プラスチック加工の基礎知識(1)～加工手順や選定ポイント、各加工方法のメリット

さまざまな用途に使用されているプラスチック。それらは用途に応じて、いくつもの加工がされています。しかし、それらの手順や特徴、用途を知らずして、加工方法を選定することはできません。まずはプラスチック加工の基礎知識について解説します。

以下の記事では、プラスチックの各加工方法について解説しています。合わせてご参照ください。


▽プラスチック加工の基礎知識シリーズ

まず、プラスチック成形加工の一般的なプロセスを示します。この記事では以下の図の各プロセスにおいて、押さえておくべきポイントを説明します。

まず、どのようなプラスチック製品を作るのか、日用雑貨品か産業用品か、それはどのような形状となるのか、丸棒状、板状、フィルム・シート状、チューブ状、パイプ状、ボトル状かを決定して、そこで要求される機能を確認していきます。

台所用品や文具・おもちゃ類などの日用雑貨の場合、良好な成形性と軽量性や一定の強度と安全性があれば特殊な機能は不要ですが、産業用品の場合は要求される機能が各分野で異なるので、成形する製品に応じて必要な機能を挙げて、それに対応する要求性能を検討するようにします。

一般的な要求性能で挙げられる項目を以下に示します。これらの要求性能に対して、プラスチック材料の物性データを検討しながら、どのデータが対応するのか、もしピッタリと適合するデータがない場合には、その代用特性値（例えば、耐熱性ならば軟化温度、荷重たわみ温度、耐熱温度、等）を参考にします。

製品設計における要求性能については、すべての物性を検討する必要はありません。設計しようとする製品機能として要求される材料物性を重点的に検討すればよいのです。例えば、難燃性が要求されていなければ、その材料の難燃性の検討は必要ありませんし、電気部品でなければ、電気的性質は無視することもできます。

とはいえ、要求性能の検討においては、主要となる性能だけでなく、その他に求められる性能（副性能）、付加価値化のための性能などは、成形品の用途に応じて検討しておいたほうがいいでしょう。これらも併せて考えておくことは、材料の選定時の必要条件となります。 例えば、電気・電子部品であれば、次のような検討を行うことになります。

一方、構造用プラスチック成形品では、どんな成形品であっても、剛性、延性、耐衝撃性、耐熱性という必須の「基本物性」を無視できません。これらの四要素は、成形品設計のための基本物性としてだけではなく、成形品の信頼性設計のためにも必要です。

また、最近では、軽薄短小化や製造原価の低減策などにより、製品機器のプラスチック化も進んでいます。例えば、金属部品のプラスチック化、セラミック部品のプラスチック化、金属部品の機構変更を伴うプラスチック化（例：機械部品の静電気対策として導電性樹脂への変更、部品点数と組立工数削減のため一体成形したプラスチック部品の利用）などがあります。

各産業分野で用いられている金属部品やセラミックス部品をプラスチック化する場合では、生産性や使用するプラスチック材料の信頼性、製品使用寿命や成形品材料に求められる耐用年数、プラスチック材料に代替した場合のコスト低減の程度、プラスチック成形品に関係する諸規制、等についても検討しておかなければなりません。

また、使用する成形方法によっては、金型などの機械設備費において高額な初期投資が求められることもあるので、どの程度の生産量となる成形品なのかをあらかじめ検討しておくことも大切です。

一般的に、材料を選定する場合、プラスチック材料の事典やパンフレット、カタログ等のデータから候補材料をいくつかに絞り込むことになります。材料選定では、要求性能に応じた物性データだけにとらわれがちですが、どのような外観とするのか、成型加工性はどうか、材料の入手は容易か否か、価格はどのくらいか、等を検討しておくことも重要なポイントとなります。
外観と成形加工性からみた材料選定の際に検討しておくとよい項目を以下に示します。

いくつかの候補材料を選んだあと、さらに絞り込んでいきます。この時点では、試験片や実用モデルを作成して、実使用条件に合わせた試験を行います。通常、この段階で選定作業は完了することになりますが、まだ要求性能を十分に満足できない場合には、要求性能の見直し、または候補材料の改良を検討することになります。この作業は、材料メーカーと共同で行う場合もあります。

樹脂は大きく熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂にわけられます。それらに応じた成形法がありますが、元来、それぞれの成形法は使用する樹脂の性質に適するように考案されたものです。したがって、成形する樹脂の種類によって成形方法はほぼ定まるので、どのような形状の成形品を作るかによって、その中から適切な成形法を選択することになります。＜表4＞では、各樹脂に用いられる成形法をまとめました。

成形方法で得られる形状を＜表5＞に示します。熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の成形方法の異なる点は、前者が加熱溶融した樹脂を金型内に投入してそのまま成形し、冷却して固化させるのに対して、後者は溶融状態の樹脂（プレポリマー）を金型内に投入して、更に加熱・加圧によって化学反応（架橋反応）を起こさせて硬化させることです。
いずれの成形加工方法でも、樹脂の流動性（樹脂の流れやすさ）、収縮特性（成形時の樹脂の収縮程度）、熱安定性（熱による色相変化や熱分解による成形品への影響、熱分解ガスによる金型への影響）、離型性（金型からの成形品の取り出しやすさ）、等を確認してから成形条件を定めることになります。通常、どの樹脂をどのように流動させて目的とする形状に固化するかだけを考えがちですが、低コストで量産化を図るならば、金型から素早く取り出せること（離型性）も重要なポイントとなります。

次に、各成形法の長所と短所を示します。選定した成形法の特徴を確認しておくことも大切です。

成形方法が定まったら、金型の設計に入ります。金型設計は豊富な経験と知識が必要です。また金型製造のための機械も必要であり、自社での金型設計や製造が困難な場合は、専門メーカーと共同で行うことになるでしょう。

金型の寿命は設備コストに、金型からの成形品の取り出しやすさは生産性に大きな影響を与えます。また、複雑形状の金型は複雑さに応じて高価になっていきます。

金型設計においては、金型温度と樹脂の流れ方、インサート物の有無、成形品の取り出し方、ガスの抜き方、仕上げ加工の有無、等を確認しておきます。 以下に、一般的な注意事項を示します。


(1) 金型材料の検討
金型に用いる金属としては、合金鋼、焼入れ鋼、ステンレス鋼、ベリリウム鋼や真鍮（特別な型の場合）、亜鉛合金、鋳鉄、等が挙げられます。これら各種金属の中から、型の大きさと製造費用、製造予定数、成形圧力、等を検討します。

(2) 成形用樹脂との関係の検討
使用する成形用樹脂によっては金型が腐食する場合があります。例えば、ステンレス鋼は耐蝕性がありますが、普通鋼を用いる場合はクロムメッキ処理が必要となります。

(3) 金型の検討
型構造はできるだけ簡単にして、なるべく軽量にします。また、成形品の取り出しが容易、かつバリの発生が少ないようにします。さらに、補修など微調整が可能なようにしておくとよいでしょう。

この記事では、プラスチックの加工方法の種類、原理、特徴について解説しました。他の記事では、プラスチック材料の性質や物性測定についても分かりやすくまとめていますので、そちらもあわせてご参考ください。


▽プラスチック加工の基礎知識シリーズ

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参考文献
・『これでわかるプラスチック技術』 （高野菊雄、工業調査会）
・『プラスチックが一番わかる』（大石不二夫、技術評論社）
・『やさしいプラスチック成形材料』 （本間精一、三光出版）
・『プラスチック成形品の信頼性設計』 （冠木公明、工業調査会）