼損します。

結論

非伝統的加工（別名：非従来型加工、現代加工法）は、電気、熱、光、電気化学エネルギー、化学エネルギー、音響エネルギー、特殊機械エネルギーを用いて、材料を除去、変形、特性変更、めっきする加工法です。加工法にはEDM、電解、レーザー、EBM、イオンビーム加工などが含まれます。以上、非伝統的加工法の定義、用途、特徴、種類、作動、利点、欠点について解説しました。

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