CNCフライス加工と旋削加工：ラピッドプロトタイピングにおけるコアアプリケーションと利点

改良されたドローンのプロトタイプの核となるのは、高精度のアルミニウム合金製センター ディスクで、これを彫刻されたカーボン ファイバー ブラケットで包み、精密にねじ切りされた真鍮製コネクタに固定されています。

従来の開発サイクルでは、3～4社のベンダーと数週間のリードタイムが必要でした。しかし、CNCフライス加工と旋盤加工という「ダイナミックデュオ」を巧みに活用することで、コンピューターモデルからハンドヘルドでテスト可能な、実際に機能するプロトタイプに至るまで、わずか数日で作業を完了できます。

このチュートリアルでは、この組み合わせが CNC ラピッドプロトタイピングの要となる理由について説明し、 CNC プロトタイピングの利点を詳しく説明して、開発サイクルを短縮し、コストを削減し、最終製品に近いプロトタイプを作成する方法を理解できるようにします。

主要な回答の要約

なぜ信頼できるのか？JS Precisionの迅速なイテレーション体験

このCNCフライス加工と旋盤加工のガイドを信頼すべき理由は何でしょうか？それは、 JS Precisionの15年以上にわたる実践的な経験と迅速な反復作業に基づいているからです。

航空宇宙分野では、アルミニウムチタン合金製ドローン部品の製造において、単品加工時間を30%短縮する支援を行っています。医療機器分野では、 CNC旋盤加工を活用し、高精度なねじ部品を製造しています。年間500件以上のラピッドプロトタイピングプロジェクトを実施し、お客様の製品開発サイクルを平均40%以上短縮しています。

また、「2週間で複雑な試作品を10個」といった緊急の依頼も数多くこなし、プロジェクトを通してプロセス強化とコスト管理の技術を習得してきました。

この本は、技術的なチェックからコスト管理まで、実際のプロジェクトで検証された実際の経験の集大成であり、CNC プロトタイピングの利点をより明確に理解し、ラピッドプロトタイピングのニーズに対応する信頼できるリファレンスを提供します。

プロジェクトを前進させるために専門的なCNC旋削・フライス加工サービスが必要な場合は、JS Precisionが設計最適化から生産納品まで、フルプロセスサービスをご提供いたします。ご注文をいただければ、当社のエンジニアが迅速に対応し、お客様に合わせた加工プランを作成いたします。

CNCフライス加工と旋盤加工：クイックプロトタイピングの中心的な機能

このガイドの信頼性を確立した上で、まずラピッドプロトタイピングにおける CNC フライス加工と旋削加工の基本的な役割を確立しましょう。

• CNCフライス加工は、多軸工具運動を利用して材料を切削し、固体材料から複雑な形状を彫刻する技術です。この加工法は、ドローンの機体において空気力学的に成形された荷重支持部材によく用いられます。
• CNC旋削加工では棒材を回転させないため、工具で対称的な円形部品を「彫刻」することができます。ベアリングマウントやシャフトなどの部品では、精度向上のためにこの方法が採用されています。

どちらも、3D モデルを実際のプロトタイプに短時間で簡単に変換でき、レンダリングが簡単で柔軟性が高いため、さまざまな材料を扱えるため、ラピッドプロトタイピングで頻繁に使用されます。アルミニウム合金からステンレス鋼まで、機械加工が容易です。

両者の簡単な対比として、次の比較表があります。

違いを明らかにする：ラピッドプロトタイピングにおけるCNC旋削とフライス加工の基本的な比較

CNC フライス加工と旋削加工の基本を理解した上で、次に、プロジェクトに適切な技術を選択できるように、それらの基本的な違いについて説明します。

CNC フライス加工の秘密は「多軸モーション」にあります。たとえば、 3 軸および 5 軸加工センターでは、ツールが複数の方向から材料に作用するため、溝、キー溝、複合曲面を持つ非対称の部品、たとえばドローンの機体の正確な形状をアルミニウムのインゴットに「彫刻」することなどが可能になります。

CNC旋削加工の本質は「材料の回転」です。工具が所定のパスに沿って切削する間、バーはスピンドル上で高速回転します。CNC旋削加工は、円筒形や円錐形などの対称形状部品の旋削加工に特に優れています。例えば、ベアリングマウントの円筒形の内径は、CNC旋削加工によって高い真円度を実現できます。

しかし、現代のマルチタスク加工センター（CNC旋盤とフライス盤）は、単一の技術を選択するという制約から解放されました。CNCフライス加工と旋盤加工の機能を1台の機械に統合し、対称的な円形部品から複雑な特注形状の構造まで、 1回のセットアップで部品の完全な加工を可能にします。

例えば、キー溝付きシャフト部品の加工では、CNC旋盤でシャフト本体を加工し、それをCNCフライス盤に搬送してキー溝を加工するといった工程が不要になります。これらはすべて複合機上で1工程で実行できるため、段取り時間を短縮し、二次段取りに伴う精度誤差を排除できます。

図 1: これは、JS Precision 社が製造した CNC フライス加工および旋削加工プロセスによって実現される高精度のラピッドプロトタイピングを示しています。

シナジー効果：フライス加工と旋削加工の技術を組み合わせるべきタイミングを明らかにする4つの典型的なシナリオ

CNCフライス加工と旋削加工はそれぞれ単独で使用してもメリットがあり、また両方を行うことができる複合加工機も存在します。では、具体的にどのような状況でこの2つの技術を組み合わせる必要があるのでしょうか？以下に挙げる4つの一般的な状況は、明確な参考になるでしょう。

1. シャフトに丸みのない形状を持つ部品:

このような部品の多くは対称形であり、真円度と同心度を実現するにはCNC旋盤加工が必要です。キー溝やシャフト側面の平面部など、真円でない形状は旋盤加工では実現できず、CNCフライス加工で「削り出す」必要があります。モーターの出力軸は通常、この設計になっています。

2. 精密ねじ穴付きハウジング：

ハウジングは通常、不規則な形状をしており、全体の輪郭と取り付けキャビティを形成するためにCNCフライス加工が必要です。ハウジングの精密ねじ穴は、CNC旋盤のタッピング機能を使用してタップ加工できます。これにより、通常のフライス加工よりも高いねじ精度が得られ、その後の組み立て時にねじが詰まるのを防ぎます。

3. 非対称回転要素：

要素の主な外形は回転対称であり、例えば偏心溝を持つローラーの場合、ローラーの円筒形の本体はCNCで最初に回転されます。非対称溝は、正確な溝の位置決めを保証するために、多軸CNCフライス加工によってのみ加工できます。

4. 高精度の単一治具セットアップを必要とする部品:

部品の精度要求が極めて高い場合、例えば±0.025mmの公差が求められる場合、二次クランプによって誤差が生じる可能性があります。このような場合、旋削加工とフライス加工はすべてCNCフライス盤と旋盤を用いて1回のセットアップで行われ、最高の精度が確保されます。これは特に航空宇宙用精密コネクタに当てはまります。

このような状況では、単一の技術で部品のすべての要件を満たすことは不可能です。フライス加工と旋削加工を組み合わせることが、優れたラピッドプロトタイプを迅速に製造する唯一の方法です。

JS Precisionは、 フライス加工と旋削加工の複合加工において豊富な経験を有しています。お客様の部品の特性に基づき、両方の加工技術が必要かどうかを判断し、最適な工程計画を策定することで、ラピッドプロトタイプが精度要件を満たし、納期を短縮することを保証します。

精度の限界：CNC旋盤とフライス盤でミクロンレベルのプロトタイプを製作

ラピッドプロトタイピングにおいて、試作品が試験や組立の要件に耐えられるかどうかは、精度によって決まる場合が多いです。CNC旋盤やフライス盤が提供する高い精度は、企業がこの技術を検討する最も大きな理由の一つです。

高品質の CNC 旋盤およびフライス盤は通常、 ±0.025mm の加工精度を提供できますが、一部の高級機器は±0.01mm を超える精度も実現できます。

この精度は、航空宇宙、医療、自動車分野のプロトタイプの要件の大部分を満たすのに十分です。例えば、ドローンのベアリングマウントは、ベアリングの焼き付きを防ぐために正確な真円度が求められますが、 CNC旋盤加工によって容易に実現できます。

しかしながら、 CNC加工の精度は多くの要因に左右されます。以下は、主な影響要因とそれに対応する制御メカニズムのリストです。

上記の一般的な要因とは別に、 「動的精度補正」は、工具の摩耗によるサイズの偏差などの加工エラーをリアルタイムで自動的に検出し、それに応じて加工パラメータを調整して、精度と安定性をさらに向上させることができる、あまり知られていない高度なテクノロジーです。

試作部品をミクロン単位の精度で加工する必要がある場合、JS PrecisionのCNC旋盤およびフライス盤は、ダイナミック精度補正技術を搭載しており、お客様の高精度要件に対応できます。プロセスから装置に至るまで、当社は最初から最後まで精密な細部まで完全に管理しています。

図 2: CNC 旋盤とフライス盤の比較。

イノベーションの加速：CNCラピッドプロトタイピングによる製品開発サイクルの短縮

ラピッドプロトタイピングの基本的な要件の 1 つは「高速」です。CNC ラピッドプロトタイピングにより、企業はさまざまな方法でイノベーションを加速し、製品開発のリードタイムを短縮できます。

まず、CNC技術は迅速な反復作業を可能にします。プロトタイプテストの再設計が必要な場合、金型を作り直すことなく、CNCプログラミングパラメータを変更するだけで済みます。例えば、ある自動車部品メーカーは、プロトタイプの寸法を変更し、 CNC加工を用いることで3日で新しいプロトタイプを製作しました。従来の金型製作技術では2週間以上かかっていたのに対し、わずか3日で完了しました。

第二に、CNC加工は金型コストを削減します。小ロット（例：10～50個）の試作には通常、金型が必要となり、そのコストは数千ドルから数万ドルにもなります。CNC加工では金型が不要になるため、これらのコストを削減できます。

同時に、CNC加工はコンピュータ設計を統合します。3D CADモデルをCNCプログラミングソフトウェアに直接インポートできるため、仲介者の変換プロセスが省略され、時間が節約されます。

統計によれば、CNC ラピッドプロトタイピングを使用している企業は、製品開発において平均50% 以上のサイクル短縮を実現しており、特定の緊急プロジェクトではサイクルが 70% も短縮されています。

さらに、CNCと融合した「バーチャルプロトタイピング」が新たなトレンドになりつつあります。ソフトウェアは、物理的なプロトタイプを作成する前にCNC加工をシミュレーションし、ツールパスの適合性と部品形状を検証します。これにより、物理的なプロトタイプのテスト回数が削減され、時間のかかる反復作業が回避されます。

たとえば、JS Precision は以前電子機器会社に勤めており、仮想プロトタイピングを活用して部品加工の干渉問題を早めに検出し、専門家のプロトタイプを一発で作成して、予定より 5 日早く納品することができました。

JS Precision は、CNC ラピッドプロトタイピングを活用して製品開発時間を短縮するために、仮想プロトタイピングから実際の部品加工までの全プロセス サービスを提供しています。これにより、設計をプロトタイプ化するまでの時間を短縮し、市場チャンスを獲得できます。

図 3: ドローンのコンポーネントと CNC 加工されたソリッド パーツの CAD 図面。

旋盤加工の専門知識：CNC旋盤加工に最適なラピッドプロトタイプ部品の種類

CNC フライス加工と旋削加工を組み合わせた CNC 旋削加工は、特にラピッドプロトタイプ部品を切削する場合に、非常に貴重な経験をもたらします。

まず、モーターシャフトやドライブシャフトなどのシャフト部品は、非常に高い真円度と同心度を維持する必要があります。CNC旋削加工では、棒材を中心軸を中心に回転させることで、すべての断面にわたって均一な寸法を実現し、通常Ra 0.8μm以下の高い表面仕上げを実現できるため、二次研削の必要性を低減できます。

第二に、ボルト、ナット、ねじ継手などのねじ部品は、手作業によるタップ加工のような精度誤差がなく、正確なねじピッチと深さが求められます。そのため、頻繁に組み立てとテストを行う必要がある試作品に最適です。

さらに、回転対称の外径または内径を持つローラーやベアリングスリーブなどの回転部品の場合、CNC 旋削は優れた処理速度を誇り、試作品のバッチごとに寸法の一貫性を実現できます。

一般的な用途に加え、CNC旋削において非対称旋削はあまり一般的ではありませんが、有用なアプローチです。偏心穴付きディスクなどの非対称回転部品の旋削に利用できます。材料を専用の治具に保持することで、 CNC旋盤は回転しながら偏心形状を旋削することができ、特殊な試作要求にも対応できます。

例えば、JS Precisionは以前、自動化機器メーカー向けに偏心溝付きローラーの試作品を旋削加工しました。非対称旋削技術を用いることで、この工程は1工程で完了し、後続の複雑なフライス加工工程を省略し、加工時間を20%短縮しました。

シャフトやねじ部品などの試作CNC加工が必要な場合、JS Precisionの技術力と設備は専門知識を活用して、高精度で高効率の加工サービスを提供することができます。

ケーススタディ：高性能UAVプロジェクト

次の例は、ラピッドプロトタイピング プロジェクトで CNC フライス加工と旋削加工がどのように適用され、JS Precision が顧客の課題をどのように解決したかを示しています。

クライアントのニーズ

産業検査用ドローン技術会社は、次世代ドローンのミッドフレームのプロトタイプを開発する必要がありました。プロトタイプには、以下の2つの主要な仕様が必要でした。

• 使用する金属は高強度かつ軽量である必要があり、そのため7075航空機アルミニウム合金の採用が決定されました。
• 製造業者は、現場でのテストのために2 週間で10 セットを生産するという厳しいスケジュールを守る必要がありました。

さらに作業を複雑にしたのは、この部品には高度な非標準の荷重支持構造（ドローンの飛行振動を抑えるため）と、6つの同軸ベアリングマウント（組み立て中にベアリング同士が固着するのを防ぐため）が備わっていたことです。この作業は、CNC旋盤加工やCNCフライス加工だけでは不可能でした。

JS Precisionのソリューション

1.中間フレームの独特な形状のベアリング構造には、 5軸CNCフライス加工技術を採用しました。

この技術により、材料を様々な側面から切削加工し、複雑なキャビティやミドルフレームの支持構造を精密に加工することが可能になりました。また、7075アルミニウム合金の切削パラメータを最適化し、加工工程における材料の変形を抑制しながら構造強度を確保しました。

2.ベアリング取付座はCNC旋盤・フライス盤に移送し精密加工します。

ベアリングマウントには、直径10mmの内径穴が必要で、真円度公差は±0.01mmです。旋削加工によりこの精度はより高く保証され、複合加工機で加工することで二次クランプが不要になり、クランプミスを最小限に抑えることができます。

3. 当社のCNC旋削・フライス加工サービスチームは、共通のフライス加工と旋削加工を統合するなど、ツールパスを最適化しました。また、インテリジェントなレイアウトを適用し、7075アルミニウム合金の1枚のシートに複数の部品を集約することで、材料の無駄を最小限に抑えました。最終的に、部品1個あたりの加工時間は4時間から2.8時間へと30%短縮されました。

結果

最後に、お客様には予定より4日早い10日以内に10個のプロトタイプ全てを納品しました。試験の結果、プロトタイプは設計上の耐荷重強度レベル（50kgの静荷重に耐えられる）を満たし、6つのベアリングマウントの真円度公差は±0.008mm以内であり、組み立て時にベアリングがガタツキなくスムーズに回転することが確認されました。

お客様はこれらのプロトタイプを使用してフィールドテストを無事に実行できただけでなく、すでに確立された品質により、試作小ロット製造に直接利用され、 3 週間の製品テストが加速され、その後の市場投入までの貴重な時間を節約できました。

図 4: 高強度アルミニウム合金ドローン フレームのプロトタイプは、CNC フライス加工と旋削加工プロセスを使用して製造されました。

コスト効率：CNC旋削・フライス加工サービスによる最大限の節約

ラピッドプロトタイピングにCNCフライス加工と旋盤加工を選択すると、スピードと精度が確保されるだけでなく、専門的なCNC旋盤加工サービスを活用することでコスト削減効果も最大化されます。だからこそ、企業はこの技術を最優先事項と位置付けています。重要なポイントは以下の4つです。

最適化設計（DFM）

JS Precision のエンジニアは、機械加工前に部品の設計を確認し、機械加工のコストと複雑さを軽減するための最適化を推奨します。

例えば、狭く深い溝を広く浅い溝に変えることで、特殊な工具を必要とせず、複雑な内部キャビティを2つの小さなキャビティに分割して接続することで、加工時間を最小限に抑えることができます。あるお客様は、DFM最適化により部品加工費用を15%削減しました。

インテリジェントなレイアウトと材料効率

加工前に、部品のサイズと材質に応じて、シートまたはバー上に部品を最適な配置で配置します。1000mm x 500mmのアルミニウム合金シートの場合、レイアウトにより2つまたは3つの追加部品を配置できるため、材料の無駄が削減され、材料効率が最大20%以上向上し、材料コストを直接的に削減できます。

バッチ効果

試作ロットが少量（例：10～30個）であっても、効果的なプロセス計画によって段取り時間とコストを削減できます。例えば、類似部品を一括処理することで、工具調整とプログラミングを同時に実行できるため、工具交換やパラメータ調整の繰り返しが回避され、部品1個あたりの加工コストを約10%削減できます。

二次操作の回避

専門のサービスプロバイダーは、フライス加工、穴の精密旋削、タッピング、研削などのすべての作業を 1 つの操作で実行できるため、二次加工のために他のサプライヤーを探す必要がなくなり、二次輸送および通信費用も発生しません。

例えば、あるお客様は当初、フライス加工、旋削加工、タッピング加工のために3社のサプライヤーを探す必要がありましたが、当社にご相談いただいたことで、これらの作業を一発で完了し、なんと25%ものコスト削減を実現しました。

以下の表は、さまざまなコスト削減手法の実際の効果を示しています。

よくある質問

Q1: CNC 加工では複雑な内部空洞を処理できないのですか?

CNC工具は切削加工を行うために機械表面に接触する必要があるため、非常に複雑な内部キャビティには3Dプリントの方が適していると言えるかもしれません。しかし、JS Precisionは独創的なプロセス設計によってこうした課題を回避し、想像以上に複雑なキャビティ加工を実現し、ほとんどのプロトタイプ要件を満たしています。

Q2: CNC 加工を使用したプロトタイプに最適な材料をどのように選択しますか?

材料の選択は、プロトタイプの用途要件に応じて異なります。特に、強度対重量比、耐摩耗性、耐腐食性、熱特性／電気特性という4つの主要な要素が考慮されます。JS Precisionの専門家が、お客様の具体的なニーズに基づいて材料をご提案いたします。

Q3: CNC 加工で実現できる最小の詳細サイズはどれくらいですか?

CNC加工における最小加工寸法は、基本的に工具によって制御されます。CNCフライス加工では、通常0.1mm単位の微細な溝や穴などを作成できます。薄く深い溝は、工具の剛性が高いため加工が困難です。より微細な形状には、マイクロフライス加工が使用されます。設計者は、加工の失敗を避けるために、工具の最小直径を考慮する必要があります。

Q4: アイデアやコンセプトスケッチしか持っていないのですが、サービスを利用できますか？

もちろんです。ただし、加工精度を保証するために、完成した2D図面または3D CADモデルをご提供いただくことをお勧めします。アイデアや初期モデルをお持ちでない場合は、JS Precisionの設計チームが、お客様のアイデアを標準化された設計書へと変換するお手伝いをいたします。スムーズなCNC加工を実現するために、設計プロセスのすべてのステップをサポートいたします。

まとめ

CNC フライス加工と旋削加工は、従来の製造技術をはるかに超えたもので、現代のCNC ラピッドプロトタイピングのビジネスにおいて強力かつ欠かせないツールです。

これらは、コンピュータ設計の絶対的な自由度と実際の材料の実際のパフォーマンスとの理想的な融合を実現し、概念実証から市場投入まで、最も信頼性が高く最速のルートを提供します。

お客様のアイテムに旋削用の複雑な形状が必要な場合でも、フライス加工用の精密に回転したコンポーネントが必要な場合でも、またはその両方が必要な場合でも、当社の完全な CNC 旋削およびフライス加工サービスをご利用いただけます。

今すぐCADファイルをアップロードして、プロフェッショナルな製造可能性分析をご体験ください。数分以内にお見積りをすぐにご提示いたします。革新的なアイデアの実現を加速させるために、ぜひご協力ください。