すぐに役立つ! メカパーツ設計の秘訣(5) 製品設計や成形材料の検討における肉厚の最適化

ICTを駆使した独自のデジタルマニュファクチャリングシステムにより、カスタムパーツの試作から小ロット生産をオンデマンドかつ画期的な速さで受託製造するプロトラブズ。
国内でも3,000社様近くにご利用頂いている同社から、切削加工および射出成形品を効果的かつコスト効率良く設計し、材料を選択するためのアドバイスや提案をお伝えします。

射出成形で作られたパーツで構成される、歯ブラシホルダーやプラスチック製のガソリンタンク、台所のキャビネットにある食器トレーなど、日常的に使うものを見てみると、どの製品の肉厚もほぼ一定になっていることがわかります。一定の肉厚で設計することは、射出成形で樹脂パーツを作るときの基本的なルールの一つで、これを無視することは、ヒケや反り、あるいは設計どおりの形状を保てず、機能を果たせないパーツになる可能性があるのです。しかし、家電、医療、航空宇宙、産業機械などの製品設計における機能要件を考えるとき、設計者は、樹脂の流動特性や充填特性をしばしば考慮の外に置き、個別にパーツの肉厚を決めてしまいがちです。

では均一な肉厚を実現するためには何をしたら良いのでしょうか?　まずは基本的なところからご紹介しましょう。

リブの肉厚は、ベース部分の肉厚の40%から60%程度の肉厚を目指しましょう。かつ、その肉厚自体は、使用する材料の推奨肉厚の範囲に収まっていることが望ましいです。
途中に支えのない長い梁のような形、あるいは非常に高さのあるボス形状は、補強のためにリブをつけて強度を増すことが重要です。

製品のエッジも、それがパーツの外側である場合には、基本的には問題ありません。しかし、設計上許されるのであれば、製品内側のエッジにはフィレット(R)をつけたほうが、パーツの強度を高め、応力集中を緩和することで反りなどの成形不具合を避けることにもつながります。
ボスを設計する場合には、その周囲の肉厚の40%から60%程度の肉厚にするという基本的なルールに従わないと、不均一な肉厚部がヒケの原因になることがあります。

そして、もう一つ抜き勾配についても忘れてはなりません。プロトラブズのルールとしては、深さ25mmごとに、約1度の抜き勾配をつけることが推奨されます。抜き勾配があることにより、成形パーツがスムーズに離型しやすくなり、変形などの応力軽減につながることもあります。

材料の選択

肉厚を決めるうえで考慮すべき要因の一つとして、そのパーツに使用する材料選択があります。文字通り、何百と存在する多様な材料の中で、最も適切な材料を選ぶことは簡単ではないでしょう。また、プロトラブズの材料一覧ページでは、在庫している材料の特長、引張強度、衝撃強度、耐熱温度のほか、樹脂メーカーの物性表へのリンクを掲載しています。下表では樹脂ごとの推奨肉厚をご紹介しています。

樹脂	推奨肉厚(ミリ)
樹脂の種類と推奨肉厚
ABS	1.1 － 3.5
POM(アセタール・ポリアセタール)	0.7 － 3.0
アクリル	0.6 － 3.8
LCP(液晶ポリマー)	0.7 － 3.0
LFP(長繊維強化熱可塑性樹脂)	1.9 － 25.4
ナイロン	0.7 － 2.9
PC(ポリカーボネート)	1.0 － 3.1
ポリエステル	0.6 － 3.1
PE(ポリエチレン)	0.7 － 5.0
PPS(ポリフェニレンサルファイド)	0.5 － 4.5
PP(ポリプロピレン)	0.6 － 3.8
PS(ポリスチレン)	0.8 － 3.8
ポリウレタン	2.0 － 19.0

樹脂を選択するにあたっては、最終製品に求められる主なスペックを確認することから始めましょう。

耐薬品性や耐候性が求められますか?
直火、あるいは非常な高温下で使用されることが想定されていますか?
求められる強度はどれくらいですか?　また荷重がかかる際に曲がる柔軟性が必要ですか?
パーツにとって色が重要である場合、その樹脂は塗装可能ですか?　あるいは射出成形の際に樹脂に着色材を混ぜることができますか?
透明度はどれほど重要ですか?　樹脂の中には光学的な透明度に優れた樹脂があります。
電磁波をシールドする必要がありますか?

これらの要件にあてはまる樹脂を検討しつつ、肉厚に話を戻しましょう。当然ながら、その樹脂を使って設計通りの形状と寸法で成形ができ、かつそれ以外の設計要件を満たしてはじめて、その材料が候補となり得ます。材料の候補がほぼ絞られてきたら、プロトラブズのカスタマーサービスにご連絡ください。

例えば、ナイロン6/6は流動性に優れているため、肉厚が薄いパーツでも成形しやすく、衝撃性にも優れています。しかし、平均強度と耐熱性は低いため、機能を満たさない場合は、ガラス繊維入りの材料を選択することで、強度と耐熱性双方を向上させることができます。さらに、厚肉部分のヒケの軽減も期待できます。しかし、その一方で、成形中の樹脂の流れに沿ってガラス繊維も流動配向し、直行方向との収縮差が原因で反りが発生する可能性もでてきます。

場合によっては、完全に異なる材料の使用も想定のうえ、検討する必要もあるかも知れません。

ポリカーボネートやアクリルは光学パーツによく使用される材料ですが、肉厚のあるパーツの場合には、特に注意が必要です。製品全体の肉厚のバランスや、ゲート位置、大きさなどを十分考慮する必要があります。
光学グレードの液状シリコーンゴム(LSR)は、非常に優れた光透過率があり、かなり微細な形状がある部品でも、一般的な樹脂の肉厚のルールを無視した設計をすることもできます。
液晶ポリマー(LCP)のガラス繊維強化材は、強度には優れていてかつ、薄い肉厚にも対応できます。

最高のパーツを得るために選択できる材料は様々あり、添加剤などによっても得られる物性や機能は多様です。

パーツ形状の修正

必要な条件を満たす材料が見つからない場合でも選択肢はあります。パーツの形状を上手く修正することで、内部応力を緩和し、最適ではない肉厚に起因する潜在的なパーツの欠点を軽減することができます。ダンベルやミシンのボビンのような形状は、まず肉抜きを考えたい形状です。肉抜きによって大きな断面積をなくしつつも、中心部にはしっかりとした強度を持った構造を残すことができます。ヒケを低減する優れた方法であるばかりでなく、使用する材料の量を減らすことでパーツを軽くし、同時に強度維持(場合によっては向上)も期待できます。薄くて高い壁がある箱の蓋のような形のパーツの場合には、ガセットで壁を補強することができます。この場合のガセットの肉厚は、これまでに述べてきたように、補強すべき壁の肉厚の40%から60%程度が最適です。

製造性を意識した設計

弊社から見積りが届いたら、その中にある製造性の解析のセクションをご確認ください。ここには、お客様のパーツの製造性向上のためのフィードバックが示されています。推奨肉厚の範囲から外れ、過度に厚肉あるいは薄肉の部分は、推奨される抜き勾配の変更とともに、異なる色でハイライト表示されます。パーティングラインや、エジェクターピン、ゲート位置、アンダーカット、スライドや置き駒なども、同様に色分けされて表示されます。必要であれば、樹脂流動解析が行われ、ゲート付近の圧力が解析され、ウェルドラインの発生予測を助けます。