機械設計 #53：樹脂部品 — 加工、組立、長期耐久のために設計する

樹脂は自動機を軽く、静かに、清潔にし、試作を容易にします。しかし、ねじ周りの割れ、一定荷重のクリープ、吸湿、加工後の反り、保全後の基準ずれが起きます。

樹脂部品は材料名だけでなく、次の連鎖で設計します。

機能 → 材料・工法 → 形状 → 荷重・環境 → 許容差 → 製造 → 組立 → 検証 → 保全

1. 機能と環境から始める

荷重、支持、運動、接触、サイクル、温度、湿度、薬品、清浄度、紫外線、ESD、寿命を定義します。短い衝撃と一定荷重を分けます。1分強くても1年後にクリープすることがあります。

2. Material choiceはSystem decision

剛性、強度、衝撃、疲労、クリープ、摩耗、摩擦、吸湿、熱膨張、薬品、難燃、加工、供給、費用を比較します。引張強度だけで選ばず、Grade、Filler、Color、成形方向も記録します。

3. Manufacturing processが形状を変える

切削、射出、3D print、切断、成形では、肉厚、R、Draft、Shrinkage、Grain、Layer、表面の制約が違います。許容差を固定する前に工法を決めます。Blockから切削した試作は、量産成形を代表しない場合があります。

4. Stress concentrationを避ける

大きいR、滑らかなTransition、十分な断面、適切なFiber/Layer方向を使います。鋭い内角、急な肉厚変化、Unsupported boss、端に近い穴を避け、StaticだけでなくRepeated cycleを確認します。

5. CreepとPreload

一定のClamp force、重量、曲げは時間で緩みます。荷重時間、温度、接触面、Screw、Washer、Insert、Support、許容変形を定義します。Datumが重要なら、樹脂の締付Preloadだけに依存しません。

6. ThreadとFastener

樹脂ねじはStrip、Relax、Crackが起きます。Heat-set insert、Nut、Through bolt、Metal bushing、適切なSelf-tappingをTorque、Reuse、温度、Accessで選びます。Pilot、Boss、Edge distance、Torque、Washer、Inspectionを記録します。

7. AssemblyのTolerance

金属の許容差をそのままコピーしません。Critical datum、Hole pattern、Clearance、Interference、温度、Shrinkage、Measurementを定義し、Sensor gapやMotionが複数部品に依存すればStack-upを行います。

8. Surface、Wear、Contamination

接触面は摩耗、粉、油、傷を生みます。Texture、Coating、Insert、Bushing、交換Wear pad、Cleaningを選び、許容摩耗と検出方法を決めます。

9. 組立でCrackを作らない

反った部品を無理に締めず、Lead-in、Clamp、Driver access、Support、Torque sequence、Crack checkを用意します。Screwで設計誤差を引き寄せる前に残留Stressを評価します。

10. 温度と湿度

温度と吸湿で寸法が変わります。Reference condition、Operating range、Storage、Conditioning、Measurement methodを定義し、Sensor gap、Seal、Clearance、Moving interfaceをWorst conditionで検証します。

11. Failure mode

Crack、Creep、Brittle fracture、Wear、Deformation、Insert loosen、Thread strip、Delamination、Swelling、Chemical attack、Discoloration、Contamination、Short、ESD、Assembly mix-upを確認します。原因、影響、検出、Control、Evidenceを記録します。

12. MachiningとInspection

Tool access、Datum、Stock、Clamping、Chip、Edge break、Measurement point、Inspection methodを図面へ入れます。小さな樹脂部品でも、Supplierが推測せず製造・測定できるDrawingが必要です。

13. AssemblyとService

Orientation、Poka-yoke、Label、Fastener、交換Wear surface、Safe removalを設計します。Torque、Insert、Adjustment、Calibration、Post-assembly verificationを記録します。

14. Sensor bracketの例

Sensor gap、Target、Vibration、Temperature、Material、Cable load、Fastener、Datum、Adjustmentを定義します。Machined/Moldedを比較し、保全でねじが傷むならMetal insertを使います。温度、振動、想定Cycle後にGapとSignalを試験します。

15. Verification plan

寸法、表面、Material、Insert、Torque、Assemblyを検査し、Function、Load、Cycle、Environment、Contamination、Service trialを必要に応じて行います。Sample、Condition、Measurement、Acceptance、Revisionを保存します。

16. 樹脂部品チェックリスト

[ ] 機能、荷重、サイクル、環境、寿命を定義した。
[ ] Material gradeと工法を管理する。
[ ] Stress concentrationとUnsupported bossを避けた。
[ ] Creep、吸湿、温度、摩耗、薬品を評価した。
[ ] Thread、Insert、Fastener、Torque、Reuseが適切である。
[ ] Datum、Stack-up、Clearance、Shrinkage、Adjustmentが明確である。
[ ] 加工・成形と検査をDrawingへ定義した。
[ ] Crack、歪み、Wrong partを防ぐAssemblyを設計した。
[ ] Service、Cleaning、Wear、Replacementを考慮した。
[ ] Failure modeにControlとEvidenceがある。
[ ] Function、Environment、Life、AssemblyをVerificationした。

まとめ

樹脂部品は材料、工法、形状、荷重、環境、許容差、組立、保全を一つに考えます。軽いだけでなく、作れ、組め、測れ、保全でき、寿命中に信頼できる部品を設計します。

17. 寸法安定とDatum strategy

加工、組立、温度、吸湿、保全後も意味を持つDatumを選びます。Sensor gapが樹脂面に依存する場合、その面がReference、交換Wear surface、Coverのどれかを定義します。必要ならMetal insert、Hard stop、Bushing、Adjustmentで安定性を確保します。

18. Supplier drawingとFirst article

Material grade、Process、Shrinkage、Surface、Edge、Insert、Torque、Inspection、PackingをDrawingへ含めます。First articleで寸法、Warp、Crack、Flash、Insert、Texture、Functionを確認し、「見た目が良い」をAcceptanceにしません。

19. ChemicalとCleaning compatibility

Cleaning agent、Lubricant、Coolant、Adhesive、Alcohol、Oil、Process chemicalを列挙します。Stress crack、Swelling、Discoloration、Friction loss、Residueを、温度と時間を含めて試験します。

20. LifecycleとReplacement baseline

Part revision、Material、Process、Supplier、Alternate、Service limit、Replacement、Inspection、Baselineを記録します。SupplierがGradeやProcessを変えたら、旧Drawingを自動承認せず、寸法、荷重、環境、寿命を再確認します。

21. 樹脂部品レビュー

[ ] MaterialとProcessが荷重・環境に合う。
[ ] 温度、吸湿、保全後もDatumと許容差が安定する。
[ ] Stress、Creep、Thread、Wear、Chemical、ESDを管理した。
[ ] Supplierが定義形状を製造・検査できる。
[ ] First articleとLifecycle evidenceをBaselineへ保存した。

22. Assembly variationを管理する

樹脂部品は、同じDrawingでも成形条件、保管、温度、締付順序、Operatorの力で結果が変わります。Assembly work instructionへ、向き、支持、Torque、Gap、測定、Crack check、再調整、良品判定を入れます。締付けで歪みを作らないよう、部品を平らに置く方法と基準を示します。

23. WearとReplaceability

接触面が摩耗する場合、部品全体を捨てるのか、Pad、Insert、Bushingだけを替えるのかを設計します。交換部品のID、向き、調整、検証、在庫、廃棄、Baselineを管理し、摩耗限界を「異音」だけで判断しません。

24. CleanlinessとESD

粉、バリ、油、静電気が製品やSensorへ影響する場合、材料、表面、Cleaning、Packaging、Grounding、Handlingを定義します。樹脂を選ぶだけでESD riskが消えるとは限らず、測定とReleaseを含めます。

樹脂部品のEvidenceをBaselineへ確実に保存します。

公開参考資料

25. SupplierとのFirst article review

寸法だけでなく、Material certificate、Process condition、Warpage、Insert、表面、重量、包装、測定器、Sample数を確認します。Critical featureには写真、測定値、許容差、Reviewer、Revisionを残し、Supplier変更時に同じ比較ができるようにします。

26. Failure後のRCAと変更

Crack、Creep、Thread strip、Deformationが起きたら、材料、荷重、温度、取付、Tool、Cleaning、Supplier、設計許容差を調べます。部品交換だけで閉じず、FMEA、Drawing、Maintenance、Spare、検証、Baselineへ原因と処置を戻します。

27. 樹脂設計のEvidence

最終図面、Material、Process、First article、Function、Life、Environment、Assembly、Service、Inspectionの証拠を一つのPackageへまとめます。次の担当者が、なぜこの樹脂、この形、この許容差、この交換方法なのかを追跡できることが、長期耐久の一部です。

公開参考資料

ISO 178 — Plastics flexural properties: https://www.iso.org/standard/70513.html
ISO 527 — Plastics tensile properties: https://www.iso.org/standard/75824.html

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