PCプラスチック：透明CNCプロトタイピング材料を理解する

ポリカーボネート（PC）は、高性能エンジニアリングプラスチックであり、「ビッグファイブ」と呼ばれる汎用エンジニアリングポリマーの一つとしての地位を確固たるものにしています。この記事では、ポリカーボネートの特性、加工プロセス、そして用途について包括的な概要を説明します。

ポリカーボネートとは何ですか?

ポリカーボネート（PC）は、分子鎖にカーボネート基を含む高分子材料であり、5つの汎用エンジニアリングプラスチックの1つです。ポリカーボネートという名称は、分子構造中のカーボネート結合に由来しています。PC材料は、ガラスなどの従来の透明材料の脆弱性を克服しています。また、透明エンジニアリングポリマーとして、優れた耐衝撃性、耐クリープ性、耐熱性、低吸水性を誇り、需要の高い用途で優れた性能を発揮します。

ポリカーボネートの特性

ポリカーボネートは、非晶質で透明な熱可塑性ポリマーです。無臭、無味、無毒性で、機械的特性、熱的特性、誘電特性のバランスが取れており、優れたエンジニアリングプラスチックです。

機械的性質

ポリカーボネートは優れた機械的特性を有します。その最大の特徴は、熱可塑性樹脂の中でも最高クラスの衝撃強度です。クリープが少なく寸法安定性に優れ、低温でも高い機械的強度を維持します。欠点としては、疲労強度が低いこと、応力割れが発生しやすいこと、耐摩耗性が低いことが挙げられます。以下の表は、ポリカーボネートの機械的特性を示しています。

ポリカーボネートのクリープ耐性は、ナイロンやポリオキシメチレン (POM) などのエンジニアリング熱可塑性プラスチックよりも優れており、これは PC の優れた寸法安定性の重要な指標です。

他のほとんどのエンジニアリングプラスチックと比較すると、ポリカーボネートは耐摩耗性が比較的低く、摩擦係数が高くなります。

ポリカーボネート製品における内部応力と応力割れは重大な問題です。内部応力は主に、強制配向による高分子の相互作用によって発生します。

ポリカーボネートの試験片を曲げて一定時間保持すると、応力が限界を超えると微小な裂け目が生じます。ポリカーボネートの平均分子量が2.4 x 10を超える場合、⁴30 MPa以上の応力に耐えることができ、平均分子量は2.2 x 10⁴限界応力は約20MPaです。残留応力または製品が負担する応力がこれらの値を下回っている場合、一般的に応力割れは発生しません。しかし、成形工程中の過度の温度上昇などによりポリカーボネート製品が分解または経年劣化した場合、製品にノッチやウェルドラインがある場合、あるいは化学ガス環境で使用される場合、微小亀裂が発生するまでの時間が大幅に短縮され、限界応力値が大幅に低下します。

熱特性

ポリカーボネートは優れた耐熱性を備え、長期使用温度は120℃まで対応します。また、脆化温度が-100℃と優れた耐寒性も備えています。

ポリカーボネートは明確な融点を持たず、220～230℃の範囲で溶融します。分子鎖の剛性が高いため、溶融粘度は比較的高くなります。

電気特性

ポリカーボネートは極性が低く、ガラス転移温度が高く、吸水性が低いため、優れた電気特性を示します。

耐薬品性

ポリカーボネートは酸性および油性媒体では安定していますが、アルカリ性には弱く、塩素化炭化水素には溶解します。沸騰水に長時間浸漬すると、加水分解やひび割れが発生しやすくなります。

光学特性

ポリカーボネートは無色透明で、可視光線透過率は85%～90%と良好です。透過率は製品の表面粗さと相関関係にあります。PCは表面硬度が低く耐摩耗性が低いため、表面に傷や曇りが生じやすく、光透過率に影響を与えます。他の透明ポリマーと同様に、PCは一軸延伸を受けると分子の強制配向によって異方性と内部応力が生じ、複屈折を引き起こします。この特性により、偏光を用いてポリカーボネート製品の内部応力の大きさを検査することができます。

ポリカーボネートの可視光屈折率は、20℃で1.5872、-20℃で1.5914、140℃で1.5745と、温度と直線関係にあります。ポリカーボネートの屈折率はアクリレートなどの他の透明ポリマーよりも高いため、光学レンズ材料に適しています。

PC加工のプロセス

ポリカーボネートは優れた成形加工特性を有し、粘性流動状態では射出成形や押出成形などの方法で成形することができます。

射出成形

PC射出成形は、精密な寸法と耐衝撃性が求められる小型から中型の部品の製造に適しています。このプロセスでは、主にスクリュー式射出成形機が用いられます。スクリュー式射出成形機は、単頭、フルフライト、等ピッチ、徐圧縮スクリューを備えています。逆流を最小限に抑えるため、円錐形、鋭利先端、または逆止構造のスクリューが使用されます。PCの溶融粘度が高いため、品質向上のためには、大口径チャネル構造の密閉ノズル、または延長オープンノズルが必要となります。

乾燥したPC材料は、室温の空気に15分ほどさらされると劣化する可能性があります。ホッパーは断熱材で材料温度を100℃以上に保ち、0.5～1時間以内に使い切る必要があります。

押出加工

ポリカーボネートの押出成形は、シート、チューブ、ロッド、フィルムなどの製品の製造に用いられます。単軸スクリュー押出機を使用し、スクリューはPCの粘度変化に対応できるように設計されています。PC押出スクリューのL/D比は通常18～20ですが、これは良好な可塑化効果をもたらしますが、劣化のリスクも高まります。押出温度は射出成形よりも低く、前部と後部の温度差は10～20℃です。せん断速度は溶融粘度にほとんど影響を与えないため、スクリュー回転速度は通常100 r/min未満に抑える必要があります。L/D比が小さい場合は、適切な可塑化を確保するために低速で成形されます。

CNC加工

PCは、処理中に一定の温度に耐えることができます。 CNC加工しかし、PCは粘度が高く流動性が低いため、過度の熱による熱劣化や流動不足による成形不良を防ぐために、切削速度と送り速度を精密に制御する必要があります。また、加工後のPC表面には応力白化現象がしばしば見られますが、ツールパスの最適化、加工パラメータの調整、適切な熱処理の適用によって、表面品質と全体的な性能を向上させることができます。

アプリケーション PCプラスチック

ポリカーボネートは、優れた機械的特性と電気的特性に加え、透明性、耐熱性、寸法安定性などの特徴を兼ね備えており、機械、電子・電気機器、輸送機器、照明機器、医療機器などの分野で幅広く使用されています。

機械

ポリカーボネートは、優れた衝撃靭性、高い機械的強度、良好な寸法精度と安定性を備えているため、ギア、ラック、ウォームギア、ウォーム、カム、ストレートシャフト、クランクシャフト、レバーなどの低～中荷重を伝達する部品、ネジ、ナット、リベットなどの低応力を受けるファスナー、シャフトスリーブ、パイプスリーブ、ケージ、ガイドレールなどの低摩耗、低速部品、さらに機器ハウジング、カバー、フレームなどの製造に広く使用されています。

PCは、静止画カメラおよび動画カメラの部品の製造に使用できます。カメラの場合、歯付き巻き取りスプール、フィルムスプール、巻き戻しノブ、接眼レンズ枠、表示窓、ビューファインダー、距離調整リング、絞りのライトロックなどが挙げられます。動画カメラの場合、ハウジング、ハンドル、スイッチ、ノブ、ズームリング、表示窓、絞りリングなどが挙げられます。

電子・電気用品

ポリカーボネートは優れたクラスE（120℃）絶縁材料であり、電子・電気分野において極めて幅広い用途に使用されています。射出成形は、絶縁コネクタ、コイルボビン、端子台、各種スイッチ、チューブソケット、絶縁スリーブ、電動工具ケース、鉱夫用ランプのバッテリーハウジングなどの大量生産に利用されています。

PCは成形収縮率が低く、寸法精度と寸法安定性に優れているため、コンピュータ、ビデオレコーダー、カラーテレビなどの高精度部品に非常に適しており、特にテレビでは優れた電気絶縁性と自己消火性を活かして使用されています。フライバックトランスコイルの巻線管や、色純度調整用マグネットカバー、偏向ヨークキャップといった偏向システム部品などは、すべてポリカーボネートで製造可能です。

ポリカーボネートフィルムは、光透過率が84%～90%と高く、優れた電気絶縁性、寸法安定性、耐摩耗性、高い機械的強度、紫外線安定性、耐引裂性、接着性に優れています。-25℃～125℃の広い温度範囲で使用できるため、電子・電気機器、電極体、コンデンサ、オーディオ・カラービデオ用磁気テープなどの絶縁膜として広く使用されています。オフィスオートメーション分野では、ファックス機やコピー機のフレームやハウジング、携帯電話の筐体、バッテリー収納部などにPCが使用されています。

医療

ポリカーボネートは無味、無毒、無汚染性を有し、高圧蒸気滅菌が可能なため、カップ、ボトル、チューブなどの医療用容器のほか、注射器、血漿分離器、人工透析器、三方活栓、手術器具などの製造に適しています。近年では、人工腎臓や人工肺などの人工臓器の製造にもPCが利用されています。

光学

ポリカーボネートの光透過率は85%～90%とアクリルガラスに迫る水準です。耐熱性にも優れ、長期使用温度は120℃まで対応します。また、紫外線吸収剤を添加することで優れた耐候性も得られます。そのため、光学機器や照明機器におけるPCの用途は急速に拡大しており、信号灯カバー、防爆ランプカバー、一般照明カバーなど、各種ランプや大型ランプカバーの製造にますます多く利用されています。

PCは光ディスクの基板材料として急速に発展しており、CD-ROMの製造に広く使用されています。光ディスクグレードのポリカーボネートの主な性能特性は次のとおりです。

• 高純度：波長550～800nmにおいて91.9％（厚さ6.2mmの場合）という非常に高い光透過率が必要です。
• 良好な溶融流動性: メルトフローレート (MFR) は通常 65 g/分より大きくなければなりません。

輸送手段

ポリカーボネートは、自動車のダッシュボード、電話、ドアハンドル、ヘッドライトのインナーレンズ、自動車やオートバイのフロントガラスなどに使用されています。また、バスや地下鉄の吊り下げハンドルや調整可能なエアコンノズルにも使用されています。航空宇宙産業では、航空機のフロントガラス、コックピットキャノピー、その他の部品に使用されています。例えば、ボーイング747型機1機には約2,500個のポリカーボネート部品が使用されており、1機あたり約2トンのPCが使用されています。

Getzshapeについて

Getzshapeは、CNCプラスチック部品の製造において経験豊富なメーカーです。PC部品を含む数多くのプラスチック機械加工部品の製造実績があり、PC CNC加工における歪みやその他の課題を最小限に抑えるエキスパートです。高品質なPC部品のネジ、ナット、リベット、その他のカスタム部品をお探しでしたら、お気軽にお問い合わせください。