설계나 개발 시, 피할 수 없는 항목 중 하나가 기계나 제품의「재료 선정 방법」입니다. 제조업에서는 금속 재료나 수지 재료를 비롯해 다양한 재료를 취급합니다. 이번에는 용도나 목적에 맞게 재료를 선택할 때의 순서에 대해 알아보겠습니다.
목차
기계나 제품의 재료 선택에는 기능과 비용 등 2가지 관점이 필요
기계나 제품의 재료를 선택할 때에는 기능과 비용 등 2가지 관점에서 시작합니다. 저렴해도 사용할 수 없다면 의미가 없으며, 반대로 아무리 고기능 제품이라도 너무 비싸면 사용하기 어렵습니다. 쌍방의 균형을 갖춘 상태가 가장 좋은 설계라 할 수 있습니다. 기계 설계나 제품 개발 시에는 기능과 비용의 균형을 맞추며 재료를 선택해야 합니다. 
기능을 결정하는 3가지 성질
그렇다면, 재료에서의「기능」이란 대체 무엇일까요? 재료에서의「기능」은 다음과 같습니다.
- 기계적 성질 주로「강도」와 관련된 성질입니다. 기계나 부품으로 완성했을 때, 외부에서 가해지는 힘에 견디기 위한 성질을 말합니다. 재료의 성질로는 강도와 경도, 인성 등이 해당합니다. 구체적으로는 스테인리스나 강철은 강한 재료에 속하지만, 알루미늄 등은 그다지 견고한 재료가 아닙니다.
- 물리적 성질 무게나 전기, 열 등, 주로「물리」에서 취급하는 분야에 대한 성질입니다. 기계나 부품으로 완성했을 때의 사용 조건에 대한 성질이라 할 수 있습니다. 전기가 통하는가 통하지 않는가, 열로 얼마나 팽창하는가, 자석에 반응하는가 등, 힘 이외의 기능을 말합니다. 재료의 성질로는 비중, 도전성, 열 팽창률, 자성 등이 해당합니다. 가령 자석에 반응하거나 열이나 전기가 잘 통하는 재료를 원할 때에는 철계 재료를 선택합니다.
- 화학적 성질 산화(녹)나 약품 등과의 반응에 관한 성질입니다. 기계나 부품으로 사용할 때의 환경에 대한 성질이라 할 수 있습니다. 물이나 바닷물이 있는 곳, 산이나 기름에 노출된 곳 등, 주위 상황에 대해 재료가 안 좋은 방향으로 변화하지 않는 기능을 말합니다. 재료의 성질로는 내식성이 해당합니다. 예를 들어, 철이나 강철 재료는 상황에 따라 부식되지만, 스테인리스나 알루미늄은 심하게 부식되지 않습니다.
제품의 비용을 결정하는 3가지 포인트
동일한 기능을 가진 기계나 부품을 가능한 저렴하게 만들기 위해서라도 재료 선택은 중요합니다. 비용과 관련된 재료 선정에는 아래의 3가지 포인트가 있습니다.
- 재료 그 자체의 가격 이는 매우 단순한 이야기입니다. 금이 철보다 비싸고 은이 동보다 비싸다는 것은 누구나 아는 이야기입니다. 마찬가지로 금속 재료든 수지 재료든 종류나 등급에 따라 재료 그 자체의 가격에 차이가 있습니다. 구체적으로는 철강 재료에 비해 스테인리스가 비교적 비싼 경향이 있습니다.
- 재료 입수의 난이도 재료 입수의 난이도는 재료 그 자체를 얼마나 쉽게 입수할 수 있느냐와는 다소 다릅니다. 간단히 말하자면, 일반적으로 판매되고 유통되고 있느냐는 것입니다. 예를 들어, 동일한 강 재료라도 판재나 원형 막대기, 블록 모양과 같은 형상에 따라 재료 제조업체에서 취급하느냐 아니냐로 나뉩니다. 또한, 철골로 많이 사용되는 I자 강이나 L자 강과 같이 이미 어느 정도 사용하기 편리한 형태로 가공해 판매하는 경우도 있습니다. 재료 제조업체가 항상 취급하는 일반적인 재료라면 비교적 저렴하게 입수할 수 있습니다. 그리고 여러 구매처를 보유할 수도 있기 때문에 재해 시 등을 예상한 위험 분산에도 도움이 됩니다. 반대로 가령 재료 그 자체에 대한 단가는 낮아도 특별한 형상으로 구입하려 하면 비용은 높아집니다.
- 재료 가공의 난이도 기계 설계나 제품 개발에서 비용 문제는 재료의 가격만으로 정해지는 것이 아닙니다. 가공에 드는 비용도 기계나 부품 가격에 영향을 줍니다. 예를 들어, 단단한 부품을 만들고 싶어 단단한 재료를 구입해 절삭 가공 등을 하면, 단단한 재료는 당연히 가공하기 어렵기 때문에 가공에 드는 비용은 높아집니다. 따라서 가공하기 쉬운 단단한 재료를 구입해, 절삭 가공 등의 기계 가공을 한 후 담금질 등의 열 처리를 하는 방법이 있습니다. 또한, 강한 판금 부품을 원해 판 두께를 두껍게 하면 역시 소성 가공에 드는 비용이 높아집니다. 금형 가격이 다소 비싸져도 리브나 수직 벽을 추가하는 등, 설계적인 면에서 연구하여 비용을 낮게 관리할 수 있습니다.
정리
제품의 재료를 선택할 때에는 재료의 성질과 비용, 이 2개의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.
