付加製造と減算製造: 補完か競合か?

はじめに: 加工方法として積層造形を選択する企業が増えていますが、業界では依然として減算造形法が最も広く使用されている方法です。同時に、3D プリンティングは現在でも主に減算型製造の補足として存在しています。
減算型製造は、材料を除去して希望のサイズの部品を製造するという点で、加法型製造とは異なります。現在では航空、自動車、冶金など多くの産業で導入されています。この Antarctic Bear 号では、減算的製造と付加的製造の違い、およびそれらの相互補完的な役割について詳しく説明されています。

まず、積層造形には多くのプロセスが含まれるのと同様に、積層造形にも多くの種類があります。たとえば、「CNC 加工」という言葉を聞いたことがあるかもしれません。これは Computer Numerical Control（コンピュータ数値制御）の略語であり、穴あけ、旋削、フライス加工、ボーリングなどの工作機械を制御するデジタルプログラムに基づく材料除去技術を指します。 CNC 加工は現在、プラスチックから金属まで幅広い材料に対応しています。とはいえ、すべての減算的製造技術でデジタルプログラムが使用されるわけではありません。以下では、最も人気のある切断方法のいくつかについて説明します。
△写真出典。プロトラブズ
CNC加工とは何ですか?
CNC 加工にはいくつかのプロセスが含まれますが、旋削と穴あけが最初に導入された技術であり、加工プロセスは回転軸上の可動部品を対象としています。部品を加工するために必要なエネルギーは、部品自体の動きによって供給されます。これらの方法により、回転としてモデル化できるあらゆる部品を製造することが可能になります。具体的には、回転軸に沿って無限に複製され、3 次元モデルを形成する 2 次元の図面です。名前は異なりますが、旋削とボーリングはどちらも同じ原理を使用しているため、非常によく似ています。主な違いは、穴あけは部品の内側で作業するのに対し、旋削は外側で作業し、木材、金属、特定のプラスチック材料の加工を可能にすることです。旋盤やボーリングマシンは現在、自動車、航空宇宙、医療、さらには装飾部門など、多くの業界で使用されています。
別の技術であるミリングに移りましょう。フライス加工は、高精度、内部空洞のある部品の作成能力、部品の機械加工能力を備えているため、非常に重要な製造方法です。この技術では、フライスカッターを使用して材料を横方向に切断します。つまり、フライスカッターが材料内にある間、垂直に移動し、その経路に沿って材料を除去できるということです。フライス加工はさまざまな作業や材料処理に適しているため、多くの材料と互換性があります。ただし、この方法には処理の利便性を低下させるいくつかの欠点があります。たとえば、部品の機械加工は通常、複数のステップ/操作に分かれており、定期的な工具交換が必要になります。
△フライス加工穴あけとフライス加工に使用する工具は非常に似ていますが、混同しないようにしてください。ドリリングはドリルビットで丸い穴を開ける場合にのみ使用されます。フライス加工では、特に直径がそれ自体より大きい穴や形状を作成できるため、製造の自由度が高くなりますが、ドリリングでは、ドリルビットの直径と同じ穴を開けることができます。多くの利点があるにもかかわらず、穴を開ける場合、フライス加工はドリル加工よりもはるかに時間がかかります。そのため、ドリル加工は、連続して複数の同一カットを行うのに適しています。 CNC 加工には多くの技術が含まれますが、減算型製造はこれらに限定されません。切断などの他の方法も多くの業界で使用されています。
さまざまなカット技法<br /> ブレーキパッドなどの精密部品を製造するためにレーザーを使用する自動車製造業界など、レーザー切断を使用する業界もあれば、EDM を選択する業界もあります。 EDM は放電加工です。この技術には、ワイヤーカット、シンカーカット、高速ドリリングの 3 つの形式があります。従来のドリリングとは異なり、電極を使用してより細く深い穴を開けることができます。これらのさまざまな方法は比較的時間がかかりますが、他の方法と異なるのは、その正確さです。 EDM は、コンクリート、石、金属、その他多くの材料からの部品の製造に適用できます。
EDM に加えて、レーザー切断もよく使用される切断技術です。この技術は、数百ワットの出力を持つレーザーを使用して、さまざまな材料を迅速かつ正確に切断します。たとえば、切断面積が 1 平方ミリメートルの部品の場合、許容誤差はプラスマイナス 20 ミクロンになります。レーザー加工機は切断だけでなく彫刻も行えます。レーザー切断機には 2 つの形式があります。金属の切断や彫刻に使用される CO2 レーザーとファイバーレーザー。レーザー切断機には多くの利点がありますが、いくつかの欠点もあります。そのような機械を操作すると、有害なガスが放出される可能性があります。さらに、レーザーは熱を使って材料を切断するため、レーザー自体が過熱する可能性があります。そのため、冷却する必要があり、追加の補助装置が必要になることがよくあります。
最後に、いくつかの主要な減算型製造プロセスとより具体的な切断技術の中には、ウォータージェット切断があります。このプロセスは、研磨剤を伴ったウォータージェットを使用して、材料の表面に高速で衝突させることに基づいています。これにより、材料が収縮して分離し、目的の最終形状が形成されます。このウォータージェットを生成するには高圧コンプレッサーが必要です。ジェットの特性と使用される材料は、切断の深さと速度に影響します。この技術は航空宇宙、自動車、機械産業で人気があります。高精度で、多くの材料と互換性があり、さまざまな減算プロセスとは異なり、無害です。他のプロセスでは、切りくず、ほこり、煙が発生しますが、ウォータージェット切断では、ウォータージェットが経路に沿ってこれらの廃棄物を運び去るため、これらの廃棄物がすべて除去されます。
△ウォータージェット切断工程（画像提供：Fogepack Systèmes）。
積層造形と比較したデメリットとメリット<br /> 前述したように、サブトラクティブ製造技術の主な利点は、高い寸法精度を提供できる点です。動作に熱エネルギーを必要とするほとんどの 3D 印刷プロセスとは異なり、減算製造では室温で部品を製造できるため、材料の加工 (収縮) に関連する寸法精度の問題を回避できます。減算型製造における寸法精度を確保するには、環境を制御する必要があります。例えば、一枚の鋼鉄から部品を設計したい場合、少なくとも3日前には材料を切断する部屋に持ち込まなければなりません。そうしないと、温度や湿度によって作業のサイズが変わってしまいます。
減算型製造プロセスでは、互換性のある材料の範囲が広がるというメリットもあります。 3D プリントと比較すると、異なる材料を使用する場合は、異なるプロセスに基づく複数のプリンターが必要になりますが、同じマシンで金属、プラスチック、または木材の部品の減法加工を行うことができます。
△減算型製造は高い寸法精度を実現します。ただし、減算型製造プロセスには大きな欠点があります。まず、廃棄物を大量に残すさまざまな減法製造方法を使用する 3D プリントとは異なり、積層製造は必要な量の材料のみを使用するため魅力的です。たとえば、機械加工では、切削プロセスを妨げる可能性のある余分な材料の量を制限するために、製造プロセス中に切りくずやその他の粉塵を除去する必要があります。減算的製造によって生成される粉塵に加えて、プロセスによって生成される煙は作業者に非常に有害となる可能性があり、これはレーザー加工や EDM 加工を使用する場合に非常によく見られます。
さらに、減算型製造では、3D プリントと同程度の製造の自由度は得られません。印刷可能な部品は、減算製造によって複製される前に、複数の操作、異なる機械の使用、および組み立てのために複数の部品に分解する必要がある場合があります。最後に、材料除去プロセスを使用して複雑な形状を実現することはより困難です。付加製造により、設計プロセスの自由度が高まります。言い換えれば、設計者は使用する工作機械によって課せられる制限を心配する必要がなく、製造能力に制約されることなく想像力を自由に発揮できるようになります。
減算製造と加法製造はどのように相互補完するのでしょうか?
減算型製造と付加型製造は、技術的なアプローチが異なるため、ほとんどの場合、補完的に使用されます。 3D プリント技術が急速に成長し始めて以来、プロトタイピングに最もよく使用されるようになりました。 3D プリント自体の技術的な利点により、複数の部品を迅速かつコスト効率よく製造できるため、さまざまな反復が可能になります。
形状と材質がわかっている部品製造のニーズには、減算型製造方法を使用して大量生産することが可能です。レーザー切断やウォータージェット切断などのプロセスでは、短時間で大量の部品を生産できます。ただし、CNC 加工などの他の方法では、非常に時間がかかる場合があります。この手法には、重要なプログラミング手順とそれに必要な人的労力が必要です。現在、CNC加工は主に成形製造技術である射出成形金型の製造に使用されています。
さらに、減算型製造では物体を修復できますが、3D プリントはこの分野でさらに多くの可能性を提供します。一例として、指向性エネルギー堆積 (DED) プロセスがあります。このプロセスを使用すると、金属部品を変更することなく修復できます。具体的には、この技術により、既存の部品に材料を追加することが可能となり、大きな部品の不必要な組み立てや交換を回避できます。より大規模な場合、3D テクノロジーにより、故障した部品や時間の経過により摩耗した部品を、オンデマンドで少量ずつ複製することが可能になります。ユーザーは部品を捨てるのではなく修理し、環境への影響を最小限に抑えることができます。
△DED技術により部品の修復が可能に（画像提供：Advanced Powders）。
違いやプロセスがあるにもかかわらず、減算型製造と付加型製造はしばしば連携して行われます。これら 2 つの製造方法は、それぞれの特性により相互に補完し合い、これまで想像もできなかった精度の部品を迅速に作成することができます。これらの製造技術を組み合わせるために、ハイブリッド先進製造などのいくつかの投資プロジェクトが作成されています。さまざまな技術を統合することで、積層造形による設計の自由度と、切削造形による精度を実現しています。
南極熊は、減算製造と付加製造の今後の発展方向に関して、呂炳衡院士の「減算製造、同質材料、同質材料は世界を3つに分ける」という見解が非常に的を射ていると考えています。彼は、近い将来、3Dプリントは概念的な三本柱の三分化のトレンドから価値を共有する三分化へと移行すると予測した。3Dプリントは大量生産の面では金型製造や切削加工ほど大きくないかもしれないが、ハイエンドな価値を持つ製品を生み出すことができ、総価値の面では確実に一定の市場を占めるだろう。

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