機器選定 #23：板とフレームの材料 — アルミ、鋼、エンジニアリングプラスチック
アルミ、鋼、エンジニアリングプラスチックは、部品のタスクを決めて選びます。荷重を担う、遮蔽する、寸法を保つ、耐食、絶縁、軽量化、透視、案内です。その後、剛性、環境、加工方法、接合、公差、清掃性、ライフサイクルを確認します。材料名は出発点にすぎません。合金・グレード、状態、厚さ、形状、表面、接合こそが、生産でき運転できる部品を作ります。
早見比較
| 材料の群 | 適するとき | 確認すべき点 | 推論してはいけないこと |
|---|
| アルミとアルミ合金 | 軽量、耐食、加工・モジュール構造が要る | 合金・調質、剛性、ガルバニック対、表面 | すべてのアルミが同じ強度と耐食性を持つ |
| 鋼・鋼板・溶接構造 | 剛性、大荷重、溶接フレーム、材料費が要る | グレード、厚さ、溶接、塗装、熱変形 | 塗装やめっきがあらゆる腐食を自ら扱う |
| エンジニアリングプラスチック | カバー、案内、絶縁、摩耗部品、特殊環境 | 熱、クリープ、薬品、ESD、湿度、加工 | 厚いプラスチックが常に荷重を担う金属を置き換える |
| 透明・遮蔽材料 | 観察、光、保護が要る | 衝撃、傷、薬品、接合、ガード規格 | どの透明板も適切な安全柵である |
部品のタスクを正しく呼ぶ
粉塵を防ぐカバー板、モータ取付板、ガード扉、樹脂のスライドレール、電気盤の支持フレーム、絶縁パネルは、まったく異なる要求を持ちます。材料を比べる前に、部品が何をすべきかを記述します。静的・動的荷重、力の作用点、許容たわみ、熱、油・薬品、水、UV、粉塵、ESD、清掃、寿命、見た目、取外しの頻度です。安全の要求があるなら、「保護板」という言葉だけでなく、危険と規格・リスク評価で述べる必要があります。
形状は、しばしば材料と同じくらい重要です。リブ、曲げ、折り縁のある薄い板は、一方向でより厚い平板より剛であり得ます。縁の近くに穴のある小さな板は、手早い計算より弱いことがあります。板から加工した樹脂は、クランプ位置でクリープし得ます。図面は、厚さ、曲げ半径、穴、皿もみ、インサート、基準面、接合を示し、工場が製造可能性を評価できるようにする必要があります。
主に荷重を担う部品と、カバー・仕上げの部品を分けます。板がカバーであると同時にアクチュエータや扉のヒンジから力を受けるなら、構造部材として計算し、接合を確認します。粉塵を防ぐだけなら、清掃のための取外し、重量、費用を優先し得ます。機能を正しく分けることは、通常、より単純な材料を選ぶのを助け、あとの変更を容易にします。
アルミ：軽く、モジュール的だが、合金と調質を確定する必要がある
アルミは、モジュールフレーム、板、パネル、治具、軽量が要る部品に広く使われます。アルミ合金の性質は、合金元素と材料の状態で変わります。The Aluminum Associationは、強度、密度、加工性、導電性、耐食性が、マグネシウム、シリコン、亜鉛などの元素に影響されると述べます。したがって、あらゆる板・プレートに当てる単一の「アルミの強度」の値はありません。
アルミを選ぶとき、合金・グレード、調質、製品形態（板、棒、プロファイル、鋳物）、厚さ、表面を示します。加工、曲げ、溶接、剛性、環境、必要な資料から選びます。部品が陽極酸化、色・仕上げ、ねじ、インサート、電気接触を要するなら、これらの要求を確定前に図面・仕様に入れます。A5052、A6061、A7075の選定の記事は、一般的な合金の選択をより詳しく扱います。ここでの焦点は、組立の中で板・フレームを選ぶことです。
アルミは重量を減らし、モジュールプロファイルに便利ですが、たわみ、繰り返し荷重、接合、熱膨張を無視することを許しません。大きなアルミ板は、適切な曲げ・筋交いを加えずに厚さだけを増やすと、振動または変形し得ます。モータ・案内から集中荷重を受ける板には、ボルト穴での局所剛性、縁までの距離、接触面を確認します。プロファイルのデータを板の結論に取らないこと。ある調質のデータを別の調質に使わないこと。
他の多くの金属のある環境では、接触対、水・電解質、塗装、設計により電気的に分ける方法を考慮します。あらゆるアルミ‐鋼の接合が壊れると断言しないこと。具体的な条件、表面、湿度、接合が決めます。すべきことは、リスクを認識し、環境要求に対して解を確認し、正しく購入するために材料・仕上げの明確な図面を保つことです。
鋼：剛性と構造、溶接と防食を伴う
鋼は、剛性、大荷重、入手しやすい材料が要るとき、多くのベースフレーム、カバー板、筐体、ブラケット、溶接構造に適します。しかし「鋼」は、グレード、製品形態、厚さ、状態、表面の要求で指定する必要があります。めっき板、塗装した炭素鋼、ステンレス、溶接プロファイルは、加工、接合、防食、費用が異なります。
溶接構造は、大きく剛なフレームを作れると同時に、溶接順序、変形、治具、表面処理、溶接後の加工基準の位置、輸送への要求を課します。レールや精密な面が溶接フレームに取り付くなら、どの面を溶接後に加工するか、平面度・調整をどう確認するかを決めます。一つの面が基準を要するからといって、あらゆる面に厳しい公差を要求しないこと。それは機能を増やさずに費用を上げます。
塗装は、一般的な「防錆塗装」と書くのではなく、環境と表面の下処理で選ぶ必要があります。ねじの位置、電気接触面、軸受・案内の取付面、溶接部、切断縁は、異なる処理を要し得ます。AISCは、材料、連結、表面下処理・塗装の要求が、健全性と製作に影響するとき、プロジェクトの資料に持つべき情報であると記します。この原則は、より小さな機械フレームにも有用です。
鋼は重いため、輸送、脚・キャスタ、昇降機構、組立時間に影響します。キャスタ、アジャスタ、レベリングフットの選定の記事は、床支持の部分の確認に役立ちます。初期の材料費のために鋼を選ぶなら、溶接、機械加工、塗装、治具、リードタイム、組立の労力も計算します。最終の選択は、完全な組立に基づく必要があります。
エンジニアリングプラスチック：ポリマの機能が利点のとき
エンジニアリングプラスチックは、軽いカバー、案内・摩耗パッド、絶縁、車輪・ローラ、絶縁板、耐食が要る部品、加工しやすい形状に有用です。プラスチックを「安い金属」とみなさないこと。Ensingerは、応用条件がポリマの選択を決め、応用に応じて機械的性質、熱、耐薬品性、寸法安定性、ESD、摩擦・摩耗、低アウトガスを考慮する必要があると強調します。
プラスチック材料には、使用温度、荷重の持続時間、クリープ、湿度、UV、薬品、切削油、洗浄剤、摩擦、摺動速度、電気を確認します。初期強度の良いグレードでも、長時間の温度・荷重でクリープし得ます。耐薬品のグレードがESDの要求を満たさないことがあります。よく摺動するグレードが食品・接触や難燃の要求に適さないことがあります。正確なグレードのデータシートと、応用条件での試験が、必須の入力です。
接合の形は大きな意味を持ちます。締めすぎのクランプは割れ・クリープを起こし、小さなねじ頭は沈み込み、直接切ったねじは多くの着脱で摩耗し、インサートが必要になり得ます。膨張のための適切な隙間を残し、長い部品が熱を受けるなら、すべての穴を固く締めないこと。加工面は摩擦と清掃性を変え得ます。あるポリマの指針を別のポリマに写さないこと。
プラスチックを透視板やガードに使うとき、材料、厚さ、耐衝撃、経年、洗浄薬品、取付方法、適用規格を決めます。透明なプラスチックは、あらゆる危険に安全であることを意味しません。ガードは、個別の設計・評価を要する保護機能であり、#24で述べます。
熱、環境、時間による変形
環境は室温で止まりません。運転・局所の熱、熱サイクル、油、クーラント、蒸気、洗浄剤、切り屑、研磨性の粉塵、UV、オゾン、ESD、真空、クリーンルームがあれば列挙します。その後、材料、塗装、接着剤、ガスケット、インサート、締結具の限界を一緒に読みます。それ自体では適した板が、シール、接着剤、塗装が洗浄剤と適合しないために失敗し得ます。
熱膨張は、長い板を反らせ、ボルト穴に応力を作り、ガードの隙間を変え得ます。補償すべき膨張の差があるとき、設計により固定・自由の点、スロット穴、スペーサ、隙間を設定します。スロットを一般的に切らないこと。スロットは、必要な締付力と調整を保つよう、方向、サイズ、ワッシャ・締結具、明確な機能を持つ必要があります。
清浄の要求があるなら、清掃性、密な表面、取外しの接近は、母材と同じくらい重要です。デッドコーナ、開いた縁、露出したねじ、シールのない重なるパネル、剥がれる塗装は、いずれも運転に影響します。量産加工の前に、清掃・点検の要求をモックアップや組立レビューに入れます。
加工、公差、接合
材料をプロセスと同時に選びます。アルミ板は、工場の能力とバリ取り・仕上げの要求により、レーザ・ウォータジェット・CNC・曲げができます。鋼は、切断、溶接、表面処理、溶接後の加工ができます。プラスチックは、溶融、バリ、応力を避けるために適切な工具・条件が要ります。部品が機能基準、面、重要な穴、必要な平面度を持つとき、「見本どおり加工」と書かないこと。
材料で接合を設計します。ボルト・ナット、リベットナット、溶接、接着剤、インサート、スナップフィット、ブラケットは、異なる故障モードを持ちます。保守の取外しが要るなら、取外せる接合を選び、着脱の回数を確認します。防水・防塵が要るなら、インタフェース、ガスケット、圧縮、排水経路を設計します。溶接、ボルト、接着の選定の記事は接合形式の参考ですが、具体的な材料の限界を照合する必要があります。
公差は、機能とプロセスに結び付けるべきです。カバー板は、扉に当たらないよう正しい曲げ・縁が要り、案内板は基準面と基準付きの穴が要ります。部品全体を「高精度」と呼ぶのを避けます。基準、公差、面、点検位置、必要なら材料・仕上げの資料の要求を示します。こうして、購買、工場、QAが、確認すべきことを共有できます。
材料の単価ではなくライフサイクル費用を比べる
kgあたりの単価や一枚の板の価格は、組立の価格を反映しません。総材料歩留まり、切断、曲げ、溶接、機械加工、表面仕上げ、ハードウェア、組立時間、輸送、スクラップ、寿命、清掃、交換、機械の停止時間を計算します。プロファイルベースのアルミ板は組立を短縮でき、溶接鋼フレームは大荷重に良く、プラスチックの案内は摩耗・騒音を減らせます。これらの結果は、タスクとプロジェクトのサプライチェーンに依存します。
材料・表面が新しい、環境が過酷、パネルに見た目の要求がある、接合が難しいとき、サンプルを注文します。サブアセンブリでのテストフィットは、接近できない穴、隙間の足りない曲げ、基準面を覆う塗装、振動する板を、量産の前に見つけるのに役立ちます。合否のサンプル、図面の改訂、組立の写真を保存し、あとの変更が最初からの判断に戻らないようにします。
再確認できる選定手順
- 部品のタスク、荷重ケース、たわみ・精度の限界、環境、安全・清掃の要求を記録する。
- 購入・加工できるグレード・調質・厚さ・仕上げで、2〜3の材料群を暫定で選ぶ。
- 各案について、構造、熱・環境、表面、接合、プロセス、公差、保守を確認する。
- 組立費用、リードタイム、交換、供給リスクを評価し、不確かなときはサンプル・テストフィットを使う。
- 材料の指定、仕上げ、ハードウェア・インタフェース、基準・点検、引き渡す資料を確定する。
よくある選定の失敗
- グレード・調質・厚さ・仕上げなしに、図面に「アルミ」「鋼」「プラスチック」と書く。
- 材料の強度を、部品のたわみと接合の確認の代わりに使う。
- クリープ、熱、薬品、締め方を無視して、厚さでプラスチックを選ぶ。
- 変形、溶接後の加工面、塗装を決めずに溶接鋼を選ぶ。
- 危険、接合、保護の要求を分析せずに、透明パネルをガードに使う。
- 加工、仕上げ、組立、保守を無視して、素材の板から価格を計算する。
BOMを確定する前のチェックリスト
- [ ] 部品のタスク、荷重ケース、剛性・たわみ、環境、安全の要求は明確か。
- [ ] 材料の指定は、合金・グレード、調質・状態、製品形態、厚さ、仕上げを持つか。
- [ ] 正しい材料群に応じて、熱・薬品・UV・ESD・クリープ・摩耗を確認したか。
- [ ] 加工プロセス、基準、公差、接合、インサート・ガスケット、組立の接近は図面にあるか。
- [ ] 塗装・仕上げは環境を守るが、基準面、ねじ、必要な接触を妨げないか。
- [ ] リスクのある部品に、サンプル・テストフィット、QA資料、交換部品を定義したか。
MINATAは、BOMを確定する前に、機械チームとともに材料の指定、図面、加工プロセス、テストフィットを見直せます。技術・製造チームに相談する。
参考
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