熱可塑性プラスチックと熱硬化性プラスチックの成形方法と用途【技術者向け】

熱可塑性プラスチックの概要

熱可塑性プラスチックは、加熱によって軟化・溶融し、冷却すると再び固化する可逆的な性質を持つ樹脂です。
分子鎖同士が物理的に絡み合っているだけで、架橋構造を持たない点が特徴です。
リサイクルや再成形が比較的容易で、量産性、加工自由度、軽量性に優れています。

熱可塑性プラスチックの代表材料と特性

ABS樹脂は、衝撃強度が高く外装部品や家電筐体に適します。
ポリカーボネート(PC)は耐衝撃性・透明性が際立ち、光学部品や防護シールドに用いられます。
ポリアミド(PA、ナイロン)は機械強度と耐摩耗性が高く、ギアやベアリングに利用されます。
ポリプロピレン(PP)は軽くて耐薬品性があり、自動車部品や医療容器に多用されます。
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)は高耐熱・高強度で、航空機や半導体装置向けの高機能部材に使用されます。

熱可塑性プラスチックの主な成形方法

射出成形

ペレットを可塑化シリンダで溶融し、金型へ高圧で射出して成形します。
三次元形状や細肉部品の量産に最も汎用的で、自動車、家電、医療、玩具と幅広い分野で採用されています。

押出成形

連続的に溶融樹脂をダイスから押し出し、シート、フィルム、パイプ、異形材を製造します。
高スループットで材料ロスが少なく、食品包装や水道管、アルミ代替の建材などに用いられます。

ブロー成形

押出または射出で得たパリソンを金型内でエアブローして中空成形する方法です。
PEやPETのボトル、燃料タンク、容器など、中空製品に適します。

真空成形

シート状にした樹脂を加熱軟化し、型へ真空で吸引して成形します。
量産前の試作や大型カバー、航空機内装パネルなどに活躍します。

3Dプリンティング(FDM)

溶融フィラメントを積層する付加製造法です。
治工具、医療用カスタムパーツ、開発試作でリードタイム短縮に貢献します。

熱可塑性プラスチックの用途例

自動車分野ではバンパー、インパネ、燃料ラインが代表的です。
電気・電子分野ではコネクタ、スマートフォン筐体、バッテリーケースに使用されます。
医療分野ではディスポーザブルシリンジ、人工関節、手術用機器ハンドルが挙げられます。
その他、包装フィルム、スポーツ用品、家庭雑貨など日常生活の至る所で不可欠です。

熱硬化性プラスチックの概要

熱硬化性プラスチックは、加熱により架橋反応が進行し、不溶不融の三次元網目構造を形成します。
一度硬化すると再溶融しないため、耐熱性、耐薬品性、寸法安定性が高い点で優れています。
ただしリサイクルは困難で、成形サイクルも比較的長くなります。

熱硬化性プラスチックの代表材料と特性

エポキシ樹脂は接着性と電気特性に優れ、プリント配線板(PCB)や封止材に使用されます。
フェノール樹脂は耐熱・耐燃性が高く、ブレーキパッドや電装コネクタに適します。
不飽和ポリエステル(UP)はガラス繊維と複合してFRPとして船舶、浴槽、風力ブレードに活用されます。
シリコーン樹脂は耐候、耐寒性が抜群で、Oリングや高温電装モジュール用ポッティング材になります。
メラミン樹脂は硬度と耐擦傷性に富み、食器や化粧板に使用されます。

熱硬化性プラスチックの主な成形方法

圧縮成形

プリプレグやバルクモールディングコンパウンド(BMC)を金型に投入し、温度と圧力をかけて硬化させます。
大型部品や高充填複合材に向き、電気絶縁部品、建機外装で採用されています。

トランスファー成形

硬化前の樹脂をポットで加熱し、金型キャビティへ圧入します。
エポキシ系半導体封止や高精度薄肉部品に用いられ、寸法制度と歩留まりが向上します。

熱硬化性インジェクション成形

粉状またはペレット状の予混合材を射出機で可塑化し、加熱金型で硬化させます。
熱可塑性射出機と似た生産性を持ち、回転子用絶縁体や端子台で利用されます。

RTM(レジントランスファーモールディング)

繊維プリフォームを金型に配置し、低粘度樹脂を注入・硬化させるプロセスです。
航空機部材、自動車CFRP構造部品の量産化で注目されています。

熱硬化性プラスチックの用途例

自動車ではシリンダーヘッドカバー、ライトリフレクター、クラッチフェーシングに活用されます。
電気・電子分野ではモーター用絶縁部材、ICパッケージ、スイッチギヤが定番です。
航空宇宙ではカーボン繊維強化エポキシが主翼や胴体に使われ、軽量化と剛性を両立します。
また耐熱性を活かし、IH調理器部品、工業炉内治具にも採用例があります。

熱可塑性と熱硬化性の選定フローチャートの考え方

①量産性とリサイクル性が最重視なら熱可塑性を基本とします。
②耐熱200℃超や強薬品環境、クリープ緩和が必要なら熱硬化性を検討します。
③複雑形状を一体成形したい場合、射出成形可能な材料の中で機械強度を比較します。
④CFRPなど軽量高剛性が要求されるときは、熱硬化性RTMか熱可塑性テーププレーシングを試算します。
⑤トータルコスト、サイクルタイム、サステナビリティを総合評価し、実機試作で最終決定します。

まとめと今後の動向

熱可塑性プラスチックは量産性とリサイクル性でメリットが大きく、次世代モビリティやIoTデバイスの外装部品として需要が拡大します。
一方、熱硬化性プラスチックは高耐熱・高強度が求められる分野で不可欠であり、航空宇宙や高効率モーターのキー材料として成長が見込まれます。
近年はサステナブル素材としてバイオマス系熱可塑性樹脂やリサイクル繊維複合材料が研究され、両者の境界を越えるハイブリッド成形技術も登場しています。
技術者は材料特性と成形プロセスを体系的に理解し、設計・製造・環境負荷の最適解を導くことが求められます。