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CNC彫刻機とは?おすすめモデルから加工できる素材までご紹介

CNC彫刻機とは?おすすめモデルから加工できる素材までご紹介

CNC彫刻機とは?おすすめモデルから加工できる素材までご紹介

 

CNC彫刻機は、コンピュータのデータを使って木材やアクリルなどの素材を加工する工作機械です。手作業では難しい彫刻や切断を自動的に行うことができます。CNC彫刻機を使いこなすと、自分の部屋を創造的な工房に変えられます。ここではCNC彫刻機とは何か、基本的な知識からおすすめのモデル、加工できる素材まで解説します。

 

■CNC彫刻機とは

 

木材に彫刻を施したレリーフ、アクリルに文字や模様を刻んだアクセサリーのような造形に便利なツールがCNC彫刻機です。電子工作の基盤やラジコンのシャーシを自作する趣味にも活用できます。

 

家庭用のCNC彫刻機は、産業機器として使われていた大型のCNC工作機を小型化および低価格化したものです。ものづくりの現場でどのように使われていたか、仕組みを踏まえた上で、家庭内で使うときのメリットを明らかにしていきましょう。

 

・CNC工作機の概要とメリット、代表的な機械

 

産業で使われるCNC工作機のCNCは「Computer Numerical Control」の頭文字を略した言葉です。

 

Numericalは「数値の、数式ベースの」という意味で、コンピュータ上で設計したデータをもとに数値制御の指令を出して正確な彫刻を行います。Computerを省略してNC加工機、NC工作機と呼ばれることもあります。

 

日本は、ものづくりを中心に高度成長期の時代に発展してきました。熟練した職人の高度な技術とこだわりを基盤に、さらに精度の高い部品を量産する工作機械を生み出しました。CNC工作機は製造業を支えてきた工作機のひとつです。

 

現在、産業で使われる工作機械の大半が数値制御によって作動します。CNC工作機には次のようなメリットがあります。

 

・自動化による作業員の負荷軽減、生産性の向上

・人為的なミスの削減

・作業時間の制御、作業時間の短縮化

・精度の高い仕上がり、複雑な加工の実現

・安全性の確保

 

数値制御による自動化は、精度の高い製品を大量生産するだけでなく、作業員の負荷軽減や安全の確保にも役立ちます。

 

代表的なCNC工作機には「CNC旋盤」や「CNCフライス盤」があります。

 

CNC旋盤は、外径や内径の加工、面や溝の加工、穴あけ、ねじ切り、円錐形のような加工ができる機械です。0.001mm単位で正確に位置を決め、完成品にバラつきのない精度の高い加工ができる特長があります。

 

ちなみに数値制御を行わない旋盤機械は「汎用旋盤」といいます。従来の汎用旋盤では、加工する製品や工程にしたがって、作業員が刃物を取り替えなければなりませんでした。しかし、CNC旋盤では刃物台に複数の工具を配置して、自動的に工具を使い分けることが可能になります。ただし、コンピュータ制御で自動化を行うにはプログラムが必要です。

 

刃物台としては円筒形に配置した「タレット盤」が多く、そのほかには横に並べた「くし刃型」、刃物台全体を回転させる「フラット型」があります。

 

CNCフライス盤は、ツールを回転させながら、テーブルに固定した材料を切削して部品や金型などの複雑な部品を加工する機械です。「フライス」はドイツ語やオランダ語の「襞襟(ひだえり)」と呼ばれる丸く首を取り巻く襟に由来しています。

 

・CNC加工の軸と工具径補正

 

CNC加工で自動的に工具を切り替えることを「ATC(Automatic Tool Changer)」、日本語では「自動工具交換装置」といいます。ATCを備えた工作機械は「マシニングセンタ(Machining CenterMC」と呼ばれています。

 

職人が仕事をするときには、目で素材の位置をとらえます。一方でCNC加工機が空間上の素材に加工を行うために軸が必要です。原点を定めて、原点からの距離によって正確に素材を加工します。

 

平面を加工するときには基本的に縦と横の2軸ですが、立体を加工する場合には縦と横と高さの3軸が必要です。3軸に回転と傾斜の2軸を加えた5軸の加工機もあります。軸が多いほど自由度が高くなり、精密な加工ができるようになります。

 

ところで、原点から座標を指定してドリルなど円筒形の工具をプログラムで制御するとき、工具の半径に合わせて削り取る部分のズレが生じます。たとえばX軸とY軸から中心を起点として素材の周囲を削った場合、工具の半径分だけ削り過ぎます。複数の工具を切り替える場合には、それぞれの半径をプログラムしなければなりません。

 

そこで切削工具の半径に合わせて自動的に補正します。これが「工具径補正」です。工具の長さによって補正する「工具長補正」もあります。

 

・CNC彫刻機、CNCフライス盤、CNCマシニングセンタの違い

 

CNC工作機の全体的な概要について触れましたが、彫刻機、フライス盤、マシニングセンタのそれぞれの特徴から違いを整理します。

 

彫刻機は、切削する工具の回転力(トルク)が弱く、回転速度(スピンドル)が高速であることが特徴です。したがって、ちいさな工業品の加工に向いています。

 

木材やプラスチックなどを切断する機械は「CNCルーター」と呼ばれ、スピンドルが高速である反面トルクはありません。金属のような硬い素材を切断する「CNCミル」は、CNCルーターとは逆に低速のスピンドルでトルクのパワーを使って精度の高い加工を行います。

 

ちなみに刃物のような工具を使った彫刻以外に、レーザー彫刻もあります。レーザー彫刻は、ラスター彫刻とベクター彫刻の2 種類に分類されます。ラスター彫刻はドット(点)の集まりで描かれた画像から彫刻し、写真などの加工に向いています。ベクター彫刻は点の方向性を示したベクトルデータを扱うため、線をきれいに切断する加工に適しています。

 

フライス盤は、モーターのパワーが強いため、刻印と切断の面において高性能であることが特徴です。加工精度が高く、金属の精細な加工ができます。DIYの趣味では、小型の卓上フライス盤が人気を集めるようになりました。切削の労力が少なく、安全に使用できるからです。ただし、CAD(Computer Aided Design)による製図が必要になります。

 

マシニングセンタは、工具を自動的に切り替えて複雑な作業を行う工作機です。工程や工具に合わせて回転や加工の速度を変更できるため非常に便利です。今後が期待される家庭用では、5軸による小型のCNCマシニングセンタも製品化されています。

 

現在、ものづくりの世界にはロボットの導入が進んでいます。ロボットの構造は人間で例えるなら骨の「リンク」、関節の「ジョイント」を組み合わせたアームをモーターで動かします。さまざまなロボットが使われていますが、6軸を持つ垂直多関節ロボットは、アームを自由に移動して作業ができます。ロボットにも軸が重要です。

 

産業ロボットは基本的にはコンピュータのプログラムによって制御されています。数値で制御されている意味では、CNC工作機と同じといえるでしょう。

 

■CNC彫刻で加工できる素材

 

工作機をコンピュータ制御するとはどういうことか、産業用のさまざまな工作機のモデルから特長を解説しました。実際にCNC彫刻機では、どのような素材を使って何を作ることができるのでしょうか。

 

Snapmaker 2.0 A350は、モジュールを取り替えることによりCNC彫刻ができる複合型3Dプリンターです。加工できる素材には、木材、アクリル、PCB、カーボンファイバーシート、ヒスイがあります。それぞれの素材と製作例を挙げます。

 

・木材

素材や目的によって取り替える工具の先端をCNCビットといいますが、ボールエンドミルを選択すると、削った表面に丸みをつけて滑らかにできます。木材の表面を削ってエンブレムの彫刻や文字の刻印、板を切断することが可能です。

 

・アクリル

文字の刻印やカットができます。3ミリ以上のアクリル板を手作業で切断する場合はノコギリが必要になりますが、CNC彫刻機を使うと労力が要りません。アクリルを加工するときには、フラットエンドミルのCNCビッドを使うときれいに仕上がります。

 

・PCB

PCBは「Printed Circuit Board」の略であり、プリント基盤を指します。電気工作のプリント基板の自作に活用できます。CNC彫刻機を使うと、細かい加工が必要な同じ基盤を連続して製作できるので便利です。

 

・カーボンファイバー

カーボンファイバーはアクリル繊維などの原料を高温で炭化した素材です。自動車や航空機に使われ、軽量で強度に優れています。歯車のような部品やラジコンなどのパーツを自作するような趣味で活用するとよいでしょう。

 

・ヒスイ

ヒスイ(翡翠)は緑色が有名ですが、紫色や黒などさまざまな色があります。硬玉と軟玉があり、硬玉のジェダイトは宝石として価値がありますが、軟玉の俗称ジェダイトは宝石としての価値はないとされています。彫刻してペンダントなどのアクセサリーができます。

 

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■CNC彫刻における注意点

 

CNC彫刻機はドリルやカッターを回転させて素材を加工するため、削った素材が飛散します。したがって作業をするときには、ゴーグルを着用して目に入らないように注意したり、マスクで飛沫を吸い込まないようにしたり、身体を保護するとよいでしょう。

 

造形後には、作業プラットフォーム上に削られた素材の粉末が残ります。掃除機などでよく吸い取っておくことが大切です。

 

CNC彫刻における造形のポイントとしては、準備段階に時間をかけることが重要です。一度プログラムを実行するとデータから自動的に加工が進行しますが、準備をおろそかにして造形中に中断した場合、時間をロスするばかりか未完成の作品を廃棄しなければなりません。

 

Snapmaker 2.0 A350では、準備段階において次のような注意点があります。

 

まずサイズの確認と設定です。作業プラットフォームとカービング材料が適切なサイズであることを確認し、使用する材料の厚さを測定してソフトウェア上(Snapmaker Luban)の設定項目に入力します。アクリルやカーボンファイバーの板を切断する場合、厚みを適切に設定しないと、きれいに切断できないため注意が必要です。

 

次にキャリブレーションを設定します。材料の中心点を鉛筆などでマークし、作業プラットフォームの中心に合わせます。素材の4隅をクランプセットで固定しますが、このときCNCビットが衝突しない位置にあることが大切です。CNCビットが領域から外れて動作すると、加工がうまくいかないだけでなく、クランプセットと衝突して破損する恐れがあるからです。

 

その後、ソフトウェア上の作業原点と実際の作業原点を一致させ、CNCビットの先端と素材の間に紙などを挟み、わずかに触れるようにキャリブレーションを行います。紙を引いたときに抵抗があり、押したときにはわずかにシワが寄る程度が最適です。

 

準備の最後は「境界確認」です。原点と作業ステージ上からはみ出さないように動作させて、素材を正確に彫刻するように調整します。

 

まず高い位置で境界確認を行います。中心から対角線を通って4隅の上部にCNCビットの先端が移動しますが、工具の先端がエリアから外れている場合は調整を繰り返します。次に低い位置で確認します。カッターが固定している器具に触れてしまった場合は、すぐに電源を切ります。カッターの先端を確認して、破損しているときには取り替えます。

 

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■CNC彫刻機の選び方

 

CNC彫刻機を選ぶときには、次のような項目をチェックするとよいでしょう。

 

・用途と目的

・彫刻を施す素材

・トルクとスピンドル

・ワークスペースの広さ

・対応ソフトウェア

・操作性

・加工時の騒音

 

まず「何に使うか?」用途を明確にすることが大切です。用途に合わせて対応する素材、トルクとスピンドル、ワークスペースの仕様を検討します。しかしながら、あまりにも用途を狭めてしまうと、せっかく高価な機材を購入したのに使わずに埃をかぶってしまうこともあり得ます。

 

モジュール構造を採用しているSnapmaker 2.0 A350は、1台で3つの用途に使える複合型3Dプリンターです。樹脂素材のフィラメントを使った3Dプリントのほか、レーザー刻印とCNC彫刻に使えます。したがって、CNC彫刻以外の用途にも活用できるメリットがあります。

 

レーザー刻印・彫刻の場合、天然や合成の布地や比較を素材として使えますが、CNC彫刻には適していません。基本的にCNC彫刻は木材やアクリルなど硬質な素材を加工するための機能と考えておくとよいでしょう。レーザーは熱を利用して非接触型で加工しますが、CNC彫刻は物理的な切削工具を使って素材に直接加工する違いがあります。

 

たとえば、木材に刻印してウェルカムボードを作る場合、レーザー刻印の場合は、焼印のような仕上がりになります。一方で、CNC彫刻では本来の彫刻のように木材を削り、表面に丸みを付けることが可能です。


また、よく使われているドリルの刃を装着できると便利です。Snapmaker 2.0 A350のCNCモジュールは「ER11」という規格のコレットを利用します。コレットはドリルなどを固定するためのツールホルダの部品で、この規格にあった工具を付け替えることが可能です。


Snapmaker 2.0 A350は表現と目的によって彫刻方法を変えられるため、創作の幅が拡がります。

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■まとめ

 

アート作品やアクセサリー製作など創造的な趣味を持つ人たちにとって、自宅を工房にすることは夢のひとつかもしれません。卓上型CNC彫刻機は、造形のアイデアを実現する機材です。外部の出力サービスに依頼しなくても、自宅で試行錯誤を繰り返しながらプロトタイプの完成度を上げていくことができます。

 

Snapmaker 2.0 A350はCNC彫刻機だけでなく、モジュールを取り替えることで3Dプリンター、レーザー刻印機になる3-in-1の便利なツールです。作りたいものに合わせて素材や造形方法を自由に選択可能です。


別売りのエンクロージャーを使うと、本体の周囲をケースで囲むことによりCNC彫刻時の騒音を最大10dba低減させます。一時停止機能を搭載しているため、ドアを開けたとき自動的に動作を止めることができ、安全確認にも役立ちます。

 

国内12ヶ月の保証と日本語サポートもあり、創造的な生活を支援します。

 

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