樹脂成形した嵌合部品を正確に測定する方法

射出成形

射出成形では、加熱溶融した樹脂を、金型内に注入・充填して成形します。高圧で樹脂を注入・充填するため、肉厚の薄いものや複雑な形状の製品も高速に成形でき大量生産に適しています。主に、熱可塑性樹脂の成形に用いられますが、まれに熱硬化性樹脂の成形にも用いられます。

射出成形の基本的な原理は以下のとおりです。
(1)材料樹脂をホッパーから投入し、加熱溶融させ可塑化する。
(2)金型などを用いて一定の形に成形する。
(3)冷却して、金型の形状に固める。

その後、装置から成形品を取り出し、各種工程・検査を経て樹脂製品となります。射出成形で作られる主な製品は以下のとおりです。

• スマートフォンのカバー
• 電機製品の筐体・プラモデル
• 風呂の椅子やトイレの便座
• 自動車のバンパーや内装パネル

このように、小・中型の製品から大型部品まで多種多様な樹脂製品の成形・量産に用いられていることから、代表的な樹脂成形方法といえます。射出成形には製造する製品に応じて、さらに以下の方法に分類されます。

インサート成形：

あらかじめ金型に金属のネジや端子など（インサート品）を入れ、その周囲に樹脂を注入し、一体に成形（複合成形）する成形法です。

多色成形・異材成形：

異なる色や材質の樹脂を組み合わせ、一体に成形する成形法です。

フィルムインサート成形・フィルムインモールド成形：

フィルムインサート成形とフィルムインモールド成形は、樹脂製品のロゴや文字・電機製品のメンブレンスイッチ・自動車内装（シフトパネルなどの樹脂部品）の表面加飾に用いられ、「加飾成形」といいます。
フィルムインサート成形は、あらかじめ、柄や光沢・つや消しなどを印刷したフィルム（加飾用フィルム）を金型内にセットしておき、射出成形時の熱と圧力により金型内のフィルムと樹脂を貼り合わせて一体にする成形法です。フィルムインモールド成形は、金型内に加飾用フィルムをセットし、射出成形時にフィルムの装飾を樹脂に転写する成形法です。

ブロー成形（中空成形・吹込み成形）

ブロー成形は、加熱溶融した樹脂をパイプ状に押し出して金型で挟み、内側から空気を吹き込んで膨らませて成形します。空洞の樹脂成形品の製造に適しており、製造方法から「吹込み成形」または「中空成形」とも呼ばれます。ブロー成形で作られる主な製品は以下のとおりです。

• ペットボトル
• 液体化粧品・液体洗剤などの容器
• 配管
• 配管継手

液体を充填する場合、液体の特性によって樹脂を使い分ける場合があります。たとえば、酸素の透過による酸化を防ぐ必要がある場合は、ガスバリア性のある樹脂を用います。耐薬品性が求められる場合は、薬品で変質しない樹脂を含む複数の成形材料を層状に成形します。
ブロー成形には製造する製品に応じてさまざまな方法があります。ここでは、代表的なブロー成形法について説明します。

押出しブロー成形（ダイレクトブロー成形）：

押出しブロー成形機の基本的な構造と原理は以下のとおりです。

1. (1)溶融樹脂を押し出す。
2. (2)ダイで円筒状のパリソン（ホットパリソン）を成形する。
3. (3)冷却・固化させず、金型内に入れる。
4. (4)空気を吹き込んで成形する。

射出ブロー成形（射出延伸/2軸延伸ブロー成形）：

射出ブロー成形機の基本的な構造と原理は以下のとおりです。代表的な製品として、ポリエチレンテレフタレート（PET）を材料としたペットボトルが挙げられます。

1. (1)熱可塑性樹脂をあらかじめ試験管状のプリフォーム（コールドパリソン）として射出成形する。
2. (2)プリフォームを加熱し延伸ロッドで金型内に伸ばし入れる。
3. (3)高圧空気を吹き込んで成形する。

多層ブロー成形：

パリソンには、内容物の酸化・変質防止、強度向上のためにガスバリア性の高いエチレン・ビニルアルコール共重合体（EVOH）などを共押出しした素材を使用します。したがって、この成形法は、食用油や調味料・ガソリンタンクなどの樹脂容器の成形に適しています。
多層ブロー成形の基本的な原理は以下のとおりです。

1. (1)2種以上の材料樹脂を共押出しして、多層のプリフォーム（コールドパリソン）を成形する。
2. (2)プリフォーム（コールドパリソン）を加熱する。
3. (3)空気を吹き込んでブロー成形する。

三次元ブロー成形：

縦方向にパリソンを入れる押出し（ダイレクト）ブロー成形と異なり、材料のドローダウンやバリの発生を回避した三次元形状の成形が可能です。
この成形方法は、空調機のホースや配管など、湾曲部や蛇腹のある複雑な形状の製品を高品質に製造することができます。

1. (1)押出機でアキュムレーターに樹脂を充填し、パリソンを成形する。
2. (2)反対出口からエアー吸引を行う。パリソンが金型内の形状に沿うようにして金型下部まで行く。
3. (3)空気を吹き込んでブロー成形する。

反り（そり/ソリ）・うねり

樹脂成形品の反り・うねりは、ワークが弓のように湾曲している状態のことで、曲がり、ねじれと呼ぶこともあります。また、反りは方向によって順反りや逆反りがあります。
一方、うねりはさまざまな方向の反りが複合してできた表面の凹凸のことです。樹脂成形品の反り・うねりは主に以下の原因で発生します。

• 樹脂収縮の差
• 金型温度の不均等
• 流動方向による溶融樹脂の収縮率の違い

樹脂収縮の差：

キャビティ内の温度や圧力のバラつきにより樹脂に収縮差があると、反りが発生します。キャビティ内の樹脂の収縮の大きさは、温度に比例し圧力に反比例します。このため、たとえば1つのワークに細い部分と太い部分がある場合、細い部分は温度が低いため収縮が小さく、太い部分は熱が蓄えられているため大きく収縮します。この温度の差によりキャビティ内で収縮に差異が生じ、反りという変形が発生します。

金型温度の不均等：

金型の温度が不均等であると、キャビティ内の樹脂に収縮差が生じて反りが発生します。たとえば、金型の冷却時間が部分によって異なると、樹脂の収縮量に差異が生じ、反りが発生します。

流動方向による溶融樹脂の収縮率の違い：

樹脂の流動方向によって収縮率が異なるため、反りやうねりが発生します。樹脂にグラスファイバーなどを配合している場合、樹脂が多く流れる方向に繊維が配向します。このため、樹脂が流れる方向の収縮は小さくなり、樹脂の流れに対して垂直方向の収縮は大きくなります。これを「繊維配向による収縮の異方性」といい、これが原因で反りが発生します。

ひずみ

樹脂成形品のひずみは、ワーク全体がねじれたり反ったりする現象で、主に残留応力によって生じます。樹脂成形における残留応力とは、樹脂成形品の中に残る内部ひずみのことで、外側に向かう力が残る「引張残留応力」と、内側に向かう「圧縮残留応力」があります。
「引張残留応力」は、高圧力で金型に射出した溶融樹脂が金型内で外側から冷えて固まる（固化する）ときに発生する、成形品の外側に向かって内側が引っ張られる力のことです。「圧縮残留応力」は、成形や加工で樹脂に加えられた圧力が内側に向かって圧縮しようとする力のことです。

残留応力を持った樹脂製品は、収縮や伸張によって寸法精度を損なうばかりでなく、切削・研削などの機械加工時や、溶着など加熱時、塗装や溶剤での加工・処理時などに、樹脂製品の残留応力が反応して変形や割れが生じることがあります。さらに、製造・加工中ばかりでなく、経時変化でひずみが生じて形状が変化する可能性もあり、特に注意が必要とされています。
このため、「アニーリング（アニール処理）」といわれる残留応力を除去するための処理を行う場合があります。

ショートショット

ショートショットとは、樹脂が金型のキャビティの隅々に到達せず、成形品の一部が不完全な形状になる現象のことです。
主な原因としては、樹脂が末端部まで到達する前に冷却・固化し成形品の一部が不完全な形状になる「流動先端固化」と、樹脂が金型内にスムーズに流入できない「空気溜まり（エアトラップ）」が挙げられます。

対策としては、流動先端固化の場合は
・射出する樹脂の温度を上げる。
・ランナーを太くする。
・保圧を高めるか保圧時間を長くする。
などが考えられます。また、空気溜まり（エアトラップ）の場合は
・射出速度を変更する。
・キャビティの表面温度を上げる。
・流動パターンを変更する。
などが考えられます。

三次元測定機での嵌合部品測定の課題

一般に、三次元測定機で反り・うねりを測定するには、対象物の測定したい面の隅4箇所以上にプローブ先端の接触子を当てる必要があります。
たとえば、プレート部材の場合、6～8点を測定することが一般的です。測定範囲が広い場合、測定ポイントを増やすことで、より多くの箇所の測定値を取得し、測定精度を向上させることができます。
しかし、反り・うねり測定においては、下記のような課題がありました。

• 点で接触して測定をする必要があるため、対象物全体の形状を把握することは困難です。
• より多くの測定値を得るために多点測定するには、多くの時間を要してしまううえ、全体の詳細な形状を把握することはできません。

ノギスでの嵌合部品測定の課題

ノギスなどのハンドツールは、非常に手軽に測定が可能です。しかし、測定誤差の発生や測定値がバラつく要因が複数あります。
たとえば、ノギスは手で測定箇所に押し当てる力（測定力）や測る箇所のバラつきなど、人によって測定する際のさじ加減が異なります。その結果、測定値にバラつきが発生し、定量的な測定が困難となります。また、広い面積の反り・うねりは多くの点を測定しなければならず、時間がかかっていました。

メリット1：面で3D形状をスキャン。反りやうねりが一目瞭然

複雑な形状の樹脂製品を三次元測定機やノギスで測定すると、多くのポイントを測定しなければならないため、長い時間を必要としました。また、点で測定するため、3D形状を測定することは困難でした。
「VLシリーズ」であれば、ステージ上に対象物を置いて、スキャンするだけ。非接触かつ位置決め不要で、対象物全体の3D形状を面で捉えます。対象物全体の表示や任意の箇所のプロファイル測定も可能なため、形状不良箇所とその詳しい数値などを可視化して把握することができます。
それにより、トライ品における金型・成形条件などの確認や、量産品における組み付け不良原因の特定・対策もスムーズに行うことができます。もちろん、定量的に測定した形状データが得られるため、反り・うねりを許容値（公差）の数値で管理したり、傾向分析に役立てることも可能です。

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メリット2：3D-CADデータとの差分をカラーで見える化

設計した3D-CADデータと取得したデータを照合することができ、ワークの設計に対する現物の仕上がりを見える化できます。従来では測定が困難だったワークも、3D-CADデータと取得したデータを比較することで、今までわからなかった不具合が明確になるため、嵌合不良箇所の調査や原因追及に効果的です。
また、さまざまな寸法計測に対応でき、気になった箇所の寸法を精密に計測することで、問題点を詳細に分析することができます。

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メリット3：サンプルを切らず断面の解析が可能

従来、測定が困難だった断面も、非破壊で断面を作成し詳細に測定・解析が可能です。3D形状データから自由に基準面が設定でき、あらゆる方向からの断面測定が行えます。

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