研究開発で樹脂部品の試作を依頼する際、設計図面どおりの寸法で製作したにもかかわらず、時間の経過とともに寸法が変化したり、組立時に部品が合わなくなったりすることがあります。その原因の一つが、樹脂材料の吸湿です。樹脂の種類によっては周囲の水分を取り込むことで膨張し、寸法精度や機械的特性が変化するため、試作段階から適切な対策が求められます。
特に精密機器の筐体、位置決め部品、摺動部品、嵌合構造などでは、わずかな寸法変化が製品の性能や信頼性に影響する場合があります。研究開発の試作依頼では、加工精度だけでなく、材料選定、乾燥条件、保管環境、測定方法、設計公差まで含めて検討することが重要です。
また、試作品の寸法が安定していても、量産時に使用する材料や製造方法が変われば、吸湿による影響が異なる可能性があります。試作段階で吸湿特性を確認し、使用環境に合わせた評価条件を設定することが、量産移行後の品質問題を減らすことにつながります。
この記事では、研究開発で樹脂部品の試作を依頼する実務担当者に向けて、吸湿による寸法変化の基本的な仕組みと、寸法安定性を高めるための5つの具体的な対策を解説します。さらに、試作会社への依頼時に確認すべき条件や、評価結果を次の設計に反映する方法についても紹介します。
樹脂の吸湿が試作品の寸法精度に与える影響
樹脂材料は種類によって水分との親和性が異なり、周囲の空気に含まれる水蒸気を吸収するものがあります。吸湿した水分が材料内部に取り込まれると、分子間の状態が変化し、体積や寸法が増加する場合があります。
この現象は吸湿膨張と呼ばれ、特に吸水性の高い樹脂材料では設計時に考慮する必要があります。ただし、すべての樹脂が同じ程度に膨張するわけではありません。吸湿量や寸法変化の程度は、樹脂の化学構造、添加材、温度、相対湿度、部品形状などによって異なります。
例えば、ポリアミド系樹脂は一般に吸湿の影響を受けやすい材料として知られています。乾燥状態では高い寸法精度を確保できていても、使用環境で水分を吸収することで寸法が変化する場合があります。
一方、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂は一般に吸水率が低く、吸湿による寸法変化を比較的小さく抑えやすい材料です。ただし、寸法安定性だけで材料を選定すると、剛性、耐熱性、耐摩耗性などの要求を満たせなくなることがあります。
研究開発の試作では、単純に吸水率の低い材料を選べばよいわけではなく、製品の使用目的と必要性能のバランスを考えることが重要です。
また、吸湿による寸法変化は、部品全体に均一に発生するとは限りません。厚肉部分と薄肉部分では水分が内部に到達するまでの時間が異なり、寸法変化の進行にも差が生じます。材料の配向や繊維強化材の影響によって、方向ごとの膨張量が異なる場合もあります。
このような差が大きくなると、単純な寸法増加だけでなく、反りやねじれなどの形状変化につながる可能性があります。
特に問題になりやすいのは、複数の部品を組み合わせる構造です。穴径と軸径、位置決めピンと受け穴、カバーと本体などの組合せでは、それぞれの部品が異なる割合で寸法変化すると、組立時の隙間や締め付け状態が変わります。
研究開発の段階では、加工直後の寸法精度と使用環境に置かれた後の寸法安定性を分けて評価する必要があります。
さらに、樹脂の吸湿は寸法だけでなく、剛性や靱性などの機械的特性に影響する場合があります。材料によっては吸湿によって柔軟性が増すことがあり、荷重を受けた際の変形量や嵌合部の保持力にも影響します。
そのため、試作品の寸法検査に合格したという事実だけでは、実使用時の品質が保証されるわけではありません。寸法変化と機械的特性の両方を考慮し、試作品の使用条件に近い状態で評価することが重要です。
対策1：吸湿特性を考慮して樹脂材料を選定する
樹脂の吸湿による寸法変化を抑える最初の対策は、研究開発の設計段階で材料の吸湿特性を確認することです。試作依頼を行う前に材料候補を比較し、必要な寸法安定性を確保できるか検討することで、後工程での設計変更を減らしやすくなります。
材料選定では、吸水率だけでなく、吸湿による寸法変化率を確認することが重要です。
吸水率は材料が取り込む水分の割合を示す指標ですが、同じ吸水率であっても寸法変化の程度が同じになるとは限りません。材料の構造や配合によって、水分吸収に伴う膨張の挙動が異なるためです。
また、材料の技術資料に記載されている吸水率は、測定条件を確認する必要があります。水中に浸漬した際の吸水率と、一定の温湿度環境で吸湿した際の吸水率では、評価条件が異なります。
研究開発で使用環境を想定する場合は、製品が通常使用される温度と湿度に近い条件でのデータを優先して確認すると、実際の寸法変化を判断しやすくなります。
例えば、屋内で使用する精密機器と、屋外で雨や高湿度にさらされる装置では、必要な評価条件が異なります。高湿度環境で長期間使用する製品では、短時間の吸湿試験だけでは十分な判断ができないこともあります。
一方、短時間だけ使用する試験治具では、使用時間内に生じる寸法変化が許容範囲に収まるかどうかが重要になる場合があります。
このように、材料の適否は想定する環境と使用期間によって変わります。
さらに、ガラス繊維などの強化材を含む樹脂を選定する方法もあります。強化材によって樹脂部分の膨張が拘束され、寸法変化が小さくなる場合があります。ただし、強化材の種類や配向によって方向ごとの寸法変化に差が生じるため、必ずしも形状全体の安定性が向上するとは限りません。
射出成形では、樹脂の流動方向によって繊維の配向が変化することがあります。精密な穴位置や平面度が必要な部品では、材料特性だけでなく成形時の配向についても試作会社と確認することが重要です。
研究開発で複数の材料を比較する場合は、同じ形状の試験片を用いて評価する方法が有効です。材料ごとに乾燥状態、一定温湿度で調湿した状態、高湿度にさらした状態などを比較し、寸法変化と機能への影響を調べます。
このとき、材料の名称だけではなく、具体的な材料グレードや強化材の有無まで記録しておく必要があります。同じ樹脂系統でも、配合や製造方法が異なると吸湿特性や寸法安定性が変わる可能性があるためです。
試作品の材料を試作会社に任せる場合も、吸湿による寸法変化が重要な評価項目であることを事前に伝えましょう。
単に加工しやすい材料を選ぶのではなく、要求される強度、耐熱性、寸法精度、使用環境を共有したうえで、適切な材料候補を提案してもらうことが重要です。
対策2：成形前の乾燥と加工工程の水分管理を徹底する
樹脂材料の吸湿対策では、製造工程に入る前の水分管理も重要です。特に吸湿性のある樹脂を射出成形する場合、材料に含まれる水分が成形品質に影響することがあります。
材料によっては、溶融加工時に水分が原因となって加水分解が進み、分子量の低下や機械的特性の劣化につながる場合があります。また、成形品の外観不良や内部欠陥などが発生する可能性もあります。
これらの問題を防ぐため、対象材料の推奨条件に従って成形前の乾燥を行うことが重要です。
ただし、乾燥条件はすべての樹脂で共通ではありません。適切な乾燥温度や時間は、材料の種類、グレード、初期含水状態、乾燥設備などによって異なります。
乾燥温度を高く設定すれば必ず品質が改善するわけではなく、過度な加熱によって材料が変色したり、劣化したりするおそれがあります。
試作依頼時には、材料の推奨乾燥条件と実際に使用する乾燥設備の管理方法を確認することが重要です。
また、乾燥後の材料を長時間外気にさらすと、再び吸湿する場合があります。そのため、乾燥工程だけでなく、乾燥後から成形機に供給するまでの取り扱いも含めて管理する必要があります。
例えば、材料の保管容器を密閉し、必要に応じて乾燥状態を維持できる供給設備を使用することで、再吸湿の影響を抑えやすくなります。
研究開発の試作では生産数量が少ないため、材料の準備から加工開始までに時間が空くことがあります。少量試作であっても、材料の開封時刻や乾燥終了時刻などを管理することが、品質の再現性を高めるうえで役立ちます。
一方、切削加工によって樹脂試作品を製作する場合は、成形用原料の乾燥とは異なる観点が必要です。
樹脂の板材や丸棒などを切削する場合、素材の含水状態が加工後の寸法に影響することがあります。吸湿した素材を加工し、その後に乾燥した環境へ移すと、寸法が変化する可能性があります。
また、素材内部に残った応力が切削によって解放され、反りや変形が発生する場合もあります。こうした変形は吸湿だけが原因ではないため、水分管理と残留応力の対策を分けて検討することが重要です。
精密な切削部品では、必要に応じて素材の状態を安定させてから加工し、粗加工と仕上げ加工を分ける方法なども検討します。
この場合も、乾燥状態で加工することが常に最適とは限りません。最終製品が一定の湿度環境で使用されるのであれば、その環境での寸法安定性を重視して加工条件や評価条件を設定する必要があります。
さらに、積層造形などの製造方法では、材料の水分状態に加えて積層方向や造形条件が寸法安定性に影響します。
研究開発の試作依頼では、製造方法ごとに寸法変化の原因が異なることを理解し、吸湿対策だけで解決できる問題と、加工条件の見直しが必要な問題を区別することが重要です。
対策3：試作品の保管環境と輸送条件を管理する
樹脂試作品の吸湿による寸法変化を抑えるには、製作後の保管環境を管理することも欠かせません。
試作品が完成した時点で寸法精度を満たしていても、その後の保管場所や輸送環境によって含水状態が変化すると、納品時や評価時の寸法が異なる場合があります。
特に研究開発では、試作会社で製作した部品を別の拠点へ輸送し、数日後に組立試験を実施することがあります。この間に温湿度条件が変化すると、測定結果に差が生じる可能性があります。
そのため、寸法精度が重要な試作品については、製作後から評価開始までの環境をできるだけ把握できるようにします。
まず、保管する部屋の温度と相対湿度を確認することが重要です。季節によって湿度が大きく変化する場所では、同じ材料でも保管期間中の吸湿量が異なる場合があります。
保管環境を一定に保つことで、試作品の状態を比較しやすくなります。
ただし、乾燥した環境で保管すればすべての問題を防げるわけではありません。製品が実際に使用される湿度と保管湿度が大きく異なる場合、使用開始後に寸法が変化する可能性が残ります。
したがって、保管環境の目的を明確にする必要があります。
加工直後の含水状態を維持したいのか、一定の温湿度で平衡に近い状態へ調湿したいのかによって、適切な保管方法は異なります。
輸送時には、必要に応じて防湿性のある包装材や密閉容器を使用する方法があります。ただし、包装材で密閉するだけでは内部の水分を除去できません。包装前の試作品や包装内部の湿度が高ければ、その状態のまま保持される可能性があります。
乾燥状態を維持したい場合は、包装前の状態を確認し、必要に応じて乾燥剤などを組み合わせます。
一方、所定の湿度に調湿した試作品では、乾燥剤によって含水状態が変わる可能性があります。この場合は、評価目的に合った包装方法を選択する必要があります。
また、輸送中の温度変化にも注意が必要です。樹脂材料は一般に温度によって膨張や収縮が生じるため、吸湿による寸法変化と熱膨張が重なることがあります。
高温環境に置かれた試作品を室温へ戻した直後に測定すると、部品内部の温度が十分に安定していない可能性があります。
寸法測定を行う前には、試作品を測定環境になじませ、温度差の影響を小さくすることが重要です。
さらに、保管期間の記録も有効です。製作日、包装日、開封日、測定日などを管理しておけば、寸法変化が発生した際に原因を調べやすくなります。
研究開発では、試作品を複数回測定することがあります。その際、測定のたびに異なる環境で保管していると、加工精度の問題なのか吸湿の問題なのかを判断しにくくなります。
試作品の保管場所、温湿度、包装状態、経過時間を管理することで、寸法変化の原因を整理し、次の試作依頼へ改善内容を反映しやすくなります。
対策4：調湿条件と寸法測定の基準を統一する
樹脂試作品の寸法安定性を正しく評価するためには、測定条件を統一することが重要です。
研究開発では、試作会社の測定結果と依頼元の測定結果が一致しないことがあります。この原因は測定機器の違いだけでなく、測定時の温度、湿度、試作品の含水状態などにもあると考えられます。
吸湿の影響を受ける樹脂では、どの状態を基準寸法とするかを明確にする必要があります。
例えば、加工直後の乾燥状態を基準にする場合と、一定の温湿度環境で調湿した後の状態を基準にする場合では、測定される寸法が異なる可能性があります。
そのため、試作依頼の仕様書には、寸法測定時の温度や相対湿度だけでなく、測定前の調湿条件を記載することが望まれます。
樹脂の試験では、比較可能な条件として温度23℃、相対湿度50％などの標準的な環境が使用されることがあります。ただし、この条件がすべての製品の使用環境に適しているわけではありません。
屋外設備や高湿度環境で使用する部品では、実際の使用条件を考慮した追加評価が必要です。
また、一定時間調湿したからといって、必ずしも試作品の含水状態が平衡に達しているとは限りません。
水分が材料内部へ移動する速度は、樹脂の種類や試作品の厚さ、形状などによって異なります。厚肉の部品では、表面付近と内部で含水状態が異なる期間が長くなる場合があります。
そのため、調湿時間は材料の特性と試験目的に応じて設定する必要があります。
必要に応じて試作品の質量を継続的に測定し、質量変化が十分小さくなっているかを確認する方法もあります。
ただし、質量が安定していることだけで寸法変化が完全に終了したと断定できるわけではありません。寸法測定も並行して行い、対象部品の評価目的に対して状態が安定しているか判断することが重要です。
寸法測定では、測定位置と測定方向も統一します。
例えば、平板状の部品で長さ、幅、厚さを測定する場合、毎回異なる位置を測定すると、吸湿による変化と加工ばらつきを区別しにくくなります。
測定箇所を図面で指定し、測定方法や測定器具を統一することで、再現性の高いデータを取得しやすくなります。
特に薄肉部品や柔軟な樹脂部品では、測定時の接触圧によって部品が変形する場合があります。寸法変化が小さい場合ほど、測定力や固定方法の影響を考慮する必要があります。
さらに、測定前の状態だけでなく、測定後の取り扱いも記録しておくことが重要です。
乾燥状態、標準的な温湿度で調湿した状態、高湿度にさらした状態など、複数の条件で測定することで、実際の使用環境における寸法変化の傾向を把握できます。
研究開発の試作依頼では、測定値だけを比較するのではなく、測定条件と含水状態をセットで管理することが、正しい評価につながります。
対策5：吸湿による寸法変化を見込んだ設計公差を設定する
樹脂の吸湿による寸法変化を抑えるには、材料や製造工程の管理に加えて、製品設計そのものを見直すことも重要です。
どれだけ適切に材料を選定し、保管環境を管理しても、使用環境で一定の吸湿が発生する材料では寸法変化を完全に防ぐことは難しい場合があります。
そのため、研究開発の段階から想定される寸法変化を設計公差に反映し、機能に支障が出ない構造を検討する必要があります。
特に注意したいのは、異なる材料を組み合わせる部分です。
例えば、金属製の軸と樹脂製の軸受部品を組み合わせる場合、樹脂側が吸湿によって膨張すると、軸との隙間が変化する可能性があります。
隙間が小さくなる方向に変形すると、摺動抵抗が増加したり、動作不良が発生したりするおそれがあります。
反対に、部品の配置や拘束条件によっては、吸湿後に必要な保持力が低下する場合もあります。
このような問題を防ぐには、部品単体の寸法精度だけでなく、組立状態での機能を評価することが重要です。
設計公差を設定する際は、加工ばらつき、吸湿による寸法変化、温度変化による熱膨張、組立誤差などを分けて検討します。
これらの変化が機能上不利な方向に重なった場合でも、必要な隙間や位置関係を維持できるか確認する必要があります。
研究開発の初期段階では、詳細な解析モデルを用意できない場合もあります。そのような場合は、試験片や簡易試作品によって寸法変化を測定し、実測結果を設計へ反映する方法が有効です。
例えば、全長が100mmの樹脂部品について、想定する環境変化で長さが0.2％増加すると仮定すると、単純計算では0.2mmの寸法増加に相当します。
ただし、この数値は説明のための仮定であり、すべての樹脂に適用できる値ではありません。実際には材料、方向、温湿度条件、部品形状などによって変化量が異なります。
また、寸法変化が単純な比例関係になるとも限りません。
このため、重要な嵌合部や位置決め部では、対象形状を用いた評価結果に基づいて公差を決めることが望まれます。
さらに、部品形状を工夫することも有効です。
厚肉部分と薄肉部分が大きく混在する形状では、水分の移動速度や局所的な膨張挙動に差が生じる可能性があります。可能な範囲で肉厚の急激な変化を減らし、形状の対称性を高めることで、反りなどの変形を抑えやすくなる場合があります。
ただし、肉厚を均一にすることだけで吸湿変形を完全に防げるわけではありません。成形時の残留応力や繊維配向、支持条件なども考慮する必要があります。
位置決め構造については、すべての方向を強く拘束するのではなく、必要な基準位置を確保しながら寸法変化を許容する方法も検討できます。
例えば、固定位置と変位を許容する位置を分けることで、膨張時に過大な応力が発生することを抑えられる場合があります。
ただし、位置決め精度や剛性との両立が必要なため、構造ごとの検討が欠かせません。
研究開発の試作では、設計した公差が製作可能かどうかだけでなく、吸湿後も要求機能を満たせるかを確認することが重要です。
試作会社に対しては、重要寸法と機能上必要な隙間を共有し、加工方法や材料選定の段階から検討してもらうことで、より実用的な設計へ改善しやすくなります。
研究開発の試作依頼で事前に共有すべき仕様と管理項目
樹脂の吸湿による寸法変化を抑えるためには、研究開発担当者と試作会社の間で、必要な条件を明確に共有することが重要です。
図面に寸法と公差が記載されていても、測定時の温湿度や材料の含水状態が指定されていなければ、寸法精度の評価基準が一致しない場合があります。
そのため、試作依頼では材料、製造方法、環境条件、測定条件、評価目的を関連付けて伝える必要があります。
まず、材料については樹脂の系統だけでなく、可能な範囲で具体的なグレードや配合条件を指定します。
材料が未確定の場合は、要求する機械的特性と寸法安定性を提示し、候補材料を比較できるようにします。
この段階で吸湿特性を重視していることを伝えておけば、試作会社も材料選定の際に水分の影響を考慮しやすくなります。
次に、試作品の使用環境を共有します。
使用温度、相対湿度、使用期間、水との接触の有無などを説明し、実際にどのような環境変化が想定されるのかを明確にします。
特に屋外設備や水分に触れる可能性がある部品では、通常の室内環境での寸法精度だけでは不十分な場合があります。
また、重要寸法と一般寸法を区別することも重要です。
すべての寸法に厳しい公差を設定するのではなく、製品性能に直接影響する部分を明確にすることで、優先して管理すべき箇所を整理できます。
例えば、位置決め穴、摺動面、シール接触部、組立基準面などは、吸湿による変化が機能に影響する可能性があります。
これらの重要部位については、加工直後だけでなく、所定の調湿後にも寸法を確認する必要があるか検討します。
さらに、試作品の納品条件も重要です。
乾燥状態で納品するのか、一定の環境で調湿した状態で納品するのかによって、包装方法や測定条件が変わります。
依頼元で追加の環境試験を行う場合は、試作会社での測定状態と評価開始時の状態を把握できるようにしておくことが望まれます。
研究開発の試作では、初回の依頼内容だけですべての条件を確定できるとは限りません。その場合は、試作目的を明確にし、初回試作で確認する項目と次回試作で改善する項目を分けることが有効です。
重要なのは、試作品が図面どおりに完成することだけを目標にせず、実際の使用環境で必要な機能を維持できるかという観点で仕様を共有することです。
試作評価から量産移行までの寸法安定性の確認方法
研究開発で吸湿対策を検討する場合、試作品の完成時点で評価を終えるのではなく、環境変化に伴う寸法の推移を確認することが重要です。
特に量産を予定している製品では、初回試作で得られた結果をもとに、材料仕様や製造工程の管理基準を整える必要があります。
評価を進める際は、まず試作品の初期状態を明確にします。
製作方法、材料、製作日、保管状態、測定時の温湿度などを記録し、初期寸法を測定します。
その後、想定する使用環境に応じた調湿条件を設定し、一定の時間間隔で寸法を確認します。
例えば、乾燥状態から一定湿度への変化を評価する場合、調湿開始前と調湿中、調湿後の寸法を比較することで、変化の進行を把握できます。
ただし、試験時間は部品の厚さや材料の吸湿速度によって適切に設定する必要があります。短時間で変化が小さい場合でも、長期間の使用で寸法が変化する可能性があります。
また、環境試験では高湿度にさらした後の変化だけでなく、通常環境へ戻した際の挙動も確認すると有効です。
吸湿による寸法変化には、環境条件に応じて一部が戻る挙動が見られる場合がありますが、残留応力の緩和や材料状態の変化などによって、初期寸法に完全には戻らないこともあります。
そのため、乾燥と吸湿を繰り返した際の寸法履歴を確認することが、繰り返し環境変化を受ける製品の評価に役立ちます。
さらに、寸法測定と同時に組立機能を確認することも重要です。
例えば、穴径の変化が小さくても、反りによって組立基準面の位置が変化すると、部品同士の位置関係に影響することがあります。
寸法値だけでは判断できない問題を把握するため、必要に応じて嵌合試験、動作試験、保持力の確認などを組み合わせます。
量産移行時には、試作時と同じ材料グレードを使用するか、材料の乾燥条件や成形条件を維持できるかを確認する必要があります。
切削試作から射出成形へ変更する場合などは、製造方法の違いによって残留応力や材料配向が変わる可能性があります。
そのため、試作段階で得られた寸法安定性の結果が、そのまま量産品に適用できるとは限りません。
量産試作では、実際の製造方法による部品を用いて再評価することが重要です。
また、品質管理では寸法変化の原因を追跡できる記録を残しておくことが役立ちます。
材料ロット、製造条件、保管環境、測定結果などを関連付けて管理すれば、量産立ち上げ時に問題が発生した場合でも、原因を絞り込みやすくなります。
研究開発段階から評価条件と結果を蓄積しておくことで、設計変更や材料変更が発生した際にも、過去の試作データを比較材料として活用できます。
まとめ：樹脂の吸湿対策を試作段階から組み込むことが重要
研究開発の試作依頼では、樹脂の吸湿による寸法変化を考慮することが、製品の寸法精度と信頼性を確保するうえで重要です。
吸湿の影響を抑えるためには、材料選定、加工前の水分管理、保管環境、測定条件、設計公差という5つの観点から対策を進める必要があります。
特に重要なのは、加工直後の寸法精度だけで品質を判断しないことです。試作品が実際に使用される温湿度環境でどのように寸法変化するかを確認し、組立や機能への影響まで評価することが求められます。
また、吸湿による変化と、熱膨張、成形収縮、残留応力による変形などを区別することも大切です。複数の要因が重なって発生する寸法変化に対しては、試作会社と協力しながら材料、加工方法、設計条件を総合的に見直す必要があります。
研究開発の初期段階で測定条件や評価方法を統一しておけば、試作結果の比較が容易になり、量産時の品質管理にも活用できます。試作を単なる形状確認の工程とせず、使用環境での寸法安定性を検証する機会として位置付けることが重要です。
さらに、研究開発の評価結果を実際の製造現場や施工現場へ展開する際には、現場の状況や作業履歴を適切に記録することも品質管理につながります。
例えば、LRTK Phoneは、現場写真、位置情報、施工記録などを管理するために活用できる自社プロダクトです。試作部品を使用する設備の設置場所や現場での確認状況を記録し、関係者間で情報を共有する用途にも役立ちます。
ただし、樹脂部品の微小な寸法変化そのものを評価する際には、必要な精度を備えた寸法測定機器を使用することが前提です。LRTK Phoneによる現場記録と、専用測定機器による寸法評価を目的に応じて使い分けることで、研究開発から実際の現場運用まで、情報のつながりを整理しやすくなります。
樹脂の吸湿対策を試作依頼の段階から組み込み、製造条件と評価結果を継続的に管理することが、寸法不良のリスクを減らし、安定した製品開発を進めるための基盤となります。
ものづくりの次の一歩を、
相談から始めてみませんか。
加工・製造の外注先や共同開発のパートナー探しに。大田区産業振興協会の受・発注あっせん相談サービスをご利用いただけます。
