医療機器・バイオ分野

医療機器やバイオ分野では、高精度かつ清浄度を満たした切削加工が欠かせません。本記事では、用途や材質ごとの特徴を踏まえ、切削加工機の選び方を紹介します。

医療機器・バイオ分野で切削加工が求められる理由

用途と目的

医療機器やバイオ分野において切削加工が重要とされるのは、部品や試作品に高い精度と信頼性が求められるからです。インプラントのように人体に直接使用されるものは、強度や寸法の正確さが生命に直結します。手術器具も例外ではなく、刃先の鋭さや形状の安定性が治療の成否を左右します。

さらにバイオ関連ではマイクロ流路デバイスや研究用チップなど微細加工が必要となる部品が多く存在し、安定した加工技術によって研究や実験の精度を保証する役割を果たしています。少量多品種の開発が多い分野であるため、柔軟な対応力を備えた切削加工の存在は不可欠です。

品質要件

この分野で加工に求められる品質要件は非常に厳しく、単なる寸法精度にとどまりません。数ミクロン単位の公差管理が必要な場面も多く、切削後の表面状態も重要視されます。わずかなバリや粗さが残るだけで、製品の性能や安全性に影響を及ぼす恐れがあるのです。また、医療機器やバイオ部品は人体や細胞に触れる機会が多いため、異物混入を防ぐための清浄度や、生体適合性を損なわない加工が必須条件となります。これらを同時に満たすには、機械の性能だけでなく工具選定や加工環境の整備も必要となり、総合的な品質管理が欠かせません。

使用される材質と加工特性

金属材料（チタン・ステンレス・コバルトクロムなど）

医療機器で多用される金属は、いずれも高い強度と耐食性を持ちます。チタンは軽量で生体適合性が高いため人工関節やインプラントに適していますが、切削抵抗が強く工具摩耗が早いことから難削材とされます。ステンレスは耐久性と耐食性を備えており、手術器具や器械類に多く用いられますが、熱変形や硬化層の発生に注意が必要です。さらにコバルトクロム合金は摩耗や腐食に非常に強い一方で硬度が高く、加工機には高い剛性と安定した回転制御が求められます。このように金属材料は特性ごとに異なる課題を持ち、それに合わせた機械と工具の選定が不可欠です。

高機能樹脂（PEEK・PPSU・PC・PMMAなど）

高機能樹脂は軽量で加工しやすく、生体適合性や耐薬品性に優れることから医療やバイオの試作部品や研究器具に用いられます。PEEKは耐熱性が高く、人工骨や歯科用部材などに応用されます。PPSUやPCは強度と透明性を兼ね備え、滅菌処理にも対応できるため器具や容器に適しています。PMMAは光学特性を活かし、透明性を必要とするデバイスに多く使用されます。

ただし、樹脂は加工後のバリや表面仕上げが品質を左右しやすく、粗さが残ると機能性を損なう可能性があります。そのため、切削速度や工具形状、冷却方法を工夫しながら安定した仕上げを実現できる機械を選定する必要があります。

その他の特殊材料（セラミックス・ガラスなど）

医療やバイオの一部では、セラミックスやガラスといった特殊材料も用いられます。これらは耐摩耗性や透過性など優れた特性を持つため、人工関節の摺動部や分析機器の光学部品に利用されます。しかし、硬度が非常に高い一方で脆さもあるため、一般的な切削機械では加工が難しく、専用の超硬工具やダイヤモンド工具が必要です。さらに振動や熱による割れや欠けが発生しやすく、超精密加工機による制御が欠かせません。特殊材料を扱う場合は、機械そのものの性能に加えて加工環境の安定性が大きく影響し、加工条件の最適化が求められます。

材質に応じた切削加工機の選び方

難削材・高精度部品には複合加工機やマシニングセンタ

チタンやステンレスのような難削材や、インプラントのように高精度が求められる部品には、複合加工機やマシニングセンタが適しています。これらの機械は高い剛性を備え、工具の安定性を確保できるため、硬い素材でも寸法精度を維持できます。さらに多軸制御に対応したマシニングセンタであれば、複雑な曲面形状や深い穴加工も一度のセッティングで行うことが可能です。加工の一貫性を確保するには、熱変位を補正する機能や高性能な制御システムも重要になります。このように、難削材を扱う場合は機械の基礎性能がそのまま製品品質に直結します。

樹脂部品や試作にはNCルータや小型マシニング

少量多品種や短納期の試作が求められる場合には、NCルータや小型のマシニングセンタが有効です。特にPEEKやPMMAといった樹脂は切削性が高く、NCルータを用いることで短時間での加工が可能となります。また、試作段階では頻繁に設計変更が発生するため、柔軟にプログラムを切り替えられるNCルータは有効な選択肢となります。ただし、医療やバイオ用途では表面の粗さやバリの抑制が欠かせないため、切削条件やツール選定に注意が必要です。小型マシニングは精度と仕上げを重視した樹脂加工にも適しており、用途に応じて使い分けることが重要です。

微細加工・研究用途にはマイクロマシニング

バイオ研究に用いられるマイクロ流路デバイスや、医療向けの微小部品にはマイクロマシニングが適しています。スイス型旋盤や微細加工専用の5軸マシニングなどは、微細な穴あけや極小形状の再現に優れており、試作から実用化まで幅広く活用されています。研究用途では試験条件の再現性が求められるため、寸法のわずかな差が大きな影響を与えることも珍しくありません。そのため、振動を抑制し安定した切削を行える機械であることが大切です。さらに、冷却方法や工具摩耗の管理も仕上がりに直結します。微細加工に適した設備を選定することは、研究の信頼性を高める基盤となります。