CNC加工材料：究極の選択ガイド

CNC加工に使用されるプラスチック材料

プラスチックは、軽量で絶縁性があり、腐食性化学環境にも耐える特性を持つため、多くの場合、適切な材料として選ばれます。例えば、医療機器や電子機器においては、試作段階から最終生産段階まで、幅広く使用されています。

• ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン): ABSは最も一般的なエンジニアリングプラスチックの一つです。安価で加工しやすく、耐衝撃性にも優れています。これが、エンジニアリングの世界でラピッドプロトタイピングが頻繁に行われる理由の一つです。
• ナイロン(ポリアミド): 非常に強度、耐久性、耐摩耗性に優れていることで知られるナイロンは、低摩擦部品の製造に非常に求められています。しかし、ナイロンは吸水性が高いため、空気中の水分がナイロンに影響を与え、反りの原因となることがあります。
• デルリン（POM）： デルリンは、高い寸法安定性と低摩擦性により、プラスチック精密工学用途に最適です。また、ファスナーやブッシングなどのエンジニアリング部品においては、金属の代替材料として広く使用されています。
• PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）： 極端な温度、化学的に腐食性の高い環境、非常に厳しい条件に耐える必要がある非常に高性能なアプリケーション (医療業界や航空宇宙業界など) では、PEEK と呼ばれる高価なプラスチックが使用されます。
• ポリカーボネート(PC): ポリカーボネートもまた、非常に需要の高いエンジニアリングプラスチックです。透明性が高く、高い衝撃強度で知られており、幅広い光学用途で使用されているほか、安全ゴーグルや様々な流体を扱うシステムにも使用されています。

材料特性とその CNC 加工への影響

CNC 加工を行う場合、基本的な材料特性を知っておくと、切削工具の下での材料の性能を予測するのに役立ちます。

硬度

硬度は、材料が変形せずにどれだけのストレスに耐えられるかを示します。

• 影響: 材料が硬すぎる場合 (硬化鋼、チタンなど)、工具の破損を避けるために切削速度を大幅に下げる必要があり、その結果、加工時間とコストが増加します。
• 選択のヒント: 材料が大きな摩耗や擦り切れを受ける場合にのみ、より高い硬度レベルを指定します。

被削性

被削性とは、特定の材料を切削する際の容易さのことです。多くの場合、これは比較的評価されるもので、快削鋼（1212）は100%と評価されます。

• 影響: 機械加工性が高い材料 (アルミニウム 6061、真鍮など) を使用すると、作業がはるかに速くなり、工具の摩耗が少なくなり、製造コストも安くなります。
• 選択のヒント: 設計で可能であれば、常に定格の高い材料を使用してコストを最小限に抑えます。

熱安定性

物質の熱安定性とは、熱に対する反応のことです。

• 影響：機械加工は摩擦熱を発生します。プラスチックの熱安定性が低い場合、機械加工を強く行なうと溶解したり変形したりする可能性があります。チタンなどの熱伝導率の低い金属は、切削工具に多くの熱を集中させ、寿命を縮めます。
• 選択のヒント: 機械加工を積極的に行う場合、または高温の用途の場合は、熱安定性の高い材料を選択する必要があります。

抗張力

引張強度とは、材料が張力を受けて破断するまでに耐えられる応力の量を指します。

• 影響: 引張強度の高い材料を加工対象に選択すると、加工が困難になる可能性があります。
• 選択のヒント: 引張強度が構造に対して十分であることを確認します。ただし、コンポーネントが耐荷重性を持たない場合は、十分すぎる強度を指定しないでください。

異なる加工材料のコストへの影響

CNC加工部品のコストは、金属ブロックの原価だけで決まることは稀です。原材料費、加工時間、そして工具の摩耗など、様々な要素が絡み合って発生します。

原材料費

これは最も明白な考慮事項です。

• 低コスト: ABS、アルミニウム 6061、軟鋼。
• 中価格: ステンレス鋼 304、ナイロン、ポリカーボネート。
• 高コスト：チタン、PEEK、ステンレス鋼 316。

隠れたコスト：機械加工性

予算が破綻する原因はここにあります。チタンのブロックはアルミニウムのブロックの5倍のコストがかかるかもしれませんが、実際のコストは機械の稼働時間から生じます。チタンは機械を損傷させないためにゆっくりと切断する必要があるため、アルミニウムでは1時間で済む部品を、機械が10時間稼働させることもあります。

機械加工に時間単位の料金を支払っている場合、時間の 10 倍の増加は原材料コストをはるかに上回ります。

工具の磨耗と交換

ガラス繊維入りナイロンや硬質金属などの研磨材は、エンドミルやドリルビットを急速に摩耗させます。作業の途中で鈍くなった工具を交換するために機械を停止しなければならない場合、そのダウンタイムと新しい工具の費用を負担することになります。

CNC加工における材料選定の最適化のヒント

設計段階でこれらの最適化戦略に従うことで、コストとリードタイムを削減できます。

1.過度に詳細に指定しないこと

グレード5チタンが設計に最適な材料だからといって、必ずしもそれを使わなければならないわけではありません。エンジニアは、実際に最も費用対効果の高い材料を使用する必要があります。部品が机の上に置かれ、センサーを保持するだけの機能を持つのであれば、高価な高級鋼は必要ありません。

2.ビレットサイズを標準化する

CNC部品の加工では、加工者は棒材、ロッド、板材などの材料を調達します。設計図で部品の幅が51mmと指定されている場合、加工者は60mmの棒材を用意し、9mmの材料を削り取る必要があります。部品の幅が49mmと設計されている場合は、50mmの棒材を使用すれば材料の無駄がなくなり、加工時間を短縮できます。

3．後処理について考える

特定の表面硬度が必要で、かつ部品の機械加工が容易でなければならない場合は、二次加工を施す必要があります。より軟質の鋼材は表面硬化に使用できます。アルミニウムも同様に、陽極酸化処理を施すことで耐摩耗性と耐腐食性を高める表面層を形成することができます。

4．壁の厚さを考慮する

これは他のすべての材料に当てはまりますが、プラスチックの場合は特に重要です。機械加工によって表面仕上げにムラが生じる可能性があり、さらに危険なことに、肉厚が薄い場合はワークピースにひび割れが生じる可能性があります。肉厚は大きめに設計し、切削工具の衝撃に耐えられるだけの厚みを確保してください。

結論

CNC加工に適した材料の選択は、決して白か黒かで決まるものではありません。最終製品の物理的要求と製造における経済的現実との間の妥協点です。加工性、コスト、機械的特性の間のトレードオフを理解することで、機能的であるだけでなく、生産効率も高い部品を設計することができます。

アルミニウムの汎用性、スチールの耐久性、あるいはデルリンの精度など、どの選択肢を選ぶにしても、重要なのは設計プロセスの早い段階から製造パートナーを関与させることです。彼らの現場での経験は、最初のチップが切断される前に時間とコストを節約する貴重な洞察を提供してくれます。