機能と使用環境に適した材料を選定する設計

機能と使用環境に適した材料を選定する設計

Material Suitabilityとは、部品または構造物に使用する材料が、要求機能、荷重条件、使用環境、製造工程、耐用寿命、安全要求、およびコスト制約に適しているかを評価する設計分野である。日本語では、材料適合性、材料選定適合性、または使用条件に対する材料適合性と表現できる。

機械設計において、材料は単に部品を構成する物質ではない。材料の強度、剛性、硬さ、靭性、耐食性、耐摩耗性、熱的特性、および製造性は、製品性能と耐用寿命を直接左右する。

同じ形状の部品であっても、選定する材料によって次の特性が大きく変わる可能性がある。

  • 許容荷重

  • 変形量

  • 疲労寿命

  • 摩耗速度

  • 腐食の発生可能性

  • 使用可能温度範囲

  • 洗浄性と衛生性能

  • 製造難易度

  • 保守周期

  • 製品コスト

  • リサイクル性と環境負荷

したがって、材料選定は設計完了後に材質記号を追加する最終作業として扱うべきではない。機能と構造を決定する初期設計活動に含める必要がある。

Material Suitabilityは、次の問いから始まる。

  • この部品にはどのような荷重が作用するか。

  • どの程度の変形が許容されるか。

  • 繰返し荷重や衝撃が発生するか。

  • 水、湿気、薬品、食品、または塩分にさらされるか。

  • 摩擦や摩耗が発生するか。

  • 温度変化が材料性能に影響するか。

  • 溶接、曲げ、切削、または成形が可能か。

  • 食品接触や人体接触に適しているか。

  • 必要な耐用寿命とコスト目標を同時に満たせるか。

  • 調達と交換が容易か。

Material Suitabilityの主要な検討要素は、次のように整理できる。

  • Mechanical Properties — 機械的特性

  • Environmental Resistance — 環境耐性

  • Thermal Suitability — 熱的適合性

  • Tribological Suitability — 摩擦・摩耗適合性

  • Manufacturability — 製造適合性

  • Hygiene and Safety — 衛生・安全適合性

  • Compatibility — 材料間適合性

  • Cost and Availability — コストと調達性

  • Life Cycle and Sustainability — ライフサイクルと持続可能性

材料適合性の基本概念

材料適合性とは、その材料自体が優れているかを評価することではない。特定の部品が特定の使用条件下で使用される場合に、その材料が適しているかを判断することである。

例えば、ステンレス鋼は優れた耐食性と衛生性能を備えているが、すべての部品にとって最良の材料とは限らない。高いコスト、切削加工の難しさ、熱伝導性、摩擦特性、または重量の問題により、別の材料の方が適する場合がある。

アルミニウムは軽量で加工性に優れているが、激しい摩耗、繰返し衝撃、強アルカリ性洗浄剤、または高温条件では使用が制限される可能性がある。

エンジニアリングプラスチックは低摩擦と優れた耐食性を提供できるが、クリープ、温度依存性、吸水性、および寸法安定性を評価しなければならない。

したがって、材料選定では次の関係を考慮する必要がある。

機能要求 + 使用環境 + 製造工程 + 期待耐用寿命 + コスト制約 = 適切な材料

材料の一般的な優秀性より重要なのは、要求条件と材料特性との適合性である。

材料選定の出発点

材料を選定する前に、部品の役割と使用条件を明確に定義しなければならない。

部品の機能

材料選定に影響する代表的な機能には、次のものがある。

  • 荷重を支持する。

  • トルクを伝達する。

  • 運動を案内する。

  • 摩擦を低減する。

  • 摩耗に耐える。

  • 流体を密封する。

  • 熱を伝達または遮断する。

  • 外部衝撃から内部装置を保護する。

  • 製品と直接接触する。

  • 洗浄水や薬品に耐える。

  • 電気を導通または絶縁する。

  • 構造振動を吸収する。

同じ材料であっても、部品の役割によって適合性の評価基準は異なる。

使用条件

材料は実際の使用条件で評価しなければならない。

主な条件には、次のものがある。

  • 最大静的荷重

  • 繰返し荷重

  • 衝撃荷重

  • 振動

  • 回転速度

  • すべり速度

  • 接触圧力

  • 使用温度

  • 温度変化速度

  • 湿度

  • 水および蒸気

  • 洗浄剤および消毒剤

  • 酸およびアルカリ

  • 塩分

  • 食品成分

  • 紫外線

  • 粉じんおよび異物

設計者は、通常運転条件だけでなく、洗浄、停止、異常運転、長期保管、および輸送条件も評価する必要がある。

Mechanical Properties — 機械的特性

機械的特性は、材料が力と変形に対してどのように反応するかを示す。

強度

強度とは、材料が破断または永久変形する前に耐えられる応力水準である。

主な強度特性には、次のものがある。

  • 引張強さ

  • 降伏強さ

  • 圧縮強さ

  • せん断強さ

  • 曲げ強さ

  • ねじり強さ

  • 疲労強度

部品材料を選定する際には、最大引張強さだけを確認してはならない。実際の設計で許容される変形量と繰返し荷重条件も併せて考慮する必要がある。

例えば、回転軸は静的強度が十分であっても、繰返し曲げとねじりによって疲労破壊する可能性がある。したがって、軸材料は降伏強さだけでなく、疲労強度、表面状態、熱処理、および応力集中に対する感受性も評価しなければならない。

剛性

剛性とは、荷重に対する変形抵抗であり、主に弾性係数と部品形状によって決まる。

強度が十分であっても剛性が不足すると、次の問題が発生する可能性がある。

  • 軸のたわみ

  • ガイドの位置ずれ

  • 刃物位置の変化

  • 振動の増加

  • 歯車かみあい不良

  • シール接触圧の低下

  • 製品寸法のばらつき

一部のアルミニウム合金は特定の鋼材に近い強度を持つことがあるが、弾性係数は鋼材より低い。そのため、同じ形状であればアルミニウム製部品の方が大きく変形する可能性がある。

軽量化のために材料を変更する場合、単に強度値を比較するのではなく、構造剛性を評価しなければならない。

硬さ

硬さは、圧痕、引っかき、および局部的な塑性変形に対する抵抗を示す。

硬さが特に重要な部品には、次のものがある。

  • 軸受接触部

  • 歯車

  • カム

  • ローラ

  • 刃物

  • 摺動面

  • 位置決めピン

  • 繰返し締結部

一般に硬さが高いほど耐摩耗性は向上するが、過度な硬さは脆性を増加させ、加工性を低下させる可能性がある。

そのため、浸炭、窒化、高周波焼入れなどの表面硬化法を用いて、表面を硬化させながら内部の靭性を維持することができる。

靭性

靭性とは、材料が破断するまでにエネルギーを吸収できる能力である。

衝撃、急激な荷重変化、または低温条件では高い靭性が必要になる。

靭性が不足した材料は、静的荷重下では問題がなくても、次の条件で突然破断する可能性がある。

  • 衝撃荷重

  • 落下

  • 非常停止

  • 角部の応力集中

  • 低温脆化

  • 溶接欠陥

  • 繰返し衝撃

安全関連部品や回転部品では、単に高強度材料を選ぶことよりも、強度と靭性のバランスが重要である。

延性

延性とは、材料が破断する前に塑性変形できる能力である。

延性の高い材料には、次の利点がある。

  • 突然の脆性破壊が発生しにくい。

  • 曲げおよび成形が容易である。

  • 局部応力を再分配できる。

  • 破壊前に変形の兆候が現れる。

ただし、過度に軟らかい材料は摩耗、圧痕、および締結部の変形に弱い可能性がある。

疲労特性

機械部品は、応力が降伏強さ以下であっても、繰返し荷重によって破損することがある。これを疲労破壊という。

疲労に影響する要素には、次のものがある。

  • 繰返し応力の大きさ

  • 平均応力

  • 荷重繰返し回数

  • 表面粗さ

  • 傷および加工痕

  • 切欠きおよび段差

  • 溶接部

  • 腐食

  • 残留応力

  • 熱処理状態

回転軸、ばね、リンク、フレーム溶接部、および往復駆動部品では、疲労寿命を個別に評価しなければならない。

Environmental Resistance — 環境耐性

材料は実際の使用環境において性能を維持できなければならない。

耐食性

腐食とは、水、酸素、薬品、またはイオンとの反応によって材料表面が劣化する現象である。

腐食は外観上の問題にとどまらず、次の機能低下を引き起こす可能性がある。

  • 断面積の減少

  • 強度低下

  • 表面粗さの増加

  • 汚染物の発生

  • 締結部の固着

  • 疲労寿命の低下

  • シール接触面の損傷

  • 食品汚染

耐食性を評価する際には、次の環境を区別する必要がある。

  • 一般大気

  • 高湿度環境

  • 水接触

  • 塩水環境

  • 酸性環境

  • アルカリ性環境

  • 塩素系洗浄剤

  • 蒸気

  • 食品成分

  • 洗浄後に乾燥が不十分な環境

ステンレス鋼も、すべての環境で腐食しないわけではない。塩素系洗浄剤、塩分、狭いすきま、溶接熱影響部、または酸素供給が制限された領域では、孔食やすきま腐食が発生する可能性がある。

耐薬品性

材料は、洗浄剤、潤滑剤、食品成分、冷媒、および工程流体との接触に対して化学的に安定でなければならない。

耐薬品性を評価する際には、次の要素を確認する必要がある。

  • 薬品の種類

  • 濃度

  • 温度

  • 接触時間

  • 繰返し暴露回数

  • 圧力

  • 洗浄後の残留有無

  • 材料の応力状態

プラスチックおよびエラストマーは、薬品にさらされることで次の変化を起こす可能性がある。

  • 膨潤

  • 硬化

  • 軟化

  • 亀裂

  • 変色

  • 強度低下

  • 寸法変化

  • 表面剥離

したがって、一般的な耐薬品性表だけで判断してはならない。実際の温度、濃度、および暴露条件を評価に反映する必要がある。

水分および吸水性

一部のプラスチックや複合材料は水分を吸収し、寸法や機械的特性が変化する。

吸水によって発生する可能性がある問題には、次のものがある。

  • 寸法増加

  • 剛性低下

  • 電気絶縁性の変化

  • 摩擦特性の変化

  • 公差からの逸脱

  • 変形および反り

精密ガイド、歯車、ブッシュ、または位置決め部品にプラスチックを使用する場合、吸水による寸法変化を考慮しなければならない。

紫外線および耐候性

屋外装置や日光にさらされる部品は、紫外線、温度変化、雨、風、およびオゾンの影響を受ける。

紫外線は、一部のプラスチックやエラストマーに次の変化を引き起こす可能性がある。

  • 表面亀裂

  • 脆化

  • 変色

  • 強度低下

  • 弾性低下

屋外使用が想定される場合には、紫外線安定剤を含む材料、保護コーティング、または金属カバーを採用する必要がある。

Thermal Suitability — 熱的適合性

温度は、材料の強度、剛性、寸法、摩擦、および化学的安定性に影響する。

使用温度範囲

材料は通常運転時だけでなく、次の温度条件でも機能を維持しなければならない。

  • 始動前の低温

  • 通常運転温度

  • 摩擦による局部発熱

  • 洗浄水温度

  • 蒸気洗浄温度

  • 殺菌温度

  • 高温の周囲環境

  • 冷凍条件

  • 急激な温度変化

プラスチックおよびエラストマーは、温度上昇によって強度と剛性が大きく低下する場合がある。低温では脆性が増加する可能性がある。

金属も高温では降伏強さと疲労強度が低下し、繰返し熱サイクルによって熱疲労が発生する可能性がある。

熱膨張

材料の寸法は温度によって変化する。

熱膨張係数が大きく異なる材料を結合すると、次の問題が発生する可能性がある。

  • すきまの変化

  • はめあいの変化

  • 締結力の変化

  • 曲がりおよび反り

  • 接着部の剥離

  • シール圧縮量の変化

  • 軸心ずれ

アルミニウムと鋼、またはプラスチックと金属のように、熱膨張係数が大きく異なる材料を併用する場合、相対変位を吸収できる構造が必要である。

熱伝導性

熱伝導性の高い材料は熱を速く伝え、熱伝導性の低い材料は断熱機能を提供する。

熱伝導性が重要な部品には、次のものがある。

  • モータ取付板

  • ヒートシンク

  • 軸受ハウジング

  • 加熱板

  • 冷却板

  • 断熱カバー

  • 作業者接触部

熱を放散する必要がある構造では、アルミニウムや銅のような熱伝導性の高い材料が有利な場合がある。一方、作業者保護や熱損失防止が必要な構造では、プラスチック、エラストマー、または断熱材が適する可能性がある。

耐熱衝撃性

急激な温度変化が生じると、材料内部の温度差によって熱応力が発生する。

耐熱衝撃性の低い材料は、次の条件で亀裂が発生する可能性がある。

  • 高温部品を冷水で洗浄する場合

  • 冷凍状態の部品を温水で洗浄する場合

  • 加熱と冷却を繰り返す場合

  • 局部加熱

  • 肉厚が急激に変化する形状

セラミックス、ガラス、および一部の硬質材料は熱衝撃に特に敏感であるため、注意が必要である。

Tribological Suitability — 摩擦・摩耗適合性

互いに接触しながら相対運動する部品では、摩擦、摩耗、および潤滑が重要になる。

摩擦特性

摩擦係数は、駆動力、発熱、騒音、および摩耗に影響する。

低摩擦が必要な構造には、次のものがある。

  • 摺動ガイド

  • ブッシュ

  • シール接触部

  • チェーンガイド

  • 製品搬送面

  • ヒンジ

  • カムフォロワ

一方、摩擦が必要な構造もある。

  • ブレーキ

  • クランプ

  • 摩擦駆動

  • 滑り止め面

  • 作業者用踏板

  • 製品把持部

したがって、摩擦係数は単純に低いほどよいわけではなく、目的とする機能に適した値でなければならない。

耐摩耗性

摩耗とは、接触面の材料が徐々に除去または変形する現象である。

主な摩耗形態には、次のものがある。

  • 凝着摩耗

  • アブレシブ摩耗

  • 疲労摩耗

  • エロージョン摩耗

  • フレッティング摩耗

  • 腐食摩耗

摩耗が予想される場合、次の要素を評価しなければならない。

  • 材料硬さ

  • 相手材の硬さ

  • 表面粗さ

  • 接触圧力

  • 相対速度

  • 潤滑条件

  • 異物の存在

  • 温度

  • 表面処理

金属同士が直接すべる構造では、焼付きやかじりが発生する可能性がある。特に、同系統のステンレス鋼が高い接触圧力で摺動すると、表面同士が付着する場合がある。

この場合、次の対策を検討できる。

  • 異種材料を組み合わせる。

  • エンジニアリングプラスチック製ブッシュを使用する。

  • 表面硬化を施す。

  • コーティングを適用する。

  • 潤滑する。

  • 接触圧力を低減する。

  • すべり接触を転がり接触へ変更する。

潤滑剤との適合性

材料は、使用する潤滑油またはグリースと化学的に適合しなければならない。

食品機械では、食品用潤滑剤であっても、可能な限り食品との接触を防止する必要がある。

潤滑が難しい環境では、次の材料を検討できる。

  • 自己潤滑性プラスチック

  • 含油焼結ブッシュ

  • 固体潤滑コーティング

  • ドライベアリング材料

  • 複合摺動材料

Manufacturability — 製造適合性

選定した材料は、要求される形状に実際に加工できなければならない。

切削加工性

切削加工性とは、旋削、フライス加工、穴あけ、研削などによって材料をどれだけ容易に加工できるかを示す。

切削加工性に影響する要素には、次のものがある。

  • 材料硬さ

  • 加工硬化

  • 熱伝導性

  • 切りくず形成

  • 工具摩耗

  • 切削熱

  • 表面品質

  • 寸法安定性

ステンレス鋼は、加工硬化と低い熱伝導性により、一部の炭素鋼より加工が難しい場合がある。硬質材料は優れた耐摩耗性を提供する一方、加工費を増加させる可能性がある。

したがって、材料選定では完成部品の性能だけでなく、加工時間、工具寿命、および供給者の加工能力も考慮する必要がある。

成形性

成形性は、板金曲げ、プレス、深絞り、鍛造、および押出工程で重要である。

成形性の検討項目には、次のものがある。

  • 伸び

  • 最小曲げ半径

  • スプリングバック

  • 亀裂発生リスク

  • 板材の方向性

  • 成形後の厚さ変化

  • 残留応力

同じ材料であっても、熱処理状態や板材方向によって曲げ特性が異なる場合がある。

溶接性

溶接構造では、材料の溶接性が重要である。

溶接性に影響する要素には、次のものがある。

  • 炭素当量

  • 熱影響部の硬化

  • 溶接割れ

  • 変形

  • 残留応力

  • 溶加材と母材の組合せ

  • 溶接後の耐食性

  • 溶接後熱処理の必要性

ステンレス鋼では、溶接後に焼け色と酸化層を除去し、必要に応じて酸洗または不動態化処理を行う必要がある。

食品接触面の溶接部は、すきまと汚染物の蓄積を防ぐため、連続溶接し、滑らかに仕上げなければならない。

熱処理適合性

熱処理は、材料の強度、硬さ、靭性、および耐摩耗性を変化させる。

代表的な熱処理には、次のものがある。

  • 焼なまし

  • 焼ならし

  • 焼入れ

  • 焼戻し

  • 浸炭

  • 窒化

  • 高周波焼入れ

  • 時効処理

  • 溶体化処理

熱処理を適用する際には、次の問題を評価しなければならない。

  • 寸法変形

  • 亀裂

  • 残留応力

  • 表面酸化

  • 後加工の必要性

  • 硬さ分布

  • 検査方法

表面処理適合性

表面処理は、母材の基本特性を維持しながら表面性能を改善する。

代表的な表面処理には、次のものがある。

  • めっき

  • 陽極酸化

  • 窒化

  • 硬質クロムめっき

  • DLCコーティング

  • セラミックコーティング

  • 塗装

  • 粉体塗装

  • 不動態化処理

  • 電解研磨

表面処理を選定する際には、次の項目を確認する必要がある。

  • 母材への密着性

  • 処理厚さ

  • 寸法変化

  • 摩耗時の剥離可能性

  • 食品接触への適合性

  • 耐食性

  • 補修可能性

  • 処理後の表面粗さ

Hygiene and Safety — 衛生・安全適合性

食品、医薬品、化粧品、または人体接触装置では、材料の衛生性と安全性が特に重要である。

食品接触適合性

食品接触材料は、次の条件を満たさなければならない。

  • 人体に有害な物質を溶出しない。

  • 食品の味、臭い、または色に影響しない。

  • 繰返し洗浄と消毒に耐える。

  • 腐食生成物を発生しない。

  • 表面を容易に洗浄できる。

  • 亀裂や剥離が発生しない。

  • 使用温度で安定している。

食品に接触する可能性があるプラスチック、エラストマー、潤滑剤、接着剤、およびコーティングは、用途に適したグレードであることを確認しなければならない。

洗浄性と表面状態

衛生性能は、材料の種類だけでなく表面状態にも大きく左右される。

衛生的な表面には、次の特性が必要である。

  • 滑らかな表面

  • 亀裂や気孔が少ない。

  • 剥離がない。

  • 耐食性がある。

  • 洗浄剤に対して安定している。

  • 洗浄後の残留物が少ない。

鋳肌、粗い溶接部、多孔質材料、および損傷したコーティングは、汚染物を保持しやすい。

毒性および有害物質

材料に含まれる成分や加工中に発生する物質が、作業者や使用者に影響する可能性がある。

検討対象には、次のものがある。

  • 重金属

  • 有害な可塑剤

  • 揮発性物質

  • 加工粉じん

  • 溶接ヒューム

  • 繊維粉じん

  • 有害なコーティング成分

  • 高温分解生成物

材料選定では、通常使用時だけでなく、加工、溶接、切削、および廃棄時の安全性も考慮しなければならない。

火災安全性

電気装置、高温装置、および密閉空間では、難燃性も重要である。

検討要素には、次のものがある。

  • 着火可能性

  • 燃焼速度

  • 発煙

  • 有毒ガス発生

  • 自己消火性

  • 高温変形

プラスチックカバー、ケーブルダクト、絶縁材料、および電装ハウジングには、用途に適した難燃グレードを使用する必要がある。

Compatibility — 材料間適合性

一つの部品材料が単独では適切であっても、周辺材料との組合せが不適切であれば問題が発生する可能性がある。

ガルバニック腐食

異種金属が電解質環境で接触すると、電位差によってガルバニック腐食が発生する可能性がある。

代表的な材料組合せには、次のものがある。

  • アルミニウムとステンレス鋼

  • 炭素鋼と銅

  • 亜鉛めっき鋼とステンレス鋼

  • 異種金属による締結部

湿気や洗浄水が存在する環境では、次の対策を検討できる。

  • 絶縁ワッシャおよびブッシュ

  • 非導電性コーティング

  • 排水構造

  • 金属組合せの変更

  • 接触面のシーリング

  • 適切な締結材の選定

硬さの組合せ

接触する2つの材料の硬さ関係は、摩耗挙動に影響する。

一方の材料が過度に硬い場合、相手部品が急速に摩耗する可能性がある。逆に、両部品の硬さと材質が類似している場合、焼付きが発生する可能性がある。

交換しやすい部品を、意図的に犠牲摩耗部品として設計する方法もある。

例として、次のものがある。

  • 交換式ブッシュ

  • 摩耗板

  • チェーンガイド

  • スクレーパ

  • ライナ

  • スライドパッド

熱膨張適合性

熱膨張係数の異なる材料を剛に締結すると、温度変化によって内部応力または変形が発生する可能性がある。

必要に応じて、次の構造を使用できる。

  • 長穴

  • フローティングマウント

  • 弾性締結

  • 柔軟な接着層

  • 膨張すきま

  • 一方向だけを拘束する構造

接着剤およびシーラント適合性

接着剤とシーラントは、すべての材料に対して同じ接着強度を提供するわけではない。

検討項目には、次のものがある。

  • 表面エネルギー

  • 表面汚染

  • 酸化層

  • プライマーの必要性

  • 温度

  • 湿度

  • 薬品への暴露

  • 繰返し変形

  • 硬化条件

一部のプラスチックは接着が非常に困難である。そのため、機械的締結や表面処理を接着接合と併せて検討する必要がある。

Cost and Availability — コストと調達性

技術的に最も高性能な材料が、必ずしも最適な材料とは限らない。

原材料価格に加えて、次のコストも評価しなければならない。

  • 原材料費

  • 加工費

  • 熱処理費

  • 表面処理費

  • 溶接費

  • 検査費

  • 不良率

  • 保守費

  • 交換費

  • 廃棄費

  • 在庫費

高価な材料によって部品寿命を大幅に延長できる場合、総ライフサイクルコストはかえって低くなる可能性がある。

一方、機能上必要のない高級材料を採用すると、実質的な性能向上がないまま製品コストだけが増加する可能性がある。

調達性

材料は、必要な規格と数量で安定して調達できなければならない。

検討項目には、次のものがある。

  • 国内外での入手性

  • 標準規格での入手性

  • 最小注文数量

  • 納期

  • 供給者数

  • 材料証明書の提供可否

  • 代替材料の可能性

  • 長期供給能力

特殊材料を使用する場合、設計段階で代替材料と供給リスクも評価しなければならない。

標準化

可能な場合には、標準材料、標準板厚、標準棒径、および標準板材寸法を使用することが望ましい。

標準化の利点には、次のものがある。

  • 購入の容易性

  • 単価低減

  • 在庫削減

  • 製造性の予測

  • 品質安定

  • 代替供給者の確保

  • 図面管理の簡素化

Life Cycle and Sustainability — ライフサイクルと持続可能性

材料適合性は、製造時点だけでなく、製品のライフサイクル全体で評価しなければならない。

耐用寿命

材料は、目標耐用寿命の期間中、機能を維持しなければならない。

耐用寿命に影響する要素には、次のものがある。

  • 疲労

  • 腐食

  • 摩耗

  • クリープ

  • 紫外線暴露

  • 熱老化

  • 化学劣化

  • 繰返し洗浄

  • 繰返し組立および分解

部品寿命は、材料自体だけでなく、表面処理、潤滑、保守、および使用条件によって決まる。

交換可能性

摩耗または劣化が予想される材料は、交換可能な構造に組み込むことが望ましい。

例として、次のものがある。

  • 交換式ライナ

  • 取外し可能な摩耗板

  • 交換式ブッシュ

  • モジュール式シール

  • 取外し可能なガイド

  • 交換式刃物

高価な本体全体を交換するのではなく、低価格の消耗部品だけを交換できる構造にする必要がある。

リサイクル性

リサイクル性を高めるために、次の点を考慮できる。

  • 単一材料の使用

  • 材料表示

  • 永久接着ではなく分解可能な締結の使用

  • めっきおよび多層コーティングの最小化

  • 異種材料を容易に分離できる構造

  • 有害物質の制限

異なる材料を永久接着したり、オーバーモールドしたりすると、リサイクルが難しくなる可能性がある。

環境影響

材料選定では、次の環境要素を考慮できる。

  • 製造エネルギー

  • 炭素排出

  • 資源希少性

  • 有害物質の使用

  • リサイクル性

  • 輸送重量

  • 製品寿命

  • 保守頻度

軽量材料は輸送エネルギーや駆動エネルギーを削減できる可能性があるが、製造エネルギーとリサイクル性も併せて評価する必要がある。

主要材料群と適用特性

炭素鋼

炭素鋼は、強度、コスト、および製造性のバランスに優れているため、一般機械構造に広く使用される。

主な利点は次のとおりである。

  • 高い強度と剛性

  • 良好な溶接性と切削加工性

  • 低コスト

  • 豊富な規格

  • 熱処理が可能

主な制限事項は次のとおりである。

  • 腐食しやすい。

  • 表面処理が必要である。

  • 食品との直接接触には制限がある。

  • 湿潤環境では保守が必要である。

代表的な用途には、次のものがある。

  • フレーム

  • ブラケット

  • 軸

  • ベース

  • 溶接構造物

  • 非接触内部部品

合金鋼

合金鋼は、クロム、モリブデン、ニッケルなどの元素を添加し、強度、靭性、焼入性、および耐摩耗性を向上させた材料である。

代表的な用途には、次のものがある。

  • 高荷重軸

  • 歯車

  • ピン

  • カム

  • スピンドル

  • 高強度締結部品

合金鋼の性能は熱処理状態によって大きく変化するため、材料規格と熱処理状態を併せて指定しなければならない。

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、優れた耐食性、衛生性能、および外観を持つため、食品機械や湿潤環境で広く使用される。

主な利点は次のとおりである。

  • 優れた耐食性

  • 洗浄性

  • 衛生性能

  • 塗装が不要

  • 良好な外観

  • 比較的高い耐熱性

主な制限事項は次のとおりである。

  • 高コスト

  • 加工硬化

  • 切削加工の難しさ

  • 溶接変形

  • かじりのリスク

  • 塩素を含む環境での局部腐食の可能性

食品接触部、洗浄水にさらされる部分、外装カバー、ホッパ、シュート、および衛生フレームに適している。

アルミニウム合金

アルミニウム合金は、低密度と優れた加工性を持つ。

主な利点は次のとおりである。

  • 軽量

  • 優れた切削加工性

  • 比較的高い熱伝導性

  • 自然酸化皮膜による耐食性

  • 押出形材を利用できる。

主な制限事項は次のとおりである。

  • 鋼より剛性が低い。

  • 表面摩耗に弱い。

  • 熱膨張が大きい。

  • 一部のアルカリ環境に弱い。

  • 溶接後に強度が低下する可能性がある。

軽量フレーム、カバー、ガイド、放熱部品、および可動部品に使用できる。

銅および銅合金

銅および銅合金は、優れた電気伝導性、熱伝導性、および特定の良好な摩擦特性を持つ。

代表的な用途には、次のものがある。

  • 電気接点

  • 熱伝達部品

  • ブッシュ

  • 軸受材料

  • ろう付け部品

  • 接地部品

ただし、コスト、重量、腐食、および食品接触適合性を評価しなければならない。

エンジニアリングプラスチック

エンジニアリングプラスチックは金属より軽量であり、多くの場合、優れた耐食性と摩擦特性を提供する。

代表的な材料には、次のものがある。

  • POM

  • PA

  • UHMW-PE

  • PTFE

  • PEEK

  • PET

  • PC

  • PVC

主な利点は次のとおりである。

  • 軽量

  • 低摩擦係数

  • 優れた耐食性

  • 電気絶縁性

  • 騒音低減

  • 加工の容易性

主な制限事項は次のとおりである。

  • 低剛性

  • クリープ

  • 温度依存性

  • 熱膨張

  • 吸水

  • 紫外線劣化

  • 一部薬品に対する弱さ

ガイド、ブッシュ、チェーンレール、摩耗板、カバー、絶縁部品、および低荷重歯車に使用できる。

ゴムおよびエラストマー

ゴムおよびエラストマーは、弾性、密封性、振動吸収、および衝撃緩和機能を提供する。

代表的な材料には、次のものがある。

  • NBR

  • EPDM

  • シリコーン

  • FKM

  • TPU

  • TPE

代表的な用途には、次のものがある。

  • シール

  • ガスケット

  • 振動吸収体

  • ローラ表面

  • 防振マウント

  • ホース

  • グリップ

温度、薬品暴露、食品接触、圧縮永久ひずみ、および老化特性を評価しなければならない。

セラミックス

セラミックスは、高い硬さ、耐摩耗性、耐熱性、および化学的安定性を持つ。

代表的な用途には、次のものがある。

  • 高摩耗部品

  • 絶縁部品

  • シール面

  • 切削工具

  • 高温部品

  • 精密軸受要素

主な制限事項は次のとおりである。

  • 脆性

  • 衝撃への敏感さ

  • 加工の難しさ

  • 高コスト

  • 熱衝撃リスク

複合材料

複合材料は、異なる材料を組み合わせて、強度、軽量性、耐食性、または減衰特性を向上させる。

代表的な例には、次のものがある。

  • CFRP

  • GFRP

  • 繊維強化プラスチック

  • 金属基複合材料

  • 多層パネル

主な利点は次のとおりである。

  • 高い比強度

  • 軽量

  • 方向性を設計できる。

  • 優れた耐食性

  • 振動減衰性

主な制限事項は次のとおりである。

  • 異方性

  • 接合の難しさ

  • 内部損傷の検出が難しい。

  • リサイクル性の制約

  • 高い材料費

食品機械におけるMaterial Suitability

食品機械では、材料は機械性能だけでなく、衛生、洗浄、腐食、食品接触、および汚染防止の要求も満たさなければならない。

食品接触部

食品接触部に使用する材料は、次の条件を満たさなければならない。

  • 食品接触に適している。

  • 腐食生成物を発生しない。

  • 有毒成分を溶出しない。

  • 表面が滑らかで洗浄可能である。

  • 繰返し洗浄と消毒に耐える。

  • 臭いや味を吸収しない。

  • 亀裂や剥離が発生しない。

一般的に、ステンレス鋼と食品用エンジニアリングプラスチックが使用される。

非接触湿潤部

食品に直接接触しない部品であっても、洗浄水や湿気にさらされる場合には高い耐食性が必要である。

適用可能な材料および対策には、次のものがある。

  • ステンレス鋼

  • 適切なめっき

  • 耐水性コーティング

  • 密閉構造

  • 排水構造

  • 交換可能なカバー

洗浄薬品との適合性

食品機械は、アルカリ性洗剤、酸性洗浄剤、塩素系消毒剤、および温水にさらされる可能性がある。

材料選定時には、次の項目を確認しなければならない。

  • 洗浄剤の濃度

  • 使用温度

  • 接触時間

  • 洗浄頻度

  • すすぎ条件

  • すきまに残留する可能性

  • エラストマーおよびプラスチックの劣化

異物発生の防止

材料自体または表面処理から異物が発生してはならない。

注意すべき問題には、次のものがある。

  • 塗装剥離

  • めっき剥離

  • 腐食粒子

  • プラスチック摩耗粉

  • ゴム片

  • 溶接スラグ

  • 表面亀裂

食品の上方に配置される部品では、表面剥離と腐食リスクを特に厳しく管理する必要がある。

Material Suitabilityの評価手順

要求機能を定義する

最初に、部品が果たすべき機能を定義する。

  • 荷重支持

  • トルク伝達

  • 運動案内

  • 密封

  • 耐摩耗

  • 耐食

  • 絶縁

  • 熱伝達

  • 衛生維持

使用環境を定義する

材料がさらされる実際の環境を記述する。

  • 温度

  • 湿度

  • 洗浄水

  • 薬品

  • 食品

  • 塩分

  • 紫外線

  • 衝撃

  • 振動

  • 摩擦

  • 繰返し荷重

必要な材料特性を設定する

機能要求を材料特性へ変換する。

例として、次のものがある。

  • 高い降伏強さ

  • 高い剛性

  • 高い耐摩耗性

  • 優れた耐食性

  • 低い摩擦係数

  • 低い吸水率

  • 食品接触適合性

  • 良好な溶接性

  • 低い熱膨張

候補材料を選定する

関連する材料群から複数の候補を選定する。

  • 炭素鋼

  • 合金鋼

  • ステンレス鋼

  • アルミニウム

  • 銅合金

  • エンジニアリングプラスチック

  • エラストマー

  • セラミックス

  • 複合材料

候補材料を比較する

候補材料を次の基準で比較する。

  • 機能性能

  • 耐久性

  • 環境耐性

  • 製造性

  • 衛生適合性

  • コスト

  • 調達性

  • 保守性

  • リサイクル性

製造工程を検討する

材料が実際の製造工程に適しているかを確認する。

  • 切削加工

  • 曲げ

  • 溶接

  • 成形

  • 熱処理

  • 表面処理

  • 検査

  • 組立

試作および試験

必要に応じて、実際の条件を模擬した試験を実施する。

試験項目には、次のものがある。

  • 静的荷重試験

  • 疲労試験

  • 衝撃試験

  • 摩耗試験

  • 腐食試験

  • 薬品浸漬試験

  • 温度サイクル試験

  • 洗浄試験

  • 食品接触試験

  • 寸法安定性試験

最終材料仕様を決定する

材料を選定した後、図面または仕様書には材料名だけでなく、次の情報を明確に記載しなければならない。

  • 材料規格

  • 材料等級

  • 熱処理状態

  • 硬さ

  • 表面処理

  • 板材、棒材、または素材状態

  • 表面粗さ

  • 検査基準

  • 材料証明書要求

  • 許容代替材料

主な不具合形態

Material Suitabilityが不適切な場合、次の問題が発生する可能性がある。

強度不足

材料の降伏強さまたは疲労強度が不足し、変形または破断が発生する。

剛性不足

部品は破断しないが、過大な変形によって精度と機能が低下する。

脆性破壊

衝撃または低温条件で、材料が突然破断する。

過度な摩耗

接触面が急速に摩耗し、ガタ、振動、および位置誤差が増加する。

腐食

湿気、塩分、または薬品によって表面と構造が劣化する。

化学劣化

プラスチック、エラストマー、またはコーティングが洗浄剤と反応し、膨潤、亀裂、または剥離を起こす。

熱変形

熱膨張と剛性低下によって、すきまと位置が変化する。

ガルバニック腐食

異種金属の組合せによって、一方の材料が急速に腐食する。

製造不良

選定した材料が曲げ、溶接、切削、または成形に適さず、亀裂や変形が発生する。

衛生上の問題

腐食、表面剥離、気孔、または化学劣化によって、食品汚染リスクが増加する。

過大コスト

必要以上に高級な材料を使用し、製品価格が上昇する。

調達問題

特殊材料の長い納期と不安定な供給によって、生産が遅延する。

材料適合性検討チェックリスト

Function — 機能

  • 部品の主要機能は明確に定義されているか。

  • 材料は、その機能に必要な特性を提供するか。

  • 強度要求と剛性要求は区別されているか。

  • 繰返し荷重と衝撃が考慮されているか。

  • 摩擦と摩耗条件は定義されているか。

Environment — 環境

  • 使用温度範囲は定義されているか。

  • 水、湿気、塩分、および薬品への暴露が考慮されているか。

  • 洗浄剤の濃度と温度が反映されているか。

  • 紫外線と屋外条件が考慮されているか。

  • 長期保管と輸送条件が検討されているか。

Mechanical Properties — 機械的特性

  • 降伏強さは十分か。

  • 疲労強度は十分か。

  • 必要な剛性を備えているか。

  • 衝撃に対して十分な靭性を持つか。

  • 摩耗部に適切な硬さを持つか。

Thermal Properties — 熱的特性

  • 使用温度で強度と剛性を維持できるか。

  • 熱膨張がすきまや位置合わせに悪影響を与えないか。

  • 材料間の熱膨張差が評価されているか。

  • 熱衝撃の可能性が考慮されているか。

Manufacturing — 製造

  • 切削加工および成形が可能か。

  • 溶接性は適切か。

  • 熱処理後の変形を管理できるか。

  • 表面処理は材料に適合しているか。

  • 供給者が繰り返し安定して製造できるか。

Hygiene and Safety — 衛生と安全

  • 食品接触に適しているか。

  • 繰返し洗浄に耐えるか。

  • 有害物質が溶出するリスクはないか。

  • 表面剥離や異物発生のリスクはないか。

  • 難燃性と作業者安全が考慮されているか。

Compatibility — 適合性

  • 異種金属接触部の腐食リスクが評価されているか。

  • 相手材との摩擦および硬さの組合せは適切か。

  • 潤滑剤と化学的に適合しているか。

  • 接着剤とシーラントは材料に適合しているか。

Cost and Supply — コストと供給

  • 材料費だけでなく加工費と保守費も考慮されているか。

  • 標準規格で入手できるか。

  • 十分な供給者が存在するか。

  • 長期供給が可能か。

  • 代替材料が定義されているか。

Life Cycle — ライフサイクル

  • 目標耐用寿命の期間中、性能を維持できるか。

  • 摩耗部品を交換できるか。

  • リサイクルおよび分解が可能か。

  • 廃棄時に有害性がないか。

  • 総ライフサイクルコストは妥当か。

結論

Material Suitabilityは、単に強い材料や腐食しない材料を選ぶ作業ではない。部品の機能、荷重、変形、摩耗、温度、環境、製造工程、衛生、コスト、およびライフサイクルを総合的に評価し、最も適切な材料を選定する設計プロセスである。

適切な材料は、次の条件を満たさなければならない。

  • 必要な強度と剛性を提供する。

  • 繰返し荷重と衝撃に耐える。

  • 使用環境で腐食と化学劣化に耐える。

  • 摩擦および摩耗条件に適している。

  • 使用温度で寸法と性能を維持する。

  • 切削、成形、溶接、および表面処理が可能である。

  • 周辺材料および潤滑剤と適合する。

  • 衛生および安全要求を満たす。

  • 安定して調達できる。

  • 製品の目標耐用寿命とコスト条件を満たす。

  • 保守とリサイクルに対応できる。

機械設計において、材料は形状を構成する手段であると同時に、機能を実現する中核要素である。同じ形状であっても、材料を変更すると、強度、変形、耐用寿命、製造方法、および安全性が変化する。

したがって、材料選定を設計工程の最後に行う付加作業として扱ってはならない。構造と機能を決定する中核的な設計活動として位置付ける必要がある。

最終的に、Material Suitabilityの品質は、最先端の材料を使用したかどうかではなく、要求機能と使用環境に最も適した材料を、合理的なコストと製造条件の範囲内で選定できたかどうかによって決まる。

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