3Dプリンターは、さまざまな形状を造形できる新しいタイプの加工装置で、近年その用途がますます広がっています。しかし、欠点や処理に適さない状況もあります。 3Dプリンターはどのような場面でその役割を果たせるのか、また、従来の加工がより適しているのはどのような場面なのか。 3Dプリンターの特徴と切削加工との違いは以下の通りです。
3D プリントとは何ですか?
3Dプリンターは、3Dデータを薄くスライスして2次元形状を形成し、その2次元形状を積層して3Dデータと同じ形状の3次元モデルを形成する装置です。材料を除去する切削加工、成形した材料を整形する塑性加工、変形加工とは異なり、付加製造とも呼ばれる積層造形は、材料を加えて加工するという観点から考えられます。 3Dプリンターの加工特性は「造形」と「積層」に表れますが、造形方法や造形材料の種類により主に以下のカテゴリーに分類されます。
レイヤリング方法による分類
FDM（Fused Deposition Modeling）：ホットメルト材料をノズルから噴射して積層する手法で、個人向けの比較的安価なモデルから業務用まで幅広いラインナップを揃えています。造形素材はレジンが主体ですが、金属相の素材もあります。例えば、熱可塑性数値製品の中には、実際に射出成形で使用される材料と同じ材料を使用して成形できるものもあります。
UV成形法：液状の樹脂に紫外線を照射して硬化させ、材料を蒸着させる方法です。 UV照射は、特にUVプロジェクターやレーザーなどを使用して行うことができます。基本的には樹脂材料の成形のみに使用されます。素材は特殊素材を使用しております。粉末焼結積層成形法は、レーザーなどを用いて粉末材料の薄層に照射し、加熱することで粉末材料を溶解・固化させます。その上に材料粉末を薄く敷き、再度レーザー照射を行います。この積層方法を粉末焼結積層造形と呼びます。一般に材料と添加剤は混合して使用されますが、添加剤の役割は材料を溶かして結合させることです。この方法に適用できる材料も特殊です。
材料分類によると
樹脂素材
金属材料
3Dプリンターは樹脂や金属素材を加工できます。装置の機種により加工できる材料が異なるため、設計目的に応じて装置の機種を使い分ける必要があります。
3Dプリンターというと、簡単にあらゆる形状を加工して造形できる印象を持たれがちですが、実際には高品質な造形や加工には手法と経験の積み重ねが必要です。このタイプの装置では、すべてを自由に生産できるわけではありません。また、形状を安定させるために使用した型締め成形部品を外すなど、成形後の後加工にも時間がかかる場合があります。多くの企業がこの種のプロフェッショナル サービスを提供しており、それを実現するにはこのアプローチを優先する必要があります。
3Dプリントと切削加工の違い
3Dプリントとカッティングの最大の違いは加工方法ですが、他にも多くの違いがあります。
処理方法の違い
3D プリンター: 材料を追加して目的の形状を実現する積層造形。
切削加工：ブロック状の素材から不要な部分を取り除き、加工可能な形状に区別して加工すること。
3Dプリンター：2次元の断面形状をもとに積層し、中空穴、垂れ穴、曲面穴などの加工が可能。一方、厚い肉や中空でない塊などは、このような加工には不向きです。より多くの材料が必要になるためです。
切削加工：中空穴や内部曲面穴は加工できません。また、突き出し穴や横穴の加工では、加工中にワークを複数回クランプして固定する必要があり、加工できる形状の自由度はあまり高くありません。一方、この方法ではブロック材料から形状を切り出すため、肉厚の形状を容易に作成できます。
処理に必要なデータの違い
3Dプリンター：3D設計データだけでなく、3Dプリント用データも必要です。また、形状によってはサポートの設計が必要となる場合があり、専用ソフトや中間データとしてSTL、STEP、IGSなどの3Dデータが必要となる場合があります。このためのデータの作成には時間がかかる場合があります。
切削加工：工作機械を使用した切削加工により、2D図面を利用できます。近年、NCによる「自動加工」が徐々に主流となり、NCプログラムを自動作成するアプリケーションプログラム（CAM）が広く利用されています。 DXF などの一般的な 2D データ形式に加え、STEP や IGS などの 3D データ形式を認識して、特に複雑な形状の NC プログラムを作成することもできます。これにより、処理目標を達成するためのデータを簡単に作成できます。
機械加工可能な材料の違い
3D プリンターには通常、特殊な材料が必要です。そのため、専用材料はオプション材料に制限があるほか、一般材料に比べて高価であるなどのデメリットもあります。
切削加工：金属だけでなくプラスチックなど様々な素材の加工が可能です。
切削加工と比べて3Dプリントに適した例
各処理方法には長所と短所があります。以下に、切削加工よりも 3D プリントの方が適しているケースをいくつか紹介します。
3Dクリエイティブ確認：商品企画段階で商品の見た目を確認する必要がある場合に有効活用できます。仕様書や図面、イラストに比べて、実物のように目の前に表示できるため、より明確で直感的な体験を提供できます。
中空構造と内部湾曲穴：軽量化のために中空構造を実現したい場合や、製品内部に複雑な湾曲した穴形状を実現したい場合に、この方法は非常に適しています。特に内径に曲線穴を加工する場合、2方向から穴を交差させて加工するため、R角の付いた直線穴しか加工できません。しかし、3Dプリンターなら複雑な曲面や曲面の穴も実現できます。
試作製作：特にプラスチック製品の場合、試作を行うためには切削加工時に試作金型を作成する必要があります。しかし、3Dプリンターは金型が不要なため、低コストで試作が可能です。もう 1 つの方法は、プロトタイプそのものではなく、射出成形またはスタンピングに使用される金型を出力することです。
建設および建築モデル: 3D プリンターは、複雑な曲面構造の作成に適しています。また、中空形状の加工にも優れており、建築模型のスタイリングに適しています。切削加工では中空形状を実現することが難しく、複数の部品に分割して製造・組み立てする必要があります。海外では3Dプリンティングを利用して建物そのものを制作する現象が徐々に増えているが、材料コストや部品の組み合わせ精度などの課題は依然として残っている。
多品種・小ロット生産：3Dプリンターのメリットは、金型が不要で自由に出力できることです。そのため、3Dプリンターは、生産ラインで使用される治具だけでなく、義肢や絶版品の複製など、さまざまな小規模生産に適しています。また、カスタマイズされた自動車部品など、さまざまな顧客のニーズを満たす製品の加工にも使用できます。また、データさえあればすぐに同じものを作ることができるので、売れ残りや余剰在庫が生じるリスクもありません。
3D プリントと切削加工を効果的に区別する
3D プリントの最大の課題は、加工精度の低さです。他の部品と組み合わせて使用するためには加工が必須となります。ネジなど他の部品と精密に組み合わされる部品の形状が合わない。 3Dプリントは切削加工に比べて加工速度が遅く、材料費などのランニングコストも高いため、大規模な生産には不向きです。そのため、一部の小ロット生産を除き、一般的にはサンプルや試作、試作に使用する金型の加工・製作に使用されます。近年、自動車業界や航空業界では3Dプリンターで作られた製品がそのまま最終製品として導入されるケースも出てきていますが、まだ従来の加工装置を置き換えるレベルには達していません。試作段階ではありますが、精度や表面粗さ、金属材料の熱変形の難しさなどに課題が残っています。
したがって、試作など一部の限られた用途には3Dプリントを使用し、精密な試作や量産段階では切削加工を採用するのが理想的です。また、量産品と同等の性能評価が求められる場合、3Dプリンターでは量産品と同じ材料を使用できない場合があります。この時点で、それを達成するには切断装置を使用する必要があります。
3D プリンターは、材料を除去する切削加工とは異なり、積層造形に必要な形状を実現するために材料を追加する加工装置です。 3D データ スライスの 2D 形状を積み重ねて、目的の形状に重ねます。 3Dプリンティングは積層方法により溶融堆積造形（FDM）、紫外線造形、粉末焼結積層造形などに分けられ、使用する材料により樹脂と金属に分けられます。オーバーハングや横穴、内部曲面穴など、切削加工では実現できない形状も加工可能ですが、現状では3Dプリントの精度は切削加工に比べて低く、専用の材料や加工時間が必要となります。そのため、3Dプリンターは量産に比べて、試作や企画段階で特に限定された用途に適しています。