射出成形金型の設計方法

はじめに 射出成形は、さまざまなプラスチック部品を作るのに使われる製造工程だ。薬のボトルのキャップのような小さなものから、自動車のボディパネルのような大きなものまで作ることができる。

Injection molding machines use injection molding materials to produce a variety of injection molded parts . But What is injection molding design like ? how do you design a mold? That’s what this article is about.

製品の2Dおよび3D図面の解析と消化

製品の2D図面や3D図面を分析・消化する際には、射出成形部品の形状。製品のサイズ、公差、設計要件。製品の技術要件（仕様とも呼ばれる）。

製品に使用されるプラスチックの名称、収縮率、色。製品の表面要件。製品のデザインが、強度、耐久性など、期待される機能要件を満たしているかどうかをチェックする必要があります。

素材がリサイクル可能か、使用時の環境負荷はどうかなど、製品の環境性能を分析する必要があります。選択した材料が製品の使用環境や機能に適しているかどうかを評価する必要があります。

注入タイプの決定

射出成形機を選ぶとき、可塑化率、射出量、型締力、金型設置有効面積、射出形態、固定長などを考慮する必要がある。

そのため、RFQと一緒に射出成形機の情報を送るお客様もいらっしゃいます。

金型キャビティ数の決定と配置

金型キャビティ数とは、金型内の同じ構造の金型キャビティの数で、通常2、4、8、16、24などがある。異なるキャビティ数は、異なる生産要件に基づいて選択する必要があります。

製品要件に基づく選択

金型のキャビティ数は、作りたい製品に合わせて選ぶことができます。製品の大きさ、製品の需要、製品の表面仕上げ、製品のコストなど、多くの要素を考慮する必要があります。

大型製品は通常、少ない金型キャビティしか必要としません。キャビティ数が少ないほどスペースが広くなるため、大型部品の生産に適しています。精密部品や非精密部品のような小さな部品には、生産効率を向上させるために、より多くの金型キャビティを選択することができます。

コストを考える

もうひとつ考えるべきことはコストだ。金型を作るコストは通常高いが、金型をたくさん作れば作るほど、それぞれの金型のコストは下がるのが普通だ。これは、作る部品が少なくなるため、必要な金型が少なくなるからです。

だから、たくさんのパーツを作るのであれば、一度にたくさんのパーツを作ってコストを節約するために、金型を増やすことを考えたほうがいいかもしれない。

バランス生産

メーカーは、製品の需要やコストに加えて、生産バランスも考慮する必要がある。生産ラインや機械によっては、メンテナンスや部品交換のためのダウンタイムが他よりも長くなるものもある。

しかし、機械の台数が十分であれば、組み合わせ製品はいつでも金型を交換する必要があるため、キャビティ数の異なる金型を選択することで生産バランスをとることができる。

生産目標

金型キャビティの数は、必要な製品の生産量に基づいて決定されるべきである。生産目標は金型キャビティ数と密接な関係がある。

生産目標が大量生産であれば、金型キャビティの数はできるだけ多くすべきであり、生産目標が小ロット生産であれば、金型キャビティの数は比較的少なくすべきである。

生産効率

金型のキャビティ数は生産効率にとって重要である。キャビティの数が少なすぎると、一度に作れる製品の数が少なくなり、効率が悪くなります。

キャビティの数が多すぎると、金型の動きが遅くなり、効率が悪くなります。ですから、キャビティの数を決めるときは、効率と出力のバランスを考えて、できるだけ効率よく作る必要があります。

パーティング面の決定

射出成形金型には、パーティングラインが1本しかないものと、複数本あるものがある。パーティング後にプラスチック部品を取り出すためのパーティングラインを主パーティングラインと呼び、残りのパーティングラインを補助パーティングラインと呼ぶ。

パーティングラインの位置と形。直線的なパーティングライン、傾斜したパーティングライン、段差のあるパーティングライン、カーブしたパーティングライン、フラップしたパーティングライン。

パーティング面の決定はより複雑な問題である。パーティング面は、射出成形金型内のプラスチック部品の成形位置、射出システムの設計、プラスチック部品の構造加工性と特殊特性、インサートの位置と形状、さらに射出方法、射出成形金型の製造、排気、操作プロセスなどに影響されます。

したがって、パーティング面を選択する際には、総合的な分析と比較を行い、いくつかの解決策からより合理的な解決策を選択する必要がある。パーティング面の選定にあたっては、一般的に以下の基本原則に従うべきである：

パーティングサーフェスは、プラスチック部品の輪郭で選択する必要があります。

プラスチック部品がバラバラになる場所がわかったら、プラスチック部品の断面が一番大きくなるところにパーティングラインを入れる必要がある。そうしないと、金型からプラスチック部品を取り出すことができない。

有利な保型方法の決定

金型からプラスチック部分を取り出しやすくするためです：金型を分割する場所を選ぶときは、金型が開いたときに動く側にプラスチック部品を置くようにします。そうすれば、金型の動く側にエジェクター機構を置くことができる。

そうしないと、エジェクター機構を金型の固定側に置かなければならず、通常、金型全体が複雑になる。プラスチック部品は収縮した後、固定された金型コアに巻きつきます。金型を分割すると、プラスチック部品は固定側にとどまります。

つまり、金型の固定側にエジェクター機構を設置しなければならず、金型が複雑になります。射出成形機の射出機構と射出成形金型の射出機構を利用して、プラスチック部品を射出することができます。

パーティング面の選択によって、プラスチック部品が移動する金型側に確実に残ることもあるが、位置が異なれば、射出成形金型構造の複雑さやプラスチック部品の排出の難しさに影響を与えることに変わりはない。

プラスチック部品が分離した後も動く金型に残るとはいえ、穴の間隔が狭いとうまく排出機構を入れるのは難しい。

仮に設定できたとしても、必要な離型力は大きく、射出成形金型の構造が複雑化し、プラスチック部品の反りや開きなどの弊害が生じやすくなる。離型機構として可動金型に単純な排出板を設置するだけなので、より合理的である。

塑性加工に要求される精度を確保する

高い精度が必要な場合や、同軸にする必要がある形状や穴がある場合は、高さ寸法をパーティングラインと同じ半分の金型キャビティに入れるようにする。

高精度の表面加工を施した部品があり、その表面にパーティングラインを通すと、金型精度の関係で形状や寸法を保持できず、要求精度を満たさないために部品をスクラップしなければならなくなる可能性がある。

ダブルゲートの部品がある場合、部品の半分を金型の可動側で成形し、もう半分を金型の固定側で成形することができる。

プラスチック部品の外観品質要求を満たす

金型を分割する場所を選ぶとき、パーツの見た目を台無しにしたくない。また、分割線にできるバリがトリミングしやすいかどうかも考えたい。もちろん、フラッシュが目立つような場所は避けたい。

丸みを帯びたコーナーにフラッシュは必要ない。フラッシュは、パーツの見た目を損なうので避けたい。外側に2度から3%のドラフトを入れることになっているにもかかわらず、フラッシュが発生しない。

射出成形金型の加工・製造に便利

射出成形金型の加工や製造を容易にするためには、パーティング面を直線にするか、加工しやすいパーティング面を選ぶことです。まっすぐなパーティング面を使用する場合、プラスチック部品の下端の形状はプッシュチューブで作られます。

このプッシュチューブは加工が難しく、組み立て時に回転防止策を講じなければならない。同時に、横方向の力で破損する。段差のあるパーティング面を使えば、加工が便利で、芯金加工も型管理加工も難しい。傾斜のあるパーティング面を使えば、加工しやすい。

成形エリアへの影響

射出成形金型のパーティング面を設計する際、射出成形機は通常、対応する射出成形金型に許容される成形面積と定格型締力を指定する。

期間中 射出成形プロセス金型のパーティング面におけるプラスチック部品の投影面積が成形許容面積を超えると、金型が膨張してオーバーフローします。この時、射出成形に必要な型締力も定格型締力を超えてしまいます。

したがって、金型を確実にロックし、金型の膨張やオーバーフローを避けるためには、パーティング面を選択する際に、金型のパーティング面におけるプラスチック部品の投影面積を最小限に抑える必要がある。

金型のパーティング面のプラスチック部品の投影面積が大きいと、型締信頼性が悪く、パーティング面を使用すると、金型のパーティング面のプラスチック部品の投影面積が小さくなり、型締信頼性が確保できる。

排気効果の向上に寄与する

パーティング面は、キャビティ充填時にプラスチック溶融流の末端が位置するキャビティ内壁面にできるだけ近づける。排気効果が悪く、射出時の排気に有利な構造である。したがって、パーティングは合理的である。

ラテラル・コア・プリングへの影響

プラスチック部品を横に引き抜く必要がある場合、サイドコアを入れやすくし、コア引き抜き機構をスムーズに機能させるため、パーティング面を選択する際、浅い側の凹穴または短い側の凸台をコア引き抜き方向として使用する、

そして、深い凹穴や高い凸台は金型の開閉方向に配置し、サイドコア抜き機構はできるだけ移動金型側に設置する。

以上、パーティング面の選択に関する一般的な原則といくつかの例を説明した。実際の設計では、上記の原則をすべて満たすことは不可能である。一隻の船は、この矛盾の大本を把握し、その前提のもとに合理的なパーティング面を決定すべきである。

金型ベースの決定と標準部品の選択

たいていの場合、お客様からどの材料を使えばいいか聞かれます。しかし、自分たちで選ぶ場合は、金型関連部品に必要な強度や剛性を確認し、選択した金型枠が適しているかどうかをチェックすることが重要な場合もあります（特に大型金型）。

注湯システムの設計

ランナーシステムは、ランナーシステムまたは注湯システムとも呼ばれ、射出ノズルから金型キャビティに溶融プラスチックを流すために必要な通路です。ランナーシステムには、メインランナー、サブランナー、ゲートがあります。

メインランナー

メインランナー、スプルー、バーチカルランナーとも呼ばれ、射出ノズルが金型のメインランナーブッシュに接触する部分からサブランナーまでのランナーです。金型に入った溶融プラスチック樹脂が最初に流れる部分です。

サブランナー

副ランナーまたは二次ランナーとも呼ばれる。金型設計により、さらに第1サブランナー（First Runner）と第2サブランナー（Secondary Runner）に分けられる。

ランナーはメインランナーとゲートの間の移行領域で、溶融プラスチックの流れ方向をスムーズに変えることができる。多キャビティ金型の場合、各キャビティにプラスチックを均等に分配する機能もある。

ゲート

スプルーとも呼ばれ、ランナーとキャビティーの間にある細い溝で、最も短く薄い部分でもある。その機能は、狭い流動面を利用してプラスチックの速度を上げることです。

高いせん断速度は、（プラスチックのせん断減粘特性により）プラスチックをよく流動させることができる。粘性加熱による温度上昇効果も、材料温度を上昇させ、粘度を低下させる効果がある。

成形後、まずゲートを固化して密封し、プラスチックの逆流を防止し、キャビティ圧が急激に低下して成形品が収縮したりたるんだりするのを防ぐ機能がある。

冷たい井戸

コールドウェルとも呼ばれ、その目的は、充填の初期段階でより冷たいプラスチックの波面を蓄え、冷たい材料が直接キャビティに入り、充填品質に影響を与えたり、ゲートを塞いだりするのを防ぐことである。

コールドウェルは通常、メイン水路の端に設置される。分岐水路の長さが長い場合は、コールドウェルも端に開ける。

ゲーティング・システム設計の基本原則

空洞レイアウトの検討

バランスのとれたレイアウトを心がける。偏荷重やオーバーフローの原因となる金型への力の偏りを防ぐため、キャビティレイアウトやゲート開口部は左右対称にする。金型を小さくするため、キャビティレイアウトはできるだけコンパクトにする。

フローガイダンスの検討

溶融プラスチックが渦電流を発生させることなくキャビティを満たすように誘導でき、スムーズに排気できる。プラスチック溶融物がコアと金属インサートに直接衝突しないようにし、コアの変位や変形を防ぐために直径を小さくする。

熱損失と圧力損失の考慮

熱損失と圧力損失は小さければ小さいほどよい。工程は短い方がよい。流路断面積は十分に大きいこと。流路の曲がりや流れの向きの急激な変化（円弧角で向きを変える）はなるべく避ける。

流路加工時の表面粗さは低くなければならない。多点ゲーティングは圧力損失と必要注入圧力を下げることができるが、縫合線の問題が発生する。

フローバランスの考慮

複数キャビティの金型にプラスチックを充填する場合、各キャビティの成形品が同じ品質になるように、ランナーのバランスをとり、できるだけ同時に各キャビティにプラスチックを充填したい。

可能な限りスプルーのバランスを取りたい。スプルーのバランスを自然にとることができなければ、人工的にバランスをとりたい。

廃棄物への配慮

ランナーの無駄とリサイクルコストを削減するには、流量と圧力損失に影響を与えずにスムーズな充填を維持しながら、ランナーの体積（長さまたは断面積）を小さくする。

コールドマテリアルの検討

ランナーシステムに適切なコールドスラッグウェル（およびオーバーフロー溝）を設計し、充填の初期段階でより冷たいプラスチックの波面を捕捉することで、コールドスラッグが金型キャビティに直行し、充填品質が台無しになるのを防ぐ。

排気の考慮

プラスチックがスムーズに金型キャビティに導かれ、金型キャビティ内の空気がスムーズに抜けるようにすることで、封じ込めや焼けを避けることができる。

成形品の品質への配慮

ショートショット、バリ、ヒケ、ウエルドライン、ジェッ ト、残留応力、ソリ、コアシフトなどの問題を回避する。ランナー システムのフローが長い場合、または複数のゲートを注湯 する場合（マルチプルゲーティング）、フローのアンバランス、 保圧不足、不均一な収縮による完成品のソリを防止する。

製品の外観が良く、ゲートの取り外しやトリミングが簡単で、ゲートの跡がプラスチック部分の外観や用途を損なわない。

射出システムの設計

製品の排出形態は、機械式排出、油圧式排出、空気圧式排出の3つにまとめられる。

排出システムの設計原理

エジェクションシステムには様々な形式があり、製品の形状、構造、塑性に関係している。一般的には、エジェクターピン、エジェクタースリーブ、プッシュプレート、エジェクターブロック、空気圧複合エジェクターなどがあります。

設計の原則は、パーティング面を選択する際に、脱型機構がある側に製品を保つようにすることです。排出力と位置のバランスにより、製品の変形や破損を防ぎます。

イジェクターピンは、製品の外観や機能に影響を与えない位置にセットすること。安全性と信頼性のため、製造や交換に資する標準部品の使用を心がけること。

射出位置は抵抗の大きいところに設定し、インサートやコアに近づけすぎないようにする。箱型のような深いキャビティの金型では、側面の抵抗が最も大きく、製品の変形や破裂を防ぐため、上面や側面の排出方法を用いる。

細く深い補強リブがある場合、エジェクターピンは一般的に下部にセットされる。製品入口には、割れ防止のためエジェクターをセットしない。薄い製品の場合は、ランナー上にエジェクターをセットして製品を出します。エジェクタとエジェクタ穴は、一般にクリアランス・フィットです。

はめ込みが緩すぎるとバリが出やすく、きつすぎると引っかかりやすくなる。加工や組み立てを容易にし、摩擦面を減らすため、一般的には可動金型に10～15mmのはめ込み長さを確保し、残りの部分を0.5～1.0mm広げて逃げ穴を形成する。

生産中にエジェクターが回転しないように、エジェクタープレートに固定する必要があります。様々な形状があり、エジェクターの大きさ、形状、位置によって決めなければならない。

冷却システムの設計

射出成形金型の冷却システムは、金型設計において非常に重要であり、成形サイクルや製品の品質に大きな影響を与える。

In design practice, different customers have different requirements for cooling system design. Designers must first meet customer requirements, and then combine the mold size structure and the actual situation of the factory for comprehensive design.There are three types of cooling systems for injection molds: vertical cooling channels, inclined cooling channels, and water well partition cooling channels.

縦型冷却水路は金型外面のいずれかに垂直で、傾斜型冷却水路は金型外面のいずれにも垂直でなく、水井戸仕切り冷却水路は他の水管よりも水井戸の直径が大きく、途中に流れを分流させるための仕切りがある。

プラスチック部品を均一に冷却するには、生産性を高め、製品の品質を保証するように設計された金型冷却システムが必要です。システムを設計する際に留意すべき点をいくつかご紹介します：

冷却孔の数は可能な限り大きく、サイズは可能な限り大きくする。

キャビティ表面の温度は、冷却水孔の大きさと密度と密接な関係がある。冷却水孔の直径が大きく、孔と孔の間隔が小さいと、キャビティ表面の温度は均一になる。

冷却水孔からキャビティ表面までの距離は適切でなければならない。

穴壁からキャビティまでの距離は適切であるべきで、一般的には10mm以上、12～15mmがよく使われる。近すぎるとキャビティ表面の温度にムラができ、遠すぎると熱抵抗が大きくなり、冷却効率が悪くなる。

プラスチック部品の肉厚が均一な場合、冷却水孔とキャビティ表面の距離は同じにする。プラスチック部品の肉厚が異なる場合、肉厚部の冷却水路はキャビティに近づける。

射出成形サイクル中、ホットチップゲート設計は、製品の肉厚を一定に保つことができ、成形品質を向上させる。

水と素材が平行になり、ゲートの冷却が強化される

成形時、高温のプラスチック溶湯はゲートからキャビティに充填される。ゲート付近の金型温度は高く、材料の流れ終わりの温度は低くなる。

冷却水の全体的な流れ方向がキャビティ内の材料の流れ方向と同じになり（水と材料が平行になり）、冷却が比較的均一になるように、冷却水の入口をゲート付近に設定する。

入口と出口の水の温度差が大きすぎないこと。

入ってくる水の温度と出てくる水の温度の差が大きすぎると、金型の温度は均一にならない。

製品全体をほぼ同じスピードで冷やすには、冷却水パイプを正しく設置して、入る水の温度と出る水の温度の差をできるだけ小さくする必要がある。

金型鋼の選択

金型（キャビティ、コア）を作るための材料の選択は、主にバッチサイズと製品のプラスチックカテゴリーによって決定される。

P20スチール

P20鋼は、大型射出成形金型の製造に広く使用されている。耐摩耗性が強く、焼入れ性が良く、靭性が良い。大型、中型、小型金型の製造に適しており、自動車、家電製品などの分野で広く使用されている。

NAK80スチール

NAK80鋼は先進的な耐熱・耐摩耗プラスチック金型用鋼で、優れた総合性能を持っています。

高硬度、高靭性、高耐摩耗性、高耐食性などの特性を持つ。高品質・高精度の金型製造に適している。

718スチール

718鋼は加工性に優れ、機械的性質に優れた鋼である。高硬度、高張力、高靭性を有する。様々な精密金型を製造することができ、自動車、電子機器、医療などの分野で広く使用されている。

S136Hスチール

S136H鋼は高品質のステンレス鋼である。熱安定性がよく、熱疲労性能がよく、変形しにくい。高精度の射出成形金型、光学レンズ金型などに適しています。

金型用鋼を選択する際に考慮すべき要素

素材硬度

プラスチック金型は、金型の寿命と安定性を確保するために十分な硬度が必要です。一般的な金型用鋼材には、P20、718、NAK80などがあり、硬度が高く、耐摩耗性に優れています。

素材靭性

プラスチック金型は、使用中に一定の衝撃力や押し出し力を受けるため、金型の破損や損傷を防ぐために一定の靭性が必要です。一般的な金型用鋼材は、S136、H13などの高い靭性を持っています。

材料の耐食性

プラスチックの金型を作るときには、たくさんの薬品を使わなければなりません。だから、金型が腐食して破損しないように、腐食しにくい種類の鋼材を使う必要がある。金型製造用の一般的な鋼材は耐食性に優れている。例えば、420や2316が良い。

材料加工性能

金型を作ったり直したりするには、加工しやすい鋼が必要です。金型に最適な鋼の中には、718やNAK80のように切削や熱処理が容易なものもある。

材料価格

価格もプラスチック金型鋼を選択する重要な要素である。異なる金型鋼材は異なる価格を持っているので、あなたの実際の状況に応じて選択してください。

金型図面の確認

金型設計図が完成したら、顧客に送って承認を得なければならない。顧客の同意が得られて初めて、金型は生産に移される。

顧客の意見が大きく、大きな変更が必要な場合は、再設計を行い、顧客が納得するまで承認を得る必要がある。

排気システム

射出成形プレス金型の排気システムは、主に金型キャビティ内の空気や揮発性物質を除去し、成形品の品質の安定性を確保するためのものである。 射出成形品 そして生産効率を向上させる。

金型キャビティ内の残留空気が多すぎたり、排気がスムーズでないと、射出成形品に気泡、引け巣、バリなどの欠陥が発生し、製品の品質や成形効率に影響を与える。

タンジェンシャル・ラジアル排気法

金型設計に接線方向や放射状の排気溝や穴を組み込むことで、接線方向や放射状のガス抜きを実現し、金型内のガス溜まりを効果的に減らすことができます。

円筒排気方式

排気口は小さな円筒状に設計されており、ガスが周囲に拡散することで排気の目的を達成する。

通気性排気方式

排気孔や排気溝には小さな溝がたくさんあり、ガスがその溝を通ることで呼吸ができるようになっている。

角度環状排気方式

円弧状の排気溝を設定。射出成形時、ゆっくりと外側に移動する排気溝を頼りに、金型表面の空気をいち早く排出することができます。

結論

射出成形金型の設計には、製品の分析、射出成形機の選定、金型キャビティ数の決定、パーティング面の設計、金型ベースと材料の選定、ゲートシステムの設計、射出システムの設計、冷却システムの設計、金型材料の選定、図面の確認、排気システムの設計などが含まれる。

まず、製品の形状、サイズ、公差、材質を評価し、機能性と環境への配慮を確認する。 射出成形 可塑化速度と型締力に基づいて成形機を決定し、生産ニーズに基づいて金型キャビティ数を決定する。

冷却システムの設計は均一な冷却を実現し、材料の選択は生産規模に合わせるべきである。

最後に、図面を確認した後、効果的な排気システムを確立し、気泡や欠陥を回避し、金型の効率と製品の品質を確保します。