サブトラクティブ・マニュファクチャリングとは？ 手法、材料、DFMのヒント

飛行機のエンジン部品から外科用インプラントまで、世界の精密部品のほとんどは減算型製造法で作られています。

3Dプリンティングがこれほど進歩したにもかかわらず、産業界は依然として精度、強度、そして再現性を求めて減成型製造に依存しています。そこでこのブログ記事では、減成型製造とは何か、どのように行われるのか、そしてなぜ今日まで不可欠なのかを説明します。

減算型製造とは？

切削加工とは、固体のワークピースから材料を削り取ることで部品を製造する方法です。ブロック、ビレット、またはシートを材料として、切削工具を用いて余分な材料を削り取ります。一般的な加工は、CNCシステムによって制御される穴あけ、研削、フライス加工、旋削加工です。このプロセスにより、金属、プラスチック、複合材において、厳しい公差（多くの場合0.01～0.025mm）と滑らかな仕上がりが得られます。

現代の生産において減算型製造業はどのように位置づけられるのでしょうか?

試作、量産、カスタムツールにおいては、切削加工が主流となっています。自動車、航空宇宙、医療部品の80%以上が、信頼性、精度、そして材料の汎用性のために切削加工を採用しています。積層造形法が普及する一方で、ほとんどの製品、特に高強度部品や公差の厳しい部品は、完成までに何らかの切削加工工程を必要としています。

参照： アディティブ マニュファクチャリング vs サブトラクティブ マニュファクチャリング

減算型製造の仕組み - CADモデルから完成品まで

デジタル設計を物理コンポーネントに変換するには、前のすべてのステップに基づいて構築される正確な多段階のワークフローが必要です。

設計とCADモデリング

減算型製造プロセスは、材料、形状、そして重要な公差を規定した詳細な3D CADモデルの作成から始まります。この段階では、設計者は壁厚や金型へのアクセスといった製造上の現実を考慮し、コストのかかる修正なしに部品を製造可能であることを保証する必要があります。

CAMプログラミングとツールパス生成

CAMソフトウェア Fusion 360やSolidWorks CAMなどのソフトウェアを使用して、完成したCADモデルを機械指令（Gコード）に変換します。これにより、最適なツールパスが生成され、送り速度や切削速度などのパラメータが計算されます。例えば、アルミニウムの加工では150～300 m/分の切削速度が許容されますが、より硬い鋼材の加工では工具寿命を延ばすために80～180 m/分の低速加工速度が必要になります。

機械のセットアップと固定

次に、加工者はバイスまたは固定具を用いて原料ブロックを固定し、切削工具を装着します。この設定は、すべての加工において正確な原点（G54）を確立するために不可欠です。また、熱と熱膨張を管理するために、切削液も選定されます。

参照： CNC加工におけるワーク保持方法

切断、検査、仕上げ

最後に、機械がGコードを実行し、材料を切削して完成品を現します。機械工は、精度を確認するためにノギスを用いた工程内検査を実施する場合があります。加工後、部品は以下のような仕上げ工程を経ます。 陽極酸化外観と性能の最終仕様を満たすために、バリ取りや熱処理などを行います。

At RICHCONN当社の機械工は、治具の取り付けから工具交換まで、セットアッププロセス全体を管理し、CMM検査などの高度な計測技術を活用しています。これにより、すべての部品が最初の製造から仕様を満たすことが保証されます。

コアとなる減算型製造方法

現代の製造業は、それぞれ特定の形状と精度の要件に特化した複数の異なる減算プロセスに依存しています。

CNC加工と自動化

CNC加工では、事前にプログラムされたGコードを用いて、ミクロンレベルの精度で材料除去を自動化します。手作業とは異なり、CNCシステムは優れた再現性を備えています。これにより、各部品がCADモデルと±0.025mm以内で一致する連続生産が可能になります。この精度は、これから説明するいくつかの特殊な操作によって実現されます。

CNCフライス

フライス加工では、回転する多点工具を用いて、静止したワークピースから材料を切削します。これらの機械は、多くの場合3軸から5軸で構成されており、ブラケットやハウジングなどの非対称の角柱状部品の加工に最適です。スロット、ポケット、3D輪郭など、同時軸移動を必要とする複雑な形状の加工も可能です。

CNC旋盤加工

ターニング 旋盤加工では、ワークピースを固定された一点切削工具に対して高速回転させます。この方法は、ブッシング、ファスナー、シャフトなどの円筒形部品の製造における標準的な方法です。旋盤加工では、常に一定の接触状態を維持することで、フライス加工に比べて優れた同心度と真円度が得られます。

掘削、ボーリング、リーマ加工

ドリリングでは、まず穴を開けますが、精度（IT11～IT13）は限定的であり、仕上げも粗くなります（Ra 6.3～12.5 µm）。次にボーリングで、既存の穴を正確な直径に拡大し、同心度を高めます。リーマ加工は最終仕上げ工程で、穴を厳密な公差（IT7～IT9）に仕上げ、滑らかな仕上げ（Ra 0.8～3.2 µm）を実現します。

参照： https://richconn.com/cnc-drilling-vs-cnc-boring/

研削および表面仕上げ作業

研削加工では、研磨ホイールを用いて最小限の材料を除去します。これにより、±0.002 mmという極めて狭い公差を実現できます。これは、従来のカッターでは硬すぎる硬化金属の加工に不可欠な技術です。この加工により、低摩擦と完璧なシール性が求められる接合面において極めて重要な、超微細仕上げ（Ra <0.4 µm）が得られます。

先進的かつ非伝統的な減算型製造プロセス

従来のツールを超えて、高度なプロセスを使用して、難しい材料や複雑な形状に取り組みます。

放電加工（EDM）

EDM は、物理的な接触ではなく、制御された電気火花を使用して、硬化工具鋼 (HRC 60+) などの導電性材料を侵食します。

電極とワークピース間の正確なギャップ（通常5～50µm）を維持することで、鋭い内角を持つ複雑な形状を加工し、±0.005mmという極めて狭い公差を実現します。研磨なしでRa0.1～0.8µmという優れた表面仕上げを実現します。

レーザー切断と彫刻

レーザー切断 高エネルギービーム（400W～12kW）を用いて、材料を高精度に溶融・蒸発させます。その高速性が高く、無駄を最小限に抑えながら、微細で精緻な形状を形成できます。金属・非金属、特に板状の材料に有効ですが、小さな熱影響部（HAZ）が残る場合があります。

ウォータージェット切断

この方法は、高圧水流（最大90,000psi）を使用し、ガーネットなどの研磨剤を混合することがよくあります。主な利点は、冷間切断プロセスであるため、熱影響部（HAZ）が発生しないことです。これにより材料の構造的完全性が維持されるため、熱に弱い合金、複合材料、そして石材に最適です。

ハイブリッド加工システム

ハイブリッドシステムは、積層造形3Dプリントと切削加工CNCフライス加工といった手法を一つのセットアップに統合します。これにより、複雑なニアネットシェイプ部品を積層造形し、その後、重要なインターフェースを精密な公差で加工することが可能になります。このプロセスにより、高付加価値の航空宇宙および医療用部品における材料の無駄とリードタイムを大幅に削減できます。

切削製造のための材料

切削加工においては、効率的かつ効果的な生産のために適切な材料の選択が不可欠です。材料の選択は、コスト、工具、そして機械加工部品の最終品質に影響を与えます。

金属と合金

よく知られている減算金属には、アルミニウム、チタン、鋼、ステンレス鋼、銅合金、ニッケル超合金などがあります。アルミニウムと銅合金は加工が速く、鋼、チタン、超合金は剛性、強度、耐腐食性を重視します。

エンジニアリングプラスチックおよび複合材料

エンジニアリングプラスチックは、軽量で耐薬品性に​​優れた代替材料です。ナイロンやPEEKなどの材料は、高性能と厳しい公差が求められるカスタム部品向けに機械加工されています。ガラス繊維などの充填材を含む複合材料は強度を高めますが、特殊な工具が必要です。

ワークピースの在庫形態と選択

切削加工は、ストックと呼ばれる固体のワークピースから始まります。この原材料は、棒材、ブロック、板材などの形状で提供されます。適切なストックのサイズと形状を選択することで、加工時間を最小限に抑え、材料の無駄を減らし、全体的な生産コストを削減できます。

材料特性がツールとパラメータに与える影響

各材料の硬度、化学的性質、熱伝導率は、切削速度、工具選定、潤滑要件に直接影響します。チタンのような硬い材料には、過熱を防ぐために超硬工具と送り速度の制御が必要です。一方、アルミニウムのような柔らかい材料は、より高速な加工が可能ですが、きれいな仕上げのためには鋭利な形状が必要です。

減算型製造における製造性を考慮した設計

製造性を考慮した設計 (DFM) により、材料の除去が重要となるあらゆる減算プロセスにおけるコストが制御されます。

公差、はめあい、幾何寸法

切削加工においては、公差を厳しくすることが必ずしも良いとは限りません。なぜなら、材料除去のコストと時間が増えるからです。例えば、±0.025mmの公差は、精密な切削が必要となるため、標準公差の4倍のコストがかかる可能性があります。したがって、機能上必要な場合にのみ、厳しい公差を適用してください。

フライス加工と旋削加工のためのフィーチャの設計

標準工具に対応する設計特徴。より大型で剛性の高いカッターを使用できるよう、内径Rを大きめに設計してください（理想的にはキャビティ深さの3分の1以上）。ポケットが深くならないようにしてください。深さと幅の比率は4:1が一般的なガイドラインです。

部品の設計を私たちと共有していただければ、 RICHCONN 加工コストと時間を増加させる可能性のある特徴を指摘し、部品のフライス加工や旋削加工を容易にするための小さな実用的な調整を提案できます。

セットアップ、ツール変更、治具の複雑さを最小限に抑える

切削加工ワークフローにおける機械のセットアップ作業は、コスト、時間、そしてエラーのリスクを増加させます。部品を設計する際には、すべてのフィーチャに可能な限り少ない方向からアクセスできるようにしてください。これにより、加工中にワークピースを保持するために必要な治具が簡素化されます。

プロトタイプと生産のためのコスト削減設計のヒント

穴サイズなどの形状を標準化することで、工具交換を最小限に抑えます。標準的な原材料在庫サイズに合わせた寸法で部品を設計します。これにより材料の除去が削減され、時間を節約し、廃棄物を最小限に抑えることができます。

エンジニアが陥りがちなミスとその回避方法

減算型製造におけるスクラップとやり直しのほとんどは、ここで説明するいくつかの繰り返し可能な設計ミスから生じます。

1. 許容範囲と表面仕上げの要件を過剰に指定する

あらゆる形状に厳しい公差を適用すると、見積もりが高額になります。例えば、標準の±0.1mmから±0.01mmに公差を厳しくすると、必要な検査と機械速度の低下により、コストが3倍になる可能性があります。加工コストを抑えるには、重要なシーリング面や合わせ面のみに厳しい公差を適用してください。

2. ツールアクセスとワーク保持の制約を無視する

深いポケット、鋭利な内角、そして隠れた形状は、工具アクセスを制限します。深い形状に長い工具を使用すると、スクラップとびびりが増加し、アンダーカットには特殊工具や5軸加工機が必要になります。これはコストの増加につながります。そのため、CAD/CAMシミュレーションと標準工具アクセス設計を用いて、常に早期に加工性を検証し、段取りと生産時間を短縮することが重要です。

3. 加工が難しい材料グレードの使用

明確なニーズがないまま難削材を選択すると、コストとリードタイムが増加します。超合金や硬化鋼は切削速度が遅く、工具の摩耗も早いため、サイクルタイムと工具費が増加します。多くの場合、より柔らかく一般的な合金の方が低コストで加工できます。

At RICHCONN 当社では、材料オプションの検討をお手伝いし、お客様の要件を満たしながらもより効率的に加工できる代替品をご提案いたします。

4. 明確なGD&T、図面、製造注記を提供していない

明確な基準点のない曖昧な図面では、機械工は位置合わせを推測するしかありません。その結果、多くの場合、ロットの廃棄が発生します。 幾何寸法と公差 (GD&T) 基準面と重要な特徴との関係を明確に定義します。さらに、明確な文書化により解釈ミスがなくなり、コストのかかるやり取りを削減できます。

5. 後加工、仕上げ、二次加工の見落とし

エンジニアは、陽極酸化処理などの表面処理によって部品の物理的な厚みが増すことを忘れがちです。この厚みの蓄積により、精密部品は仕上げ加工後に寸法不足になる可能性があります。これを補正するには、必ず加工寸法から予想されるコーティング厚さを差し引いてください。

減算型製造の利点と限界

減算プロセスは比類のない精度を提供しますが、加法的な方法と比較して同じ幾何学的制約に直面します。

強み

• CNC加工では、通常、±0.025 mm以下の許容誤差が達成され、これは一般的な許容誤差を上回っています。 3D印刷.
• 精密仕上げにより、Ra 1.6 ～ 3.2 µm 程度、Ra 0.4 µm までの優れた表面仕上げを実現します。
• 機械加工された部品は、あらゆる方向で均一な特性を持ち、等方性の強度を維持します。

製品制限

切削加工法は、複雑な内部形状や有機的な形状の加工に苦労します。切削工具は、内部の溝、深い空洞、その他の閉じ込められた空間に容易に到達できません。特殊な設計の場合、治具の取り付けも困難になります。このような場合、積層造形や3Dプリンティングの方が多くの場合、より効果的です。

リードタイム、スケーラビリティ、コストの考慮事項

切削加工ではプログラミングと治具の設置費用が高額になりますが、生産量が増えるにつれて単価は下がります。100個以上の生産量の場合、CNC加工は通常、切削加工よりも経済的です。 添加剤の製造しかし、複雑な部品の材料廃棄量が多いとコスト効率が低下する可能性があります。

減成型製造 vs 付加製造・成形

クイックリファレンステーブル

機能	減算型（CNC）	付加的（3Dプリント）	成形（射出成形/鍛造）
プロセス原理	材料の除去	層ごとの構築	力による成形
材料廃棄物	ハイ	ロー	最小限の
ツーリングコスト	中程度（カッター/固定具）	低（ツールは不要）	高（金型）
幾何学的柔軟性	ツールアクセスによる制限	ほぼ無制限	カビ依存
出来高	低から中	低（プロトタイピング）	高（大量生産）
表面仕上げ	優れた	ラフ（レイヤーライン）	良い（滑らか）

主要なポイント（要点）

• 並外れた強度と滑らかな仕上がりを備えた精密部品を製造するには、減算型製造を選択してください。
• 複雑な内部形状やラピッドプロトタイプには積層造形を使用します。
• 単純な金属部品を大量に生産するには、成形プロセスを選択します。

減算型製造技術の産業利用

減算型製造法は、その精度と材料の多様性により、重要な分野で高性能部品を生産するための主な方法であり続けています。

自動車、航空宇宙、防衛部品

これらの産業では、極度のストレスや温度に耐えられる安全上重要な部品が求められています。切削加工技術を用いて、チタンやインコネルなどの高強度材料をエンジンブロック、タービンブレード、機体などに加工し、±0.005 mmという極めて厳しい公差を実現しています。CNC加工の信頼性により、これらの部品は厳格なISO規格や AS9100規格.

医療機器とインプラント

メーカーは、Ti-6Al-4VチタンおよびPEEKから生体適合性インプラントを製造するためにCNC加工技術を活用しています。このプロセスにより、骨接合ネジ、股関節、外科用器具に必要な滑らかで非多孔質の表面が形成されます。これにより、細菌の増殖が抑制され、オッセオインテグレーションが確実に実現されます。

生産ライン用ツール、金型、治具

大量生産を推進する耐久性の高い工具を製造するには、切削加工が不可欠です。硬化工具鋼（HRC50以上）は、CNCフライス加工と放電加工を用いて複雑な射出成形金型やダイカスト金型に加工され、鏡面仕上げを実現します。

エネルギー分野

ガスタービンや風力タービンなどの発電設備には、大型で耐久性の高い部品が必要です。CNCボーリングミルと旋盤ミルは、過酷な環境下での連続運転に耐えられる大型シャフトやギアボックスハウジングを加工します。

一般機械加工部品

特殊分野を超えて、切削加工は数え切れないほどの汎用部品の製造に利用されています。ブラケット、カスタムギア、ハウジング、プーリー、シャフトなどは、あらゆる種類の機械や消費財に使用するために日常的に機械加工されています。

複雑な機械加工部品

高度な多軸CNC工作機械は、非常に複雑な形状の作成も可能にします。これらの減算加工プロセスにより、インペラ、医療用義肢、高度な光学部品など、複雑な3D輪郭と表面を持つ部品を製造できます。

専門家による減算型製造サービスを受ける

リスクの高いプロジェクトでは、ISO認証を受けた精度の高いパートナーを見つけることが不可欠です。削り出し製造では、部品が厳しい仕様を満たすことを保証するために、厳格な品質管理が求められます。ISO 9001認証を取得している企業には、 Richconn この信頼性を実現しています。彼らは専門家の CNCフライス加工および旋削サービス 許容誤差は±0.005 mmと非常に狭いです。

総括する

サブトラクティブ・マニュファクチャリングは、厳しい公差と優れた表面仕上げを実現するためのゴールドスタンダードであり続けています。航空宇宙用合金からエンジニアリングプラスチックに至るまで、これらのプロセスは重要な部品の比類のない構造的完全性を保証します。

精密CNC加工サービスが必要な場合は Richconn が最善の選択肢です。 お問い合わせ いつでも。

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