オーバーエンジニアリングを防ぐ：金属部品から先進プラスチックへの転換

エンジニアは、金属が強靭で、通常耐食性があり、熱的に安定し、エンジニアリングコミュニティで広く理解されているため、堅牢な製品の作成に金属を頼りがちです。しかし、高機能熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂、製造技術、デジタル設計ツールの進歩により、プラスチックは想像以上に高性能です。金属で部品を作ることでオーバーエンジニアリングになっており、プラスチックの多くの優れた特性を見逃している可能性があります。

検討すべきポイント

自分の部品が金属からの転換に適しているか判断するには、製品の性能要件を理解することが重要です。動作条件は？ 荷重ケースは？ 許容されるクリープ/疲労は？ 耐薬品性と耐UV性の仕様は？ 部品には譲れない要件があり、転換に不向きな場合もありますが、市場には幅広い材料特性とプラスチック種類があり、適切な代替を見つけるのはこれまでより容易になっています。

十分な強度

プラスチックは金属の強度には及びませんが、特定のプラスチックは多くの用途で十分な強度を発揮します。例えば、Carbon®のDigital Light Synthesis（DLS）テクノロジー向けに開発された独自ポリマー「シアネートエステル」は、高い熱変形温度、強度、剛性を持ちます。特に剛性はガラス繊維入りナイロンと同等で、コストや重量がより重要な考慮事項である一部の従来金属部品の置き換えに使用されてきました。リブやガセットなどの複雑な構造的特徴を活用した熟慮された再設計により、金属からプラスチックへ転換しても機能要件を満たせる可能性があります。

場合によっては、プラスチック部品が金属部品より優れた性能を発揮することさえあります。複雑な形状の金属部品は、最終形状を得るために溶接などの二次工程で別コンポーネントを接合する必要があります。溶接は潜在的な弱点と腐食箇所を導入しますが、プラスチック部品ならこれらの欠点なしに単一ピースとして製造できます（下図参照）。

性能向上

今日のプラスチックは多様な機能的メリットも提供します。例えば、ギアは転換の好適な候補です。適切なプラスチックなら、金属がしばしば必要とする外部潤滑が不要になるからです。また、高腐食環境ではプラスチック部品の方が寿命が長く、金属製品を上回る性能を発揮する可能性があります。

プラスチックのその他の機能的メリットには、シール性向上、振動・騒音減衰、電気・熱抵抗があります。プラスチック製造法は、板金や鋳造部品より高い公差を達成できます。また、色のカスタマイズ、ロゴ追加、テクスチャ適用など、製品の美観をより細かく制御できます。

コストと時間の削減

金属部品の再設計によるコスト削減は多岐にわたります。明確な例は航空宇宙分野で、わずかな質量削減が大きなコスト削減に直結します。その他の削減可能領域には：

• 多くの金属部品に必要な追加コーティングや塗装を不要にすることによる材料・時間削減
• ニアネットシェイププロセスによる材料効率向上からのコスト削減
• 成形と3Dプリントによる部品統合で実現する組立時間と人件費の削減

弊社での実例をご紹介します。エアダクトは、形状と気流をアディティブで最適化できるため、部品統合の好適な候補です。Fast Radiusは、HP MJFを用いてHP 500/300プリンタシリーズの冷却ダクトを製造しています。8部品（主に金属）を1つに統合することで、HPはサプライチェーンを簡素化し、部品コストを30%削減しました。

成形かプリントか？

どのプラスチック製造プロセスを使用するかには多くの要因が関わります。以下の要因は、従来の成形技術よりアディティブ製造を検討すべきタイミングの指針となります。

• リードタイム – 成形用金型準備には数ヶ月かかるが、アディティブ製造なら数日〜数週間に短縮でき、製品投入を加速できる。
• 損益分岐点 – 多くの成形プロセスは、高い金型・セットアップコストのため大量生産でないと採算が合わない。少量生産ではアディティブ製造が大幅なコスト削減になる。
• 設計自由度 – アディティブ製造は、従来製造不可能だった設計を可能にし、大きな価値を生む。格子構造、有機形状、部品ごとのカスタマイズなどの複雑な構造的特徴を追加できる。

より良くする

「機能しているから」といって、より良くする努力を怠ってはなりません。金属部品やアセンブリをプラスチックに転換することは、BOM（部品表）における効率とコスト削減を見出す絶好の機会です。Fast Radiusでは、金属からプラスチックへの転換により、無数の企業の製品設計と性能向上を支援してきました。例えば、従来の熱交換器をシアネートエステルに転換し、熱伝達を2倍に改善しました。また、Bastian Solutionsのマテリアルハンドリングロボットのアームを、金属主体のアセンブリからPA 12の単一アディティブ部品へ変更し、軽量化を実現しました。

次回金属部品を設計する際、立ち止まって自問してみてください：「この部品、プラスチックでより良く作れないか？」

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