電子機器用筐体：アルミニウム製とプラスチック製の比較：徹底的な材料比較

簡潔に言うと、デバイスが発熱する場合、EMI準拠が必要な場合、または産業環境や屋外環境で使用する場合は、アルミニウム製筐体がほぼ常に最適な選択肢となります。コスト重視の消費者向け製品を大量出荷する場合は、プラスチック製が有利になることもあります。計測機器、コントローラー、IoTゲートウェイ、オーディオ機器、ラック機器など、B2Bエレクトロニクスプロジェクトの大半においては、アルミニウムは熱性能、シールド性、強度、金型コスト、設計の柔軟性において優れたバランスを提供します。このガイドでは、筐体選定の決め手となる6つの基準に基づいて、実際の製品、価格、仕様策定に役立つデータを用いて、両方の素材を比較します。

材料の概要

アルミニウム製筐体は単一の製品ではなく、様々な製造工程を経て作られます。押出成形プロファイル（Hシリーズ、Jシリーズを含む当社のアルミニウム製筐体製品ライン）は、6063合金から切削加工され、アルミニウムまたはプラスチック製のエンドプレートで仕上げられます。ダイキャスト製ハウジング（Tシリーズ）は、気密性の高いシーリングを実現します。板金製ボックス（E/Sシリーズ）は、大型で低コストな製品に対応し、CNC加工筐体は、厳しい公差や複雑な切り抜き加工に対応します。アルミニウムは、1つの材料で4つの製造方法を提供します。

プラスチック製筐体は、一般的に射出成形されたABS樹脂またはポリカーボネート（PC）製です。ABS樹脂はコストパフォーマンスに優れ、PC樹脂は耐衝撃性とUL94 V-0難燃性等級に優れています。プラスチックは電気絶縁性、軽量性、大量生産時の低価格性といった利点がありますが、断熱性、電磁干渉（EMI）に対する透過性、そして金型加工による制約といった欠点があります。なお、これら2つの素材は必ずしも排他的なものではありません。当社のK01保護レールケースはアルミニウム製の本体とプラスチック製のエンドカバーを組み合わせたもので、Lシリーズでは同じIP68規格の筐体を、オールアルミニウム製とプラスチック製カバーの2種類で提供しています。

基材の標準値、公表されている標準的な技術データ。実際の筐体性能は、壁の厚さ、合金の熱処理状態、および表面仕上げによって異なります。

比較表

耐久性と耐衝撃性

6063-T5アルミニウム押出材の降伏強度は約145～160MPaで、ABS樹脂の約4倍の引張強度を持ちます。この違いは現場で顕著に現れます。アルミニウム製の筐体は、落下、振動荷重、締め付けトルクを受けても割れることなく耐えられますが、薄肉のプラスチック製筐体は取り付けボス部分で破損したり、パネルマウント部品の下で変形したりする可能性があります。また、アルミニウムは陽極酸化処理を施すことで紫外線や湿気にも強くなるため、屋外、鉄道、船舶、産業機器などにおいて、長年にわたり金属製の製品が採用され続けています。

実際に強度がもたらすメリットを見てみましょう。H08 76W35H 分割型エンクロージャと一体型J10 ジャンクションボックスは、押し出し成形ボディとねじ込み式エンドプレートを採用しており、DINレール、壁、パネルへの取り付けに十分な剛性を持ち、設計変更時にも再加工が可能です。プラスチックも無駄ではありません。ポリカーボネートは非常に丈夫なため、携帯機器や民生機器のエンクロージャによく使われています。しかし、PC は ABS よりも高価で、どちらもアルミニウムのような剛性と耐腐食性を兼ね備えていません。

熱伝導率と熱

これは通常、決定的な基準となります。6063アルミニウムの熱伝導率は約200 W/m·Kですが、ABS樹脂やポリカーボネートは約0.17～0.20 W/m·Kです。これは約1,000倍の差です。アルミニウム製の筐体は、筐体自体をヒートシンクとして機能させ、PCB、レギュレータ、アンプからの熱を表面全体に拡散させ、ファンを使わずに放熱します。

エンジニアリング上の結果として、プラスチック筐体で発熱するパワーアンプ、LEDドライバ、産業用コントローラなどは通気孔と強制空冷が必要ですが、同じ基板をアルミ筐体に収めると多くの場合、自然空冷で済みます。そのため、当社のギザギザサイドパネル付きアルミ製ヒートシンク筐体やWシリーズアンプシャーシはオーディオ機器や高出力機器向けに指定されており、サーバーラックや通信ラックで使用される19インチラック筐体はほぼ例外なく金属製です。筐体材料が負荷時にどのように動作するかについてさらに詳しく知りたい場合は、電子機器筐体材料の熱特性に関するガイドをご覧ください。

EMI / RFIシールド

製品がEMC試験に合格する必要がある場合（EUおよび北米で販売されるほとんどの電子機器は合格する必要があります）、筐体材料は最優先事項となります。導電性接合部を備えたむき出しのアルミニウム筐体は、60～90 dBの遮蔽効果を発揮し、放射エミッションと入射干渉の両方を減衰させます。コーティングされていないプラスチックは、実質的に減衰効果がなく、0～5 dBです。プラスチックが遮蔽効果を発揮するのは、導電性充填剤を混ぜて成形するか、スプレーコーティングを施した場合のみですが、その場合はコストとプロセスリスクが増加します。

エンジニアが見落としがちな重要な点の一つは、陽極酸化処理は電気的に絶縁性があるため、完全に陽極酸化処理されたアルミニウム製筐体が自動的にファラデーケージになるわけではないということです。解決策は簡単で標準的なもので、陽極酸化処理の前に接合面をマスキングするか、接合部に導電性ガスケットを取り付けることです。これはまさに当社が社内で行っている設計作業です。EMCがコンプライアンス要件に含まれている場合は、まず当社のEMIシールド筐体シリーズ（例えば、K05A EMIシールド筐体やK11C EMI/RFIシールドボックスなど）から始め、設計を確定する前にEMIシールド筐体の仕組みについてお読みください。

重量と携帯性

アルミニウムの密度（2.70 g/cm³）は、ABS樹脂の約2.5倍、ポリカーボネートの約2.3倍です。実際には、同じ剛性であればアルミニウムの壁は薄くなるため、その差は縮まります。一般的なアルミニウム製筐体は、同等のプラスチック製筐体よりも約1.5～2.5倍重くなるだけで、2.5倍になるわけではありません。ベンチトップ機器やラックユニットの場合、この差は問題になりませんが、ウェアラブル機器やドローン搭載機器の場合は、決定的な要素となります。グラム単位の重量が仕様となる場合、プラスチック、あるいはKシリーズのようにアルミニウム製本体にプラスチック製のエンドカバーを組み合わせたハイブリッド構造が、現実的な選択肢と言えるでしょう。

コストと工具

金型製作こそが経済性を左右するポイントです。アルミニウム押出成形金型は500ドルから2,000ドルですが、同等のプラスチック製筐体の射出成形金型は、キャビティ数と複雑さによって8,000ドルから60,000ドルかかります。そのため、少量から中量生産の場合、アルミニウムの方が全体的に安価で、場合によっては大幅に安くなります。プラスチックが単価で優位に立つのは、金型費用を数万個単位で償却した場合のみです。下の表は、小型から中型の筐体の計画段階における概算値を示しています。実際の見積もりは、サイズ、切り抜き、仕上げによって異なります。

小型～中型筐体の概算費用範囲（一般的な金型費用＋部品価格、機械加工費および切り抜き費用を除く）。プラスチック製筐体の場合、総コストが最も低くなるのは通常、10万～30万ユニットの範囲です。

量産化前から、ライフサイクルコストの観点からもアルミニウムが有利であるという議論があります。アルミニウムはスクラップとしての価値があり、無限にリサイクル可能ですが、塗装や充填されたプラスチックは通常、ダウンサイクルされます。また、当社は最低注文数量なしで受注生産を行っているため（サンプルは7～15日、量産は15～30日）、金型予算を一切投入する前に、アルミニウムでの設計を検証できます。

カスタマイズと納期

押出成形アルミニウムプロファイルは、新しい金型ではなく、切断、フライス加工、仕上げ加工によってカスタマイズされます。コネクタ、ディスプレイ、ボタン用の切り抜き、カスタム長さ、フランジ、シルクスクリーンまたはレーザー刻印によるロゴ、最大9色の陽極酸化処理など、すべて当社の工場で初日から対応可能です。試作テスト後にパネルレイアウトが変更された場合でも、変更コストは金型の変更ではなく、図面の修正のみです。このような迅速な反復作業こそが、当社のカスタム筐体サービスとカスタムサイズ筐体オプションが、多くのOEM/ODMプロジェクトで採用されている理由です。

プラスチックのカスタマイズ事情は、これとは正反対です。複雑な一体成形形状やスナップフィットによる組み立ては、設計が確定していれば大きな利点となります。しかし、成形後に変更を加えると、鋼材の修正や全く新しいキャビティの作成が必要になります。製品がまだ開発段階にある場合（仕様段階のB2B電子機器のほとんどがこれに該当します）、アルミニウムは選択肢を広げてくれます。（アルミニウムの主要な2つの加工方法を分かりやすく比較するには、「押出成形アルミニウム筐体とダイカストアルミニウム筐体」を参照してください。）

アルミニウムを選ぶべきタイミング

以下の2つ以上の条件が満たされる場合は、アルミニウムを指定してください。

・お使いのマザーボードは数ワット以上の電力を消費するため、ファンや定格出力の低下を避けたい場合。
• EMC/EMI規格（CE、FCC、RED）に適合する必要があり、運ではなく余裕が必要です。
・この装置は、屋外、車両上、DINレール上、または洗浄環境下で使用できます。
・貴社の年間生産量は約30,000万個未満であるため、金型費用だけでも金属を使用する方が妥当です。
• カスタムサイズ、切り抜き、またはブランディングが必要な場合は、試行錯誤を繰り返すことになります。
・この製品は、購入者が高級感のある金属製の質感を期待するプロ仕様の楽器、アンプ、サーバー、またはコントローラーです。

カタログ掲載の実例：サーバーおよび通信機器用19インチラックエンクロージャ、エネルギー貯蔵エンクロージャ、IP68準拠屋外用ボックス（L01Aアルミニウムバージョン）、アンプシャーシ。これらの製品がお客様の用途に合致する場合は、図面をお送りいただければお見積もりいたします。お見積もり依頼フォームからご連絡いただければ、1営業時間以内にご回答いたします。

プラスチックを選ぶべき時

プラスチックが最適な選択肢となるのは、次のような場合です。

・生産量が多く（年間50,000万台以上）、部品表において単位コストが大きな割合を占める。
・本製品は、筐体が非導電性でなければならない二重絶縁の携帯型または民生用機器である。
・重量は厳守すべき仕様であり、設計は確定している。
・成形加工でしか製造できない複雑な一体型形状（バッテリーグリップ、可動ヒンジ、一体型ボスなど）が必要です。
・UL94 V-0規格のプラスチックは安全要件を満たしており、EMIシールドは不要です。

当社は現在もそうしたプロジェクトに対応しています。L01B IP68プラスチックカバーボックスは、アルミニウム製の同モデルと同じ100×75mmのサイズとIP等級でありながら、より低価格で提供されています。これは、2つの素材の価格を比較検討する際の有効な目安となります。また、どちらの素材も適さない場合は、ハイブリッドタイプ（アルミニウム製本体、プラスチック製カバー、またはその逆）で両方の利点を80%ずつ享受できることがよくあります。

よくあるご質問

電子機器の筐体には、アルミニウムとプラスチックのどちらが適しているでしょうか？

熱、EMC、量、環境によって最適な選択肢は異なります。放熱性、EMIシールド性能、耐久性、少量生産時の経済性においてはアルミニウムが優れています。一方、重量と大量生産時の単位コストにおいてはプラスチックが優れています。ほとんどのB2BおよびOEMプロジェクトにおいては、アルミニウムがより安全な選択肢となります。

アルミ製の筐体はEMI（電磁干渉）を遮断しますか？

はい、導電性接合部と適切な接地があれば、通常60～90dBの遮蔽効果が得られます。ただし、陽極酸化処理は絶縁性があるため、接触面はマスキングするか、導電性ガスケットを取り付ける必要があります。コーティングされていないプラスチックは、実質的に遮蔽効果がありません（0～5dB）。詳細については、EMIシールド筐体の仕組みに関するガイドをご覧ください。

アルミ製の筐体はプラスチック製のものよりずっと重いですか？

アルミニウムは密度が約2.5倍高いが、壁が薄いため、実際の筐体は同等のプラスチック製のものと比べて約1.5～2.5倍の重量増にとどまる。ラックマウント型、ベンチ型、産業用機器ではほとんど問題にならないが、ウェアラブル機器や航空機搭載機器では問題となる。

アルミ製筐体はなぜ単価が高いのでしょうか？

加工費と材料費は、成形樹脂よりも1個当たりで高くなります。しかし、押出成形金型は500ドルから2,000ドルであるのに対し、射出成形金型は8,000ドルから60,000ドルかかるため、10,000個から30,000個程度の数量であれば、アルミニウムの方が総コストが安くなるのが一般的です。それ以上の数量になると、プラスチックの方が有利になります。

アルミ製の筐体は屋外で使用できますか？

はい。陽極酸化アルミニウムは紫外線や腐食に強く、Oリングまたはディスペンスシールを使用すればIP65/IP67/IP68の防水性能を満たします。当社の防水NEMAボックスとIP68アルミニウム筐体は、まさにそのような用途向けに設計されています。

アルミニウムとプラスチックを一つの筐体に組み合わせることはできますか？

多くの場合、それが最も賢明な選択肢となります。Kシリーズは、アルミニウム製の本体にプラスチック製のエンドカバーを採用しています。つまり、熱や遮蔽が必要な箇所には金属を、断熱性やコスト削減が必要な箇所にはプラスチックを使用しているのです。お客様のご要望をお聞かせいただければ、最適な組み合わせをご提案いたします。