射出成形材料の比較：ABS、PC、ナイロン、PP、POM、PEEKの強度、コスト、成形性の比較

材料の選択は、他のすべてを静かに決定する決定です。これにより、部品の機械的限界が決まり、ショットあたりのコストが決まり、樹脂が異なれば収縮率も大きく異なるため、単一の部品を成形する前に鋼のキャビティ寸法が決まります。ツールを切断した後に樹脂を交換すると、新しいキャビティの費用が頻繁に発生します。

この比較は、市販の射出成形部品の大部分を占める 6 つの樹脂を対象としており、データシートの読み取り作業ではなく、製造時に重要な特性に基づいて判断されています。また、ほとんどの比較記事で省略されている、各材料の選択が金型や部品の価格に与える影響についても説明しています。

4つの質問でわかる射出成形材料の選び方

これらを順番に進めていくと、ほとんどの候補者は自分自身を排除します。

1. 輸送、保管、洗浄または滅菌サイクルを含む使用中に部品が受ける最高温度は何度ですか?これにより下限が設定され、カテゴリ全体が即座に削除されます。
2. 部品は、クリーナー、燃料、オイル、湿気、紫外線などの化学物質にさらされることになりますか?
3. それはどのような機械的要求に直面していますか? それは剛性、耐衝撃性、疲労、または摺動面での摩耗ですか?これらは異なる要件であり、すべての要件に単一の樹脂リードが適用されるわけではありません。
4. 部品には透明性、特定の外観、規制当局の承認、または難燃性評価が必要ですか?

コストは最初ではなく最後に入力されます。サービス要件を満たさない安価な樹脂は安くはありません。コストが適切に影響するのは、要件を両方とも満たす 2 つの材料の間で選択することです。これは本当に一般的な状況であり、ほとんどのコストが節約されます。

マスター比較表

収縮と成形性という 2 つの列は、通常よりも注目に値します。どちらも、ツールの実行後に、選択したマテリアルが実際に図面上の公差を保持するかどうかを決定します。

実際に選択を決定するプロパティ

収縮とそれが工具の決定である理由

すべての熱可塑性プラスチックは冷えるにつれて収縮し、予想される収縮によってキャビティが大きめにカットされるため、完成した部品は公称どおりになります。その補償は鋼鉄に焼き付けられています。ポリプロピレン、ナイロン、アセタールなどの半結晶材料は、ABS やポリカーボネートなどの非晶質材料よりも大幅に収縮しますが、結晶化度が冷却速度によって変化するため、収縮は予測しにくくなります。

実際的な影響は 3 つあります。収縮率の高い材料では、冷却のわずかな変化で測定可能な寸法変化が生じるため、厳しい公差を維持することが困難になります。部品全体の収縮が不均一になると形状が崩れてしまうため、反りが発生しやすくなります。また、ABS 用のサイズの金型ではアセタールでは正しい部品が製造されないため、金型の切断後に収縮率の異なる材料を切り替えるには、通常、キャビティを再切断する必要があります。

部品の公差が厳しい場合は、低収縮アモルファス材料を使用するか、より緩やかな公差とより高価な工具開発サイクルを受け入れる必要があります。ツールが引用される前にこれを決定することは、最初の記事でそれを見つけるよりもはるかにコストがかかります。

成形性とプレスでのコスト

成形性には、樹脂の充填の容易さ、必要な乾燥時間、必要な溶融温度と金型温度、およびプロセス変動に対する許容度が含まれます。 ABS とポリプロピレンは簡単です。充填が容易で、広いプロセスウィンドウに耐えられます。ポリカーボネートとナイロンは吸湿性があり、湿気により広がりが生じたり、機械的特性が劣化したりするため、適切に乾燥させる必要があります。 PEEK は高い溶融温度と加熱された工具を必要とするため、サイクル タイムと工具コストの両方が増加します。

アプリケーションで必要な場合、難しい材料を避ける理由にはなりません。これは、より長いサイクル、より厳密なプロセス制御、およびスタートアップ時のスクラップの増加が期待される理由であり、これらすべては驚くべきものではなく、コストモデルに属します。

6つの樹脂の詳細

ABS

ABS は消費者向けハウジング、エンクロージャ、化粧部品のデフォルトであり、成形が容易で、寸法が安定し、塗装、メッキ、テクスチャリングに適しているため、その地位を獲得しています。表面仕上げが良好で、機械加工と接着が良好で、収縮が低く予測可能です。

失敗するのは温度と化学です。連続使用温度は控えめで、ABS は多くの溶剤によって侵されます。また、安定化処理を行わないと耐紫外線性が低いため、保護されていない屋外部品はチョーキングされて脆くなります。内部ハウジング、家電部品、電子機器の筐体など、環境への曝露よりも外観とコストが重要なあらゆるものには ABS を選択してください。

ポリカーボネート

ポリカーボネートはインパクトと透明性を備えたオプションです。幅広い温度範囲にわたって真に丈夫であり、光学的に透明であるという他のいくつかの材料では得られない組み合わせです。使用温度は ABS よりも大幅に高くなります。

弱点は耐薬品性とノッチ感受性です。多くの溶剤や一部の洗浄剤は応力亀裂を引き起こし、鋭利な内側の角があると衝撃に十分耐えられる材料に応力が集中します。また、吸湿性があるため、成形前に乾燥する必要があります。 PC と ABS のブレンドが一般的なのは、靭性の一部を犠牲にして加工を容易にし、化学的挙動を向上させるためです。レンズ、ガード、安全部品、耐衝撃ハウジングにはポリカーボネートを選択してください。

ナイロン

ナイロンはさまざまな種類をカバーしており、PA6 と PA66 が最も一般的です。高い強度と剛性、優れた耐摩耗性、燃料や油に対する優れた耐性を備えているため、自動車や産業用途に広く使用されています。ガラス充填グレードは剛性を大幅に向上させ、非常に一般的です。

決定的な特徴は吸湿性です。ナイロンは空気中の水を吸収し、その分部品の寸法が成長し、より丈夫になり、剛性が低下します。つまり、乾燥状態で測定された部品とコンディショニング後に測定された部品のサイズは異なるため、公差を議論する際には湿潤状態を記載する必要があります。また、ナイロンは予想外に大幅に収縮するため、公差が厳しい作業が困難になります。ギア、ベアリング、ファスナー、構造ブラケット、ボンネット下のコンポーネントに最適です。

ポリプロピレン

ポリプロピレンは 6 種類の樹脂の中で最も安価で、汎用樹脂の中で最も耐薬品性に​​優れています。軽量で、湿気にほぼ完全に耐え、リビング ヒンジとしての機能、つまり破損することなく繰り返し曲げることができる薄い部分を意味する独自の機能を備えています。このリストには他に同様のことを行うものはありません。

トレードオフは剛性と温度です。比較的柔らかく、持続的な負荷の下でクリープし、使用温度が制限されています。また、大幅に収縮するため、厳しい公差を設けるのは困難です。容器、クロージャ、一体型ヒンジ部品、化学薬品にさらされる用途、および材料コストが重要な大量のコンポーネントにはポリプロピレンを選択してください。

POM(アセタール)

アセタールは精密機械材料です。剛性があり、使用中の寸法が安定しており、摩擦係数が低く、耐疲労性に優れているため、ギア、カム、ブッシング、ラッチ、小型可動部品の標準的な選択肢となっています。

それを制限するものは 2 つあります。このリストでは収縮が最も大きいため、キャビティのサイジングと冷却設計が通常よりも重要になり、厚いセクションではボイドが発生しやすくなります。また、アセタールは接着や塗装が容易ではないため、化粧品よりも機能的な内部部品に適しています。部品がスライド、回転する場合、または多くのサイクルにわたって確実に跳ね返る必要がある場合には、これを選択してください。

ピーク

PEEK は別のカテゴリーに属します。他の製品よりもはるかに優れた連続使用温度に耐え、ほぼすべての化学薬品に耐性があり、温度下でも強度を維持し、要求の厳しい医療、航空宇宙、半導体の用途で機能します。それが指定されている場合、それは通常、他に何も機能しないためです。

また、ここでは断然最も高価な材料でもあり、高い溶融温度と加熱された工具が必要となるため、サイクル タイムと工具のコストが押し上げられます。低コストのエンジニアリング樹脂が要件を満たすのに PEEK を指定することは、材料選択における最も高価な間違いの 1 つです。温度、化学薬品への曝露、または規制要件によって本当に代替手段がない場合に選択してください。

記入および変更された成績

ベース樹脂は出発点にすぎません。ほとんどのエンジニアリング用途では変更されたグレードが使用され、変更により特性と処理の両方が変更されます。

• ガラス繊維強化により剛性と強度が大幅に向上し、収縮が減少しますが、材料がより脆くなり、工具の摩耗性が高くなり、方向性の反りを引き起こす繊維配向効果が発生しやすくなります。
• ミネラルフィルは、ガラスよりも剛性の増加が小さいため、寸法安定性が向上し、コストが削減されます。
• 難燃グレードは多くの電気および電子用途に必要であり、通常は衝撃強度が低下し、加工が複雑になります。
• 紫外線安定化グレードは、屋外にさらされるあらゆる部品に必要であり、後で安定化を追加しても、それなしですでに指定されている部品を修復することはできません。
• 耐衝撃性改良グレードは、靭性を得るためにある程度の剛性を犠牲にしており、ベース樹脂は近いがわずかに脆すぎる場合によく使用されます。
• 医療および食品接触グレードには、その用途に必要な規制文書が添付されており、承認は樹脂ファミリーではなく特定のグレードに付与されます。

ガラス充填物は工具に関して特に注意が必要です。研磨剤入り樹脂は時間の経過とともに、特にゲート部分で鋼を摩耗させるため、工具鋼の選択とメンテナンス スケジュールに影響を与えます。それは、最初の 10 万ショット後のことではなく、設計段階でのツールに関する会話に属します。

アプリケーション要件による選択

ソフト グリップを備えた剛体など、1 つの部品に 2 つの異なる動作が必要な場合、その答えは単一の材料ではなくプロセスであることがよくあります。ソフトタッチの材料を使用したオーバーモールディングでは、硬質基板とエラストマーが結合され、インサート成形では、ネジや導電パスが必要な場所に金属コンポーネントをプラスチックでカプセル化します。

材料の決定が金型と部品の価格に与える影響

• キャビティの寸法は特定の収縮率に合わせて切断されるため、ツーリング後に樹脂ファミリーを変更することは通常、スチールを再切断することを意味します。
• サイクルタイムは材料によって異なります。高い金型温度または長時間の冷却を必要とする材料では、工具寿命の間、ショットごとに部品あたりのコストが上昇します。
• ゲートとランナーのサイズは溶融粘度に依存するため、材料を変更すると、キャビティが影響を受けない場合でもゲートの変更が必要になる場合があります。
• 研磨剤入り樹脂は工具の摩耗を促進し、工具鋼の仕様とメンテナンス間隔に影響を与えます。
• 高収縮材料では、冷却管のレイアウトにさらに注意を払う必要があります。これは、部品ごとのコストではなく、金型の設計コストになります。
• 乾燥要件により、ポリカーボネートやナイロンなどの吸湿性素材の場合、プレス機での設備と処理時間が追加されます。

このため、材料の選択は、工具の見積後ではなく、前に決定する必要があります。樹脂の決定が遅れた場合は金型の変更が必要となり、硬化鋼の金型の変更はプロセス全体の中で最も費用のかかる修正となります。

よくある材料選択の間違い

• 用途が実際に要求するのは剛性、衝撃挙動、または疲労耐性である場合、引張強さだけを選択することになります。
• ナイロンの吸湿を無視し、通常の湿度条件では維持できない許容値を書き込みます。
• エンジニアリンググレードがあらゆる要件を満たす高性能樹脂を指定すると、機能が向上することなく材料と工具のコストが上昇します。
• 屋外や窓の近くに置かれる部品の紫外線曝露を見落とし、現場で脆化を発見します。
• データシートの値が部品に適用されると仮定すると、公表されている数値は形状、ゲート位置、冷却条件ではなく標準試験片からのものです。
• 収縮差によりキャビティ寸法が無効になるかどうかを確認せずに、ツールを切断した後に樹脂を変更する。

最後の方法は最もコストがかかり、最も避けるべきものです。工具を切断する前に樹脂を確認するか、少なくともどの代替品が寸法互換性があるかを確認することで、リスクを完全に排除できます。

重要な決定を生産に反映する

材料と形状は順番に決定されるのではなく、一緒に決定されます。壁の厚さ、リブの比率、およびゲートの位置はすべて、樹脂の収縮および流動挙動と相互作用するため、ある材料で機能する設計が別の材料では機能しない場合があります。リブとガセットの設計ガイドラインに関する当社のガイドでは、その関係の幾何学的側面について説明しており、材料関連の成形欠陥に関する記事にある問題の多くは、プレスの問題ではなく、樹脂と部品設計の間の不一致に遡ります。

非常に小さなコンポーネントの場合、流れの長さ、冷却速度、ゲートの比率がきちんと縮小されないため、材料の挙動は再び変化します。マイクロ成形アプリケーションの比較では、それらの違いが重要な部分をカバーしています。

Elite Mold Tech は、プラスチック射出成形サービスを通じて ABS、ポリカーボネート、ナイロン、ポリプロピレン、POM、PEEK、TPU を成形し、金型の導入後ではなく見積時に部品の形状や公差の要件に照らして材料の選択を検討します。部品モデルとサービス要件を Elite Mold Tech に送信し、収縮、公差、工具への影響を考慮した推奨事項を求めます。

よくある質問