成形性を配慮した設計で開発期間短縮を(その1)


 昨今の工業製品にはあらゆる箇所に樹脂部品が使われている。安定した大量生産が可能なこと、金属部品に比べその加工が割安なこと、複数の部品を一体化した構造が作りやすいこと、軽いことなど数々の利点がありここ20年の間に驚くほどその利用箇所が増えてきた。そしてその樹脂部品を作成するには、何らかの成形と言う加工工程が伴い、その樹脂の種類や用途により多様な成形方法がある。
 現在世の中で最も用いられている樹脂に、熱可塑性樹脂と呼ばれる部類の樹脂がある。熱を加えると溶融し、冷やすと固まる性格を持った樹脂だ。大きいものでは車のバンパーやインパネに始まり、テレビなど家電製品の筐体、小さいものでは携帯電話の筐体から、諸々の機構部品に用いられている種類の樹脂である。またその樹脂素材の機械的特性は車のバンパーなどのように柔らかいものや、日用品に用いられる割合脆いものから、機構部品や軸受けなどに用いられる金属材料にも取って代われるものまで、極めて広い範囲をこの熱可塑性樹脂はカバーしている。
 そしてほとんどの熱可塑性樹脂製品(部品)は、射出成形と呼ばれる成形方法を用い成形される。ペレット状の樹脂素材を熱で溶融して、それに圧力をかけ金型の中に射出注入し、冷やして固まったところを金型の中から取り出す成形方法だ。
 ところがこの射出成形と言う加工法は案外難しい加工方法でこれまで多くの設計者や成形技術者を悩ませてきた。例えば、樹脂を射出注入する圧力が十分でないと、樹脂が金型の中を十分に回りきれずに中途半端な不良品しか取り出せない様な事が起こる。射出注入する圧力が妥当でも、金型中の樹脂の周り方が悪いと、流れの先端部分が固まり始めた状態で、複数の流れが出会うような状況が起こる事がある。これがウエルドラインと呼ばれる、しっかりと樹脂同士が結びつかない欠陥個所(強度的に極めて弱い部分)である。また樹脂部品の形状が複雑に入り組んであり、極めて薄い板厚や厚い板厚が不規則に入り交じっているような状態では、樹脂が十分に流れない現象、ウエルドラインの発生、さらにはソリやヒケなどの成形欠陥が複合して現れることになる。
 通常樹脂部品を用いた新商品開発においては、試作金型を作成し試作評価用の部品確保を図る。最近では3次元CADデータを元にキャビ・コアー部分(固定型・可動型)を直接切削加工で極めて短い期間に試作金型を調達するケースも出てきた。3次元CADで製品形状が出来ているため、抜き勾配やアンダーカットの処理だけしてやれば、容易にキャビ・コアー用NC切削データが生成できるからだ。
 ところがこのような取り組みを行ったとき、従来だと試作型設計段階で必ずチェックの入った、金型設計者や成形技術者の製品形状に対するチェックが入らない場合が出てくる。これまでだと板厚のバランスが悪くて流れ辛い製品形状や、ウエルドラインの出やすい形状などは、前もってこれらの技術者から指摘され、試作金型段階で製品形状への折り込みが少なからず出来た。この様なチェックが無くなった場面では、試作金型段階で充填不良が出たり、致命的なウエルドラインが出たりする新しい問題が起こる様になって来たのである。
 またこのような取り組を行っていない場合で、同じような問題が起きているケースがある。金型設計者や成形技術者の意識低下と技術力低下によるものだ。長引く不況による、成形メーカや金型メーカの体力低下もその大きな原因であろうが、一部のこれら技術者のスキル低下は目を覆いたくなるものがある。10年前に計測したファーストトライ時の指摘不具合件数に比べ、昨今の指摘不具合件数が一桁増加してしまっている例さえ最近見かけた。
 さてこのような状況下で、樹脂部品を用いた商品開発を行なっている設計者が、選らばなければならない道は自ずと見えてくる。従来だと、金型設計者や成形技術者に頼っていた、試作型設計段階での製品形状に対するチェックを、自らの手で行うことである。より効率の良い商品開発を目指したとき、より滞りの無い商品開発を目指したとき、商品開発設計者自身がその商品形状を決める段階で、その成形性までをも十分に考慮した設計を行わなければならないと言うことである。
 では、基本的に金型設計や成形技術の経験がない商品設計者が、どの様な手段や道具を用いこの問題に対処したらよいかと言う話になる。そこで、このような用途に用いることが出来る道具のひとつである、Moldflow Plastics Adviserを具体的に取り上げ、そのアプローチの考え方を次回では述べてゆく。