CNC フライス盤と FDM 3D プリンターの 7 つの主な違い!

この投稿はCoco Bearによって2023-4-29 11:16に最後に編集されました。

CNC（コンピュータ数値制御）マシンには、CNCフライス盤や旋盤だけでなく、3Dプリンター、ロボットアームなどのマシンも含まれます。 CNC マシンと 3D プリンターには多くの共通点があります。どちらも、フライス加工や印刷の動作に変換される G コードの形式で一連の座標を提供します。マイクロコントローラを介して、与えられたコマンドがステッピングモーターの動きに変換されます。すべての CNC マシンの基本原理は本質的に同じですが、主な違いは材料と用途にあります。機械の機能と用途をより深く理解するために、 Antarctic Bear はメーカー間で最も一般的なタイプの機械、つまり CNC フライス盤と FDM 3D プリンターを比較します。

違い - 基本的な違い

△FDM 3Dプリンターはメーカーの間で最も一般的な機械です

さて、この質問について考えてみましょう。FDM プリンターが CNC フライス盤に似ている場合、フライス盤のツールヘッドをプリントヘッドに置き換えてみてはいかがでしょうか。原理的には可能ですが、両者のプロセス技術には一定の違いがあるため、現実は異なります。たとえば、 CNC フライス盤には加熱ベッドは必要ありませんし、FDM 3D プリンターにはスピンドル速度制御は必要ありません。

上記の問題の核心は、物理コンポーネントとファームウェア設定を変更しないと、これらのマシンのいくつかの基本条件の要件が互いに互換性がないことです。したがって、ツールヘッドとプリントヘッドの交換は非現実的ですが、不可能ではありません。

オープンソースの MPCNC はこの柔軟性を提供しようとしていますが、前述の課題により実用性に欠けています。 E3D のような企業は、さまざまなプリントヘッドだけでなく、穴あけや自動後処理用の小型フライス盤も含め、ツールの変更プロセスを簡素化する取り組みを行っています。これらのシステムは依然として非常に複雑で高価であり、平均的なプリンター愛好家にとっては手の届かないものとなることがよくあります。

1. 成形方法：加法成形と減法成形

△減算処理はより複雑

加工方法は、積層造形と切削造形の 2 種類に分けられます。 FDM 3D プリンターは付加処理に使用され、CNC ミリングマシンとルーターは減算処理に使用されます。後者の機械には、目的の構造を得るために材料を切断および除去するフライス盤、ドリル、またはカッターが含まれます。

どちらのタイプの加工でも、CNC マシンへの一連のコマンドが必要です。しかし、これらのアプローチの違いにより、G コードでこれらのコマンドにアクセスする方法も異なります。デフォルトでは、CNC ミルとルーターは、指定されたストック材料の表面から開始し、そこから目的のオブジェクトを切り出します。これを行うには、CAM ソフトウェアを使用してツールパスを作成する必要があります。ソフトウェアのセットアップでは、使用するツール、その寸法とプロパティ、必要な速度、開始点と終了点、その他の設定を定義する必要があります。さらに、ツールを変更するプロセスは非常に複雑になる可能性があり、かなりの知識が必要です。

シンプルなツールパス - 青い線は切削を表し、オレンジ色の線は移動のみを表します

3D プリンター用の G コードを作成する場合は、スライサーを使用する必要があります。指定されたオブジェクトを、一定の層の厚さを持つスライス画像に変換します。スライス上の各ポイントは XYZ 座標に変換されます。デフォルトでは、ビルドサーフェスから開始し、各レイヤーを上に向かって作業します。多くのスライサーは、一般的な 3D プリンター用の便利なデフォルト設定を提供しており、より合理的なスライスパスと結果を実現でき、初心者でも簡単に操作できます。

2. 動作軸

△CNC工作機械で遭遇する基本的な動作軸

ほとんどの CNC マシンは、フライス盤であれ 3D プリンターであれ、3 次元 (X 軸、Y 軸、Z 軸) でのみ動作します。 A 軸、B 軸、C 軸などの追加軸を持つマシンもあり、特殊なハイエンドマシンでは最大 12 軸を持つものもあります。では、なぜこれほど多くの軸が必要なのでしょうか?フライス加工やルーティングのアプリケーションでは、多軸操作により、事実上あらゆる角度からワークピースにアプローチできるため、単純な 3 軸マシンでは不可能なアンダーカットや複雑なフィーチャの加工が可能になります。

多軸印刷は 3D プリンターのまったく新しい分野です。多軸印刷では、ワークピースの表面の輪郭に沿って印刷できるため、印刷部品の精度が向上します。多軸印刷では、5 軸 Prusa plus プリンターのように、サポートなしで複雑な構造を構築できます。

3. 材料

△CNCフライス盤を使えば簡単に木製の物を作ることができます

最も一般的な材料はプラスチック、木材、金属であり、これらはすべて CNC 加工が可能です。しかし、3D プリントに関しては、状況は少し複雑になります。

●プラスチック<br /> プラスチックは FDM 3D プリンターで最もよく使用される材料の 1 つであり、PLA からエンジニアリングプラスチックまで、材料の種類も非常に豊富です。エンジニアリングプラスチックにはハウジングと濾過システムの設置が必要であり、また、特定のプラスチック製品から発生する煙も人体に有害である点に特に注意する必要があります。

木材
3D プリントされた木材は、プラスチックマトリックスと一定の割合の木質繊維の複合材料である充填材木綿を使用してのみ作成できます。ただし、本物の木の外観を実現するのは難しいですが、研磨と染色を行うことで外観を改善することができます。比較的正確に木材を加工したい場合、CNC フライス盤が最適なソリューションとなります。木材や厚板、合板を扱う場合、機械が対応できる形式、ルーターのスピンドルのパワー、達成可能な最大切削深さなどが重要な考慮事項となります。

金属

△焼結後、ほぼ100％金属の最終部品が得られます

愛好家にとって、真の金属 3D プリントは、現時点ではほとんどの人にとって経済的にも技術的にも手の届かないものですが、金属充填フィラメントを使用したプリントはそうではありません。プラスチックと金属の成分を混ぜた複合材料でもあります。

ジュエリーや特定の機能部品の製造では、印刷と焼結の操作が必要になることがよくあります。焼結プロセスでは、バインダーポリマーが燃え尽きて金属材料が残ります。このプロセスでは、焼結炉の使用、追加費用、または印刷および焼結サービスの使用が必要になります。同時に、焼結プロセス中に物体が収縮するため、寸法精度が問題となります。ロストワックス技法も別の選択肢です。基本的に、オブジェクトはワックスまたは別の材料で 3D プリントされ、その後鋳造化合物に埋め込まれます。ワックスモデルは焼き払われ、溶けた金属が入った鋳型が残ります。寸法精度も問題ですが、プロセスを最適化することで改善できます。

金属部品はフライス加工で作るのが最適です。 CNC フライス盤は高精度を実現できますが、複雑な金属部品にはより高度なフライス盤が必要となり、コストが増加します。実用的な限界は金属の硬度です。従来の機械はアルミニウム、銅、および一部のグレードの真鍮を加工できますが、鋼は通常硬すぎるため、非常に低速でしか加工できません。

4. 正確性

△精度が鍵

精度は、製造後に部品が寸法設計パラメータにどれだけ忠実であるかを決定します。精度要件は材質と設計によって異なります。機械の限界をよりよく理解するには、機械が達成できる精度を知る必要があります。 CNC フライス盤の精度は 0.005 mm ～ 0.0005 mm と低く、消費者向けデスクトップマシンでは 0.01 mm ～ 0.03 mm と低い再現性を実現できます。特定の材料用の機械に関しては、いくつかのバリエーションがあります。たとえば、木材を切断するために使用される CNC ルーターは、一般的に精度が低くなります。消費者向けデスクトップモデルでは、0.05 mm という精度を実現できます。

FDM 3D プリンターの精度は、0.12 mm (歯科用プリンター) から 0.5 mm (従来のプリンター) の範囲です。産業用プリンターは0.01mmまで対応できると言われています。

部品を機械加工するか 3D プリントするかの決定は、主にその機能によって決まります。実体のある非機能的なプロトタイプを迅速かつ安価に作成したい場合は、3D プリントが最適です。材料は安価で、廃棄物もほとんど出ません。ただし、耐熱機能部品が必要な場合は、精度の面で利点があるため、金属から削り出すのが最適です。

5. 応用

△フルサイズCNCマズローフライス盤

専門的な機械加工や 3D 印刷の環境では多くのことが可能になりますが、趣味の機械にはいくつかの制限があります。機械の能力の増大は、コストの増加、複雑さ、そしてこれらの高度な機械の操作方法に関するより高度な知識の必要性と関連しています。

趣味用の CNC フライス盤は木材加工に適しています。非常に柔軟性が高いため、家具のパネルを切断してキャンピングカーを組み立てたり、板から家具を作ったり、複雑な彫刻や木の象嵌構造を作成したりできます。 FDM 3D プリントは、趣味のメーカーコミュニティ内で広く使用されている唯一の付加製造方法です。用途は非常に幅広く、ボードゲーム用の装飾フィギュア、機能的なエンジニアリングモデル、フック、クリップ、さまざまな小さな部品など、何でも可能です。このほぼ無限の応用範囲により、3D プリンティングは人気を博しています。ただし、アプリケーションに適した材料を使用するようにしてください。 PLA は非機能的または低ストレスのアイテムに最適ですが、PETG、TPU、または高性能フィラメントは機能的なアプリケーションに適しています。

VI. 環境への影響

△ペットボトルもフィラメントにできる

アマチュアかプロか、規模の大小を問わず、あらゆる製造業者は、自社の活動による二酸化炭素排出量を考慮する必要があります。たとえば、金属材料を製造するには、サプライチェーン全体で大量のエネルギーを消費します。採掘、製錬、圧延から最終ユーザーへの輸送に至るまで、エネルギー消費とコストを考慮して、廃棄物を最小限に抑え、廃棄物があればリサイクルする必要があります。

幸いなことに、金属のリサイクルはかなり簡単ですが、それでもエネルギーを大量に消費し、現場で行うことはできません。木は素晴らしい素材ですが、それでも環境に影響を与えます。商業林業、伐採、加工、輸送には大量の資源とエネルギーが必要です。その他の潜在的な環境影響は、シートに使用されている接着剤（通常はホルムアルデヒド）によって引き起こされ、切断時に煙を放出します。純粋な木材廃棄物はリサイクルできますが、廃棄ファイバーボードやその他の加工木材パネルは、地域のリサイクル規制に従って処分する必要があり、焼却してはなりません。金属加工と同様に、木工においても騒音と振動が問題となります。 CNC フライス盤も埃っぽい場所なので、危険な微粒子から身を守るために、加工中は防塵マスクを着用することを強くお勧めします。

△プラスチック廃棄物

3D FDM プリントは家庭でリサイクルして再びフィラメントにすることができます。しかし、フィラメントの製造には、特にプラスチックの合成に必要な電気、水、石油の点で環境コストがかかります。 3D 印刷プロセス自体は電気を使用しますが、強力な CNC フライス盤と比較すると、通常は比較的少量です。

7. コストへの影響

△独自のCNCシステムを構築する

機械の購入には、1 回限りのコストやランニングコストなど、さまざまなコストがかかります。ソフトウェアなどのオープンソースリソースを使用することで一部のコストは削減できますが、削減できないコストもあります。たとえば、製造機械の部品の価格などです。ランニングコストは、使用される材料、切断ビット、フライス加工ビット、ホットエンド、その他のコンポーネントによって異なります。

オープンソースの CNC マシンプランは多岐にわたりますが、そのコストは実際には多くの要因によって異なります。小型の DIY CNC フライス盤の価格は 140 ドル程度から始まり、私たちが見つけた最高の CNC フライス盤は 250 ドル程度から始まります。ドリルビットの種類によっては追加料金がかかり、品質に応じて 40 個セットの価格はわずか 35 ドルです。 FDM 3D プリンターの価格は 190 ドルからとなります。ソフトウェアに関しては、CNC ミリングや 3D プリントに適した無料のオープンソースソフトウェアが多数あります。

材料費

△フライス加工か印刷か？

プロセスと材料の選択は設計段階によって異なるため、材料はより難しい考慮事項となります。たとえば、プロトタイプを作成する場合、ハウジングの設計のプロトタイプを 3D プリントする方が安価になります。アルミニウムの塊から中空のハウジングを削り出す場合と比較すると、必要なプラスチックフィラメントはわずか数グラムです。使用される材料の体積あたりのコストの違いを理解するために、Antarctic Bear は一般的な 3D プリントフィラメントの密度とアルミニウムの密度を比較しました。 100mm の立方体を作るために必要な材料の量を計算し、1kg あたりの価格に基づいてコストを計算します。結果は少し意外なものでした:

1立方デシメートルのPLAの価格は18.60ドルから24.80ドルですが、同じ体積のアルミニウムは約22ドルです。異なる材料から 50 個の同一のブラケットを製造する場合のコストを比較すると、最終価格は原材料費だけでなく、材料、製造方法、品目の数量、およびライフサイクルコストの組み合わせによっても決まることがわかります。しかし、平均的な愛好家にとっては、3D プリンターと CNC フライス盤の稼働コストに実質的な違いはありません。

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