カーボン素材の切削加工は可能です。しかし、加工の難易度は高いです。
カーボンは軽く、強度が高く、腐食しない素材です。
金属素材からの代替素材として注目されています。
軽量でありながら高強度・高剛性の性質を併せ持ち、熱的にも化学的にも安定しています。
自動車や航空機分野で、軽量化による燃費向上のため、主要部品への採用事例が多く確認されています。
軽量で強度も高いことに加えて、導電性もあることから、様々な分野で使用されています。
切削加工では、主にCFRPとカーボングラファイトの加工が可能です。
CFRP（炭素繊維強化プラスチック）
CFRPはプラスチック素材に炭素繊維（カーボンファイバー）を組み合わせた素材です。
炭素繊維とは、石油やアクリル系の長繊維を高温加熱で炭化して作られた繊維です。
密度が約1.8g/cm3と、鉄の7.8g/cm3、アルミの2.7g/cm3比べても軽い素材です。
比強度は鉄の約10倍、比弾性率は鉄の約7倍と強度面にも優れています。
炭素繊維単体で使用されることは少なく、主にプラスチックやセラミックへ機能性付与材料として配合されます。
炭素繊維を織り込んで作られる布上の素材がカーボンクロスです。
カーボンクロスに樹脂を染み込ませて、硬化させた素材がCFRPです。
繊維の配向方向や樹脂の種類を変えることで、強度を変えることができ、条件によっては金属以上の剛性になります。
CFRPは強度を必要とし、かつ軽量化が必要な場面で使用されます。
航空機・宇宙機器業界や、スポーツ・レジャーなどの身近なところまで、幅広い分野で活躍しています。
屋外で長期間使用する場合は、劣化する可能性があるので表面処理をする必要があります。
繊維強化プラスチックの仲間にGFRP（ガラス繊維強化プラスチック）があります。
こちらは比較的安価な素材ですが、CFRPは優れた特徴である分、高価です。
FA機器やロボット、ロケット・人工衛星の部品などに使われています。
カーボングラファイト
カーボングラファイトは、炭素を高温で熱した純度の高い黒鉛です。
天然で取れるものと、石油や石炭から人工的に作られるものがあります。
CFRPと同様に、軽くて強度に優れています。
さらに導電性があり、耐熱性や自己潤滑性が高いことから半導体や航空宇宙などの幅広く使用されています。
身の回りでは鉛筆の芯として見る機会が多い素材です。
ヘルメット、カメラ、トースター、ヒーターのなどの部品にも使用されています。
グラファイトの特徴は主に5つの特徴があります。
熱に強い
耐熱性が高く、急激な熱変化に対する耐性があります。
高温状況下での寸法変化が少なく強度は2500℃まで増加し、強度は最大約2倍になります。
耐薬品性に優れている
炭素の共有結合の結晶を持ち、化学的に安定しています。
常温ではほとんどの酸・アルカリに反応しません。
寸法安定性に優れている
熱膨張係数が低いため、温度変化による体積の増減が少ない特性があります。
自己潤滑性に優れている
潤滑性があり、摩擦・摩耗を減少させることができます。
導電性がある
電気を通すため、電極材や電気部品に使われます。
カーボンの切削加工が難しい理由
カーボンは多くのメリットのある素材ですが、切削加工が難しい素材でもあります。
特にCFRPは難削材であり、強度が高く繊維層が剥離しやすいため、加工に時間がかかります。
微小な炭素粒子が工具を削ってしまうため、工具寿命の低下が起こることも難削材である理由です。
加工中の粉塵は、人体への影響があり、皮膚に付着すると痒みが生じます。
これを吸い込んでしまうと、肺に傷がつく恐れがあります。
手に付着したまま擦ると怪我をしてしまうので安全への配慮が欠かせません。
また、機械への悪影響もあります。
細かい切粉がベアリングなどの摺動部に侵入すると、この切り粉自体がヤスリの働きをして、摺動部を摩耗させます。
まとめ
カーボン素材であるCFRPとカーボングラファイトは、共に切削加工が可能な素材です。
軽く強度が高く、腐食しない優れた特性があります。
そのため金属の代替素材として候補に挙がる素材の1つです。
航空機・宇宙機器業界など、厳しい環境での使用ができる高機能素材です。
加工には通常のプラスチック素材や金属素材とは違った難しさがあり、難削材に分類されます。
湯本電機では、使用用途や環境に合わせた素材の提案、形状の変更の提案をさせて頂きます。
現在ご使用中の機械、部品の軽量化、コストダウンでお悩みでしたら、当社へご相談下さい。
1部品からオーダーメイドの製品を製作いたします。
樹脂加工・プラスチック加工は湯本電機にお任せ下さい。
短納期で高品質の樹脂加工品を大阪・東京から全国へお届けします。
湯本電機では切削加工から3Dプリントまで、様々なプラスチック加工に対応しております。
対応可能な加工については「プラスチック加工・樹脂加工 加工方法一覧」へ。
