プラスチック加工について

プラスチック加工plastic processing

プラスチック加工とは

プラスチック・樹脂の種類は多岐にわたり、それぞれが持つ物性によって多くの用途に使用されています。
プラスチック部品を作る際には、それがどういった環境下で使用されるか、どんな機能性が要求されるか、ということを考えながら素材選定をする必要があります。
さらに材料の持つ特徴、使用用途、形状によっても加工方法は変わります。
多くの加工方法がありますが、まず成形加工と切削加工に大きく分かれます。


成形加工

成形加工とは金型等の型の中に液状の材料を注入し、冷却して固化させることで製品を製作する方法です。
溶けた材料を型に流し込んでいくので、型を製作することができれば形状等に制限なく製作することができます。
金型等は安価なものでは無い為、初期費用は発生しますが、型が破損するまで成形することができるので、大量生産等に向いている加工方法となります。
逆に、細かな仕様変更が発生する可能性がある試作品等には向いていない加工方法です。


切削加工

もう一つの加工方法は切削加工と呼ばれるものです。湯本電機で主に行っているのは切削加工です。
マシニングや同時五軸、NC旋盤等の工作機械を用いる加工方法です。
切削加工の特徴は材料のブロックやロッドを刃物で削り、形状を仕上げていく加工方法です。
基本的に各材料メーカーから販売されている規格品の材料から削り出していきます。
1個1個加工していく為、大量生産にはあまり向いておらず、1個~100個程度の小ロットや、試作品等に向いている加工方法です。

湯本電機では切削加工以外にも、3Dプリント出力・曲げ加工・接着加工にも対応しております。

・3Dプリント出力

:FDM方式(熱溶解積層方式)での出力です。

強度がある材質も取扱がございますので形状確認等の為ではなく、実際に機械で使用する部品としてもご利用頂けます。
切削では加工が難しい形状でも3Dプリンターであれば製作する場合もございます。

・曲げ加工、接着加工

:材料によっては曲げや接着ができるものがございます。

曲げ加工は材料に熱を加え材料が柔らかくなったタイミングで力を加え曲げる加工方法です。
接着には2種類ございます。接着剤を介して2つのパーツがくっついているものと、材料自体を少し溶かすことで2つのパーツを一体化させる種類に分かれます。こちらは材質によって分かれる為、詳細はお問い合わせください。

プラスチック部品製作の際に抑えておくべきポイント

プラスチックの特性

プラスチックは金属とは異なり、気温や湿度の影響を非常に受けやすい材質です。
材料によっては朝・昼・晩の室温の変化の影響を受けて収縮してしまうものもございます。その為、金属では対応可能な公差が樹脂では対応出来ない、という場合がよくあります。
特に千分台の公差の管理を樹脂で行うことは非常に難しいです。
また、長期保管にもご注意ください。気温の他に湿度の影響も受ける為、乾燥している冬と湿度の高い夏を跨いで長期保管すると、製作時は嵌合していた部品が嵌合できなくなっている、という事例もあります。
長期保管する場合は一定の気温・湿度を保てる空間で保管することを推奨します。


切削加工の特徴

切削加工は材料費+加工費で製品の価格が算出されます。
材料費よりも加工費が単価に影響を与えることがほとんどの為、設計する際は加工費に影響が出る出ないを考慮して設計されることを推奨致します。

《刃物R》

切削加工は工作機械を使用し、刃物で材料を削り製品を仕上げていく加工方法です。
マシニング加工の場合、円形の刃物が回転しながら材料を削ります。
例えば板の中心に正方形の穴を開けます。
円形の刃物は回転しながら進む為、四隅を直角に仕上げることができず、必ずRがつきます。
(直角の四隅に限らず、鋭角に仕上げることができないのが特徴です)Rの大きさは刃物径に依存するので、Rを小さくしてできる限り直角に近付けようとすると細い刃物で加工する必要があります。
しかし細い刃物はどうしても強度が弱くなってしまう為、硬い材質の場合刃物が折れてしまい、時間がかかりコストに影響を与えます。
その為、コストを抑えて製作を検討する際はこのようなRを考慮した上で設計するか、逃がし穴を作り直角を作りだすことをお勧めします。
旋盤加工では、材料が回転し刃物が固定されているのでRが付かないと思われることもございますが、旋盤の場合刃物の先端が鋭角ではなく小さいRがついています(一般的な工具でR0.4程度)その為、旋盤での加工品も同様に角部は直角にはならずRがついている形状になります。

《刃物の径と深さ》

上記で記載しましたように刃物は径が細くなると強度が弱くなってしまいます。
その径が細い刃物で深い穴や、刃物が届きにくい箇所を加工する場合、長さが長い刃物を使用します。
径が細く、長さが長いものは先端(刃物部分)がブレやすい為、切削条件(速度等)を落として慎重に加工します。
その為、加工に時間がかかりコストに影響を与える為ご注意ください。
(鉛筆等をイメージすると分かりやすいかと思います。
長く持つよりも短く持った方が、文字がブレることなく安定します)

切削面の表面粗さと検査方法

●表面粗さとは

加工品の表面の凸凹の状態を表すものです。加工業では「面粗度」という言い方もします。
加工した表面には必ず目には見えない微細な凹凸が残ります。
表面粗さが大きいほど凹凸が大きく、ザラザラとした手触りになります。
反対に、表面粗さが小さいほどツルツルとした手触りになります。
研磨加工を行うと、鏡面のように光を反射するまで綺麗に仕上げることが可能です。
加工する機械、使用する刃物、加工手順によっても異なる仕上がりになるので、面粗度記号は加工方法を決めるものさしになります。

●表面粗さの図面の表記

表面粗さを表すパラメータはいくつもありますが、代表的なものとして下記の3点があります。

  • ・凹凸の深さの平均値を用いて算出した「算術平均粗さ(Ra)」
  • ・凹凸の山と谷の和を用いた「最大粗さ(Ry)」
  • ・測定した長さの中の凹凸のうち、最も高い山5つの高さと、最も低い谷5つの高さ、それぞれの絶対値の平均値の和を用いた「十点平均粗さ(Rz)」

求められる機能に応じて使用するパラメータが変わります。
弊社では算術平均粗さRaを使用することが多いです。

図面には、下図のように▽の上に数値を書いた記号で表されます。
1992年までのJISにおいては、下記右のように▽記号を並べて▽の数で表面粗さの指定をしていました。

表面粗さの指定
(1992年以降)
▽ ▽ ▽
(以前)

現在も古い表記の仕方の図面が見られます。この場合は▽の数が多いほど凸凹の小さい綺麗な面であることを表します。

●どういうときにどの程度の面粗度が必要?

どんなものでも表面が綺麗であれば良いというわけではありません。
荒い面の方が好ましい場合もあります。
面粗度を小さく(表面を綺麗に)すると当然納期もコストもかかるので、用途に応じて適切な面粗度を決定します。
下図は表面粗さの対応表です。

Ra Rz Ry 三角記号 Ra 適用 加工法
0.13a 0.05z 0.05z ▽▽▽▽ 表面粗さの指定 鏡面 ピッチリした摺動面 研磨
0.025a 0.1z 0.1s
0.05a 0.2z 0.2s
0.1a 0.8z 0.8s
0.2a 0.8z 0.8s ▽▽▽ 表面粗さの指定 信頼性を必要とする摺動面等 研磨
0.4a 0.6z 3.2s
0.8a 3.2z 3.2s 表面粗さの指定 嵌合、接触面 ベアリングケース 切削
1.6a 6.3z 6.3s
3.2a 6.3z 6.3s ▽▽ 表面粗さの指定 接触面 切削
6.3a 25z 25s
12.5a 25z 25s 表面粗さの指定 一度削った表面 切削
25a 100z 100s
50a 100z 200s 表面粗さの指定 素材面 除去加工禁止
100a 400z 400s

●測定方法

大きく分けて、アラサ標準片と比較するアナログな方法と、測定機の2種類あります。測定機はさらに接触式と非接触式のものに分けられます。

アラサ試験片

アラサ試験片

 アラサ標準片はJIS規格に示された加工方法と表面粗さのうち、利用頻度の高い粗さを選定して作られた見本片です。
加工品と触り比べて粗さを評価します。
粗さが細かくなると見た目では分かりづらいですが、爪で触り比べると違いがとてもよくわかります。

接触式表面粗さ測定機

 接触式の測定機は、触針と呼ばれる針で加工品の表面をなぞり、触針の上下 の動きを電気信号で受け取り記録します。
測定中の微細な振動を感知して測定結果に反映させてしまうほど敏感です。
精度良く測定するには、触針の先端のRが十分に小さいこと、触針は加工品に軽く乗せる程度で圧力がかかり過ぎないこと、微細な振動のない環境で行うことが挙げられます。
触針の先端よりも小さいキズは測定することができません。

非接触式表面粗さ測定機

非接触式は、触針の代わりに光を用いて測定します。
この光のスポット径より小さい凹凸は測定できませんが、触針よりも径を小さくすることが可能です。
非接触タイプの利点は加工品に傷をつけないことです。
触針の傷は硬い金属に使用するには問題ありませんが、柔らかい材質や表面処理を施した表面の測定だと目立つ傷がついてしまう可能性があります。
表面粗さと同時に形状の測定も可能なタイプも存在します。
一方、光がうまく届かない場所や、光の反射が正常に得られないものは正常な結果が得られません。

プラスチック材料選定の際に抑えておくべきポイント

素材を選定する際に一番のポイントは当たり前ですが、使用上の用途に適しているかということです。
現実には様々な使用用途がある機械部品でしょうから、さまざまな性質を求められているケースが多いと思います。
そういった場合は、絶対条件と希望条件を分けて考える必要があります。これらを一緒に考えてしまうととてもハイスペックな材料を選定してしまうことになります。
弊社へ選定段階よりご相談頂く際は、使用環境と上記条件を教えて頂ければ幸いです。

一般的に求められる性質と加工業者が知る材料特性

一般的に求められる性質としては、以下のような性質があります。

強度

一概に強度といっても例えば耐衝撃性であったり、引張強度であったり、靭性、欠けにくさなど様々です。
どのような強さが必要かをあらかじめ明確にする必要があります。
耐摩耗性:摩耗に強いのと滑りやすいのはイコールではありません。摩耗に強い材質は表面が硬く、すり減りにくいといった特徴があります。
滑りやすい材質は表面の摩擦係数が少ない材質ですので、摺動がよくなります。

耐摩耗性

摩耗に強いのと滑りやすいのはイコールではありません。
摩耗に強い材質は表面が硬く、すり減りにくいといった特徴があります。
滑りやすい材質は表面の摩擦係数が少ない材質ですので、摺動がよくなります。
耐候性:屋外で使用する場合、主に紫外線や風雨による劣化を考慮する必要があります。
劣化には変色や変形、硬くなったりと様々です。耐候性を重視して選定するのか、予め交換を想定するのかもポイントとなってきます。

絶縁性

プラスチック(樹脂)は一般的に絶縁材ですが、細かく分けると絶縁のなかでも電気抵抗値によって絶縁、導電、帯電防止と分けることができます。

耐熱性

特に樹脂では耐熱性をお問い合わせ頂くことが多いです。
この場合一時的な温度か常時求められる温度かによっても少しことなります。
金属の場合は100℃前後では問題となりませんが、樹脂の場合、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチックの多くは常時100℃を超えるような場合は適した材料を検討する必要があります。
なお金属であっても熱伝導率が関係するような場合は適した素材を選択しなければなりません。

耐薬品性

金属ですと大抵の素材は腐食します。アルミやステンレスといった腐食に強い素材や表面処理を施した材料でも薬品には耐性がない場合があります。
しかしながら樹脂の場合は材料によって薬品そのものに強かったり、アルカリに耐性がある、または酸性に耐性があるなどの特徴があります。
特殊な薬品の場合、どのような影響が実際あるか判断しかねる場合もありますが、アルカリ酸性などの情報があればご相談ください。

吸水率

金属では熱による伸縮や吸水による寸法変化はほぼありませんが、樹脂材料の場合は上記による変化が起こります。
たとえばナイロン系の樹脂であれば伸び縮みが発生しやすいといえます。
その他気温の上下による寸法変化はテフロンなどが顕著ですので、使用する気温、湿度の条件は予め想定しておく必要があります。

その他にも食品に触れるような場所であれば、食品衛生法などの基準に適合している材料を選定する必要があります。
金属を使用する場合は腐食も注意するポイントです。


ここからは加工性や、寸法が安定しやすい、材料規格の有無(流通量や入手のしやすさ)など実際加工するオペレーターや加工業者でないとなかなか想定できないコストについてです。

加工性

材料費がたとえ安くても加工性が悪いと全体のコストはUPしてしまいます。
これを一概に判断するのは難しく、これは形状であったり、必要な加工場所、大きさなど様々な条件が影響します。

加工性の判断は単純に削りやすいという基準では少し足りません。
素材の硬さ柔らかさ、切削の際の切子の状態、バリの出やすさ、欠けやすさ、内部応力などによる寸法変化の大小など実際の現場では様々な状態を考慮する必要があります。
また加工箇所が複雑な場合や特殊形状である場合は工具が別途必要になるケースもあります。
必要なスペックの材料で再現可能か、形状から加工可能な材料を検討するなどの必要がある場合はお問い合わせください。

規格

例えば形状、材料を確定しても、いざ加工に必要な大きさの材料がない、あるいは一回り大きい材料から削る必要があるなどの場合があります。
またあまり流通量の少ない材料ですと、少量での入手が困難な場合があります。
弊社では樹脂材料でしたらある程度常時在庫がございます。
材料規格の有無とあわせてご相談ください。

プラスチックの表面処理

表面処理と言うと、金属のイメージを持たれる方が多いと思います。
金属であれば鉄(鋼鉄)には「ユニクロメッキ」「無電解ニッケルメッキ」「硬質クロムメッキ」「黒染め」。
アルミ系には「アルマイト処理」「硬質アルマイト処理」などを施します。
これらの処理は主に耐食性、耐摩耗性、耐熱性、絶縁性などを得るために施されます。
錆は金属表面で酸化還元反応により生じ、SS400やS45Cなどの鉄(鋼鉄)においてよくみられますが、樹脂では空気との反応で錆が生じることはありません。
樹脂は金属と比較すると柔らかく脆いため、硬度や耐摩耗性を付与するための表面処理をする必要条件を満たすことができません。
樹脂で上記の特性が必要になる場合は、材料選定の時点で条件をクリアしているものを選びます。
耐熱性も金属にはるかに劣りますし、絶縁性に至っては樹脂なので初めから持っています。
それではどういった場合に、樹脂に表面処理をするのでしょうか。

樹脂に表面処理の種類

  • ・塗装(耐候性付与)
  • ・透明度付与(バフ仕上げ)
  • ・鏡面仕上げ
  • ・蒸着処理
  • ・装飾用メッキ

樹脂だけでなく金属にも言えることですが、切削加工で加工品を製作すると刃物の痕が残ることがあります。
また、何も処理をしていなければ外観は素材の色のままです。
そんな時に樹脂表面に「塗装」を施します。
しかし塗装と言っても金属であれば簡単に塗装することが可能ですが、樹脂の場合はそうはいきません。
樹脂への塗装は、塗料や塗装前の脱脂処理に用いる有機溶媒が樹脂本体を侵すことがあります。
また、塗装は高温の窯に入れて焼付塗装するため100℃以上(180℃とか)で塗料を固めます。
樹脂だとこの高温状態で変形や変質などもあり得るので塗装の面に関しても金属の方が樹脂より適しています。

樹脂に塗装と言うとABSが主流ですが、これは切削加工・成形加工でも同じ材料で安定して入手することが出来るからであると考えられます。
量産品作成時に塗装を施す予定であれば、試作の切削加工でも同じ樹脂材料を用いなければなりません。
ABSなら簡単に塗装できるわけではないこと、ABS自体は有機溶媒に非常に弱い樹脂であることは忘れてはいけません。
また、ABSは耐候性がよくありません。
ABSだけでなく樹脂は紫外線を浴び続けると変色、劣化することが多々あります。
街で見かける車や、オートバイの部品で黒い部品が白っぽく変色しているのはABSが紫外線により劣化しているためです。
これらの劣化を防ぐためにウレタン塗料による耐候性付与もあります。

樹脂に表面処理をする目的として、樹脂材料への透明度の付与もあります。
アクリルやポリカーボネートは工場出荷時点で素材が透明の種類があり、切削加工をしていくことで透明度が下がってしまい表面がくすんでしまいます。
一度くすんでしまった透明度を取り戻すためにバフ仕上げをします。
ペーパーやすりやバフ以外にもダイヤモンドチップの刃物で表面を加工することで透明度を取り戻すことが出来ます。
同じように透明度を取り戻す方法として蒸着処理もあります。
アクリルやポリカーボネートの蒸着処理は高温で揮発させた溶剤で素材表面を包むことで、表面を溶かして処理します。
また、この蒸着処理は装飾用メッキの方法でも用いられています。
真空で金属を気化させることで空気中よりも低い温度で気化させることが可能となり、樹脂表面に装飾用メッキを施すことが可能となります。
※装飾用メッキは蒸着処理が一般的なわけではありません。
装飾用メッキは、樹脂にメッキ処理することで金属のように高級感を与えるだけでなく、前述した対候性付与や樹脂の吸水性を防ぐことにも役立ちます。

プラスチック成形方法の種類

成形加工とは簡単に言うと、溶かして固める製法のことを言います。

世の中には成形加工で製作された製品がたくさんあり、その必要な形状、日用品なのか工業製品なのかで作り方は様々です。
例えば日用品ですと、一度にたくさんの量を製作できる成形性の良さやある程度の強度や安全性があれば良いものがほとんどですが、工業製品の場合使用する用途に応じて特殊な機能性や精度が求められることがあります。

最もメジャーで様々な形状に対応し、大量生産がしやすい成形方法は射出成形と呼ばれる成形方法ですが、製作したい形状によって下記のような成形方法を選択します。

  • トレーや容器→真空成形や圧空成形
  • シート、フィルム→カレンダー成形
  • 棒形状やパイプ、シート、フィルム→押出成形
  • 中空の形状(ボトル等)→ブロー成形
  • 厚肉の製品、強度や耐熱が求められる製品、少量生産品→圧縮成形(トランスファ成形)

なぜ射出成形がメジャーなのか?

射出成形の仕組みはプラスチックの原料を溶かして金型へ射出して押し込む装置と製品金型、固めた製品を取り出す装置からなります。
射出成形には様々な利点があります。
一番のメリットは生産スピードが早いため大量生産に向いていることです。
物によっては1つ数秒単位で製作が可能ですので、切削加工との大きな違いです。
また射出成形に対応できる材質は熱可塑性樹脂から熱硬化性樹脂まで種類が多いので、色々な用途の製品を製作することが可能です。
また金型を設計さえすれば複雑な形状でも再現でき、大きなものでも製作することが可能です。
しかし、いずれの製品を製作するにも元となる金型が必要になるので、生産をスタートするまでに時間がかかるのと金型費用を償却するための製品ロットが必要になります。
なお弊社では小ロットを得意としていますので、金型を製作するまでもない製品は切削で加工するか、3Dプリンターを用いて製作することができます。

その他の成形方法の紹介

真空成形、圧空成形

温めたシート状の樹脂を真空吸引して金型に吸い付ける、あるいは圧力で密着させて冷却して固める成形方法です。

カレンダー成形

温めて溶かした樹脂をローラーで引き延ばして成形する方法です。
できたシートやフィルムは真空成形で使用されることもあります。

ブロー成形

熱で軟化した樹脂をパイプ形状に押し出し、その内部に空気を送り込んで、金型に密着させることで成形する方法です。
中空成形や吹込み成形などとも呼ばれています。

押出成形

溶かされた樹脂が金型を通過する際に形状が定まります。
金型から出てきた製品は水槽で冷却されて不要な部分をカットして製品となります。
弊社が切削加工で使用する丸棒やパイプ材はこの製法で生産されたものがほとんどです。板材も押出成形で生産されることは珍しくありません。

圧縮成形

熱硬化性樹脂の成形方法としてよく用いられます。
金型に成形材料を流し込み、圧力と熱で固める製法です。
上型と下型があり金型構造も比較的易しい特徴があります。

切削で用いられる材料に加工性の特徴があるように、成形で用いられる樹脂にも特徴があり、切削で注意する点とは異なった注意点があります。
例えば切削であると欠けや応力による反りを考慮する必要がありますが、成形では収縮率やヒケ、抜き勾配などを考慮した設計が必要です。
切削で加工性が良い材料でも同じように成形で加工性が良いわけでもありません。
POM(ポリアセタール樹脂)は切削加工では加工性の良い一番ポピュラーな樹脂ですが、成形加工になると収縮率が高いので加工するのは注意が必要です。
一般的にPOM(ポリアセタール樹脂)のような結晶性樹脂は収縮率が大きく、ABSのような非晶性樹脂は収縮率が小さい特徴があります。
量産見込んだ試作の場合は、形状サンプルの場合は特に材料の制限が無い場合が多いですが、最終製品に近い状態でチェックする場合は同じ材料で試作することがあります。
なお小片のチップであるペレットを溶かした材料を使用する成形材料等、切削で用いる材料が完全一致でなく相当材になることはあります。

弊社では量産前の試作品を切削で製作、3Dプリンターでの製作、また成形品の追加工等幅広く対応が可能ですのでご相談ください。

プラスチック加工ご注文までの流れ

  1. ①見積のご依頼  HP内のフォーム、info@yumoto.jpまでのメール、もしくはFAXでご依頼ください。

    必要な情報

    図面

    CADデータ・3Dデータの送付でもお見積可能です。
    図面がなければどのような形状のものを製作したいかを手書きのイラスト図や写真でも構わないのでお送りください。
    その際、だいたいの大きさ(特に外寸)の情報も記載をお願い致します。

    材質

    指定がなければ、必要な物性や特徴(耐熱温度・耐薬品性・色味・強度・軽い・重いetc)をご指定ください。

    数量

    切削加工は数量によってお見積価格が変動する為、ご指定ください。

    納期

    ご指定がございましたらお教えください。ご希望に沿うことができるよう、可能な限り調整させて頂きます。

  2. ②弊社からの見積回答
    お見積価格及び納期をご回答させて頂きます
  3. ③ご注文
    お電話・メール・FAXにてご注文のご連絡をお願い致します。

ご注文~納品までのフローチャート

  1. ①ご注文後納期等を確認し、弊社からご連絡させて頂きます
  2. ②製作
  3. ③検査
  4. ④納品