射出成形設計ガイド

射出成形の設計は、高品質なプラスチック部品を製造するために非常に重要であり、様々な産業の機能性と製造性に影響を与えます。

射出成形設計では、部品と金型の設計を最適化し、材料選定、肉厚¹、抜き勾配²に重点を置いて製造性を確保します。自動車、電子機器、包装業界で広く使われています。

射出成形設計の複雑さを理解することで、製品の品質と製造効率を大幅に向上させることができます。部品性能と製造工程を最適化する戦略を発見してください。

射出成形のためにデザインする理由

射出成形設計とは、金型製作を開始する前に、プラスチック部品の成形性、再現性、コスト管理を確保するためのDFM手法です。

射出成形のための設計は、金型の複雑さと材料の特性を最適化することにより、製造コストを削減し、耐久性を向上させます。自動車、消費財、エレクトロニクス産業にとって不可欠な、より迅速な製造、精度の向上、拡張性などの利点があります。

製造の複雑さを判断する

設計を見ることで、製品デザイナーやエンジニアは製造中に何がうまくいかないかを予測することができる。設計によって何が予想されるかがわかるので、製品を作り始める前に不確実性を減らすことができる。

また、製品の複雑さを知ることで、金型がどのようなものであるべきか把握することができる。そうすれば、作りたい製品に適した金型を設計して作ることができる。

製造可能性の確保

プラスチック部品を設計・製造する場合、設計した部品が製造可能かどうかはわかりません。射出成形の設計は、製造方法が実現可能かどうかを教えてくれます。

だから、部品が金型にはまり込んでしまうような製造上の問題が発生するかどうかを調べることができる。さらに重要なのは、時間とお金を節約できるので、製品をより安く、より早く作ることができるということです。

部品の故障を防ぐ

射出成形部品を適切に設計しなければ、意図どおりに機能せず、外観も損なわれます。射出成形不良やその他の機械的破損により、本来の機能を果たせない可能性があります。射出成形の設計ガイドラインに従うことで、適切な成形条件を選定し、部品の機能を損なう重大な問題を回避できます。

射出成形部品の設計上の注意点とは？

射出成形部品の設計は、製品の機能性、製造性、費用対効果を確保するために不可欠です。

射出成形部品の主な検討事項には、材料の選択、肉厚、抜き勾配、ゲートの配置、リブの設計などがあり、これらはすべて構造的完全性、製造性、製品品質、コストに影響する。

チャンバー壁厚

これは、射出成形部品を設計する際に考えなければならない大きなことの一つです。肉厚は、その部品がどのように機能するか、どのように見えるか、どの程度コストがかかるかなど、部品に関する多くのことに影響します。

したがって、部品に求められる機能に基づいて適切な肉厚を決める必要があります。許容できる応力と必要な耐用期間を考慮し、採用可能な最小肉厚を決定します。

一般的なルールは、射出成形品全体の肉厚を均一に保つことです。理想的には、肉厚を1.2mmから3mmの間に保ちたい。肉厚が薄すぎると、高い塑性圧力が必要になり、キャビテーションが発生します。肉厚が厚すぎると、サイクルタイムが長くなり、より多くの材料を使用することになり、コストがかかります。

肉厚が変化する部品がある場合、部品と部品の間にきれいな移行があることを確認する必要があります。そのためには、角のあるエッジやコーナーに面取りをします。同様に、フィレットやコーナーにフィレットを使うことで、溶けたプラスチックが金型に完全に充填され、均等に冷却されるようになります。

パーティングライン

金型のパーティングライン³は、金型の2つの半体が合わさって最終製品を形成する境界線です。パーティングラインの設計に食い違いやずれがあると、成形品にバリが生じる可能性があります。そのため、単純で直線的なパーティングラインを設計して不良を最小限に抑えることが重要です。単純なパーティングラインは製作しやすく、保守の手間も少なく、完成品の仕上がりも向上します。

パーティングラインを設計する場合、通常は丸みを帯びた表面ではなく、鋭角のエッジに配置するのがベストです。こうすることで、公差の厳しい金型を使用する必要がなくなり、製造コストが上昇するのを防ぐことができます。また、パーティングラインが完成品でどのように見えるかも考えておきたい。

文字やロゴのような重要な表面や特徴を横切らないように、できるだけ見えないように設計したいものです。こうすることで、完成品の外観が思い通りになり、射出成形でより良い部品を作ることができます。

ドラフト角度

射出成形品の表面に設ける抜き勾配により、製品を損傷させずに金型から容易に取り出せます。必要な抜き勾配は、肉厚、材料収縮率、後加工や仕上げの要件などの要因によって異なります。

平均的なドラフトの深さは、深さ1インチにつき1度ずつ増すべきだが、ほとんどのパーツでは少なくとも1.5度から2度が安全である。重いテクスチャーでは、深さ1インチにつき5度まで必要な場合もある。抜き勾配が不十分だと、ドラッグマークなどの外観上の欠陥につながることがある。

CADシステムを使って射出成形部品を設計する際、抜き勾配を追加することができます。しかし、複雑さを最小限にするために、設計の最終段階でこれを行うのが最善です。

リブとボス

リブは、2つの壁が90度の角度で接する部分の壁を強化するために使用される。部品の強度を高め、重量を支えるのに役立つ。ボスは、他の部品を取り付けたり、並べたりするために使用される、部品上の盛り上がった部分です。また、ネジ穴やスロットのような部分の強度を高める。

補強リブの根元の厚さは、隣接する壁の厚さの3分の2以下にする必要があります。リブの高さは、公称肉厚の2.5倍（2.5T）を超えないようにしてください。収縮を考慮する必要があります。ヒケを避けるため、ボスの厚さは全体の肉厚の60%以下にしてください。

ゲートの位置と種類

射出成形におけるゲートは、プラスチック部品に直結し、キャビティ内への溶融プラスチック樹脂の流れを制御する非常に重要な部品である。ゲートの大きさ、形、位置は完成品に大きな影響を与える。強度や見た目に影響します。

さまざまな種類の射出成形金型に使用されるゲートデザインには、エッジ、サブ、ホットチップ、スプルという4つの一般的なタイプがあります。その名の通り、エッジゲートは平らな部品の端にあり、パーティングラインに傷跡を残します。

サブゲートは一般的で、バナナゲート、スマイリーゲート、トンネルゲートなどさまざまなバリエーションがある。これらは自動トリミングのためにエジェクターピンを必要とし、より良い充填のためにゲートの位置をパーティングラインから遠ざけるのに役立つ。

ホットチップゲートは、ホットランナー射出成形金型にのみ使用されます。通常、丸型やテーパー型では金型の上部に配置されます。一方、ゲートは大きな円筒形の単一キャビティ金型に最適です。通常、接触部に大きな傷が残りますが、製造やメンテナンスは簡単です。

使用するゲートのデザインとタイプは、パーツのデザイン、選択する素材、必要な寸法、パーツをどのように見せたいかによって異なります。留意点としては、部品に大きなストレスや損傷を与えない場所にゲートを設置することです。

また、部品をランナーから切り離す必要がないようにし、部品の最も厚い部分にゲートを入れて、うまく充填できるようにしたい。部品の大きさ、形状、使用するプラスチックの種類によっては、複数のゲートが必要になることもある。

エジェクターピン

これは射出成形のセットアップの重要な部分で、部品が十分に冷却された後、金型から押し出すのを助ける。成形品に跡が残ることがよくあります。そのため、ピンの移動方向に対して垂直な平面で設計する必要があります。

部品形状、抜き勾配、射出成形のゲートは、プラスチック部品に直接つながり、溶融プラスチック樹脂のキャビティへの流入を制御する非常に重要な部分です。ゲートの寸法、形状、位置は、完成品に大きな影響を与え、強度と外観を左右します。

例えば、粘着性の高い樹脂はより大きな離型力を必要とします。同様に、より柔らかいプラスチックポリマーは、成形不良を避けるために、脱型力を分散させるために、より幅の広い、またはより多くのピンを必要とします。

アンダーカットとスレッド

アンダーカットとねじ部は、凹部や張り出し形状であり、プラスチック部品を金型から一方向に引き抜いて離型することを難しくします。設計では、部品を一方向に1回引くだけで離型できるようにする必要があります。これにより射出成形コストを抑えられます。したがって、射出成形部品を設計する際は、ねじ部とアンダーカットを避けることが重要です。

アンダーカットを避けるには、フィーチャーをドロー・ラインに平行に配置し、リフターとスライドを設計に組み込む。リフターは、抜き勾配なしで内部のアンダーカットを逃がすのに役立ちます。部品が冷えた後、リフターは斜め上方に押し上げ、アンダーカットを金型から取り除きます。一方、スライドは、コアモールドに取り付けられた角度のついたピンを使って、外部のアンダーカットを取り除きます。

丸みを帯びたコーナー

射出成形をより効率的に、より高品質にするために、設計者やエンジニアは、シャープなコーナーやエッジの代わりに丸みを帯びた形状を使用する必要があります。鋭利なエッジは充填に大きな圧力を必要とするため、成形品にダメージを与えたり、射出時に不具合を引き起こしたりする可能性があります。角の内側と外側に丸みを持たせることで、プラスチックの流れが良くなり、応力やひび割れを減らすことができます。

内側コーナーの半径は、隣接する肉厚の少なくとも50%とする。一方、外側のコーナーは、隣接する肉厚の150%とする。ボスやスナップフィットのような垂直のフィーチャーは、ベースを丸くする必要があります。ボスの半径は、隣接する肉厚の25%とし、最小半径は0.015インチ（0.381mm）とする。

表面仕上げ

プラスチック部品にはさまざまな表面仕上げがあります。これらの仕上げは、部品の質感、外観、手触りに影響します。適切な仕上げを選択することは、設計段階で重要です。それによって必要な工具や材料が決まります。粗い仕上げには高い抜き勾配が必要です。

また、選ぶ材料にも影響します。希望する仕上がりにするために、金型の表面を整える必要があるかもしれません。金型表面の欠陥は部品に現れます。部品が金型から出た後にしなければならない作業が多ければ多いほど、その分コストがかかり、金型製作にかかる時間も長くなります。

素材の選択

射出成形では、それぞれ独自の物理的・機械的特性を持つ、さまざまな種類のプラスチック樹脂を使用します。どの材料を選ぶかによって、その部品がどのような環境でどのように機能するかが決まります。射出成形用の材料を選ぶ際には、材料の収縮率、フィット感、コストなどを考慮する必要があります。

プラスチックの収縮率は、プラスチックの種類や加工方法によって異なり、部品の機能や見た目に影響します。また、そのプラスチックがネジや溶接などでどの程度組み立てられるかも考える必要があります。

プラスチックに適した特性を持たせることも重要ですが、プラスチックを入手し、部品にし、仕上げるまでにどれだけのコストがかかるかを考え、最小限のコストで製造できるようにすることも必要です。

射出成形金型設計のガイドラインとは？

射出成形用金型の効果的な設計は、様々な産業において高品質なプラスチック部品を効率的かつ一貫して生産するために非常に重要です。

射出成形金型設計の主なガイドライン：適切な材料の選択、効果的な冷却システムの確保、部品排出の最適化。これらの実践は、成形プロセスの効率を改善し、欠陥を減らし、耐久性を向上させます。

金型ベースとキャビティのレイアウト

金型は、モールドベース、キャビティ、コアインサート、その他の部品から構成される。モールド・ベースは金型の土台となり、キャビティとコア・インサートは部品を形作ります。金型ツーリングの設計は、成形プロセスの正確さと一貫性に影響します。CNCマシニングは、複雑なプラスチック射出成形金型に不可欠な正確な垂直垂直壁を実現します。

金型は丈夫でメンテナンスがしやすく、修理やメンテナンスのために分解したり組み立てたりするのが簡単でなければならない。金型は、キャビティとコアが正しく並ぶように精密に作られなければならない。金型枠のキャビティ・レイアウトも、メンテナンスや修理がしやすいように、中空やコアのインサートに手が届くようになっていなければなりません。そうすることで、不良を減らし、より良い部品を作ることができるのです。

冷却システム設計

射出成形金型の設計において、冷却システムは大きな意味を持つ。金型キャビティとプラスチック材料の温度を制御します。冷却が重要なのは、プラスチックを固化させ、収縮をコントロールするのに役立つからです。

冷却システムは、金型キャビティを均一に冷却できるよう設計する必要があります。冷却に時間がかかる領域の近くに冷却回路を配置しつつ、ゲートおよびランナーシステムと干渉しないようにします。また、加工担当者はサイクルタイムを可能な限り短縮できるよう設計を最適化する必要があります。

ランナーとゲートのデザイン

ランナーとゲートシステムは、溶融プラスチックが金型キャビティにどのように流れ込むかを制御します。ゲートはプラスチックがキャビティに入る場所であり、ランナーシステムはプラスチックがゲートに到達するのを助ける。ゲートとランナーシステムの設計は、成形プロセスがいかにうまく機能するか、そして完成品がいかに良いものになるかに影響します。

ゲートのサイズ、位置、形状は、材料の流れを最適化し、部品の応力を最小化し、部品の欠陥を回避する必要があります。ランナーシステムは、圧力損失を最小限に抑え、均一な材料分布を確保し、プラスチックが蓄積して欠陥の原因となるデッドスポットを避ける必要があります。

排出システムの設計

エジェクタシステムは、成形品を金型から取り出すための機構です。設計時には、成形品の形状、アンダーカットの数、強度を考慮する必要があります。エジェクタピン、スリーブ、または油圧式エジェクタシステムを使用することで、取り出し時の成形品の損傷を防止できます。

また、金型から部品を取り出すのに必要な力がかかるように、エジェクターシステムを設計しなければなりません。また、エジェクターシステムが邪魔にならないように、ゲートやランナーシステムとの位置関係も考えなければなりません。

金型材料と表面処理

金型に使用する素材は、金型の寿命やパーツの見栄えに影響します。多くの熱に耐えられ、熱をよく拡散し、磨耗しない素材が望まれます。適切な材料を選ぶことで、より早く部品を作り、金型を長持ちさせ、より良い部品を作ることができます。

金型はひとつひとつ違うので、作るときには慎重に考える必要があります。使用する材料は、成形品に表面欠陥が出ないように、適切に加工する必要があります。

エンドミルが金型の表面に残した跡を消すには、サンドブラストや研磨などの仕上げを行う必要があります。どれだけ仕上げをするかによって、金型のコストや製作期間が変わってきます。

射出成形設計の一般的な問題と解決策とは？

射出成形は、製品の品質や生産効率に影響を与える様々な潜在的な設計上の課題を伴う複雑なプロセスです。

射出成形の一般的な問題である反り、ヒケ、バリなどは、金型温度を最適化し、冷却時間を調整し、適切なガス抜きを行うことで緩和され、製品の一貫性を高め、不良品を減らすことができます。

フラッシュ

フラッシュとは、金型のパーティング面やエジェクターピンについた余分なプラスチックのこと。

フラッシュの原因

クランプ力が足りない、金型に問題がある、成形条件が悪い、排気システムの設計が間違っている。

ソリューション

金型設計：型締め時に金型が密閉できるよう設計します。排気口の寸法を確認し、金型表面を清掃します。

射出成形機：適切な型締力の射出成形機を設定します。

成形工程：射出時間を延ばし、射出速度、シリンダー温度、ノズル温度、射出圧力、保圧を下げます。

シルバーストリーク

シルバーストリークとは、水、空気、炭化した物質が部品の表面に流れ方向に分布している状態。

銀筋の原因

原料の含水率が高すぎる、原料中に空気が閉じ込められている、ポリマーの劣化：原料が汚染されている、バレルの温度が高すぎる、射出量が不足している。

ソリューション

材料：射出成形前に、原料メーカーが提供するデータに基づいて原料を乾燥させます。

金型設計：十分な数のベントを確保します。

成形工程：適切な射出成形機と金型を選び、材料変更時にはシリンダー内の旧材料を完全に除去し、排気系を改善して、溶融温度、射出圧力、または射出速度を下げます。

デント

へこみとは、部品の表面が肉厚の部分で凹んでいること。

デント形成の原因

射出圧力または保圧が低すぎる、保圧時間または冷却時間が短すぎる、溶融温度または金型温度が高すぎる、部品の構造設計が不適切である。

ソリューション

構造設計：へこみやすい表面にシボを付け、部品の厚肉部を小さくし、肉厚と直径の比を最小限に抑えます。隣接する肉厚の比は1.5～2に管理し、滑らかに移行させてください。補強リブ、皿穴、コーナーリブの厚さを再設計し、通常は基本肉厚の40～80%にすることが推奨されます。

ウェルド不良については、ウェルドラインの原因と対策を確認したうえで、流動の根拠に基づき射出圧力、保圧、ゲート寸法、またはゲート位置を調整します。

溶接マーク

ウェルドマークとは、2つの材料の流れが出会って溶接され、表面に欠陥が生じること。

ウェルド・マークの原因

部品に穴、インサート、マルチゲート射出成形モードがある場合、または部品の肉厚が不均一な場合、ウェルドマークが発生する可能性があります。

ソリューション

**材料：**プラスチック溶融体の流動性を改善します。

製品設計：製品の製造方法と肉厚を変更します。

金型設計：樹脂が金型へ入る位置を移動し、空気を逃がす箇所を追加します。

成形条件：樹脂温度を上げ、離型剤の使用量を減らします。スコーチマークは、金型内の空気が十分な速さで排出されず、流動末端で樹脂が焼けることで発生します。

反りと変形

反り変形というのは、射出成形されたものの形がめちゃくちゃになり、不揃いに反ってしまうことだ。射出成形でものを作るときにうまくいかないことのひとつだ。

設計をリリースする前に、エンジニアは何を行うべきですか？

リリース可能な設計とは、肉厚、抜き勾配、ゲート、パーティングライン、冷却、突き出し、収縮、検査を確認し、DFM承認を受けた設計です。

これにより、必要事項と工程の完了方法を詳しく理解できます。本記事で解説する射出成形の設計ルールは、工程の最適化、費用対効果の高い生産、サイクルタイムの短縮に役立ちます。包括的な概要については、射出成形完全ガイドをご覧ください。

よくある質問

射出成形設計において最も重要なルールは何ですか？

最も重要な原則は、不要な金型の複雑化を避けながら、部品を充填、冷却、離型、検査しやすくすることです。均一な肉厚、実用的な抜き勾配、明確なパーティングラインの決定、現実的なゲート配置は、多数の小さな形状を追加することよりも通常重要です。CAD上では問題なく見える設計でも、エアの閉じ込め、不均一な冷却、高い離型抵抗、外観不良を招けば量産では失敗します。設計をリリースする前に、製品機能と金型製作上の制約の両面からレビューする必要があります。

射出成形部品にはどれくらいの抜き勾配を使用すべきですか？

実用的な出発点は、ほとんどの垂直面に少なくとも1 to 2 degreesの抜き勾配を設け、深い壁面、シボ加工面、またはコアに強く収縮する材料では角度を大きくすることです。正確な値は、部品の深さ、表面仕上げ、樹脂収縮率、離型方向によって異なります。後から変更するとパーティングラインが移動し、シャットオフ形状や外観に影響する可能性があるため、抜き勾配は設計初期に追加すべきです。面を直線のまま維持する必要がある場合は、研磨、エジェクタ配置、または材料選定によって離型リスクを低減できるか、金型メーカーが検討する必要があります。

なぜ壁の厚さがそれほど重要なのでしょうか？

肉厚は、充填圧力、冷却時間、収縮、ヒケ、反り、材料使用量を左右します。厚肉部は冷却が遅く、ヒケや内部ボイドが生じる場合があります。一方、薄肉部では、溶融樹脂が急速に固化すると、ショートショットや強度の低いウェルドラインが発生することがあります。最も安全な設計は、通常、肉厚を可能な限り均一に保ち、急激に厚くなる部分の代わりにリブ、ボス、または緩やかな移行部を使用することです。強度上の理由で肉厚を変える必要がある場合は、樹脂が流れやすく、冷却を予測できる程度に滑らかな移行部とする必要があります。

デザインはいつ、より厚い壁の代わりにリブを使用すべきですか？

部品に剛性が必要で、肉厚を増やすとヒケ、冷却時間の延長、材料コストの増加を招く場合、リブが有効です。通常、リブは隣接する壁より薄くし、抜き勾配を設け、応力集中を避けるため十分な根元Rで接続します。また、鋼材を適切に加工・研磨できるよう、リブ間には間隔が必要です。強度と意匠面の両方が求められる形状では、ゲート位置、流動方向、意匠面に生じ得るリブ浮きとの関係を考慮してリブ配置を検討する必要があります。

買い手は金型製作開始前にサプライヤーに何を尋ねるべきですか？

購入者は、鋼材を切削する前に、供給業者が肉厚、抜き勾配、パーティングライン、ゲート位置、エジェクタ配置、冷却レイアウト、材料収縮率、公差の累積、外観要件を確認したか質問する必要があります。また、どのリスクにDFM変更が必要で、どのリスクをサンプリング時に対処できるかも確認すべきです。金型製作前の明確なレビューは、不良発生後に完成金型を修正するよりも低コストです。量産部品では、供給業者は設計上の判断をサイクルタイム、検査方法、保守作業性、想定金型寿命と関連付ける必要があります。

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