材料 #07：PEEK樹脂とは？機械部品でいつ使うべきか
機械設計では、通常のように金属を使えない部品に出会うことがよくあります。
例：
- 薬品環境にある部品
- 電気絶縁が必要な部品
- 清浄環境で使う部品
- 金属より軽くしたい部品
- 錆びてはならない部品
- 良い耐熱性が必要な部品
- 摺動するが油やグリスを使いたくない部品
そのとき、設計者はエンジニアリングプラスチックを考え始めます。
POM、MCナイロン、PTFE、PPS、PEI、PEEK……
その中で、PEEKは非常に強力な材料です。
しかし非常に高価でもあります。
ですから、PEEKは良いと見たら使う材料ではありません。
本記事は、機械部品設計の観点でPEEK樹脂の基本点を記します。PEEKはどこが強いか、どんな種類があるか、いつ使うべきか、そしていつ使うべきでないか。
1. PEEKとは？
PEEKは次の略です。
Poly Ether Ether Ketone（ポリエーテルエーテルケトン）
日本語では通常こう呼ばれます。
PEEK材 ピーク材 ポリエーテルエーテルケトン
PEEKは スーパーエンジニアリングプラスチック のグループに属します。つまり高級なエンジニアリングプラスチックです。
非常に単純に分けると、次のようにイメージできます。
| 樹脂材料グループ | 例 | 素早い理解 |
|---|
| 汎用プラスチック | PE、PP、PVC、ABS | 安く使いやすいが、耐熱の限界があり機械的性質もそれほど高くない |
| エンジニアリングプラスチック | POM、PA、PC、PET | 機械部品、治具、歯車、ローラーに多用 |
| スーパーエンジニアリングプラスチック | PEEK、PPS、PEI、PI | より難しい環境向け：熱、薬品、清浄、高負荷 |
PEEKは高級グループにあります。
節約のために単純な部品に使う樹脂ではありません。
PEEKは通常、一般的な材料が作業条件に耐えられないときに選ばれます。
要するに：
PEEKは、耐熱・耐薬品性、良好な機械的性質の維持、難環境での安定動作が必要なときに使う樹脂材料である。
2. なぜPEEKは高く評価されるのか？
PEEKは、通常同時に持つのが非常に難しい多くの特性をバランスさせるため、高く評価されます。
多くの材料は一面だけ強いものです。
例：
PTFEは耐薬品性が非常に良く摩擦が低いが、柔らかく変形しやすい。
POMは加工しやすく価格が妥当で、一般的な機械部品によく使えるが、耐熱・耐薬品性はPEEKに及ばない。
金属は硬く荷重によく耐えるが、重く、導電し、錆び、または一部の清浄環境で不適な場合がある。
PEEKは違います。
PEEKは、良い耐熱性、良い耐薬品性、良い機械的性質、良い電気絶縁性を併せ持ち、しかも精密な機械部品に加工できます。
だからこそ次で使われます。
- 半導体装置
- クリーンルーム内の機械
- 電子検査治具
- 耐薬品部品
- 耐熱部品
- 医療機器
- 航空宇宙
- 一部の特殊な摺動部品
しかしその代わり、PEEKの価格は非常に高いのです。
ですから、設計するときの問いは次ではありません。
「PEEKは良いか？」
PEEKは良い。それはほぼ議論の余地がありません。
正しい問いはこうでなければなりません。
この部品は本当にPEEKを使う必要があるか？
3. PEEKの主な特性
PEEKを選ぶときは、特性のグループごとに見るべきです。
「PEEKはとても優れている」と聞くだけで図面に入れてはいけません。
良い耐熱性
PEEKは他の多くのエンジニアリングプラスチックと比べ、非常に良い耐熱性を持ちます。
多くの資料で、PEEKの連続使用温度はグレードと作業条件により、通常 240〜260°C あたりにあります。
これは熱可塑性樹脂として非常に高い水準です。
多くの機械部品で、POM、PA、PCの耐熱が足りない場合、PEEKは検討すべき案になりえます。
ただし、耐熱があるからといって、熱い環境に入れればよいわけではありません。
なお確認が必要です。
- 連続温度か短期温度か？
- 熱いときに機械的荷重があるか？
- 同時に薬品があるか？
- 加熱後に精密寸法の要求があるか？
- 長期荷重下でクリープするか？
材料設計は、一つの温度の数字だけを見るべきではありません。
良い耐薬品性
PEEKは多くの種類の薬品に非常によく耐えます。
これが、PEEKが薬品処理装置、半導体装置、特殊環境の治具でよく使われる理由です。
しかし、あらゆる薬品に不滅な材料はありません。
PEEKにも慎重に確認すべき環境、例えば一部の特殊な強酸があります。
ですから、薬品環境で使うなら、明確に尋ねる必要があります。
- 薬品は何か？
- 濃度はどのくらいか？
- 温度はどのくらいか？
- 接触時間はどのくらいか？
- 連続浸漬か、飛沫付着だけか？
- 薬品接触中に機械的荷重があるか？
一般的に「耐薬品」とだけ記すのでは不十分です。
多くの一般樹脂より良い機械的性質
PEEKは多くのエンジニアリングプラスチックと比べ、良い機械的強度と硬さを持ちます。
より安定した形状を保つ必要のある部品、より荷重に耐える部品、または他の樹脂が弱り始める温度で働く部品に使えます。
とはいえ、PEEKは樹脂です。
鋼と直接比べて、鋼のように荷重に耐えると期待すべきではありません。
荷重部品にPEEKを使うときは、なお確認しなければなりません。
- 応力
- 変形
- 経時のクリープ
- 作業温度
- 荷重方向
- 肉厚
- 応力集中を生む鋭利な角
- はめあい条件
特に、ねじ締め、圧入、長期クランプの部品では、クリープに注意が必要です。
樹脂は荷重下で経時的に徐々に変形しうるのです。
PEEKは他の多くの樹脂よりクリープに強いですが、クリープしないという意味ではありません。
4. PEEKは一種類ではない
これは非常に重要な点です。
多くの人は、PEEKが一種類しかないかのように「PEEKを使う」と言います。
実際にはPEEKには多くの異なるグレードがあります。
各グレードは異なる目的のために作られています。
強度と靭性を優先するものがあります。
硬さを優先するものがあります。
摺動を優先するものがあります。
帯電防止を優先するものがあります。
医療用のものがあります。
半導体用のものがあります。
ですから、図面にこう記すのは：
Material: PEEK
しばしば不十分です。
部品が重要なら、グレードを明記するか、少なくとも達成すべき性能要求を記すべきです。
例：
- PEEK natural
- PEEK GF30
- PEEK CF30
- PEEK sliding grade
- PEEK ESD / conductive grade
- PEEK medical grade
グレードを間違えても依然PEEKですが、結果は大きく異なりえます。
5. PEEK natural – 基本の種類、最初に思いつく
PEEK naturalは無強化タイプで、メーカーにより通常は淡い茶色や自然色です。
これは基本のPEEKです。
PEEK naturalの利点は、次のバランスが良いことです。
摺動、帯電防止、硬さ向上、医療など特別な要求がまだないなら、PEEK naturalは通常、検討の出発点です。
しかし、あらゆる場合にnaturalを既定とすべきではありません。
部品がより高い硬さを必要とするなら、PEEK naturalでは足りないことがあります。
部品が乾式摺動ブッシュなら、PEEK naturalが良い選択とは限りません。
部品がESD環境で使われるなら、PEEK naturalは帯電しうるのです。
ですから、naturalは始めやすい種類ですが、あらゆる課題を解決する種類ではありません。
6. PEEK GF – ガラス繊維で硬さを上げる
PEEK GFは通常、ガラス繊維で強化されたPEEKです。
よく見る例は、約30%のガラス繊維を含む種類です。
主目的は次を上げることです。
この種類は、部品が形状をよく保つ必要がある、反りが少ない、またはPEEK naturalより高い荷重に耐える必要があるときにより適します。
しかし注意すべき点があります。
ガラス繊維を加えると、材料は通常硬くなりますが靭性が下がることがあります。
より分かりやすく言えば：
より硬いことは、あらゆる場合に壊れにくいことを意味しない。
部品は変形により耐えられますが、鋭利な角、衝撃、または不合理な圧入を設計すると、欠けやすく割れやすくもなりえます。
さらに、PEEK GFはPEEK naturalより加工が難しいのです。
ガラス繊維は工具をより速く摩耗させます。
加工現場が不慣れなら、表面がきれいでなく、寸法が不安定、または部品の縁が欠けやすくなりえます。
7. PEEK CF – 炭素繊維で硬さを上げる
PEEK CFは炭素繊維で強化されたPEEKです。
PEEK GFと比べ、この種類は通常より高い硬さ、より良い寸法安定性を持ち、耐摩耗やより良い熱伝導が必要な一部の用途でより良い性能を持ちます。
PEEK CFは通常、次で検討されます。
- 高い硬さを要求する部品
- 寸法安定性が必要な部品
- 高温で働く部品
- 一部の摺動または耐摩耗部品
- 金属より軽量化が必要な機構
しかしこの種類にも欠点があります。
価格が高い。
加工が難しい。
工具の摩耗が速い。
材料もnaturalより脆くなりうる。
部品に小さな溝、鋭い角、小さな穴、小さなねじ、薄肉があれば、加工性を慎重に確認する必要があります。
CFを「より高級」と見てすぐ選ぶべきではありません。
多くの場合、PEEK naturalやPEEK GFで十分です。
CFの特性が本当に必要なときにCFを選びましょう。
8. PEEK sliding grade – どのPEEKもよく摺動するわけではない
ここは非常に誤解しやすい点です。
多くの人はPEEKが高級樹脂と聞き、PEEKはよく摺動すると考えます。
必ずしもそうではありません。
PEEK naturalは、乾式摺動部品に常に適するわけではありません。
摺動ブッシュ、スライダー、摩擦部品を作る必要があるなら、sliding grade を見る必要があります。
PEEK sliding gradeは通常、次のような添加剤を配合しています。
目的は摩擦を減らし耐摩耗性を上げることです。
この種類は次の位置により適します。
- 油やグリスを使いたくない
- 多くの汚れを発生させてはならない
- 清浄環境で動かす必要がある
- 安定した摩擦が必要
- 通常のPOMやPTFEより良い耐熱が必要
しかし摺動部品では、材料を選んで終わりにはできません。
さらに確認が必要です。
- 面荷重
- 摺動速度
- 発生する熱
- 相手材料
- 相手部品の表面粗さ
- 塵、薬品、水があるか
- 完全に乾式で動くか、軽く潤滑があるか
摺動部品の設計では、材料は一部にすぎません。
相手面と実際の運転条件も同じくらい重要です。
9. PEEK ESD / conductive – 静電気を制御する必要があるとき
PEEK naturalは通常、良い電気絶縁性を持ちます。
これは多くの場合有益です。
しかし半導体、電子、クリーンルーム、または敏感部品を扱う環境では、絶縁が良すぎると問題を起こすことがあります。
材料が帯電しうるのです。
静電気放電が起こると、電子部品が損傷することがあります。
そのために帯電防止または導電性のPEEKグレードがあります。
これらの種類は通常、表面抵抗を調整するため炭素や導電フィラーを配合しています。
目標は常に強く導電させることではありません。
多くの場合、電荷を徐々に逃がし、帯電と急な放電を避けるだけで十分です。
PEEK ESDは通常、次で使われます。
- 電子部品を掴む治具
- 部品支持トレイ
- 半導体装置内の部品
- クリーンルーム内の治具
- ESD敏感製品の近くに接触する部品
環境にESD要求があるなら、感覚でPEEK naturalを使うべきではありません。
正しいグレードを選び、顧客の要求や社内基準に従って抵抗のパラメータを確認する必要があります。
10. PEEKはどこで多く使われるか？
PEEKは通常、一般的な材料では要求を十分に満たせない場所に現れます。
半導体装置とクリーンルーム
これはPEEKをよく使う分野の一つです。
理由は、PEEKが多くの適した特性を持つことです。
- 良い耐薬品性
- 良い耐熱性
- 正しく使えば一部の他材料より発塵が少ない
- 帯電防止グレードがある
- 精密に加工できる
- 清浄環境の多くの部品に適する
例：
- 位置決め治具
- 支持トレイ
- クランプ部品
- ガイド
- スペーサー
- 絶縁部材
- 薬品や熱のある領域の部品
ただし、クリーンルーム環境は材料が何かだけを問うのではありません。
さらに見るべきです。
- パーティクルを発生させるか？
- アウトガスするか？
- どの薬品に接触するか？
- ESD要求はあるか？
- 色付き材料やフィラーは使えるか？
- 材料証明書が必要か？
PEEKは強い候補ですが、なお具体的な要求に照らして確認しなければなりません。
医療機器
PEEKは、滅菌に耐え、安定し、一部の生体適合グレードがあるため、医療分野でも使われます。
しかしこれは特別な領域です。
医療用に使うなら、通常の工業用PEEKを取って無造作に使うことはできません。
正しいmedical grade、正しい認証、正しい材料管理、正しい生産工程が必要です。
一般的な機械設計では、PEEKに医療応用があると理解するだけにとどめ、どのPEEKも医療に使えると自分で推論すべきではありません。
絶縁・耐熱部品
PEEKは良い電気絶縁性と高い耐熱性を持つため、次に使えます。
- 絶縁部材
- スペーサー
- ホルダー
- 熱源に近い部品
- 一般樹脂より良い機械的強度が必要な電気ユニット内の部品
しかし、目的が常温での単純な絶縁だけなら、PEEKは高すぎることがあります。
そのときは、条件により、まずPOM、MCナイロン、PPS、PEI、エポキシガラス、セラミックなど他の材料を検討できます。
特殊な摺動部品
適したグレードなら、PEEKは難環境の摺動部品に使えます。
例：
- 潤滑できない
- 高温
- 薬品がある
- 清浄が必要
- 軽量化が必要
- 金属を避ける必要がある
しかし「摺動」と見てすぐPEEKを選ぶべきではありません。
POM、PTFE、UHMW-PE、ブロンズ、標準ベアリング、リニアガイド……が場合によりより適することがあります。
PEEKは、作業条件が本当にそれを必要とするときにのみ使う価値があります。
11. 最大の欠点：高価
PEEKは高価です。
これは明確に言わねばなりません。
多くの場合、PEEKの材料価格はPOM、PA、PTFE、一般的なエンジニアリングプラスチックよりずっと高くなりえます。
CF、sliding、ESD、medical gradeのような特殊グレードを選べば、価格はさらに高くなります。
材料費のほかに、加工費もあります。
PEEKは常に加工しやすいわけではありません。
部品が高精度を必要とするなら、次が必要になることがあります。
- より良い工具
- より適した切削条件
- より良い熱制御
- 荒加工と仕上げ加工の分離
- 応力除去焼鈍
- 加工後の寸法検査
- 治具を外した後の変形制御
ですから、PEEKを選ぶときは、材料のkg単価だけで比べるべきではありません。
全体を見る必要があります。
- この部品が壊れたら損害はいくらか？
- 機械停止は材料費より高くつかないか？
- 保守を減らすか？
- 汚染リスクを減らすか？
- 寿命を延ばすか？
- 金属や油・グリスの使用を避けられるか？
- 顧客の必須要求があるか？
PEEKが機械をより安定させ、不良を減らし、停止を減らし、汚染を減らすなら、高い価格は妥当でありえます。
しかし、常温、薬品なし、特別要求なしの単純なスペーサーだけなら、PEEKを使うのは無駄になりえます。
12. PEEKの加工には注意が必要
PEEKは切削加工できます。
次から作れます。
しかしPEEKの加工は、金属の加工とは違い、POMやMCナイロンとも完全には同じではありません。
いくつかの注意点：
切削時に熱が生じやすい
PEEKは樹脂なので、加工時の熱を制御する必要があります。
切削条件が不適切だと、材料が熱くなり、バリが多く、表面が悪く、または寸法が不安定になりえます。
強化タイプは工具を摩耗させる
PEEK GFやPEEK CFでは、内部のフィラーが工具を速く摩耗させることがあります。
工具が摩耗すると、表面が悪化し、寸法が動き、縁が欠けたり焼けたりします。
ですから、強化PEEK部品では、事前に加工先と相談すべきです。
通常の樹脂部品のように図面を送るだけにすべきではありません。
加工後に反ることがある
PEEKは半結晶性の材料です。
素材は生産工程からの残留応力を持ちうる。
加工で材料を取り除くと、内部応力が解放され、部品が曲がり、反り、または寸法が変わることがあります。
これは次でより起こりやすいのです。
- 薄い部品
- 長い部品
- 両側で不均等に材料を取る部品
- 高い平面度を要求する部品
- 厳しい公差を要求する部品
そうした場合、荒加工し、応力除去焼鈍を行い、それから仕上げ加工が必要になることがあります。
日本語では通常こう呼ばれます。
アニーリング処理
これは、図面を確定する前に供給元や加工先に尋ねるべき点です。
13. いつPEEKを使うべきか？
部品が次のいずれか、または複数の条件を持つとき、PEEKを検討できます。
- 高い作業温度
- 薬品がある
- 絶縁が必要だが良い機械的性質も必要
- クリーンルーム用の清浄材料が必要
- 特殊グレードで帯電防止が必要
- 金属より軽い部品が必要
- 難環境で耐摩耗や摺動が必要
- 一般樹脂より良い寸法安定性が必要
- より安い材料を試したが要求に達しなかった
- 顧客または規格がPEEKを指定
実際の例：
一般的な機械の小さなガイド部品、常温、薬品なし、ESDなし、大きな荷重なし。
この場合、PEEKを選ぶのは過剰でありえます。
しかし、半導体装置内のクランプ部品、薬品の近く、清浄が必要、耐熱が必要で金属を使いたくない。
この場合、PEEKは検討に値します。
良い設計は、常に高級材料を選ぶことではありません。
良い設計は、作業条件にちょうど十分な材料を選ぶことです。
14. いつPEEKを使うべきでないか？
良いと聞いただけでPEEKを使うべきではありません。
見直すべきいくつかの場合：
加工しやすく価格の妥当な樹脂だけが必要
部品が常温の単純な支持、カバー、スペーサーだけなら、POMやMCナイロンで十分でありえます。
耐薬品だけが必要で高負荷ではない
薬品により、PTFEや他のフッ素樹脂がより適することがあります。
常温条件での軽い摺動だけが必要
POM、UHMW-PE、MCナイロン、PTFE、または標準ブッシュがより経済的でありえます。
部品が大きすぎる
PEEKは非常に高価です。
部品が大きいほど材料費が痛いのです。
大きな部品にPEEKを選ぶ前に、次ができないか見直すべきです。
- 重要な接触部だけにPEEKを使う
- 小さなPEEKインサートを使う
- 主体は金属を使う
- 他のより安い材料を使う
- PEEKの量を減らす構造に変える
図面が要求を明確にしていない
図面が選定理由も、グレードも、作業環境も不明のまま「PEEK」とだけ記すなら、間違えやすいのです。
PEEKのような高価な材料ほど、要求を明記する必要があります。
15. あいまいさを減らすPEEKの図面記載
単純な部品では、多くの企業がこうとだけ記すかもしれません。
Material: PEEK
しかし重要な部品では、より明確にすべきです。
例：
Material: PEEK natural
または：
Material: PEEK GF30
または：
Material: PEEK sliding grade
または：
Material: PEEK ESD grade
具体的な材料メーカーがあれば、材料コードや同等グレードで記せます。
例：
Material: PEEK natural, Ketron 1000 PEEK or equivalent
または：
Material: PEEK CF30 or equivalent
企業と顧客により記載の仕方は異なりえます。
しかし原則は：
購買や加工先にPEEKの種類を推測させない。
帯電防止性能が必要なら、抵抗の要求を記さねばなりません。
sliding gradeが必要なら、sliding gradeと明記せねばなりません。
medical gradeが必要なら、グレードと必要な認証を明記せねばなりません。
色、清浄度、材料証明書が必要なら、最初から記すべきです。
16. 機械部品にPEEKを選ぶときのチェックリスト
PEEKを確定する前に、素早く確認しましょう。
作業条件
- 作業温度はどのくらいか？
- 連続温度か短期温度か？
- 薬品はあるか？
- 蒸気、熱水、溶剤、油、グリスはあるか？
- クリーンルーム要求はあるか？
- ESD要求はあるか？
荷重と機械的性質
- 部品はどんな荷重を受けるか？
- 静荷重か動荷重か？
- 衝撃はあるか？
- ねじ締め、圧入、長期クランプはあるか？
- クリープのおそれはあるか？
- 高い硬さの要求はあるか？
材料グレード
- PEEK naturalで足りるか？
- GFやCFが必要か？
- sliding gradeが必要か？
- ESD / conductive gradeが必要か？
- medical gradeが必要か？
- 材料証明書が必要か？
加工
- 部品は薄い・長い・反りやすいか？
- 公差は厳しすぎないか？
- 応力除去焼鈍が必要か？
- 加工先はPEEKの経験があるか？
- 工具、表面、バリ、鋭利な縁は考慮済みか？
コスト
- より安いが十分使える他材料はあるか？
- 重要部だけにPEEKを使えるか？
- この部品が壊れたら結果は何か？
- PEEKを使うと停止・不良・保守が減るか？
- 高い価格は顧客に受け入れられるか？
このチェックリストを通れば、感覚での材料選定を避けられます。
まとめ
PEEKは非常に強力な材料です。
良い耐熱性。 良い耐薬品性。 良い機械的性質。 良い電気絶縁性。 多くの難環境向けの多グレード。
しかしPEEKは非常に高価でもあり、常に加工しやすいわけではありません。
一般的な機械部品では、「念のため」というだけでPEEKを選ぶべきではありません。
POM、MCナイロン、PTFE、PPS、または他の材料で足りるなら、PEEKを使うのは無駄になりえます。
逆に、部品が高温・薬品・クリーンルーム・ESDの環境にある、または一般材料では満たせない安定性が必要なら、PEEKは非常に検討に値する選択です。
最も重要な点は、「PEEK」とあいまいに記さないことです。
PEEK natural、PEEK GF、PEEK CF、sliding grade、ESD grade、または他の特殊グレードのどれが必要かを知る必要があります。
材料設計は、最良の材料を選ぶことではありません。
材料設計は、正しい作業条件に対して正しい材料を、妥当なコストと最小のリスクで選ぶことです。
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