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金属部品の DMLS と CNC 加工: 完全ガイド

高性能な金属部品を作成する場合, エンジニアは、自由に使える 2 つの主要なテクノロジーを持っています. 彼らは固体の金属ブロックから始めて、それを形に彫ることができます, または、部品をゼロから構築することもできます, 微視的層ごとの層, 微細な金属粉末のベッドから. サブトラクティブ CNC 加工と積層造形 DMLS 3D プリンティングのこれら 2 つの方法は、製造に対する根本的に異なるアプローチを表しています. それらのどちらを選択するかは、製品開発において最も重要な決定の1つです, 部品のジオメトリへの影響, パフォーマンス, 費用, とリードタイム.

金属部品の DMLS と CNC 加工

根本的な違いは、CNC 加工は固体ブロックから材料を切り取るサブトラクティブ プロセスであることです, 一方、DMLS は、金属粉末をレーザーで融合することによって部品を層ごとに構築する積層プロセスです. CNC は、従来の設計の精度と強度に優れています. DMLSは、加工が不可能な複雑な形状の作成に優れています.

高度なCNC加工と直接金属レーザー焼結の両方の社内能力を備えた専門製造パートナーとして (DMLSの), GD-Prototyping は、この包括的なガイドを提供します. 技術的な詳細を探っていきます, 強み, および各プロセスの制限. これにより、特定のアプリケーションについて情報に基づいた決定を下すことができます.

CNC加工を理解する: 減算標準

CNCです (コンピュータ数値制御) 機械加工は精密金属製造のベンチマークです. これは減算プロセスです, つまり、大きなストックから材料を除去することによって最終的な形状を作成します, ビレットとして知られています. その正確さで有名です, 再現, 優れた機械的特性を備えた部品を製造する能力.

CNC 加工で金属部品を作成する方法?

このプロセスは、最終部品の 3D CAD モデルから始まります. CAM プログラマーは、このモデルを使用してツールパスを生成します, その後、G コードに変換されます. このコードは、CNC マシンのあらゆる動きを指示します.

  1. 金属の固体ブロックが機械にしっかりと固定されています.
  2. 切削工具 (エンドミルやドリルビットのように) 機械のスピンドルにロードされます。.
  3. スピンドルは高速で回転します, 機械は工具またはワークピースを複数の軸に沿って正確に移動させます.
  4. 切削工具は体系的に材料を除去します, ソリッドブロックから最終的な形状を彫る.
  5. このプロセスは継続されます, 複数のツール交換を伴うこともあります, ネットシェイプ部分が完成するまで.

CNC機械加工部品の主な特徴

CNC 加工で製造された部品は、その優れた材料特性と精度で高く評価されています.

  • 優れた強度: パーツはソリッドから彫られているため、, 金属の鍛造ビレット, 素材本来の粒子構造と強度を保持します. これにより、通常、より強くなります, 積層造形法と比較してより耐久性のある部品.
  • 厳しい公差: CNC 加工は非常に精密なプロセスです. 非常に厳しい寸法公差を達成できます, 多くの場合、100分の1ミリメートル以内です.
  • 滑らかな表面仕上げ: このプロセスにより、機械から直接非常に滑らかで一貫した表面仕上げを作成できます, 軽い研磨でさらに改善できます.

一般的なCNC材料

CNC 加工の主な利点は、よく理解されている膨大な範囲のエンジニアリング材料との互換性です.

  • アルミニウム合金: (例えば。。, 6061, 7075) 強度のバランスが取れています, 重量, そしてコスト.
  • ステンレス鋼: (例えば。。, 304, 316, 17-4 PHの) 耐食性と強度のために.
  • チタン合金: (例えば。。, Ti-6Al-4V) 優れた強度対重量比と生体適合性を実現.
  • 超合金: (例えば。。, インコネル) 高温用途.

ツールアクセスの制限

サブトラクティブプロセスの中心的な制約は、ツールへのアクセスです. 切削工具には直接, 加工する表面への物理的な見通し線. これにより、複雑な内部フィーチャを作成することが不可能になります, 鋭い角のある深くて狭いチャネル, または密閉格子構造.

DMLS について: アディティブ・イノベーター

直接金属レーザー焼結 (DMLSの), 選択的レーザー溶融とも呼ばれます (海抜), 粉末床溶融積層造形技術です. 金属部品をゼロから構築します, レイヤーごとに. このアプローチは、幾何学的複雑さの観点から何が可能かを完全に再定義します.

DMLS は金属部品を 3D プリントする方法?

DMLSプロセスは、酸化を防ぐために不活性ガスで満たされた密閉されたビルドチャンバー内で行われます.

  1. リコーターブレードは、微細な金属粉末の非常に薄い層を広げます (通常 20-60 ミクロン) ビルドプラットフォーム上で.
  2. 強力な, 高精度ファイバーレーザー, 一連の走査ミラーによるガイド, 3Dモデルの最初の断面を粉末床にトレースします.
  3. レーザーの強力なエネルギーが金属粉末粒子を完全に溶かして融合させます, ソリッドレイヤーの作成.
  4. ビルドプラットフォームは、1層の厚さだけ下げられます, そして、リコーターブレードは新しい粉末の層を塗布します.
  5. このプロセスは数千層にわたって繰り返されます, 新しいレイヤーをその下のレイヤーに融合する, 最終部品がパウダーベッド内で完全に形成されるまで.

DMLS部品の主な特徴

DMLS部品は、複雑な形状と優れた機械的特性で知られています.

  • 比類のない設計の自由度: DMLSは、複雑な内部チャネルを持つ部品を製造できます, 有機的な形状, 他の方法では製造不可能な最適化された格子構造.
  • 良い強度: DMLS 部品の特性は、鋳造金属部品の特性と似ています. 通常、CNC の鍛造部品ほど強度はありませんが、, それらは完全に高密度であり、要求の厳しい機能アプリケーションに適しています.
  • ニアネットシェイプ部品: このプロセスでは、部品が最終形状に近いものになるように構築されます, 大きなブロックから複雑な部品を加工する場合と比較して、材料の無駄を大幅に削減できます.

重要な後処理ステップ

DMLS部品には、いくつかの必須の後処理ステップが必要です.

  1. ストレス解消: プロセスの激しい加熱と冷却のサイクルにより、部品に内部応力が発生します. ビルドプレート全体を炉で熱処理して、これらの応力を緩和し、反りを防ぐ必要があります.
  2. サポートの削除: DMLS部品には、ビルドプレートに固定し、張り出したフィーチャをサポートするための支持構造が必要です. これらのサポートは固体金属であり、ワイヤー EDM を使用して取り外す必要があります, CNC加工, または手動ツール.
  3. 表面仕上げ: DMLSパーツの印刷された表面は粗く、つや消しです. 多くの場合、ビードブラストなどの二次加工が必要になります, タンブリング, または、滑らかな仕上げまたは厳しい公差を達成するための精密機械加工.

一般的なDMLS材料

DMLSは、ますます幅広い溶接可能な金属粉末に対応しています.

  • ステンレススチール (316L): 耐食性と生体適合性に優れています.
  • アルミニウム (アルSi10Mg): 試作や熱交換器に適した軽量合金.
  • チタン (Ti64): 高強度のための最高の選択肢, 軽量, および生体適合性部品.
  • インコネル (IN718): 航空宇宙およびエネルギーにおける高温および高応力用途に使用されるニッケル超合金.

詳細な比較: DMLS と. CNCヘッドツーヘッド

DMLS と CNC 加工のどちらを選択するかを決定するには、いくつかの重要なトレードオフの詳細な分析が必要です.

幾何学的自由度: 決定要因

これが最も大きな違いです. DMLSは幾何学的複雑さに優れています. 切削工具では到達できない機能を備えた部品を作成できます. これも:

  • 金型工具のコンフォーマル冷却のための複雑な内部冷却管.
  • トポロジー最適化, 強度を最大限に高めながら重量を最小限に抑える有機的な形状.
  • 終わり, 医療用インプラントや軽量化のための複雑な格子構造.

CNC 加工は工具へのアクセスによって制限されます. しかし, アクセスできる機能の場合, 非常に正確です. 高精度の穴加工に最適です, フラットなシール面, とプリズムの特徴.

機械的特性と部品強度

CNC 機械加工部品は一般に、同じ合金で作られた DMLS 部品よりも強度が高いです. これは、CNC が均一な金属の鍛造ビレットから始まるためです。, 鍛造穀物構造. DMLS部品は、高品質の鋳物に似た微細構造を持っています, これにより、引張強度と疲労特性がわずかに低下する可能性があります. DMLS部品は、ある程度の異方性を示すこともあります, つまり、強度はビルドの方向によって若干異なる場合があります (X, Y対. で).

公差と精度

CNC 加工は精度の明確な勝者です. ハイエンドの5軸CNCマシンは、プリンターのDMLSで可能なものよりも桁違いに厳しい寸法公差を保持できます. DMLSは正確な部品を製造できますが、, 非常に厳しい公差を達成する (よりタイト +/- 0.1 ミリメートル) ほとんどの場合、重要なフィーチャーの二次加工ステップが必要です.

表面仕上げ

CNC 加工により、より滑らかな表面仕上げが得られます. 標準的な機械加工仕上げは、印刷されたままの最高のDMLS仕上げよりも大幅に滑らかです. DMLS部品には粗い, 溶融粉末粒子の性質によるマットな質感. スムーズな, 彧, または非常に低摩擦の表面が必要です, DMLS部品には大規模な後処理が必要です.

スピードとリードタイム

答えは、部品の複雑さと量に大きく依存します.

  • シングルの場合, 非常に複雑なプロトタイプ, 多くの場合、DMLS は高速です. 機械は最小限のプログラミングでCADファイルから直接構築を開始できます. CNC 部品には、広範なプログラミングとカスタム治具の作成が必要になる場合があります.
  • より単純な部品または任意の生産数量の場合, CNC加工が劇的に高速化. CNC マシンの材料除去率は、DMLS マシンのビルド率よりもはるかに高いです.

材料の無駄と持続可能性

DMLSは、材料の使用に関してより効率的なプロセスです. 部品とそのサポートに必要な粉末のみを使用します. ビルドチャンバー内の未使用のパウダーは、次のビルドにリサイクルできます. CNC 加工はサブトラクティブ プロセスであり、複雑な部品では無駄になる可能性があります, たまに回すこともある。 90% 高価なチタンのブロックをチップに. しかし, これらのチップは非常に価値があり、ほとんどの場合収集およびリサイクルされます.

損益分岐点チャート: コストとコストの分析. 量

DMLS と CNC のコスト比較は直線的ではありません. 生産される部品の量に大きく依存します. この関係は損益分岐点グラフで視覚化できます.

DMLS と. CNCです: コストの損益分岐点を見つける

このチャートの構成要素を分解してみましょう:

  • Y 軸は、プロジェクト総コストを表します.
  • X 軸は部品の数量を表します.
  • DMLS コスト曲線: DMLSのコストは非常に低く始まります. 高額なセットアップ費用はありません, カスタムフィクスチャー, または単一の部品に必要な複雑なCAMプログラミング. しかし, 部品あたりのコストは比較的高く、一定です, そのため、ラインは急勾配です, 定常勾配.
  • CNC コスト曲線: CNC のコストははるかに高くなります. この最初の "初期費用" 熟練した機械工が機械をセットアップし、プログラマーがツールパスを作成するのに必要なかなりの時間が含まれます. しかし, これが完了したら、, 各追加部品の製造コストは比較的低いです. これにより、線の傾斜がはるかに平坦になります.
  • 損益分岐点: これは、2つのコスト曲線が交差する臨界点です.
    • このポイントの左側 (より少ない数量), DMLSはより経済的な選択肢です.
    • この点の右側 (より多くの数量), CNC加工がより経済的な選択肢になります.

大量生産の場合, 他のプロセスも実行可能になります. ガイドを参照してください 真空鋳造と射出成形 その他のオプションについては.

アプリケーションに適した選択をする

最良のプロセスは、可能な限り最も効率的な方法で設計意図を満たすプロセスです.

DMLSを選択する場合?

添加剤のイノベーターを選択する, DMLSの, いつ:

  • 幾何学的複雑さが主な推進力です. 部品に加工できないフィーチャーがあります.
  • 内部チャネルが必要です, コンフォーマル冷却, または格子構造.
  • トポロジー最適化を使用して、軽量の, 有機的なデザイン.
  • 1 つの, 非常に迅速に複雑なプロトタイプを作成する.
  • 部品の統合が目標です (複数の部品のアセンブリを 1 つの印刷部品に変換する).

CNC 加工を選択すべき時期はいつですか?

減法標準を選択する, CNC加工, いつ:

  • 高精度と非常に厳しい公差が最も重要な要件です.
  • 優れた材料強度と疲労寿命が不可欠です.
  • プロセスから直接、非常に滑らかな表面仕上げが必要です.
  • 形状は比較的単純で、切削工具で作成できます.
  • 少数の部品から大量生産まで、さまざまな数量を生産しています.
  • ボリュームでのコストは主要な考慮事項です.

ポリマー部品用, アディティブプロセスと他のプロセスの間でも同様の決定が存在します. 詳細については、 SLA vs SLS vs MJF ガイド.

結論

DMLS と CNC 加工は、真に競合する技術ではありません; 彼らは強力です, 現代の製造環境における補完的なツール. DMLSは、これまで不可能だったものを生み出す比類のない自由を提供します. CNC 加工により比類のない精度を実現, 強度, より伝統的な設計のための拡張性. 先進製造業の未来は、両方の強みを活用することにあります, 時には同じ部分でも, DMLS部品が重要な公差を達成するために後加工される場合.

積層造形とサブトラクティブ マニュファクチャリングの根本的な違いを理解することが、製品開発を成功させる鍵となります. GD-Prototypingで, 当社の専門家チームは、両方のテクノロジーに精通しています. 公平な提供ができます, 部品の要件とプロジェクトの予算を満たす完璧なプロセスを選択するのに役立つデータ駆動型のアドバイス.