３次元加工機とは？切削、レーザー等の種類、２次元加工機との違い

3次元加工機は、加工方法や機械の種類に応じてさまざまな素材を扱うことができます。
以下に主な素材とその加工適性を解説します。

金属

鉄やアルミニウム、ステンレス、チタンなどの金属素材は、強度や耐久性が求められる製品に使用されます。
3次元切削加工機やマシニングセンタ、放電加工機で高精度な加工が可能です。特に航空宇宙や自動車業界では、これらの素材を用いた高精度部品の製造が重要となります。

樹脂・プラスチック

ABSやポリカーボネート、アクリルなどの樹脂素材は軽量で加工しやすく、試作品や電子機器の外装などに利用されます。
3Dモデリングマシン(3Dプリンター)やレーザー加工機での加工が一般的で、複雑な形状やデザイン性の高い製品の製造に適しています。

木材

木材は家具やインテリア、建築用部材の製造に広く使用されます。
3D加工機(木工用)やCNCルーターを使うことで、細かな彫刻や曲線を持つデザインの加工が可能です。デジタル技術の導入により、オリジナリティの高い製品作りが実現しています。

セラミック・複合材料

セラミックやカーボンファイバーなどの複合材料は、耐熱性や軽量性など特殊な特性を持つため、医療機器や航空宇宙分野で活用されています。
加工が難しい素材であるため、高度な技術を持つ3次元加工機や放電加工機が必要となります。また、一部の3Dプリンターでもセラミックを材料に造形することができます。

３次元加工機の産業別用途と活用事例

3次元加工機は多種多様な業界で活用されており、その用途も多岐にわたります。
以下に主要な業界と具体的な活用事例を紹介します。

製造業

製造業において3次元加工機は、精密部品や製品を高い品質で大量生産するために欠かせない設備です。
具体的には自動化設備やロボットのパーツ、電子機器の筐体などの製造に用いられています。例えばスマートフォンのケースでは、CNC加工機やマシニングセンタを用いてミクロン単位の精度で切削加工を行い、製品の外観品質と機能性を両立しています。
また産業用機械の部品製造では、長時間にわたる運用に耐えうる耐久性が求められるため、硬度の高い金属素材を正確に加工できる3次元切削加工機が使用されています。

自動車業界

自動車業界では車両の性能や安全性を向上させるために、3次元加工機が重要な役割を果たしています。
具体的にはエンジンブロックやシリンダーヘッド、トランスミッションケースの加工にマシニングセンタが使用されています。これらの部品は高温や高圧に耐える必要があるため、チタンやアルミニウム合金などの素材が使用され、3次元加工機の高精度な加工能力がこれを実現しています。
さらに最近では、電気自動車(EV)のモーター部品やバッテリーケースの製造においても、3次元加工機が活用されています。特に軽量化を目的とした部品設計には、3Dモデリングと切削加工の組み合わせが効果的です。

航空宇宙業界

航空宇宙業界では飛行機や宇宙船の部品に求められる軽量性と耐久性を満たすため、3次元加工機が不可欠です。
具体的には主翼部品やエンジンコンポーネントの加工に、放電加工機や高性能なマシニングセンタが使用されています。例えばタービンブレードのような複雑な形状の部品は、3次元切削加工機によって高い精度での製造が可能です。
またカーボンファイバーやセラミック複合材料などの特殊素材も3次元加工機で加工され、航空機の軽量化に寄与しています。これにより、燃費の向上や耐久性の向上が実現されています。

医療分野

医療分野では患者ごとにカスタマイズされた器具やデバイスの製造が求められ、3次元加工機は欠かせない重要な設備です。
具体的には人工関節やインプラント、手術器具の製造において、3Dモデリングマシンやマシニングセンタが活用されています。例えば歯科インプラントは、患者の骨構造に合わせたカスタム設計が必要ですが、3Dモデリングから始まり、マシニングセンタでの精密加工を経て製造されます。
また手術シミュレーション用の3Dモデルも、3次元加工機を用いて製作され、医療従事者のトレーニングや患者説明に活用されています。

以下の記事では、独自の光造形技術「PµSL」を搭載した3Dプリンターを製造するBMF Japan 株式会社と北京同仁病院（中国）が共同開発した、経角膜経路一方向性房水ドレナージ装置を紹介しています。

木工業界

木工業界ではデザイン性が高く、複雑な形状の製品が求められる場面で、3次元加工機が多く利用されています。
具体的には高級家具やデザイン性の高いインテリア製品の製造に、3D加工機やCNCルーターが使用され、曲線や細かな彫刻、立体的な装飾を施す際に特に効果的です。例えばカスタムメイドの家具では、3Dモデリングデータをもとに正確な加工が行われます。
また建築用の木製パネルや装飾部品の製造にも活用されており、大量生産とオーダーメイドの両方に対応しています。

デザイン・アート分野

デザインやアートの分野でも、3次元加工機がクリエイティブな表現を可能にしています。
具体的には彫刻作品や展示モデル、試作品の製造において、3Dモデリングマシンやレーザー加工機が多く利用されています。アンダーカット加工を含む複雑な形状の再現が可能で、アーティストやデザイナーの創造性を最大限に引き出します。
さらに建築模型やプロトタイプ製作では3次元加工機を使うことで、細部まで正確に再現された高品質なモデルを短期間で製作可能です。

3次元加工機を導入するメリットや課題、注意点

３次元加工機を導入する際には、以下のように進めます。

3次元加工機の導入では、多くのメリットがある一方で、課題や注意点も存在します。
ここでは導入によって得られる効果と注意すべき点について解説します。

3次元加工機を導入するメリット

生産性の向上

3次元加工機の導入による大きなメリットの1つは生産性の向上です。
3次元加工機は複雑な形状や高精度を要求される部品を自動で加工することができ、従来の手作業やシンプルな加工機よりも格段に効率的です。

例えば複数の加工工程を必要とする部品製造も、マシニングセンタのような多機能な3次元加工機を使用すれば、1台で一連の作業を完結できます。これにより工程間の時間を短縮し、全体の作業効率を向上させることが可能です。

コスト削減

3次元加工機の導入には、コスト削減の面でも大きな利点があります。

高い精度と再現性により不良品の発生を抑えられるため、材料の無駄を減らせます。
また自動化されたプロセスを導入することで、熟練作業者を必要としないケースも増え、人件費の削減も期待できます。

特に少量生産やカスタム製品を製造する場合、3Dモデリングデータを直接使用して柔軟に対応できるため、試作や個別注文の多い業種では大きなメリットを享受できます。

3次元加工機の導入に伴う課題・注意点

3次元加工機の導入にはメリットが多い一方で、以下のような課題も存在します。

導入コスト

まず最大の障壁となるのは初期費用です。
高性能な3次元加工機は数百万円から数千万円に及ぶ場合があり、これに加えて設置や環境整備のコストもかかります。特に中小企業にとってはこれが導入の判断を迷わせる要因となり得ます。

必要なスペースと設置条件

3次元加工機を導入する際には設置スペースもよく確認する必要があります。
3次元加工機は大型になる場合が多く、十分な設置スペースを確保する必要があります。

また加工機の動作中には振動や騒音が発生することがあるため、設置場所の周囲環境も重要なポイントです。
例えば住宅地やオフィスに近い場所の場合、防音設備や振動対策が求められます。
さらに3次元加工機が必要とする電源容量や冷却装置など、付帯設備の確認も忘れてはなりません。
特に高性能なマシニングセンタや放電加工機では、大容量の電源や冷却システムが必要となるケースが多いため、設備環境の整備が導入前の重要な準備項目となります。

専門知識の必要性

さらに3次元加工機の運用には専門知識が必要です。
複雑な加工を行う場合にはプログラムミスが製品品質に直結するため、CNC加工機やマシニングセンタの操作には、CAD/CAMソフトウェアの使用やプログラミングスキル等が求められます。研修やトレーニングを実施する体制を作りましょう。

また、トラブルが発生した際に迅速に対応できる技術者の配置や、外部のサポートを活用することもポイントです。機械の稼働率を高く維持し、計画通りの生産を実現することが可能になります。

メンテナンスとサポート体制

3次元加工機を効果的に運用するためには、以下のように、適切なメンテナンスと運用体制の確立が不可欠です。

定期点検

定期的な点検が機械の性能を保つために必要です。

例えば潤滑油の補充や工具の摩耗状態のチェック、主要部品の清掃などを定期的に実施することで、機械の寿命を延ばすことができます。これを怠ると加工精度の低下や予期せぬ故障が発生し、結果的に修理費用がかさむことになります。

トラブルへの迅速な対応

運用中のトラブルへの迅速な対応も重要です。

機械の異常を早期に検知するためには、IoT技術を活用して稼働状況をリアルタイムでモニタリングする方法が有効です。これにより稼働効率を最適化しつつ、問題発生時には迅速に対策を講じられます。
さらに長期運用を考慮したサポート契約の締結も推奨されます。メーカーや販売代理店との保守契約を結ぶことで、トラブル時の迅速な修理や部品調達が容易になり、こうした体制を整えることで、安心して3次元加工機を運用することができるでしょう。

3次元加工機と3Dプリンターの違い

3次元加工機と3Dプリンターは、3次元データを使用して製品を作る点では共通していますが、以下のように加工方式をはじめさまざまな違いがあります。

	３次元加工機	3Dプリンター
加工方式	除去加工	加法加工
対応可能な素材	主に金属	主に樹脂だが金属を含め多くの素材に対応できる場合も
設計自由度	複雑であるほど治具や追加加工などが必要に	複雑な形状や内部に空洞がある設計などが得意
少量生産・大量生産	大量生産向き	どちらかと言うと少量生産向き
加工精度	ナノレベル	マイクロレベル（機種による）
運用の手軽さ	専門性が求められる	操作が比較的簡単で導入しやすい
設置要件	専用スペース必要、騒音・振動対策必要	機種によるが比較的省スペース

ここでは、３次元加工機と3Dプリンターの違いを説明します。

加工方式の違い

3次元加工機は「除去加工」と呼ばれる方式を採用しており、金属や樹脂などの素材を削り出して目的の形状を作ります。一方で3Dプリンターは「加法加工」と呼ばれる方式を採用しており、素材を層ごとに積み重ねて立体物を形成します。

対応可能素材の違い

3次元加工機は硬度の高い金属(チタンやステンレスなど)を直接加工できる点が強みです。

一方、3Dプリンターは、主に樹脂に対応可能ですが、機種によって金属粉末、バイオ材料などさまざまな素材に対応しています。また、3Dプリンター用に開発された特殊素材を使って金型を造形することで、これまでは3Dプリンターの素材として扱うことができなかった材料でも短い納期で簡単に製品や試作品を作成できるようになりました。

BMF Japan 株式会社では、最終的に熱アルカリで溶かすことができる「可溶性犠牲樹脂」を開発しました。
一般的な金型は最終製品を金型から取り外す必要があるため、金型から取り出すことのできない複雑な構造や微細な構造は作成できません。しかし、可溶性犠牲樹脂で作成した金型は熱アルカリで、溶かして最終製品を取り出すことができるので、より微細な構造の部品や製品を作成可能になりました。

【参考動画】

引用：犠牲樹脂と射出成形のプロセス

可溶性犠牲樹脂については、以下の記事で詳しく解説しています。

また、3Dプリンターに利用される素材については以下の記事を参考にしてください。

設計自由度の違い

加法加工である3Dプリンターは、複雑な内部構造や曲面形状を持つ部品の製造が得意です。例えば内部に空洞がある部品など、従来の加工方法では特別な治具や追加加工が必要な難しい形状でも簡単に作成できます。特に高精度3Dプリンターでは、マイクロレベルの微細な造形も可能です。

この設計の自由度は、プロトタイピングやカスタムデザインにおいて非常に重宝されています。

少量生産向けか大量生産向けか

3Dプリンターはデータを直接読み込んで加工を行うため、型や工具が不要です。これにより、試作品の製造や少量生産を短時間かつ低コストで実現でき、特に新製品の開発プロセスでは、試作段階での柔軟な設計変更に対応できる点が大きなメリットです。

一方で3次元加工機は高い生産速度を持ち、大量生産ラインでも効率的に運用できます。
ただし量産でも、カスタマイズ品や、すぐに製造を開始したい場合、需要の変動に柔軟に対応する必要がある場合など、3Dプリンターで量産を進めた方が効率が良い場合もあります。

3Dプリンターによる量産については、以下の記事を参考にしてください。

加工精度の違い

3次元加工機はナノメートル単位の精度で素材を削ることが可能です。

3Dプリンターは機種によりさまざまですが、マイクロレベルの造形を得意とする高精度なものもあります。
たとえばBMF Japan 株式会社の超精密3DプリンターmicroArch®シリーズは、優れた光学解像度（2μm・10μm）と、産業用途で±10μm・25μmの公差で制御可能な技術によって、複雑微細加工の部品製作に貢献します。もちろん、大きな設計変更にも迅速に対応可能です。

高性能3Dプリンターについては、以下の記事も参考にしてください。

また、3Dプリンタ―を活用した微細加工については、以下の記事を参考にしてください。

運用の手軽さの違い

３次元加工機の運用には専門性が求められる反面、3Dプリンターは操作が比較的簡単で、初めて導入する企業でも取り扱いやすい点が魅力です。

設置要件の違い

一般的な3Dプリンターは3次元加工機に比べて、コンパクトで消費電力も少ない傾向があります。

3Dプリンターの導入を迷われている場合には、3Dプリントサービスを活用し検討してみるのもおすすめです。

まとめ

3次元加工機は高精度で複雑な形状の加工を可能にし、さまざまな業界で活躍する重要な機械です。一方、導入には初期費用やスキル要件、メンテナンスの手間などの課題もあり、3Dプリンターも併せて検討することをおすすめします。

BMF Japan株式会社の「microArch®シリーズ」は、優れた光学解像度（2μm・10μm）と、産業用途で±10μm・25μmの公差で安定的に制御できる、世界初の3Dプリンターです。
従来の切削加工や金型では難しい複雑で微細な試作を実現でき、医療分野をはじめ、マイクロ流体、マイクロメカニクス、MEMS、科学研究など様々な分野で、精度や予算等、重視したいポイントに合わせた製品のご提案を行っております。
複雑な形状の部品や試作品の製作、また高精細・高精度3Dプリンターの導入をご検討の際は、3D試作・造形サービスの実績が豊富なBMF Japanにご相談ください。