アクリル加工とポリカーボネート加工:主な違いと適切な材料の選択

2022 年 11 月 16 日に公開

以前は 2022 年 11 月 16 日に fastradius.com で公開されました

プレキシガラスまたはポリメチルメタクリレート（PMMA）としても知られるアクリルとポリカーボネートは、どちらも軽量で透明なプラスチックであり、CNC 加工による部品の製造に適しています。アクリルはその強度と透明性で知られており、標準的なガラスの優れた代替品となっています。一方、ポリカーボネートは非常に丈夫で耐衝撃性に優れているため、安全ガラスなどの透明性と耐久性の向上が必要な用途に最適です。

アクリルとポリカーボネートは多くの点で似ていますが、これら 2 つの一般的な材料の間には、一方が他方よりも特定の用途により適したものになる可能性がある、または機械加工プロセス、ひいてはリードタイムとコストに影響を与える可能性がある重要な違いがいくつかあります。この記事では、プロジェクトに最適な製造オプションを選択し、選択した素材に適したデザインを作成できるように、アクリルとポリカーボネートの加工について知っておくべきことについて説明します。

アクリルとポリカーボネートの加工:知っておくべきこと

アクリルの機械加工に関しては、押し出しアクリルよりもキャストアクリルの方が良い選択となることがよくあります。これは、後者は機械加工プロセス中にひび割れや欠けが発生する可能性が高いためです。これは、部品の欠けを避けるためにツールパス戦略を慎重に選択する必要があることを意味します。さらに、アクリルは耐熱性があまり高くないため、滑らかな表面仕上げを得るには鋭利な切削工具を使用する必要があります。アクリルの融点が低いということは、加工中に他のプラスチックよりも低い切削送り速度を使用する必要があることも意味します。これは、送り速度が高くなると、より多くの摩擦と熱が発生し、部品が損傷する可能性があるためです。必要に応じて、アクリルを加工前に冷凍庫に保管して、できるだけ低温に保つことができます。

ポリカーボネートはその靭性と耐衝撃性により機械加工に優れており、特に CNC フライス加工に適しています。ただし、ポリカーボネートを加工する場合、加工中に熱がこもりすぎるとポリカーボネートシートが溶けてしまう可能性があるため、切削工具の鋭さが依然として重要です。ポリカーボネートはアクリルよりも欠ける可能性が低いため、機械加工が容易になる傾向があり、より標準的なツールパス戦略を使用できます。さらに、動作温度範囲がより高いため、問題が発生する可能性が低くなり、より積極的な戦略を使用でき、時間とコストを節約できる可能性があります。

アクリルおよびポリカーボネートの用途

アクリルとポリカーボネートはどちらも軽量で機械加工が可能で、業界全体のさまざまな用途に適した独自の特性を備えています。

アクリルは自動車、建設、航空宇宙業界で人気のある素材であり、ドライ ボックス、レンズ、放射線シールド、デシケーターなどによく使用されます。さらに、その透明性、強度、耐衝撃性の高さにより、ガラスの優れた代替品となり、温室、水族館、テラリウム、防犯柵などで一般的に使用されています。

アクリルと同様に、ポリカーボネートは自動車、航空宇宙、建設業界で人気がありますが、ポリカーボネート部品は限られたオートクレーブや放射線滅菌に耐えることができるため、耐熱性と高い寸法安定性により医療業界でも非常に人気があります。より一般的な用途の中でも、ポリカーボネートは店頭ディスプレイ、フェイスシールド、建築物、透明マニホールド、防弾窓などによく使用されます。

パーツにアクリルを使用するメリットとデメリット

アクリルは、次のようなさまざまなポジティブな特性を提供します。

• 透明性:  アクリルは光を最大 92% 通過させることができるため、一部のグレードのガラスや他のほとんどの熱可塑性プラスチックよりも透明度が高くなります。透明度を損なうことなく着色することもできますが、より不透明なアクリル パーツを製造することも可能です。
• 強み:  アクリルはガラスよりもはるかに強く、耐衝撃性に優れています。ほとんどのグレードのアクリルはガラスよりも 4 ～ 8 倍の強度があります。
• 耐環境性:  アクリルはもともと傷、風化、紫外線に強いため、屋外での使用に最適です。
• 耐薬品性:  アクリルは、アルカリ、洗剤、クリーナー、希無機酸など、多くの化学薬品に対して耐性があります。
• 吸湿性:  アクリルは吸湿性が低いため、屋外用途で使用しても寸法を維持できます。
• コーティングとの互換性:  アクリル パーツは、表面品質を向上させ、寿命を延ばし、特定の要件を確実に満たすために、帯電防止層、ハード コート層、またはノングレア層でコーティングできます。
• 手頃な価格:  アクリルは、その強度、耐久性、透明度にもかかわらず、製造と機械加工が比較的安価です。ちなみに、ポリカーボネートは約 35～40% 高価です。
• 色:  アクリルには幅広い色があります。

CNC 加工アクリルには欠点がないわけではありません。前述したように、アクリルはポリカーボネートよりもひび割れや欠けが発生しやすく、160°C を超える温度で構造の完全性を失い溶け始めるため、機械加工が若干難しくなります。 CNC 加工用のアクリル部品を設計する場合は、融点が比較的低いことに留意する必要があります。これは、材料が製造プロセス中に変形しやすくなるためです。溶解のリスクを回避し、高品質の表面仕上げを実現するには、適切な送り速度とパス深さを使用することが重要です。同様に、びびりを減らし高品質の切断を実現するには、溝長が短く、ビットの直径の約半分の切り込み深さの工具を使用してアクリル部品を加工する必要があります。

製品の使用目的によっても、アクリルがプロジェクトに最適な選択肢であるかどうかが決まります。たとえば、アクリルは非常に生体適合性が高いため、骨インプラント、義歯、その他の皮膚に接触する用途に適しています。同様に、耐候性、耐紫外線性、耐傷性にも優れているため、屋外で使用される部品に適しています。一方、アクリルは食器洗い機や電子レンジなどの高温環境にさらされる食品容器には最適な選択ではない可能性があります。これは、アクリル部品は 149°F (65°C) までしか寸法を維持できず、その温度になると軟化し始めるためです。 

部品にポリカーボネートを使用するメリットとデメリット

ポリカーボネートを使用する利点は次のとおりです。

• 透明性:  ポリカーボネートは、ガラスと同じくらい効果的に光を透過できる天然透明の熱可塑性プラスチックであり、レンズ、照明、防弾ガラスに最適です。アクリルと同様、ポリカーボネートは透明性を損なうことなく着色できます。
• 種類:  市場には、ガラス入りのものや FDA 準拠のものなど、ポリカーボネートの配合がいくつかあるため、プロジェクトのニーズを満たすものが見つかる可能性が高くなります。
• 強度と耐衝撃性:  ポリカーボネートはガラスの約200倍の引張強度を持ち、衝撃に強い素材です。したがって、防弾ガラスや防護服によく使用されます。
• 収縮と寸法安定性:  ポリカーボネートはほとんどの条件下で寸法を維持し、収縮率は 0.6 ～ 0.9% と低くなります。
• 耐環境性:  ポリカーボネートは本来、紫外線に対して耐性があり、さまざまな湿度レベルや温度の変動に耐えることができるため、屋外用途やメガネに最適な素材です。
• 耐薬品性:  ポリカーボネートは、希酸、油、ワックス、脂肪族炭化水素、アルコール、グリースなどの多くの化学薬品に対して耐性があります。
• 吸湿性:  ポリカーボネートはアクリルに比べて吸湿性がわずかに低い
• コーティングとの互換性:  アクリルと同様に、ポリカーボネートコンポーネントは、帯電防止層、ハードコート層、およびノングレア層でコーティングできます。ポリカーボネートは、UV 層や曇り止め層とも互換性があります。
• 高い機械加工性:  ポリカーボネートは耐久性と耐熱性に優れているため、アクリルよりも機械加工が容易です。

ポリカーボネートには多くの利点がありますが、CNC 加工プロジェクトにポリカーボネートを使用することには、コストが高いことやへこみやすいことなど、いくつかの欠点があります。さらに、ポリカーボネートは傷がつきやすいため、仕上げが必要になる可能性が高くなりますが、ポリカーボネート パーツには蒸着研磨やコーティングなどの特定の仕上げプロセスのみが適用されるため、仕上げが複雑になります。

さらに、ポリカーボネート部品は厚い部分に陥没や空隙が発生しやすいことにも注意することが重要です。これを防ぐには、厚い要素を小さくて薄いセクションに分割し、後で組み立てることが最善です。コストを念頭に置くと、このヒントを覚えやすくなります。ポリカーボネートの 1 つのブロックから厚い部品を加工する場合、通常、原材料のコストと加工時間のせいで、小さな部品を加工するよりもコストが高くなります。

アクリルおよびポリカーボネートの仕上げオプション

アクリルとポリカーボネートにはいくつかの仕上げオプションがあり、その中にはパーツの外観や感触を最終用途に適したものにし、透明度を向上させるものもあります。

• 機械加工のままの仕上げ:  標準的で最も経済的な仕上げである「機械加工のまま」または「フライス加工のまま」は、部品に追加の後処理が適用されないことを意味します。機械加工されたままの部品は寸法が厳密に仕上げられており、より速く、より手頃な価格の製造オプションとなる可能性があります。場合によっては、機械加工されたままの部品には、小さいながらも目に見える表面の工具跡、汚れ、傷がある場合があります。
• ビーズブラスト:  均一な外観を生み出す経済的な仕上げであるビード ブラストは、鈍い仕上げやサテン仕上げが残る傾向があり、工具の跡や表面の傷を取り除くのに効果的です。
• 蒸気研磨: この仕上げオプションでは、溶剤蒸気を使用して、艶消しまたは不透明な表面を滑らかで高光沢の、または光学的に透明な表面に変換します。蒸気研磨は、粗い表面が許容されない部品や透明度が最も重要な部品によく使用されます。 

切断プロセス中に十分な注意を払うと、アクリルおよびポリカーボネート部品の機械加工された表面は通常半透明になりますが、材料が溶けるとほぼ不透明になる可能性があります。溶解が発生した場合は、蒸気研磨などの後処理オプションを使用して表面の不透明性に対処できる場合があります。ただし、アクリルおよびポリカーボネート部品の機械加工仕上げは光学的に透明ではないことに注意してください。ただし、ダイヤモンド工具を使用すれば光学的に透明度を達成できる可能性がありますが、これはコストが大幅に増加するため、見積もりプロセス中に具体的に要求する必要があります。

結論:機械加工におけるアクリルとポリカーボネートの比較

機械加工されたアクリルを含むデザインでは、応力亀裂が発生する可能性が高まるため、特別な注意が必要です。これを念頭に置いて、アクリルを溶かしたりひび割れを引き起こしたりしないように、非常に鋭い切削工具を使用することをお勧めします。ダイヤモンド カッターは最高の表面仕上げを実現しますが、超硬カッターの方がはるかに手頃な価格です。アクリルの溶融を防ぐために比較的速い送り速度を使用することも必要ですが、送り速度が速すぎると、極度の切断圧力や破損が発生する可能性があることに注意してください。

ポリカーボネートは一般に、剛性、靱性、耐久性、融点が高いため、機械加工に適していますが、そのトレードオフとして、ポリカーボネートはアクリルよりも透明度が低いです。ただし、保護具、ヒューズ ボックス、大型で丈夫なコンポーネントなどの特定用途の部品を作成する必要がある場合は、透明性が問題にならない場合があります。一方、透明性が最優先される製品をデザインしている場合は、アクリルを機械加工するために特別な労力をかける価値があるかもしれません。

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製造プロジェクトに適した材料を選択することが、成功と失敗の分かれ目となる可能性があります。アクリルとポリカーボネートの長所と短所を検討してきましたが、これらが唯一の選択肢ではないことを覚えておく価値があります。多数の CNC 機械加工材料が部品の設計や意図した用途と互換性がある場合があり、適切なものを選択するプロセスは複雑になる場合があります。 

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