最初の切削より前に、素材が部品の運命を決める理由
主軸が材料をひと削りする前から、原材料はすでに部品の性質の大半を決定づけています。重量、剛性、耐食性は、チャッキングした合金や樹脂を選んだ時点で固まります。素材選びを誤れば、加工全体をやり直すほかありません。
CNC加工が扱いやすいのは除去加工だからです。クランプできて切削できる固体素材なら、ほぼ何でも使えます。ただその懐の広さゆえに、アルミ、鋼、真鍮、チタン、エンジニアリングプラスチックという長い選択肢が並び、それぞれに固有のコストと被削性がある、ということでもあります。
アルミニウム6061：まず選ばれる万能材
どれか一つに絞るなら、6061-T6アルミを選びましょう。軽量で本来的に耐食性があり、切削も容易です。適度な強度と良好な溶接性を備え、筐体、ブラケット、治具、そして大半の機能試作にうってつけの定番材です。
加工現場が6061を好むのは、きれいに削れて切りくずが短く、加工硬化もほとんど起きないためです。結果として工具摩耗が抑えられ、サイクルタイムも短く保てます。1個から数千個規模まで、コスト・スピード・性能のバランスが最も良く、だからこそ大半のCNC試作で最初の見積もりに採用されるのです。
アルミニウム7075・2024：強度が最優先のとき
6061では強度が足りない場合、7075-T6が引張強度約570 MPaと優れた疲労抵抗でその役を引き受けます。引き換えに耐食性が下がり、被削性もやや劣るため、保護のため後工程でアルマイト処理を施すのが一般的です。
2024は高強度で疲労寿命も良好ですが、耐食性が低く溶接も難しいため、もっぱら航空機構造材に用いられます。どちらのグレードも切れ味の良い工具で問題なく加工できますが、延性が低いことを踏まえ、薄肉部に割れを招くような強い切込みは避けるべきです。
ステンレス鋼304・316：耐食性
水、薬品、食品、あるいは人体に触れる部品には、ステンレスが答えです。304は耐食性と成形性に優れた汎用グレード、316はモリブデンを加えて塩化物や海洋環境への耐性を高めたもので、医療機器や屋外金物の標準材です。
代償は被削性です。ステンレスは加工硬化しやすく、アルミより工具を早く摩耗させるため、サイクルタイムもコストも上昇します。それでも、炭素鋼なら錆びてしまう環境で生き残る部品が得られ、仕上げは不動態化処理やビーズブラストで整えます。
炭素鋼・合金鋼：硬さと耐摩耗性
摩耗に耐え、切れ味を保ち、あるいは重荷重を支える必要がある部品には、1018、4140といった炭素鋼・合金鋼や、A2、D2などの工具鋼が真価を発揮します。高い強度と硬さを持ち、加工後の熱処理で金型や可動部品にも対応できます。
ただ切削は厄介で、硬さゆえに送りを遅く、段取りを剛性高く、そして相応の工具摩耗を覚悟する必要があります。大半の試作ではこの余分なコストは不要ですが、実用の工具や荷重を受ける金物では、長持ちする素材が鋼しかないというケースも少なくありません。
真鍮・銅：導電性と意匠性
一般に快削黄銅C360などの真鍮は、まさに削っていて気持ちの良い材料です。切りくずの出方が美しく、厳しい公差を保ち、耐食性のある黄金色の仕上がりを残します。コネクタ、端子、装飾金物、そして自己潤滑性が効く低摩擦ブッシュに最適です。
銅やベリリウム銅などの合金は、ヒートシンクや接点に求められる優れた電気・熱伝導性を持ちます。銅は粘りが強く加工が難しいため、導電性が許せば現場では真鍮に置き換えることも多い素材です。どちらも、部品の役割が荷重を受けることではなく、電子や熱を運ぶことである場合にこそ正解になります。
チタン：比強度と生体適合性
Ti-6Al-4Vに代表されるチタン合金は、高い強度と非常に低い密度、そして卓越した耐食性を兼ね備え、さらに完全な生体適合性も持ちます。医療用インプラント、航空宇宙、高級自転車で用いられる理由はここにあります。体液にも海水にも侵されません。
欠点は被削性です。チタンは熱伝導率が低いため、熱が刃先に集中して工具が早く摩耗します。軽量・高強度・生体適合性が絶対に譲れない条件であるときにだけ採算が合い、そうでなければアルミや鋼のほうがはるかに安価です。
エンジニアリングプラスチック：POM、ナイロン、PEEK、ABS、PC
樹脂は金属にはできない役割を埋めます。電気・熱を絶縁し、振動を吸収し、重量は金属のごく一部に収まります。POMは低摩擦で寸法安定性に優れ、歯車やブッシュに向きます。ナイロンは衝撃を吸収し耐摩耗性があり、ABSやPCは筐体や着色・透明カバーに適しています。
頂点に位置するのがPEEKで、連続使用温度は約250℃、優れた耐薬品性を持ち、医療・半導体分野の認可も得ています。軽量・絶縁・不活性が純粋な強度を上回るときに樹脂を選びますが、絶対強度が劣る点は受け入れる必要があります。
被削性がコストとリードタイムを左右する
被削性は、価格を静かに動かす要因です。6061やC360といった快削材は工具摩耗が少なく高速で削れますが、チタン、ステンレス、焼入れ鋼は全体の速度を落とし、工具を消耗させます。
設計判断がこれに拍車をかけます。薄肉、深いポケット、硬い材料への厳しい公差は、サイクルタイムと不良リスクを何倍にもします。予算が厳しいときは、最も強いグレードではなく、要求を満たす最も削りやすいグレードを指定すべきです。それだけで試作の目的を損なわずに、コストもリードタイムも削れることが多いものです。
表面仕上げと素材の相性
素材は、どの仕上げが使えるかまで決めてしまいます。アルミは耐久性・着色・耐食性に優れたアルマイト皮膜が得られ、鋼やステンレスはめっき・黒染め・不動態化処理、真鍮は鏡面研磨、チタンはビーズブラストや淡い色調のアルマイトに対応します。
樹脂では選択肢が狭まり、大半はビーズブラスト・塗装・レーザーマーキングにとどまり、高温のめっきに耐えるものはほとんどありません。最終仕上げを早い段階で決めておけば後悔がありません。鋼部品に透明アルマイトは施せない、といった行き違いを防げるからです。
実践的な選定チェックリストとFabProtoのサポート
簡単なふるいにかければ、大半は決まります。荷重・熱・腐食にさらされるか、導電性は必要か、重量は致命的か。基本はアルミ、摩耗・荷重なら鋼、腐食ならステンレス、導電なら真鍮か銅、軽量かつ高強度ならチタン、絶縁・軽量なら樹脂、といった具合です。
FabProtoは一般的なグレードを常備し、日々加工しています。だからこそ、仕様を満たす最も安い素材を提案し、仕上げまで同じ見積もりにまとめられます。CADデータを一つ送り、使用環境を教えていただければ、材料推奨・公差能力・コストをお返しします。作り過ぎも作り足りなさも、どちらも起こしません。