「機械設計をやっているけど、材料の選定方法がわからなくて困っている…」
「金属材料の種類や特徴を勉強したい」
「加工方法やコストを考慮して、材料選定できるようになりたい」
このような疑問や悩みにお答えします。
こんにちは。機械設計エンジニアのはくです。
2019年に機械系の大学院を卒業し、現在は製造装置メーカーで機械設計士として働いています。
今回は機械設計において大切な「材料選定の考え方」を解説します。
より安く品質の良い製品を設計するためには、用途や目的にあった材料選定が大切。
本記事では、大学の授業で習うような難しい理論はひとまず置いておいて、実際の仕事でどのように材料を選べばいいかという視点で解説します。
「材料の基礎知識を身につけたい」「用途や目的に応じて最適な材料を選定できるようになりたい」と考えている方は、ぜひ記事の内容を参考にしてください。
材料選定の3つの基本
機械設計における材料選定では、下記3つがポイントとなります。
英語の頭文字をとってQCDとも言われますね。
用途や目的に応じて、この3点を達成する材料を選定するのが設計者の仕事です。
- 品質（Quality）
- コスト（Cost）
- 納期（Delivery）
上記の中で最も優先しなければならないのが品質です。
具体的に言うと、いくら以上の強度が必要、耐熱温度が何℃以上といった要求仕様のこと。
いくらコストが安かったり、納期が短い材料でも、製品の要求仕様を満たしていないと意味がありません。
したがって、材料選定ではまず品質を優先し、その次にコストや納期を考慮して適切な材料を選びます。
コストと納期に関してですが、どちらを優先するかは状況によって変わります。
基本的に短納期になるほどコストは上がるので、「なるべく安い材料がいい」という場合はコストを、「多少高くてもいいからすぐに部品が必要」という場合には納期を優先することが多いです。
社内でルールが決まっている場合も多いので、まずはそちらを確認するのがいいでしょう。
材料選定の手順
では、具体的に材料選定の手順を解説していきます。
さきほど言ったように、まずは品質（要求仕様）を満たすかどうかで材料を絞り込みます。
ここで重要になってくるのが、材料の強度や硬さなどの機械的性質、耐熱性や導電性などの物理的性質、耐食性などの化学的性質です。
材料の性質については、下記記事で詳しく解説しているので参考にしてください。
基本的には、まず「軽さ」が必要かどうかで判断します。
軽さが必要なければ鉄鋼材料を、軽さが必要ならばアルミニウム材料かプラスチック材料を選ぶという手順です。
鉄鋼材料の選び方
鉄鋼材料は、安価な炭素鋼と高価で高性能な合金鋼に分かれます。
炭素鋼は、形状や強度、耐摩耗性、耐食性などによって種類が分かれているので、用途に応じて使い分けるのが一般的です。
一方、合金鋼は価格が高く流通性も炭素鋼より劣ります。
したがって、より高強度が必要、特殊なガスを使うから耐食性が必要などといった場合のみ選択するのが一般的。
ステンレスは、合金鋼の中でも比較的よく使われる材料なので、耐食性が欲しい場合などに選定することが多いです。
アルミニウム材料の選び方
軽さが必要な場合には、迷わずアルミニウム材料を選びます。
鉄に比べて密度が約3分の1、すなわち鉄の3倍軽いということです。
熱伝導率も鉄より高いため、熱をより伝えたい部位にはアルミを使います。
ただし、鉄に比べてヤング率が低く変形しやすいため、大きな力がかかる場合には強度計算が必要です。
プラスチック材料の選び方
アルミニウムよりもさらに軽くしたい場合は、プラスチック材料を選定します。
プラスチックの代表的な特徴がその透明性で、透明ケースやカバーにはアルミではなくプラスチックを使うのが一般的です。
また、アルミと違って熱伝導率が低い（熱を伝えにくい）、導電率が低い（電気を伝えにくい）ので、断熱や絶縁が必要な場合にはプラスチックを用います。
材料の基礎知識が学べるおすすめサイト・参考書
さいごに、材料関連のおすすめサイト・参考書を3つ紹介して、本記事を終わりにしたいと思います。
加工材料の知識がやさしくわかる本
これ1冊で、材料の基本的な知識が学べる参考書です。
学術的な内容ではなく、設計という視点で解説されているのでより実用的な内容が学べます。
64の事例からわかる金属腐食の対策
材料の性質の中でも、化学的性質である腐食・サビに着目した参考書です。
タイトルにもあるとおり、実際に起こった事例を使いながら腐食のメカニズムと対策がわかりやすく解説されています。
ファインセラミックスワールド
さいごは、参考サイトの紹介です。
こちらは、機械材料の中でもセラミックスについて詳しく学べるサイトになっています。
セラミックスは京セラの主力製品で、このサイトではセラミックスの基本がかなりわかりやすくまとめられています。
（僕自信もこのサイトでセラミックスについて勉強しました。）
まとめ：用途や目的に応じて最適な材料を選定しよう
以上、材料の基礎知識と選定手順を解説しました。
基本的な考え方は一通り伝えたつもりですが、一度読んだだけでは十分に理解できないことも多いと思います。
材料選定は、実務で経験を積みながら覚えていく方が勉強になるし、設計士としても成長できます。
実際に仕事で材料を選ぶ機会があった時に、再度この記事を読み返してみると学べることも多いはず。
ぜひ本記事の内容を参考に、適切な材料を選定できるようになってください！
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