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プロジェクトに CNC 機械加工または 3D プリント?
約 10 年前、3D プリント銃器のニュースが製造業の報道で大きく取り上げられ、3D プリンティングは今日でもホット トピックです。科学技術の発展に伴い、3D プリンティングの技術はますます成熟し、製造されたプラスチックや金属部品はさまざまな分野で使用されていますが、CNC 加工、真空鋳造、射出成形などの従来の製造プロセスを完全に置き換えるには至っていません。そのため、設計者にとっては混乱が生じます。プロトタイプや小ロットのプロジェクトがある場合、最適な加工技術をどのように選択すればよいのでしょうか? この投稿では、CNC 加工と 3D プリンティングに関するいくつかの技術ガイドラインを共有し、精度、材料、コスト、品質、効率、速度など、さまざまな側面で 2 つの違いを理解して、プロジェクトで CNC 加工と 3D プリンティングのどちらを選択するかを決定するのに役立ちます。
1，サブトラクティブ・マニュファクチャリングとアディティブ・マニュファクチャリング
この 3 つの主な違いは、CNC 機械加工が減法製造であるのに対し、XNUMXD 印刷は付加製造であることです。
CNC加工。ご存知の通り、CNC加工は、材料の塊（ブランクと呼ばれることが多い）から始まり、工具を使って余分な材料を削り取り、部品を作り出す切削加工の一種です。試作品から少量生産、大量生産まで、幅広い部品製造において最も人気のある方法の一つであり、再現性、高い寸法精度、優れた表面仕上げ、そして木材、金属、プラスチックなど、多くの材料との互換性を備えています。
3Dプリンティング。3Dプリンティングは逆のプロセスで、積層造形の一種です。CADやCAMソフトウェアもカスタムパーツの設計・製作に使用されますが、材料の切削から始めるのではなく、プラスチックフィラメント（FDM）、樹脂（SLA/DLP）、プラスチックまたは金属粉末（SLS/DMLS/SLM）などを使用します。材料は層ごとに積み重ねられ、硬化されて最終製品が完成します。3Dプリンティングは、複雑な形状、高い精度、迅速な納期、そして場合によっては部品コストの削減といった利点があります。
話は逸れますが、CNCマシンと3Dプリンターを組み合わせて、両方の利点を兼ね備えたデバイスに組み立てたら、それは当然のことなのでしょうか？ZMorph 2.0 SXのように、この斬新なアイデアを実現した実務家もいます。これは3軸CNCフライス盤として販売されているだけでなく、3Dプリンターとしても使用できます。さらに、Moozの3-in-1 3Dプリンターなど、これらの複合機を使ったKickstarterキャンペーンを最近成功させた企業もいくつかあります。現在、このような互換性のあるマシンはまだ研究段階にあります。
2.使用材料の比較。
CNC 機械加工と 3D プリントはどちらも、プラスチックや金属を含む幅広い材料と互換性があります。 3D プリンティングは、プラスチック部品の製造により適しています。 これは現在変化しつつあり、3D Systems、Arcam、Desktop Metal、Markforged などのメーカーは、金属を 3D プリントするためのより優れた安価な方法を開発しています。
CNC加工。CNC加工で最も一般的に使用されるプラスチックには、ABS、ナイロン（PA66）、ポリカーボネート（PC）、アクリル（PMMA）、ポリプロピレン（PP）、POM、PEEKなどがあります。アルミニウムはCNC加工で最も広く使用されています。中国の先進的なプロトタイプメーカーであるDDPROTOTYPEのエンジニア、マーティン氏によると、「当社の材料の70%はアルミニウムで、当社が製造するさまざまな部品はさまざまな産業で使用されています。」アルミニウムはリサイクル可能な材料で、特性が良く加工も容易です。その他に一般的に使用される金属には、ステンレス鋼、マグネシウム合金、亜鉛合金、チタン合金、銅などがあります。
3Dプリンティング。3Dプリンティングで一般的に使用される熱可塑性樹脂には、ABS、PLA、ナイロン、ULTEM、その他の光硬化性ポリマーなどがあります。3Dプリンターは、セラミック部品や人体インプラントの印刷も可能です。3Dプリンティングで最も一般的に使用される金属には、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、インコネルなどがあります。高価な3Dプリント産業用機械（おそらく100,000万ドル以上）が必要であることに注意することが重要です。超合金やTPU（柔軟性のある材料）などの一部の材料はCNC加工できないため、3Dプリンティングやラピッドツーリングなどの製造プロセスを使用する必要があります。3Dプリンティングでは、本物の木材を模倣できる材料がないため、木材を加工することはできません。
よく使われる素材の比較。
製造プロセス | プラスチック | 金属 |
CNC機械加工 | ABS、ナイロン、ポリカーボネート、PEEK、PC、PMMA、PP、POM PEEKなど | アルミ、ステンレス、マグネシウム合金、亜鉛合金、チタン合金、銅など |
3Dプリント | ABS、PLA、ナイロン、ULTEM、ASA、TPU（柔軟素材）など | アルミ、ステンレス、チタン、インコネルなど |
データ ソース DDPROTOTYPE。
3. 加工部品の精度と寸法
DDPROTOTYPE チームによると、かなりの経験に基づいて、「公差に関しては、CNC 機械加工はすべての 3D 印刷プロセス、さらには DMLS よりも優れています。」 パーツに厳しい公差が必要な場合、3D プリントは最適な選択ではない可能性があります。
CNC加工。 CNC 機械加工は、0.005 mm などの非常に厳しい公差とより優れた表面仕上げを達成でき、非常に大きな部品から非常に小さな部品まで正確に機械加工できます。 ツールの丸みを帯びた性質により、内側のコーナーには常に半径がありますが、外側のサーフェスには非常に鋭いエッジがある場合があります。
3D プリント。 3D プリンターが異なれば、寸法精度も異なります。 最小肉厚は、最終的な実行のサイズによって制限されます (たとえば、FDM のノズル直径または SLS のレーザー スポット サイズ)。 パーツはレイヤーごとに構築されるため、最終的なパーツには、特に湾曲したパーツにレイヤー ラインが含まれる場合があります。 産業グレードの機械は、非常に優れた公差で部品を製造できます。 厳しい公差が必要な場合は、後処理中に機械加工が必要です。 これにより、余分なステップが追加され、CNC 加工よりも効率が低下します。
以下の表は、さまざまな技術の公差、肉厚、および最大部品サイズを示しています。
製造プロセス | 公差 | 最小。 層厚 | 最大。 ビルドボリューム |
CNC | ±0.005～0.125mm | 切り込み深さ 0.01mm | 最大2000×800×1000mm |
SLS | ±0.3 mm | 0.1〜1.5 mm | 最大340×340×605mm |
FDM | ±0.3 mm | 0.2〜0.8 mm | 914 x 610 x 914 mmまで |
MJF | ±0.3 mm | ２０ mm | 380 x 284 x 380 mmまで |
DMLS | ±0.1 mm | 0.4 mm | 最大230×150×150mm |
データ ソース DDPROTOTYPE。
アイコンからわかるように、CNC 加工は、FDM、SLS、MJF などの一般的な 3D 印刷技術よりも大きく、より精密な部品を製造できます。医療機器、航空宇宙、およびその他の高精度を必要とする分野の部品の場合、CNC 加工は、理想的な選択です。
4。 速度
MJFやFDMといった3Dプリンティング技術は、部品の形状やサイズにもよりますが、少量生産において迅速な製造に優れていることで知られています。これは、3Dファイルが準備でき、向き、充填率、サポート材を選択してボタンをクリックするだけで、追加の設定が不要となり、通常は数時間で部品が完成するためです。後処理は、加工プロセスと2Dファイルの要件によって異なります。
CNC加工。3Dプリンティングと比較すると、CNC加工は人手がかかり、より多くの作業員と設定が必要です。熟練した機械工が材料、機械、プログラミング、工具とその回転速度、切削経路を選択し、治具を手動で位置決めし、さらにはカスタム治具を事前に製作します。これにより、加工時間が長くなります。さらに、陽極酸化処理や電気泳動などの後処理もここで完了できるため、さらに時間がかかる場合があります。
Martin 氏は次のように述べています。 50 個以上の部品を製造する必要がある場合は、CNC 機械加工の再現性により、1D プリントよりもはるかに高速な、CNC 機械加工の製造効率が発揮されます。」 市場に出回っている一部のプリンターは印象的な印刷速度を備えていますが、3D 印刷は通常、生産ではなくプロトタイプに多くを使用します。 一部の単純な構造の部品は、CNC では数分で加工できますが、500D プリンターでは数時間かかる場合があります。
5，モデルの複雑さ
3Dプリンティング。3Dプリンティングは、形状の制約がほとんどない部品であれば、どんな形状の部品でも加工できます。FDMやSLM/DMLSなどのほとんどの3D技術では、後処理で除去できるサポート構造が必要です。SLSやマルチジェットフュージョン（MJF）などの粉末溶融プロセスを使用すれば、自由形状のプラスチック部品を簡単に製造でき、サポートは必要ありません。3Dプリンティングは、非常に複雑な形状を製造できる能力を備えています。
CNC加工。もちろん、CNCはかなり複雑な部品の加工も可能です。複雑な部品を作る場合、加工中に部品を反転させて位置を固定する必要があることがよくあります。なぜなら、5軸CNCマシンであっても、工具が部品のすべての面に届かない場合があるからです。
6。 コスト
価格を単純に議論すると、CNC フライス加工と 3D 印刷の違いは正確な結論にはつながらないようです。 これは、素材、数量、加工の難しさなど、さまざまな要因によって異なります。
1 パーツでも 100 パーツでも、3D プリントで作成した 100 つのパーツのコストは基本的に同じで、通常は CNC 機械加工よりも安くなります。 20 個以上などの大量の部品の場合、CNC 機械加工の方が経済的です。 Martin 氏によると、私たちの最も一般的な誤解の XNUMX つは、CNC 加工サービスは高価だということです。 実際、CNC プロトタイピングは部品あたり約 XNUMX ドルから始めることができ、製造量が増えるにつれて単価が劇的に下がります。
7。 環境を守ること
CNC 加工はブランクから始まり、さまざまなツールを使用して余分な材料を取り除きます。 その結果、大量の微細な粉塵や材料の小さな破片が取り残され、それらを回収することはできず、清掃と廃棄が必要になります。 一方、3D プリント プロセスでは、原材料がプリンターに供給され、パーツをレイヤーごとに構築します。 このプロセスは原材料のみを使用する必要があり、混乱や廃棄物がないため、より環境に優しい製造プロセスです。
8 ケーススタディ
CNC 機械加工と 3D プリントの違いを、より直感的で理解しやすいように思われる 2 つの例を通して調べます。 DDPROTOTYPEが2021年に取り組んだXNUMXつのプロジェクトです。例として、プラスチックシェル加工と金属ブラケット加工を取り上げます。
プラスチック製筐体プロトタイプ。電子機器用プラスチック筐体の製造は、量産前の重要なステップです。迅速な製造、低コスト、開発期間の短縮が顧客の要求事項です。電子機器筐体には、スナップ、ヒンジ、インターロッキングジョイントなどの留め具があります。これらの機能はすべて、CNC加工または3Dプリンティング（FDMまたはSLS）で実現できます。高精度で美しいプラスチックプロトタイプは、CNCまたはSLSのどちらでも作成できますが、デスクトップグレードのFDMは処理時間が短く、コストも低くなっています。DDPROTOTYPEは、各プロセスの比較を表にまとめています。
CNC加工 | デスクトップ FDM | SLS | |
費用 | $$ | $ | $$ |
よく使われる素材 | ABS、ナイロン | PLA、ABS、ナイロン | ナイロン |
出荷 | 5日間で稼働開始できました | 1.5日間 | 2Days |
精度 | ±0.121mm | ±0.485 mm | ±0.287 mm |
FDM 3Dプリンティングで作られた低コストの住宅プロトタイプ
金属製インペラの試作品。金属製インペラは高負荷・高温下での動作が求められ、精密なシャフトに適合する必要があります。顧客は、インペラの寸法精度と材料品質の向上を要求しています。
CNC機械加工 | SLM/DMLS | バインダー噴射 | |
費用 | $$ | $ $ $ $ | $ $ $ |
一般的な資料 | アルミニウム、ステンレス鋼、黄銅 | ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、インコネル コバルト クロム | ステンレス鋼、インコネル コバルト クロム、タングステン、カーバイド |
精度 | ±0.022mm | ±0.108mm | ±0.214mm |
機械的挙動 | とても良いです | とても良いです | グッド |
9.クイックサマリー
明確な答えはなく、すべての利点を備えたテクノロジーはありません。CNC 機械加工と 3D プリントの両方に独自の長所と短所があり、材料、リード タイム、幾何学的な複雑さ、精度、数量、予算などの要因によって異なります。 . DDPROTOTYPE は、参照用に比較表を慎重にまとめました。
CNC加工 | 3Dプリント | |
機械的性質 | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
プロトタイピング | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
費用 | 中規模シリーズの場合は安価 | 小シリーズなら安い |
ターンアラウンドタイム | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
ポリマーの選択 | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
設計の複雑さ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
寸法精度 | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
詳細と解決策 | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
大きな部品サイズ | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
良い-⭐ 良い-⭐⭐ 良い-⭐⭐⭐ | ||
10. 適切な製造方法を選択するためのヒント
適切な製造プロセスを選択する前に、最終決定を下す前にヒントを参照してください。
数量は製造方法の選択にどのように影響しますか?少量のパーツ (3 個未満) が必要な場合は、50D プリントの選択を検討する価値があります。 数量が 100 ～ 1000 個に達すると、CNC 加工の方が適しています。
部品製造は複雑ですか？ 少量だが非常に複雑なカスタム パーツの場合、多くの場合、3D プリントの方が安価で高速です。 CNC 機械加工には、より多くのオペレーターとセットアップが必要であり、一般的に 3D プリントよりもコストがかかります。
必要な材料は何ですか？ CNC 機械加工はより成熟した技術であるため、互換性のある材料の幅が広がります。 しかし、チタンや柔軟な TPU など、加工が非常に難しい金属超合金材料の場合は、3D プリントを選択する方が賢明です。
