複合材と CNC 機械加工部品の軽量化の秘訣

軽量化は、環境および/または経済上の理由から部品の重量を減らすプロセスです。エンジニアは、部品のコアリング、設計での格子の採用、またはトポロジーの最適化の利用により、不要な材料を除去することにより、設計レベルで軽量部品を実現します。軽量化のもう 1 つの効果的な方法は、重い材料を、重要な機械的要件を満たす軽量の材料と交換することです。軽量の部品は、環境にやさしく、コスト効率が高く、燃料効率が高く、多くの場合、製品チームにより多くの材料オプションを提供します。

軽量化は、自動車、航空宇宙、建設業界で非常に人気のある技術です。自動車業界における軽量化の一般的な用途 (最も顕著なユースケースの 1 つ) には、エンジン ブロック、シャーシ、およびその他のさまざまな部品が含まれます。製品チームが、格子などの設計要素ではなく、より軽量な素材を組み込むことによって軽量化を追求している場合、強度や耐久性を犠牲にしない素材を採用することが重要です。複合材は、多くの場合、法案に適合します。

複合材料とは?

複合材料は、特定の特性を実現するために設計された 2 つ以上の材料の異種混合物です。複合材料の最終的な特性は、最終的にはその構成に依存しますが、一般的に言えば、複合材料は単独でどちらのベース材料よりも強力です.

複合材料は、市場に出回っているほとんどの高性能均質材料よりも重量で強いため、軽量化に最適です。複合材料の最も一般的な構造は、結合マトリックスによって結合された繊維で構成されています。これらのコンポーネントは連携して、それぞれの最も強力な側面を組み合わせます。複合材の強化繊維が負荷を支え、周囲のマトリックス (多くの場合ポリマーで構成されている) が繊維の相対位置を維持します。その結果、場合によっては、複合材料は鋼鉄の 10 倍、アルミニウムの 8 倍の強度を持ちながら、驚くほど軽量になります。軽量複合材料で構築された CNC 機械加工部品は、燃料効率が高く、輸送や設置が容易です。

高強度、耐久性、および軽量に加えて、複合材料は設計の柔軟性を高める傾向があります。複雑な形状に合わせて簡単に成形できるため、CNC 機械加工での使用に最適です。また、複合材には非常に多くの材料の組み合わせが利用できるため、設計者は独自の要件に適合するテーラーメイドの CNC 複合材を見つけることができます。

一般的な複合建築材料

軽量化に最も適した複合材料の 2 つの分類は、ポリマー マトリックス複合材料 (PMC) と金属マトリックス複合材料 (MMC) です。繊維強化ポリマーとしても知られる PMC は最も一般的で、マトリックスにポリマーベースの樹脂を使用し、補強材にカーボンまたはグラスファイバーを使用します。 MMC は、自動車業界での軽量化に人気があり、マトリックスにアルミニウムなどの金属を使用し、繊維強化に炭化ケイ素を使用しています。

軽量化複合材料は、さまざまな材料の組み合わせから作成できるため、エンジニアは材料の選択に関して多くのことをカバーする必要があります。ここでは、CNC 加工部品の軽量化に使用される 3 つの一般的な複合建築材料を紹介します。

1.カーボン

カーボンファイバーには、ポリアクリロニトリルベース (PAN) カーボンとピッチ由来カーボンの 2 つの主な種類があります。現在市場に出回っている炭素繊維の 90% はポリアクリロニトリルをベースにしており、これらの繊維は高い剛性と弾性率の値だけでなく、強度対重量の値も優れています。カーボンは、軽量化の可能性が高い低密度複合材料であるため、軽量化に適しています。実際、スチールよりも 50% 軽量です。

CNC 加工された炭素繊維複合材の一般的な用途には、航空宇宙産業や自動車産業のフレーム、シャーシ、その他のコンポーネントが含まれます。残念ながら、コストは炭素の最も重大な制限です。 International Research Journal of Engineering and Technology によると、スチールよりも 570% 高価であり、多くの製品チームにとって非常に高価です。また、炭素繊維は耐衝撃性が低いため、エンジニアは自動車業界での軽量化に留意する必要があります。

2.グラス

ガラス複合充填材には、E ガラス、C ガラス、S ガラス、R ガラス、T ガラスの 5 種類の市販組成があります。 E ガラスは、軽量化のためにポリマー マトリックスに使用される最も一般的なガラス繊維であり、優れた機械的特性、高い電気絶縁性、および湿気に対する低い感受性を提供します。 C ガラス繊維は、部品に耐薬品性が必要な用途に最適ですが、S ガラスはより高い強度、耐熱性、弾性率を備えています。

ガラスフィラーは、軽量化のための複合材料として引き続き使用できますが、エンジニアは、ガラス繊維強化部品は炭素繊維強化部品よりも重くなり、高い剛性が必要な用途では特別な設計対応が必要になることを知っておく必要があります。製品チームと設計者は、設計段階でこれらの要因を念頭に置いておく必要があります。これらの制限にもかかわらず、多くの製品はグラス ファイバーを使用しています。これは、カーボン ファイバーよりもはるかに費用対効果が高いためです。

3.アルミニウム

アルミニウムベースの金属マトリックス複合材は、自動車業界で軽量化のために非常に人気があります。一般に、アルミニウム合金は、一般に入手可能な金属の中で最高の強度対重量比を持ち、優れた導電性を提供し、高い耐食性を備えています。さらに、アルミニウム複合材の重量はスチールの約 3 分の 1 です。

アルミニウムが MMC に含まれている場合、複合材料は、強化されていないアルミニウムよりも高いモジュラス、低い熱膨張係数、および高い硬度を持つことができます。自動車業界での一般的な用途には、車両フレーム、電気配線、ホイール、エンジン部品などが含まれます。残念ながら、アルミニウムを使用すると、製造コストが上昇する可能性があります。

CNC 複合材料の使用開始

かさばりを増やさずに、強く、柔軟で、損傷に強い部品を機械加工しようとするエンジニアにとって、複合材料は軽量化に最適な選択肢です。ポリマー マトリックス複合材と金属マトリックス複合材は、複合材料の 2 つの広いカテゴリを表しており、これらのカテゴリのいずれかに該当する複合材料は、さまざまな材料の組み合わせで構成できます。そのため、製品チームがプロジェクトに適した複合材料を選択していることを確認するのは難しい場合があります.

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CNC 加工を最大限に活用するためのヒントについては、Fast Radius リソース センターの関連ブログ記事をご覧ください。

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