接合 / 接着方法

化学的方法
  • 溶剤接着
  • 接着剤による接着
  • UV硬化型接着剤
  • シアノアクリレート接着剤
加熱式接合
  • 超音波溶着
  • ヒート / 超音波ステーキング
  • スピン溶着
  • 振動溶着
  • 高周波シール
  • ヒート / インパルスシール
  • レーザー溶着
  • 熱板溶着
機械的方法
  • ネジ
  • ねじ込みインサート
  • スナップフィット法

化学接合法

溶剤接着
イーストマンTritan™コポリエステルは PVC チューブおよびフィルムとの溶剤接着が可能です。溶剤接着はプラスチックの合わせ面の溶融性を利用して接合を行います。溶剤が素材を軟化させ、接合部から溶剤が蒸発するに従い表面を融合させます。

残念ながら、溶剤は適切でないものや多すぎる量を塗布するとヒビ割れ及び / または曇りの原因になります。ポリエステルは溶剤を吸収し可塑化現象を起こし、ポリエステルのガラス転移温度 (Tg) を低下させます。ひとたび Tg が環境温度よりも低くなると結晶化が起こる可能性があり、ポリエステルが曇り / 白濁化して脆弱になる原因となります。これは一般的に溶剤誘起の結晶化と呼ばれています。

溶剤は量が多すぎると接合部に閉じ込められ、接合部分からの溶剤の速やかな蒸発を妨げることがあります。従って、TritanをPVC部品に接合する前には必ず余分な溶剤を除去してください。

TritanをPVCチューブに溶剤接着する場合は、以下の混合溶剤のご利用をお勧めします:

  • メチルエチルケトン (MEK)
  • シクロヘキサノン
  • テトラヒドロフラン
  • 50/50 シクロヘキサノン / 塩化メチレン
  • MEK / シクロヘキサノン 50/50 から 80/20
溶剤接着の方法と技術に関する情報はイーストマンの技術サービス担当者からご案内が可能です。溶剤接着が必要な医療機器のデザインをご検討の際はイーストマンにご相談いただくことを強くお勧めいたします。

接着剤による接着
接着剤を使用したイーストマンTritan™コポリエステル同士、またはその他のプラスチック、金属、ガラス製品との接合はこれまで問題なく行われてきました。米国食品医薬局 (FDA) の認証を受けた医療グレードの接着剤が幾つか商品化されており、機械的な接合、溶剤接着、または熱的方法が実用的ではない場合や進められなかった場合に活用することができます。

接着システムのいくつかは一液型で、硬化には空気中の水分との反応、または熱を必要とします。二液型接着剤は反応性のある二種類かそれ以上の化学成分を混合し最終的な接着剤混合物を作り出します。アクリル、エポキシ、ポリウレタンなどの透明な接着剤がベースとなります。

一液型接着

紫外線(UV)硬化型接着剤
UV硬化型接着剤は何年も医療機器業界で使われてきました。この接着システムは光開始添加剤を使用し、高輝度の紫外線または可視光を使って一瞬で硬化を開始します。

この接着剤はクリーンルーム環境に非常に適しています。溶剤は一切使われませんが、接着剤を未硬化の状態で長時間付着したままにするとプラスチックが劣化する可能性があります。

サプライヤーのなかには医療向けに認可されたUV硬化型接着剤を提供している企業もあります。そういった企業では適量を塗布するための機器や、UV硬化ランプなど関連する安全機器についての技術的なサポートも提供しています。

注意:接着剤を硬化させるために使用するUV(紫外線)光は非常に危険です。高輝度で危険な UV 光線への曝露は、すぐに眼の損傷、失明、皮膚火傷を引き起こす可能性があります。安全な使用には、適切な遮蔽、防護服、UV光遮断アイウェアの利用が必須です。

イーストマンTritan™コポリエステルとの使用に推奨されるUV硬化型接着剤はイーストマン技術サービス担当者にお問い合わせください。

熱接合法

超音波溶着
イーストマンTritan™コポリエステルはエネルギーダイレクタータイプの接合部デザインを用いた超音波溶着が可能です。適切な接合部を検討するため成形品デザインの初期段階からイーストマンを参加させていただくことを強くお勧めいたします。要求性能を達成するために役立つ接合部デザインのガイドラインをご提供いたします。

以下に、超音波溶着を用いた医療部品デザインの際に重要な要素をいくつか挙げます:
  • 接合強度の要件(接合部にかかる外力)
  • 接合 / 部品耐衝撃性要件
  • 応力を加えられた接合エリアに対する化学薬品の影響
  • 溶接のために適切な成形品デザイン
  • 部品内部構造(例:精巧なろ過媒体、微細な付属部品など)に対する超音波溶着の影響
  • 溶着部のフラッシュについての課題
  • 溶着部の外観についての課題
超音波溶着を用いたTritanの接合に関する情報はお近くのイーストマン技術サービス担当者までお問合せください。



エネルギーダイレクタージョイントの設計
標準的なエネルギーダイレクターは溶接ジョイント部分の接合部に突起状に成形されます。エネルギーダイレクターの先端角は60度 。高さは成形品の肉厚に基づいて計算されなければなりません(最低0.015インチの高さが必要です)。

エネルギーダイレクターの接合部は最適な接合強度を出すためにもう一方の表面に細やかな凹凸をつける必要があります。凹凸のない平らな面でも可能ですが、より多くのエネルギーが必要となり接着剤と同様の強度を得ることができません。

ふたつめは、一連の分割されたエネルギーダイレクターを使用する方法です。これらのエネルギーダイレクターは、接合する反対側の主要なエネルギーダイレクターに対して、互いに十字交差パターンを形作るように90度の角度に配置されています。このデザインは気密シールや液密シールを実現するために、医療業界で利用されています。図3に標準的な連続十字交差型のデザインを示しました。

もうひとつはステップジョイントエネルギーダイレクターを用いる方法です。最も厳しい要件をクリアしなければならない製品の溶着には、このタイプのジョイントを使用してください。図4に標準的なステップジョイントのデザインを示しました。




ヒートステーキング法
ヒートステーキングは超音波ステーキングと類似し、いくつか同様の利点があります。そのプロセスはずっとシンプルで低コストです。どちらの方法にも同じ原則とガイドラインが適用されます。

イーストマンTritan™コポリエステルをヒートステーキングする場合に推奨される初期温度は ~260°C (~500°F) です。ポリマーが軟化変形するまでステーキングホーンの温度をゆっくりと上昇させます。樹脂がホーンに付着してくるまで温度を上げた後、6°-8°C (10°-15°F)温度を下げます。この時点で最適のステーキング温度となっているはずです。主要な目的は樹脂の付着や焼けを出すことなく均一にスタッドを溶融し変形させることにあります。

製造業者によってはヒートステーキングホーンへの付着や糸引きを軽減させるために Teflon™1 や他の付着防止コーティングを提供しています。

1TeflonはE. I. du Pont de Nemours and Companyの登録商標です

そのほかの熱接合法

高周波 (RF) 溶着
RF 溶着は 2 つ以上のプラスチックを接合する際に用いられる専門的な方法です。この処理は薄いフィルムを厚い構造体に接合する場合に最も効果的です。

RF 溶着機はプラスチックの誘電性を活用し、接合するプラスチックの分子を励起して熱を発生させます。RF エネルギーは通常 ~27.12 MHz で稼働し、接着部品の接合部分に作用させます。

接合するプラスチック同士を伸ばし付けながら、プラスチック表面を RF によって加熱します。加熱されて溶融した表面は、その後融合し、強力に溶着されます。

イーストマンTritan™コポリエステルと PVC フィルムを RF 溶着することが可能です。しかし、Tritan同士の RF 溶着は、応力集中部と結合し、脆性挙動を示す可能性があるためお勧めできません。

レーザー溶着
レーザー溶着は、ニつ以上の熱可塑性プラスチックパーツの接合表面を、レーザービームを用いて加熱して結合させるユニークなプロセスです。レーザー溶着を用いたパーツの接合方法には、現在、二つの方法があります。透明材料と不透明材料とを溶着する方法と、透明材料同士を溶着する方法です。

透明材料と不透明材料とを溶着するレーザー溶着法
透明材料と不透明材料とを溶着する溶着法は従来から行われており、透明なパーツ A を成形または製造して使用します。この透明パーツをレーザー光が透過します。

接合するもう一方のパーツBには、照射したレーザー光を選択的に吸収する不透明の添加剤を溶解し混合しておきます。レーザー光のエネルギーは添加剤を加熱し、それによって、ポリマーは軟化点を超える温度まで加熱されます。

強力なレーザー光ビームは透明なパーツAを透過し て、接合する二つのパーツの接合表面に収束するように照射し、接合する二つのパーツを押し付けながら接触面を加熱します。加熱されて溶融した表面は、その後融合し冷えて、接合部が溶着されます。

透明材料同士を溶着するレーザー溶着法
さらに新開発の技術を活用することにより、透明な熱可塑性プラスチックパーツ同士をレーザー溶着することが可能になりました。このプロセスでは、一定の波長のレーザー光を吸収するように開発された透明の特別な添加剤を、透明なパーツBに溶解し混合しておきます。レーザー光のエネルギーは、透明なパーツ A を透過します。その後、光エネルギーは、透明なパーツ B に含まれる特別な添加剤に吸収されます。吸収された光エネルギーは添加剤を加熱し、この熱によってポリマーが加熱されます。そうしてパーツ同士は、上 記と同じような方法で、接合・融合します。

イーストマンでは、先に述べたレーザー溶着法のそれぞれに対応したマスターバッチ添加剤パッケージを提供しています。これらのマスターバッチの調合は、Tritanコポリエステルとの使用に適したように特別に開発されたものです。

局所コーティング法
商用の製品にうまく利用されてきた三番目の方法は、 透明なレーザー溶着材料を、接合するパーツの片方に薄く塗布してコーティングする方法です。このコーティング剤は、特別のレーザー溶着用添加剤と溶剤担体を混合したものです。

コーティング剤は、ブラシ、ロールコーター、パッドプリンターを用いて、さらにはインクジェットプリンターを使用して、接合部分に正確に塗布できます。コーティング剤は、接合を行なう前に乾燥させてもかまいません。パーツ同士を所定のクランプ力で押 し付けながら、コーティングを行なった接触面に レーザー光を照射すると、 コーティング剤が加熱してポリマー表面が溶融します。その後、溶着部分を冷却してもかまいません。

新製品開発においてレーザー溶着法の利用を検討する場合には、その前に、イーストマンの技術サービス担当者にご相談頂くことをお勧めします。
 

機械的接合方法

イーストマンTritan™コポリエステルは、ネジやリベット、ねじ込みインサー卜、スナップフィット等の機械的手段を用いて接合することができます。

ネジもしくはねじ込みインサートの受けには、一般にモールド成形されたボスを用います。プラスチックカバーまたはパーツを繰り返し取り外す必要がある場合は、モールド成形されたインサー卜やポストモールド・インサートがよく用いられます。外部からの静的 / 動的荷重や衝撃力に起因するプラスチックパーツへの過剰な応力を回避するためには、ボスや受け穴を適切にデザインすることが重要です。ポス トモールド・インサートは、熱や超音波を用いた方法で取り付けることができます。

ネジによる固定方法
長年にわたって特別なネジの開発が続けられてきましたが、これらのネジには、プラスチック材料の半径・周方向の応力の軽減に役立つ一方で、引抜抵抗を高めた特殊設計のネジ山が採用されています。シートメタルの組立に用いられるような標準的なネジは、半径・周方向に過剰な応力が生じることが多いため、お勧めできません。このような過剰な応力は、最終使用環境における化学物質への暴露の有る無しにかかわらず、ボスやホールに亀裂が生じる原因となる場合があります。標準的なシートメタル用のネジは、プラスチックに用いる特別設計のネジに比べ て、ネジ山がより低くて広いものが一般的です。また特別設計のプラスチック用ネジは、標準的なネジに比べて、引抜抵抗が強化されている場合が多くなっ ています。

図 6 に、標準的なシートメタル用のネジとプラスチックに用いる特別設計のネジとの違いを示しました。

ネジの使用に当たっては、そのネジのベンダーの設計ガイドラインに従って使用することをお勧めします。設計ガイドラインには、適切なスターターホールの寸法、はめあい長さ、プラスチック材料の物理的特性に合致した適切なネジ山のデザインなどが示されています。

頭部が面取り加工されたネジは、半径・周方向の過剰な応力がプラスチックのリードイン・ホールに加わる可能性があるため、使用しないでください。頭部下側の座面がフラッ卜なネジ(図6および図7)を使用 してください。ネジは締め過ぎないでください。ショルダーボルトや金属スぺーサーを使用し、ネジの締め過ぎを防止してください。ワッシャーを使用すると、ネジ頭部下側に加わる圧縮応力をより広い範囲に分散させる上で役立ちます。また、スロットホール(長穴)を利用すれば、熱膨張や収縮に対応できます。

PVC タイプのウォッシャーやシールは使用しないでください。PVC に使用されている可塑剤によって、コポリエステル材料、特に大きな応力が加わる部分の周辺が化学的に腐食する可能性があります。ネオプレン、Teflon™ などの非塑性材料を使用してください。

組立後のプラスチックパーツが最終使用環境から受ける悪影響(化学物質への暴露、最高最低温度、振動、静的・動的荷重、引張・圧縮応力など)については、慎重に検討してください。

X

ネジまたはインサー卜用ボスのデザイン
イーストマンTritan™コポリエステルは、ネジまたはイン サー卜の挿入に適した様々な形状に成形できます。例えば、ボスは、基部表面から伸び、細長く突き出た構造をしています。ボスは通常、内部が空洞となっており、ネジまたはインサートが挿入できるような特殊設計のホールを備えています。

ボスまたは中空のホールのデザインに当たっては、プラスチックが適切に流れるように特別の注意を払う必要があります。ボスのデザインが適切でないと、フローライン、起伏、溶着線、スプレー、ひけ、閉じこめられた空気・ガスの燃焼、そり、パーツ破損などの望ましくない問題が生じる場合があります。ボスや関 連のガセットの大きさが適切となるように検討し、ひけマークが生じないようにすると同時に、十分な構造強度が得られるようにしなければなりません。また、角が尖った部分には丸みを付け、ボスの周辺に応力が集中するのを一層軽減することをお勧めします。

パーツのデザインに当たっては、組立後の構造が外部荷重や外力にどのように対応できるのかを確認するため、有限要素解析(FEA)を行う必要がある場合があります。有限要素解析は、適切なボスの大きさを決定したり、荷重や力を適切に分散させるためにはいくつの接合点が必要なのかを判断したりする上で役立ちます。イーストマンは、こうしたデザインサービスや支援を提供しています。

振動や繰り返し荷重が材料に与える悪影響については、慎重に検討してください。材料の疲労効果は見過ごされやすく、材料の疲労がパーツの構造的耐力や耐久性に及ぼす悪影響は過小評価されがちです。

ネジのための空洞のガイドホール(合わせ穴)の成形に用いるコアピンは、成形時に加熱するため、十分に冷却し、ポリマーのこびりつきを防止する必要があります。コアピンには水冷バブラーまたはバッフルを使用するとともに、ボスの回りには冷却回路を用意して十分に冷却し、こびりつきやひけを防止することをお勧めします。また、コアピンの基部に十分な冷却水が供給されれば、合金もコアピンからの熱伝導を向上させます。

コアピンやモールドキャビティ(金型)用の特殊なこびりつき防止コーティングも利用できますが、 十分に冷却することが常に不可欠です。

また、ボスの成形に用いるキャビティは十分に換気を行い、ガスが閉じ込められるのを防止する必要があります。ガスが閉じこめられると、プラスチックが燃焼したり、ボス形状への充填不良が生じたりする原因になる場合があります。

図 7 には、プラスチックに使用するために考案されたネジの挿入に対応した、標準的なボスのデザイン方法を示しました。ネジやインサートのためのボスまたは受け穴のデザイン方法について、詳しくは、ネジ等各製品のメーカーにご相談することをお勧めしま す。



ねじ込みインサート
ねじ込みインサートは、一般に、雄ネジ、雌ネジのいずれかの形状をしており、標準的なネジ式のナットまたはボルトを用いてニつ以上のパーツを組み立てることができます。インサー卜は、成形中、あるいはポストモールディングによって、プラスチックパーツに取り付けることができます。インサートは一般に、パーツが現場で繰り返し分解される場合に使用されます。

スレッドインサートは通常金属(真鍮またはスチール)でできています。特別設計のグルーブ(溝)やフェルールを備え、プラスチック材料に一旦挿入されると、プラスチックとかみあい、しっかりと接合されます。インサートは通常、一定の条件にそった引抜抵抗を備えていますが、厳格な試験を実施し、使用品質基準を達成していることを確証する必要があります。

インサートは、多くの場合、ボスに取り付けられています。適切なボスのデザインやガイドラインについては、該当のセクションをご参照ください。図 8 には、様々なインサートの詳細を示しました。

着色、装飾加工、印刷

レーザーマーキング
イーストマンTritan™コポリエステルは、CO2 レーザーまたは Nd:YAG レーザー装置を用いてマーキングを行なうことができます。どちらの方法も、透明パーツや不透明パーツの表面に文字やグラフィックを印刷したり、パーツの表面をザラザラにしたりするために用いられています。しかしこれら二つの方法には、プラスチックにマーキングを行なう際の性能や操作にわずかな違いがあります。

レーザーマーキング法は、プラスチックパーツへの恒久的な文字やグラフィックのマーキングを高速で実現し、通常、インクや塗料は必要ありません。レーザーを使用した加工には、インクや塗料の薄い層を削り、その下にある表面を表に出すものもあります。

最新機器のレーザーマーキングシステムの大部分は、コンピュータ制御による方向指示装置を利用し、加工対象のパーツにビームを照射しています。印刷装置を設置した効率的な作業区域の中で、複数のパーツを非常に高速に印刷できます。1 秒以下の印刷速度が実現されています。

CO2 レーザーは、ガスを用いて強力な光エネルギービームを生成します。このタイプのマーキング装置は、通常、ビームが通過するたびに、狭い溝をプラスチック表面にエッチングまたは彫刻するだけです。透明パーツにマーキングすると、マーキングされた部分はわずかに炭化したり、黒ずんだりする程度で、彫られた溝は透明であるように見えます。CO2 レーザーを用いた場合は、良好なコントラストで文字やグラフィックをマーキングすることが、より難しくなります。不透明の添加剤をプラスチックに添加し、マーキング性能を改善する必要がある場合もあります。

Nd:YAG パルスファイバーレーザーは、固体の水晶を用いて高エネルギーの光ビームを生成します。またこのレーザーを利用すると、コントラストや鮮明さに優れた、望ましい文字やグラフィックのマーキングができることが明らかになっています。透明または不透明のプラスチックの上面は、レーザー光ビームが表面を卜レースすると、黒ずんだり、炭化したりします。通常、10 〜30 ワットの出力範囲で稼働させてマーキング加工を行ないます。

さらに、レーザーは使用するエネルギーレベルが十分であれば、プラスチックを完全に切断するためにも利用できます。
 

よくあるご質問について

イーストマンTritan™コポリエステル製パーツの接合と組立には、どのような方法を用いることができますか?
化学的接合 - 接着剤による接合
機械的接合 - ネジ、インサート、スナップフィット接合
熱接合 - 超音波溶着、スピン溶着、レーザー溶着、熱板溶着

超音波溶着 - 最適な接合方法は?
片側シェアジョイントと両面シェアジョイントは、シンプルなエネルギーダイレクターとの組み合わせで最適な結果を得られます。

Tritanを装飾することはできますか?
はい。塗装、オーバーモールド成形、印刷、ラベルとデカールにおいて良好な結果が得られます。

どのようなインクで Tritanにプリントできますか?
イーストマンは、Nazdar 社、Sun Chemical 社と共に Tritanに使用するのに最適なインクの配合を用意しました。

Tritanは接着剤接着に向いていますか?
はい。Weld-on 55、Plastic Welder II 14340、Flex Welder 14345、Lord adhesives 7542 A/B、403/19、406/19、406/17などが使用できます。

その他の関連リソース