ポリカーボネートの射出成形と押出成形における差異と選定基準

ポリカーボネートとは

ポリカーボネートは優れた耐衝撃性と透明性を兼ね備えたエンジニアリングプラスチックです。
ガラスの約200倍ともいわれる耐衝撃強度をもちつつ、光透過率は90％前後を維持します。
耐熱温度は連続使用で120℃程度、短時間なら140℃程度に達し、屋外用途では耐候グレードも選択できます。
自動車、家電、医療、建材と多岐にわたる分野で採用されていますが、成形法として代表的なのが射出成形と押出成形です。
両者は同じ原料でも設備構成や得意形状が異なるため、適切な選定がコストや品質に直結します。

射出成形の特徴

射出成形は金型内へ溶融樹脂を高速で射出し、冷却固化させる方法です。

メリット

複雑形状を一体成形できるため、アンダーカットやリブ、スナップフィットなどの意匠・機能を同時に実現できます。
寸法精度が高く、ミクロンオーダーの要求にも対応可能です。
サイクルタイムが短く、大量生産向きで1ショット数秒から数十秒で完結します。
インサート成形や二色成形など付加技術との相性も良好です。

デメリット

初期費用として金型が高価で、複雑形状ほど費用が増加します。
肉厚ばらつきが大きいとヒケやウェルドラインが発生しやすく、設計制約が生じます。
樹脂を高せん断で充填するため、応力白化や光学ムラが起きる場合があります。

押出成形の特徴

押出成形は溶融樹脂をスクリューで連続的に押し出し、ダイスを通過させて所定断面を得る方法です。

メリット

シート、フィルム、パイプ、異形材など長尺・連続品に最適です。
金型はダイスプレート構造のため、射出成形用金型に比べて低コストかつ短納期で製作できます。
連続生産で歩留まりが高く、大量ロットでは製品単価を抑えられます。
二次加工として切断、曲げ、真空成形などの組み合わせが容易です。

デメリット

断面以外の方向には形状自由度が低く、複雑形状を一体成形できません。
厚肉と薄肉の混在や大幅な断面変化があると、溶融樹脂の流れが乱れて寸法不良を招きます。
射出成形に比べて寸法精度が劣り、特に厚み方向の公差管理に注意が必要です。

射出成形と押出成形の違いを一覧比較

射出成形は「点」の成形であり、クローズド空間の金型内に一度に樹脂を充填します。
そのため三次元的な自由度が高く、部品単位で完結します。
押出成形は「線」の成形であり、ダイス断面を連続的に引き出して「無限長」の材料をつくります。
自由度は断面形状に限定されますが、長尺かつ均一断面では高い生産効率を示します。
金型費は射出が高額、押出が低額です。
逆に単価は射出がロットに依存し、押出はロングランで低減します。
物性では射出成形品が高せん断により分子配向が強く、異方性や内部応力が発生しやすい点が異なります。
押出成形品は分子配向が比較的緩やかで、応力クラックに強い傾向があります。

選定基準

形状と寸法精度

複雑な3D形状やアセンブリ削減を狙う場合は射出成形が優勢です。
単一断面で長尺、あるいはシート状にして二次加工する場合は押出成形が理想的です。
光学部品で高い表面品質が必要なときは射出成形用に転写性の高い鏡面金型を使用します。

生産ロットとコスト構造

金型費を償却できる5,000ショット以上の量産なら射出成形がコストメリットを発揮します。
少量多品種や試作評価では、安価な押出シートを切削・曲げ・接着して形状を作る方法が総額を抑えられる場合があります。

機械的特性と光学特性

射出成形は充填圧力により分子が配向し、引張強度は流動方向に向上します。
しかし応力白化やクラックが起きる場合は押出成形材の方が信頼性を確保しやすいです。
光学用途では、射出成形は微細リブやレンズプロファイルを精彫できます。
押出シートは後加工でコーティングやハードコート処理を施しやすく、ディスプレイのカバーなどに用いられます。

二次加工・組立

射出成形はボスやスナップフィットを一体化でき、組立工程を大幅に削減します。
押出成形材は切断や曲げ、溶着、接着による構造体化が前提となるため、治具や接合方法を含めた設計が必須です。

事例紹介

射出成形品の代表例

スマートフォンのカメラレンズホルダーでは、μmレベルの寸法精度と高透明性が要求され、鏡面金型とハイサイクル成形が採用されています。
自動車のインストルメントパネル部品では、リブやクリップなど複雑な形状を一体で成形し、組立工数を削減しています。

押出成形品の代表例

LED照明カバーは押出チューブを連続成形し、後工程で切断と拡散処理を行うことで高歩留まりを実現しています。
建築用中空板シートは軽量かつ高剛性のため、温室や駅舎の屋根材として採用され、紫外線カットグレードで耐候性を確保しています。

選定フローチャート

1. 製品形状が三次元複雑形状か長尺断面かを判定します。
2. 必要ロット数とライフサイクルコストを算定します。
3. 寸法精度、光学、機械特性の要求を比較し、最適グレードを選択します。
4. 二次加工や組立プロセスの有無を評価し、トータルで工数が少ない方法を選びます。
5. 金型投資回収シミュレーションを行い、費用対効果を確認します。

まとめ

ポリカーボネートの射出成形と押出成形は、同じ素材でも目的により最適解が大きく異なります。
射出成形は複雑形状、多機能化、高精度量産に強みがあります。
押出成形は長尺連続品、低金型費、高歩留まりが魅力です。
選定にあたっては形状、ロット、コスト、性能、二次加工の5要素を総合的に評価することが成功の鍵となります。
早期の段階で成形メーカーと協議し、試作データを基に最終的な工法を決定することで、品質とコストを最適化できます。