樹脂成形品の設計ポイント——抜き勾配・肉厚・ヒケ対策

機械設計の仕事をしていると、金属部品ばかりでなく樹脂成形品の図面を任されることも多い。カバー類、ハウジング、ノブ、コネクタ周りの小物部品……。私が20年のキャリアの中で客先常駐先を渡り歩いてきた経験でいうと、樹脂成形品の設計は「金属部品の感覚のまま描くと必ず痛い目に遭う」領域だと思っている。金属の板金・切削なら多少の見込み違いは加工屋が何とかしてくれることもあるが、樹脂成形は金型を起こしてしまった後の設計変更が致命的にコストと納期を食う。今回は、樹脂成形品の設計で最低限押さえておくべき「抜き勾配」「肉厚」「ヒケ・ボイド対策」を、現場で見てきた失敗も交えて整理したい。

樹脂成形設計で最初につまずくポイント

樹脂成形品の設計図面を初めて描く若手によくある失敗は、3D CADで自由に形状を作り込んでから、後になって「これ、型から抜けるんですか」と成形メーカーに指摘されるパターンだ。金属の削り出しなら形状がどうであれ工具を当てられる限り加工できてしまうが、樹脂成形は金型のキャビティに樹脂を流し込み、固まったら型を開いて突き出す、という物理的な制約が最初から形状に組み込まれていなければならない。

私が新人の頃、上司から「樹脂部品は金型のことを考えながら描け。CADの画面の向こうに金型が見えていないと事故る」と言われたのを今でも覚えている。当時はピンと来なかったが、実際に何度か試作段階で金型修正が発生する痛い経験をしてから、ようやく意味が分かった。抜き勾配・肉厚・ヒケという3つの要素は、それぞれ独立した問題に見えて、実は「型から良品を安定して抜く」という一つの目的でつながっている。

もう一つ、金属部品との決定的な違いがコストの発生タイミングだ。金属の切削品であれば、設計変更が発生してもプログラムを組み直して再加工すれば済むことが多い。しかし樹脂成形の金型は、キャビティ形状そのものを鋼材から削り出しており、量産用の金型ともなれば費用は数百万円、複雑な形状や多数個取りの金型では1000万円を超えることも珍しくない。しかも一度削った鋼材を「元に戻す」ことはできないため、抜き勾配や肉厚の見落としに後から気づくと、肉盛り溶接や部分的な入れ子交換といった応急処置で凌ぐか、最悪の場合は型を作り直すことになる。私はこの「後戻りのコストが桁違いに大きい」という一点だけでも、樹脂成形品の設計は金属部品以上に慎重な事前検討が要ると考えている。

抜き勾配の基本と目安角度

抜き勾配とは、成形品を金型から突き出すときに、型面と部品表面が擦れて傷つかないように、抜き方向に対してわずかな傾斜をつけることを指す。垂直な壁のまま設計すると、冷却収縮でわずかに樹脂が型にへばりつき、突き出しピンで押し出す際に白化(応力による白い傷)や変形が起きる。

目安としては、一般的な外観面で1度、シボ加工(梨地などの表面処理)を施す面では1度につきさらに1度前後の追加が必要になる。内部のリブやボスなど、型から抜けにくい深い形状では0.5度程度まで攻めることもあるが、これは成形メーカーと相談しながら詰める領域だ。

私が担当した案件で、意匠面のシボ加工を後から追加することになり、抜き勾配を再検討せずにそのまま金型を修正してしまい、成形のたびに白化傷が出るというトラブルがあった。シボ加工は表面の凹凸そのものが「抜けにくさ」を増やすため、勾配設計はシボ加工の有無・深さとセットで考えなければならない、という教訓を得た案件だった。

抜き勾配の考え方でもう一つ重要なのが「抜き方向をどこに取るか」という選択そのものだ。抜き方向を1方向に決めた瞬間、その方向と垂直な面には必ず勾配がつけられるが、逆に抜き方向と平行な複雑形状(横穴、アンダーカット形状)があると、スライドコアや傾斜ピンといった追加の金型機構が必要になり、金型費用が跳ね上がる。私は形状検討の初期段階で、まず「どちら向きに型を開くか」を決め、その方向から見て陰になる部分がなるべく出ないように全体形状を組み立てるようにしている。抜き勾配は、CAD上で3Dモデルを作り込んでから後付けで検討するのではなく、設計の初期段階、それこそラフスケッチの段階から抜き方向を意識しておくことが望ましい。最近の3D CADには抜き勾配解析(ドラフト解析)の機能が標準で付いていることが多く、抜き方向を指定すると勾配不足の面を色分けして表示してくれる。私は形状がある程度固まった時点で必ずこの解析をかけ、真っ赤に表示される面(勾配ゼロ、いわゆるアンダーカット面)がないかを確認する習慣にしている。この一手間を怠ると、成形メーカーに図面を渡した後になって「この面はスライド金型(横方向に動く入れ子)が必要です」と指摘され、金型構造が複雑化してコストが跳ね上がることになる。

肉厚設計——均一化という大原則

樹脂成形における最大の原則は「肉厚をできるだけ均一にする」ことに尽きる。金属部品の感覚だと、強度が必要な箇所は厚く、そうでない箇所は薄く、というメリハリをつけたくなるが、樹脂成形ではこの発想がそのままヒケや反り、内部応力の原因になる。

樹脂は溶融状態から金型内で冷えて固まる過程で体積が収縮する。肉厚が厚い部分は表面が先に冷えて固まり、内部はまだ熱く柔らかい状態が続くため、表面が内側に引っ張られて凹む。これが「ヒケ」だ。肉厚差が大きいほど、冷却速度の差が大きくなり、ヒケや反りが顕著になる。

一般的な樹脂材料ごとの推奨肉厚の目安は次の通りだ。

肉厚差については、隣接する部位の肉厚比を1.5倍以内に収めるのが一つの目安とされる。どうしても厚薄差が避けられない場合は、急激に段差をつけるのではなく、傾斜をつけて緩やかに肉厚を遷移させることで、応力集中とヒケの発生を抑えることができる。

ガラス繊維強化材を使う場合は、もう一段注意が必要になる。ガラス繊維は樹脂の流動方向に沿って配向する性質があり、流動方向とそれに直交する方向とで収縮率が異なる「異方性収縮」が起きる。この性質を知らずに肉厚だけを均一にしても、ゲートからの流動方向によっては予想外の反りが出ることがある。私が扱ったGF30(ガラス繊維30%配合)のブラケット部品では、平板形状にもかかわらず対角線方向に反りが発生し、原因を調べるとゲート位置と繊維配向の関係がぴったり一致していた。材料メーカーが公開している成形加工ガイドには、こうした異方性収縮のデータが載っていることが多いので、ガラス繊維材を使う際は一度目を通しておくことを勧めたい。

ヒケ・ボイドを防ぐリブ設計

強度を確保したいが肉厚を増やせない、という場面で使われるのがリブだ。ただし、リブの設計を誤ると、かえってヒケの原因になる。基本原則は「リブの厚みは、リブが立つ母材肉厚の50〜60%程度に抑える」ことだ。リブを母材と同じ厚みで立ててしまうと、リブの付け根に樹脂が集中し、その部分だけ冷却が遅れて表面にヒケが出てしまう。

リブの付け根には必ずR(フィレット)をつける。角のままだと応力集中が起き、リブの根元からのクラックの原因になる。付け根のRは肉厚の0.25〜0.5倍程度が一つの目安だ。

リブの配置についても工夫の余地がある。1本の太いリブで強度を出そうとするより、細めのリブを格子状・放射状に複数配置するほうが、局所的な肉厚集中を避けながら剛性を確保しやすい。私が扱った制御盤カバーの設計では、当初1本の厚いリブで補強していたが、成形時に必ずリブ裏側にヒケが出て外観検査で不合格になり続けた。リブを3分割して細くし、間隔を空けて配置し直したところ、ヒケはほぼ解消され、しかも剛性はむしろ向上した。太さで稼ぐより本数と配置で稼ぐという発想の転換が必要だった。

具体的な数値で考えると分かりやすい。母材肉厚が2.5mmの部品であれば、リブ厚は1.25〜1.5mm程度が目安になる。この数値は感覚的に「薄すぎるのでは」と不安になるかもしれないが、樹脂は金属に比べて剛性が低い分、リブの本数や高さ、配置パターンで補うのが基本的な考え方だ。1本あたりの厚みを欲張るより、リブの高さを確保する、あるいは交差させて格子状にすることで面剛性を上げるほうが、ヒケのリスクを抑えながら必要な強度を得やすい。どうしても外観面へのヒケの転写が許容できない場合は、リブ裏側の意匠面にあえて凹凸模様(シボやスジ彫り)を入れて、多少のヒケを視覚的に目立たなくするという逃げ道もある。これは根本対策ではないが、コストと品質のバランスを取る現実的な手段として現場ではよく使われる。

ボス設計と応力集中への対応

ネジ締結用のボス(円筒状の突起)も、ヒケと割れが集中しやすい要注意箇所だ。ボスの外径は内径(ネジ下穴やインサート圧入径)の2〜2.5倍程度を目安にすると、肉厚バランスが取りやすい。ボスの根元には必ずリブ状の補強(ガセット)を放射状につけて、母材との接続部の強度を高めるのが定石になっている。

ボスをそのまま太い円筒として母材から立ち上げると、その付け根部分だけ肉が厚くなり、リブと同様にヒケの原因になる。芯抜き(ボスの中を空洞にする)構造にすることで肉厚を均一に近づけられるが、芯抜きが深すぎると今度は金型のコアピンが折れやすくなるため、成形メーカーと抜き比(深さと径の比率)の限界について事前にすり合わせておく必要がある。

タッピンねじを直接ボスにねじ込む設計もよく見るが、樹脂材料と使用環境(振動・繰り返し着脱の有無)によっては割れやクリープ(応力緩和によるゆるみ)のリスクがある。繰り返し着脱が想定される箇所や高い締結力が必要な箇所では、金属インサート(圧入または成形時にインサート成形)を使う判断も設計段階で織り込んでおきたい。

特に高温環境で使われる装置の樹脂カバーでは、クリープの問題がより深刻になる。樹脂は金属と違い、常温でも荷重を掛け続けると徐々に変形が進むクリープ特性を持ち、温度が上がるほどその進行が速くなる。タッピンねじの締め付けトルクが最初は十分でも、半年、1年と経つうちにボス周りの樹脂がわずかに沈み込み、いつの間にかネジが緩んでいる、というトラブルを何度か見てきた。振動が伴う設備や、温度変化の大きい屋外設置の機器では、タッピンねじ単独に頼らず、座面に金属ワッシャーを介在させる、あるいは最初から金属インサートを採用するといった対策を、コストと相談しながら検討すべきだと考えている。

ウェルドラインとゲート位置の考え方

肉厚とリブの設計をどれだけ丁寧にやっても、樹脂を流し込むゲート(注入口)の位置が悪いと、外観や強度に影響するウェルドライン(複数方向から流れてきた樹脂が合流する筋)が目立つ位置に出てしまう。ウェルドラインは強度的な弱点になりやすく、意匠面では見た目の不良として問題になることも多い。

ゲート位置そのものは成形メーカー側で流動解析(モールドフロー解析)を行って決めることが多いが、設計者側でも「意匠面の目立つ場所にウェルドラインが出てほしくない」「この穴の周りは強度が必要だからウェルドラインを避けたい」といった要求を、図面や仕様書の段階で明示しておくことが重要だ。何も指示せずに丸投げすると、成形性だけを優先したゲート位置になり、後から意匠面のクレームが出て金型修正、という手戻りにつながる。

ウェルドライン部は見た目の問題だけでなく、強度的にも弱点になる点を忘れてはならない。樹脂の分子(ガラス繊維入りであれば繊維も)がウェルド部では流動方向と平行に配向しにくく、合流面での融着も完全ではないため、母材部に比べて引張強度が大きく低下することがある。ガラス繊維強化材では、ウェルド部の強度が母材部の半分程度まで落ち込む例も報告されている。ネジ穴の周りや荷重がかかるリブの付近など、強度が要求される箇所は、図面の特記事項として「この範囲にはウェルドラインを配置しないこと」と明記し、成形メーカーとの打ち合わせで流動解析の結果を確認してから金型設計に進んでもらうようにしている。

現場で見た失敗事例

最後に、私が実際に立ち会った失敗事例を紹介したい。ある制御機器の樹脂カバーで、外観面のフラットな部分に厚みのある取り付けボスを裏側に配置したところ、量産初回のロットで表面にはっきりとヒケが浮き出た。試作段階では気づかなかったのだが、量産用の高速成形サイクルでは冷却時間が短くなるため、試作(低速・じっくり冷却)では目立たなかったヒケが顕在化したのだ。

対策として、ボスの位置を意匠面の裏側から見えにくい場所にずらし、ボス自体も芯抜き構造に変更した。金型修正費用と量産開始の遅延が発生し、担当者としては手痛い経験だった。この一件から、試作評価は「成形条件(サイクルタイム)まで量産相当に近づけて確認する」ことの重要性を痛感した。試作機でゆっくり成形して合格を出しても、量産のタクトタイムでは別の顔を見せることがある、という教訓だ。

もう一つ、大型の樹脂パネルで肉厚不均一による反りが問題になった案件も紹介したい。装置の外装パネル(400mm角程度)で、意匠上の理由から一部だけリブを厚くしてしまい、成形後に対角で3mm近い反りが発生した。組み付け先の金属フレームにネジで固定すれば反りは矯正されるだろうと楽観視していたが、実際には無理な力で固定することで応力が残留し、数ヶ月使用したところでクラックが発生する不具合につながった。反りは「組み付ければ直る」ものではなく、根本原因である肉厚不均一を設計段階で解消しておかなければ、後々別の不具合として顔を出す、ということを痛感させられた案件だった。

まとめ——樹脂成形品設計のチェックリスト

樹脂成形品の設計は、金属部品とは異なる「型から抜く」「均一に冷える」という物理現象を前提に考える必要がある。最後に、私が図面を出す前に必ず自分に問いかけているチェック項目を挙げておく。

• 抜き勾配は全ての抜き方向の面に確保されているか、シボ加工がある場合は追加の勾配を見込んでいるか
• 肉厚は均一か、厚薄差がある場合はなだらかに遷移させているか
• リブの厚みは母材肉厚の50〜60%以下に抑えているか、付け根にRはついているか
• ボスは芯抜き構造になっているか、根元にガセットはあるか
• 意匠面や強度が必要な箇所にウェルドラインが出ないよう、ゲート位置の要求を伝えているか

これらは特別な理論ではなく、樹脂成形の現場で何十年も蓄積されてきた経験則の集合だ。設計者が最初からこれらを織り込んでおけば、金型を起こした後の手戻りは大きく減らせる。私自身、今でも新しい樹脂部品を描くたびに、この基本に立ち返るようにしている。

樹脂成形品の設計は、突き詰めれば「樹脂が金型の中でどう流れ、どう冷えて固まるか」という物理現象への想像力が問われる仕事だ。CADの画面上では滑らかに見える形状でも、実際の成形工程では思わぬ場所に応力やヒケが集中する。だからこそ、成形メーカーの担当者と早い段階から図面を共有し、量産経験に基づいた指摘をもらいながら形状を詰めていくことが、結局は一番の近道になる。私は新しい樹脂部品の案件が来るたびに、まず成形メーカーに試作前の形状レビューを依頼するようにしている。金型を切ってからでは遅い、という当たり前の事実を、何度も痛い目に遭いながら体に染み込ませてきたからだ。