進む!金属部品のプラスチック化

はじめに

身の回りのさまざまなものにプラスチックが用いられ、プラスチック製品は私たちの生活に無くてはならないものとなっています。その適用領域は広がり続け、強度や耐熱性が必要なため金属材料が主流だった部品に対しても、プラスチック材料への代替に向けた検討が進められています。
ここではプラスチック材料の短所を乗り越え、これまで関門とされていた自動車エンジン本体部品への材料転換の取り組みや、試作の課題とされていた射出成形による成形品の納期短縮の取り組みをご紹介します。

何が違うの?金属とプラスチックの特性比較

金属材料はプラスチック材料に比べて機械的な強度が高く、荷重に対する耐久性の面で優れています。また、耐熱性が高く、熱伝導性も高いため、局部的に加熱されることが無く、燃えにくいとされています。また、プラスチックに比べ温度依存性が低く温度による変化が小さいため、寸法の安定性が高いのも特徴です。

金属材料に関する更なる解説については以下をご参考ください。

一方、プラスチックは金属に比べて軽量で、生産性(大掛かりな加工設備が必要となる場合がありますが)や形状の自由度が高く、量産時のコストが安いという特長があります。着色も比較的容易で、金属のように錆びたり腐食したりすることもありません。また、電気や熱の絶縁性に優れ、原材料の安定供給が図りやすいという特性もあります。

プラスチック材料に関する更なる解説については以下をご参考ください。

<表1>に金属材料とプラスチック材料の代表的性質を比較しました。

<表1>金属・汎用プラスチックにおける代表的性質の相対比較
評価項目 金属 汎用
プラスチック
概要
物性 比重 鉄や銅などが8~9(g/cm3)、アルミニウムが3であるのに対し、汎用樹脂は1~2程度
耐熱性 汎用樹脂は、金属に比べ耐熱性が低い。熱伝導性も金属に比べはるかに低い
電気伝導性 樹脂は基本的に電気絶縁性が高い。そのため、帯電しやすく、ほこりが付きやすい
耐衝撃性 一般的には金属の方が強度が高い。樹脂の場合、ガラス繊維などを加えることで強度を増すことが可能
耐薬品性 一部の貴金属・軽金属を除き、金属は酸化しやすく、錆びやすい。多くの樹脂は有機溶剤に弱いが、耐薬品性は高い
硬度・耐摩耗性 樹脂は一般的に、表面が傷つきやすい。ただし、ポリアミドのように無給油でも摩擦に強く歯車や駆動部分に用いられるものもある。
加工性 形状の自由度 汎用樹脂は融点が低く、比較的成形が容易。量産に向いており、低コスト・短時間での生産が可能
寸法安定性 樹脂は温度変化に弱く、高温になるほど剛性・伸びなどの特性が変化
着色装飾性 樹脂は、染料や顔料を混ぜることで最初から着色が可能。塗装やメッキ処理も比較的容易
原材料価格 金属に比べ、汎用樹脂は安価に入手可能とされる。一方で、エンプラやスーパーエンプラとなると、金属よりも価格は高い。
原材料の安定供給性 金属に比べ、汎用樹脂の方が原材料の安定供給性は高い。

自動車エンジンにもプラスチック化の波が到来!耐熱温度や強度が高いプラスチック材料とは!?

車両の軽量化がどの自動車メーカーにおいても命題であり、自動車部品のプラスチック化は進められています。単純な金属部品のプラスチック化はおおむね完了していると言われていますが、最近では耐熱性の観点からプラスチックへの転換が難しいとされていたエンジン本体の部品にもプラスチックを適用しようとする動きがみられます。

これまでは、ボディーや車軸の部品とは異なり、熱や力のかかるエンジン本体の部品のプラスチック化は進まず、アルミニウム合金などの軽金属を適用するのが主流でした。しかし、軽量化を進める中で、車体の質量の約1割を占めるエンジンもプラスチック化の検討対象とされ、試作が進められています。今の段階では、エンジン部品の内、稼働温度が700度にも達する燃焼室や排気系ではプラスチック化は進んでいませんが、比較的稼働温度が低い吸気系や補機類を中心にプラスチック化が進められています。
アルミニウムの比重は概ね2~3(g/cm3)前後である一方で、プラスチックの比重は概ね1~2(g/cm3)前後とされています。もしアルミニウム材料からプラスチック材料へ転換できれば、質量を半分程度にできる可能性があり、大きな期待が寄せられています。

金属材料からプラスチック材料への転換には2つの方向性があります。1つは、プラスチック化する部分の温度を下げるための設計変更です。汎用プラスチックを利用する場合は、材料コストはより安価になりますが、設計変更を伴うため測定・評価への負荷は高くなります。
もう1つは、耐熱温度の高いエンプラやスーパーエンプラを適用する方法です。部品の単純な置き換えのため設計変更は比較的少なくなる一方で、材料コストは高くなってしまいます。

設計変更が少ない後者のパターンで用いるスーパーエンプラについて説明します。ポリアミドイミド樹脂(PAI)やポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)といったプラスチックは、200度を超える環境下でも強度や耐久性を維持でき、高温・高圧となるエンジン部品に適用可能とされています。

そもそも、スーパーエンプラはなぜ、金属に代替できるのでしょうか。それは、分子構造に秘密があります。耐熱温度が低い汎用プラスチック(例えば、ポリエチレン樹脂(PE)は耐熱温度70~110度<図1>)は主鎖が炭素Cのみでつながっており、熱によって分子が運動しやすいのですが、別の元素を入れたり、六角形のベンゼン環などの構造を入れる(例PAI:耐熱温度約260度、PEEK:耐熱温度約240度)と、主鎖が強固になり分子が動きにくくなり、耐熱性および強度が飛躍的に向上します。

<図1>ポリエチレン樹脂(PE)
<図1>ポリエチレン樹脂(PE)
<図2>ポリアミドイミド樹脂(PAI)
<図2>ポリアミドイミド樹脂(PAI)
<図3>ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)
<図3>ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)

更に、プラスチック化による副次的な効果として、騒音の低下を実現した例もあります。騒音の低下自体も製品の品質を高める要因ですが、騒音の低減により吸音材も減らすことができ、結果として更なる軽量化につながりました。

この他にも耐熱温度や強度等、様々な特徴を持ったエンプラ・スーパーエンプラがあります。今回紹介した例以外でも、原料コストは高くなりますが、エンプラやスーパーエンプラを対象にプラスチック化を検討してみてはいかがでしょうか。
<図4>や<図5>に、耐熱温度や引張強度または圧縮強度に対するプラスチックの種類別マッピングを整理しました。

図中の耐熱温度(℃)は、プラスチック材料、金属材料ともに温度により機械特性が変化(主に低下)する領域を簡易的に示しています。機械強度が大きく変化する温度の例として、汎用樹脂の「ガラス転移温度(ガラス転移点)」、熱硬化樹脂の「熱硬化温度(重合温度)」に注目することが多いと考えます。設計などで個々の材料について詳細な特性値(物性)が必要なときは、必ず製造業者などにご相談下さい。

<図4>プラスチック種類別機械特性分布(耐熱温度(℃)×引張強度(MPa))
<図4>プラスチック種類別機械特性分布(耐熱温度(℃)×引張強度(MPa))
<図5>プラスチック種類別機械特性分布(耐熱温度(℃)×圧縮強度(MPa))
<図5>プラスチック種類別機械特性分布(耐熱温度(℃)×圧縮強度(MPa))

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2週間前後で射出成形品を提供する加工事業者が存在。量産品に近い性能を試作段階で取得可能に!

小ロットのプラスチック試作では、コスト・納期面から切削加工や、最近では3Dプリンターを用いることも多いでしょう。しかし、量産時に生産性を重視し加工方法を射出成形に変更すると、試作時には生じなかった問題が発覚することも少なくありません。特に、「ウェルドライン」や「ソリ」とよばれる成形不良は射出成形の段階でなければ確認できないものも少なくなく、試作段階でも量産時に近しいプロセスで作製された試作品が求められることがあります。

プラスチック製品でよくある不具合事例については、他の記事でもいくつか解説していますので、そちらも合わせてご参考ください。

加工事業者の中には、量産を見据えて試作段階から射出成形を用いることができる企業もあり、そうした企業は独自の技術と豊富な加工経験を元に試作品を短納期で提供されています。その中には、プラスチック材料を用いた射出成形コスト(型試作費用も含む)を切削加工と同等まで抑えられる事例もあり、図面の受領から約2週間前後での納品が可能な加工事業者さんもいらっしゃるようです。試作を考えている方は、一度相談してみてはいかがでしょうか。

QMS株式会社
成形試作・検査治具のベストソリューション。QMS株式会社は、AV機器・OA機器・光学機器・電子機器制御機器・自動車・通信機器などの開発試作サポートを行っています。

他の記事では、金属・プラスチック材料の切削加工を用いて量産を見据えた試作を対応されている加工事業者の方に提供サービスについてお話しをお伺いしました。そちらも合わせてご参考ください。

まとめ

本記事では、金属材料からプラスチック材料へ代替されている事例や、金属、プラスチック材料それぞれの特性について簡単にご紹介しました。

プラスチック材料の開発は進んでおり、ますます多くの分野で金属材料からプラスチック材料への代替は進んでいくでしょう。さらに、安価に短いリードタイムで射出成形を用いた試作品を製作できるサービスも登場するなか、いま一度金属部品のプラスチック化を検討するのが良いタイミングであると考えます。
とはいえ、金属材料からプラスチック材料へ転換させる際には、光劣化や溶剤に対する影響等、金属材料においては重要度が低い評価項目にも注意する必要があります。プラスチックの評価項目や測定はどのように行うのかについては、下記の記事もご参考ください。

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マクセル株式会社
1961年創業。国内初のアルカリ乾電池やカセットテープで馴染みがあるが、現在は「自動車」「住生活・インフラ」「健康・理美容」の成長3分野を軸に事業を展開。各分野においてパートナーと連携し、事業、製品、サービスの構築をめざしています。
株式会社NCネットワーク
国内最大級のモノづくり受発注サイト「エミダス」に登録された18,000社以上の工場データベースから、技術スタッフが依頼内容に最適な工場を選定。NCネットワークには、加工方法が分からない試作・開発品から、特殊車両のように少ない生産台数ながら厳密な品質保証が求められる量産品まで幅広い経験があります。
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