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Sep 06, 2023

射出成形設計の基礎: スナップ

Michael Paroian | 15 novembre 2019 Uno dei maggiori inconvenienti della plastica

マイケル・パロイアン | 2019年11月15日

プラスチック材料の最大の欠点の 1 つは、柔軟性と剛性が比較的低いことです。 プラスチック材料の最大の利点の 1 つは、柔軟性と剛性が低いことです。 これらの記述のどれが正しいかは、デザイナーとしてプラスチック材料の固有の特性をどのように最適化するかによって決まります。 私は個人的に、特に見た目が美しく、最小限のハードウェアで簡単に組み立てられるように製品を設計する場合には、後者の表現を好みます。

かつては、すべての製品を組み立てるのに数百本のネジが必要で、膨大な労力と部品が必要でした。 最終的なデザインの美しさは、多くの露出したネジや留め具によって損なわれることがよくありました。 今日の工業デザイナーは、製品デザインの美しさを損なう露出したファスナーを望んでいません。また、製造エンジニアは、高品質の製品をより効率的に生産する必要に迫られています。 この明らかな矛盾に対する解決策は、プラスチック材料に最適な部品を組み立てる手段としてスナップ フィットを利用することです。 この記事の残りの部分では、スナップ フィットの適切な設計に関連するすべての考慮事項について説明します。

スナップ フィット設計の種類とそれに関連する設計パラメータについて説明する前に、以下に示すスナップ ロックの基本的な機能要件に焦点を当てたいと思います。

スナップ ロックには 3 つの基本的なタイプ (環状、カンチレバー、ねじれ) がありますが、それらはすべて上記の設計上の考慮事項を共有しています。

環状スナップロック

環状スナップロックの際立った属性は、係合突起が嵌合するロック機構をスナップできるように変形する必要がある隣接する壁または縁部に突出ロック機構が取り付けられることである。 私の意見では、これらのスナップ ロックは、2 つの部品を変形させてスナップするために加えられる力の計算や予測が非常に難しいため、設計、試作、最適化が最も困難です。 環状スナップ ロックは、スナップオン式のボトル ​​キャップ、ペン キャップ、プラスチック容器、および低コストの家庭用電化製品のハウジングでよく見られます。 環状スナップ ロックの性能は、両方の嵌合部品の材質、壁の厚さ、干渉量に大きく依存します。 その他の重要な考慮事項には、部品のサイズと形状、成形公差、平面度、および表面上の位置が含まれます。

ねじりスナップロック

ねじりスナップ ロックは、ラチェット ロック、ねじ付きボトル キャップ安全ロック、プッシュ リリース ロックなど、ラジアル ロックを必要とするあらゆる用途に最適です。 ねじりスナップ ロックの設計は、環状ロックよりも予測がはるかに複雑ではありませんが、単純なカンチレバー スナップよりは困難です。 ロックの応力が加わったねじり部分は、その望ましい機能を実行するのに十分な力を誘導しながら、材料の弾性作動応力内で曲がるように設計されなければなりません。 スナップをオンまたはオフにするための指の圧力も、平均的な人にとって快適である必要があります。 これらの圧力は、リリース ボタンの表面積とスナップをそらすのに必要な力の関数になります。 さらに、スナップは成形の容易さ、公差、材料特性、製品寿命を考慮して設計する必要があります。

カンチレバースナップロック

カンチレバー スナップ ロックは、最も一般的に指定されているスナップ ロックであり、設計が最も簡単です。 これらは単純なビームに基づいており、スナップ フックの高さに基づいて指定された量だけ偏向するように設計されています。 スナップフックの形状は、通常、先細りの先端を備えた直角三角形、正三角形、または半円形の形状で設計されています。 直角のプロファイルは非常に安全なインターロックを提供しますが、通常の状態ではスナップを手動で解除することによってのみ分解できます。 等辺および半円のプロファイルにより、2 つの部品を押し合わせたり引き離したりするだけで、簡単に取り付けたり取り外したりすることができます。 前述のパラメーターのリストに基づいて、これらのスナップ オプションのそれぞれに関連する設計上の考慮事項を検討します。

プラスチックの強度限界内でたわむ

すべてのスナップ ロックは、フックや嵌合戻り止めなどの連動機能を備えた一時的に変形する材料という同じ原理に基づいており、応力がかかっていない元の状態に戻ることで連動することができます。 すべてのスナップ ロックは、永久変形を避けるために、材料のたわみを材料の引張強度の強度制限内に制限するように設計する必要があります。 一回の使用または 5 回未満の繰り返し屈曲用に設計されたスナップ ロックは、材料の弾性限界までの応力で設計できます。 ただし、繰り返し使用することを目的としたスナップ ロックに生じる応力は、材料の最大使用応力レベル (通常はその弾性限界の約 50%) を超えてはなりません。 プラスチックの機械的特性は温度によって大きく変化することにも注意してください。 したがって、弾性限界と最大許容一定作動応力は熱条件に基づく必要があります。

スナップ フィーチャーを曲げるのに必要な力を決定するための計算は、次のパラメーターに基づいて行われます。

3 種類のスナップの力、応力、および最大許容たわみは、方程式に基づいて推定することも、有限要素解析 (FEA) を使用してより正確に決定することもできます。 計算の複雑さは、部品の形状、仮定、材料、スナップ ロックの種類によって異なります。

環状スナップ

環状スナップの計算は、多くの場合、一方の材料のみが屈曲し、もう一方の材料が固定されていることに基づいています。 両方の部品が曲がると仮定すると、たわみは 50% 減少します。これは、両方の材料が同一であり、壁の厚さが同じであると仮定します。 摩擦も無視されます。 環状スナップの最も一般的な公式は、1 つの部材が別の柔軟な部分に押し込まれた固体部分として表される円筒形に限定されます。 以下に示すように、ひずみの計算は比較的簡単です。

ひずみは、特定の使用温度における材料の線形応力-ひずみ曲線内の最大許容値未満に維持する必要があります。 ただし、挿入力の計算は、2 つの嵌合部品の幾何学的剛性を表す幾何学的係数 X を必要とするため、少し複雑になります。 基本挿入力は次の式で計算されます。

F=y・d・Es・X

上記の変数はすべて、ジオメトリ固有の幾何学的因子 X を除いて、簡単に定義できます。 以下の式は、剛性シャフトと柔軟なアウト リングの環状形状の X を計算するために使用されます。 参考として提供させていただきました。

外側のチューブが剛性で内側のシャフトが弾性である場合、式は上記の式と同じですが、上に示したように、v (ポアソン比) がプラスに対してマイナスの値になります。

これらの計算は、単純な円筒形の形状には適切ですが、電子機器の筐体、食品容器、おもちゃなど、より複雑な形状には適用できません。 このような場合、FEA を使用して、挿入力、許容されるたわみ、および最大保持力を正確に予測する必要があります。

小さな射出成形ボックスに適用された環状スナップの FEA 例を以下に示します。

0.03インチの詳細スナップ フィーチャは上の FEA 画像に示されています。 左側のボックスはポリカーボネートでモデル化され、右側のボックスはポリエチレンでモデル化されています。 これらの画像の歪みは、スナップを曲げたときに発生する変形の種類を示すために大幅に誇張されています。 ポリカーボネートの弾性率がはるかに高いため、各解析の最大応力は 100% 異なります。 いずれの場合も、0.03 インチです。 アンダーカットが過剰であることが判明し、いずれかの材料の弾性限界をはるかに超える応力が生じます。 このようなタイプの計算は、FEA の助けがなければ非常に時間がかかり、複雑になります。

トーションスナップ

トーション スナップ機能は、2 つのカバーや部品を一緒にロックする押しボタンのクイック リリースなど、繰り返し組み立てと分解を必要とする用途に最適です。 以下の図に示すように、これはツイストビームの単純な原理に基づいています。 ねじれの角度、ビームの長さ、および材料の係数は、スナップのねじれに影響します。 スナップ ロックについて説明したのと同じパラメータがねじりスナップにも適用されます。 最大ねじりは、以下に示すように、材料の弾性限界内の最大許容せん断応力によって制限されます。

加えられた力 (F) に基づくトーション ラッチのねじれ角度を以下に示します。

これらの方程式は、Roark の応力とひずみの公式で提供されており、通常、ほとんどの機械エンジニアのライブラリにあります。 これらの計算は、工学材料の弾性限界内にある線形の応力-ひずみ曲線を持つ材料に基づいていることに注意してください。 ポリプロピレン、ポリエチレン、高弾性材料などのほとんどの汎用プラスチックには、応力-ひずみ曲線に線形領域がなく、これらの方程式ではその挙動を正確に予測できません。 このような場合は、非線形 FEA 解析を使用する必要があります。

カンチレバースナップ

カンチレバー スナップは、ほとんどの用途に最適であるため、最も一般的に適用されるスナップ ロックです。 また、設計、成形、予測が最も簡単です。 カンチレバーのスナップフィット設計にはさまざまな種類があり、それらはすべて単純な梁という同じ原理に基づいています。 他のスナップ フィット設計について前述したパラメータは、片持ち梁のスナップ フィットにも適用されます。 Roark の本に記載されている単純な偏向ビームの基本式を以下に示します。

カンチレバーのスナップのたわみも材料の弾性限界内でたわむように制限する必要があるため、誘発される応力は、単回使用の場合は材料の最大弾性限界に設定するか、疲労が生じる可能性がある繰り返し使用の場合はそのレベルの 50% に制限する必要があります。時期尚早の失敗。 スナップの基部に生じる応力は次のように計算できます。

または、材料の弾性限界内の最大許容たわみは、次のように力 F を同等の最大応力に置き換えることによって計算できます。

I（断面二次モーメント）の例を以下に示します。

ビームの断面形状がそれに対して対称である場合、中立軸 c はスナップ ビームの壁厚の半分にのみ等しいことに注意してください。 スナップ ビームは剛性を高めるために T ビームまたは U ビーム断面を持つ場合があるため、中立軸はそれぞれの断面について以下に示す式に基づいて計算する必要があります。

これらのさまざまな断面を持つスナップ設計の例を以下に示します。

これらの計算は次の仮定に基づいていることに注意してください。

したがって、これらの計算は推定値として考慮する必要があります。 より正確な予測は、多くの CAD プログラムに組み込まれている FEA プログラムを使用して計算できます。 断面二次モーメントの計算は、正方形または長方形の断面では簡単ですが、より複雑な方程式で示されているように、他の断面では非常に時間がかかる場合があります。 3D CAD プログラムで領域特性を測定するだけで、任意の断面の領域慣性モーメントを決定できます。 すべての 3D CAD プログラムがこの機能を提供していると思います。この機能は、この記事で説明したもの以外の形状の断面慣性モーメントを正確に計算します。

単純な片持ちスナップ ロックの FEA 解析の例を以下に示します。 分析は次の値に基づいて行われました。

最大フォンミーゼス応力 = 基部で 2423 psi。 この方程式を使用すると、

応力を計算し、結果を FEA スタディと比較することもできます。

前述したように、プラスチック スナップ ロックは、この記事の冒頭に挙げたいくつかの考慮事項に準拠するように設計する必要があります。 構造的な考慮事項については説明しました。 次に、他の要件をいくつか確認します。

すべてのスナップは 2 つの部品のたわみと連動に基づいているため、組み立てに適用される力のベクトルが分解にも影響することを覚えておくことが重要です。 2 つのパーツをしっかりとロックするためにスナップが必要な場合は、2 つのパーツ間の 6 つの自由度を、スナップを解除するために必要な 1 つの自由度のみに制限する必要があります。 この単純だが見落とされがちな考慮事項により、落下テストやその他のストレスのかかる条件中に 2 つの部品が飛び散るのを防ぐことができます。 以下の図は、この点をより明確に示しています。

図 6 の設計は、青色のカバーがスナップと嵌合部品の床によって +/- Z 軸のみに拘束されているため、簡単に飛び散るスナップ アセンブリの例を示しています。 2 つのパーツは連動していますが、青いパーツは X 軸と Y 軸の両方にスライドする可能性があり、スナップに歪みが生じ、下部カバーが外れるほどたわむ可能性があります。 逆に、図 7 のアセンブリには、青色のカバーが X または Y 方向にスライドするのを制限する内側リップが含まれています。 スナップに伝達できる荷重は引張荷重とねじり荷重のみに制限されるようになり、より安全なインターロックが実現します。

スナップ ロックは、組み立てと分解を繰り返す部品の組み立てによく使用されます。 スナップのたわみを制限し、スナップに過剰な応力がかかって永久に変形するのを防ぐのは、設計上の良い習慣です。 これは、スナップの後ろにリブまたはバリアを追加するだけで実現でき、スナップのたわみを弾性限界内に制限します。

理想的には、スナップは嵌合部分と係合した後、応力のない位置に戻るように設計される必要があります。 ただし、スナップ ロックは、応力が材料の最大長期使用限界 (通常は弾性限界の 50%) を十分に下回っている限り、係合位置で一定の応力下に留まることができます。 2 つの部品を単純な押し引き動作でスナップして引き離す場合、フックのプロファイルは直角のプロファイルではなく二等辺三角形のプロファイルとして設計する必要があります。 二等辺プロファイルにより、力ベクトルがスナップをどちらの方向にも均等に偏向させることができます。 フックの両側の角度が等しくない場合、それに応じて力も異なります。

スナップを設計するときに考慮する必要がある生産設計の 2 つの課題は、公差とツールの設計です。 確実なスナップ係合には、製造中に公差を維持する際の緊密な嵌合と一貫性が必要です。 公差管理は工具の品質、生産管理、材料に依存します。 材料の収縮率は公差に大きく影響します。 一般に、充填されていない非晶質ポリマーは等方的に収縮する傾向があり、異方的に収縮する半結晶性プラスチックよりも優れた許容誤差を維持します。 ガラス繊維強化も収縮特性と公差制御に影響を与えます。 工具用のファイルをリリースする前に、公差要件について成形業者や工具メーカーと話し合うことをお勧めします。 成形業者によっては、クリアランスを数千分の 1 追加して CAD ファイルを調整するよう要求する場合があります。クリアランスは、最初のサンプルの評価後に簡単に締めることができます。 この予防措置は「スチールセーフ」と呼ばれ、金型内の余分なスチールは、コストと時間のかかる溶接や機械加工のプロセスと比べて簡単に除去できることを意味します。

ツール設計に関する 2 番目の製造上の考慮事項も同様に重要です。 スナップ フィーチャは、フック フィーチャが描画ライン上にあるように、または金型内でスライド アクションが必要になるように、部品に追加できます。 理想的には、スナップは、フック フィーチャーが描画ライン上に留まり、金型をシンプルかつ信頼性の高いものに保つように設計される必要があります。 ただし、これが不可能な場合は、スライドがどのように作動するかを検討し、スライドの移動を妨げる機能が設計内にないことを確認する必要があります。 金型表面をかじり付けることなく、コアとキャビティが適切にキスオフできるように、描画線のスナップは適切に抜き勾配を付ける必要があります。

射出成形部品のスナップフィット設計に関するこの簡単な紹介が有益で有益なものであれば幸いです。 射出成形は、非常に魅力的でコスト効率が高く、信頼性の高い複雑で高機能な部品を作成する上で、設計者に数え切れないほどのメリットをもたらします。 材料の特性を理解し、この記事で説明する基本的な公式を想像力豊かなコンセプトに適用すると、設計を最適化できるようになります。 ご質問、ご意見、または私に連絡したい場合は、[email protected] までメールしてください。

著者について

Michael Paloian は、ニューヨーク州オイスターベイにある Integrated Design Systems Inc. (IDS) の社長です。 彼はローウェル大学でプラスチック工学の学士号を取得し、ロードアイランド・スクール・オブ・デザインで工業デザインの修士号を取得しています。 パロイアンは、プラスチック、金属、複合材料など、数多くのプロセスや材料における部品の設計に関する深い知識を持っています。 パロイアンは 40 を超える特許を保有しており、SPE RMD および PD3 の会長を歴任しました。 彼は、SPE、SPI、ARM、MD&M、IDSA カンファレンスで頻繁に講演しています。 彼はまた、多くの出版物で何百ものデザイン関連の記事を執筆しています。

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