PIの切削加工 | 真空環境に最適な低アウトガス特性と選定ポイント

本記事の要点

1. PI（ポリイミド）は最高300℃の連続使用と極低温環境に対応し、優れた機械的強度を維持する非熱可塑性のスーパーエンジニアリングプラスチック

2. 低アウトガス性や高い寸法安定性を備えており、半導体製造装置や航空宇宙部品、過酷な高温下での摺動部品に幅広く採用されている

3. 部品設計や切削加工の依頼時には、吸水性による寸法変化のリスクや、流通している材料の規格サイズが少ない点に注意が必要

PI（ポリイミド）とは

PI（ポリイミド）は、分子構造にイミド結合を持つスーパーエンジニアリングプラスチックです。樹脂材料の中でも特に優れた耐熱性を持ち、高温環境だけでなく極低温環境でも使用できることが大きな特徴です。また、機械的強度や耐摩耗性、電気絶縁性、寸法安定性、耐薬品性にも優れています。高純度・低アウトガス性を持つグレードもあり、半導体製造装置や航空・宇宙関連機器、精密機械部品など、一般的な樹脂では対応が難しい厳しい環境で使用されています。

PIの基本物性・特性

※上記の数値・評価は代表的なグレードにおける目安であり、製品やグレード、使用環境によって異なります。材料選定の際は、メーカーの最新仕様をご確認ください。

PIの特徴とメリット

優れた耐熱性

ポリイミドは、樹脂材料の中でも特に優れた耐熱性を持つ材料です。高温環境でも機械的特性や電気特性が低下しにくく、長時間にわたって安定した性能を維持しやすい点が特徴です。グレードによっては200～300℃を超える温度域での使用に対応できるものもあります。一般的なエンジニアリングプラスチックでは耐熱性が不足する高温部品や、熱源の近くに配置される絶縁部品などに適しています。

極低温下でも使用が可能

極低温環境でも機械的特性が低下しにくく、幅広い温度範囲で安定した性能を発揮します。そのため、一般的な樹脂では使用温度の下限が問題となる、液体窒素などを扱う低温機器や、航空・宇宙関連機器などへの使用が検討できます。対応可能な温度範囲はグレードによって異なるため、選定時にはメーカーのデータを確認する必要があります。

温度変化に対する寸法安定性

温度変化に対する寸法安定性に優れた材料です。熱膨張が小さく、高温環境でもクリープが発生しにくいため、温度変化や長時間の荷重による寸法変化を抑えやすい点が特徴です。精密機械部品や、長時間にわたって荷重を受ける摺動部品などに適しています。なお、線膨張係数やクリープ特性はグレードによって異なります。

優れた機械的強度と耐摩耗性

優れた機械的強度と耐摩耗性を持ち、摩擦・摩耗特性にも優れているため、軸受やワッシャー、シール、ガイドなどの摺動部品にも適しています。用途に応じて充填材を配合したグレードもあり、摩擦・摩耗特性をさらに向上させることも可能です。

難燃性を持つ

分子構造に芳香族環やイミド結合を持つことから、熱分解しにくく、添加剤を加えなくても優れた難燃性を示す材料です。燃焼時には表面に炭化層を形成しやすく、燃焼の進行を抑えられる点も特徴です。グレードによってはUL94 V-0の規格に対応した製品もあり、火災リスクを抑える必要がある電気・電子部品や航空・宇宙関連部品などに使用されています。

絶縁性に優れる

優れた電気絶縁性を持ちます。広い温度範囲で電気特性を維持しやすいため、高温環境で使用する電気・電子部品の絶縁材料として適しています。薄膜やフィルムとしても利用されており、電線・ケーブルの絶縁、フレキシブルプリント基板などにも使用されています。精密機械部品においても、導電性を持たせたくない箇所の絶縁部品として活用できます。

高純度・低アウトガス性

高純度で低アウトガス性に優れたグレードがあります。アウトガスとは、材料に含まれる成分などが真空環境で気体として放出される現象です。アウトガスが少ない材料は、真空中での汚染や周辺部品への付着を抑えやすいため、半導体製造装置や真空装置などで使用されています。特に半導体関連では、材料からの微量な不純物が製品品質に影響する場合があるため、高純度かつ低アウトガスのグレードが選択されます。

耐薬品性

油類や多くの有機溶剤などに対して優れた耐薬品性を持つため、化学装置や半導体製造装置などの部品に利用されています。また、高温環境でも耐薬品性を維持しやすいことが特徴です。

PI材質選定上の注意点

非常にハイスペックで万能に見えるPIですが、実際の部品設計や切削加工の依頼時には以下の点に注意して設計を行う必要があります。

吸水性による寸法・特性の変化

PIは吸水性を持つ樹脂材質です。湿度が高い環境や水分に直接触れる環境で使用すると、吸水によって寸法が変化（膨張）したり、機械的特性が変動するリスクがあります。公差の厳しい精密部品を設計する際は、使用環境の湿度を考慮した上で、事前のベーキング（乾燥）処理や適切なクリアランス設計を行う必要があります。

規格サイズが少なく材料調達に制約がある

汎用的なエンジニアリングプラスチックと比較して、流通している丸棒や板材の規格サイズ（寸法バリエーション）が少ないのが難点です。そのため、希望する大きなサイズのブロック材が手に入らない場合や、必要なサイズに対して加工時の歩留まりが悪化してしまうケースがあります。設計段階から、入手可能な材料サイズを把握した上で形状・分割構造を検討することが、コストダウンの重要な鍵となります。

PIの種類

標準グレードの他に各種性能を強化・付加したグレードがあります。

PIの精密切削加工はユモパーツにお任せください

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