3Dプリンターを導入するメリットは？切削加工と比較して解説

3Dプリンターは、従来の切削加工や金型を使った製造方法に比べて多くのメリットがあり、製造業のプロトタイピングに革命をもたらしました。

この記事では、3Dプリントと切削加工を比較しながら、3Dプリンターの導入がどのように製造プロセスを効率化し、コストを削減し、デザインの自由度を高めるのかについて詳しく解説します。

3Dプリントと切削加工の違い

3Dプリントと切削加工には、それぞれ一長一短があり、用途や製品の要求仕様に応じて使い分けることが重要です。

3Dプリントの特徴

3Dプリントは、3Dプリンターを用いてデジタルデータを基に材料を積層して物体を造形する技術です。この技術を用いることで、複雑な内部構造や中空構造も一度に製作できるため、プロトタイピングや複数の部品を一つにまとめた一体型の特注品などの製作に適しているとされています。

具体的な用途としては、プロダクトデザインや建築模型の製作、さらには医療用のカスタムフィットプロダクトの製作などが挙げられます。使用できる材料は、金属、樹脂、セラミックなどが一般的です。

また、3Dプリントのもう一つの大きな利点は、対象形状に応じた加工機の選定や設定変更を必要とせず、3Dモデルのデータを送信するだけで、遠隔地でも同じものを製作できることです。これにより、サプライチェーンの効率化に大きく貢献する可能性があります。

切削加工の特徴

切削加工は、素材から不要な部分を削り取って形を作る方法です。金属やプラスチックなどの素材を高精度で加工できるため、加工時の機種切り替えが少ない単純形状の製品の大量生産や高強度が求められる製品に向いています。具体的には、自動車や航空機の部品、エンジン部品、精密機械の部品など、高い精度と強度が求められる製品に適しています。

しかし、形状の複雑さには制限があり、切削加工は材料の無駄が多く発生しがちです。また、切削加工には対象形状に合わせて、旋盤、フライス盤、CNC（コンピュータ数値制御）機械などを選定する必要があり、これらの機械は高度な技術と熟練した操作が必要です。

3Dプリントと切削加工の違い

3Dプリントと切削加工の主な違いは、材料を積層して造形するか、削り取って形を作るかという方法にあります。

3Dプリントは、プロトタイピングや複雑形状の開発品、一体型の特注品などに向いており、切削加工は機種切り替えの少ない単純形状の大量生産や高い精度が必要な製品に適しています。また、3Dプリントは形状の自由度が高く、複雑な構造も一度に製作可能ですが、切削加工は素材の選択肢が広く、強度や耐久性が高い製品を作ることができます。

3Dプリントと切削加工の主な違い

特徴	3Dプリント	切削加工
材料利用効率	高い（無駄が少ない）	低い（廃材が多い）
形状の自由度	高い	低い
複雑形状の生産速度	速い（プロトタイプ向き）	遅い
仕上がり精度	中程度	高い

3Dプリンターを導入するメリット

切削加工では不可能な形状が造形できる

3Dプリンターは、従来の切削加工では実現できない複雑な形状を簡単に造形できます。これにより、デザインの自由度が大幅に向上し、革新的な製品の開発が可能になります。特に、中空構造や内部に複雑な構造を持つパーツや、複数パーツを一つにした一体型のパーツなどの製作に優位性を持っています。

例えば、航空宇宙分野では、軽量化が求められる部品の内部構造を最適化するために、3Dプリントが利用されています。また、医療分野では、患者の骨の形状にフィットするインプラントの製作に利用されています。

開発期間や製作時間の短縮

3Dプリンターは、デジタルデータから直接製品を製作できるため、開発期間や製作時間を大幅に短縮できます。

これにより、迅速なプロトタイピングが可能となり、市場投入までのスピードが向上します。

企業は試作と改良を繰り返し、最終製品の品質を向上させることができます。特に製品のデザイン変更やカスタマイズが必要な場合、3Dプリントなら短時間で対応できるでしょう。

コストが抑えられる

3Dプリンターは、金型や特殊な工具・治具を必要としないため、製作数の少ない製品に対して製作コストを抑えることができます。

また、小ロット生産でも経済的に運用できるため、特注品や少量多品種の製造に適しています。従来の製造方法では高額になる複雑な部品も、3Dプリンターではコストを抑えて製作可能です。

例えば、自動車業界では試作品の製造や、生産終了モデルの車の部品の再製造に3Dプリンターが活用されています。さらに、必要な時に必要な分だけ製作することで、在庫管理のコストも削減でき、無駄を最小限に抑えることができます。

環境への配慮

3Dプリンターは、材料の無駄が少ないため、環境に優しい製造方法としても注目されています。

従来の切削加工では、多くの材料が削り取られて廃棄されますが、3Dプリンターでは必要な部分だけを積層して製作するため、廃棄物の量が大幅に減ります。

また、リサイクル可能な材料や生分解性の材料を使用することで、さらに環境負荷を軽減することが可能です。

カスタマイズ製品の製造が容易

3Dプリンターは、個別のカスタマイズが容易に行えるため、顧客の特定のニーズに応じた製品を提供できます。

例えば、医療分野では、患者一人ひとりに最適化された義肢や補助具の製造が可能です。消費者製品においても、パーソナライズされたアクセサリーやファッションアイテムの製造ができ、顧客満足度の向上と差別化が期待されます。

3Dプリンターが抱える課題

材料に制限がある

3Dプリンターで使用できる材料は限られており、特定の用途には適さない場合があります。中でも非常に高い強度や耐熱性が必要な製品では、3Dプリントで使用できる材料では適さない場合があります。

現在は、樹脂やプラスチック系の材料といった主流の材料に加え、金属やセラミックの利用も進んでいますが、特定の産業用材料や特殊な合金など、要求される性能を満たす材料の選択肢は限られています。

精度に限界がある

3Dプリンターの仕上がり精度は、切削加工に比べて劣ることがあります。特に微細な部品や高い精度が求められる製品では、追加の仕上げ加工が必要になる場合があります。

例えば、表面の粗さや寸法の精度が問題となる場合、研磨や追加の切削加工が必要です。このように、最終製品の品質を確保するプロセスが複雑化することがあるうえ、高度な仕上げ技術が要求されるため、製作コストが増加することもあります。

精緻なモデリングの難度が高い

非常に精緻なモデリングには高度な技術と時間が必要で、デジタルデータの準備やプリント条件の最適化にも専門知識が求められます。このため、特に製品開発の初期段階では習熟が必要となります。

例えば、複雑な形状や機能を持つ部品を設計する場合、適切なCADソフトウェアの使用やシミュレーションによる検証が不可欠です。

また、プリント中の温度管理や材料の選択、積層ピッチの設定など、多くの要素が最終結果に影響を与えます。

これらの要因が相まって、高度な3Dプリント技術の導入と運用には高いハードルが存在します。

3Dプリンターが切削加工よりも向いているケース

意匠の確認

意匠の確認や修正が迅速に行えるため、製品開発の初期段階で非常に有用です。

3Dモデルを出力して確認することで、設計上の問題点を早期に発見し、修正することができます。特に、複雑な形状や有機的なデザインの場合、従来の2D図面やCADモデルでは見落としがちな細部も、3Dプリントによって実物を確認することで把握しやすくなります。

中空構造や内部で曲がる穴のある製品の製作

複雑な内部構造や中空部分のある製品も容易に造形できるため、従来の加工方法では製作が困難なデザインも、3Dプリント技術を使えば実現可能です。

例えば、航空宇宙産業や自動車産業では、軽量化を図るために内部を空洞にした部品や、冷却効率を高めるための複雑な内部流路を持つ部品の製作に3Dプリントが利用されています。

試作品の製作

試作品の製作に非常に適しており、迅速なプロトタイピングが可能です。製品開発のサイクルを短縮し、市場投入までの時間を大幅に削減することが期待できます。これにより、企業は市場のニーズに迅速に対応し、競争力を維持することができるでしょう。

さらに、試作品を実際に使用してテストすることで、製品の性能や使い勝手を確認し、改良を重ねることもできます。

建設・建築模型

建築モデルや都市計画の模型製作にも利用され、リアルなスケールモデルの製作が可能です。特に複雑なデザインや詳細な仕上げが求められるプロジェクトにおいて、3Dプリンターは非常に有用です。

例えば、建築家や都市計画者は、3Dプリントを使って建物や都市のスケールモデルを製作し、設計のプレゼンテーションや評価を行います。これにより、クライアントやステークホルダーに対して視覚的に理解しやすい形で提案を行うことができ、コミュニケーションがスムーズに進むことが期待できます。

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3Dプリンターは、従来の切削加工や金型を用いた製造方法に比べ、多くの利点があります。デザインの自由度、製作速度、コスト削減など、さまざまな面で優れており、プロトタイピングや少量多品種生産に適しています。一方で、材料の制約や精度の限界といった課題もあります。

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写真／Getty Images