PEEK射出成形は、一般的なプラスチック成形とは大きく異なる3つの数値によって定義されます。それは、融点343℃、水分含有量0.02%以下の乾燥度、そして金型を170～200℃に保つという、ほとんどの汎用樹脂の融点よりも高い温度です。PEEK射出成形におけるその他のすべての決定は、これら3つの数値に基づいて行われます。400℃を維持できないプレス機、露点-40℃に到達できない乾燥機、均一に加熱できない金型では、ABSやポリカーボネートよりもはるかに高価な樹脂から不良品が大量に発生してしまいます。
このガイドは、PEEK成形を行うかどうかを判断するエンジニアや製品開発者向けに、ペレットから検査済み部品までの一連の流れを解説しています。各工程とその管理の理由、部品の品質に実際に影響を与えるパラメータ、成形が有利な場合と、加工よりもコストがかかる場合、部品が耐えなければならない故障からグレードを選択する方法、そして金型製作が正当化される用途について、段階的に説明しています。数値は、単一の試験プログラムからではなく、標準的なPEEKグレードに関する公開されている材料データシートや加工ガイドから引用されており、特定の部品に対する保証値ではなく、一般的な実験室条件を示しています。
PEEKとは何か、そしてなぜ成形加工と機械加工の両方が行われるのか
PEEKは半結晶性のポリエーテルエーテルケトンです。標準的な未充填グレードのデータシートには、融点が343℃、ガラス転移開始温度が143℃、中間温度が150℃、電気用途における相対熱指数が260℃と記載されています。空気中での連続使用許容温度は、一般的に20,000時間で250℃、連続使用温度範囲は250～260℃とされています。これらは実験室で得られた典型的な値であり、成形品の実際の特性は、その形状、金型構成、および実際に使用される加工条件によって異なるため、データシート自体にも、これらのデータは材料比較のためのものであると記載されています。
同じポリマーが2つの形態で供給される。未充填のPEEKは射出成形や押出成形用の顆粒として供給され、同じ化学組成のものが機械加工用の棒状および板状でも入手可能だ。どちらを選ぶかは、材料の選択ではなく、体積と形状の選択による。蒸気滅菌や強力な化学薬品に耐性のある化学組成はどちらも同じだからだ。異なるのは、購入する樹脂の量、そのうちどれだけが切削屑になるか、そしてそもそもその形状を切削できるかどうかである。
最初に重要な区別が一つあります。PEEKは吸湿性がないとよく言われますが、ナイロンのように水に溶けたり膨潤したりしないという意味では確かにその通りです。しかし、それでも水分を吸収します。加工ガイドには、ペレット状の場合、通常、大気中の水分を約0.5%（重量比）吸収すると記載されており、データシートには、23℃における飽和吸水率が0.45%と記載されています。この吸収率は、成形前に設定された0.02%の制限値の約25倍であるため、使用中に加水分解に耐性のあるポリマーであっても、乾燥は必須となります。
ピーク 射出成形プロセス段階的に
以下の手順は、標準的なPEEKグレードに対する確立された加工ガイドラインに従っています。各工程は、それぞれが防止する特定の不具合に対応するために設けられています。
1. 保管および取り扱い
PEEKは頑丈な箱の中にポリエチレンで密封されて出荷され、加工手順書では輸送中および保管中は密封状態を維持し、箱は清潔な場所でのみ開封し、残りは再密封することを推奨しています。密封され、乾燥していて、日光の当たらない場所であれば、この材料は10年以上保管できます。その理由は、保存期間ではなく汚染です。380℃では、他のポリマーのわずかな粒子や塵が黒い斑点や弱い溶接線となり、樹脂を廃棄して清掃するのは費用がかかりすぎるためです。
2.乾燥
ペレットは、深さ約2.5cmのトレイに広げ、120～150℃の空気循環式オーブンに3～5時間入れ、残留水分が0.02%（露点-40℃）以下になるまで乾燥させる。150℃で3時間、または120℃で5時間のいずれの方法も同等とみなされる。標準ガイドラインでは、PEEKは適切に隔離されない限り、他の材料とオーブンを共有してはならないと明記されている。溶融温度での水分は表面欠陥や分子量の低下を引き起こすため、乾燥工程は外観と機械的性能の両方を保護する。
3. 喉への給餌
ホッパーの温度は100℃以下に保たれます。未充填グレードのデータシートでは100℃以下と指定されていますが、押出成形の手順書では、顆粒を140～180℃の範囲で予熱することを推奨しています。成形における目的は、ペレットがスクリューに到達する前にブリッジングや部分的な溶融を起こさないようにすると同時に、搬送中の水分再吸収を最小限に抑えることです。
4. 可塑化
バレルは、約±2℃の精度で400℃まで制御可能に到達させる必要があり、そのため鋳造アルミニウムヒーターは不向きで、高温合金ヒーターまたはセラミックヒーターが適している。スクリューは、L/D比が18:1～24:1、圧縮比が2:1～3:1のものが一般的で、射出圧力を保持するためにスクリュー先端にチェックリングが必要となる。滞留時間は短く保つ必要があり、溶融金属は360℃で最大1時間保持しても著しい劣化は見られないが、それ以上の場合にはバレル温度を340℃まで下げる必要があり、3時間以上滞留する場合はバレルをパージする必要がある。
5.注射
溶融温度はグレードによって約355～395℃です。無充填PEEKの場合、一般的な後部/中部/前部/ノズル部の温度プロファイルは355/360～365/370/375℃です。30%ガラス充填グレードでは360/370～375/380/385℃に、30%炭素充填グレードでは375/380～385/390/395℃になります。安定した使用範囲は一般的に360～400℃です。射出圧力は、天然PEEKの場合、約14MPaを超えることはほとんどなく、保持圧力は約10MPaですが、流量対肉厚比の大きい精密部品では200MPaを超える圧力が必要になる場合があります。
6. 金型温度
工具表面は 170～200 °C に保持されます (加工ガイドでは 175～205 °C と記載されていることが多く、データシートでは未充填 PEEK の場合 170～200 °C と記載されています)。これは表面温度であり、コントローラーの設定値ではありません。油加熱の場合、フローラインで最大 40 °C の損失が発生することが一般的であるため、鋼材で 170 °C を達成するには、260 °C の設定値が一般的です。その理由は結晶性です。冷間工具は表面を非晶質状態に急冷し、不均一な色、暗いまたは透明なエッジ、強度と耐薬品性の低下を引き起こします。標準ガイダンスでは、推奨条件で成形された部品は公称 30% の結晶性であるべきとされています。
7. 梱包、冷却、排出
保持圧力は、熱くなった金型によって部品が冷却される際の収縮を補償します。冷却時間は肉厚に比例します。金型温度180℃における冷却時間曲線の公表データによると、非充填材グレードの場合、射出設計を改善することで冷却時間を約15%短縮できることが示されています。部品は、歪みが生じないよう、まだ十分な剛性がある状態で射出されます。
8.アニーリング
寸法安定性や応力緩和が重要な場合、成形部品は焼きなまし処理を施すことができます。20mmまでの断面の場合、一般的な処理プログラムでは、まず150℃まで30℃/h以下の速度で昇温し、3時間保持した後、同じ速度で200℃まで昇温し、4時間保持し、その後15℃/h以下の速度で冷却します。焼きなまし処理は結晶化を完了させ、収縮を安定させる効果もあります。
9。 検査
最終検査では、寸法、外観（暗い縁や黒い斑点はPEEKの典型的な欠陥です）、および指定されている場合はDSCによる結晶性を確認します。結晶性データを含む初回製品承認により、装置が実際に十分な温度で稼働したかどうかが確定します。
部品の品質を左右する加工パラメータ
PEEK部品が図面通りの仕様を満たすかどうかを決定するパラメータは、機械設定の一覧表に示されているよりも少ない。それらは、乾燥、溶融温度、金型温度、射出圧力と速度、ゲートとランナーのサイズ、および収縮代である。下の表は、3つの標準グレードについて、データシートから抜粋した、グレード間で最も変動の大きい値を比較したものである。
| 450g（未充填） | 450GL30（ガラス含有率30%） | 450CA30（炭素含有量30%） | |
| 400℃における溶融粘度 | 350パスカル | 550パスカル | 675パスカル |
| 成形収縮、流動方向 | 0.90% | 0.30% | 0.10% |
| 成形収縮、流れ方向 | 1.3% | 0.90% | 0.50% |
| ノズル温度（標準値） | 375°C | 385°C | 395°C |
| 金型温度（標準値） | 170-200°C | 180-200°C | 180-210°C |
| 最低ゲート | > 1 mm | > 2 mm | > 2 mm |
| 乾燥 | 120～150℃、3～5時間、0.02%未満 | 同じ | 同じ |
3種類の標準PEEKグレードの成形収縮率を、溶融流方向に沿って、また流流方向に対して横方向に測定した。測定はISO 294-4試験片を用い、グレードごとのノズルおよび金型条件（無充填：ノズル375℃、金型190℃；ガラス30%：ノズル385℃、金型190℃；炭素30%：ノズル395℃、金型200℃）で行った。これらの値は材料比較のためのものであり、実際の収縮率は部品形状、金型構成、および加工条件によって異なる。
この表から次の3点が導き出されます。まず、充填材入りグレードは溶融時の硬度が高く（550 Pa・sと675 Pa・sに対し350 Pa・s）、同じ肉厚を充填するには、より高いバレル設定値とより大きなゲートが必要になります。次に、繊維含有量が増加すると、流動方向の収縮は減少しますが、流動方向に対してははるかに減少します。そのため、同じ部品でも溶融経路に沿ってと横方向に収縮率が異なります。3つ目に、コンパウンドの場合、ゲートルールはほぼ2倍になります。最小値は、充填材なしのPEEKで1 mm、コンパウンドで2 mm、つまり肉厚部品の場合は肉厚の約3分の2で、スプルーゲートは成形肉厚の1～1.5倍です。ランナーは、ダイとノズルで3 mm以上、マニホールドで3.5 mm以上である必要があります。
射出圧力とスクリュー回転速度は、設定が完了した後の二次的な調整項目です。汎用スクリューが適しており、背圧をかけることで溶融物の均一性が向上します。一般的なガイドラインでは、充填材を含まないグレードではスクリュー回転速度を5～10m/分、強化材を含むグレードでは6m/分以下にすることを推奨しています。これは、局所的なせん断力が強すぎると溶融物が過熱するためです。背圧は通常2～8MPaですが、繊維を穏やかに処理するために充填材を含むグレードでは低めに設定します。
収縮率に関しては、データシートの数値は鋼材のグレードを比較するためのものであり、鋼材を切断するためのものではありません。データシートには、収縮データは材料比較のためのものであり、実際の値は部品の形状、金型構成、加工条件に大きく左右されることが明記されています。また、標準的な手順として、金型は常に金属の安全側に切削する必要があります。自社の形状で最初の試作品を測定することこそが、唯一信頼できる補正方法です。
PEEK射出成形の利点と、それぞれの利点が活かせる場面
PEEKを成形することの利点は確かに存在するが、それぞれに条件があり、その条件を明確に述べることが、有益な主張と単なるセールス文句を分けることになる。
ネットシェイプ複雑幾何学
成形加工では、ボス、リブ、クリップ、ねじ山などを一度に形成できますが、機械加工では複数回の段取りが必要となり、場合によっては目的の形状に加工できないこともあります。ただし、金型に適切なゲートと通気口を設けることが条件となります。トラブルシューティングガイドでは、成形品の短さやウェルドラインの原因として、機械設定だけでなく、通気口やゲート設計の不備も挙げられています。つまり、成形加工のメリットは、金型設計の良し悪しによって左右されるのです。
大量経済学
成形部品は1ショットあたり数グラムの樹脂を消費するのに対し、機械加工部品はビレットから始まり、ほとんどが切削屑として残る。ただし、金型費用を償却する必要がある。この量以下では金型費用が支配的になり、機械加工の方が安価になる。その転換点については後の章で説明する。
温度における再現可能な特性
金型温度は結晶化度を左右するため、適切に制御されたホットツールは、生産工程全体を通して一貫した強度、耐薬品性、寸法精度を実現します。ただし、条件として、金型表面が実際に所定の温度に達する必要があります。温度が低いまま稼働する金型では、見た目は完成しているように見えても、一般的なプラスチックであれば耐えられるような負荷で破損してしまう部品が製造されます。
二次加工の排除
成形後に切削されるはずだった形状が金型から取り出された状態で成形されるため、段取り時間を節約でき、機械加工による表面の損傷も回避できます。ただし、公差要件は成形能力の範囲内である必要があります。標準的な成形条件では、一般的な公差は約0.05%です。これは多くの形状には十分ですが、図面でより厳しい公差が要求される場合は、機械加工の代わりにはなりません。
材料効率と設計の自由度
成形加工では、切削加工では困難または不可能な肉厚、リブ構造、内部形状を実現でき、機械加工PEEKの高コスト化の原因となるブランク材の無駄を回避できます。ただし、成形加工に適した設計、すなわち均一な肉厚と適切な抜き勾配を備えている必要があります。これについては設計セクションで説明します。
これらの利点は、部品の形状を検証せずに特定の部品について主張すべきではありません。大きくて単純な形状で、公差が緩い部品では、これらの利点が全く得られない可能性があります。
制限事項と隠れたコスト
PEEK成形を初めて行う人が驚くコストは、樹脂価格だけではないことが多い。実際には、金型費用、エネルギーコスト、そして不良率に潜んでいるのだ。
ホットツール
金型を170～200℃に保持するには、油加熱、電気カートリッジヒーター、またはその両方が必要です。電気加熱は経済的でメンテナンスも容易ですが、ホットスポットが発生しやすく、小型部品に最適です。油加熱は設計が難しいものの、熱を効率的に除去できるため、射出量が多くコアが深い金型に適しています。金型とプラテンの間には断熱板を設置することを強く推奨します。また、最大40℃の熱損失が発生する可能性があるため、油配管は短く断熱する必要があります。これらの対策により、各サイクルごとに設備投資、加熱時間、エネルギーが増加します。
サイクルタイム
高温の金型は部品の冷却速度を遅くし、肉厚が大きいほど冷却時間が長くなります。金型温度180℃における肉厚に対する冷却時間の推定値は、肉厚が増すにつれて急激に上昇します。そのため、PEEK部品は成形速度が遅く、樹脂使用量が少ない場合でも部品あたりのコストが高くなります。
狭い処理ウィンドウ
溶融状態は概ね360～400℃の範囲で安定するが、この範囲外では不具合が発生するケースが多発する。温度が低すぎるとノズル部分で溶融物が固着したり、射出量が不足したりする。温度が高すぎたり、保持時間が長すぎたりすると、溶融物が脆くなり、黒ずみが生じる。これほど高価な樹脂の場合、不良品が発生するたびに損失となり、不良率は起動時やグレード変更時に最も高くなる。
再研磨制限
PEEKは再加工が可能ですが、標準的なガイドラインでは、未充填ポリマーの場合、再粉砕量は最大30重量％、充填コンパウンドの場合、最大10重量％に制限されており、これらの温度では、たとえ少量の異物でも成形品質に深刻な影響を与える可能性があると警告しています。そのため、特に充填グレードの場合、ランナースクラップの回収量には上限が設けられます。
汚染感受性
専用のスクープ、トレイ、乾燥装置の使用を強く推奨します。また、加工に関する文献によると、天然グレードのPEEKに見られる黒い斑点は、通常、交差汚染または不十分なパージに起因するとされています。PEEKを他のポリマーと並行して扱う工場では、分離管理を徹底しないと、汚染によって部品が失われることになります。
ホットランナーのトレードオフ
ホットランナーは材料を節約し、処理範囲を広げるという利点がありますが、初期投資コストが高く、パージ時に大きな汚染問題が発生しやすく、コールドランナーに比べて全体的なメンテナンスコストも高くなります。システムは外部加熱で450℃で安定して稼働し、内部流量制限がなく、ノズル先端はピンゲートではなく、余裕のある形状にする必要があります。
許容限界
成形加工だけでは、二次加工なしでは最も厳しい公差を維持することはできません。図面で標準以上の成形能力が求められている場合は、成形後の機械加工を計画し、その費用を価格に含めてください。
上記すべてのコスト数値は、部品、生産量、工場によって大きく異なるため、ここで正確な数値を提示することは困難です。適切なアプローチは、これらを方向性として捉えることです。高温工具、低速サイクル、キャップ付き再研磨はすべて単位コストを押し上げ、成形が機械加工を上回る生産量はそれに応じて変化します。
故障モードに応じたPEEKグレードの選択
部品のグレード選定は、特性表から始めるよりも、部品が耐えなければならない故障モードから始める方が簡単です。Victrexの3つの標準グレードは、それぞれ異なる3つの故障モードに対応しています。
サプライヤーのデータシートから引用した、3種類のVictrex PEEKグレードの23℃における引張弾性率（ISO 527-1）および23℃における破断ひずみ（ISO 527-2）。データシートの値は、材料比較のための実験室試験片の値を記述したものであり、成形品の特性は、その形状、金型構成、および加工条件によって異なります。
未充填グレード ― 延性と靭性を重視したグレード
データシートによると、破断時のひずみは25%、引張弾性率は4,000 MPa、23℃でのシャルピー衝撃試験およびアイゾット衝撃試験（ノッチなし）では破断しません。無充填PEEKは、このシリーズの中で最高の伸びと靭性を備えており、延性と不活性が重要な計測機器やシール部品に適しています。部品が屈曲したり、衝撃を吸収したり、相手面に対して割れることなくシールする必要がある場合は、無充填PEEKを選択してください。
ガラス繊維強化グレード ― 静的剛性と低熱膨張を実現
ガラス含有量が30%になると、引張弾性率は11,500 MPaに向上し、1.8 MPaでの熱変形温度は328 °Cとなり、ガラス転移温度以下では流動方向の線膨張係数は18 ppm/Kとなります。データシートでは、この材料の用途として、熱膨張係数が低い静的システムにおいて高い強度を発揮する点が挙げられています。荷重がかかった状態でも形状を維持し、寸法安定性を保つ必要がある部品（構造ブラケット、ハウジング、隣接する部品に食い込んではならない部品など）に適しています。
カーボン充填グレード - 耐摩耗性と最高弾性率を実現
炭素繊維含有率30%により、引張弾性率は28,000MPa、流動方向収縮率は同シリーズで最小の0.10%を実現。データシートには、静的システムでも動的システムでも優れた耐摩耗性と低い摩擦係数が記載されています。部品が滑ったり、擦れたり、荷重がかかったりする場合、伸びよりも剛性が重要な場合に選択してください。
充填材入りのグレードでは、トレードオフは共通しています。工具への摩耗性が高くなるため、耐摩耗性スクリューやバイメタルバレルが推奨され、ゲートサイズも2倍になります。伸び率も低下し、ガラス繊維3.0%のグレードでは30%、炭素繊維30%のグレードでは1.7%低下します（充填材なしの25%と比較）。そのため、曲げ加工が必要な部品には充填材を使用すべきではありません。また、異方性収縮を起こし、横方向の収縮率が横方向の収縮率の数倍になるため、工具補正が複雑になります。すべての主張は、グレード固有のデータシートに紐づけてください。あるグレードの数値を別のグレードにそのまま適用することはできません。
PEEK射出成形が適している用途
PEEKは、温度、化学組成、滅菌処理などの条件が通常のエンジニアリングプラスチックでは対応できない用途において、そのコストに見合う価値を発揮します。また、これらの用途において、量産性、複雑な形状、再現性が求められる場合には、成形加工がその真価を発揮します。
医療
PEEKは繰り返し蒸気滅菌に耐え、公表されている医療グレードの試験では、洗浄サイクルなしのプラスチックサンプルで測定した134℃での1,500回の滅菌サイクルを超えても機械的特性の著しい低下は報告されていません。外科用器具、試用インプラント、歯科用コンポーネントが典型例です。生体適合性はポリマーから自動的に得られるものではありません。ASTM F2026-23は外科用インプラント用途におけるバージンPEEKの要件を定めており、充填、着色、再生品は明確に除外しています。また、FDAのISO 10993-1ガイダンスは、生物学的評価をリスク管理プロセスとして位置付けています。成形は、形状が一定の器具や使い捨てコンポーネントを大量生産する必要がある場合にこの分野に適しています。機械加工は、患者固有のインプラントや少量生産のインプラントに適しています。
航空宇宙と 自動車
エンジンルームや機体内部の高温に耐えなければならない軽量部品は、PEEKの約250℃での連続使用能力と高温下での強度保持能力の恩恵を受ける。450Gのデータシートによると、曲げ応力は125℃で85MPa、175℃で19MPaである。成形は、形状が複雑で、金型が必要となる量が多いブラケット、ブッシング、ハウジングに適している。一方、大型部品や単純な部品は、多くの場合機械加工で製造される。
エレクトロニクスと半導体
PEEKの電気特性は幅広い温度範囲で維持され、その寸法安定性は、大量生産される小型精密部品に適している。これは、1つの金型から何千もの同一部品が生産される成形加工の典型的な例である。
エネルギー、石油・ガス
PEEKは、高温下における酸、塩基、炭化水素、溶剤に対する耐薬品性に加え、蒸気や海水中での加水分解耐性も備えているため、シール材、バルブ部品、坑内部品の候補として適しています。成形は、繰り返し生産される小型部品に適していますが、大型部品や一点ものの部品は通常、素材から機械加工されます。
産業機器
摩耗部品、ベアリング、ブッシュは、カーボン充填グレードの低摩擦性と耐摩耗性の恩恵を受ける。これらの消耗品は大量に交換されるため、成形コストは迅速に償却される。
いずれの場合も論理は同じです。特性からPEEKが適しており、体積や形状から機械加工よりも成形が適していると言えます。
いつ エスプレッソマシン 成形するのではなく、PEEKを使用する
PEEK部品の大部分にとって、機械加工は依然として最適な解決策であり、いつ機械加工を行うべきかを知ることがコスト削減につながる。
生産量が少ない場合は、機械加工が適しています。金型費用が償却される水準を下回ると、金型コストが支配的になり、PEEK射出成形はより高価な選択肢となります。試作品、ブリッジ金型、および一点ものの治具は、フライス盤または旋盤で製作するのが適切です。これらの機械では金型費用は発生せず、設計変更にかかるコストはプログラミング時間のみで済みます。
形状が大きい場合や単純な形状の場合は、機械加工が適しています。特徴の少ない大きくて角ばった部品は、ビレットから切削する際に無駄が少なく、金型を作るには大型で高温になり、コストも高くなります。機械加工されたPEEKのコストが高くなる原因となるブランクの無駄は、ビレットのうち部品になる部分の割合に比例します。単純な形状の場合、ほとんどが部品になります。
成形公差が成形能力を超える場合は、機械加工が必要です。標準的な成形公差は、通常0.05%程度です。図面でより厳しい公差が要求されている場合、または成形では成形できない形状の場合は、部品全体を機械加工するか、成形後に二次加工を行うかのいずれかを計画してください。
年間生産量が金型の償却に充てられる時点で金型を設計します。計算には、金型コスト、部品サイズ（射出量とサイクルタイムを決定）、1ショットあたりの樹脂コスト、および機械加工による材料除去量の削減という4つの変数があります。生産量が増加するにつれて、金型コストはより多くの部品に分散され、1ショットあたりの樹脂節約効果も高まります。償却の分岐点は部品ごとに異なるため、金型コストと部品コストを分けて見積もりを依頼し、同じ年間生産量での機械加工の見積もりと比較することで、その分岐点を見つけることができます。
形状が複雑で最終形状が明確な場合は、金型を使用します。ボス、ねじ山、クリップ、内部形状などは、適切に設計された金型を使用すれば、加工時のセットアップコストを削減できます。
多数の部品で再現性が重要な場合は、成形が適しています。単一の金型でショットごとに同一の部品を生産できますが、機械加工はセットアップの一貫性に依存します。生産計画においては、成形の再現性自体が品質上の利点となります。
正直に言うと、これは経験則ではなく、生産量と金型償却費の計算に基づいたものです。具体的な金額を提示するのは無理があり、重要なのは様々な変数です。
PEEK素材を用いたデザイン： ツーリング 不良品の発生を防ぐための部品ルール
PEEKスクラップのほとんどは、鋼材を切断する前に下されたいくつかの設計上の決定に起因しています。以下のルールが存在するのは、PEEKが原理的に設計しにくい素材だからではなく、溶融温度と成形温度が高いためです。
1. 均一な壁面形状。
一般的なガイドラインでは、未充填PEEKコンパウンドの最小肉厚は約1mm、充填PEEKコンパウンドの場合は1.5mmとされています。均一な肉厚であれば冷却と収縮も均一になりますが、肉厚と肉厚の境界部分では、機械の設定で完全に修正できないヒケ、空隙、反りが発生します。
2. ゆったりとした、通気性の良い門。
標準としては、未充填樹脂の場合は最小ゲート幅1mm、複合樹脂の場合は2mm（肉厚部品の場合は肉厚の約3分の2）とし、スプルーゲートは成形肉厚の1～1.5倍とする。最小スプルーゲート幅は約4mmで、入力直径は最大部品肉厚の1.5倍とする。ゲート幅が大きいほど溶融樹脂の流れが良くなり、ヒケやボイドの発生を抑えることができる。また、適切なベントを設けることで、ショートショットや焼け跡を防ぐことができる。
3. 450℃対応のホットランナー。
ホットランナーを使用する場合は、内部の流れを制限しない外部加熱、450℃での安定した動作、部品表面に配置された十分なノズル先端、およびツールのバランスを維持するための非常に優れた個別温度制御が必要です。ピンゲート方式は推奨されません。
4. 高温下でも硬度を維持する工具鋼。
PEEK加工温度におけるキャビティおよびコアのロックウェル硬度52～54が一般的な目標値です。よく用いられる鋼種としては、1.2343 ESU、1.2379、1.2083、1.2316など、加工温度で約54～58 HRCの硬度を維持するものが挙げられます。充填鋼種は研磨性があるため、ゲート部の耐摩耗性が重要となります。
5. 異方性収縮を考慮する。
収縮率は流れ方向と横方向で異なり、充填剤を使用するとさらに顕著になります。例えば、450Gでは0.90%対1.3%、450CA30では0.10%対0.50%です。金型は、データシートの収縮率だけでなく、実際の形状における初回品の測定値に基づいて、金属の損傷を防ぎ、かつ正確に切削してください。
6．鋼材切断前の工程シミュレーション。
鋼材を切断する前には必ずシミュレーションを行い、均衡のとれた流れを確保するためのゲート配置、溶接痕の最小化、および通気孔が必要な箇所を特定する必要があります。200℃での使用を想定した金型では、鋼材の変更は高額になるため、シミュレーションは安価な保険となります。
PEEK射出成形の結論
PEEK射出成形は、量と形状がホットツールと厳密な乾燥を正当化する場合に有効ですが、その閾値を下回る場合は、機械加工が適切な解決策となります。プロセスチェーンは固定されており、密閉保管、水分含有量0.02%未満への乾燥、400℃対応の可塑化装置、170～200℃に保持された金型、制御された梱包と冷却、必要に応じたアニーリング、結晶化度を含む検査が含まれます。品質を決定するパラメータは、乾燥、溶融温度、金型温度、ゲートとランナーのサイズ、収縮代であり、グレードによって変化します。無充填、ガラス充填、炭素充填のPEEKの場合、溶融粘度は350、550、675 Pa·s、流動方向収縮率は0.90%、0.30%、0.10%です。
グレードの選択は、破壊モードに基づいて行われます。延性と靭性を求める場合は無充填、静的剛性と低熱膨張を求める場合はガラス繊維充填、耐摩耗性と最高弾性率を求める場合は炭素繊維充填が用いられます。用途も同様の論理に基づいており、医療、航空宇宙、自動車、電子機器、エネルギー、産業部品など、それぞれの分野で特定の特性を満たすためにPEEKが使用され、特定の体積や形状に合わせて成形されます。
次のステップは、年間生産量、公差、形状を定義し、金型費用と部品費用を分けた見積もりを依頼することです。同じ生産量での機械加工の見積もりと比較することが、部品に最適な加工方法を決定する唯一の確実な方法です。
PEEK射出成形プロジェクトでNOBLE社と協業する
NOBLEのカスタムPEEK射出成形サービスは、スチールおよびアルミニウム製の金型、シングルキャビティ、マルチキャビティ、ファミリー金型、50トンから500トンまでのプレス機に対応し、部品間の再現性は±0.1 mm、金型キャビティ公差は±0.05 mmです。PEEKは取り扱い材料の一つであり、検査は社内のZEISS CMM装置でサポートされています。これらの数値はNOBLEの一般的な成形能力を示すものであり、PEEKに特化した事例ではありません。PEEKプログラムでは、上記の項目（バレル温度能力、金型加熱方法、乾燥露点、結晶性検査）を、実際に部品を成形するプレス機と金型に合わせて確認する必要があります。
見積もりを依頼する前に準備すべきもの：公差が明記された3Dモデルと図面、年間生産量と発売時の生産量、使用環境（温度、化学薬品、滅菌サイクル）、部品が耐えなければならないグレードまたは故障モードの説明、および部品が満たすべき規制基準。これらの情報があれば、金型費用と部品費用を分けて見積もりを作成でき、成形と機械加工を正直に比較できる唯一の方法となります。
NOBLEが提示する納期（多くの案件で24時間以内の見積もり、7～10日以内の部品納品）は、同社の一般的なサービス提供内容に適用されます。PEEKの金型製作およびプロセス検証は、部品の種類やグレードによって異なるスケジュールで実施される場合があります。
PEEK射出成形に関するよくある質問
PEEKは吸湿性がないのに、なぜ乾燥させる必要があるのですか？
「非吸湿性」とは、水に溶けたり水で膨潤したりしないという意味であり、乾燥した状態を保つという意味ではありません。ペレットは通常、大気中の水分を約0.5%吸収し、成形前の許容値は0.02%です。380℃の水分は表面欠陥や分子量の低下を引き起こすため、材料は120～150℃で3～5時間乾燥させ、露点を-40℃にします。
なぜ金型はほとんどの樹脂の融点よりも高温になるのですか？
金型温度は結晶化度を制御するため、加工ガイドでは金型表面温度を175～205℃（データシートでは未充填PEEKの場合170～200℃）にすることを推奨しています。これにより、成形品は結晶構造を形成し、推奨条件で成形された部品は公称30%の結晶化度を持つことになります。金型温度が低いと表面が非晶質状態になり、エッジが暗色または透明になり、強度と耐薬品性が低下します。
PEEKは再粉砕できますか？また、どのくらいの比率で再粉砕できますか？
はい。標準的なガイドラインでは、未充填ポリマーの場合、再生材の最大含有量を重量比で30%、充填コンパウンドの場合、重量比で10%と定めており、PEEKの加工温度では、たとえ少量の異物でも品質に深刻な影響を与える可能性があると警告しています。
成形加工は、コストと精度において機械加工と比べてどうでしょうか？
金型費用が償却されると、成形はコスト面で有利になります。これは、成形では樹脂を1粒ではなく数グラムずつ使用するため、複雑な形状の成形が可能だからです。一方、少量生産や厳しい公差が求められる場合は、機械加工が有利になります。一般的な成形公差は標準条件下で約0.05%ですが、より厳しい要求には二次加工が必要となります。
完全な結晶化に必要な成形温度は何度ですか？
ビクトレックスの加工ガイドでは表面温度を175～205℃にすることを推奨しており、エボニックは高い結晶化度を得るために工具温度を180℃以上にすることを推奨している。油加熱式工具は流路を通して熱を失うため、コントローラーの設定値は実際に達成される表面温度よりもはるかに高くなることが多い。
塗りつぶされた成績と塗りつぶされていない成績を同じツールで処理できますか？
同じ金型で成形するには、細心の注意が必要です。充填材入りのグレードは、ゲート幅を大きくする必要があり（最低でも1mmに対し2mm）、収縮率も異なり、金型への摩耗も激しいため、充填材なしのPEEK用に設計された金型では、ガラス繊維や炭素繊維が充填されたグレードを成形すると、充填がうまくいかなかったり、金型がすぐに摩耗したりする可能性があります。Victrex社は、成形するグレードに合わせてゲート幅を設計し、充填材入りのコンパウンドには耐摩耗鋼を使用することを推奨しています。
