最適なCNC加工材料を選んで最適なパフォーマンスを得る方法

CNC加工は多くの材料と互換性のある高精度プロセスです。適切なCNC加工材料は、製造プロセスの効率と機械加工部品の品質と機能に大きな役割を果たします。しかし、多数の選択肢から適切なものを選ぶのは困難かもしれません。

この記事では、プロジェクトに適したCNC材料の選び方を説明します。

CNC加工材料選定の3ステップガイド

記事に入る前に、ほとんどのCNC機械技師が材料を選択するために使用する3ステップガイドの簡単な紹介を以下に示します。ただし、これは導入であり、各ステップは以降のセクションで完全に説明されます。

・ステップ1: 部品要件を優先する

部品要件はCNC加工の核心部分であり、使用できる材料のタイプのテンプレートを設定します。一般的な要件には、部品用途（使用される環境）、推定特性（軽量、引張強度など）、予算が含まれます。

・ステップ2: 候補材料を特定する

上記の部品要件に基づいて材料を優先すると、それらの要件をすべてまたはほとんど満たす材料を特定できます。これらの材料のリストを作成します。

・ステップ3: 最も適した材料を選択する

部品要件の間で妥協することで、最も適した材料を選択します。例えば、予算が範囲内でない場合、機械的性能よりコストを選択できます。

ステップ1: CNC加工材料選定時に部品要件を考慮する

以下は、あらゆるCNC加工プロジェクトに適用可能な部品要件の詳細な研究です。

・ 部品用途

使用するCNC材料が意図する用途または環境と互換性があることを確認してください。例えば、海洋環境で使用される構造部品を作るためのステンレス鋼と炭素鋼を比較してみましょう。両材料とも機械加工可能です。しかし、耐食性があるためステンレス鋼の方がより適しています。通常の乾燥環境を見ると、炭素鋼の方がより強く耐久性があるため適しています。

・ 部品重量

検討中の材料が、用途に基づいて要求される適切な重量を持っていることを確認してください。大きいことが良いとは限りません。例えば、アルミニウムやその他の低密度材料は、軽量と強度により自動車および航空宇宙産業に強く魅力的です。

・ 部品特性

適切なCNC材料は、機能を失うことなく効果的な機械加工を助ける必要な特性を持っています。したがって、考慮できる部品特性を検討すべきです。

機械加工性

機械加工性は、材料がCNC加工プロセスとどれだけ互換性があるかを示します。適切な材料は高い機械加工性を持ち、生産効率の向上と破損CNC部品の削減につながります。アルミニウム、銅、真鍮、プラスチックなどの軟らかい金属は高機械加工性材料です。

硬い金属とタフなプラスチック（金属や炭素繊維など）は機械加工性が低いです。したがって、CNCマシンの切削速度と送り速度を制御する必要があるため、生産性と生産効率が低下します。また、金属部品を損傷したり、チタンの場合のように特殊な切削工具を必要としたりする可能性があります。

強度

金属とプラスチックにはさまざまな強度の尺度があり、プロジェクトに最適な材料を探す際には以下を考慮すべきです：

• 引張強度： 引張力に対する材料の抵抗
• 圧縮または耐荷重： 定荷重に対する材料の抵抗
• 靭性： 材料の裂け目に対する抵抗能力
• 弾性： 荷重除去後に元の形状に戻る材料の能力

作りたい部品の許容強度限界を知り、そのような限界と共鳴する材料を選択してください。さらに、オンラインでさまざまな材料の強度に関する包括的な技術情報を入手したり、担当者と相談したりできます。

耐熱性

耐熱性は、温度変化による機械的特性の変化に対する材料の抵抗能力を示します。選択する材料が温度変化に応じて不規則に膨張または収縮しないことを確認してください。

耐食性

耐食性は、部品故障を引き起こす外来物質に対する材料の抵抗能力です。このような外来物質は水に限定されません。その他の例には油、グリース、酸、塩、アルコールなどの化学試薬が含まれます。したがって、材料の技術データシートを確認して化学曝露に耐える能力を検証してください。

硬度

材料硬度は、点荷重表面に耐える能力を示し、CNCマシンが切削できる材料を決定します。硬い材料はCNC加工に適していません。CNCマシンのコンポーネントを破壊する可能性があるためです。また、特殊な切削手順が必要です。例えば、チタンにはダイヤモンド切削工具が必要です。

耐久強度/限度

これは材料の応力吸収の全体的な能力です。例えば、アルミニウムは微細構造のため耐久限度がありません。しかし、その合金は引張強度の1/3の耐久限度を持つべきです。

・ 寸法公差

寸法公差は、効果的な機能のための機械部品の変動許容限界です。より高い寸法公差には、高機械加工性材料が必要です。

タイトな公差で作られた部品は組み立てが容易です。したがって、自動車と航空工学に非常に適しています。

また、すべてのCNCマシンにはメーカーに基づく独自の公差レベルがあります。しかし、平均公差は0.02mmです。公差が不明な場合、CNC加工の標準公差に関する記事を参照できます。

・ 物理的外観

美観はCNC材料選定時の要件の最前線にはありません。しかし、特に消費者向け製品では考慮する必要がある場合があります。

物理的外観は、最終部品の滑らかさと色の観点からあります。金属は通常滑らかな表面仕上げを持ちますが、色の範囲は限定的です。プラスチック材料はさまざまな色があります。

・ プロジェクト予算

材料コストは、CNC加工が減法プロセス、すなわち機械がワークピースを削り取って最終製品を作るため、CNC材料選定の重要な部分です。したがって、プロジェクト予算は材料選定の主要因です。支出範囲内で望ましい特性を持つ材料を選択してください。

ステップ2: 候補CNC加工材料を特定する

上記で強調した部品要件を使用して、プロジェクトに互換性のある材料のリストを作成できるはずです。CNC加工に適した3つの材料タイプがあります：金属、プラスチック、その他。このセクションでは、これら3タイプ、それらの特性、用途について説明します。

・ 金属CNC加工材料

金属は独自の特性を持つ一般的なCNCフライス材料です。プロセスと互換性のある幅広い金属があります。以下はよく知られたオプション、それらの特性、用途です。

– アルミニウム

アルミニウム合金は一般的に優れた強度重量比、熱的および電気伝導性、耐食性を持っています。しかし、これらの特性のレベルはアルミニウム合金のタイプに依存します。例えば、6061と7075アルミニウムの比較では、アルミニウム6061の方が耐食性が低いことがわかります。材料特性の多様性を示すアルミニウム合金の他の比較もあります。

アルミニウム合金は、フレームや高性能レクリエーション機器などの部品製造で自動車および航空業界に適用可能です。

– 真鍮

真鍮は亜鉛と銅の合金です。青銅や銅とは異なり、低摩擦係数、高化学耐性、低強度を持つコスト効率の良い材料です。柔らかさにより高い機械加工性を持ちます。その結果、真鍮は医療業界（手術器具）、エンジニアリング、音楽業界（弦）で使用される部品製造に適用可能です。

– ステンレス鋼

ステンレス鋼合金は耐食性、耐歪み性、耐摩耗性を持ちます。ほとんどのステンレス鋼合金は熱処理可能ですが、ナット、ボルト、シャフト、ギアの製造に使用される303ステンレス鋼を除きます。もう一つの一般的な合金は304ステンレス鋼で、高い機械加工性、耐食性、溶接性で知られています。

ステンレス鋼は一般的に、手術器具製造の医療業界と自動車および航空業界に適用可能です。

– 鋼

鋼合金は高い成形性、溶接性、機械加工性を持ちます。しかし、これらの特性の程度は合金に依存します。強力な溶接を必要とするギアやシャフトなどの材料製造に適しています。

– チタン

チタンは高強度、靭性、生体適合性、耐食性を持っています。アルミニウムと比較されることが最も多いです。しかし、アルミニウム合金とは異なり、高価で機械加工性が低い（特殊カッターが必要）です。また、溶接性が低いため、チタンと鋼を比較すると多くの機械技師が鋼を好みます。

チタンは航空宇宙、軍事、医療機器製造で使用されるラピッドプロトタイピング部品の重要な材料です。

– 銅

銅は高い電気伝導性、耐食性、熱伝導性を持っています。しかし、酸、ハロゲン、硫化物、アンモニア溶液などの化学物質に対する耐性は低いです。

銅は導電部品製造の電気業界と、冷却システムと熱交換器製造の自動車業界に適用可能です。

・ プラスチックCNC加工材料

プラスチックポリマーもCNC加工の一般的な材料で、汎用性と美的特性で知られています。以下はよく知られたオプション、それらの特性、用途です。

– ABS

ABSプラスチック材料は、高い衝撃耐性、低電気伝導性、高化学耐性を持つ熱可塑性樹脂です。射出成形でより一般的ですが、汎用性によりCNC加工にも高く適用可能です。

ABSは自動車部品、おもちゃ、スポーツ用品の製造に適用可能です。しかし、他のプラスチックとは異なり、安価で長時間の高温に耐えられません。

– ナイロン

ナイロンは高い機械加工性、中程度の難燃性、高強度を持つポリアミドポリマーです。絶縁体、ベアリング、車輪、家電ケーシングの製造に適しています。

– アクリル

PMMAはガラスの代替として使用される剛性、透明、耐傷性、耐衝撃性の材料です。アクリルCNCはディスプレイ画面、レンズ、透明エンクロージャ、食品保存（ビスフェノールAフリーのため）に適用可能です。しかし、熱変形に弱いです。

– PEEK

PEEKは優れた機械加工性、優れた寸法安定性、化学耐性、適切な衝撃耐性を持つ半結晶性ポリマーです。テストソケット、スイッチ、コネクタなどの部品製造に適用可能です。

– PVC

PVCは化学耐性があり、ほとんどのCNCフライス材料より安価です。水道管とガス管の製造で住宅業界に適用可能です。

・ その他のCNC加工材料

金属とプラスチックがより一般的なCNC加工材料ですが、その他の互換性のある材料もあります。以下はプロジェクトに適している可能性のあるいくつかです。

– セラミックス

セラミックスは脆く、耐熱性、耐食性があることで知られています。したがって、慎重な機械加工が必要です。

その特性の結果として、耐熱性を持つコンポーネントの製造に重要です。例：スペースシャトルエンジン部品、戦車装甲、超伝導体。

– 木材

木材（無垢材と合板）は高い美観と耐摩耗性を持ちます。合板はより高い寸法安定性を持ちます。したがって、高い公差レベルを必要とする製品に適しています。両材料とも高価で、特殊な切削工具が必要な場合があります。

– フォーム

フォームは安価、軽量、容易に機械加工可能な材料で、CNC加工でのテスト材料として適しています。剛性と彫刻の2タイプがあります。

剛性フォームはより高い断熱値を持ち（-100°Fから200°Fの温度で作動可能）、床と壁用部品の製造に適しています。また、湿気に耐える必要のある製品製造にも適しています。

彫刻フォームはより高い柔軟性を持ちます。したがって、ガスケットとシールなどの製品製造に適用可能です。

– 複合材料

複合材料は、熱硬化性または熱可塑性樹脂で結合された炭素、ガラスなどから作られる合成材料です。化学的構成により、機械加工性が低くなります。その結果、機械加工が難しく、ダイヤモンド工具と5軸CNCマシンが必要になることがよくあります。自動車、航空宇宙、発電用途に適用可能です。

ステップ3: 最適なCNC加工材料の選択

最適なCNC加工材料の選択は、あなたが想像する製品とその用途に依存します。多くの材料が利用可能なので、適切なもののリストを作成できるはずです。以下は最適な材料を選択するために考慮できるいくつかの事項です。

・ 非金属材料を検討する

金属が常に最良の選択肢とは限りません。一部の非金属材料は金属のような特性を持っています。例えば、ポリカーボネートは金属に匹敵する非常に強いプラスチックです。また、軽量、耐久性、成形可能です。したがって、プロジェクトが非金属CNC材料でより良くなる場合はそれらを使用してください。

・ フェノール樹脂を検討する

フェノール樹脂は硬く、寸法安定性があり、電気抵抗、耐熱性、耐薬品性があります。したがって、プロジェクトの特定規制への準拠に最適なオプションです。

・ フォームのさまざまな目的を知る

フォームは軽量、耐久性、剛性により機械加工で非常に重要です。その結果、特に高価な材料で作業している場合、適切なテスト材料になる可能性があります。剛性フォームは高い構造的完全性と安定性を必要とする部品に適し、彫刻フォームは高い断熱性を必要とする部品と金型プロトタイプに適しています。

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よくある質問

機械加工に最適なアルミニウムは？

アルミニウム6061-T6は、CNC加工の標準グレードと見なされる人気のアルミニウム合金です。高い機械加工性、軽量、耐食性、汎用性を持ちます。自動車および航空業界に適用可能です。

CNCマシンで切削できる材料は？

CNCマシンはアルミニウムやステンレス鋼などの軟らかい金属、ABS、PEEK、PVCなどのプラスチック、フォームやセラミックスなどのその他の材料を切削できます。

プラスチックと金属、どちらが良いですか？

両材料とも異なるシナリオで適用可能な特性を持っています。金属は機能的特性に優れていますが高価です。美観ではプラスチックが優れています。これは金属に美的特性がないという意味ではありません。表面仕上げで美観を良くできます。また、多くのプラスチックが機能的特性で金属に取って代われます。