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金属と樹脂のCNC部品では熱膨張がどのように異なりますか？

Fundamental Differences in Thermal Behavior

Thermal Expansion in Metals

Thermal Expansion in Plastics

Surface Treatments and Heat Management

Industry Implications

熱的挙動における基本的な違い

熱膨張—すなわち、温度変化に伴う材料の寸法変化率—は、CNC加工および試作において重要な考慮事項です。金属とプラスチックは熱への反応が大きく異なります。金属は中程度で予測可能な膨張を示すのに対し、プラスチックは融点が低く、熱膨張係数（CTE）が高いため、数倍大きく膨張します。これらの違いを理解することで、エンジニアは温度変化下でも寸法精度を維持する設計が可能になります。

金属の熱膨張

ほとんどの金属のCTE値は10～25 µm/m·°Cの範囲にあり、比較的低く安定しています。この予測可能な特性により、高精度が求められる用途で正確な寸法制御が可能です。例として： - アルミニウム6061-T6： 約23 µm/m·°C — 膨張率はやや高いが、安定かつ均一で、軽量構造部品に最適。 - ステンレス鋼SUS304： 約17 µm/m·°C — 中程度の膨張で、熱下でも優れた寸法安定性を保持。 - チタンTi-6Al-4V： 約9 µm/m·°C — 低膨張率で、高精度な航空宇宙組立体に理想的。 - インコネル718： 約13 µm/m·°C — 低膨張かつ高耐熱性を持ち、600°Cを超える環境でも精度を維持。これらの金属は、多軸加工や放電加工（EDM）によって加工され、温度サイクルや精密な位置合わせが重要な航空宇宙や自動車用途でよく採用されます。

プラスチックの熱膨張

プラスチックは非常に高い膨張係数を示し、通常50～250 µm/m·°Cの範囲にあります。加熱による寸法変化は金属の5～10倍に達することもあり、組成によって異なります。例として： - ABS： 約80～100 µm/m·°C — 高温加工時に変形しやすい。 - ナイロン（PA）： 約90～120 µm/m·°C — 吸湿性があり、寸法変化をさらに増加させる。 - アセタール（POM）： 約110 µm/m·°C — 中温では安定しているが、金属よりも速く膨張する。 - PTFE（テフロン）： 約125 µm/m·°C — 優れた耐薬品性を持つが、熱膨張が非常に大きい。 - PEEK： 約45～55 µm/m·°C — 最も安定したプラスチックの一つで、医療や航空宇宙用途において温度変動下での使用に適しています。プラスチックCNC加工時には、クリアランスの拡大や治具制御の最適化など、DFMによる調整が不可欠であり、熱による変形を防ぐことができます。

表面処理と熱管理

膨張に関連する影響を軽減するために、表面処理および熱管理プロセスがよく適用されます。金属は内部応力を安定化させるために熱処理を行うことがあり、プラスチックは熱吸収を抑えるUVまたは熱コーティングが有効です。さらに、精密部品では、DFM段階で設計上の許容差や寸法調整を定義し、温度範囲全体で一貫した適合性を確保します。