射出成形設計ガイド：構造強度

前回の記事では、プラスチック部品の設計において鋭角を避けることがなぜ重要なのか、つまり鋭い角は応力集中点となり、部品の強度を静かに損なう理由について説明しました。今回は、エンジニアが最も苦労すると思われる2つの分野について、さらに詳しく掘り下げていきたいと思います。 プラスチック部品に実際に強度を持たせる方法そして外観上の欠陥がせっかくの優れたデザインを台無しにしないようにする方法。

もしあなたが真剣に考えているなら 射出成形製造のための設計一部構造的完全性こそが、生産工程を無事通過する部品と、不合格となる部品を区別する要素である。

射出成形 構造強度を考慮した設計

壁の厚さではなく、リブを追加してください。

部品の強度が不十分だと感じたとき、まず最初に思いつくのは壁を厚くすることでしょう。その気持ちはよく分かります。それが一番手っ取り早い解決策のように思えるからです。しかし、射出成形においては、それはたいてい間違った解決策なのです。

壁が厚くなると、材料が増え、サイクルタイムが長くなり、ヒケや空隙が発生するリスクが大幅に高まります。より賢明な方法は、 リブを追加する部品の剛性を2倍にするには、壁厚を増やすことで約25%多くの材料が必要になります。一方、リブを追加することで、わずか7%の材料増で同じ結果が得られます。これは非常に大きな効率差であり、適切なリブ設計が本格的な部品設計の基礎となる理由です。 射出成形設計ガイド。

重要な注意点として、リブは見た目上は目立たなくなります。リブを追加すると、反対側の表面が多少収縮します。外観が重要な場合は、壁を厚くするかリブを追加するかを個別に検討する必要があるかもしれません。

リブの方向は荷重の方向と一致していなければならない

リブは、抵抗する方向、つまり一方向のみで部材を強化します。リブの向きが加わる荷重と一致しない場合、構造的な効果はほとんどありません。

[図3-47：補強材の方向と荷重の方向の関係を示す概略図]

多方向荷重やねじり荷重がかかる部品には、X字型または放射状のリブ配置を検討する価値があります。プラスチック製のスツールの底面を見てください。あの交差したリブのパターンは装飾ではなく、実際に構造的な役割を果たしているのです。

複数の小さな肋骨は、1本の大きな肋骨に勝る

強度を高めたいときは、リブを1本だけ高くしたり厚くしたりするのは避けましょう。リブが高すぎると先端が折れやすくなり、厚すぎると展示面に沈み込んでしまう恐れがあります。代わりに、リブを2本か3本の小さなリブに分割しましょう。そうすることで、強度の分布が良くなり、表面もきれいになり、成形時のトラブルも減ります。

断面形状を変えることで、厚みを増すことなく剛性を高めることができます。

部品の断面形状を波型、鋸歯状、または円弧状に設計することも、剛性を高める効果的な方法です。ただし、これらの形状は平面面積を犠牲にするため、あらゆる用途に適しているわけではありませんが、構造パネルや筐体などにおいては非常に効果的です。

サイドウォールを追加し、その形状を最適化する

平らなプラスチックパネルは本質的に強度が低い。設計上可能であれば、周囲に側壁を追加することで剛性が劇的に向上する。

さらに言えば、湾曲した側壁や波型の側面形状は、単純な垂直な側壁よりも優れた性能を発揮します。実際、この原理のおかげで、波型箱のデザインが驚くほど重い荷物を支えているのを何度も見てきました。

ストレスの集中を解消する

応力集中は、目に見えない故障箇所です。それらは以下の場所で発生します。

• 鋭い内側の角
• 壁厚の急激な変化
• 穴、スロット、切り欠き
• 金属インサートインターフェース

特に衝撃荷重がかかる場合、これらの箇所から亀裂が発生します。この設計ガイドの前のセクションで説明した半径と壁面移行部のガイドラインに従ってください。これらのガイドラインは、まさにこの目的のために設けられています。

ゲート位置制御による溶接線位置

ウェルドラインは、2つの流動先端が交わる場所、つまり穴の周囲、厚みの変化箇所、複数のゲートがある箇所などに形成されます。これらは成形品の中で最も弱い部分の一つです。重要なのは、ゲートの位置を調整することで、ウェルドラインの発生位置をある程度制御できるということです。

実際には、鋼材を切断する前に必ず金型サプライヤーにMoldflow解析レポートを依頼します。予測されるウェルドラインの位置を確認することで、それらが荷重のかかる領域から離れていることを確認できます。初期生産段階であれば、最終的なゲート設計を決定する前に、金型に意図的に少量の材料を充填してウェルドラインが発生する位置を視覚的に確認するショートショット試験を金型メーカーに依頼することもできます。

その他の強度に関する考慮事項

留意すべきその他の要素をいくつか挙げます。

• ガラス繊維強化は強度を向上させますが、それは繊維の配向方向のみに限られます。また、ガラス繊維含有量が多いと、部品が脆くなる可能性があります。ガラス繊維強化PPのような材料では、剛性試験には合格しても、衝撃を受けると割れてしまうことがあります。一方、ガラス繊維を含まないPPでは、単に変形するだけです。「強い」ことが必ずしも「優れている」とは限らないのは、試験基準によって異なります。
• プラスチック部品は、引張荷重よりも圧縮荷重に対して優れた耐性を持つ。この点を考慮して設計せよ。
• 引張荷重がかかる場合、応力を均等に分散させるために、断面形状を一定に保つこと。
• 避ける 円筒状の部品や挿入物における周方向応力 ― これは一般的な亀裂発生モードです。
• 衝撃荷重がかかる場合、荷重経路から切り欠きや応力集中部を排除する。

結論

これまで、射出成形部品の設計を最適化することで強度を高める方法について検討してきました。次回の記事では、実用的な観点から同様に重要な課題である、射出成形における外観上の欠陥を回避する方法について考察します。

パートナーを探しているなら プラスチック射出成形メーカー設計が仕様に厳密に準拠することを保証したい場合は、LVMAにご連絡ください。射出成形サービスの詳細と、製品の迅速な量産方法についてご案内いたします。