CNC加工 vs 鋳造、鍛造、3Dプリンティング：どのプロセスが優れているか ブラケットは、固体から削り出すことも、金型で鋳造することも、ダイで鍛造することも、層ごとにプリントすることもできます。エンジニアは通常、どれが優れているかを尋ねます。本当の問題は、どのプロセスが体積、形状、公差に適合するかです。それぞれのプロセスには、それぞれの利点があります。

ブラケットは、無垢材から削り出す、鋳型で鋳造する、金型で鍛造する、あるいは積層造形するなど、様々な方法で製造できます。エンジニアはよく「どれが一番良いのか」と尋ねますが、本当に重要なのは、どの方法が体積、形状、公差に適合するかということです。それぞれのプロセスには得意分野があり、その範囲外を選ぶとコスト、性能、あるいはその両方に悪影響が出ます。

図8．同一形状、3つの製造プロセス：機械加工アルミニウム、砂型鋳造、3Dプリント。プロセス選択は、生産量と公差の決定事項である。

CNC加工：精度と柔軟性、1個から数千個まで対応

機械加工は、固体ブロックを削り取る加工方法です。±0.01 mmの精度を日常的に維持でき、機械的特性が完全な実際のエンジニアリング材料に対応し、工具も不要です。弱点は、製造工程における材料の無駄遣いです。複雑な内部空洞や非常に軽量な形状では材料が無駄になり、大量生産では最も安価な方法とは言えません。機械加工は、1個から数千個までの生産において優れており、公差、材料特性、設計の反復が重要なあらゆる場面で優位性を発揮します。

鋳造：複雑な形状、大量生産

鋳造は、溶融金属を鋳型に流し込むことで行われます。中空体、薄いリブ、複雑な外形など、機械加工では経済的に実現できない形状を作ることができます。鋳型には数千ドルの費用がかかり、鋳造直後の表面は粗く寸法精度も低いため、接合面は通常、後からCNC加工で仕上げられます。鋳造は、鋳型費用が分散され、形状が複雑になる約5,000個以上の生産量で有利になります。それ以下の生産量では、無駄は出るものの、同じ部品を機械加工する方が安価です。

鍛造：重要な部分にこそ強さを

鍛造とは、ハンマーやプレス機で金属を金型に押し込み、部品の結晶粒の流れを整列させることで、優れた強度と耐疲労性を実現する加工方法です。コネクティングロッド、ギア、シャフト、高負荷ブラケットなどは、鋳造や機械加工ではその靭性に匹敵しないため、鍛造によって製造されます。金型への投資は大きく、細部の形状を精密に加工する必要もあります。鍛造は、大量生産・高負荷の部品には適していますが、疲労を全く受けないブラケットには向いていません。

3Dプリンティング：プロトタイプと不可能な形状

積層造形は層状に材料を積み重ねていくため、本来であれば複数の部品で構成される内部チャネル、格子構造、アセンブリなどを製造できます。しかし、その弱点は材料性能にあります。ほとんどのプリントされたポリマーや金属は、疲労が重要な用途において鍛造材料と同等の性能を発揮せず、表面も粗くなります。試作品、治具、固定具、複雑な軽量形状を少量生産する場合、プリント造形は有利です。荷重を支える必要のある量産部品の場合は、通常、機械加工または鍛造材料の方が適しています。

ボリューム決定

実用的なクロスオーバーリスト：1～100個の場合は機械加工。100～2,000個の場合は、形状が非常に複雑な場合を除き、引き続き機械加工。複雑な形状の場合は鋳造を検討開始。5,000個以上で複雑な形状の場合は鋳造。高負荷かつ大量生産の場合は鍛造。試作品または非常に複雑な内部形状の場合は3Dプリント。ほとんどの製品は、3Dプリントまたは機械加工による試作品、機械加工による中間生産、需要が確認された後の鋳造または鍛造による生産という順序で進みます。

KGLの事業内容

KGLは、3軸、4軸、5軸加工機でアルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、エンジニアリングプラスチックの加工を行っており、試作段階やブリッジ段階に最適な拠点です。部品が加工量を超えると、加工済みのマスターモデルが鋳造用のパターンとなり、KGLは鋳造品に対して高精度な二次加工を提供します。購入者は、量産移行の全工程において、3社ではなく1社のサプライヤーと取引できます。

結論

抽象的に見て、どのプロセスが最適かを判断することはできません。機械加工は精度と柔軟性に優れ、鋳造は複雑な大量生産形状に優れ、鍛造は強度に優れ、3Dプリントは不可能な形状や試作品に優れています。生産量と作業内容に応じてプロセスを選択し、製品の成長に合わせてそれらのプロセスを経ていくのが最善です。

FAQ

Q: 鋳造が機械加工よりも安価になるのはどのような場合ですか？

A: 金型コストが分散され、形状が複雑な場合、およそ5,000個以上の数量になると、金型コストが分散されるため、金型コストが安くなります。それ以下の数量では、材料のロスが多くなるものの、機械加工された削り出し部品の方が一般的に安価です。

Q: 3Dプリントされた部品は、機械加工された部品と同じくらい丈夫ですか？

A: 疲労が重大な箇所や荷重がかかる用途には適していません。3Dプリントされた材料は異方性があり、表面が粗いという特徴があります。試作品、治具、複雑な形状の製作には優れていますが、量産用の荷重部品には依然として鍛造または機械加工された材料が使用されています。

Q: 最初は機械加工部品から始めて、後で鋳造に切り替えることはできますか？

A: はい、それが通常の手順です。試作品を機械加工して量産し、需要を検証してから鋳造用金型を切削します。機械加工されたマスターは、鋳造工場における型としても使用されます。