ハイブリッド製造：積層造形と切削加工を組み合わせたCNC加工

数十年にわたり、この議論は競争として捉えられてきた。 3D 印刷とCNC加工、加算と減算、積層とチップごとの加工。航空宇宙、エネルギー、医療など、最も多くの材料を扱う産業は、両者を組み合わせることで、この議論にほぼ決着をつけています。ハイブリッド製造とは、単一の機械内で、加算プロセスと減算プロセスを組み合わせて、どちらのプロセスも単独では製造できない部品を製造することです。このガイドでは、ハイブリッド製造が実際には何であるか、純粋な加算ワークフローや純粋な減算ワークフローとどのように比較されるか、最も強い足場を築いている分野、そして STYLECNC 金型フライス加工能力が適合します。 3D 印刷とCNC彫刻の比較入門については、以下を参照してください。 3D プリンター対 3D CNCルーターの比較.

ハイブリッド製造とは？

ハイブリッド製造は、積層造形（3D 積層造形（3Dプリンティングまたは金属蒸着）と切削加工（CNC加工）を単一のワークフローまたは単一の機械に統合します。積層造形工程では金属粉末または金属線からニアネットシェイプ形状を構築し、切削加工工程では重要な表面、内部形状、および厳しい公差寸法を同じセットアップで仕上げます。

ハイブリッド製造には主に2つの形態があります。1つ目は単一機械ハイブリッドで、積層造形ヘッドとCNCフライス盤スピンドルが同じ筐体、同じ軸、同じ加工領域を共有します。DMG MORI Lasertec 65 3DMazak Integrex i-400AM、Okuma LASER EXが最もよく挙げられる例です。2番目はワークフローハイブリッドで、 3D プリンターで部品を製造し、別のCNCマシンで仕上げる。どちらの工程も連続的なパイプラインとして管理される。業界文献では、これらの形態はいずれもハイブリッド製造に分類される。

特徴は意図です。 3D 片隅にプリンター、もう片隅にフライス盤があるからといって、必ずしもハイブリッド製造を行っているとは限りません。部品を設計する際に、一部の形状はニアネットシェイプで印刷し、他の形状は公差に合わせて機械加工するという前提で設計を行う工場は、2つの工程が単一の機械を共有しているかどうかに関わらず、ハイブリッド製造を行っていると言えます。

加法、減法、ハイブリッド：決定版比較

以下の表は、生産環境におけるプロセス選択を左右する要因に基づいて、3つのアプローチを比較したものです。この比較は、選択肢を検討している購入者にとって、注目の的となるよう作成されています。

最も顕著な違いは、材料費対加工費比です。従来のチタン製航空宇宙用ブラケットの切削加工では、材料の95%が切削屑として除去されるため、材料費比は20:1にも達します。一方、ハイブリッド製造では、まずニアネットシェイプの形状を製作し、次に重要な表面のみを加工するため、材料費比は1:1に近くなります。1キログラムあたり数百ドルもするニッケル超合金やチタンの場合、この材料費の削減だけでも、多くの航空宇宙およびエネルギー関連企業にとって設備投資に見合うだけの価値があります。

ハイブリッド製造の仕組み

ハイブリッド製造は、3つのコア技術を組み合わせたものです。すなわち、積層造形システム、CNC加工システム、そして両方のプロセスを同じ部品モデルに基づいてプログラミングする統合型CAD/CAMソフトウェアです。

指向性エネルギー蒸着プラス五軸ミーリング

主流の工業パターンは、指向性エネルギー堆積（DED）と5軸フライス加工を組み合わせたものです。レーザーまたは電子ビームが同軸ノズルを通して供給される金属粉末またはワイヤを溶融し、ニアネットシェイプの形状を層状に形成します。その後、同じ機械が堆積ヘッドからフライス加工スピンドルに切り替わり、重要な表面を公差に合わせて仕上げます。DMG MORI Lasertec 65 3D そして、Mazak Integrex i-400AM はリファレンス実装です。業界の報道によると、Lasertec 65 3D 直径500mmまでの部品に対応し、5軸材料堆積と5軸フライス加工を単一の筐体内で組み合わせます。

粉体床溶融結合＋切削仕上げ

2番目のパターンでは、粉末床溶融結合（PBF）を使用して部品を1台の機械で印刷し、その後それを CNCミル 仕上げ加工の場合、このワークフローは統合型機械の設備投資コストを回避できるため、小規模工場でより一般的に採用されています。ただし、工程間の部品の取り扱いと再固定が必要になるというデメリットがあります。マツウラ・ルメックスとソディックのOPMプラットフォームは、より小型で複雑な部品向けに、このワークフローを1台の機械に集約しています。

ワイヤーアーク積層造形とCNCフライス加工

ワイヤアーク積層造形（WAAM）は、溶接式のヘッドを使用して粉末ベースの方法よりもはるかに高速に材料を堆積させ、仕上げには五軸フライス加工と組み合わせることが多い。マザックのVariaxis j-600AMはこの方式を採用している。WAAMは、微細な解像度よりも堆積速度が重要な航空宇宙やエネルギー分野の大型構造物に好まれている。各パターンは、ニアネットシェイプを効率的に構築し、その後精密加工を行うという、同じ基本的な設計思想を共有している。

3つのパターンからどれを選ぶかは、部品のサイズ、材料、精度要件によって決まります。5軸フライス加工によるDEDは、部品直径が200mmを超え、チタンやニッケルの超合金が使用される航空宇宙および大型エネルギー部品で主流となっています。減法仕上げによるPBFは、表面のディテールが造形速度よりも重要な200mm以下の小型で複雑な部品に対応します。CNCフライス加工によるWAAMは、堆積速度が重要な要素であり、表面仕上げの要件が中程度の非常に大きな構造部品に適しています。ほとんどの生産グレードのハイブリッドショップでは、最終的にはこれらのパターンのうち複数を採用し、すべての部品を同じ機械で処理するのではなく、部品に合わせてプロセスを選択します。

産業用途：航空宇宙、エネルギー、医療、MRO（保守・修理・運用）

ハイブリッド製造は、それぞれに特有の経済的または技術的な推進要因を持つ4つの分野で最も確固たる地位を築いている。

航空宇宙

航空宇宙産業は、ハイブリッド製造を大規模に導入した最初の産業です。エンジンブラケット、タービンブレード、構造継手、ロケットエンジン部品などが代表的な用途であり、特にチタンやニッケルの超合金が用いられています。製造技術センターの研究では、複雑な航空宇宙部品の製造コストが、従来の切削加工法と比較して23～47%削減されることが実証されています。DMG MORI Lasertec 6600 DEDハイブリッドは、ロケットエンジン部品を含む大型ワークピース向けに特化して設計されています。

エネルギー

エネルギー生産者は、石油井戸パイプ、タービンブレード、バルブ本体、大型シャフトなどの製造において、ハイブリッド製造技術を採用しています。これは、低コストの基材に耐摩耗性構造を積層し、その後機械加工を行うためです。パイプラインや坑内工具の修理は、主要な用途の一つとなっています。摩耗した高価な部品にDED（指向性エネルギー堆積）技術で新しい材料を積層し、元の仕様に機械加工で復元します。交換部品の価格が50,000万ドル以上するのに対し、ハイブリッド技術による修理費用はその数分の一で済むため、経済的なメリットは非常に大きいと言えます。

医療

医療機器製造では、患者個々のニーズに合わせたインプラント、手術器具、歯科補綴物などにハイブリッドワークフローが用いられています。チタン製の股関節および膝関節インプラントは、骨との統合を促進する多孔質積層構造と、鏡面仕上げに研磨された機械加工接触面を組み合わせることで、優れた効果を発揮します。ハイブリッド製造は、患者一人ひとりの症例が異なり、従来の製造方法では経済的に成り立たない頭蓋顎顔面領域における迅速なカスタマイズにも役立ちます。

メンテナンス、修理、オーバーホール (MRO)

MRO（保守・修理・オーバーホール）は、長年の修理コスト問題を解決するハイブリッドアプリケーションとして、最も急速に成長しています。摩耗したジェットエンジンのブレード、ギアボックスのハウジング、金型キャビティ、ポンプ部品などは、損傷箇所に新しい材料を堆積させ、その後、修理面を元の公差に機械加工することで修復できます。マザックのVariaxis j-600AMは、ワイヤアーク積層造形と5軸切削加工を単一のセットアップで組み合わせることで、特に航空宇宙部品、金型、ダイ、石油掘削部品などの加工に適しています。

4つの業種すべてに共通する傾向として、ハイブリッド製造は部品単価が高く、従来の手法が通用しない分野で成功するという点が挙げられる。航空宇宙産業とエネルギー産業は材料費が最も高く、医療産業はカスタマイズ要求が最も高く、MRO（保守・修理・運用）産業は部品交換の選択肢が最も高価である。一般消費財、汎用自動車部品、大量生産アルミニウム加工など、これらの特徴を持たない産業では、ハイブリッド製造の導入ペースは同程度ではない。材料費が安く、生産量が多く、部品の互換性が高い場合、経済的にハイブリッド製造は有利にならないためである。

意思決定マトリックス：ハイブリッド製造が理にかなう場合

以下のマトリックスを、特定の部品や生産シナリオにおいて、ハイブリッド製造が純粋な積層造形や純粋な切削加工よりも適切かどうかを評価する際の出発点となる枠組みとして使用してください。

このマトリックスはあくまで出発点となる枠組みであり、最終的な答えではありません。個々の部品の経済性は、機械の稼働状況、プログラマーの専門知識、購入時の材料費、および顧客固有の品質要件によって異なります。あらゆるシナリオに共通する傾向として、材料費が高く、形状が複雑で、生産量が少量から中量の場合にハイブリッド方式が有利になります。

金型製造：ハイブリッド技術の融合 STYLECNC 機能

金型製造は、あらゆるハイブリッド製造の推進要因が交わる領域に位置しています。金型キャビティは幾何学的に複雑で、材料は高価な工具鋼であり、生産量は少なく（設計ごとに1～数個の金型）、顧客は機械加工でしか実現できない表面仕上げを要求します。射出成形時の熱挙動を制御するために金型全体に張り巡らされたコンフォーマル冷却チャネルは、まさにハイブリッド製造の典型的な例です。従来の方法では穴あけ加工が不可能で、積層造形は容易ですが、精密フライス加工でしか仕上げることができません。

STYLECNC 工業用金型フライス加工能力は、この方程式の減算的な部分を中心に構築されている。 CNC金型製作機カテゴリ 焼入れ工具鋼、アルミニウム金型、大型多キャビティ生産金型用の全自動金型フライス盤が含まれます。従来通り金型を製造し、ハイブリッドワークフローを検討している工場にとって、 STYLECNC 金型製作用全自動CNCフライス盤 外部の積層造形システムによって製造されたニアネットシェイプの金型キャビティの仕上げ工程を処理する。

その 五軸CNC機械カテゴリー この機能は、ハイブリッド金型仕上げに必要な多軸表面加工、特にコンフォーマル冷却ツール面や複雑なキャビティ形状への加工に拡張されます。 STYLECNC 自動工具交換装置付きCNC成形機 複数のツールと操作が単一のセットアップを通して順次実行される生産環境において、全体像を完成させ、従来は加算加工と減算加工の工程を分けていた処理作業​​を削減します。

航空宇宙、エネルギー、医療、MRO（保守・修理・オーバーホール）分野の企業が、純粋な切削加工からハイブリッドワークフローへと移行する場合、まず切削加工部分をアップグレードするのが現実的な出発点となります。自動工具交換装置と検証済みのポストプロセッサを備えた高性能な5軸加工センターは、サードパーティベンダーの積層造形システムとスムーズに統合できるため、企業は初日から100万～200万ドルを投じて単一マシンの統合システムを導入することなく、ハイブリッドワークフローをテストできます。

段階的導入パスは通常3つのフェーズで進行します。フェーズ1では 3D-従来のCNC金型フライス加工と並行してプリントされた治具、固定具、ソフトジョーにより、部品製造​​プロセスを変更することなく、工具にかかる時間とコストを削減します。フェーズ2では、既存のプロトタイプおよび少量生産部品用のスタンドアロン金属積層造形システムを追加します。 CNCマシン 仕上げ工程は手動搬送で処理します。フェーズ3では、統合された単一機械ハイブリッドシステムを導入するか、2台の機械によるワークフローを、プログラミング、スケジューリング、品質管理を共有する生産パイプラインとして正式に確立します。各フェーズには測定可能な効果があり、この方法を採用する工場は、実際にどの部品にハイブリッドシステムが必要かを理解する前に単一機械ハイブリッドシステムを購入する工場よりも、ハイブリッドシステムへの投資判断を的確に行える傾向があります。

用語集：ハイブリッド製造用語

ハイブリッド機を比較検討する際、ベンダーと話し合う際、または業界の技術文書を確認する際には、この資料を参考にしてください。

よくある質問

ハイブリッド製造は、従来のCNC加工に取って代わるだろうか？

いいえ。Practical Machinist誌の「積層造形が切削加工に与える影響」スレッドでの議論は、業界全体の共通認識を反映しています。すなわち、ハイブリッド加工は、一般的な材料の大量生産において切削加工に取って代わるものではありません。ハイブリッド加工は、複雑な形状、高価な合金、高付加価値部品の修理など、純粋な切削加工では経済的に製造できない部品を扱うことで、切削加工を補完するものです。ほとんどの生産工場は、ハイブリッド加工機能を追加したとしても、専用のCNCマシンを引き続き運用していくでしょう。

ハイブリッド製造機の価格はいくらですか？

DMG MORI Lasertec 65のような単体ハイブリッドシステム 3D VoxelMattersとModern Machine Shopの業界レポートによると、Mazak Integrex i-400AMは1台あたり100万～200万米ドルと報じられている。別の積層造形システムから別のCNCマシンに部品を供給するワークフローハイブリッド構成は、段階的に構築するコストが大幅に削減されるが、マシン間の部品の受け渡しを管理するために綿密なプロセス計画が必要となる。

ハイブリッド製造に最適な材料は何ですか？

ハイブリッド製造に関する文献で最も多く取り上げられている材料は、チタン、ニッケル超合金（インコネル625および718）、工具鋼（H13、P20）、ステンレス鋼である。ニアネットシェイプ積層造形による材料費削減効果は、材料1キログラムあたり数百ドルという価格帯で最も顕著に現れるため、経済的な観点からは高価な材料が有利となる。アルミニウムは安価であるため、従来の機械加工が経済的であることから、アルミニウムを用いたハイブリッド加工はあまり一般的ではない。

ハイブリッド製造技術は、摩耗した部品の修理に有効か？

はい、MRO（保守・修理・オーバーホール）は、ハイブリッド技術の最も急速に成長しているユースケースの一つです。SME誌やModern Machine Shop誌の業界記事では、マザックのVariaxisプラットフォームを使用して、摩耗したジェットエンジンのブレード、金型キャビティ、石油掘削部品に新しい材料を堆積させ、その後、修理された表面を元の公差に機械加工で戻す事例が紹介されています。ハイブリッド技術による修理コストは、通常、元の部品を交換するコストのほんの一部であるため、経済的にメリットがあります。

ハイブリッド製造にはどのようなソフトウェアが必要ですか？

同一モデル内で積層造形と切削加工の両方のプログラミングに対応できるCAD/CAMプラットフォームが求められています。シーメンスNXハイブリッドCAD/CAM、積層造形モジュールを搭載したオートデスクPowerMill、そしてDMG MORI CELOSなどの機械メーカー独自のソフトウェアが市場を席巻しています。ハイブリッドマシンのプログラミングには、積層造形パラメータと従来のCAMの両方に関する専門知識が必要であり、これは業界導入調査で指摘されている主要な人材課題の一つです。

受託製造業者にとって、ハイブリッド製造は採算が取れるのだろうか？

作業内容によって異なります。中小企業や積層造形業界誌などの業界情報源によると、ハイブリッド方式は、航空宇宙、エネルギー、医療、MROなどの分野で、高価な材料を少量から中量生産する工場で最も早く投資回収できるとされています。アルミニウムや軟鋼などの一般的な金属を大量生産する工場では、設備投資を正当化できるケースはほとんどありません。一般的な参入戦略としては、 3D従来のものに加えて、プリントされた治具とソフトジョー CNC 統合型ハイブリッドハードウェアへの投資を行う前に。