アディティブ・マニュファクチャリングとサブトラクティブ・マニュファクチャリングの違い、メリット、そして最適な加工方法の選び方

付加製造と切削加工の比較：それぞれの特徴と違い

（AI生成）CNC加工と付加製造

切削加工は、まず金属や樹脂などの素材ブロックを用意し、不要な部分を削り取ることで最終的な部品形状を作り出します。 一方、付加製造は材料を一から積層して部品を形成します。

両者は同じ形状の部品を製造できますが、加工方法の違いによって、コスト、納期、実現可能な精度、設計変更への対応方法は大きく異なります。

付加製造と切削加工には、それぞれ異なるメリットがあります。 最適な加工方法は、部品形状、生産数量、必要な性能要件によって決まります。 本記事では、両者の特徴を詳しく解説し、目的に応じた最適な製造方法を選択できるようにご紹介します。

切削加工（Subtractive Manufacturing）とは？

（AI生成）切削加工の仕組み

切削加工とは、完成品よりも大きな素材から不要な部分を除去し、設計図通りの形状へ加工する製造方法です。

CNCフライス加工、旋盤加工、穴あけ加工、研削加工などが代表的な切削加工技術であり、加工中に発生する切削くずを除去しながら最終形状を形成します。

切削加工の仕組み

切削工具は制御された加工経路に沿って移動し、ワークから材料を物理的に削り取ります。

CNC工作機械では、CADデータをもとに生成されたCAMプログラムによって工具経路が制御され、素材を段階的に加工して最終形状へ仕上げます。

代表的な切削加工プロセス

CNCフライス加工では、回転する切削工具を使用して材料を除去します。 固定されたワーク、または移動するワークに対して工具を制御し、ポケット加工や平面加工など、幅広い形状の加工に対応します。

CNC旋盤加工では、ワークを回転させながら固定された切削工具を当てることで加工を行います。 シャフト、ブッシュ、円筒形状部品などの製造に広く利用されています。

研削加工は、非常に微細な切削を繰り返すことで、高い寸法精度と優れた表面仕上げを実現する加工方法です。

放電加工（EDM）は、物理的な切削工具ではなく、電気放電によって材料を除去する加工技術です。 特に、高硬度材料や通常の工具では加工が困難な複雑な内部形状の加工に適しています。

切削加工で使用される材料

切削加工では、加工時の切削力に耐えられる十分な剛性を持つ、ほぼすべての工業材料を使用できます。

代表的な材料には、 アルミニウム、ステンレス鋼 、 チタン、真鍮、さらにPOM、PEEK、ナイロンなどのエンジニアリングプラスチックがあります。

ただし、切削加工ではあらかじめ棒材、板材、ビレットなどの素材形状が必要となるため、材料の入手性や加工性も重要な選択要素になります。

付加製造（Additive Manufacturing）とは？

（AI生成）付加製造の仕組み

付加製造とは、切削加工とは逆の発想による製造方法です。

素材ブロックから不要部分を削り取るのではなく、デジタルデータをもとに材料を一層ずつ積み重ね、ゼロから部品を形成します。

開始時点で大きな素材を必要とせず、設計で指定された部分にのみ材料を配置するため、材料ロスを大幅に削減できます。

付加製造の仕組み

3Dプリンターは、3D CADモデルを薄い水平断面へスライスし、そのデータに基づいて材料を一層ずつ積層して部品を完成させます。

使用される材料や方式によって、溶融フィラメント、光硬化樹脂、レーザーによる金属粉末溶融など、さまざまな造形技術があります。

一般的には下から上へ造形を進め、各層が前の層と結合することで最終的な部品形状を形成します。

代表的な付加製造技術

FDM（熱溶解積層法）は、溶融した樹脂フィラメントをノズルから押し出して積層する方式で、最も普及している3Dプリント技術の一つです。

SLA（光造形方式）は、液状樹脂を光で硬化させることで、高精細な造形と滑らかな表面品質を実現します。

SLS（選択的レーザー焼結）は、粉末状のナイロン材料をレーザーで焼結する方式です。 造形中は未焼結粉末が部品を支えるため、通常はサポート材を必要としません。

DMLS（金属レーザー焼結）やバインダージェッティングなどの金属積層技術は、付加製造の用途を金属部品へ拡大しています。 航空宇宙部品、医療用インプラント、高性能機械部品などにも活用されています。

付加製造で使用される材料

付加製造では樹脂材料が最も一般的に使用され、PLA、ABS、PETG、ナイロンなどが代表例です。 また、高性能用途ではPEEKなどのエンジニアリングプラスチックも利用されています。

光硬化樹脂には、標準タイプから高強度・耐熱性を備えた工業向け材料まで、用途に応じたさまざまな種類があります。

さらに近年では、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、インコネルなどの金属粉末を使用した産業用付加製造も普及しています。 ただし、これらの設備コストは一般的なデスクトップ3Dプリンターより大幅に高くなります。

付加製造と切削加工の主な違い

設計自由度と形状の複雑性

付加製造と切削加工の最大の違いは、設計自由度にあります。

切削加工では、工具が加工対象へ物理的にアクセスする必要があります。 そのため、内部ラティス構造、完全に密閉された内部流路、複雑なアンダーカット形状などは、加工方法や工具経路によって制限されます。

一方、付加製造では工具によるアクセス制限がありません。 部品内部を通る複雑な冷却流路、軽量化と強度を両立するラティス構造、トポロジー最適化によって生成された有機的な形状など、従来の切削加工では実現が困難だった設計をそのまま製造できます。

加工精度と表面仕上げ

CNC加工による部品は、加工直後から滑らかな表面品質と高い寸法精度を実現できます。 多くの場合、追加加工を行わなくても数百分の1mmレベルの精度を達成可能です。

一方、付加製造では積層による加工痕が残るため、造形直後の表面には層状のラインが見られる場合があります。

高精度な寸法公差や優れた表面仕上げが必要な場合は、研磨、ブラスト処理、切削による二次加工などの後処理が必要になることがあります。

材料利用率と材料ロス

例えば、切削加工では5kgの金属ブロックから1kgの完成部品を製造する場合、残りの4kgは切削くずとして発生します。

これは切削加工の欠点というより、加工原理上発生する特徴です。 そのため、材料費や廃棄処理コストは、除去する材料量によって大きく変化します。

付加製造では、必要な部分にのみ材料を積層するため、基本的には材料効率が高くなります。 特に、切削加工では大量の材料除去が必要になる複雑形状の部品では、材料使用量を大幅に削減できます。

生産速度と量産性

単品または少量の試作品であれば、付加製造と切削加工のどちらも比較的短期間で対応できます。

内部形状と外部形状における加工制限

切削加工では、外側形状や工具がアクセス可能な内部形状については高い精度で加工できます。

しかし、完全に密閉された内部構造、内部で複雑に連結された流路、素材内部に配置されたラティス構造などは、通常の切削加工では製造が困難です。 これらを実現する場合、部品を分割して加工後に組み立てるなどの対応が必要になります。

一方、付加製造では、周囲の材料やサポート材、SLS方式での未焼結粉末などを利用しながら造形を進めるため、複雑な内部構造を一体成形できます。

サイズと形状制約の比較

切削加工では、CNC工作機械の加工エリアが製造可能な最大サイズを決定します。 大型部品の場合、複数回の段取り変更や大型加工設備が必要になる場合があります。

付加製造でも同様に、3Dプリンターの造形サイズによって製造可能な寸法が制限されます。

ただし、大型産業用3Dプリンターを使用すれば大きな部品の造形も可能ですが、設備コストや運用面で新たな課題が発生します。

設計要件と生産条件が製造方法の選択に与える影響

部品形状と設計の複雑性

内部構造がなく、工具が複数方向からアクセス可能なシンプルな形状の部品は、切削加工によって効率的かつ高精度に製造できます。

一方、複雑な内部構造、有機的な形状、トポロジー最適化によって生成された設計などは、切削加工では製造が困難、またはコストが高くなるため、付加製造が適しています。

精度と表面仕上げの要求

厳しい寸法公差や、加工直後から高品質な表面仕上げが必要な用途では、切削加工が一般的に適しています。

一方、多少の寸法差が許容される場合や、後処理工程を前提とする場合は、付加製造のメリットを最大限活用できます。

材料特性と機械的性能

切削加工では、鍛造材や鋳造材など、材料特性が十分に確立された素材を使用できます。 そのため、均一な機械的特性を持つ部品を安定して製造できます。

付加製造では、積層方向によって強度特性が変化する場合があります。 特に荷重がかかる部品では、積層方向や造形条件を考慮した設計が重要になります。

生産数量・コスト・納期

少量生産かつ高複雑度の部品では、付加製造が有利になる傾向があります。

一方、大量生産かつ比較的シンプルな形状の部品では、段取り費用を分散でき、加工サイクルも短縮できる切削加工が有利です。

中間領域では、材料、形状、精度要求、納期などの条件によって最適な製造方法が変わります。

付加製造と切削加工におけるコスト比較

試作品製造のコスト

単一の試作品を製造する場合、付加製造は多くの場合、低コストかつ短納期で対応できます。

専用金型が不要で、データを準備すればすぐに造形を開始できるため、設計変更にも柔軟に対応できます。

一方、複雑な試作品を切削加工で製造する場合、プログラム作成や段取り作業のコストが1個の部品に集中するため、費用が高くなる場合があります。

少量生産におけるコスト

少量生産では、付加製造と切削加工のどちらが有利かは一概には決められません。

部品形状、使用材料、必要精度、生産数量によって、最適な加工方法は変化します。

大量生産におけるコスト

大量生産では、切削加工がより経済的になるケースが多くあります。

段取り費用を複数部品へ分散でき、加工時間を最適化できるため、1個あたりの製造コストを低減できます。

また、幅広い材料選択肢があり、量産用途で求められる材料特性にも対応しやすい点がメリットです。

主なコスト要因

切削加工の場合：
加工時間、材料ロス、工具、治具、加工プログラムの複雑性などが主なコスト要因になります。

付加製造の場合：
造形時間、材料単価、後処理工程、人件費などが主要なコスト要因になります。

ハイブリッド加工：付加製造と切削加工の組み合わせ

ニアネットシェイプ部品の造形

一部の部品では、まず付加製造によって最終形状に近い状態まで造形し、その後、精度が必要な部分のみ切削加工で仕上げます。

この方法では、複雑形状を実現できる付加製造のメリットと、高精度加工が可能な切削加工のメリットを両立できます。

重要部分へのCNC仕上げ加工

ベアリング穴、接合面、ねじ穴など、高い寸法公差が必要な部分は、3Dプリント後にCNC加工で仕上げる方法が一般的です。

これは、どちらか一方の加工方法を選択するのではなく、それぞれの長所を活かす実用的な製造方法です。

代表的なハイブリッド加工フロー

一般的な工程では、まず3Dプリンターで部品を造形します。 その後、必要に応じてサポート材除去や後硬化処理を行い、CNC加工によって精密部分を仕上げます。

この方法は、治具、固定具、金型関連部品など、全体形状には高精度が不要で、一部だけ精密加工が必要な用途で広く利用されています。

しかし、生産数量が増加すると両者の特性は大きく異なります。

CNC加工 では、単純形状の部品を高速加工でき、多軸加工機を活用することで段取り回数を削減し、量産にも適しています。

一方、付加製造では1個あたりの造形時間は数量によって大きく変化しません。 ただし、造形スペース内に複数部品を同時配置できるため、小ロット生産では効率的な場合があります。

コスト構造と製造効率

切削加工では、専用金型を必要とせず、CNC加工用のプログラムや段取り費用を複数部品へ分散できるため、生産数量が増えるほど1個あたりのコストを低減できます。

付加製造も金型投資を必要としない点が大きなメリットです。 特に試作品や少量生産では、初期費用を抑えられるため有利です。

ただし、生産数量が増加しても各部品ごとに造形時間が必要となるため、大量生産では切削加工ほど大きなコスト低減効果は得られません。

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製造上の制約と設計上の注意点

付加製造における設計制約

付加製造では、一定以上の角度を持つオーバーハング形状では、造形中に下部を支えるサポート材が必要になります。 一般的には約45度を超える傾斜では、変形や造形不良を防ぐための対策が必要です。

また、積層方向によって強度特性が異なる点にも注意が必要です。 一般的に、Z方向（積層間方向）はX-Y方向よりも強度が低くなる傾向があります。

さらに、造形可能な最大サイズは3Dプリンターのビルドボリュームによって制限されます。 大型部品の場合、複数パーツに分割して製造後に接合する必要があります。

切削加工における設計制約

切削工具が物理的に到達できない内部形状は、加工が困難または不可能になります。

その場合、複数方向からの段取り加工、部品分割、または設計変更によって対応する必要があります。

また、一般的な切削工具は円形であるため、内部角部には工具径によるR形状が発生します。 完全な直角内部コーナーの加工は基本的に困難です。

深く狭いポケット形状では、工具のたわみや加工速度低下により、加工コストが増加する場合があります。

付加製造と切削加工の活用分野

ラピッドプロトタイピングと製品開発

付加製造は、製品開発初期段階における試作品製作で広く利用されています。

専用金型が不要で、設計変更も新しい3Dデータを作成するだけで迅速に反映できるため、開発サイクルの短縮に大きく貢献します。

一方、切削加工は、試作品が実際の量産材料や製造工程と同等の性能を求められる段階で重要になります。

ラピッドプロトタイピングガイド もご覧ください。

量産部品と機械部品

切削加工は、現在でも多くの機械部品製造における標準的な加工方法です。

ブラケット、ハウジング、シャフトなどの部品では、必要な寸法精度、材料特性、生産数量においてCNC加工が優れた性能を発揮します。

航空宇宙・医療・高性能分野

航空宇宙、医療、高性能機器分野では、付加製造と切削加工の両方が活用されています。

付加製造は、軽量化されたトポロジー最適化部品や患者ごとにカスタマイズされた医療機器などに利用されています。

一方、切削加工は、高精度が求められる構造部品や、厳格な材料特性が要求される部品の製造に適しています。

付加製造と切削加工の選択方法

付加製造を選択するケース

以下の条件では、付加製造が適しています。

• 複雑な形状や内部構造が必要
• 少量生産である
• 専用金型や工具投資を避けたい
• 設計変更を頻繁に行う必要がある

切削加工を選択するケース

以下の条件では、切削加工が適しています。

• 厳しい寸法公差が必要
• 加工直後から高品質な表面仕上げが必要
• 特定の金属材料や工業材料を使用したい
• 生産数量が多く、量産によるコスト低減を重視する

ハイブリッド加工を検討すべきケース

部品全体には複雑な形状が必要でありながら、一部に高精度な加工面や寸法公差が求められる場合、ハイブリッド加工が最適な選択肢となります。

付加製造で複雑な基本形状を形成し、重要部分のみCNC加工で仕上げることで、両方のメリットを最大限活用できます。

付加製造と切削加工についてのまとめ

付加製造と切削加工には、それぞれ異なる強みがあります。 どちらか一方が常に優れているわけではありません。

切削加工は、高い寸法精度、幅広い材料対応力、量産時の優れたコスト効率が大きな特徴です。

一方、付加製造は、従来の加工方法では実現困難な複雑形状を製造でき、金型なしで単品・少量部品を迅速に製作できます。

実際の製造現場では、両者を組み合わせたハイブリッド加工によって、より効率的な生産を実現するケースも増えています。

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付加製造と切削加工に関するFAQ