選択的レーザー焼結（SLS）3Dプリンティングは、絶えず変化するワークピースとCNC旋盤との間のインターフェースとして機能するこれらのコレットパッドのような、必要に応じた消耗部品を費用対効果の高い方法で製造するための理想的なソリューションです。

機械加工用治具は、CNC機械加工などのサブトラクティブマニュファクチャリングプロセスで使用され、ワークピースの正確な位置決めと安全な操作を保証するツールです。

治具がCNCフライス加工またはCNC旋盤加工プロセス中に金属またはその他の材料ワークピースを所定の位置に保持するために使用されるワークホールディングデバイスであるのに対し、ジグは切削工具またはフライス工具の移動をガイドする役割を果たします。ジグは工具と一緒に移動しながら、移動経路を正確に維持するのに役立ちます。

ジグは、複雑なCNCシステムを持たず、手動操作によるフライス加工や旋盤加工を使用している小さな工場や作業場でよく見られます。フライス加工用ジグは、故障安全装置として機能し、オペレーターによるエラーの可能性を減らすのに役立ちます。

これらのツールは、以前は金属、木材、またはプラスチックで作られることが多かったのですが、CNCフライス加工や旋盤加工のような切削加工プロセスを通じて何百万もの部品を毎日生産するために使用されており、生産プロセスの効率に大きな影響を与えています。

3Dプリンティング（3Dプリンティング）やコンピュータ支援設計（CAD）のような現代のテクノロジーにより、機械加工用ジグや治具は、コスト削減、特定の用途へのカスタマイズ、材料の無駄の削減、その他多くの利点など、多くの点でさらに改善することができます。

機械加工用治具とジグの紹介

機械加工（Machining）とは？

上記のCNC旋盤加工プロセスでは、旋盤を使用して真鍮製の円筒形ワークピースを回転させながら、切削工具が直線的に移動します。

写真に示されている機械加工用治具は、左側の銀色の金属ブロックであり、切削加工プロセス中にワークピースをしっかりと固定するためのワークホールディングクランプとして機能します。

機械加工（Machining）とは、目的の形状を作成するために、大きなワークピースから材料を除去するすべての種類のサブトラクティブマニュファクチャリングプロセスを指します。

機械加工は、木材、金属、セラミックスなどの原材料から特定の形状のワークピースを作成するための主要な方法であり、何世紀にもわたって行われてきました。今日では「機械加工」という言葉は一般的に産業生産プロセスを指しますが、過去には同様のプロセスのほとんどが手作業による彫刻や成形でした。

機械加工には多くの種類があり、それぞれ材料除去の方法や切削工具の種類によって異なります。

主な機械加工の種類

上記は、機械加工の種類とサブカテゴリの一部にすぎません。各機械加工タイプは、材料除去の方法、使用される工具の種類、ワークピースまたは工具の回転特性、および切削加工プロセスに関連するその他の要素など、多くの要因によって分類できます。

1. フライス加工（Milling）：高速回転する切削工具を使用します。フライス加工プロセス中、ワークピースの材料は固定され、切削工具がワークピースの周囲を移動して余分な材料を切削し、目的の形状を作成します。
2. 旋盤加工（Turning）：この方法は、高速回転するワークピースから材料を切削するために、固定された切削工具を使用します。したがって、CNC旋盤加工用治具は、高速回転中にワークピースをしっかりと安全に保持できる必要があります。
3. 穴あけ加工（Drilling）：最も一般的な機械加工プロセスであり、小さな穴（ボーリングよりも小さな穴）を開けるために使用されます。穴あけ加工は、機械でも家庭で一般的に使用される手持ちドリルでも行うことができます。
4. ボーリング加工（Boring）：多くの人は、ボーリングという言葉を地面に穴を開けるという意味で認識していますが、機械加工では、ボーリングとは、銃身の製造のように、ワークピース内部に円筒形の穴を作成または拡張するプロセスを指します。
5. ブローチ加工（Broaching）：ブローチ工具には、材料を徐々に切削して目的の形状を作成する複数の切削歯が連続して配置されています。これは、歯車（Gears）の製造に使用される主要なプロセスです。直線ブローチ加工は、工具をワークピースに通し、回転ブローチ加工は、工具とワークピースの両方を同時に回転させるため、ワークピースをしっかりと固定する治具が必要です。
6. 研削加工（Grinding）：一般的に、大量の材料を除去するのではなく、仕上げ加工として使用されます。すでに機械加工されたワークピースの表面品質を向上させるための二次工程として使用されることが多いです。
7. リーマ加工（Reaming）：穴あけ加工された穴を拡張または調整するために使用され、複数の刃先を持つ工具で穴内の材料を除去し、より正確なサイズと平滑度を実現します。
8. プレーニング加工（Planing）：木工のプレーニングと似ており、固定された切削工具を使用し、ワークピースを工具に通して目的の形状に材料を切削します。プレーニングは、平坦で滑らかな表面を作成するのに適しており、アリ溝接合（Dovetail Joint）や湾曲した表面を作成するのにも適しています。
9. ソーイング加工（Sawing）：理解しやすい切削加工プロセスであり、鋸歯または波状の刃先を持つ切削工具を使用して、ワークピースを複数の部分に切断または分割します。
10. ウォータージェット切断（Waterjet Cutting）：高圧の水の流れを使用して材料を切断または除去する機械加工プロセスです。
11. 熱切断加工（Burning Machining Methods）：プラズマカッター、レーザーカッター、酸素燃料切断など、高強度の熱を使用して材料を分離する切削加工プロセスのグループであり、特に高い精度が求められる作業でよく使用されます。

機械加工をサポートする装置：治具とジグ

この自動車部品（中央の銀色の部品）は、2つの治具（左と右の濃い灰色の部品）で所定の位置に固定されながら、フライス加工されています。

または、より自然な技術的な表現に翻訳すると、

中央の銀色の自動車部品は、機械によるフライス加工プロセス中にあり、左と右の濃い灰色の2つの治具が、切削加工中にワークピースをしっかりと所定の位置に保持する役割を果たしています。

正確で一貫した材料切削を行うためには、機械加工用治具とジグが必要です。これらの固定またはガイドツールは、切削加工プロセス中に安定性をもたらし、製造される部品の一貫性と互換性（Interchangeability）を保証します。

治具とジグは、ヒューマンエラーの影響を軽減し、生産プロセスを標準化するのに役立ちます。これにより、生産プロセスを効率的に制御、測定、および再現することができます。

機械加工用ジグと治具は、ワークピースと切削工具が適切に固定され、角度が設定され、方向付けられることを保証します。これらの製造補助装置は、切削加工の種類やワークピースの固定方法、力の加え方によって異なる名前で呼ばれることがありますが、その主な機能は、ワークピースまたは切削工具を制御することで、機械加工プロセスを効率的に行うことを支援することです。

治具とジグは、大量生産（Mass Production）することも、特定の作業のために特注（Custom-Made）することも可能です。さらに、従来の方法でもデジタルプロセスでも作成でき、さまざまな材料から製造できます。

治具とジグの設計と開発の進歩は、製造補助部品にすぎないように見えても、機械加工プロセス全体の成功、精度、および一貫性に大きな影響を与える可能性があります。

機械加工における精度の重要性

機械加工（Machining）は、産業用途で高精度が要求される部品の製造に使用されます。これらの部品は、鋳造（Casting）や成形（Molding）などの他の製造方法では高精度に成形することが困難であったり、コストが高くなる金属などの材料から作られることが多いです。

さらに、機械加工は一度に1つのワークピースを製造するプロセスであり、生産プロセス中に切削されたスクラップの形で材料が失われます。これらの特性により、機械加工は他の製造プロセスと比較して、大量生産（Mass Production）にはあまり適していません。

したがって、メーカーが機械加工を選択する理由は、部品にとって非常に重要な精度と正確さの要件にあります。

この精度は、フライス加工用ジグ（Milling Jigs）、CNCワークホールディングデバイス（CNC Workholding Devices）、穴あけ加工用治具（Drilling Fixtures）などの生産プロセスで使用される治具とジグによって一部サポートされています。

これらの治具は、生産プロセス全体の精度にとって非常に重要であり、治具自体は高精度である必要があり、圧力や使用によるクリープや変形なしに自身の形状を維持できなければなりません。また、多くの場合、各ワークピースタイプと各機械に合わせて特別に設計する必要があります。

機械加工用ジグと治具の種類

特注コレットパッド（Customized Collet Pads）は、製造プロセス中の各ワークピースに応じて、金属部品をスピンドル内にしっかりと保持するために必要です。

または、より流暢な技術的表現に翻訳すると、

各ワークピースに合わせて設計されたコレットパッドは、金属部品をスピンドル内でしっかりと固定し、製造プロセス全体を通じて正確な部品生産を可能にするために不可欠です。

製造業界でよく知られている格言があります。

「何か1つを作るためには、まず他の4つを作らなければならない。」

この考え方は、製造業の現実をよく表しており、機械加工における治具とジグにも当てはまります。

つまり、実際の部品を製造する前に、多くの場合、治具、ジグ、固定具、または特殊工具などのさまざまな補助装置を設計し製造する必要があります。これにより、生産プロセスを正確、効率的、かつ再現性高く行うことができます。

材料または製造プロセスによる分類

機械加工用治具（Machining Fixtures）は、一般的に金属で作られることが多く、伝統的にはCNC機械加工またはフライス加工によって、鋼鉄やアルミニウムから製造されてきました。これにより、非常に高い精度と強度が得られます。

一部の治具は成形（Molding）によって製造されることもありますが、このプロセスにはまず金型の製造が必要であり、金型自体も機械加工が必要です。さらに、ほとんどの治具は少量生産されるため、成形による製造は経済的ではありません。

これらの伝統的な方法で治具を製造すると、実際の部品の生産を開始するまでに数週間かかる場合があります。

以前は、必要に応じた治具（On-Demand Fabrication）は木材で製造することもありましたが、木材製の治具は、大きくてかさばり、損傷しやすいため、製造される部品の精度が低下するという欠点がありました。

現在、3Dプリンティング（3D Printing）技術は、機械加工における治具の製造において、ますます多くの新しい選択肢となっています。

丈夫で耐久性があり、高温に耐える材料、さまざまな価格帯で利用可能な3Dプリンター、そして高精度な3Dプリンティング技術により、機械加工工場や作業場は、各作業に合わせて特別に設計された治具を、より簡単に、より高い信頼性で製造できるようになり、切削加工プロセスの精度を向上させることができます。

多くの場合、3Dプリンティング技術でポリマーから製造された治具は、金属製治具の代替として使用できます。また、従来の方法と比較して、より複雑な機能を持つ治具を設計し、より少ない材料を使用し、より高い精度を実現する機会も開かれます。

用途または機能による分類

機械加工用治具（Machining Fixtures）は、適用される切削加工の種類、使用される動力源、または機能とワークピースの固定方法など、多くの要因によって分類できます。

以下の治具のタイプは、適用される機械加工プロセスによる分類です。

フライス加工用治具およびジグ（Milling Fixtures or Milling Jigs）

フライス加工でよく見られる治具は次のとおりです。

1. 回転テーブル治具（Rotary Table Fixtures）
2. バイス治具（Vise Fixtures）
3. 治具プレート（Fixture Plates）
4. T溝治具（T-Slot Fixtures）
5. インデックス位置決め治具（Indexing Fixtures）

これらの装置は、ワークピースまたは材料塊をフライス盤テーブルに固定するために使用され、切削ヘッドがワークピースの周囲を移動し、表面から材料を切削する間、ワークピースをしっかりと保持します。

旋盤加工用治具（Turning Fixtures）

旋盤加工プロセスでは、治具はワークピースを高速回転するチャックにしっかりと固定する役割を果たします。一方、切削工具は固定位置にあり、回転するワークピースに接触すると材料を切削します。

旋盤加工で使用される治具は次のとおりです。

1. 面板治具（Faceplate Fixtures）
2. コレット治具（Collet Fixtures）
3. チャック治具（Chuck Fixtures）
4. マンドレル治具（Mandrel Fixtures）

研削加工用治具（Grinding Fixtures）

表面研削プロセス中にワークピースを固定するために使用される装置は次のとおりです。

1. 心無し治具（Centerless Fixtures）
2. マグネットチャック治具（Magnetic Chuck Fixtures）
3. サインバー治具（Sine Bar Fixtures）

穴あけ加工用治具（Drilling Fixtures）

一般的なドリルと同様に、穴あけ加工用治具は、産業工場と家庭内の作業（キャビネット製造や家具製造など）の両方で見られます。

用途の性質に応じて、これらの装置は次のようになります。

1. ワークピースを固定する治具
2. 穴あけの角度と方向を正確にガイドするジグ

ボーリング加工用治具（Boring Fixtures）

ボーリング加工プロセスでは、次のものが使用されます。

1. ボーリングバー（Boring Bars）
2. ボーリングヘッド治具（Boring Head Fixtures）

ボーリング工具の切削方向、角度、および適切な力を設定するのに役立ちます。

動力源による分類

治具は、使用される動力源によっても分類できます。たとえば、

1. 油圧システム（Hydraulic）
2. 空気圧システム（Pneumatic）
3. 電気システム（Electrical）
4. 手動制御システム（Manual）
5. 真空システム（Vacuum）
6. 磁気システム（Magnetic）

ワークピースの固定方法による分類

治具は、ワークピースの固定または制御方法によっても分類できます。

1. バイス治具（Vise Fixtures）は、ワークピースを所定の位置に保持するために外部から締め付ける力を利用します。
2. ジグ治具（Jig Fixtures）は、切削工具の移動を特定のパターンに沿ってガイドするために使用されます。
3. 角度治具（Angle Fixtures）は、CNCフライス加工で使用され、切削角度や工具からの力の方向を必要に応じて正確に維持します。

各タイプの治具は、特定の製造プロセスに合わせて設計されており、切削加工プロセスの精度、一貫性、および効率を向上させるという共通の目標を持っています。

その他の金属加工用治具とジグ

このストレートアームジグは、2つの小さな3Dプリント部品で構成されており、鋼板に取り付けられています。

部品の形状は複雑で、有機的で自由な曲線形状をしており、従来の切削加工プロセスでは製造が困難な形状です。さらに、チームは1日以内にこの工具を使用する必要がありました。

約2,000か所の溶接作業に使用した後も、ジグは問題なく機能しました。意図せず溶接のスパッタやビードがジグに落ちて表面に傷が付くことが何度かありましたが、ジグの機能に影響はありませんでした。

溶接（Welding）は、CNC旋盤加工（CNC Turning）、フライス加工（Milling）、機械加工（Machining）のような切削加工（Subtractive Manufacturing）ではありませんが、溶接もまた、治具とジグ、特に3Dプリンティング（3D Printing）技術で製造されたものが、廃棄物の削減、コスト削減、生産プロセスの効率向上において非常に有用であることが証明されている作業の1つです。

溶接用ジグ（Welding Jigs）は、次のようなさまざまな用途に使用できます。

1. 部品の組み立てテスト（Fit Tests）に使用
2. ワークピースを所定の位置にしっかりと固定するために使用
3. 溶接ロボットの動作をガイドするために使用
4. 溶接プロセス内のさまざまなステップをサポートするために使用

得られる利点は、CNC用治具、フライス加工用ジグ（Milling Jigs）、およびその他の製造補助装置と何ら変わりません。つまり、これらの装置は、金属加工プロセスをより正確にし、一貫して再現可能にし、より正確な結果をもたらします。

適切に設計された製造補助装置（Manufacturing Aids）を使用することで、工場は作業の品質を向上させ、エラーを減らし、生産基準を効率的に維持することができます。

特定用途向け治具設計の選択肢としての3Dプリンティング

多くの産業や用途と同様に、3Dプリンティング（3D Printing）技術は、機械加工用ジグや治具の製造において、より効率的で手頃なコストで新しい機会を切り開きました。

3Dプリンティングは、より迅速な反復（Faster Iteration）を可能にし、製品開発プロセスをより包括的にし、より効率的な設計をサポートし、単一品（One-Off）または少量生産のジグや治具にとって低コストの製造方法となります。

より優れた設計と製造がなされたマニュファクチャリング・エイド（製造補助具）は、その器具自体の性能を向上させるだけでなく、下流工程の製造プロセスにも良い影響を与えます。

その結果は、生産プロセス全体の効率向上から、実際の用途で使用される完成品（End-Use Products）の品質と性能向上にまで及びます。

マシニング用治具・固定具製造における3Dプリント技術の利点

Pankl Racing Systemsの生産ラインでは、自動旋盤の各作業工程で、その工程専用に設計された3Dプリント製CNC旋盤治具を使用する必要があります。

これらの治具は、標準シャトルを使用してコンベアベルトに取り付けられ、各生産ステーションを通じてワークピースを正確かつ効率的に移動させることができます。

おそらく、社内での3Dプリント導入が最も理解されている利点は、開発速度の向上です。試作と改善のサイクルを何度も繰り返すことで、設計とテストのプロセスがより詳細かつ包括的になります。これにより、最終製品（End-Use Parts）であれ、製造補助具（Manufacturing Aids）であれ、製品はより集中的にテスト・開発されます。

この速度の利点は、製造補助具にとって非常に重要です。なぜなら、これらの補助具が迅速に製造できなければ、プロトタイプ作成や他の工程での生産が開始できないという障害になるからです。

下流工程の生産プロセス、および完成品の品質に与える影響を考慮すると、CNCワークホールディングクランプなどのCNC治具は、現在よりも設計において重要視されるべきかもしれません。

フライス加工や切削加工用の治具および固定具のプロトタイプを3Dプリントすることで、製造業者はこれらの器具の適合性（Fit）と性能をテストできます。これはかつて、固定具や治具が単なる生産プロセスの補助具と見なされていたため、不要とされていました。

このプロセスは、より良い設計と材料のより効率的な使用につながる可能性があります。例えば、オペレーターは、部品の取り付け、取り外し、交換を容易にするために、人間工学（Ergonomics）の改善が必要であることに気付くかもしれません。

また、特定ニーズに合わせたカスタマイズの機会も生まれます。CNC旋盤（CNC Turning Tables）などのCNC機械は、標準品として大量生産されることが多いですが、その運転プログラムや生産されるワークピースは、各メーカーにとって独自性の高いものです。

CNC治具および固定具は、標準的な装置とこれらの特定のニーズとの間の架け橋として機能します。これは、CNC治具の設計プロセスをより効率的に改善するだけで実現できます。

特に、サポート材が不要な選択的レーザー焼結（SLS）のような3Dプリント技術の設計上の柔軟性は、固定具や治具をより複雑に、特定の用途に合わせてカスタマイズし、使用により適したものにする機会も提供します。

3Dプリントのデジタルな性質は、ファイルの効率的な管理も可能にします。大手製造業者が複数の工場に3Dプリンターを設置している場合、共通して使用する機械の効率を向上させるCNC固定具の設計ファイルを共有するだけで、あらゆる場所で生産プロセスを同時に改善できます。

3Dプリントは、知識の伝達を効率的かつ影響力のあるものにし、大企業が生産ネットワークのあらゆるレベルで性能を迅速かつ容易に開発・改善するのに役立ちます。

さらに、各3Dプリント技術でサポートされる材料の多様性により、3Dプリントによる治具や固定具の製造はより柔軟になり、さまざまな状況で使用できるようになります。

例えば、3Dプリント製溶接治具は高温に耐える必要があります。ハイテンプ・レジンやリジッド10Kレジンのような特定のSLAプリンター用材料は、金属製の溶接治具を製造するよりも費用対効果が高く、オンデマンドで迅速に製造できる選択肢となります。

一方、ナイロン12パウダーやナイロン11パウダーのような3Dプリント用ナイロンは、チャック（Chuck）などのマシニング用固定具の製造に最適です。これらの固定具には、高速旋削加工中にワークピースを安定して保持するために、耐久性と強度の両方が求められます。

CNC固定具製造における3DプリントとCNC切削加工の比較

機械グリッパー（Machine Gripper）が最初の治具（中央の濃い緑色の部品）からワークピースを取り出し、切削加工プロセス（Machining Process）が完了すると2番目の治具に置きます。

または、産業界でよりスムーズに読むと、

切削加工プロセスが完了した後、機械の自動グリッパーは、中央にある濃い緑色の部品である最初の治具からワークピースを2番目の治具に移動させ、次の生産工程に進む準備をします。

固定具の製造に3DプリントとCNC切削加工のどちらを使用するかを決定する際に考慮すべき主な要因は以下の通りです。

1. 材料特性（Material Properties）
2. 部品の複雑さのレベル（Part Complexity）
3. 製造リードタイム（Lead Time）

材料特性の面では、マシニング用固定具や治具は、適切な強度と耐久性以外に、非常に高い技術的特性を持つ材料を必要とすることはあまりありません。

ナイロン（Nylon）など、産業界で広く使用されているプラスチックは、ほとんどの用途に十分な特性を備えています。

ただし、特定の特性が必要な場合もあります。例えば、

1. 導電性（Conductivity）
2. 耐熱性（Heat Resistance）

このような状況では、SLA（Stereolithography）3Dプリント技術が良い選択肢となります。なぜなら、SLAはさまざまな特定の特性を持つ材料に対応しており、異なる使用環境のニーズに応えるように設計されているからです。

治具や固定具がどの程度の圧縮力、保持力、摩擦力に耐える必要があるかを評価できれば、製造業者は3Dプリンターメーカーの材料特性データシート（Data Sheets）を参照して、その作業に最適な材料を選択できます。

例えば、ニューヨーク州の機械工場であるThe Factory Amsterdamは、Fuse SLS Seriesのプリンターでプリントされたナイロン12パウダーが、工場が使用している高速CNC旋削加工（High-Speed CNC Turning）プロセスで効果的に機能することを発見しました。

材料	Ultimate Tensile Strength (MPa)	Tensile Modulus (GPa)	HDT @ 0.45 MPa (°C)	Notched Izod (J/m)
Nylon 12 Powder	42	1.45	171	16
Rigid 10K Resin	88	11	238	20
Tough 2000 Resin	46	2.2	63	40
High Temp Resin	49	2.8	238	17

 

もう一つ考慮すべき要因は、部品の複雑さのレベルです。

コレットパッド（Collet Pads）のような一部の固定具は、それ自体が比較的単純な形状であり、CNC旋盤メーカーは通常、スチール製の標準部品を提供しています。

数千から数十万個の同じ部品を製造する作業では、CNCで製造された金属製固定具は、長期間の使用に耐える実績のある優れた選択肢であり続けています。

しかし、溶接機用のテスト固定具のように、複数のプログラム間で切り替えて使用する必要があるなど、固定具や治具が複雑になり始めると、CNCによる製造はコストが高くなり、製造もより複雑になります。

固定具と治具の製造に3DプリントとCNC切削加工のどちらを選択するかを決定する上で最も重要な要素は、時間です。

重要な質問は次のとおりです。

これらの部品をどれだけ早く使用したいですか？

ほとんどの製造環境において、最悪の事態は、必要な固定具や治具がないために生産ラインが停止すること（Production Stoppage）です。

これらの部品の製造をCNCに依存している場合、特にプロトタイプ作成と実際の部品製造の両方に金属を使用する場合、その作業は機械加工部門の作業キューに負担をかけ、ビジネス全体の生産能力に影響を与えるボトルネックとなる可能性があります。

一方、3Dプリント技術による固定具の製造は、数時間以内に部品を納品できます。これは、CNCによる製造では避けられないことが多い、機械加工技術者のリソースや時間を他の主要プロジェクトから奪うことなく実現されます。

したがって、頻繁に設計変更が行われたり、緊急に使用が必要だったり、複雑な固定具や治具の場合、3Dプリントは、速度、柔軟性、および生産プロセスのボトルネックの軽減において有利です。一方で、CNC切削加工は、長期間の使用、高荷重、および大量生産が必要な部品に適しています。

治具の製造に最も適した3Dプリント技術はどれか？

マシニング用治具の製造において、あらゆるケースで「最高の技術」と呼べる3Dプリント技術は存在しません。適切な技術の選択は多くの要因に依存し、多くの企業は複数の種類の3Dプリンターを組み合わせて使用しています。

現在最も人気のある3Dプリント技術は以下の3種類です。

1. 熱溶解積層法 (FDM) またはフィラメント融解積層法
2. 光造形法 (SLA) または光硬化性樹脂プリント
3. 選択的レーザー焼結法 (SLS) またはレーザーによる粉末融解積層法。これはパウダーベッドフュージョンとも呼ばれます。

フライス加工用治具（Milling Jig）、CNC固定具、ドリル加工用治具（Drilling Fixture）、またはその他の製造補助具を製造するためのプリンターを選択する際には、以下の要素を考慮する必要があります。

または、記事のサブセクションとして使用する場合

生産工程における各ワークピースの種類ごとに、金属部品をスピンドル内にしっかりと保持するための特注コレットパッド（Customized Collet Pads）が必要です。 または、産業界でよりスムーズに読むと、 各ワークピースの形状やサイズが異なるため、金属部品を加工プロセス全体を通じてスピンドル内で安定して保持するための専用設計されたコレットパッドが必要です。これにより、精密かつ一貫した切削加工が可能になります。	SLS（Selective Laser Sintering）3Dプリント技術は、コレットパッド（Collet Pads）のような小型部品、特に消耗品（Consumable Parts）の製造において非常に優れています。 これらの部品は使用に応じて交換が必要ですが、3,000〜4,000個ものワークピースの生産サイクル全体をサポートするのに十分な耐久性が求められます。 さらに、コレットパッドは、最大3,000回転/分（rpm）もの高速で回転する旋盤によって発生するラジアル力（Radial Forces）にも耐える必要があります。

 

SLSが適している用途：

強度、耐久性、重作業対応の工具
マシニング用固定具や、衝撃に耐えるフライス加工用固定具のように、高荷重に繰り返しさらされる部品。

汎用性、耐薬品性、環境安定性に優れた材料
ナイロン12パウダーは、一般的な3Dプリント用途で人気のある材料です。ナイロン部品は吸湿性が非常に低く、光、熱、化学薬品に対して優れた耐性を示します。

この特性は、常にクーラントオイルやさまざまな潤滑剤に接触する機械加工用工具にとって特に重要です。

Formlabsは、ほとんどの用途でナイロン12パウダーを標準材料として推奨しています。より専門的な要件がある場合は、SLS材料カタログを参照して、最適な材料を選択してください。

複雑な形状で軽量化が必要な作業
SLSはサポート材（Support Structures）が不要なため、設計の自由度が高く、複雑なディテール、中空の内部構造、または他の方法では製造が困難な形状の部品を作成できます。

さらに、材料の使用量を減らし、部品の重量を維持しながら強度を保持するために、格子構造（Lattice Structures）を設計することも可能です。これは、板金成形用の大型治具や機械の交換部品に特に適しています。

高スループットな生産が必要な場合
SLSは中量生産（Medium-Volume Production）レベルの製造に適しています。

サポート材が不要なため、オペレーターは部品をプリントエリア内に積み重ねて配置でき、後処理（Post-Processing）の時間を短縮できます。

Fuse 1+ 30Wのビルドチャンバーは、プリントエリア全体に部品を密に配置できるため、生産サイクルごとの部品数を増やし、効率を高め、全体的な生産性を向上させます。

さらに、Fuse SiftとFuse Blastは、粉末材料の処理、粉末のリサイクル、部品の自動クリーニングと表面仕上げを簡素化し、後処理プロセスを大幅に効率化します。

または、記事のサブセクションとして使用する場合

Formlabsの旧世代材料であるタフ2000レジンでプリントされたこれらの3Dプリント製旋盤治具（Lathe Jigs）は、非常に高い強度と精度を備えています。

これらの治具は、システムで使用されている標準シャトル（Standard Shuttles）にぴったりと取り付けられ、ワークピースをしっかりと安全に保持（Workpiece）することができます。

これらの特性により、生産プロセスにおけるワークピースの移動と位置決めが正確かつ一貫して行われ、生産ラインでの効率的な作業がサポートされます。

SLAが適している用途：

高精度、シャープなディテール、滑らかな表面
以下のような高い精度が求められる作業に適しています。

1. 機械加工位置合わせ工具（Machining Alignment Tools）
2. 位置決め治具（Location Jigs）
3. 測定・検査装置（Measurement Devices）
4. 人間工学に基づいた固定具（Ergonomic Fixtures）

さらに、ユーザーの身体に合わせたカスタムグリップ（Custom Grips）など、特定のディテールを簡単に追加して、使いやすさを向上させることができます。

多様な特性を持つ材料と、容易な材料交換
SLAシステムは、さまざまな特性を持つレジンに対応しており、各作業の特定のニーズに合わせた工具を製造できます。例えば、

1. 弾性材料（Elastic Materials）
2. ESD対応材料（ESD-Safe Materials）
3. 難燃性材料（Flame-Retardant Materials）

異なる環境での特定の用途に対応するため。

金属加工用途で人気の材料の一つにリジッド10Kレジンがあります。特に溶接治具の製造に適しています。

この材料は高い剛性と耐熱性を持ち、

1. HDT（熱たわみ温度）が0.45 MPaで218°C
2. 引張弾性率が10,000 MPa

であるため、高い強度と形状安定性が求められる作業に適しています。

迅速な少量生産と、アクセスしやすいシステム
FormlabsのSLAプリンターのエコシステムは、初期費用が低く、必要な付属品が少なく、既存の生産プロセスに簡単に統合できます。

Form 4とForm 4Lプリンターを使用すると、ユーザーは設計段階から数時間で実用的な部品に移行できます。

そのため、治具や生産補助具の迅速な製造、および設計変更や改良が頻繁に行われる作業に最適です。

記事の小見出しとして使用する場合

FDMは以下のような作業に適しています。

迅速なプロトタイピング (Fast Prototypes)
FDM方式3Dプリンターは、特に外観やフィット感を確認するためのプロトタイプ（Looks-Like Models）の迅速な製造に優れています。

そのため、実際の部品の製造方法を決定する前に、サイズ、形状、および基本的な組み立てを確認するのに適しています。

低コストの部品 (Affordable Parts)
デスクトップFDMプリンターは、市場で最も人気があり、よく知られている3Dプリンターです。

本体価格が手頃なだけでなく、印刷材料も安価で、多くのメーカーやサプライヤーから容易に入手できます。

複数人チームまたは新規ユーザー (Multi-Person Teams or New Users)
FDMは最も広く普及している3Dプリント技術であるため、多くのユーザーがすでにその使い方に慣れています。

したがって、チームに新しいメンバーが加わった場合でも、他の3Dプリント技術よりも簡単にこのタイプのプリンターの操作を習得し、使い始めることができます。

業界で慣れ親しんだ材料 (Familiar Materials)
FDMプリンターは、業界で広く知られ使用されている材料に対応しています。例えば、

1. ABS
2. PETG
3. PLA
4. ASA
5. Polycarbonate (PC)
6. Nylon (一部のシステム)

これらの材料は、ほとんどのメーカーが慣れ親しんだ特性と挙動を持っているため、部品の選択と性能評価が容易です。

このため、FDMは迅速なプロトタイピング、低コストの作業、大規模なチーム内での使用、および業界標準で理解しやすい材料の使用が求められる作業に最適な選択肢です。

3Dプリンティング技術による特注治具と固定具の作成

3Dプリンティングは、特注部品（Custom Parts）や少量生産部品（Low-Volume Parts）の製造において特に優れています。

CAD設計プログラムを使用することで、機械工は、CNC治具であろうとワーク保持クランプであろうと、部品と機械の両方に正確に適合するように最適化されたモデルを完全に作成できます。

3D設計は、以下のような複雑な形状の作成も可能にします。

1. オーバーハング（Overhangs）
2. ラティス構造（Lattice Structures）
3. その他の特殊な幾何学的形状

これらは従来の切削加工では製造が困難な場合もありますが、材料の使用量を削減し、部品の軽量化を図る上で利点があります。

したがって、3Dプリンティングは強度と使用効率の両方を提供でき、多くの場合、この設計と効率の利点は、金属製の治具や固定具を製造することで得られる強度の向上よりも重要になる可能性があります。

ミリング治具、旋削治具、研削治具、穴あけ治具など、適切に設計された機械加工治具を作成するには、

1. ミリング治具（Milling Fixture）
2. 旋削治具（Turning Fixture）
3. 研削治具（Grinding Fixture）
4. 穴あけ治具（Drilling Fixture）

3Dプリンターと選択した材料を最大限に活用するために従うべき基本的な手順があります。

SLS方式3Dプリンティングで製造されたコレットパッドは、完璧に嵌合しスピンドルに完全に装着するために、特に高い寸法精度と正確さが要求されます。 わずかな誤差でも、ワークの不安定な保持、アンバランスな回転、切削加工の精度低下など、旋削加工の完全性に問題を引き起こす可能性があり、結果として部品の品質や製造プロセス全体の効率に悪影響を及ぼすことがあります。	これらのツールは、旋盤内のクーラントに常に接触しています。使用されるクーラントは半合成油であり、多くのプラスチックを腐食または反応させる特性を持っています。 多くのFDM方式3Dプリント材料は、この種のオイルに接触すると損傷または溶解する可能性があります。 対照的に、Nylon 12 Powderは高い耐薬品性を持っており、使用による劣化や損傷なしに上記のクーラントとの接触に耐えることができます。 この特性により、Nylon 12 Powderは、機械内でクーラントに継続的に接触するコレットパッド、治具、およびワーク保持具の製造に非常に適しています。

 

既存の工具をリバースエンジニアリングでデジタル化
既存の工具をデジタルインベントリに変換したり、工具のニーズを分析して新しい工具ファイルを設計したりするために使用します。

3Dプリント用の治具や固定具を設計する際には、従来の切削加工で製造される金属工具とは異なるいくつかの考慮事項があり、積層造形技術ならではの特別な機能を創造する機会を提供します。

---

複雑な形状を最大限に活用 (Leverage Complex Geometries)

3Dプリントを活用して、以下のような複雑な内部詳細を作成します。

1. 内部チャネル (Channels)
2. アンダーカット (Undercuts)
3. 中空構造 (Hollow Structures)

これらは金属切削加工では製造が困難でコストが高くなる形状です。

1. SLA は高精度で滑らかな表面が求められる作業に適しています。
2. SLS は強度と優れた機械的耐性が必要な複雑な形状に適しています。

---

軽量構造に最適化 (Optimize for Lightweight Structures)

SLSを活用して、以下のような構造を持つ軽量治具を作成します。

1. ラティス構造 (Lattice Structure)
2. ハニカム構造 (Honeycomb Structure)

これにより、強度を損なうことなく部品の重量を削減できます。

これは、従来の切削加工で製造された一体型金属部品では達成が困難です。

---

適切な肉厚で設計 (Design with Precise Wall Thickness)

SLAは、高精細で薄い壁の部品を正確に作成できます。一般的に、肉厚は2～3ミリメートル程度に設計できます。

金属よりも薄いとは限りませんが、SLAは追加の切削加工なしで複雑な形状と滑らかな表面を作成できるため、効率が向上し製造コストが削減されます。

---

複数の機能を単一部品に統合 (Integrate Multiple Functionalities)

3Dプリンティングにより、以下のような複数の要素を単一の部品に統合できます。

1. クランプ (Clamps)
2. 位置決め装置 (Locators)
3. ガイド (Guides)

これにより、設計が簡素化され、複数の部品を組み立てる必要性が減少します。

---

強度を高めるために滑らかなフィレットを組み込む (Incorporate Smooth Fillets for Strength)

SLAでは、応力が集中する領域に約1～2ミリメートルの半径を持つフィレット（角丸め）を追加できます。

これにより、

1. 亀裂の発生
2. 応力集中 (Stress Concentration)

を軽減できます。フィレットは切削加工された金属部品でも可能ですが、3Dプリンティングはより少ない製造工程で応力に強い形状を作成できます。

---

使いやすさを向上 (Enhance Ergonomics)

人間工学に基づいた詳細を部品に直接設計できます。例えば、

1. 特殊なハンドル
2. 握りやすい曲面
3. 滑りにくい表面

これらの機能は使いやすさを向上させ、従来の金属製造よりも簡単かつ経済的に実現できます。

---

簡単にカスタマイズおよび変更できるように設計 (Design for Modularity and Customization)

SLSはモジュラーデザインの治具や固定具の作成に適しています。

利点は、

1. 簡単に変更できる
2. 一部のみを更新できる
3. 特定の部品のみを交換できる

従来の金属工具のように、工具全体を再製造する必要がありません。

これにより、時間とコストの両方を節約できます。

---

単一部品設計による組立工程の削減 (Reduce Assembly with Single-Part Designs)

3Dプリンティングは、複雑なアセンブリを単一部品に統合するのに役立ちます。

利点は、

1. 組立時間の短縮
2. 誤組立てのリスク低減
3. 管理する部品点数の削減

SLAとSLSの両方を使用することで、複数の金属部品で構成される治具と比較して、製造プロセスの複雑さを軽減できます。

---

印刷後の追加工程を考慮 (Consider Additional Finishing Steps)

後処理（Post-Processing）の工程は、使用する技術によって異なります。

機械加工用の治具や固定具の場合、通常、塗装、メッキ、表面処理などの特別な美しい表面仕上げは必要ありません。

SLAの場合

1. 部品の洗浄 (Wash)
2. 乾燥 (Dry)
3. サポート材の除去 (Remove Supports)

SLSの場合

1. 余分な粉末の除去
2. メディアブラスト (Media Blast)

FDMの場合

1. サポート材の除去
2. 研磨 (Sand)

これだけで、ほとんどの製造プロセスにおける固定具や治具として十分です。

SLAおよびSLS 3Dプリンティング：機械加工用の治具と固定具を製造するための強力で効率的な選択肢

Formlabsのプリンター、すなわちFuse 1+ 30W、Form 4L、およびForm 4は、機械加工用の治具と固定具の製造に非常に適したツールです。

機械加工用の固定具は、フライス盤、旋盤、溶接機、切断機、ドリル、ボーリング機などの大量生産される標準的な機械と、メーカーが作成したい特定の製品との間のギャップを埋める役割を果たすため、機械工場での操業成功に不可欠な要素と見なされます。

3Dプリンティングは、幅広い材料と技術の選択肢、プリンターの速度と効率、そして特定の用途に合わせてカスタマイズできる能力により、従来の治具や固定具の製造プロセスに代わる新しい選択肢となっています。これにより、多くのメーカーが3Dプリンティング技術を社内で導入しています。

得られる利点は、機械工の作業負荷を軽減するだけでなく、製造プロセス全体の効率を向上させ、事業の利益にも良い影響を与える可能性があります。

旋削加工、フライス加工、またはその他の種類の切削加工用の治具や固定具の製造を開始する際には、まず自身のニーズを評価することから始める必要があります。例えば、

1. 使用したい材料の種類
2. 必要な機械的特性
3. 製造プロセスを最適化または改善できる点
4. 必要なビルドボリューム (Build Volume)

これらのニーズを理解した上で、SLAまたはSLSのどちらの3Dプリンティング技術が、作業の性質と製造目標に最も適しているかを選択できます。

	Formlab form4 SLA の詳細 クリック    価格を確認 クリック
	Formlab Fuse 1+ 30W SLS の詳細 クリック    価格を確認 クリック

 

参考文献

https://formlabs.com/global/blog/machining-fixtures-milling-cnc-workholding-jigs-3d-printing/