微細加工の材料:ステンレス、チタン、真鍮、PEEKなど
微細部品は重さが1グラムに満たないことも多く、材料費は見積にほとんど表れません。しかし、材料の選択は、形状をどこまで小さくできるか、どの公差が現実的か、どれだけバリ取りが必要か、何本の工具が折れるかを決めます。このガイドでは、微細加工部品によく使われる金属と樹脂を比較し、それぞれが公差とコストに何を意味するかを示します。加工の側面については、微細ミーリングと旋削における形状サイズと公差のガイドをご覧ください。
微細なスケールで材料がより重要になる理由
形状が1 mmを下回ると、3つの特性が支配的になります。
- 切りくずの生成。 快削真鍮や303ステンレスのように、切りくずがきれいに砕ける材料は、小さな工具でも自由に切削できます。316Lや純銅のように粘りのある材料は、切りくずが工具に巻き付き、擦れます。
- バリの生成。 延性のある材料は、工具の前に金属を押し出し、出口ごとにバリを残します。0.3 mmの横穴では、20 μmのバリが穴をふさぐことがあります。
- 剛性と安定性。 金属は、クランプや切削の力を受けても形を保ちます。樹脂はたわみ、クリープし、温度や湿度で寸法が変わります。
同じ図面が、真鍮なら日常的な仕事でも、チタンでは難しくなるのはこのためです。
微細加工用の金属
| 材料 | 一般的なグレード | 微細加工での被削性 | バリ | 選定した形状での一般的な公差 | 一般的な用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 快削真鍮 | C36000 (CuZn36Pb3) | 優れている | 少ない | ±0.005 mm | コネクタ、時計部品、計器用ピン |
| 銅 | C11000, C10100 | 悪い、粘る | 多い | ±0.01 mm | 電極、高周波部品、ヒートスプレッダ |
| ステンレス(快削) | 303 | 良好 | 中程度 | ±0.005 mm | ピン、継手、一般部品 |
| ステンレス(オーステナイト系) | 304, 316, 316L | 普通 | 多い | ±0.005〜±0.01 mm | 医療、食品、流体部品 |
| チタン | Grade 2, Grade 5 (Ti-6Al-4V) | 普通、熱と摩耗に注意 | 中程度 | ±0.005〜±0.01 mm | インプラント、歯科、航空宇宙 |
| アルミニウム | 6061-T6, 7075-T6 | 良好 | 中〜多い | ±0.005 mm | 半導体・光学用ハウジング |
| 工具鋼 | D2, H13, SKD11 | 焼なまし状態は普通、焼入れ後は硬い | 少ない | ±0.005 mm、さらに厳しい場合は研削 | 金型入れ子、パンチ、摩耗部品 |
評価と公差は、小さな部品に関する一般的なメーカーの経験であり、仕様ではありません。
真鍮と銅
真鍮C36000は被削性の基準点です。機能が許すなら選ぶべき材料で、ほかのすべての金属はこれと比較されます。銅はその逆です。純銅は柔らかく粘りがあり、工具に付着し、バリがひどく出ます。導電性が許す場合は、テルル銅(C14500)のほうがはるかによく切れます。
ステンレス鋼
303は硫黄を含み、それが切りくずを砕く介在物を作ります。微細加工が最も容易なステンレスですが、耐食性は低く、インプラントには通常認められません。316Lは医療部品の標準で、インプラント用にはASTM F138準拠が多く使われます。工具への負担が大きく、慎重なバリ取りが必要です。17-4 PHは強度が重要な場合に使われ、H900またはH1025の状態であれば、そこそこ切削できます。
チタン
Grade 5とも呼ばれるTi-6Al-4Vは、インプラントや高強度の小型部品に一般的な選択で、インプラントグレードにはASTM F136準拠のELI品が使われます。チタンは熱伝導が悪いため、熱が切れ刃にとどまり、小さな工具をすぐに摩耗させます。メーカーは切削速度を下げ、工具交換を増やすため、それがサイクルタイムに表れます。商業用純チタンのGrade 2は、より柔らかく粘りがあり、バリが多く出ます。
アルミニウム
6061-T6と7075-T6は切削が速く寸法もよく保てるため、アルミニウムは半導体、光学、電子機器のハウジングに人気があります。微細なスケールでの主な問題は、薄いエッジのバリと、完成した部品を扱うときの柔らかさです。陽極酸化は1面あたり数ミクロン加わるため、厳しい形状には図面で余裕を見込む必要があります。
工具鋼
D2、H13、SKD11は、焼なまし状態で加工してから焼入れするか、特殊な工具で硬い状態のまま加工します。焼入れで薄い微細形状が歪むことがあります。焼入れ後の部品で最も厳しい公差を得るには、メーカーは研削、ワイヤ放電加工、ハードミーリングで仕上げます。
微細加工用の樹脂
| 樹脂 | 安定性 | 小さな形状での一般的な公差 | 備考 |
|---|---|---|---|
| PEEK | 群の中で最良 | ±0.01 mm、選定した形状で±0.005 mm | 生体適合グレードあり、高温対応、焼きなまし素材が望ましい |
| POM(アセタール、デルリン) | 良好 | ±0.01〜±0.02 mm | きれいに切れ、低摩擦 |
| PTFE | 悪い、クリープする | ±0.02〜±0.05 mm | 柔らかく、クランプや温度で動く |
| PEI(ウルテム) | 良好 | ±0.01 mm | 剛性が高く非晶質、絶縁部品に適する |
| PMMA | 普通 | ±0.02 mm | 光学部品、小さな形状では割れやすい |
小さな部品に対する一般的な値で、保証ではありません。
樹脂は温度による膨張が金属よりはるかに大きく、鋼のおよそ5〜10倍です。25 °Cで測ったPTFE部品は、20 °Cでは公差外になることがあります。樹脂は、内部応力が解放されるため、加工後にも緩和が起こります。望ましい方法は、焼きなまし済みの素材を使い、段階に分けて加工し、部品が落ち着いてから測定することです。
あまり一般的でない材料
微細部品の中には、通常のリストにない材料を必要とするものがあります。これらは微細なスケールでも加工できますが、経験のあるメーカーが少なく、サプライヤの選択肢が狭まります。
- ニチノール(ニッケルチタン)。 超弾性と形状記憶のため、医療機器に使われます。加工硬化が早く、工具の摩耗が速いため、ミーリングよりもレーザーやワイヤ放電加工で切断されることが多くあります。入熱が変態温度を変える可能性があるため、メーカーは管理する必要があります。
- 貴金属。 金、白金、白金イリジウム合金は、医療用電極、コネクタ、時計部品に使われます。柔らかく粘りがあり、材料費も無視できません。切りくずと残材はスクラップとしての価値があるため、メーカーは通常、これらを別に計算します。
- タングステンとタングステン合金。 高密度で硬く、放射線遮蔽、ウェイト、電極に使われます。超硬工具で低速で加工でき、研削や放電加工で仕上げることが多くあります。
- ベリリウム銅。 バネや接触子に使われます。よく切れますが、粉塵と切りくずは健康被害をもたらすため、適切な管理体制を持つメーカーだけが扱います。
- セラミックスとガラス。 アルミナ、ジルコニア、溶融シリカは、通常は金属のようには切削しません。研削、ラッピング、レーザー加工、または焼結前の生の状態で加工します。微細CNC加工とは別のサプライチェーンとして扱ってください。
| 材料 | 一般的な加工 | サプライヤの層 |
|---|---|---|
| ニチノール | レーザー切断、ワイヤ放電加工、慎重なミーリング | 専門メーカー |
| 白金イリジウム、金 | スイス型旋削、微細ミーリング | 専門メーカー、材料の取り扱いルールあり |
| タングステン合金 | 低速での旋削とミーリング、研削 | 中程度 |
| ベリリウム銅 | スイス型旋削、粉塵管理下でのミーリング | 安全要件により限られる |
| アルミナ、ジルコニア | 研削、生加工、レーザー | 別のセラミックスのサプライヤ |
目安となる一般的な方法です。
部品がこれらの材料のいずれかを使う場合は、RFQの最初の1行でそう伝えてください。そうしないと見積を出したあとで辞退するメーカーの大半を、あらかじめ除けます。
材料を公差とコストに合わせる
材料を考える有用な方法は、サイクルタイム、工具摩耗、バリ取りの手間を合わせた係数で見ることです。
| 材料 | 相対的な加工の手間(真鍮 = 1.0) |
|---|---|
| 真鍮 C36000 | 1.0 |
| アルミニウム 6061 | 1.1〜1.3 |
| ステンレス 303 | 1.5〜2 |
| POM | 1.2〜1.5 |
| PEEK | 1.5〜2 |
| ステンレス 316L | 2〜3 |
| チタン Grade 5 | 2.5〜4 |
| 焼入れ工具鋼 | 3〜5 |
小さな部品の例示的な比率で、価格表ではありません。実際のコストは、形状、公差、数量によって決まります。
仮の例を挙げます。あるセンサピンが、習慣で316Lで設計されていました。機能が必要とするのは中程度の耐食性だけで、人体への接触はありません。303に切り替えると、直径は±0.005 mmのまま、加工の手間とバリ取りが目に見えて減ります。インプラントでは同じ切り替えは認められず、ASTM F138準拠の316Lの追加費用は、単に製品の一部です。
RFQで材料を指定する方法
- グレードと規格。 「チタン」ではなく「ASTM F136準拠のTi-6Al-4V ELI」とします。
- 状態。 焼なまし、T6、H900、加工後に指定のHRCまで焼入れ、などです。
- 形状。 研削棒材、引抜棒材、板材、丸棒の別と、スイス型加工で必要な直径公差です。
- 証明書。 ヒートまたはロットにトレースできる材料証明書で、医療や航空宇宙ではしばしば必須です。
- 承認済みの調達先。 品質システムが特定の製鋼所や商社を求める場合は、最初に伝えてください。
- 仕上げ。 不動態化、陽極酸化、電解研磨、コーティングで、厚さの許容量を含みます。
微細加工の発注ガイドでは、材料が完全なRFQの中でどう位置づけられるかを説明しています。微細部品の測定のガイドでは、検査時に樹脂へ特別な注意が必要な理由を扱っています。
次のステップ
一般的なグレードと公差は、公差と材料のリファレンスにまとめています。材料と最も厳しい公差が決まったら、RFQを送信してください。Micropartzは、その材料をすでに微細なスケールで加工している最大3社のメーカーとマッチングし、24営業時間以内にご返信します。
よくあるご質問
微細加工が最も容易な金属は何ですか。
快削真鍮のC36000です。切りくずが短く、小さな工具できれいに切れ、バリも少なくなります。被削性評価の基準となる材料で、時計や計器の部品に昔から使われてきました。
316Lは303より微細加工が難しいですか。
はい。303は切りくずを砕くための硫黄を含み、快削材に分類されます。316Lは粘りがあり、加工硬化し、とくに横穴でバリが出ます。選ばれる理由は被削性ではなく、耐食性と生体適合性ですので、1個あたりの価格は高くなります。
PEEKは小さな部品で±0.01 mmを保てますか。
応力除去済みまたは焼きなまし済みの素材を使い、やさしくクランプし、安定した温度で測定すれば、選定した形状では保てることが多くあります。PEEKは一般的なエンジニアリングプラスチックの中では寸法が最も安定していますが、温度や湿度による変化は金属より大きくなります。
メーカーはなぜ棒材の公差を尋ねるのですか。
スイス型旋盤には、ガイドブッシュにぴったり合う棒材が必要で、通常はh6またはh7に心なし研削されたものです。材料が引抜棒材でしか入手できない場合、メーカーは先に研削するか、別の加工方法を使う必要があります。
参照した規格・資料
- ASTM F138, Wrought 18Cr-14Ni-2.5Mo Stainless Steel Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S31673)
- ASTM F136, Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications
- ASTM B16, Free-Cutting Brass Rod, Bar and Shapes for Use in Screw Machines
- Wikipedia: Ti-6Al-4V
このガイドの数値は、目安となる一般的な値です。実際の値は、図面、材料証明書、マッチングしたメーカーによって決まります。