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CNC加工とは何ですか？
コンピューター数値制御（CNC）機械加工は、コンピューター入力を使用してドリルや旋盤などの工作機械を制御する製造プロセスです。多くの産業でさまざまなプロトタイプや最終用途の部品に使用されています。
このプロセスは、CADソフトウェアを使用して作成されたデジタル3D設計から始まります。これは、コンピューターが機械の切削工具の一連の命令に変換できます。これらの命令はGコードと呼ばれます。Gコードがマシンに送信されると、マシンはいつどこでカットするかを認識し、自分で加工を実行するため、手動による監視はほとんど必要ありません。これにより、熟練した機械工が手動の切削工具を使用してワークピースを切削する従来の機械加工に比べて、時間とコストを大幅に節約できます。
機械加工は減法混色のプロセスです。つまり、装置は新しい材料を導入するのではなく、既存の材料を除去します。 3Dプリンターが材料を重ねてオブジェクトを形成する積層造形とは異なり、CNC機械加工では、「ワークピース」と呼ばれる形状のないブロックからセクションを切り取ります。余分な材料は廃棄またはリサイクルされ、最終的には完成品が残ります。軸の数が多い、より複雑なCNCマシンは、より複雑な方法で部品を切断し、より複雑な形状の部品を製造することができます。
CNC機械加工は、その汎用性、精度、一貫性、および互換性のあるさまざまな材料により、広く使用されている製造プロセスです。アルミニウム合金が機械加工の最も一般的な材料ですが、他の多くの金属やプラスチックも使用できます。
CNC加工はプロトタイピングに適していますか？
現在、多くの人が3D印刷をラピッドプロトタイピングの主要な形式と見なしていますが、CNC機械加工もプロトタイプ部品を作成するための重要なプロセスです。その理由を理解するために、プロトタイプがとることができるさまざまな形を検討し、これらのプロトタイプが存在する理由を尋ねることは興味深いことです。
プロトタイプは多くの異なる機能を持つことができます。基本的に、これらはプレースホルダーまたは小道具として機能します。つまり、最終パーツの外観や動作に関する視覚的な情報を伝えるために使用される、最終パーツの緩い表現です。これらの類似プロトタイプは、R＆Dプロセスをガイドしたり、概念実証を提供したりするために使用できます。それらが高い美的基準を満たしている場合は、潜在的な投資家に新製品を提示するためにも使用できます。このようなプロトタイプは非常に大きくなる可能性がありますが、必ずしもハイエンドのプロ仕様の機器で作成する必要はありません。ローエンドのデスクトップ3Dプリンターで手作りまたは印刷できます。
ただし、一部のプロトタイプは、単なる視覚的表現以上のものに使用されます。製品開発の段階によっては、企業はエンジニアリングプロトタイプまたは生産プロトタイプを作成する必要がある場合があります。これは、最終部品のように見えるだけでなく、そのように機能し、現実に可能な限り近い代替品として機能するプロトタイプです。 3D印刷は外観のプロトタイピングに最適なオプションですが、強度、機械的安定性、または付加的なプロセスでは提供されないその他の特性を必要とする機能的なプロトタイプには、CNC機械加工が適していることがよくあります。結局のところ、3Dプリンターで作られた最終用途の部品はほとんどありません。
CNC機械加工はプロトタイピングに最適ですが、その適合性はプロトタイプの性質によって異なります。プロトタイプは何に使用されますか？どんな素材で作られますか？そして、最終的な部分はどのような材料から作られますか？これらおよびその他の質問は、最終的にユーザーを最も適切なプロトタイピング方法に導きます。
CNC機械加工によるプロトタイピングの利点
生産速度、部品の品質、材料のオプション、最終部品との類似性など、企業がCNC機械加工を使用してプロトタイプを製造できる理由はたくさんあります。
ファイルからプロトタイプへ
「CNC」要素は、CNC加工の最大の利点の1つです。 CNC機械加工は、コンピューターファイルから部品を作成するデジタルプロセスであるため、エンジニアは、機械加工されたプロトタイプが3Dデジタル設計と厳密に一致し、同じデジタル設計を使用して同じ寸法の最終部品を作成できることを知っています。再現性は特に高いです。
さらに、デジタル3Dデザインを使用すると、すばやく正確に編集できます。機械加工されたプロトタイプに不十分な設計に起因する物理的な欠陥がある場合、エンジニアはCADソフトウェアに戻って、次のプロトタイプに適切な変更を加えることができます。さまざまなバージョンを並べて比較でき、シミュレーションソフトウェアを使用して、実世界での部品のパフォーマンスを先制的にテストすることもできます。
品質と一貫性
コンピューターは完璧ではありませんが、コンピューター制御のマシンは、故障しない限り、想定どおりに動作する傾向があります。多くのプロトタイピングプロセスは人間のスキルに依存していますが（したがって、ヒューマンエラーの影響を受けやすい）、CNCマシンはその指示に従って1ミリ未満になります。
重要なのは、彼らはそれを何度も繰り返すこともできるということです。会社はプロトタイプを1つしか作成していませんが、CNCマシンは、必要に応じて、最初からの偏差を最小限に抑えて、同じジョブを2回実行できます。これは、プロトタイプの新しいイテレーションを開発したり、同じマシンで本番環境に移行したりする場合に非常に役立ちます。 （手動プロセスは非常に重要ですが、自動化されたマシンとの整合性を確保する方が簡単です。）
固体材料の範囲
プロトタイプに機械的な目的がない場合は、3D印刷に適している可能性があります。これは、高強度の部品を製造することは知られていませんが、コストが非常に低く、短時間で完了することができます。ただし、ほとんどの3D印刷プロセスでは、材料の選択肢は機械加工よりも狭くなっています。
CNC機械加工は、互換性のあるさまざまな材料だけでなく、さまざまな金属を含む非常に強力で耐久性のある材料も提供します。金属で3D印刷することも可能ですが、安価なFDMプリンターでは不可能です。
最後の部分との類似性
プロトタイプにCNC機械加工を使用するもう1つの大きな利点は、最終部品と同様のプロトタイプを作成できることです。マシニングセンターは試作品だけでなく最終用途の部品も十分に生産できるため、最終製品に近い試作品を作成することができます。これは、3Dプリントやその他の方法ではめったに不可能なことです。
これの一部は材料によるものです。多くの人工金属は機械加工性が高いため、エンジニアは最終部品に使用するのと同じ（または類似の）材料からプロトタイプを作成できます。しかし、プロセス自体の品質も要因です。機械加工された部品は強く、印刷された部品のように特定の軸に沿って弱点を示しませんが、機械加工プロセス自体は複製に使用することもできます。板金成形などの他のプロセス。
さらに、外観と動作が最終部品と類似しているプロトタイプを作成すると、大きな変更が少なくなるため、ブリッジの本番環境への移行が容易になります。
CNC機械加工によるプロトタイピングのデメリット
その利点にもかかわらず、CNC機械加工にはプロトタイピング方法として一定の制限があり、企業が代替アプローチを好む可能性があります。
3Dプリントよりも高価
CNC機械加工のプロトタイプの明らかな欠点の1つは、プロセスのコストです。マシニングセンターは、3Dプリンターよりもかなりの電力と、より多くの人間による監視を必要とする大型の機械です。機械加工可能な金属は、PLAのような一般的な印刷材料よりも高価です。
これは、エンジニアが最終部品に機械加工を使用する場合でも、代替のプロトタイピングプロセスを選択できる主な理由の1つです。開発はリソースを浪費する可能性があり、企業が（初期の）プロトタイピング段階ですべての費用を削減する必要があることは理解できます。
いくつかの幾何学的制限
4軸および5軸マシニングセンターは、優れた幾何学的柔軟性を提供しますが、これらの機械でさえ限界があります。複雑な内部形状で開発された構造の場合、切削工具の角度によって制限されないため、積層造形プロセスの方が適している場合があります。
ただし、3D印刷されたプロトタイプは誤解を招く可能性があることに注意してください。マシニングセンター、射出成形装置など、選択した製造装置では、3Dプリンターから完全に出力される3Dデジタルデザインを製造できない場合があります。プロトタイプの幾何学的な柔軟性は、この柔軟性が最終的な部分で再現できる場合にのみ役立ちます。
無駄
CNC機械加工はサブトラクティブプロセスであるため、実際に部品に入る材料よりも多くの材料が必要になります。材料の一部は切り取られ、金属またはプラスチックの削りくずに変わり、その後廃棄する必要があります。これは、印刷が失敗して繰り返す必要がない限り無駄を生み出さない付加的なプロトタイピングプロセスとは異なります。
プロトタイピングプロセスとして機械加工を使用すると、材料の使用と無駄が増えるため、材料費が高くなる可能性があります。ただし、チップはリサイクルできることが多いため、プロセスによる環境への影響はそれほど深刻ではありません。 （リサイクル可能な廃棄物を販売することも、材料費の回収に役立ちます。）
ラピッドツーリング：CNC機械加工による射出成形プロトタイプ
CNC機械加工がいかに優れたプロトタイピングプロセスになり得るかを見てきました。ただし、機械加工を間接的に使用して、射出成形されたプロトタイプを作成することもできます。
CNC工作機械または金型を使用すると、企業は射出成形に必要なデバイスを作成するためのより費用効果の高い方法を利用できます。このCNC機械加工された工具は、従来の工具よりも高速に作成できるため、プロトタイプをキャストするためのショートカットです。 （プロトタイピングステップ後の最終鋳造には、従来の工具方法を使用できます。）
機械加工された工具は樹脂鋳物自体よりも製造コストがはるかに高いため、大量の鋳物を注文する場合は、迅速な工具プロセスを使用する方がはるかに費用効果が高くなります。また、プロトタイピング段階で大量に使用することは特に望ましくありませんが、本物の成形プロトタイプは、たとえば3D印刷された代替品よりも、成形部品を代表するものになります。