プラスチック成形品を設計するには？

当社の工場でプラスチック成形部品を設計するには、エンジニアリングと職人技の精密なプロセスが必要です。

この入門書では、プラスチック部品設計の要点を概説していますが、各構成要素を深く掘り下げることで、製造成果を向上させるための洞察が得られます。材料の選択と高度な金型設計技術が、いかに部品の品質と生産効率を向上させるかをご覧ください。

プラスチック成形部品の構造と寸法設計とは？

構造設計と寸法設計は、プラスチック部品の成形において非常に重要であり、その機能、寿命、多様な用途における製造性に影響を与えます。

構造設計

• **金型寸法：**金型寸法を設計する際は、製品の寸法要件とプラスチック材料の収縮率を考慮する必要があります。一般に、金型寸法は最終成形品の寸法より大きくします。プラスチック材料によって収縮率は異なり、通常0.1%～2%です。

• **金型分割方法¹：**製品の形状と要件に応じて適切な金型分割方法を選びます。一般的な方法には、上型固定・下型可動、上型可動・下型固定、左右分割などがあります。製品形状、製造難易度、金型構造、コストなどを考慮し、円滑に型開きでき、高い生産効率が得られるようにします。

• **冷却システム²：**金型の冷却システムは、プラスチック製品の品質と生産効率に大きく影響します。冷却水の配置と寸法を合理的に設計し、冷却効果を高めるため水路をできる限り製品輪郭に近づけます。同時に、不均一な冷却による変形を避け、冷却時間を短縮して生産効率を高める必要があります。

• **排気システム：**金型を設計する際は、プラスチック材料の充填・冷却中に金型内で発生するガスを考慮し、排出手段を設ける必要があります。排気システムは、気泡やショートショットなどの不良を可能な限り防止し、製品品質を向上させるよう設計します。

• **ホッパー設計：**ホッパーは合理的に配置し、樹脂材料がホッパー内へ均一に流入して材料詰まりやノズル部の気泡が生じないよう、ホッパーとノズルの位置を定めます。同時に、分解と清掃が容易になるよう、ホッパーと金型の接続も考慮します。

寸法設計

• **肉厚設計：**製品の肉厚は、成形品の品質と性能に直接影響します。肉厚が過大であれば成形収縮や変形が生じ、過小であれば製品の強度が不足します。設計時には、製品の用途と要件に応じて肉厚を適切に管理し、製品品質を向上させる必要があります。

• **型締力設計³：**型締力は金型を分離するために必要な力であり、製品寸法、製品構造、材料特性に基づいて決定します。型締力が高すぎると設備負荷が増え、低すぎると金型を完全に分離できません。

• **摺動部品の設計⁴：**摺動構造を持つ部品を成形する場合、スライダーが円滑に動き、使用中に固着や損傷を起こさないよう、位置と形状を適切に設計する必要があります。また、金型が円滑に開閉できるよう、摺動部品と金型の寸法にも注意します。

• **引張機構の設計⁵：**大きな引張力が加わっても引張ロッドが曲がったり破損したりしないよう、適切な位置と形状にする必要があります。また、正しく引張動作を行えるよう、引張ロッドと金型の寸法を適切に設定します。

プラスチック成形部品の設計・開発プロセスとは？

プラスチック成形部品の設計と開発には、さまざまな産業における生産の効率性、機能性、品質を確保するための体系的なアプローチが必要です。

需要の把握

まず、このプラスチック部品が何のためにあるのかを知る必要がある。おもちゃの部品なのか、車の部品なのか。用途が分かれば、満たすべき性能要件も見えてくる。強度が必要なのか？耐摩耗性が必要か？耐薬品性は必要か？などなど。同時に、顧客や市場がこのプラスチック部品に求める特別な要件についても考える必要があります。見栄えは必要か？特定の色が必要か？安くなければならないのか？などなど。

スケッチ開始

デザイナーから聞いた話をもとに、簡単なプラスチックパーツを紙やコンピューターソフトでスケッチします。形と大きさを大まかに示します。この時点では、正確すぎることは気にしません。ただ、大まかなイメージを伝えたいだけなんだ。うまくいきそうかどうかを確認したい。例えば、形がすごく変で作れないところがあるとか、大きさが何に使うかわからないとか。

詳細設計

スケッチをさらに具体化し、専用設計ソフトウェア⁶（CAD、ProEなど）を使用してプラスチック部品の3Dモデルを正確に作図します。この工程では、部品の具体的な寸法、各部の形状詳細、適切な肉厚などを決定します。ねじ穴との嵌合や他部品との接合など、他部品との組み合わせも考慮する必要があります。

同時に、適切なプラスチック素材を選ぶこと。プラスチックの素材によって特性が異なります。非常に硬いものもあれば、柔らかいものもある。透明なものもあれば不透明なものもある。プラスチック部品の用途と要求される性能に応じて選択する。

分析とチェック

設計したプラスチック部品が実際に機能するかどうか、何度もテストしてみよう。例えば、プラスチックパーツを押したときに曲がったり割れたりしないか、どのくらい熱くなるか、プラスチックが金型にどのくらい流れ込むか、などだ。問題が見つかったら、すべてのテストがうまくいくまで設計を変更しなければならない。

金型を作る

プラスチック部品を設計したら、量産用の金型を製作します。金型設計者は部品の設計図に基づき、金型キャビティ（部品が成形される場所）、ゲート（溶融樹脂が金型に入る場所）、冷却システム（樹脂を速やかに冷却して成形するための機構）などの金型構造を設計します。その後、金型設計図[^7]に基づいて金型を加工・製造する工場を選びます。金型の品質が部品品質に直結するため、この工程には高い精度が必要です。

試作金型

金型の準備ができたら、まず射出成形機で金型をテストする。プラスチック材料を熱して溶かし、射出成形機を通して金型のキャビティに注入し、プラスチックが冷えて固まった後に金型を開き、プラスチック部品を取り出します。

プラスチック部品が設計と同じかどうか、表面が滑らかでない、気泡がある、サイズが正確でないなどの欠陥がないかどうかを確認します。問題があれば、金型や射出工程のパラメーター（温度、圧力、射出速度など）を調整する必要がある。

大量生産

金型のテストに成功したら、プラスチック部品の量産を開始することができます。生産中は、生産品質を厳しく管理し、プラスチック部品のサイズ、外観、性能を定期的にチェックして、各製品が要件を満たしていることを確認する必要があります。

品質検査と改善

プラスチック部品には品質検査が必要です。さまざまな方法（寸法の測定、強度のテスト、外観のチェックなど）を使って、基準を満たしていない製品を見つけ出します。また、顧客からのフィードバックや生産中に発生した問題にも注意を払うこと。プラスチック部品の設計や製造工程を改善し、品質が向上し続けるようにする。

プラスチック成形部品の設計のポイントは？

プラスチック成形部品を設計するには、高品質の生産と性能を確保するために、機能性、製造性、材料選択、費用対効果のバランスが必要です。

穴

穴はできるだけシンプルに、一般的には丸くする。穴の方向は金型の開口方向と同じにし、コアの引き抜きを避ける。穴の長さと直径の比が2より大きい場合、脱型勾配を設定する。

このとき、穴の直径は小径サイズ（最大のソリッドサイズ）に合わせて計算する。ブラインドホールのL/D比は一般に4以下である。 穴から製品の端までの距離は、一般に穴の大きさより大きい。

丸みを帯びたコーナー

角丸が小さすぎると、応力集中により製品にクラックが入ることがある。角丸が小さすぎると、応力集中により金型キャビティにクラックが入る可能性がある。また、適度な角丸を設定することで

Rカッターでキャビティを直接フライス加工するなど、金型の加工工程を工夫することで、非効率な電気加工を避けることができます。角の丸み具合が異なるとパーティングラインがずれることがあるので、実際の状況に合わせて角の丸み具合を変えたり、角をきれいにしたりする必要があります。 マーキング

製品のマーキングは、一般的に製品の内面に設定され、比較的平坦であり、隆起した形は、通常の方向と成形方向の定規は、マーキングの顔と一致している可能性があり選択すると、緊張を避けることができます。

射出成型部品の精度；射出成型時の収縮の不均一性と不確定性により、射出成型部品の精度は金属部品の精度より明らかに低い。

インサート

射出成形部品にインサートを入れることで、より強く、より硬く、より正確にすることができる。また、部品をより高価にすることもできる。インサートは通常真鍮製ですが、他の金属やプラスチック製もあります。プラスチック部品に成形されるインサートは、回転したり抜けたりしないように設計する必要があります。

例えば、ローレット、穴、アンダーカット、フラット、ショルダーなど。プラスチックの周囲にあるインサートは、プラスチックが割れないように厚くする必要があります。インサートをデザインするときは、それが金型にどのように保持されるか（穴、ピン、磁石など）を考えなければなりません。

離型チルト

良好な離型勾配は、製品の毛引きを避けることができる。離型勾配は平滑な面では0.5度以上、きめの細かい面では1度以上、きめの粗い面では1.5度以上とする。良好な離型勾配は、製品上部の損傷を避けることができます。

深いキャビティ構造の製品を設計する場合、射出成形時に金型のコアがずれないようにし、製品の肉厚を均一にし、製品の開放部の材料密度の強度を確保するために、外面の勾配を内面の勾配より小さくする必要がある。

壁厚

プラスチックの肉厚には一定の幅があり、一般的には0.5～4mmです。肉厚が4mmを超えると、冷却時間が長くなりすぎて収縮などの問題が生じます。製品構造の変更を検討する必要があります。肉厚が不均一だと表面に凹みが生じます。不均一な肉厚は、空気穴や融着痕の原因となります。

補強

補強材を適切に使用することで、製品の剛性を高め、変形を抑えることができる。補強材の厚さは、製品の肉厚の1/3以下とする。補強バーの片側の勾配は1.5°以上とし、上部を傷つけないようにする。

ワンピース・ヒンジ

PP素材の強靭性を利用することで、ヒンジを製品と一体化したデザインにすることができる。ヒンジに使用するフィルムの大きさは0.5mm以下で、均一に保つ必要があります。射出成形で一体成形する場合、ヒンジの片側にしかゲートを設計できない。

ガスアシスト射出成形

ガスアシスト射出成形^{により、製品の剛性を高め、変形しにくくできます。また、収縮を防止できます。ガスアシスト射出成形7}を使用すれば、原材料を節約し、冷却時間を短縮できます。

型開き方向とパーティングライン

射出成形品を設計する場合、金型の開き方向とパーティングラインは設計の初期段階で決めておく必要があります。そうすることで、複雑なコア抜き機構の必要性を最小限に抑え、パーティングラインによる製品の外観への悪影響を排除することができます。

金型が開く方向がわかれば、補強材、クリップ、リブ、その他の機能を、できるだけ金型の開く方向に合わせて設計することができる。こうすることで、アンダーカットを避け、ニットラインを減らし、金型を長持ちさせることができます。例えば、金型がX方向に開く部品で、Y方向に開くフィーチャーを設計する場合、図面上でそのことを明示する必要があります。金型が開く方向が分かれば、パーツの外観と機能を最高にするための最適なパーティングラインを選ぶことができます。

射出成形金型のコア抜き機構と回避策

成形方向に沿って成形品を円滑に離型できない場合は、コア抜き機構⁸を設計します。コア抜き機構は複雑な製品構造を成形できますが、ウェルドラインや収縮などの欠陥が生じやすく、金型コストの増加や金型寿命の短縮にもつながります。

射出成形品の設計は、そのような特別な要件は、コア構造を回避しようとしません。このような金型の方向に穴の軸方向と腱の方向として、キャビティコアタッチスルーの使用や他の方法。

溶接（熱板溶接、超音波溶接、振動溶接）

溶接は接続を強くする。溶接は製品設計を容易にする。

工程と製品性能の矛盾に対する合理的な考慮

射出成形品を設計する場合、その製品がどのように見え、どのように機能し、どのように作られるかを考えなければならない。本当に良い外観や性能を得るためには、作り方を少しあきらめなければならないこともあります。

プラスチック成形部品の設計でよくある間違いとは？

プラスチック成形部品の設計では、機能性や製造性に影響を与えるエラーを避けるために、細部にまで注意を払う必要があります。

間違った素材の選択

もうひとつ、失敗する人をよく見かけるのは、正しい材料を選ぶことだ。パーツがどこに置かれるかを考えて素材を選ぶべきだ。屋外に置くのであれば、ひび割れしないように紫外線安定剤を入れる必要がある。荷重を受ける部分であれば、グラスファイバーのような充填剤を入れて強度を高める必要がある。何かの上を滑るような部品であれば、潤滑剤のような添加剤を入れる必要がある。

不均一な壁厚

異なる肉厚断面は部品設計において一般的であり、成形時に予期せぬ部品特性をもたらす可能性がある。プラスチックが不均一な肉厚の間を流動し、移行することは困難である。

肉厚の厚い断面では収縮率が変化し、パーツの歪みにつながる。少なくともゲート部では肉厚を厚く、充填終了部では肉厚を薄くするようにする。肉厚は0.080～0.120インチを目指し、リブやアングル・ブレース・プレートの特徴を部品設計に活用する。

モールドプルスロープを付けない

金型からプラスチック部品を取り出すには、金型に抜きテーパーが必要です。プラスチックは通常、部品の中央に向かって収縮します。抜きテーパーがないと、部品が金型に固着してうまく出てきません。できれば、両側に1°ずつ抜きテーパーをつけてください。どのような抜きテーパーでも、パーツを取り出すのに役立ちます。

不必要な不況

今日の部品設計は複雑であるため、窪みは設計されていますが、見落とされがちです。金型の窪みは、部品がリリースされる前に対処しなければなりません。スルーコア設計、スライド、中子、リフターなど、金型の窪みに対処する方法はたくさんあります。設計の簡単なルール：凹み＋複雑な金型＝コスト高。

フィレット・ラディを除く

部品を設計しているとき、フィレットRのことを忘れがちです。しかし、フィレットRは部品の強度を高めるので重要です。Rはプラスチック部品の応力集中や破壊を減らします。また、部品の見栄えも良くなり、取り扱いの際に怪我をするリスクも減ります。

結論

プラスチック成形部品を設計するには、構造と寸法の両方を考慮する必要がある。構造に関しては、金型の大きさ、部品をどのように分けるか、金型をどのように冷やすか、金型内の空気をどのように抜くか、プラスチックをどのように金型に送り込むかを考える必要があります。これらのことはすべて、部品を効率よく成形し、良い部品に仕上げるために重要なことです。

寸法を検討する際は、肉厚⁹、金型を閉じるための型締力、部品の摺動方法、部品の破損を防ぐ方法を考える必要があります。これらはすべて、部品の変形を防ぎ、良好な品質を確保するために重要です。

設計工程には、要件分析、スケッチ、詳細設計、金型製作、型試験、量産が含まれ、同時に品質検査と改善にも注力します。不適切な材料選定、不均一な肉厚、抜き勾配不足などの一般的な設計ミスを避けることで、コストを削減し、完成品の品質を高められます。包括的な概要は、当社の射出成形金型完全ガイドをご覧ください。

1. さまざまな金型分割方法を理解することで、設計効率と製品品質を高められます。 ↩

2. 冷却システムの影響を理解することで、生産効率と製品品質を最適化できます。 ↩

3. 型締力設計を学ぶことは、確実な型開きと設備の長寿命化に不可欠です。 ↩

4. 摺動部品設計のベストプラクティスを理解することで、プラスチック部品の機能性と耐久性を高められます。 ↩

5. 効果的な引張設計の手法を理解することで、破損を防ぎ、応力下でのプラスチック部品の性能を向上できます。 ↩

6. 最適な設計ソフトウェアを見つけることで、設計プロセスを効率化し、プラスチック部品作成の精度を高められます。 ↩

7. ガスアシスト射出成形は、製品品質を高めながらコストを削減できます。その利点を知り、製造プロセスの最適化に役立てましょう。 ↩

8. コア抜き機構について学び、金型設計でよくある問題を避け、生産効率を高めましょう。成功に欠かせない知識です。 ↩

9. 薄肉射出成形プロセスについて知っておくべきすべてを学びましょう。薄肉射出成形は、薄いプラスチック部品を製造するためのプロセスです。 ↩

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