DIY射出成形に必要なものは？
高性能デスクトップSLA 3Dプリンタ
デスクトップSLA 3Dプリンタは、シャープな特徴と滑らかな表面仕上げを持つ金型を作成できる高性能マシンです。SLA 3Dプリンタは、プラスチック金型を作る以外にも使用できます。SLA3Dプリンタは、プロトタイピングや、製品を開発する際に必要なその他の作業にも最適です。
価格：SLAプリンターは、熱可塑性材料による試作に使う熱溶解積層方式（FDM）やHPナイロン・マルチジェットフュージョン（MJF）のプリンターより高価ですが、細部を良好に再現できます。
造形サイズ：家庭用3Dプリンターは、小型部品や小ロットの製作向けで、大型機を小さくしたようなものです。平均的な造形サイズは中程度で、通常は145 x 145 x 175 mmです。
材料：プリンターは小型でも、多くの材料に対応しています。透明、硬質、歯科用、柔軟部品向けの樹脂があります。デスクトップ3Dプリントで最も一般的な材料は、ポリカーボネート（PC）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）、エラストマー・ポリウレタン（EPU）樹脂です。市場にはさらに安価な材料も多く、500 mlで約15ユーロです。
解像度：デスクトップ3Dプリンターの解像度は価格帯の割に良好で、積層ピッチは約25～200ミクロンです。ただし、繰り返し使用すると低下することがあります。
重量：デスクトップ型の樹脂SLAプリンターは10 kg未満で、非常に持ち運びやすいです。
3Dプリンティング材料
射出成形時に金型にかかる温度や圧力に耐えられる3Dプリンティング材料。主なものには以下のようなものがある：
リジッド10K樹脂は、より幅広い形状と射出成形工程に対応できる超強力、高ガラス充填材料です。HDTは218℃@0.45MPa、引張弾性率は10,000MPaで、高強度、超硬度、耐熱性に優れています。
高温樹脂は、238℃@0.45MPaの熱変形温度を持ち、射出成形に適しています。脆いですが、成形温度が高く、冷却時間が短い材料にお勧めです。
グレー・プロ樹脂は、高温樹脂や硬質樹脂よりも熱伝導率が低いため、冷却に時間がかかりますが、柔らかく、何百サイクルもの摩耗に耐えることができます。
卓上型射出成形機
卓上射出成形は、プラスチックを含む様々な材料を恒久的に成形するために、様々な生産サイクルで一般的に使用されている機械的プロセスです。このページでは、射出成形とは何か、射出成形が一般的に使用される場所、プラスチック部品やオブジェクトの生産、金型製造、プラスチック材料の精密成形について説明します。
射出成形機には様々なタイプがある。主な機械の種類は、油圧式、電動式、ハイブリッド式（電動式と油圧式の組み合わせ）がありますが、卓上射出成形機は一般的に電動式です。
卓上型射出成形機は、溶融材料（通常はプラスチックまたは金属）を金型に押し込むように設計されている。この金型には、材料を押し込むためのキャビティと、部品を最終形状に成形して固定するための固定具が含まれている。一台の成形機で、金型は単一キャビティと複数キャビティがあり、一工程で一つまたは複数の製品を作ることができる。
さらに、マルチキャビティ金型には、同一または独自のキャビティを含めることができるため、作成される製品は同一または個別のものとなります。各金型は耐用年数中に100万個以上の部品を作るように設計されているため、頑丈で公差が小さいことが求められます。
デスクトップ射出成形機が役に立つかどうかは、ユーザーのユースケースとニーズによります。家庭のDIY愛好家や小規模なスタジオにとっては、複雑な部品やモデルを安価で迅速、かつ使いやすい方法で製作する手段を提供できます。
射出成形のDIY
CADで金型を設計する
まず、金型インサートを設計するために、お気に入りのCADソフトウェア・ツールを選びます。金型枠のキャビティ図面を使って金型インサートを設計することができます。
コアの半分と作りたい3DデザインをCADツールに取り込みます。
Blenderで、シーンエクスプローラーの目のアイコンを使って金型の半分をブロックします。ワークスペースを好きなように設定したら、モールドの両半分をオブジェクトメニューの「ワイヤー」ドロータイプに設定します。
これで金型の位置を決めることができます。射出プロセスでは、オブジェクトが溶融プラスチックの注入口と完全に交差していることを確認します。透視図と正投影図を切り替えて、この作業を簡単にするには、正投影図を使用します。
現在の金型コアを非表示にし、反対側の非表示を解除します。このプロセスを繰り返し、オブジェクトがコアのもう半分のインレットと完全に交差するようにします。オブジェクトが並んだら、BlenderのBoolean Difference関数を使って、交差する2つのオブジェクトの面積を差し引くことができます。
オブジェクトの前半分を選択し、モディファイアメニューからブーリアンオプションを選択します。カットするオブジェクトを選択し、「差分」演算が選択されていることを確認します。オペレータを適用し、反対側も同じようにします。
これで金型を印刷する準備ができました。Blenderエクスポーターの “Selection Only “ボックスにチェックを入れて、各半分をエクスポートします。
3Dプリンティング金型
金型を3Dプリントするには、射出成形プロセスで金型の温度と圧力に対応できる材料を選ぶ必要がある。
金型製造工程では、アルミニウム製の金型枠を鋼鉄製の金型と組み合わせ、ドリルプレスを使用して金型半体を加工し、液体樹脂中の気泡を効果的に除去する。
当社独自のテストと顧客事例に基づいて、最も人気のある3Dプリント樹脂のリストを作成しました。
光硬化性樹脂：光硬化性樹脂は、3Dプリントで最も一般的な樹脂の一つです。紫外線を当てると急速に硬化します。硬化が速く、細部の再現性にも優れているため、精密模型、芸術作品、高品質な機械部品の製作に適しています。
複合樹脂：複合樹脂は、2種類以上の樹脂材料を混合して作られます。配合比によって強度と硬度を調整でき、柔らかいものから硬いものまで製作できます。耐薬品性と耐熱性にも優れています。
シリコーン樹脂：シリコーン樹脂は、高強度、高硬度、高温安定性、優れた機械特性を備えた高性能樹脂材料です。耐候性と気密性にも優れ、高級自動車部品や航空宇宙分野の部品によく使われます。
熱可塑性樹脂：熱可塑性樹脂は、高温で塑性変形できる樹脂材料です。耐熱性と耐食性に優れ、加工も可能です。
感光性樹脂とは、3Dプリンターで物を作るときに使うもので、光を使って樹脂を固める。光を当てると固体になる液体だ。さまざまな化学物質からできていますが、主なものはポリマー、光重合開始剤、希釈剤です。
3Dプリンターで使用できる感光性樹脂には、一般樹脂、硬質樹脂、インベストメントキャスト樹脂、軟質樹脂、弾性樹脂、高温樹脂、生体適合樹脂、セラミック樹脂、昼光樹脂の9種類がある。
Formlabs 3Dプリンター用のプリント準備ソフトウェアであるPreFormでプリントをセットアップするのにかかる時間はほんの数秒です。金型デザインにプリント用のサポート構造が必要な場合は、キャビティが上を向くようにPreFormで金型の半分を配置してください。こうすることで、後処理が簡単になり、成形品の表面が高品質になります。
ジオメトリとサイズによっては、ビルド・プラットフォーム上に複数の金型を一度にプリントして、プリントの効率を上げることができる。
射出成形プラスチック部品
金型を設計し、3Dプリントした後は、卓上プラスチック射出成形機で部品を射出成形することができます。
射出成形にはたくさんの材料があります。ここでは、最も一般的な射出成形材料のいくつかを紹介します。
アクリル；アクリルはポリメタクリル酸メチルとも呼ばれる熱可塑性材料で、軽量かつ機械的強度に優れ、無色透明です。延性はありませんが、欠けにくい材料です。
ABS；ABSは、最もよく知られた射出成形材料の一つです。強度と靭性、耐衝撃性に優れ、酸、アルカリ、油に対する耐薬品性もあります。完全に不透明で、さまざまな色に射出成形できます。何より、この一覧にある他のプラスチック射出成形材料に比べて非常に安価です。
ナイロン；ナイロンは優れた材料です。丈夫で耐熱性があり、摩擦・摩耗特性にも優れています。天然にも存在しますが、人工的に製造することもでき、合成ナイロンは射出成形に適しています。また振動吸収性が高いため、防音部品の製作にも向いています。
PC；PCは非常に丈夫で、耐欠け性と耐衝撃性に優れ、透明です。さらに、広い温度範囲で機械特性と外観を維持できるため、高温環境で優れた性能を発揮します。
POM；POMは高い精度が必要な用途に適しています。硬く剛性が高いため変形しにくく、滑りが良く表面も滑らかなので、摩擦の多い部品に向いています。極低温にも耐えられます。
PP；PPは身の回りに広く存在し、特に台所では食品容器としてよく見られます。プラスチック射出成形への使用をFDAが承認している最も一般的なプラスチックの一つです。硬く、耐熱性と耐薬品性があり、何度もリサイクルできます。こうした特性により加工しやすい材料です。
PS；PSは、数少ない脆性の射出成形材料の一つです。特に軽量で、耐湿性と耐薬品性があり、金型内で冷却される際に均一に収縮するため、家庭でのプラスチック射出成形に非常に適しています。
PE；PEは密度の異なる3つの主要カテゴリー、高密度ポリエチレン（HDPE）、低密度ポリエチレン（LDPE）、ポリエチレンテレフタレート（PET）に分けられます。一般にPEグレードは延性、耐衝撃性、耐クリープ性（長時間機械荷重を受けても変形しにくい性質）に優れています。また、化学反応にも耐性があります。
TPE；TPEはプラスチックとゴムの混合物であるため、他の射出成形材料とは異なります。両方の長所を兼ね備え、柔軟で大きく伸び、強度があり、リサイクルも可能です。さらに、多くの代替ゴム材料と比べて安価です。
TPU；TPUもゴムとプラスチックの混合材料で、ポリウレタン成分による非常に望ましい特性を備えています。硬度が高く、圧縮強度、耐摩耗性、耐薬品性に優れています。また、極端な温度でもこれらの特性はほとんど変化しません。
選ぶ前に、その機械に何をさせたいのか、何ができるのかを考えてください。そして、機械の指示に従って部品を作る。
特にTPUやTPEのような柔軟な素材では、注入するものにもよりますが、金型にパーツが付着すると、パーツを取り出そうとしたときに金型が劣化してしまうことがあります。離型剤を使用することは、金型からパーツを切り離すのに最適な方法です。シリコーン離型剤は、Formlabsグレープロ樹脂、高温樹脂、硬質10K樹脂に使用できます。
DIY射出成形に挑戦するデザイナーのためのヒント
金型を設計する際には、印刷が可能かどうか、成形が可能かどうかを考えてください。
DIY射出成形の具体的な方法は、必要な設計と生産量によって異なりますが、以下のヒントを活用すれば成功率を高められます。完成部品の積層痕を目立たなくするには、プラスチック金型を標準の100ミクロンではなく、1層50または25ミクロンの小さな積層ピッチで印刷します。ただし、造形時間は長くなります。
抜き方向に垂直な面に2～5度の抜き勾配をつけると、パーツを取り出しやすくなり、金型が傷つきにくくなる。割れた平面を目の細かいサンドペーパーで磨いて、バリ（バリ）を取り除くことができます。ウォーターバスを使うと、パーツを早く冷やすことができ、反りを抑えることができます。エンボスや彫刻の細部は、表面から少なくとも1mm離す。
アルミフレームを設計する場合は、フォームの背面に0.125mmの厚みを追加して圧縮し、完全な密閉性を確保する。
結論
3Dプリントと射出成形は宿命の敵のように語られることが多いですが、必ずしも二者択一ではありません。プロトタイピングと少量生産は、部品に直接3Dプリントする方法であれ、3Dプリントされた金型を使って射出成形する方法であれ、企業がより早く、よりコスト効率よく、より少ないリスクで市場に参入するのに役立つ素晴らしい方法です。
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