プラスチックは、工業用途において金属に比べて、軽量特性、耐食性、設計の柔軟性、優れた電気絶縁性、加工コストやメンテナンスコストの削減など、いくつかの利点をもたらします。改質された高性能エンジニアリング プラスチックが進化し続けるにつれて、従来の金属主体の用途の多くが現在、部分的または完全にプラスチックに置き換えられています。中でも ABS は、機械的強度、靱性、加工性、表面仕上げ性、コスト効率のバランスが優れている点で際立っています。プラスチックの中で重要な位置を占めており、汎用プラスチックとエンジニアリングプラスチックの間の橋渡し役として機能します。
この記事では、ABS プラスチックとは何か、機械加工におけるその利点と課題、ABS 部品の一般的な用途、効果的な機械加工のための専門家のヒントについて説明します。さらに詳しく知りたい場合は、読み続けてください。
ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) は、3 つのモノマー成分 (アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン) とその他の任意の添加剤を組み合わせて製造される、低コストの熱可塑性ポリマーです。その主要なプロパティの一部は次のとおりです。
ABS の 3 つのモノマーの相乗的な組み合わせにより、靭性 (B コンポーネント)、硬度 (A コンポーネント)、および加工性 (S コンポーネント) が提供されます。これらの比率を調整することで、プロパティを微調整できます。この柔軟性に加えて、プロトタイプや製品に機械加工された ABS プラスチックを選択すると、次のような利点があります。
ただし、ABS は高温に弱いことに注意することが重要です。長時間熱にさらされると変形や劣化が生じる場合があります。屋外で使用すると、時間の経過とともに劣化したり色褪せたりする可能性があるため、保護のために紫外線安定剤が必要です。 ABS は、芳香族化合物、ケトン、エステルなどの特定の化学物質に対する耐性も限られています。
ABS は、特に大規模生産やラピッド プロトタイピングにおいて、射出成形や 3D プリンティングと関連付けられることがよくあります。ただし、CNC 加工は特定の用途では明確な利点をもたらします。 CNC 加工 ABS を選択する主な利点は次のとおりです。
他の機械加工されたプラスチックと同様に、ABS プラスチックの 2 つの非常に一般的な機械加工欠陥は、歪みと表面仕上げの不良です。
1. ABS の歪みは、加工中または加工後に材料が反ったり、曲がったり、変形したりするときに発生します。これは通常、次の理由で発生します。
2. ABS プラスチックの CNC 加工におけるもう 1 つの共通の課題は高品質の表面仕上げを実現することです。金属やより硬い材料と比較して、ABS は加工中にツーリングマークやビビリラインが発生しやすくなります。不適切な加工パラメータや工具の振動により、これらの問題が悪化することがよくあります。これらの欠陥により、ABS フィッティングの完全性が損なわれ、漏れの可能性が生じたり、透明な ABS 部品が曇って見えたりする可能性があります。
ABS プラスチックの加工に伴う落とし穴を避けるために、効率的で高品質な結果を達成するための役立つヒントをいくつか紹介します。
3 つのモノマーの比率、分子量、添加剤を調整することで、いくつかの異なるグレードの ABS プラスチックを製造できます。マシングレードの ABS は、機械加工用に特別に設計されています。メルトフローに最適化された押出グレードや射出成形グレードの ABS とは異なり、マシングレード ABS には熱安定剤が配合されており、切断プロセス中の摩擦熱による変形を防ぎ、低い内部応力、高い剛性、寸法安定性を示します。 。 フライス加工、旋削または穴あけにより、高精度の部品と優れた表面仕上げを実現します。
高張力鋼やチタン合金の加工用に設計された工具は、ABS プラスチックには最適ではありません。 ABS を加工する場合は、高速度鋼 (HSS) および超硬工具が一般的に使用されます。鋭い刃先を維持することは、切削抵抗を最小限に抑え、熱の蓄積を減らし、材料の軟化や溶融を防ぐために不可欠です。
最適な結果を得るには、10° ～ 15° のポジティブすくい角、5° ～ 10° の逃げ角、および小さな刃先半径を持つ工具を使用して、効率的な切りくず除去を促進し、発熱を低減します。通常、摩擦を最小限に抑えるためにコーティングされていない超硬工具が好まれますが、付着が懸念される場合には、TiN (窒化チタン) や DLC (ダイヤモンドライク カーボン) などの低摩擦コーティングを施した工具を使用すると、切りくずの固着を防止し、表面品質を向上させることができます。
ABS は熱に敏感であり、過度の切断速度は局所的な過熱を引き起こし、材料の軟化または溶解を引き起こす可能性があります。工具の直径と切り込み深さに応じて、通常は 1,000 ～ 3,000 RPM のスピンドル速度を使用することをお勧めします。比較すると、スチールやアルミニウムなどの金属は、多くの場合 5,000 ～ 10,000 RPM 以上の、はるかに高い切断速度に耐えることができます。
送り速度が高すぎるとビビリや表面仕上げが粗くなる可能性があり、一方、送り速度が低すぎると工具とワークピースの間に摩擦が発生し、過剰な熱が発生する可能性があります。 ABS を加工する場合、プラスチックが伸びたりバリが発生したりしないように、送り速度のバランスをとることが重要です。さらに、1 回のパスで深い切り込みを入れると、局所的な熱が増大し、変形や溶融が発生する可能性があります。代わりに、複数の浅いカットを選択して、熱の蓄積を効果的に制御し、寸法安定性を維持します。
ABS プラスチックは、クーラントが適切に適用されていない場合、加工中に過熱して変形する傾向があります。ただし、すべての冷却剤が ABS に適しているわけではありません。この材料は特定の芳香族溶剤に敏感であり、表面の亀裂や劣化を引き起こす可能性があります。これらの問題を回避するには、常に非芳香性のプラスチック固有の冷却剤を選択してください。
油ベースまたは乳化クーラントに依存することが多い金属の機械加工とは異なり、ABS は融点が比較的低いため (約 220°C)、低温で効率的な冷却を必要とします。水溶性クーラントは、材料の完全性を維持しながら効果的に熱を放散するため、ABS の加工に非常に効果的です。
プラスチック固有のクーラントは、切削強度に応じてさまざまな形で適用できます。オプションには、軽度の冷却用の加圧ガスのジェット、中程度の冷却用の連続ミスト、またはより要求の厳しい操作での強力な冷却用の流動液体が含まれます。
内部応力を緩和し、寸法安定性を向上させるには、機械加工の前に ABS プラスチックをアニーリングすることを検討してください。アニーリングでは、熱処理炉で材料を徐々に加熱し、適切な温度に保持した後、ゆっくりと冷却します。
この制御されたプロセスにより、内部応力が均等に軽減され、材料の機械加工性と安定性が向上します。機械加工中の亀裂や反りの可能性を軽減するため、複雑な形状や薄肉の部品に特に有益です。
ABS は、成形が容易で、強力で安定したプラスチックを必要とする用途に人気があります。 CNC 加工は、少量生産、高精度のカスタム部品に独自の利点をもたらします。 CNC 加工 ABS の典型的な用途をいくつか示します。
カスタム ハウジングおよびエンクロージャ: ABS は、正確な寸法と信頼性の高いパフォーマンスが要求されるカスタム電子ハウジング、計器エンクロージャ、保護ケースの製造によく使用されます。
自動車部品: 自動車産業では、ABS は、精密で高品質な仕上げが必要なインテリア トリム、ダッシュボード コンポーネント、特殊な取り付け部品を製造するために機械加工されます。
消費者向け製品アクセサリ: ABS は、ヘッドフォン パーツ、マウント、その他の特殊なガジェットなどのカスタマイズされた消費者向けアクセサリの製造に使用されます。
おもちゃ: ABS は滑らかな仕上げなので、アクション フィギュア、ボードゲームのピース、パズルなどのおもちゃに適した素材です。有名な例は、耐久性と精密な機械加工性により ABS で作られているレゴ ブロックです。
医療プロトタイピング: ABS は、医療器具やツール用のカスタマイズされたブラケット、固定具、筐体などの医療機器のプロトタイピングに最適な素材として機能します。
治具と治具: 製造作業では、組み立てや生産プロセスを容易にする耐久性のある治具、治具、工具補助具を作成するために ABS が使用されます。
教育モデル: CNC 加工 ABS は教育モデルやデモンストレーション ツールによく使用され、対話型学習環境での加工の容易さと耐久性が高く評価されています。
少量生産: 射出成形用の金型の作成が非現実的または高価すぎる場合、ABS は小バッチ生産の場合、費用対効果の高いソリューションを提供します。
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CNC フライス加工は、最も広く使用されている自動サブトラクティブ製造技術の 1 つです。このプロセスでは、自動工具交換装置がさまざまなフライスをシームレスに切り替えて、ワークピースから材料を高精度に除去します。効率、精度、高品質の結果を達成するには、各タスクに適切なフライスを選択することが重要です。
剛性の弾性率と呼ばれることもあるせん断弾性率は、せん断力にさらされたときに材料がどれほど硬くなるかを測定する基本的な材料特性です。日常的には、ある部分が別の部分に平行にスライドすると、変化を形作る物質がどれほど耐性があるかを説明します。この記事では、せん断弾性率、それがどのように計算されているか、それが他の弾性係数とどのように比較されるかを、それを明確にするための実際のエンジニアリングの例を説明します。 せん断弾性率とは何ですか？ 図では、ブロックは下部に固定され、力Fは上面に平行に適用されます。この力は水平変位Δxを引き起こし、ブロックは斜めの形状に変形します。傾斜角θは、形状がどれだけ歪んでいるかを記述するせん断ひずみ（γ）を表します。 せん断応力（τ）は、力が作用する表面積Aで分割された適用力です。 τ= f / a せん断ひずみ（γ）は、ブロックの高さに対する水平変位の比率です。 γ=Δx / L（小角の場合、ラジアンのθ≈γ） μまたはSで示されることもあるせん断弾性率（g）は、このタイプの歪みに対する材料の耐性がどれほど耐性であるかを測定します。せん断ストレスとせん断ひずみの比として定義されます。 g =τ /γ=（f / a） /（Δx / l）=（f・l） /（a・Δx） SIシステムでは、せん断弾性率の単位はPascal（PA）であり、1平方メートルあたり1つのニュートン（n/m²）に等しい。 Pascalは非常に小さなユニットであるため、固体材料のせん断弾性率は通常非常に大きいです。このため、エンジニアと科学者は通常、Gigapascals（GPA）でGを発現します。ここで、1 GPA = 10〜Paです。 せん断弾性率 以下の表は、一般的な材料の典型的なせん断弾性率を示しています。 材料せん断弾性率（GPA）アルミニウム26–27真鍮35–41炭素鋼79–82銅44–48鉛5–6ステンレス鋼74–79錫〜18チタン（純粋）41–45コンクリート8–12ガラス（ソーダ - ライム）26–30ウッド（ダグラスファー）0.6–1.2ナイロン（未熟練）0.7–1.1ポリカーボネート0.8–0.9ポリエチレン0.1–0.3ゴム0.0003–0.001ダイヤモンド480–520 これらの数字は、剛性がどれだけ異なる材料が異なるかを示しています。金属は、数十のギガパスカルにせん断弾性率を持っている傾向があります。セラミックとガラスは同様の範囲にありますが、コンクリートはやや低いです。プラスチックには通常、約1 GPA以下があります。さらに柔らかいのはゴムとエラストマーであり、せん断弾性率はメガパスカルの範囲にのみです。最上部では、ダイヤモンドは何百人ものギガパスカルに到達し、最も硬い既知の材料の1つです。 高せん断弾性率を持つ材料は、変形またはねじれを強く抵抗します。これが、橋、建物、航空機のフレームなどの構造に鋼とチタンの合金が不可欠である理由です。それらの剛性は、梁とファスナーが重い負荷の下で曲げたりせん断したりしないようにします。ガラスとセラミックは、脆弱ですが、比較的高い弾性率を持っていることからも恩恵を受けます。レンズや半導体ウェーハなどのアプリケーションで正確な形状を維持するのに役立ちます。非常に高いせん断弾性率を持つダイヤモンドは、大きな力の下でもほとんど弾性ひずみを受けません。これが、ダイヤモンド切削工具が鋭いままである理由です。 一方、柔軟性が利点である場合、低せん断弾性率を持つ材料が選択されます。ゴムやその他のエラストマーは、振動ダンパー、アザラシ、および地震ベースのアイソレーターに使用されます。これにより、柔らかさが簡単にせん断し、エネルギーを吸収できるためです。ポリエチレンやナイロンなどのポリマーは、柔軟性と強度のバランスをとっています。そのため、軽量構造と衝撃耐性部品で広く使用されています。木材のような天然素材でさえ、強い方向性の違いを示しています。穀物全体で、そのせん断弾性率はそれに沿ってはるかに低く、ビルダーはせん断力の下での分割を避けるためにこれを説明する必要があります。 せん断弾性量計算 さまざまな試験方法を使用してせん断弾性gを決定することができ、選択は材料と静的値または動的値が必要かどうかに依存します。金属およびその他の等方性固体の場合、一般的なアプローチは、ロッドまたは薄壁のチューブでの静的ねじれテストです。ねじれの角度と適用トルクの勾配により、Gが与えられます。ASTME143は、構造材料の室温手順を指定します。 動的測定のために、ねじれ振り子を使用できます。標本質量システムの振動期間を測定し、（複雑な）せん断弾性率に関連付けます。 ASTM D2236は、プラスチックのこのアプローチを説明するレガシー基準です。 繊維強化複合材料の場合、ASTM D5379（IOSIPESCU）やASTM D7078（V-Notched Rail Shear）などのVノッチングメソッドで面内せん断弾性率が得られます。 ASTM D4255（レールせん断）は、ポリマーマトリックス複合材料にも広く使用されています。 ASTM A938は、ねじれ性能（延性など）を評価することを目的とした金属ワイヤのねじれテストであることに注意してください。 Gを決定するための標準的な方法ではありません。 Gが直接測定されず、他のデータから計算される場合があります。等方性材料の場合ヤングモジュラスeポアソンの比率ν、 g = e […]
CNC加工は減算的な製造方法です。つまり、さまざまな切削工具を使用して、固体ブロック（空白またはワークピースとして知られている）から材料を除去します。これは、添加剤（3D印刷）または形成的（射出成形）技術と比較して、根本的に異なる製造方法です。材料除去メカニズムは、CNCの利点、制限、設計制限に大きな意味を持ちます。
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