CNC（コンピュータ数値制御）機械加工は、デジタル設計を精密な物理的製品に変換する基本的な製造プロセスです。CNCプロジェクトの成功は、最終製品の機能性、耐久性、コスト、製造可能性に直接影響する材料選択に大きく依存します。このガイドでは、利用可能な材料、その特性、用途、および主要な選択要因の詳細な概要を提供し、プロジェクトの際に情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。
1 CNC材料選択における主要な要素
適切な材料を選択するには、機械加工プロセスと最終部品の性能の両方に影響を与えるいくつかの要素を慎重に検討する必要があります。
1.1 被削性
被削性とは、過度の工具摩耗や損傷なしに、材料をどれだけ簡単に切断、成形、仕上げできるかを表します。被削性の高い材料（例：アルミニウム、真鍮）は、生産性の向上、より優れた表面仕上げ、製造コストの削減を可能にします。一方、被削性の低い材料は、多くの場合、特殊な工具と技術を必要とします。
1.2 機械的特性
強度：これには、引張強度（引張力に対する抵抗力）、圧縮強度（圧縮力に対する抵抗力）、および靭性（摩耗と衝撃に対する抵抗力）が含まれます。さまざまな用途で、さまざまな強度特性が求められます。
硬度：材料が表面のへこみや変形に抵抗する能力。硬い材料は耐摩耗性がありますが、機械加工がより困難になり、工具の摩耗を加速させる可能性があります。
寸法安定性：負荷、温度変化、湿度などのさまざまな条件下で、材料がその形状と寸法を維持する能力。これは、精密部品にとって重要です。
1.3 耐熱性
耐熱性は、材料が膨張、収縮、または変形することなく、温度変動にどれだけ耐えることができるかを示します。予測可能な熱膨張を持つ材料は、温度変化を伴う用途に不可欠です。
1.4 耐食性
これは、化学物質、湿気、またはその他の環境要因への暴露による劣化に材料が抵抗する能力です。ステンレス鋼や、PVCやPPなどの特定のプラスチックは、優れた耐食性で知られています。
1.5 コストに関する考慮事項
材料コストは主要な懸念事項です。金属は一般的にプラスチックよりも高価ですが、初期費用と、被削性、工具摩耗、必要な後処理、および最終部品の総所有コストなどの要素とのバランスを取ることが不可欠です。
2 CNC機械加工用の金属材料
金属は、その強度、耐久性、および熱伝導性から、CNC機械加工で広く使用されています。
| 材料タイプ | 一般的な合金/グレード | 主な特性 | 一般的な用途 | 被削性評価 |
| アルミニウム | 6061、6082、7075 | 軽量、優れた重量対強度比、優れた耐食性、優れた電気および熱伝導性。 | 自動車部品、航空宇宙部品、家電製品、フレーム、ハウジング。 | 優れている |
| 鋼 | C45（1045）、42CrMo4、St52-3 | 高強度、耐久性、優れた耐摩耗性。 | シャフト、ギア、工具、高耐久性部品、自動車部品。 | 良好から普通 |
| ステンレス鋼 | 304、316、17-4PH | 優れた耐食性、高強度、衛生的な表面。 | 医療機器、食品加工設備、海洋ハードウェア、化学容器。 | 普通から困難 |
| 銅 | E-Cu57、Cu-ETP | 優れた電気および熱伝導性、抗菌性。 | 電気部品、熱交換器、バスバー。 | 普通（粘着性がある可能性あり） |
| 真鍮 | CuZn39Pb3 | 優れた被削性、耐食性、装飾的な外観。 | 継手、バルブ、ギア、楽器、装飾ハードウェア。 | 優れている |
| チタン | グレード2、グレード5（6Al-4V） | 非常に高い重量対強度比、優れた生体適合性、および優れた耐食性。 | 航空宇宙部品、医療インプラント、高性能エンジニアリング部品。 | 困難 |
| マグネシウム | AZ31B、AZ91D | 非常に軽量、優れた重量対強度比、優れた減衰能力。 | 自動車ブラケット、航空宇宙部品、電子デバイスハウジング。 | 良好（注意：可燃性のチップ） |
3 CNC機械加工用のプラスチックおよびポリマー材料
プラスチックは、軽量性、耐食性、電気絶縁性、そして多くの場合、より簡単な機械加工などの利点を提供します。
| 材料タイプ | 一般的な合金/グレード | 主な特性 | 一般的な用途 | 被削性評価 |
| アルミニウム | 6061、6082、7075 | 軽量、優れた重量対強度比、優れた耐食性、優れた電気および熱伝導性。 | 自動車部品、航空宇宙部品、家電製品、フレーム、ハウジング。 | 優れている |
| 鋼 | C45（1045）、42CrMo4、St52-3 | 高強度、耐久性、優れた耐摩耗性。 | シャフト、ギア、工具、高耐久性部品、自動車部品。 | 良好から普通 |
| ステンレス鋼 | 304、316、17-4PH | 優れた耐食性、高強度、衛生的な表面。 | 医療機器、食品加工設備、海洋ハードウェア、化学容器。 | 普通から困難 |
| 銅 | E-Cu57、Cu-ETP | 優れた電気および熱伝導性、抗菌性。 | 電気部品、熱交換器、バスバー。 | 普通（粘着性がある可能性あり） |
| 真鍮 | CuZn39Pb3 | 優れた被削性、耐食性、装飾的な外観。 | 継手、バルブ、ギア、楽器、装飾ハードウェア。 | 優れている |
| チタン | グレード2、グレード5（6Al-4V） | 非常に高い重量対強度比、優れた生体適合性、および優れた耐食性。 | 航空宇宙部品、医療インプラント、高性能エンジニアリング部品。 | 困難 |
| マグネシウム | AZ31B、AZ91D | 非常に軽量、優れた重量対強度比、優れた減衰能力。 | 自動車ブラケット、航空宇宙部品、電子デバイスハウジング。 | 良好（注意：可燃性のチップ） |
FR-4機械加工に関する注意：エポキシ樹脂と織布ガラス繊維の複合材であるFR-4は、特別な考慮事項が必要です。そのガラス繊維含有量は非常に研磨性があり、工具の摩耗が著しく増加します。炭化物工具または複合材用に特別に設計された工具を使用することが不可欠です。機械加工では細かい粉塵も発生するため、作業者の安全のために効果的な抽出システムが必要です。
4 高度な複合材料
- 複合材（例：CFRP、GFRP）：非常に高い重量対強度比と剛性を提供します。研磨性があり、層間剥離やほつれの傾向があるため、機械加工が困難です。
- 超合金（例：インコネル、ハステロイ）：非常に高温でも強度を維持し、優れた耐食性を提供します。これらは機械加工が非常に困難であり、特殊な工具と技術が必要です。
- タングステンとモリブデン：非常に高い密度と融点。放射線遮蔽や高温炉などの特殊な用途に使用されます。脆く、機械加工が困難です。
5 材料選択方法論
適切な材料を選択することは、体系的なプロセスです。
- 用途要件を定義する：機能、負荷条件（静的、動的、衝撃）、動作環境（温度、化学物質、湿度）、および必要な寿命。
- 重要な特性を特定する：必須の特性（例：強度、導電性、透明性、FDA準拠）を優先します。
- 製造上の制約を考慮する：被削性、必要な公差、表面仕上げのニーズ、および利用可能な予算を評価します。
- 評価と候補の絞り込み：上記の基準に基づいて候補材料を比較します。最終的な検証には、プロトタイピングが役立つことがよくあります。
