以前にもこのような光景を目にしたことがあるかもしれません。CADファイル上では完璧に見える製品でも、実際の部品はまるでスクラップのように見える。これは、プラスチックが独自の性質を持っているためです。プラスチックは呼吸し、収縮し、抵抗します。射出成形の公差を理解しているエンジニアは、これらの変化を予測し、考慮に入れた設計を行うことができます。
公差は精密製造における言語です。それは単なる提案ではありません。図面上の小数点以下のすべての桁は、100万回のサイクル、そして部品の寿命全体にわたって守られなければならない約束なのです。
射出成形における公差とは何ですか？
射出成形公差とは、部品の寸法から許容される偏差のことです。これはプラスまたはマイナスの値で表され、通常はミリメートルまたはインチで測定されます。
例えば、CADファイルで直径100mmが指定されている場合、0.05mmの公差によって、100.05mmまたは99.95mmの場合でも部品が適切に適合し、正常に機能するかどうかが分かります。
公差は、厳しいものから高精度なものまで様々です。一般的に、厳しい公差とは、およそプラスマイナス0.05mm程度を指します。これは、嵌合治具においては許容範囲内です。
高精度公差はおよそ±0.025mmです。これは、ミッションクリティカルな航空宇宙部品や医療機器部品に求められる要件です。
許容誤差は以下を考慮する必要があります。
- 材料ロットのばらつき
- 冷却水温度の変化
- パーティングラインの工具摩耗
完璧な製造は存在しない。部品の寸法は、必ず元の設計値から自然にずれが生じる。
公差が厳しいほど、製造コストは高くなる。公差が緩いほど、部品の性能は不安定になる。
射出成形における公差設定の目標は、部品が100%効率的に機能し、かつ迅速に製造できる範囲で、可能な限り広い寸法許容範囲を設定することである。
なぜ寛容さがそれほど重要なのか？
公差設定は、部品が期待どおりに機能することを保証するものです。実際の用途においては、公差は安全性、運用効率、および総所有コストに直接影響を与えます。
手術器具の部品がわずか数ミリずれただけでも、手術が失敗し、患者の命を危険にさらす可能性がある。自動車のクリップが緩すぎると、電気的なショートを引き起こし、深刻な損傷につながる可能性がある。
部品の取り付け不良による頻繁な機械的故障は、高額なダウンタイムを引き起こし、メンテナンスコストを増加させる。
部品が適切な公差で製造されると、性能が向上し、寿命が延び、製造コストも削減される。
射出成形部品の一般的な公差
| お申込み | サンプルパーツ | 一般的な公差 (mm) |
| 医療 | 外科用バルブおよび投与器具 | ± 0.01 – 0.05 |
| ディスプレイ・電子機器関連 | マイクロコネクタとSIMトレイ | ± 0.02 – 0.05 |
| 航空宇宙 | 航空電子機器の筐体およびシール | ± 0.020 – 0.050 |
| 化粧品 | 口紅のツイスト機構 | ± 0.030 – 0.080 |
| 自動車 | 燃料噴射装置とセンサー | ± 0.050 – 0.100 |
| 産業用 | 高負荷ギアとベアリング | ± 0.080 – 0.125 |
| パッケージング | 液漏れ防止ボトルキャップ | ± 0.100 – 0.150 |
| コンシューマーテック | スマホケースとノートパソコンケース | ± 0.125 – 0.200 |
| トイズ | 積み木とアクションフィギュア | ± 0.10 – 0.5 |
| 家庭用品 | 収納ボックスと洗濯かご | ± 0.5mm以上 |
タイトな方が必ずしも良いとは限らない理由
公差に関してよくある誤解があります。それは、「射出成形の公差を最も厳しく要求すれば、優れた製品結果が得られる」というものです。
それは本末転倒です。樹脂の熱膨張・収縮よりも厳しい公差を指定しないでください。そうすると、天候が変わるたびに部品が規格外になってしまいます。
究極の精度は、機械的な自由度を最大限に高めるために設計されています。直感的な形状設計により、幅広い膨張・収縮範囲に対応しながらも、最高の性能を保証し、様々な使用条件下での信頼性を確保します。
射出成形公差の種類
寸法公差
寸法公差とは、部品の長さ、幅、直径において、シームレスな性能を維持できる許容範囲内のばらつきのことである。
幾何寸法公差を用いることで、製造業者は3次元空間に適合し、動作することを目的とした部品の反り、位置ずれ、真円度を制御することができる。
プラスチックは均一に膨張したり収縮したりしないため、設計者やエンジニアは金型流動シミュレーションを用いて、部品のX、Y、Z軸にそれぞれ異なる許容誤差を設定する。
寸法公差には、ISO 20457 および DIN 12020-2 規格[1]で規定されている商業公差と精密公差が含まれます。
どちらの場合も、部品の公称寸法が大きくなるにつれて、許容公差も大きくなる。
| 寸法公差グループ | 許容範囲（mm） | サンプルアプリケーション |
| TG3 | 0.03-0.15 | マイクロエレクトロニクス、航空宇宙 |
| TG4 | 0.04 – 0.20 | 医療、航空宇宙、ハイエンド電子機器 |
| TG6 | 0.07-0.57 | 家庭用品、消費財、包装材、自動車用内装部品 |
| TG9 | 0.50 – 1.50 | 重工業、建設 |
消費財用途で一般的に用いられる商業的な寸法公差の標準または範囲は、プラスマイナス0.07～0.57mmです。この範囲はTG6の範囲内です。
複雑な機械アセンブリで要求される微細な寸法公差の下では、部品が所定の位置にカチッとはまる必要があるため、範囲は0.03～0.20 mm（TG4）になります。
真直度と平面度の許容差
真直度と平面度の公差は、部品の外形を規定する。
この業界に長く携わっていれば、プラスチック射出成形において、収縮率の差は避けられない現象であることを理解できるでしょう。成形品の表面は中心部よりも早く冷えることが多く、中心部が冷えるにつれて表面が引っ張られ、平坦性が不均一になるのです。
しかし、シールの完全性を確保し、漏れを防ぎ、確実な組み立てを保証するためには、一貫した平面度が不可欠です。そのため、正確な真直度と平面度の公差が必要となります。
許容される真直度と平面度の範囲は、ISO 1101およびISO 20457 [2]規格に詳述されているように、部品の長さによって規定されます。
許容される真直度および平面度のばらつきは、表面の長さが増加するにつれて大きくなる。
| 平面度／真直度公差グループ | 許容範囲（mm） | サンプルアプリケーション |
|---|---|---|
| TG3 | ± 0.05 – 0.10 | 航空宇宙、医療 |
| TG4 | ± 0.20 – 0.40 | 自動車、エレクトロニクス |
| TG5 | ± 0.50 – 1.00 | 玩具、消費財の包装 |
穴径および深さの許容誤差
これらの公差は、成形部品の穴のサイズと深さを制御し、部品がファスナー、ピン、および流体チャネルとどのように相互作用するかを規定します。
直径と深さの公差は、部品の公称サイズに応じて±0.03～0.1mmの範囲です。
これらの寸法もISO 20457によって規定されていますが、コアピンの周囲でプラスチックが流れる性質のため、維持するのがより困難です。
温度が変動すると、溶接線に平らな部分が生じる。穴が許容範囲内に収まるためには、プラスチックがしっかりと接合されている必要がある。
同心度と真円度の許容誤差
内壁と外壁を持つパイプを製造する場合、壁の厚さが全周にわたって均一であることが求められます。これが同心度であり、これらの公差は偏差を最小限に抑えるのに役立ちます。
真円度とは、部品がどれだけ真円に近いかを示す指標です。例えば、プラスチック製のボトルキャップが楕円形すぎると、正しく装着できません。真円度公差は、冷却時の不均一性を防ぐことで、半径の均一性を向上させることを目的としています。
| 公差タイプ | 許容誤差グループ（ISO 20457） | 一般的な許容差 | サンプルアプリケーション |
| 真円度 （楕円形） | TG4 | ±0.03 mm | 高速回転するインペラまたはタービンブレード。 |
| TG6 | ±0.15 mm | プラスチック製のボトルキャップまたは標準的なチューブ継手 | |
| 同心 | TG4 | ±0.05 mm | 二連式医療用注射器または医療機器アセンブリ。 |
| TG6 | ±0.20 mm | 電池収納部、あるいはシンプルなペン軸。 |
公差と公差の積み重ね
個々の射出成形における公差を達成し維持することは比較的容易かもしれない。しかし、本当の難題は、複数の部品を組み立てる際に初めて生じる。
許容範囲内の小さな偏差が積み重なると、許容できない大きな誤差に発展することがあります。これは公差の累積と呼ばれ、製品不良の主な原因の一つです。
解決策は？金型製作前に、厳密な最悪ケース分析または統計的公差積み上げ分析を実施することです。これらのシナリオ分析により、積み上げによる故障を防ぐために必要な個々の部品の最適な公差が明らかになります。
ASME Y14.5およびISO 1101 [3]規格では、スタックアップ公差は寸法と幾何学的（形状/位置）変動の両方を考慮する必要があると規定されています。
射出成形公差に影響を与える要因
| 因子 | 耐性に及ぼす影響 | |
| 部品設計 | 壁の厚さ | 均一な壁面は、安定した公差につながる。 |
| 抜き勾配角度 | 大きな抜き勾配により、射出時の部品表面の変形リスクが排除されます。 | |
| 部品の複雑さ | 複雑な部品は、デッドスポットが存在するため、公差管理がより困難になる。 | |
| 素材の選定 | 結晶質 vs. 非晶質 | 結晶性プラスチック（ナイロンなど）は非晶性プラスチック（ABSなど）よりも収縮率が大きいため、公差を維持するのが難しい。 |
| 結晶性プラスチックの収縮率（％） | PEEK 1.2 – 1.5 POM（アセタール）1.8 – 3.5 PA 66（ナイロン6/6）0.7 – 3.0 PP 1.0 – 3.0 HDPE 1.5 – 4.0 | |
| 非晶質プラスチックの収縮率（％） | PC 0.5 – 0.8 ABS 0.4 – 1.6 PMMA 0.1 – 1.0 PS 0.1 – 0.8 PVC 0.1 – 0.6 | |
| 反り | 部品の異なる部分は、異なる速度で収縮する。 | |
| 熱膨張 | プラスチックは、加工時や運転時の温度が変動すると膨張・収縮するため、結果として許容誤差が変化する。 | |
| ツールに関する考慮事項 | 工具の品質 | クラス101の工具は、より高い熱安定性を備えています。 |
| 工具精度 | 金型は、実際の部品よりも厳しい公差で加工する必要がある。 | |
| パーティングラインの不一致 | 金型の二つの部分が接する箇所で、わずかなずれが生じる場合があります。 | |
| プロセス制御 | 注入パラメータの維持 | 膨張を最小限に抑えるため、包装圧力と充填圧力を分離する。寸法精度を維持するために、溶融温度と冷却温度を安定させる。 |
| 複数の構成要素と公差の相互作用 | 2つ以上の部品が組み合わさる場合、個々の部品の許容誤差は倍増します。 |
重要な注意事項
1. 均一な肉厚を使用してください。部品の片側が3mmで、もう片側が5mmの場合、公差の結果は好ましくありません。
2. 継ぎ目のない部品表面を実現するために、1～3度の抜き勾配（表面仕上げに応じて）を使用します。
3. 射出後、部品の公差を測定する前に24時間待つ必要があります。プラスチックは成形時に加えられた応力を収縮または反りによって解放します。
4. 正確な公差を実現するために、「スチールセーフ」設計を採用してください。金型キャビティ内に少し余分な金属を残しておきます。部品が小さすぎる場合は、余分な鋼材を削り取ることができます。
5. どのような組み立てにおいても、すべての部品が同じ材料グループで作られていることが望ましい。そうすることで、部品が同じ速度で膨張および収縮するからである。
6. インサート成形またはオーバーモールディングの場合、2番目の部品にバリが発生しないように、最初の部品に非常に厳しい公差を使用してください。
国際許容基準および規則
ISO 20457:2018
ISO 20457:2018は、DIN 16901およびDIN 16742に代わる最新の公差規格です。
ISO 20457:2018では、製造精度を許容誤差グループに分類しています。
ISO 20457:2018の許容差グループのうち、射出成形に特に適用されるものは以下のとおりです。
- TG1～TG3は超精密部品向け
- 高精度部品用TG4
- TG5はベースライン（標準）の精密アプリケーションです
- TG6（粗部品用）は、公差が緩いことが許容される。
- TG7～TG9（非常に粗い部品の場合）収縮率が高いか予測不可能な場合
詳細については、「射出成形公差の種類」の冒頭にある表を参照してください。
DIN 16901
DIN 16901は既に廃止されていますが、現在でも広く参照されているドイツ規格であり、一般的な公差に重点を置いています。この規格は、材料をシリーズと呼ばれる特定の公差区分に分類する非常にシンプルな方法を提供します。
シリーズ3は超精密公差アプリケーション用、シリーズ2は精密用、シリーズ1は標準的な商用公差用です。この規格では、mm単位の実際の許容数値偏差と公称範囲を示す第2の内訳を使用します[4]。
| 公称範囲（mm）（部品サイズ） | タイプA（±mm） | タイプB（±mm） |
| 0 – 1 | 0.18 | 0.08 |
| 1 – 3 | 0.19 | 0.09 |
| 3 – 6 | 0.20 | 0.10 |
| 30 – 40 | 0.30 | 0.20 |
| 90 – 120 | 0.51 | 0.41 |
| 315 – 400 | 1.30 | 1.20 |
タイプBの差異は鋼製ブロックの片側半分の部品に適用され、タイプAの差異は金型内の可動部品に適用されます。
ISO 8062
ISO 8062-1:2007は、公差、特に部品の平面度と真円度に関する幾何製品仕様に使用する用語を定義しています。
ISO 8062-3:2007では、成形部品に必要な寸法公差（DCTG）と幾何公差（GCT）が規定されています。
この規格では、射出成形の公差は、標準的な精度でDCTG 4からDCTG 8の範囲となります。
重要部品の高精度公差範囲はDCTG 1からDCTG 3までです。これらの範囲は、個々の材料の収縮率によって影響を受けます。
公差を測定するための方法とツール
射出成形における公差は、三次元測定機（CMM）および光学式比較器を用いて測定される。
CMM（三次元測定機）は、プローブを用いて部品の表面をサブミクロン単位の精度で3次元的にマッピングします。
これらの方法は、自動画像認識システムと組み合わせることもできます。自動画像認識システムは、金型から部品が落下する際に撮影し、その画像を機械学習（ML）や人工知能（AI）ソリューションに送信して、寸法を即座にチェックおよび検証します。
射出成形における厳しい公差を実現するためのベストプラクティス
製造容易性を考慮した設計 (DFM)
設計段階の早い段階から公差設定を始めましょう。DFM（製造性設計）の際に20分間公差について話し合うことで、後々の部品変更にかかる数万ドルのコストを削減できます。
公差設計におけるDFMの主な目的は、迅速かつ費用対効果の高い生産のために部品の公差をできるだけ緩くしつつ、信頼性の高い嵌合と性能のために部品の公差をできるだけ厳密にする、最適な公差を見つけることです。
DFM（設計製造性）の過程では、以下の手順で行われます。
- 壁厚の均一性を最適化する
- 寸法安定性に優れた樹脂を選択する
- 溶接線を最小限に抑え、キャビティの均一な充填を確保するゲートおよびパーティングラインの位置を使用する
- 重要でない寸法を標準公差に緩和する
エズラメイド
射出成形のための設計：実践的なDFMガイド
環境を理解する
公差を設定する際には、部品の使用環境を考慮してください。プラスチックは熱膨張係数が高いため、部品は華氏60度（摂氏16度）の実験室では完璧に組み立てられても、華氏110度（摂氏43度）の倉庫では故障する可能性があります。
- 常に材料の熱膨張係数を公差積算に適用してください。
- ナイロンなど吸湿性の高い樹脂を扱う場合は、型を大きめに作ってください。
- 紫外線、化学薬品、洗浄剤が部品の寸法的な真直度、平面度、または真円度にどのような影響を与えるかをシミュレーションし、予測する。
モールドフロー解析
これは鋼材を切断する前の段階です。金型流動解析では、ソフトウェアを使用して、プラスチックが金型にどのように充填されるか、また、ウェルドライン、反り、その他の問題が発生する可能性のある箇所を確認します。
実際の鋼材に一銭も費やす前に、仮想空間で金型流動解析を用いて公差を調整しましょう。
- ゲートの位置を変更する
- 冷却チャンネルの位置を調整する
- スイッチ金型キャビティ寸法
- 空気が圧縮されているように見える場所に通気口を追加する
オートメーション
ロボット技術の活用により人為的ミスが排除され、すべての工程が同一となる。これにより、医療や航空宇宙といった重要産業における厳しい公差範囲において、極めて高い一貫性が実現する。
ロボットは、設定された許容誤差目標に基づいて圧力と温度を自動調整する閉ループプロセス制御に導入できます。また、精密部品の取り外しや統合型画像検査にも役立ちます。
定期メンテナンスおよび品質チェック
金型と機械を良好な状態に維持することで、公差のずれを防ぐことができます。金型キャビティを手作業で清掃し、通気口から樹脂の残留物を取り除くことで、逆圧の蓄積を防ぎます。
圧力低下や温度上昇を防ぐため、シールやOリングは定期的に交換してください。圧力低下や温度上昇は寸法精度に悪影響を及ぼします。
ゲート部やパーティングラインの摩耗がないか定期的に確認し、鋼材の浸食がないことを確認してください。同様に、粘度変化を防ぐため、機械の熱電対が正確に温度を反映していることを確認してください。
結論
公差設定は、寸法偏差を防ぐだけにとどまりません。最適な公差とは、必ずしも最も厳しい公差を意味するものではありません。そして、この数値はCADファイル上の単なる数字ではありません。それは、製造の容易さと部品の最高の性能という、ほぼ常に相反する2つの要素を約束する値です。設計、冶金、材料科学、加工物理学が、どの工程においても決して乖離しないようにすることで、この公差は容易に達成されるのです。
よくある質問（FAQ）
射出成形で達成可能な最も厳しい公差は、厳密に管理された製造条件下では通常±0.01mm（0.0004インチ）程度である。
スチールセーフ設計は、金属の使用量を最大化し、プラスチックの使用量を削減します。金型キャビティから金属を取り除くのは容易ですが、金型に金属を追加するのは困難です。そのため、金型キャビティは意図的にわずかに小さく設計されており、成形品はわずかに大きくなります。その後、エンジニアは金型から鋼材を徐々に除去することで、最終的な目標寸法に近づけることができます。
プラスチックは反動を起こす性質があるため、成形時に加わった応力や圧力は最終的に解放されます。これは成形後の収縮や反りとして現れることがあります。そのため、エンジニアは誤った結果を避けるために、成形後24～48時間待ってから公差を測定する必要があります。
ソース：
- SCRIBD: DIN ISO 20457 TG6 公差概要
- ISO/DIS 20457(en): プラスチック成形部品 ― 公差および受入条件
- CMM季刊誌： ASMEとISO GD&Tの主な違い
- モールドハウス： プラスチック公差 DIN.16901-130
