耐久性のある防水プラスチックプロトタイプ筐体の製作：ステップバイステップガイド

投稿日：2019年7月12日 | 執筆：Candy、WayKenマーケティングマネージャー

メーカーが製造するデバイスに対するクライアントの要求は年々高まっています。わずか5〜10年前、水中で動作する電話、時計、カメラ、ライトを誰が想像したでしょうか。今や防水機能のない時計を見ると眉をひそめます。多くのタブレットやスマートフォンは水没可能、または少なくとも水たまりへの落下には耐えられます。一方で、ミキサー、電気ポットなどの家電製品は防水とは無縁です。しかし、防水デバイスの実現は言うは易し行うは難しです。

要点は、電子部品が水でショートしないよう防ぐ筐体を作ることです。水の浸入を防ぐ特別な機能を確保する必要があります。それでも、筐体の防水プラスチックプロトタイプを作成し、テストを実施して漏れがないか確認しなければなりません。ここでは、水から守るカスタムプラスチック筐体および金属筐体の設計ヒント、そして何より重要なラピッドプロトタイピングのヒントを紹介します。

防水筐体の規格

まず知っておくべきは、防水筐体には複数の等級があることです。全てIP規格とNEMA規格で評価されます。国際保護等級（IP）によるマークが最も普及しているため、IP規格の防水等級をリストアップします。

1. IP65：筐体が水噴流に耐えなければならないと規定。全方向からジェット噴流で水をかけテスト。条件：距離3m、ノズル径6.3mm、水圧30kPa、水量12.5L/分。
2. IP66：筐体が高圧ジェット噴流に耐えなければならないと規定。最大100kPa、100L/分、ノズル径12.5mmで3分間噴流。
3. IP67：完全防水設計を規定。水深1mに30分間沈めてテスト。

ご覧の通り、IP規格にはレベルがあります。これは大きな利点です。デバイスが想定される使用環境を正しく判断し、どこまで防水機能を追加するか判断できます。完全防水設計は、水噴流や水滴に耐える筐体よりもはるかに高コストだからです。

筐体の防水接続を実現する5つの方法

防水プラスチック筐体の規格を理解したところで、どうすれば防水化できるか見ていきましょう。IP66-67規格を意識したカスタムプラスチック筐体の製造に用いられる最も一般的な対策です。

1. シールとガスケット。防水プラスチック筐体および防水アルミニウム筐体（その他金属も同様）の製造において、最も一般的で有用かつ安価な方法はゴムシールの使用です。安価で、スペースを取らず、極めて効率的です。主なメカニズムは、ゴムの弾性により二つの接続部を覆い、パーツとシールの間へ液体が侵入するのを防ぐことです。シールの中で最も普及しているのはOリングです。円形断面のゴムリングで、優れた抑制率を誇り、液体に対する保護性能が最も高いです。動的シールとしても使用可能です。つまり、一方のパーツが動く（ピストンなど）場合でも、静止側に2〜3個の溝とOリングを設ければ対応できます。

2. インサート成形。アルミニウムや金属筐体に有用です。金属パーツにシールとして機能する弾性体を成形で一体化させます。シールが小さく済み、固定されているため紛失しません。

3. オーバーモールド（二重成形）は基本的にインサート成形と同じですが、基材もプラスチックです。この手法は主に量産向けで、コストのかかるプラスチック射出成形技術を用います。しかし、現代の製造技術では、ラピッド射出成形を提供するプロトタイピングサービスを利用して、設計者がプロジェクト筐体をテストできます。

4. 溶接は電子機器用金属筐体で最も一般的です。接合部の金属を溶かすことで、部品が完全に気密となり、実質的に単一コンポーネントになります。しかし、回路を完全に密封するのは常に良いとは限りません。故障時の修理が極めて困難になる上、内部に空気が閉じ込められ、デバイス発熱時に内圧が上昇し、筐体が破裂する恐れがあるからです。

5. 発泡テープと接着剤は非常に便利で使いやすいです。設計変更を必要とせず、防水性に優れます。しかし、主な問題は初回分解までしか使えないことです。一度分解すると接着剤は無意味になり、残骸を除去する必要があるため再組立の妨げになります。溶接が最終製品で採用される場合、ラピッドプロトタイプ設計検証テストでよく使用されます。

防水筐体のラピッドプロトタイピング

Oリングの配置、溶接箇所、接着箇所を決定したら、量産前に実際の物理テストで設計のIP規格を確認する必要があります。そのためにはラピッドプロトタイプ防水筐体を製造しなければなりません。プロトタイプ材料に応じて様々な技術があります。

例えば、小型〜中型のプラスチック筐体は3Dプリントで製作可能です。金属筐体設計は工作機械でのCNC加工が適しています。最後に、オーバーモールド設計やプロトタイプバッチは、従来の成形に似ていますが、柔軟な金型設計と大幅に低コストなラピッド射出成形で製造できます。

プロトタイプを製造したら、テスト結果を可能な限り良くするため、慎重に組み立てることが重要です。テストが不合格なら設計を見直し、再製造が必要です。ラピッドプロトタイピングはここでも有用で、非常に柔軟性が高く、修正版プロトタイプを可能な限り迅速に入手できます。