なぜアルミニウムがCNC加工の定番材料なのか：メリット、用途、代替材

CNC加工プロジェクトにおいて、アルミニウムはその望ましい物理的特性により最も人気のある材料選択肢の一つです。強度があり機械部品に最適で、酸化された外層が外部要因による腐食に耐性があります。これらのメリットにより、アルミニウム部品は全業界で一般的ですが、特に自動車、航空宇宙、ヘルスケア、家電分野で好まれています。

アルミニウムは、CNC加工プロセスをシンプル化し改善する特定の利点も提供します。同様の材料特性を持つ他の多くの金属とは異なり、アルミニウムは優れた加工性を提供します：多くのグレードで切削工具が効果的に貫通し、容易に切り屑を生みながら比較的容易に成形できます。このため、アルミニウムは鉄や鋼より3倍以上速く加工できます。

この記事では、アルミニウムCNC加工の主要な利点（弊社で最も広く依頼される試作・生産プロセスの一つである理由）を説明するとともに、アルミニウムの加工代替材も提案します。

他の金属とプラスチックは、アルミニウムと類似のメリットに加え、独自のメリットを提供できます。

アルミニウムCNC加工のメリット

• 加工性
• 耐食性
• 強度重量比
• 電気伝導性
• アルマイト可能性
• リサイクル性

加工性

エンジニアが機械加工部品にアルミニウムを選ぶ主な理由の一つは、単純に材料が加工しやすいからです。これは部品を製造する機械加工業者にとってのメリットのように見えますが、部品を注文するビジネスと、最終的にそれを使用するエンドユーザーにとっても重要なメリットがあります。

アルミニウムは容易に切り屑を出し、成形しやすいため、CNC工作機械で速く正確に切削できます。これには重要な帰結があります：第一に、加工ジョブの短い時間枠がプロセスを安価にします（機械加工業者からの労働が少なく、機械自体の稼働時間も少なくて済むため）；第二に、良好な加工性は切削工具がワークピースを通過する際の部品変形を減らします。これにより、機械はより厳しい公差（±0.025mmまで）を達成でき、より高い精度と繰り返し精度につながります。

耐食性

異なるアルミニウムグレードは耐食性（酸化と化学的ダメージに耐える程度）で大きく異なります。幸い、CNC加工で最も人気のあるグレードのいくつかが最も耐食性に優れています。例えば6061は優れた耐食性を提供し、強度スペクトラムの下位側にある他の合金も同様です（合金銅の存在により、高強度アルミニウム合金は耐食性が低い場合があります）。

強度重量比

アルミニウムは機械部品と外観部品の両方に理想的な望ましい物理的特性を持っています。最も重要なのは、金属の高強度と軽量さで、これらは航空宇宙と自動車産業で要求される重要な部品に材料を有利にします。航空機継手と自動車シャフトは、アルミニウムで成功裏に加工できる部品の2例です。

しかし、異なるグレードのアルミニウムは異なる目的を果たします。有利な強度重量比により、6061のような汎用グレードは幅広い部品に使用できますが、7075のような著しく高強度グレードは航空宇宙と海洋用途で好まれる場合があります。

電気伝導性

CNC加工アルミニウム部品は、電気伝導性があるため電気部品に有用です。銅ほど導電性は高くありませんが、純アルミニウムは室温で約3,770万ジーメンス/メートルの電気伝導性を持ちます。合金はより低い伝導性を持つ場合がありますが、アルミニウム材料はステンレス鋼などよりはるかに導電性が高いです。

材料	伝導率 (S/m) 室温
銅	5,960万
アルミニウム	3,770万
亜鉛	1,690万
鉄	1,000万
炭素鋼	700万
チタン	240万
ステンレス鋼	150万

アルマイト可能性

加工アルミニウム部品は、強度と重量要求だけでなく、重要な美的考慮から消費者電子機器業界で特に人気があります。塗料と着色に対応できるだけでなく、アルミニウムはアルマイト処理が可能です。これは部品の保護的で酸化された外層を厚くする表面仕上げ手順です。

アルマイトプロセスは一般的に加工完了後に行われ、電解酸浴で部品に電流を流すことで、物理的衝撃と腐食に強いアルミニウム部品が得られます。

重要なことに、アルマイト化により機械加工アルミニウム部品への着色が容易になります。アルマイト化外層が高多孔質であるためです。染料は外層の多孔質部分を通って浸透し、金属部品の頑丈な外部に埋め込まれるため、剥がれやフレークの可能性が低くなります。

リサイクル性

アルミニウムのもう一つのメリットは高いリサイクル性で、環境影響を最小限に抑えたい企業や、単に材料廃棄物を減らして支出の一部を回収したい企業にとって好ましいです。リサイクル可能な材料は、切削工具からのチップという形で比較的大量の廃棄物材料があるCNC加工において特に重要です。

CNC加工におけるアルミニウムの代替材

企業がCNC加工でアルミニウムの代替材を求める理由は様々です。結局、この金属にはいくつかの弱点があります：酸化皮膜が工具を傷つける可能性があり、一般的に鋼のような代替材より高価です。これは部分的にアルミニウム生産の高エネルギーコストによるものです。

ここでは、アルミニウムとの違いと類似点に重点を置いた、CNC加工における潜在的なアルミニウム代替材をいくつか紹介します。

金属

鋼 & ステンレス鋼

アルミニウムより優れている点：

• 強度
• 耐温性

アルミニウムより劣っている点：

• 加工性
• 重量

鋼とステンレス鋼はCNC加工で広く使用される材料です。高強度のため、鋼は高応力用途と強力な溶接を必要とする用途で好まれます。鋼は非常に高温に耐え、ステンレス鋼は熱処理で耐食性を高められます。

しかし、加工用鋼が改良された加工性を持つように設計されていても、アルミニウムの方がより加工しやすい材料です。鋼はアルミニウムより重く硬度も高く、用途によっては望ましいかもしれませんし、そうでないかもしれません。

耐温性が重要な考慮事項で重量が問題でないなら、鋼はアルミニウムの理想的な代替材となり得ます。

チタン

アルミニウムより優れている点：

• 強度重量比

アルミニウムより劣っている点：

• コスト

チタンはアルミニウムと同様に優れた強度重量比を主な利点とするため、アルミニウムのライクフォーライク置換材として使用できます。チタンはアルミニウムと似た重量ですが、ほぼ2倍の強度があります。アルミニウムと同様、耐食性も高いです。

これらの利点は、チタンの高い価格に反映されています。航空機部品や医療機器のような部品には優れた選択肢ですが、コストが障壁となり得ます。

チタンは、軽量が主要懸念事項であり、重要なことに製造予算に余裕がある場合、アルミニウムの適切な代替材となります。

マグネシウム

アルミニウムより優れている点：

• 加工性
• 重量

アルミニウムより劣っている点：

• 加工安全性
• 耐食性

最も一般的な加工材料ではありませんが、軽量金属マグネシウムは一般的なアルミニウム合金の多くのメリットを提供します。実は、マグネシウムは最も加工しやすい金属の一つで、加工プロセスを高速かつ効率的にします。

機械工場にとっての潜在的な欠点は、マグネシウム切り屑が極めて引火しやすく、水でさらに悪化することです。つまり、機械加工業者は切り屑除去時に注意を払わなければなりません。

真鍮

アルミニウムより優れている点：

• 一部の美的用途

アルミニウムより劣っている点：

• コスト

金色の外観を持つ金属で、真鍮はアルミニウムよりわずかに高い価格で入手可能な高加工性金属です。バルブやノズル、構造部品などでよく見られ、高加工性により大量注文に適しています。

銅

アルミニウムより優れている点：

• 電気伝導性

アルミニウムより劣っている点：

• 加工性

銅はアルミニウムといくつかの材料特性を共有します。しかし、銅の優れた電気伝導性により、様々な電気用途で好まれることがあります。純銅は加工が難しいですが、多くの銅合金が人気アルミニウムグレードと類似の加工性を提供します。

エンジニアリング熱可塑性プラスチック

POM（デルリン）

アルミニウムより優れている点：

• 電気絶縁性
• 低摩擦

アルミニウムより劣っている点：

• 強度
• 耐熱性

CNC加工プロジェクトは金属に限定される必要はありません。実は、いくつかのエンジニアリング熱可塑性プラスチックが、用途に応じてアルミニウムのメリットの一部に匹敵または超えることができます。

アルミニウムが優れた加工性で好まれることが多いため、実行可能なプラスチック代替材の一つはPOM（デルリン）です。これはアルミニウムと同様に加工プロセスに高度に適しています。POMは融点が低いですが、プラスチックとしては驚異的に高い強度を持ちます。

POMは電気絶縁体で、電子エンクロージャのような部品に適しています。機械部品にも適しています。しかし、アルミニウムとは根本的に異なる絶縁挙動を持つため、熱的・電気的伝導性が無視できる状況でのみライクフォーライク置換として使用すべきです。

PTFE（テフロン）

アルミニウムより優れている点：

• 電気絶縁性
• 極めて低摩擦

アルミニウムより劣っている点：

• 強度

POMと同様、PTFE（テフロン）は高加工性熱可塑性プラスチックで、優れた電気絶縁体です。POMと異なり、PTFEは高温（最大260℃）にも耐えられるため、高温用途でのアルミニウム代替材として実行可能です。

PTFEの高い耐薬品性も、食品業界で使用される部品の加工材料として人気があります。

PEEK

アルミニウムより優れている点：

• 医療用途

アルミニウムより劣っている点：

• 加工性
• コスト

PEEKは前2つの熱可塑性プラスチックより加工が難しいですが、高強度と熱安定性（最大260℃耐熱）により、アルミニウムの真のライクフォーライク代替材となり得ます。バルブ、ベアリング、ポンプ、ノズルなどの部品でのPEEKの人気は、その金属のような能力を証明しています。

一つの障壁は価格です。高性能ポリマーとして、PEEKはより高価な加工可能熱可塑性プラスチックの一つで、アルミニウムのような普及材料が使用できない加工プロジェクトにのみ適しています。

ABS

アルミニウムより優れている点：

• 熱衝撃耐性

アルミニウムより劣っている点：

• 強度

ABSは一般的に射出成形材料として、近年は3Dプリントフィラメントとして使用されています。しかし、ABSはアルミニウムとほとんど共通点がありませんが、CNC加工向けの汎用的で軽量な材料であり、平均以上の衝撃強度を提供します。

その他

アルミニウムとは大きく異なるその他の加工可能プラスチックには、PC、ABS+PC、PP、PS、PMMA（アクリル）、PAGF30、PCGF30、DHPE、HDPE、PPSがあります。

特定アルミニウムグレードへの代替材

用途	アルミニウム	代替材
汎用	6061	軟鋼 1018
航空宇宙	7075	ステンレス鋼 303
海洋	5083	ステンレス鋼 304 ステンレス鋼 316
建設	5083	軟鋼 A36
食品	6061	PTFE PC

CNC加工と他プロセスの組み合わせ

アルミニウムがプロジェクトの推奨材料であり続ける場合、CNC加工を他の製造プロセスと組み合わせて、より複雑で高性能なアルミニウム部品を作る方法があります。これにより、アルミニウムの機能性を最大化しながら、複数の生産プロセスのメリットを得られます。

オールインワン製造プロセスであることに加え、CNC加工は他の機械で作られた部品を洗練・改良するためにも使用できます。押出、鋳造、鍛造プロセスはそれぞれ加工プロセスで補完され、より良いアルミニウムコンポーネントを作れます。

アルミニウム押出 + CNC加工

押出は、溶融材料をダイの開口部を通して押し出し、連続した断面を持つ細長いコンポーネントを生成するプロセスです。アルミニウム押出は、品質表面仕上げと複雑な断面を持つ機能コンポーネントを生産する効果的な方法ですが、それらの断面が部品全体で一貫している必要があるため、範囲が限られます。

もちろん、押出後に部品を改良すれば別です。アルミニウム押出は6061や6063のような延性・加工性に優れたグレードを扱う傾向があるため、押出部品を後からCNC加工センターで様々な方法で切削・加工できます。

アルミニウム押出とCNC加工の組み合わせは、複雑な断面と不規則な幾何形状を持つ強靭な部品を生産する優れた方法です。

ダイカスト + CNC加工

圧力ダイカストは、溶融金属を高圧で金型キャビティに押し込む製造プロセスです。必要な工具鋼ダイが高価なため、一般的に大量生産時に使用されます。

鋼、マグネシウム、亜鉛とともに、アルミニウムは圧力ダイカストでより人気のある金属の一つです。ダイカストアルミニウム部品は一般的に優れた表面仕上げと寸法一貫性を持ちます。

これらの利点をCNC加工の利点と組み合わせられます。アルミニウム部品をダイカストし、さらに機械加工センターで切削を追加することで、どちらのプロセス単独でも不可能な、優れた仕上げとより複雑な幾何形状を持つ部品を作れます。

コスト削減が高精度確保や薄肉作成より重要なら、重力ダイカストを圧力ダイカストの代わりに使用できます。

インベストメント鋳造 + CNC加工

インベストメント鋳造は、ワックスパターンを用いて金属部品を作る金属鋳造プロセスです。他の鋳造プロセスと同様、優れた表面仕上げと高い寸法精度の部品を生産します。

このプロセスは独自の利点も生み出します：ダイカストでは不可能なより複雑な部品を作れ、パーティングラインなしで部品が仕上がります。

アルミニウム合金はインベストメント鋳造で一般的に使用される材料で、鋳造アルミニウム部品を後加工で洗練できます。

鍛造 + CNC加工

多くの加工可能アルミニウム合金は、金属を圧縮力で成形する古来の鍛造プロセスにも適しています（これはしばしばハンマーで金属を叩くことを含みます）。

例えばアルミニウム6061は、クローズドダイ熱間鍛造に適しており、自動車と産業部品の生産に一般的に使用されるプロセスです。

アルミニウム鍛造品をCNC加工センターで後加工できます。これは単独加工と比較して有益で、鍛造部品は一般的に完全鋳造品や完全加工品より強いためです。しかし、後加工により部品の完全性を完全には損なわず、より複雑な幾何形状の創造が可能になります。

アルミニウムやその他材料でのCNC加工について詳しくは、3ERPにお問い合わせください。