3Dプリントプラスチックハウジングへのホットメルトナットインサートの応用に関する研究

著者: 王陳、張家銀、江敏漢、夏玲然 (南京林業大学家庭工業デザイン学院)
シェルは製品構造の主要構成要素として、部品を収容・配置し、外観を美しく装飾する機能を持っています。プラスチックは軽量、断熱性、低コスト、加工の容易さなどの理由から、電子機器、機械、日用品のハウジングの製造に広く使用されています。大量生産されるプラスチックシェルの場合、通常は射出成形や押し出し成形などの従来の製造プロセスが使用されますが、小ロットのカスタマイズされたプラスチックシェルの場合、3D プリント技術を使用すると、金型を開く時間とコストを節約できるだけでなく、開発プロセスが簡素化され、生産効率が向上します。

プラスチックハウジングは主に分割構造として設計されており、スナップ、タッピングネジ、機械ネジなどの接続方法によってさまざまな部品が組み立てられます。近年、プラスチックシェルの接続方法と性能について検討した文献が多く発表されています。 Chen Lilan らは、プラスチックバックルの基本的な種類、射出成形プロセス制御の重要なポイント、および製造プロセス中のプラグインとプルアウトの性能に影響を与える要因を分析しました。 Li Likun 氏は有限要素法に基づいてプラスチックバックルの極限引き抜き性能を計算し、シミュレーション結果に基づいてバックル構造を最適化しました。張林氏は、スクリュー柱と溶接柱の構造的特徴をまとめ、金型設計と射出成形プロセスの観点からそれらの接続性能について議論しました。関連研究によると、スナップフィット、セルフタッピングネジ、機械ネジなどの接続方法は接続性能が良好ですが、長期使用中に緩み、クリープ、応力集中などの現象が発生しやすく、耐久性に劣ります。

一部の製品の分解と修理の必要性を考慮すると、3Dプリントプラスチックシェルの接続構造は、シェル部品間の静的接続を実現するだけでなく、複数回の分解と組み立てが可能な耐久性も備えている必要があります。プラスチックハウジングに埋め込まれたホットメルトナットインサートを使用し、締結ネジで接続することで、プラスチックハウジングはナットの完全性を失うことなく繰り返し分解および組み立てることができ、接続性能と耐久性が優れています。そこで、本稿では、3Dプリントされたプラスチックシェルへのナットインサートの応用について研究する。単一因子実験を通じて、インサートの種類、ホットメルト温度、穴径がホットメルトナットインサートとプラスチックの接続性能に与える影響を分析した。タグチメソッドを使用して埋め込みパラメータを最適化し、埋め込みパラメータの最適な組み合わせを得た。3Dプリントされた電子製品シェルへのホットメルトナットインサートの応用の実践が完了した。

1. 実験部分（抜粋）

サンプル準備プロセス<br /> Solidworks ソフトウェアを使用して、プラスチックベースの 3D モデルを描画しました。ベースは、15 mm × 15 mm × 12 mm の寸法の直方体の形状でした。プラスチックベースの 3D モデルは STL ファイルとしてエクスポートされ、Cura ソフトウェアに読み込まれてスライスされ、G コード処理データが生成されます。埋め込みパラメータにおけるインサートの種類、ホットメルト温度、穴径を直交実験の影響因子として選択し、3因子3水準直交実験を設計した（表1）。デスクトップ3Dプリンターを使用して9つのグループのプラスチックベースを準備し、ナットインサートを9つのグループのプラスチックベースに埋め込みました。

表 1 因子レベル表移植操作の基本的な手順は、まずプラスチックベースを水平作業プラットフォーム上に置き、ナットインサートの導入端をプラスチックベースの開口部に合わせます。次に、はんだごてを 220°C に加熱し、その圧力ヘッドをナットインサートの上部に接触させて、ナットインサートの温度を上げます。温度がプラスチック自体の融点に達したら、はんだごての圧力ヘッドに垂直圧力を加えて、ナットインサートをプラスチックベースに埋め込みます。最後に、圧力ヘッドを引き抜き、ナットインサートとプラスチックベースを冷却後に一体化させます。ナットインサートの埋め込み作業工程を図２に示し、ナットインサートを埋め込んだ後の９組のプラスチックベースを図３に示す。

図2 ナットインサートの埋め込みプロセスフロー図3 ナットインサートの埋め込み効果図
性能試験と構造特性評価

複合材料の熱伝導率は、熱伝導率試験機を使用して試験した。サンプル表面は研磨および洗浄され、表面に熱伝導グリースが塗布された。冷源温度は18℃、熱源温度は60℃、圧力は40Nに設定された。

密度は浸漬法で測定されます。
引張試験および3点曲げ試験は万能試験機で実施し、試験速度は2.0mm/分に設定した。
衝撃試験は、単純支持梁衝撃試験機で、エネルギー5J、速度2.9m/s、スパン62mmで実施しました。
改質されたBF官能基は、4000〜400 cm-1の走査範囲でFTIRによって分析されました。
複合材料の微細構造は、加速電圧 15 kV で SEM を使用して観察されました。

ABAQUS シミュレーションパラメータ<br /> プラスチックベースに埋め込まれたナットインサートの引き抜き防止性能をテストしました。図4に示すように、M4機械ネジを使用してナットインサートにねじ込みます（締め付けられるまで）。テストは万能機械試験機で実施しました。荷重負荷時には、機械ネジのネジ部が上部治具によって締め付けられます。上部治具の内壁には鋸歯状の溝があるため、伸張時の機械ネジと治具の相対的な滑りを低減できます。プラスチックベースは下部固定具でクランプ固定され、荷重速度2mm/分の変位荷重モードが採用されました。

図4 耐引き抜き性能試験プラスチックベースに埋め込まれたナットインサートの耐ねじれ性能を試験します。図5に示すように、M4機械ネジを使用してナットインサートにねじ込み（締め付けられるまで）、プラスチックベースをベンチバイスでクランプして固定します。トルクレンチを使用して、ナットインサートがプラスチックベースからねじり出されるまでナットネジを時計回りに回し、ねじりプロセス中の最大トルクを記録します。

図5 ねじり抵抗試験
2. ホットメルトナットインサートとプラスチック接続の性能分析と最適化

2.1 単変量解析

2.1.1 インサートタイプがインサート-プラスチック接合性能に与える影響

最も一般的に使用される 3 種類のホットメルトナットインサート (ツイル、メッシュ、ストレート) を選択し、ホットメルト温度を 220 °C、穴径を 5.8 mm に設定しました。各タイプのインサートとプラスチック間の接続性能をテストしました。テスト結果を図 6 と 7 に示します。ツイル、メッシュ、柾目のナットインサートの最大引き抜き力はそれぞれ 1.10、0.78、0.34 kN であり、最大トルクはそれぞれ 2.92、2.02、2.61 N·m であることがわかります。ツイルナットインサートの最大引き抜き力は、メッシュナットインサートおよびストレートナットインサートよりもそれぞれ 29.09% および 69.09% 高く、最大トルクは、メッシュナットインサートおよびストレートナットインサートよりもそれぞれ 30.82% および 10.62% 高くなります。引き抜き防止性能の順序は、綾織り＞網目織り＞柾目であり、ねじれ防止性能の順序は、綾織り＞柾目＞網目織りです。インサートの形状は、プラスチックとの接続性能に影響します。ツイルナットインサートのローレットパターンは最も深いため、インサートがプラスチックに埋め込まれると、ローレット面積が大きくなるほど、プラスチックが溶けて表面に付着し、インサートに対するプラスチックの軸方向およびねじり抵抗が大きくなり、引き抜き防止性能とねじり防止性能が最も高くなります。テクスチャ加工ナットインサートのローレット外壁は釘のような構造をしています。インサートがプラスチックに埋め込まれると、釘のような構造がプラスチックに均一に浸透し、強力な軸方向およびねじり抵抗を形成します。ただし、ローレットパターンが最も浅く、インサートとプラスチック間のねじり接触面積が最も小さいため、ねじり抵抗は最も悪くなります。柾目ナットインサートのローレットパターンはねじり面に対して垂直であるため、インサートとプラスチック間のねじり接触面積が効果的に増加し、インサートのねじり抵抗が向上します。ただし、ローレットパターンは引き抜き方向と一致しているため、プラスチックがインサートに生成する軸方向の抵抗力が小さく、引き抜き防止性能は最悪です。試験荷重過程において、万能機械試験機の上部固定具の鋸歯状内壁の機械的係合により、機械ねじの外ねじが部分的に摩耗した。荷重が増加するにつれて、徐々に滑りが発生し、荷重-変位曲線に局所的な鋸歯状変動セグメントが現れ、データポイントは離散的な特性を示した。

図6 荷重-変位曲線図7 インサートタイプが最大トルクに与える影響
2.1.2 ホットメルト温度がインサートとプラスチックの接続性能に与える影響

ホットメルト温度とは、ナットインサートを埋め込む際のはんだごて加圧ヘッドの設定温度を指します。ツイルナットインサートを選択し、穴の直径を 5.8 mm に設定します。インサートとプラスチック間の接続性能は、180、200、220 °C の 3 つのホットメルト温度でテストされました。テスト結果を図 8 と 9 に示します。ホットメルト温度が180、200、220℃のときのインサートの最大引き抜き力はそれぞれ0.83、0.88、1.10kNであり、最大トルクはそれぞれ2.12、2.40、2.92N·mであることがわかります。 220℃のホットメルト温度でのインサートの最大引き抜き力は、それぞれ200℃と180℃のホットメルト温度での最大引き抜き力より20.00%と24.55%高く、最大トルクは、それぞれ200℃と180℃のホットメルト温度での最大トルクより17.81%と27.40%高くなります。 180～220℃の範囲では、ホットメルト温度が上昇するにつれて、インサートの最大引き抜き力と最大トルクが増加し、インサートとプラスチックの接続性能が向上します。これは、インサートとプラスチック界面の結合が、機械的な噛み合いと化学的な結合に分けられるためです。前者では、インサート表面の粗さや凹凸、凹凸構造の存在により、粘性プラスチックがインサート表面の凹凸構造に流れ込み、付着して埋め込まれ、マイクロメカニカルバイトを形成します。ホットメルト温度が上昇するにつれて、プラスチックの流動性が向上し、インサートの表面に有効な広がりと濡れが形成され、インサートの接着剤の食い込み面積が増加し、インサートとプラスチックの界面の接着強度が向上します。後者は、高温の作用下で、ポリ乳酸プラスチックの活性基が真鍮の表面の酸化物と反応して、C-O-Mタイプの化学結合（Mは金属を表す）を形成することです。具体的には、ホットメルト注入プロセス中に、インサートとプラスチックの界面にある活性基カルボキシル (-COOH) の炭素-酸素二重結合が開き、酸素原子を介してインサートの表面にある酸化亜鉛 (ZnO) と反応し、最終的に -C-O-Zn 化学結合を形成します。ホットメルト温度が高いほど、インサートとプラスチックの界面に形成される-C-O-Zn化学結合が多くなり、界面の結合強度が高くなり、インサートとプラスチックの接続性能が強くなります。

図8 荷重-変位曲線図9 ホットメルト温度が最大トルクに与える影響
2.1.3 インサートとプラスチック間の接続性能に対する穴径の影響

穴径とは、ナットインサートを埋め込むためのプラスチックベースの開口部の直径を指します。ツイルナットインサートを選択し、ホットメルト温度を 220°C に設定します。インサートとプラスチックの接続性能は、5.8、5.9、6.0 mm の 3 つの穴径でテストされました。テスト結果を図 10 と 11 に示します。穴径5.8、5.9、6.0 mmのインサートの最大引き抜き力はそれぞれ1.10、0.72、0.43 kNであり、最大トルクはそれぞれ2.92、2.51、1.92 N·mであることがわかります。穴径 5.8 mm のインサートの最大引き抜き力は、穴径 5.9 mm と 6.0 mm の最大引き抜き力と比較してそれぞれ 34.55% と 60.91% 増加し、最大トルクは、穴径 5.9 mm と 6.0 mm の最大トルクと比較してそれぞれ 14.04% と 34.25% 増加します。 5.8～6.0mmの範囲では、穴径が小さくなるにつれて、インサートの最大引き抜き力と最大トルクが増加し、インサートとプラスチックの接続性能が向上します。これは、インサートをプラスチックに埋め込むプロセス中に、接触面の溶融プラスチックが徐々に移動し、流れ、インサートのローレット、バーブ、溝の間の隙間に充填されるためです。穴径が小さくなると、溶融して変位するプラスチックの量が増加し、十分なプラスチックが流れてインサートの隙間を埋めるため、インサートとプラスチック界面の結合強度が増加し、インサートとプラスチックの接続性能が向上します。

図10 荷重-変位曲線図11 穴径が最大トルクに与える影響
2.2 タグチ分析

2.2.1 実験設計上記の単一因子実験分析結果は、インプラントパラメータにおけるインサートの種類、ホットメルト温度、および穴径が、インサートとプラスチック間の接続性能に大きな影響を与えることを示しています。埋め込みパラメータ設定を最適化し、ナットインサートとプラスチック間の接続性能をさらに向上させるために、インサートタイプ、ホットメルト温度、穴径を田口試験設計の影響因子として選択し、Mintab18ソフトウェアを使用して表2に示すようにL9型直交試験表を準備しました。

表2 直交テストスキームと結果
2.2.2 信号対雑音比分析

Mintab18ソフトウェアを使用して、直交テスト結果を計算し、分析しました（表2）。ナットインサートとプラスチックの接続性能をさらに向上させるために、データ分析にはWangda特性を選択しました。直交試験から得られた9つの最大引き抜き力と最大トルクのデータを重み付けして合計し、最大引き抜き力Pと最大トルクTを線形関数で正規化し、重み係数をそれぞれ0.5に設定して、インサートとプラスチック間の接続性能の重み付け値Wiを取得しました。９つの接続性能加重値Wiをタグチ解析用Mintab18ソフトウェアに入力し、図12に示すようにインサートとプラスチック間の接続性能の信号対雑音比応答表（表３）と信号対雑音比応答図を得た。

表3 信号対雑音比応答表図12 信号対雑音比応答図表3から、インサートタイプ（要因A）のランク値が最大で6.743であり、インサートとプラスチックの接続性能に最も大きな影響を与えていることがわかります。穴径（要因C）のランク値は中間で3.390であり、インサートとプラスチックの接続性能への影響は2番目です。ホットメルト温度（要因B）のランク値は最小で0.787であり、インサートとプラスチックの接続性能への影響は最も小さいです。

信号対雑音比応答図は、上記の結論をさらに検証しています。図12に示すように、3つの要因A、B、Cの信号対雑音比応答図では、インサートタイプ応答曲線の傾きが最も大きく、インサートとプラスチックの接続性能への影響が最も大きく、穴径応答曲線の傾きが2番目に大きく、インサートとプラスチックの接続性能への影響が2番目に大きく、ホットメルト温度応答曲線の傾きが最も小さく、インサートとプラスチックの接続性能への影響が最も小さくなっています。上記の分析に基づいて、最適な移植パラメータの組み合わせは A1B3C1、つまり、インサートタイプはツイル、ホットメルト温度は 220 ℃、穴径は 5.8 mm です。試験結果を確認するために、組み合わせに応じた埋め込みパラメータに従って試験片を作成し、試験片の接続性能を試験したところ、最大引き抜き力は1.22kN、最大トルクは3.04N·mと測定されました。これは、直交試験設計表の最大引抜力と最大トルクの最大値よりも高く、A1B3C1が最適解であることが証明されます。

3. 3Dプリントプラスチックハウジングへのホットメルトナットインサートの適用

3.1 構造設計ナットインサートの埋め込み操作の前に、まず 3D プリントされたプラスチックシェルの構造を設計します。プラスチックシェルの構造設計には、形状、離型角度、壁の厚さ、補強リブ、ストッパーなどの複数の要素が含まれます。熱可塑性プラスチックに一般的に使用される射出成形などの従来のプロセスとは異なり、3D プリント技術で製造されたプラスチックシェルには、独自の特定の設計原則があります。電子製品の3Dプリントプラスチックシェルを例にとり、構造設計を行い、設計原則を次のようにまとめます。(1) 3Dプリントプラスチックシェルの内面と外面は、側面の凹面や凸面をできるだけ避ける必要があります。そうしないと、印刷中にサポート構造が生成され、シェルの外観に影響を与えます。（２）３Ｄプリントされたプラスチックシェルは射出成形部品とは異なり、脱型が不要なので、脱型傾斜を設定する必要がありません。（３）構造強度と成形品質を確保し、側壁充填隙間の形成を回避するために、３Ｄプリントプラスチックシェルの壁厚範囲は２〜３ｍｍに設定され、壁厚は押出機ヘッド径の整数倍に設定する必要がある（通常、押出機ヘッド径は０．４ｍｍである）。（４）３Ｄプリントされたプラスチックシェルのリブ、ストッパー等の構造の厚さは１ｍｍ以上でなければならず、脱型傾斜を設ける必要はない。

上記の原理に従って設計された3Dプリント電子製品ハウジングを図13に示します。3Dプリント電子製品ハウジングは、上部ハウジングと下部ハウジングの2つの部分に分かれています。上部ハウジングと下部ハウジングは、ホットメルトナットインサートを埋め込んでネジを締めることで接続されています。シェルの側壁には、電源インターフェイスとデータインターフェイスを配置するための 2 つの正方形のスロットが設けられています。上シェルと下シェルの壁厚は2.4mmに設計されており、上シェルのオスストッパーと下シェルのメスストッパーの厚さはともに1.2mm、補強リブの厚さは2mmで、上シェル、下シェル、ストッパー、補強リブには型抜き勾配がありません。上記のインプラントパラメータの最適化結果によると、インプラントナットインサートの穴径は 5.8 mm、穴の深さは 8 mm です。

図13 3Dプリント電子製品シェルの構造の概略図
3.2 3Dプリントと移植操作デスクトップ3Dプリンターを使用して、電子製品のプラスチックシェルを作成しました。成形材料としてPLAプリントフィラメントを選択し、層の高さを0.2mmに設定し、印刷速度を50mm / sに設定しました。シェルが支持構造を生成するのをできるだけ避けるために、スライスプロセス中に上部シェルと下部シェルの上部と下部の底面がそれぞれ印刷プラットフォームに取り付けられ、シェルモデルの張り出した部分ができるだけ少なくなります。印刷材料を節約し、印刷速度を上げるために、モデルの印刷品質を確保しながら、プラスチックシェルの充填率を適切に下げました。経済的な充填方法を採用し、充填率は15％に設定されました。 3D プリントの過程で発生する線引きなどの問題については、プリントが完了するまで待ってから、機械研磨などの後処理方法を使用してそれらを除去する必要があります。

印刷が完了したら、ナットインサートを印刷された下部シェルに埋め込みます。上記の埋め込みパラメータの最適化結果に従って、ツイルナットインサートを選択し、はんだごてのホットメルト温度を 220 °C に設定します。インプラント手術の基本的な手順は上記に示されています。インサートの埋め込みが完了したら、PCB回路基板を下側シェルに組み立て、上側シェルを覆い、ネジを締めて組み立て手順を完了します。インサートの埋め込みと組み立てのプロセスを図14に示します。 3D プリントされたプラスチックシェルは、表面品質が良好、構造強度が高く、開発コストが低く、カスタマイズ効率が高いなどの利点があります。 3D プリントされたプラスチックシェルにホットメルトナットインサートを適用すると、プラスチックシェルの接続性能と耐久性がさらに向上し、実用的なプロモーション価値が高まります。
図14 埋め込みおよび組み立てプロセスの概略図
4. 結論(1) インサートタイプ、ホットメルト温度、穴径がホットメルトナットインサートとプラスチックの接続性能に及ぼす影響を調査した。単一因子テスト分析の結果、インサートの形状がプラスチックとの接続性能に影響することがわかった。各種インサートの引き抜き防止性能の順序は、ツイル＞メッシュ＞ストレートであり、ねじれ防止性能の順序は、ツイル＞ストレート＞メッシュであった。180～220℃の範囲では、ホットメルト温度の上昇に伴い、インサートとプラスチックの接続性能が向上した。5.8～6.0mmの範囲では、穴径が小さくなるにつれ、インサートとプラスチックの接続性能が向上した。

（2）インサートの種類、ホットメルト温度、穴径を直交試験の影響因子として選択した。田口分析の結果、インサートとプラスチックの接続性能に対する埋め込みパラメータの影響は、インサートの種類>穴径>ホットメルト温度であることがわかった。最適化された埋め込みパラメータは、インサートの種類（ツイル）、穴径（5.8mm）、ホットメルト温度（220℃）であった。このパラメータの組み合わせでは、ホットメルトナットインサートの最大引き抜き力は1.22kN、最大トルクは3.04N·mで、インサートとプラスチックの接続性能は最高であった。

（3）3Dプリントプラスチックシェルは、表面品質が良く、構造強度が高く、開発コストが低く、カスタマイズ効率が高いなどの利点があります。3Dプリントプラスチックシェルにホットメルトナットインサートを適用すると、プラスチックシェルの接続性能と耐久性がさらに向上し、実用的なプロモーション価値が高まります。

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