プラスチック製品の開発や部品の製作では、材料選びが試作品の品質や性能を大きく左右します。形状や寸法が図面どおりに仕上がっていても、使用環境に適さない樹脂を選んでしまうと、変形や割れ、摩耗、寸法変化などが発生し、試作をやり直すことになりかねません。
特に、プラスチック試作を外部の加工会社へ依頼する場合、樹脂の種類だけを指定しても、期待する性能を十分に伝えられるとは限りません。同じ樹脂の分類でも、グレードや添加剤、成形方法によって特性が異なるため、用途と要求条件を整理してから材料を選定することが重要です。
一方で、プラスチックには多くの種類があり、強度、耐熱性、透明性、耐薬品性、加工性など、それぞれに特徴があります。すべての条件を満たす材料が常に存在するわけではなく、製品にとって優先すべき性能を見極める必要があります。
また、試作の目的によって適切な材料は変わります。外観や形状を確認するための試作品と、実際の使用条件で強度や耐久性を評価する試作品では、必要な材料特性が異なります。量産を予定している場合には、試作段階と量産段階の材料や加工方法の違いも考慮しなければなりません。
この記事では、プラスチック試作を依頼する実務担当者に向けて、材料選びで確認したい6つの事項を詳しく解説します。代表的な樹脂の特徴や加工方法との関係、量産への移行を見据えた考え方、依頼先との情報共有方法まで取り上げます。
プラスチック試作で材料選びが重要な理由
プラスチック試作における材料選定は、単に加工しやすい樹脂を選ぶ作業ではありません。製品が実際に使用される環境を想定し、必要な機能を発揮できる材料を見つけるための重要な工程です。
例えば、設備に取り付ける樹脂製カバーを試作する場合、外観や寸法だけでなく、固定部分の強度、温度変化による変形、清掃時に使用する薬品への耐性などを考慮する必要があります。
室内で使用する部品と屋外に設置する部品では、材料に求められる条件も異なります。屋外用途では紫外線や雨水、温度変化の影響を受けるため、短期間の室内評価だけでは十分な判断ができない場合があります。
また、手に触れる操作部品では、握りやすさや表面の質感、繰り返し操作に対する耐久性が重要になることがあります。一方、摺動する機構部品では、摩擦や摩耗への耐性を優先しなければならないこともあります。
こうした要求を整理せずに材料を決めると、試作品の完成後に問題が見つかり、設計変更や材料変更が必要になる可能性があります。
さらに注意したいのが、試作段階と量産段階で使用する材料や製造方法の違いです。
試作品は切削加工や積層造形などで製作し、量産品は射出成形で製造するケースがあります。この場合、樹脂の分類が同じでも、素材の供給形態や製造条件によって、内部構造、強度、寸法安定性、外観などに差が生じることがあります。
そのため、試作品が期待どおりに機能したとしても、量産品で同じ結果が得られるとは限りません。逆に、試作方法に固有の制約によって発生した問題を、材料そのものの欠点と誤認することも避ける必要があります。
例えば、積層造形で製作した部品が特定の方向に割れたとしても、その結果だけで量産予定の樹脂が用途に適さないと判断することはできません。造形方向や積層状態が破損に影響している可能性があるためです。
材料選びでは、材料そのものの特性と、加工方法によって生じる特性の違いを分けて考える必要があります。
また、製品開発では、試作品を一度製作して完成するとは限りません。形状確認、組み付け確認、機能評価、耐久試験など、目的の異なる試作を段階的に行うことがあります。
初期段階では加工しやすい材料を用いて形状を検証し、設計が固まってから量産予定材に近い材料で機能評価を行う進め方も考えられます。
重要なのは、それぞれの試作で何を確認するのかを明確にし、その目的に合った材料を選ぶことです。
プラスチック試作を成功させるには、材料の性能だけでなく、加工方法、評価目的、製品形状、量産時の条件を一体として検討することが大切です。
確認事項1｜試作目的と使用環境を明確にする
材料選びの最初の確認事項は、試作品の目的と使用環境を明確にすることです。使用目的が曖昧なままでは、どの性能を優先すべきか判断しにくくなります。
まず、試作品がどのような役割を担うのかを整理します。
外装カバー、機構部品、固定用部品、透明窓、配管関連部品、電気部品を収納するケースなど、用途によって必要な性能は異なります。
外観確認が主な目的であれば、表面仕上げや色の再現性、形状の確認しやすさを優先することがあります。一方、機械的な機能を評価する場合は、強度や摩耗特性、寸法安定性などが重要になります。
例えば、製品の外装デザインを確認するための試作品では、必ずしも量産予定材と同じ樹脂を使用する必要はありません。外観や形状を確認できる材料を選び、設計の妥当性を検討する方法があります。
しかし、固定部分の破損や繰り返し使用時の変形を評価する場合は、材料の機械的特性が試験結果に大きく関係します。このような試作では、量産予定材との違いを考慮する必要があります。
次に、どのような場所で使用するかを確認します。
屋内で使用するのか、屋外に設置するのかによって、紫外線、温度、湿度などの影響が変わります。屋外では日射によって部品表面が高温になる場合があり、周囲の気温だけで材料を判断すると十分な検討ができないことがあります。
また、設備内部で使用する部品では、周辺機器から発生する熱や振動、油分などの影響を受けることがあります。水回りで使用する部品では、吸水や薬品との接触も検討対象です。
使用期間も重要な条件です。
短期間の動作確認に使う試作品と、長期間の耐久試験に使用する試作品では、材料に求める性能が異なります。
数回の組み付け確認では問題がなくても、繰り返し着脱する製品では固定部分の摩耗や破損が発生する可能性があります。長期間にわたって荷重を受ける部品では、時間の経過に伴う変形も考慮する必要があります。
さらに、使用者が直接触れる製品の場合は、手触り、表面の滑りやすさ、角部の形状、清掃方法なども考慮することが望まれます。
食品に接触する用途や医療関連用途などでは、一般的な材料性能に加えて、用途に応じた法規制や安全性、適合性の確認も必要です。材料の一般的な名称だけで適合性を判断するのではなく、使用するグレードや製品の使用条件を含めて確認することが重要です。
依頼先へ相談する際には、「屋外で使用するカバー」のような大まかな説明だけでなく、設置場所、想定温度、使用期間、接触する物質、必要な機能を可能な範囲で具体化しましょう。
ただし、開発初期にはすべての条件が決まっているとは限りません。
その場合は、確定している条件と検討中の条件を区別して共有すると、材料候補を絞り込みやすくなります。
例えば、使用場所と最大荷重は決まっているものの、使用期間や表面仕上げは検討中であるといった情報でも、材料選定の出発点になります。
材料選定では、樹脂の名称から考え始めるのではなく、製品の使用条件から必要な性能を導き出すことが基本です。
確認事項2｜強度・剛性・衝撃特性を確認する
プラスチック試作では、機械的な性能をどの程度必要とするかを確認することが重要です。
ただし、「強い材料」という表現だけでは、要求内容を十分に伝えられません。強度、剛性、靭性、耐衝撃性、疲労特性などは、それぞれ異なる性質を表します。
強度は、材料に力が加わったときに破壊や降伏などに至るまでの抵抗を評価するための指標です。剛性は、力を受けたときの変形しにくさに関係します。
靭性は、破壊に至るまでに材料が吸収できるエネルギーに関係する性質です。また、耐衝撃性は、衝撃を受けた際の破損しにくさを評価するうえで重要になります。
例えば、荷重を受けてもたわみを小さく抑えたい部品と、落下時に割れにくい部品では、重視する特性が異なります。
固定用ブラケットのように荷重を支える部品では、荷重が加わる方向や大きさ、固定方法を把握する必要があります。
薄いカバーのような部品では、剛性不足によるたわみが問題になる一方で、組み付け時にある程度の柔軟性が必要な場合もあります。
材料の剛性が高ければ、すべての用途に適しているわけではありません。変形を許容することで衝撃を吸収する構造や、弾性変形を利用して固定する構造では、適切な柔軟性が求められます。
衝撃を受ける可能性がある製品では、落下や衝突の条件を確認します。
衝撃による破損のしやすさは、材料の種類だけでなく、肉厚、角部の形状、切り欠き、使用温度などにも影響されます。
特に、鋭い角部や急激な肉厚変化がある部分では、応力が集中しやすくなる場合があります。材料を変更する前に、形状の見直しによって改善できないかを検討することも大切です。
繰り返し動作する部品では、疲労や摩耗への配慮も必要です。
例えば、樹脂製の爪を繰り返し曲げて着脱する構造では、一度の操作で破損しなくても、繰り返し使用することで亀裂が生じる場合があります。
回転軸や摺動部分では、相手材との組み合わせによって摩擦や摩耗の状態が変わります。樹脂単体の物性だけでなく、接触する部品の材質、表面状態、荷重、移動速度なども考慮する必要があります。
さらに、プラスチックは一定の荷重を長時間受け続けると、時間の経過とともに変形が進む場合があります。
この現象はクリープと呼ばれ、荷重や温度、材料によって発生の程度が異なります。
ボルトで締結する部品や長期間荷重がかかる部品では、短時間の強度試験だけでは十分に評価できないことがあります。締結力の変化や寸法の変化が機能に影響する場合は、使用時間を考慮した確認が必要です。
材料を比較する際には、引張強さや曲げ弾性率、衝撃特性などの物性値を参考にできます。
ただし、材料データに記載された数値は、一般に所定の試験条件で得られたものであり、実際の製品形状で同じ性能を保証するものではありません。
また、積層造形で製作した試作品では、造形方向や積層状態によって機械的特性に方向差が生じることがあります。
切削加工で製作する場合も、素材の製造履歴や加工時の状態によって、最終的な部品の特性が影響を受ける可能性があります。
依頼時には、想定荷重、変形の許容範囲、衝撃の有無、繰り返し動作の回数、想定使用期間などを整理しましょう。
数値化できる条件は数値で示し、未確定の条件は試作によって評価する項目として明確にすると、材料提案を受けやすくなります。
確認事項3｜耐熱性・耐薬品性・吸水性・耐候性を確認する
プラスチック材料は、使用環境の影響を受けて性質が変化することがあります。
試作段階では問題がなくても、温度変化や薬品との接触、湿度、紫外線などによって、実使用時に不具合が生じる可能性があります。
まず確認したいのが、使用温度です。
プラスチックの耐熱性を判断する指標には、荷重たわみ温度やガラス転移温度などがあります。
ただし、これらは測定条件や材料の特性を理解するための指標であり、その温度までどのような用途でも問題なく使用できることを意味するものではありません。
実際の使用では、温度だけでなく、荷重、使用時間、部品形状などを考慮する必要があります。
例えば、発熱する機器の近くに設置する樹脂部品では、高温状態で剛性が低下したり、変形が進んだりすることがあります。
逆に、低温環境では材料によって衝撃への耐性が変化する場合があります。
そのため、通常使用時の温度だけでなく、想定される最高温度と最低温度、温度が変化する頻度を確認することが重要です。
次に、耐薬品性を確認します。
プラスチックは金属とは異なる化学的特性を持ちますが、すべての薬品に対して安定しているわけではありません。
油、洗剤、アルコール類、溶剤、酸、アルカリなどへの耐性は、樹脂の種類やグレード、薬品の濃度、接触時間、温度によって変わります。
また、樹脂に応力が加わった状態で特定の薬品に接触すると、亀裂が発生しやすくなる場合があります。これは環境応力割れとして知られる現象の一つです。
外観に問題がなくても、長期間の接触によって強度や寸法に変化が生じることがあるため、用途に応じた評価が必要です。
例えば、設備の清掃に使用する薬品が樹脂製カバーへ繰り返し付着する場合、短時間の接触では問題がなくても、長期間の使用で外観や機械的特性が変化する可能性があります。
薬品との接触を想定する場合は、薬品の種類だけでなく、濃度、温度、接触時間、洗浄頻度なども確認しましょう。
水分の影響も見逃せません。
樹脂によっては吸水によって寸法や機械的特性が変化します。特に精密な組み合わせが必要な部品では、保管環境や使用時の湿度を考慮する必要があります。
水と直接接触しない製品でも、高湿度の環境や洗浄工程を経る場合には、吸水や乾燥による変化が問題になることがあります。
また、材料の水分状態によって寸法測定の結果が異なる場合もあります。精密部品を評価する際には、試験前の保管条件や測定時の環境をそろえることが重要です。
屋外用途では、紫外線の影響についても確認します。
紫外線や熱、酸素などの影響によって、樹脂の色や外観、機械的特性が変化する場合があります。
耐候性を重視する場合は、材料そのものの特徴に加えて、耐候性を考慮したグレードや添加剤の有無などを確認する必要があります。
透明部品では、長期間の使用による黄変や曇りなどが問題になることもあります。外観を重要視する製品では、初期状態の透明性だけでなく、使用環境での変化も評価対象に含めることが望まれます。
さらに、温度や薬品、水分、紫外線の影響は単独で発生するとは限りません。
屋外設備では、日射による温度上昇と降雨、湿度変化などが重なることがあります。設備内部では、熱と荷重、油分などの影響が同時に加わることも考えられます。
そのため、材料データに記載された個別の特性だけでは、実際の使用環境への適合性を十分に判断できない場合があります。
実際の使用環境に近い条件で試作品を評価し、必要に応じて加速試験や耐久試験を検討することが重要です。
ただし、加速試験の結果をそのまま実使用期間に換算できるとは限りません。試験条件によって実際の劣化とは異なる現象が生じる場合もあるため、評価目的と試験条件を明確にしておく必要があります。
確認事項4｜寸法精度・外観と加工方法の相性を確認する
プラスチック試作の材料選定では、必要な寸法精度や外観品質と、採用する加工方法の相性を確認することが欠かせません。
同じ設計形状であっても、切削加工、積層造形、注型、射出成形などでは、加工できる形状や得られる特性、仕上がりに違いがあります。
切削加工は、樹脂の板材や丸棒などから材料を削り出して形状を作る方法です。
寸法管理を行いやすい加工方法の一つですが、すべての形状で同じ精度を実現できるわけではありません。
特に、薄肉形状や長い部品、複雑な内部形状では、加工中の変形や工具の到達範囲などが制約になることがあります。
また、樹脂は切削時の熱や内部応力の影響を受ける場合があります。加工後に変形が発生する可能性もあるため、材料や形状によっては加工手順や保管条件への配慮が必要です。
積層造形は、材料を積み重ねて立体形状を作る方法です。
複雑な形状を比較的柔軟に製作でき、内部空間や一体構造を持つ試作品の製作に適する場合があります。
ただし、使用する材料や造形方式によって、表面状態、寸法精度、強度、耐熱性などが異なります。
また、造形方向や支持構造の配置が仕上がりに影響することがあります。積層造形で製作した試作品を、量産時の射出成形品と同じ性能を持つものとして扱うことには注意が必要です。
注型では、型を用いて樹脂を流し込み、形状を複製する方法が利用されます。
複数の試作品が必要な場合や、成形品に近い外観を確認したい場合に検討されますが、注型用樹脂と量産用樹脂の物性が一致するとは限りません。
外観や形状の確認には適していても、量産材料と同等の耐熱性や強度を評価できるとは限らないため、評価目的を区別する必要があります。
射出成形では、溶融した樹脂を金型へ射出して成形します。
量産に近い条件で評価しやすい一方、金型構造や樹脂の流動、冷却による収縮などを考慮した設計が必要になります。
肉厚の不均一や形状によっては、反りやヒケなどの不具合が発生する場合があります。また、材料の種類によって成形収縮や流動特性が異なるため、形状と材料を組み合わせて検討することが重要です。
寸法精度を確認する際には、部品全体に一律の厳しい公差を設定するのではなく、機能に影響する部分を明確にすることが大切です。
例えば、軸と穴のはめ合い部分、固定用の取り付け穴、他部品と接する面などは、寸法や幾何公差が性能に直結する場合があります。
一方、機能に大きく影響しない外形部分では、必要以上に厳しい条件を設定しなくてもよいことがあります。
樹脂は温度や吸水状態によって寸法が変化する場合があるため、測定時の温度や保管条件についても必要に応じて確認しましょう。
特に高精度のはめ合いが必要な部品では、加工直後の寸法だけでなく、一定期間経過後や使用環境での寸法変化も検討対象になります。
外観品質についても、要求を具体化する必要があります。
透明性、光沢、表面の滑らかさ、色調、傷の許容範囲などを整理し、必要に応じて外観基準を共有します。
外観見本がある場合は、試作品の判断基準として役立つことがあります。ただし、材料や加工方法が異なると、見本と同じ外観を再現できない場合もあります。
さらに、材料によって接着、塗装、印刷などの二次加工への適性が異なります。
完成品で必要な表面処理や組み立て方法が決まっている場合は、材料選定の初期段階から考慮しましょう。
例えば、接着によって組み立てる製品では、樹脂の表面特性や接着剤との相性が重要です。材料によっては、接着前の表面処理などを検討する必要があります。
材料と加工方法は別々に決めるものではなく、要求性能や形状に合わせて組み合わせを検討することが重要です。
確認事項5｜量産材料と試作材料の違いを確認する
プラスチック試作を依頼する際には、試作段階で使用する材料と、量産時に採用する材料の関係を確認する必要があります。
製品開発では、最初の試作で形状や組み立てを確認し、その後に機能試験や耐久試験を行い、量産へ進む流れが考えられます。
この過程で、すべての試作品を最終製品と同じ材料や加工方法で製作する必要があるとは限りません。
例えば、初期段階では外観や寸法を確認するために加工しやすい材料を使用し、設計が固まってから量産予定材に近い材料で機能評価を行う方法があります。
この進め方は開発の効率化につながる場合がありますが、どの試作品で何を確認できたのかを明確にしておくことが重要です。
形状確認用の試作品で組み付けが問題なくても、量産予定材に変更したときに、弾性や収縮特性の違いから組み付け感が変化する可能性があります。
特に注意したいのが、樹脂のグレードの違いです。
同じ樹脂分類に属する材料でも、分子量、添加剤、強化材、難燃化の有無などによって、機械的特性や成形性が異なります。
ガラス繊維などで強化された樹脂では、剛性や強度などが変化する一方、繊維の配向によって物性や成形収縮に方向差が生じる場合があります。
そのため、強化材を含まない材料で製作した試作品の結果を、そのまま繊維強化材を使用する量産品に当てはめることは適切ではありません。
また、切削加工に使用する樹脂素材と射出成形に使用する樹脂材料では、供給形態や加工履歴が異なります。
化学的な分類が近くても、実際の物性や寸法安定性に差が生じることがあります。
例えば、切削加工では板材や丸棒などの素材から部品を削り出しますが、射出成形では溶融樹脂が金型内部を流動し、冷却されて固化します。
この製造方法の違いにより、材料内部の状態や成形品の寸法、機械的特性に差が生じる可能性があります。
量産時には、樹脂の流動方向、冷却条件、ゲート位置、肉厚の違いなどが成形品の品質に影響します。
射出成形では、肉厚の不均一によって反りやヒケが発生する可能性があります。樹脂の流れが合流する部分には、外観や強度に影響する接合線が生じる場合もあります。
切削加工で問題なく製作できた形状でも、射出成形に適した形状とは限りません。
試作段階から量産方法を想定し、必要に応じて肉厚やリブ、抜き勾配などを検討することが大切です。
また、量産材料には、製品の使用環境に合わせた特殊なグレードが採用される場合があります。
例えば、耐候性や難燃性、摺動性などを考慮した材料では、標準的なグレードとは性能が異なることがあります。
試作段階で希望するグレードを使用できない場合は、代替材料で確認できる項目と、量産予定材で再評価すべき項目を区別する必要があります。
量産を前提とする場合は、試作依頼先に最終的な製造方法と採用予定材料を共有しましょう。
量産予定材が確定していない場合でも、必要な性能や製造数量の見通し、想定する成形方法を伝えることで、将来の工程を考慮した提案を受けやすくなります。
重要なのは、試作段階で得られた評価結果を、どこまで量産品に適用できるかを明確にすることです。
試作材料と量産材料が異なる場合は、その差によって評価が必要になる項目を整理し、量産移行前に確認する計画を立てることが望まれます。
確認事項6｜試験方法・合否基準・依頼条件を確認する
6つ目の確認事項は、材料の適合性をどのように評価するか、そして依頼先へどのような条件を伝えるかを決めることです。
材料選定では、候補となる樹脂の特性を比較するだけでなく、完成した試作品が要求を満たしているか判断するための評価基準が必要です。
例えば、樹脂製カバーを試作する場合、外観や寸法、組み付け状態、固定部分の強度、使用温度での変形などを評価項目として設定できます。
機構部品であれば、動作抵抗、摩耗、繰り返し使用時の変化などが評価対象になる場合があります。
ただし、すべての試作品で同じ試験を行う必要はありません。試作の目的に合わせて必要な評価を選ぶことが大切です。
初期の形状確認では、組み付けや干渉の確認を中心とし、機能試作では動作や強度、耐久性などを重点的に確認する方法が考えられます。
評価基準は、可能な範囲で具体的に設定しましょう。
「割れないこと」という表現だけでは、どの条件で評価するのかが不明確です。
想定荷重や繰り返し回数、試験温度、確認する部位などを指定することで、評価結果を比較しやすくなります。
また、評価結果を合格と判断する条件も整理します。
寸法が許容範囲内であること、所定の荷重で破損しないこと、組み付け後に必要な動作ができることなど、試作目的に沿った基準を設定します。
ここで注意したいのが、材料単体の試験と製品形状での試験の違いです。
材料データに記載された物性値は、一般に規定された試験片や条件に基づくものです。しかし、実際の製品では、形状、肉厚、固定方法、加工状態などによって性能が変わります。
そのため、材料データだけで最終的な製品性能を判断するのではなく、必要に応じて実際の部品形状で評価することが重要です。
依頼先との情報共有では、材料名だけでなく、要求性能の優先順位を伝えることが重要です。
例えば、寸法精度を最優先にするのか、耐衝撃性を重視するのか、透明性や外観が重要なのかによって、適した材料や加工方法が変わる場合があります。
複数の条件をすべて満たすことが難しい場合に備え、必須条件と調整可能な条件を区別しておくと、代替材料の提案を受けた際に判断しやすくなります。
さらに、材料の調達性についても確認が必要です。
希望する樹脂が加工用素材として入手できるか、必要な形状や寸法の素材があるか、指定グレードを使用できるかによって、試作方法や製作スケジュールが変わる可能性があります。
特殊なグレードや添加剤を含む材料では、入手可能な素材形態が限られることもあります。
例えば、射出成形用の材料として流通していても、切削加工に適した板材や丸棒が入手しにくい場合があります。
このような場合は、希望する材料での試作方法を再検討するか、評価目的に応じて代替材料を使用するかを判断する必要があります。
また、材料変更が必要になった場合の確認手順も決めておきましょう。
依頼先の判断だけで別の材料へ変更すると、試作目的と評価結果が一致しなくなる可能性があります。
代替材料を使用する場合は、変更理由、特性の違い、評価への影響を確認したうえで合意することが重要です。
材料の種類やグレードだけでなく、必要に応じて素材の製造ロットや加工条件などを記録しておくと、後から不具合の原因を検討する際に役立ちます。
依頼先と発注側が同じ評価目的を共有できれば、材料選定に関する認識違いを減らし、試作後の判断を進めやすくなります。
代表的なプラスチック材料の特徴と選び方
プラスチック試作で使用される樹脂にはさまざまな種類があります。
材料ごとに強度、剛性、耐熱性、透明性、耐薬品性、摩耗特性、加工性などが異なるため、用途に合わせて候補を選ぶことが重要です。
ここでは、代表的な材料の一般的な特徴と、選定時に確認したいポイントを紹介します。
ABS樹脂は、外装部品や機器のケースなどで使用されることがある材料です。
機械的特性や加工性、外観のバランスを考慮して選ばれることがあります。切削加工や成形加工などで利用されますが、耐熱性や耐候性、耐薬品性はグレードや使用条件によって異なります。
屋外で長期間使用する製品や、特定の薬品に接触する部品では、適合性を確認する必要があります。
また、外観の確認に適している場合でも、実際の使用条件における強度や耐久性については別途評価することが望まれます。
ポリカーボネートは、透明性や耐衝撃性を求める用途で検討される樹脂です。
透明カバーや保護部品などで使用されることがあります。ただし、薬品との接触や応力が加わった状態では、亀裂が生じる場合があります。
また、透明性を重視する場合は、材料の選定だけでなく、加工方法や表面仕上げの影響も考慮することが大切です。
切削加工によって表面に加工跡が残る場合があるため、求める透明性に応じて仕上げ方法を検討する必要があります。
アクリル樹脂は、透明性や外観品質を重視する用途で使用されることがあります。
透明な表示部品や外観確認用の試作品などで検討されます。一方で、衝撃に対する性質はポリカーボネートと異なるため、破損時の安全性や使用条件を踏まえて選定する必要があります。
切削や穴あけなどの加工では、加工条件によって割れや欠けが発生する可能性があります。
透明性だけを比較して材料を決めるのではなく、必要な強度や加工方法も考慮することが重要です。
ポリプロピレンは、比較的軽量で、薬品への耐性や柔軟性を必要とする用途で利用されることがあります。
一体成形された薄いヒンジ構造などにも使用される場合がありますが、その性能は材料グレードや形状、成形条件に左右されます。
また、接着や塗装が難しい場合があるため、二次加工が必要な製品では注意が必要です。
ポリプロピレンを用いて試作する場合は、製品の固定方法や組み立て方法をあわせて検討することが望まれます。
ポリアセタールは、摺動性や耐摩耗性、寸法安定性などを重視する機械部品で検討される樹脂です。
歯車、軸受周辺部品、摺動部品などで使用されることがあります。
ただし、摩擦や摩耗の状態は、荷重、速度、温度、相手材などによって変わります。
摩耗を伴う機構部品では、材料データだけでなく、実際の使用条件に近い状態で評価することが重要です。
また、接着や表面処理が必要な場合には、加工後の工程との相性も確認する必要があります。
ポリアミドは、強度や耐摩耗性などを求める用途で使用されることがあります。
機構部品や機械部品などで検討されますが、種類によって吸水特性が異なり、水分による寸法や物性の変化を考慮する必要があります。
精密なはめ合いが必要な部品では、試験時と使用時の水分状態を確認することが望まれます。
特に、寸法安定性を重視する製品では、材料の保管環境や測定条件を含めて評価する必要があります。
ポリエチレンも、耐薬品性や耐摩耗性などを考慮して使用されることがある樹脂です。
種類や分子量によって性質が大きく異なるため、単にポリエチレンと指定するだけでなく、求める用途に適した種類を選ぶ必要があります。
例えば、摺動部品や耐摩耗部品で利用される種類もありますが、熱による変形や荷重を受けた状態での寸法変化などを確認することが重要です。
このほかにも、高温環境や特殊な機械的要求に対応するためのエンジニアリングプラスチックや、ガラス繊維などを配合した強化樹脂が使用されることがあります。
ただし、高機能な材料を選べば必ずよい結果が得られるわけではありません。
材料の特性が優れていても、必要な加工方法に適さない場合や、用途に対して別の性能が不足する場合があります。
例えば、剛性が高い材料でも、衝撃を受けた際の破損しにくさが十分とは限りません。また、耐熱性が高い材料であっても、特定の薬品に対する耐性が必要な水準に達していない可能性があります。
材料の比較では、一般的な特徴を候補選定の出発点とし、最終的には指定グレードの材料データと実際の評価結果を確認することが大切です。
プラスチック試作を加工会社へ依頼する前の準備
プラスチック試作を加工会社へ依頼する際には、図面や形状データだけでなく、材料選定に必要な情報を整理しておくことが重要です。
最初に用意したいのが、試作品の目的です。
外観確認用、組み付け確認用、動作確認用、強度評価用、耐久試験用など、試作によって確認したい内容を明確にします。
同じ部品でも、評価目的によって材料や加工方法の選び方が変わります。
形状確認だけを行う場合と、最終製品に近い性能を評価する場合では、試作品に求める条件が異なるためです。
次に、製品の用途と使用環境を整理します。
設置場所、温度、湿度、屋内外の区別、荷重、振動、薬品との接触、使用期間などを伝えます。
すべての条件を確定できない場合は、想定範囲と未確定事項を明示しましょう。
材料に関する希望も共有します。
すでに使用したい樹脂が決まっている場合は、その種類やグレード、選定理由を伝えます。
材料が未定の場合は、必要な性能を優先順位とともに示すことで、依頼先から候補を提案してもらいやすくなります。
例えば、耐薬品性と寸法安定性を重視するのか、耐衝撃性と外観品質を重視するのかによって、候補となる材料が変わることがあります。
図面には、寸法、公差、基準面、重要な取り付け部分、必要な表面状態などを記載します。
特に、他部品と組み合わさる箇所や機能に直結する寸法は、重要度を明確にすることが大切です。
設計意図が伝わりにくい部分については、補足説明や組立図などを用意すると認識違いを減らせます。
三次元の形状データを提供する場合も、寸法公差や表面仕上げ、材料仕様などが十分に伝わるとは限りません。
形状データと図面、仕様情報を組み合わせて依頼することが望まれます。
また、必要な試作数量と希望するスケジュールも共有します。
製作数量によって適した加工方法が変わる場合があります。数量が少ない場合でも、複数の形状や材料を比較したいのであれば、その目的を伝える必要があります。
さらに、評価後の対応方針についても検討しておくとよいでしょう。
試作品の完成後に設計を修正する可能性があるのか、材料を比較する予定があるのか、量産化を見据えているのかによって、依頼先に求める対応も変わります。
情報を整理する際には、確定事項、希望条件、相談したい事項を区別することが効果的です。
例えば、取り付け穴の位置は変更できないが、肉厚やリブ形状は調整できるといった情報があれば、依頼先は加工上の問題を踏まえた提案をしやすくなります。
一方で、材料や形状の変更が認められない部分については、その理由を共有しておくことが重要です。
依頼先の選定では、希望する加工方法への対応だけでなく、材料選定に関する技術相談が可能かどうかも確認しましょう。
加工会社によって、対応できる樹脂の種類、加工設備、得意な形状、寸法精度、表面仕上げ、試験対応の範囲などは異なります。
材料選定の段階から相談できる会社であれば、用途と要求性能を踏まえた加工方法や材料候補を検討しやすくなる場合があります。
また、試作後に設計変更が必要になった際の対応範囲も確認しておくと、次の試作へ進む際の認識違いを減らせます。
試作依頼に必要な情報を事前にまとめておくことで、技術検討や製作条件の確認を円滑に進めやすくなります。
試作品の評価結果を次の設計に生かす進め方
プラスチック試作の材料選定は、依頼時に材料名を決めて終了するものではありません。
試作品の製作と評価を通じて、要求条件との適合性を確認し、必要に応じて改善することが重要です。
まず、開発の初期段階では、製品の用途と試作目的を整理します。
この段階では、すべての性能を細かく決めるよりも、何を確認するための試作なのかを明確にすることが大切です。
形状を確かめたいのか、材料の機械的特性を評価したいのかによって、試作計画が変わります。
次に、材料候補と加工方法を検討します。
希望する材料で試作できるかを確認し、必要に応じて代替材料や加工方法を比較します。
複数の材料候補がある場合は、強度、耐熱性、耐薬品性、寸法安定性など、重要な条件を中心に評価計画を立てます。
このとき、材料の選定理由を記録しておくと、後から結果を振り返る際に役立ちます。
その後、試作品を製作し、寸法や外観、組み付け、機能などを確認します。
評価では、想定した条件で使用できるかを判断するだけでなく、不具合が発生した場合の原因を整理することが重要です。
例えば、組み付け時に割れが発生した場合、原因は材料の靭性不足だけとは限りません。
肉厚や角部形状、加工による欠陥、はめ合い寸法などが関係している可能性があります。
変形が発生した場合も、材料の剛性不足なのか、形状上の問題なのか、加工時の内部応力や温度条件によるものなのかを切り分ける必要があります。
原因を十分に確認せず材料だけを変更すると、問題が解消しなかったり、新たな不具合が発生したりすることがあります。
また、評価時には、実際に使用した材料の種類やグレード、加工方法、測定条件を記録しておくことが重要です。
同じ材料分類でもグレードや加工条件によって結果が変わる場合があるため、試作条件を残しておくことで後から比較しやすくなります。
試作結果を基に改良する際には、変更した内容を記録しましょう。
材料の種類やグレード、形状、肉厚、加工方法、評価条件などを同時に変更した場合、どの変更が結果に影響したのか判断しにくくなることがあります。
比較試験では、可能な範囲で評価条件をそろえ、変更点を明確にすることが望まれます。
例えば、材料の違いを比較する場合は、形状や試験条件をできるだけ統一し、材料以外の要因による影響を抑えることが重要です。
一方、形状改善の効果を確認する場合は、同じ材料と加工方法を使用することで、設計変更による違いを検討しやすくなります。
ただし、加工方法や材料の制約によって完全に条件を統一できない場合もあります。その場合は、比較条件の違いを明示して評価結果を解釈する必要があります。
また、量産を予定している場合は、試作段階で確認した内容と、量産前に追加確認が必要な内容を区別します。
量産予定材での試験、成形品の寸法確認、耐久性の検証など、試作方法の違いによって再評価が必要となる項目を整理しておくことが大切です。
試作品を実際の設備や現場に取り付けて評価する場合は、設置位置や周辺環境も確認しましょう。
同じ部品でも、取り付け場所によって受ける熱や振動、荷重、日射などの条件が異なる場合があります。
現場で発生した変形や破損について、設置位置や発生時の状況を記録しておくと、材料の問題なのか、設計形状や使用条件の問題なのかを検討する際に役立ちます。
また、現場での評価では、使用者の操作方法や取り付け状態など、図面や試験室の条件だけでは把握しにくい情報が得られることもあります。
こうした情報を設計担当者や加工依頼先と共有することで、次の試作で確認すべき事項を整理しやすくなります。
依頼先が材料提案だけでなく、加工性や形状変更、評価方法について相談できる体制を持っている場合は、試作から改善までの検討を進めやすくなることがあります。
ただし、対応範囲は会社ごとに異なるため、材料選定支援、試験対応、設計変更への助言、量産移行支援などについては、依頼前に確認しておきましょう。
試作を一度で完成させることだけを目標にするのではなく、必要な情報を段階的に取得し、設計と材料の妥当性を高めていくことが重要です。
まとめ｜用途を基準に材料選定と試作評価を進める
プラスチック試作で材料選びに失敗しないためには、樹脂の名称や一般的な特徴だけで判断せず、製品の用途と要求性能を整理することが重要です。
特に確認したいのは、試作目的と使用環境、機械的な強度や剛性、熱や薬品などに対する耐久性、寸法精度と加工方法の相性、試作材料と量産材料の違い、試験方法と依頼条件の6つです。
これらを整理することで、必要な性能を満たす材料候補を検討しやすくなり、加工会社との認識違いを減らすことにつながります。
また、試作品が完成した後は、実際の使用条件に近い環境で評価し、材料や形状、加工方法のどこに改善の余地があるのかを確認することが大切です。
プラスチック試作を依頼する際には、図面や形状データに加えて、製品の使用環境や評価目的、変更可能な条件などを共有しましょう。
依頼先と評価基準をそろえることで、試作結果を次の設計判断に活用しやすくなります。
さらに、試作品を実際の設備や施工現場へ持ち込んで評価する場合は、設置状態や周辺環境、不具合が発生した位置、確認時の状況を記録しておくことも重要です。
例えば、屋外設備に取り付けた樹脂製部品で変形が発生した場合、部品の設置位置や周囲の状況、確認した日時、変形の状態などを記録しておくと、原因を検討する際の手がかりになります。
写真や位置情報を設計変更の履歴と関連付けて管理することで、後から評価状況を確認しやすくなります。
現場写真・位置情報・施工記録を管理するLRTK Phoneは、こうした現場での試作品の設置状況や確認記録を整理する場面でも活用を検討できます。
材料試験や寸法測定そのものに代わるものではありませんが、現場で得られた情報を記録し、設計担当者や加工依頼先との情報共有を進めるうえで役立つ場合があります。
特に、複数の現場や設備で試作品を評価する場合は、どの場所でどのような状態が確認されたのかを整理することが重要です。
現場写真と位置情報を関連付けて記録することで、評価対象の部品や設置環境を振り返りやすくなり、材料変更や形状改善の検討に必要な情報を共有しやすくなります。
プラスチック試作の材料選定では、材料の一般的な性能だけでなく、実際に使用される環境と評価結果を結び付けて考えることが大切です。
材料選定から試作、現場での評価、設計改良までを一連の工程として捉え、必要な情報を適切に記録・共有することが、用途に合ったプラスチック製品の開発につながります。
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