射出成形金型のランナー・ゲート設計とは？

射出成形において、ランナーとゲートの設計は非常に重要であり、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左右し、製品の品質と生産効率に影響を与えます。

射出成形工程を最適化するには、ランナーとゲートの設計を理解することが不可欠です。用途に合わせた設計が製造効率と製品品質をどう改善するかを解説します。

スプルー・システムの構成要素とは？

スプルーシステムは、射出成形プロセスにおいて、金型キャビティへの溶融プラスチックの効率的な移送を促進する重要なシステムです。

ランナーシステム¹は、スプルーシステムまたは注湯システムとも呼ばれ、射出成形機のノズルから金型キャビティへ溶融プラスチックを運ぶために必要な流路です。主ランナー、分岐ランナー、ゲートで構成されます。

メインランナー

メイン・ランナー、インジェクション・ランナー、バーチカル・ランナーとも呼ばれ、エジェクター・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始まり、マニホールドで終わるランナーです。金型に入った溶融プラスチックが最初に流れる部分です。

セパレートランナー

スプリット・ランナー、セカンダリー・ランナーとも呼ばれる。金型の設計によっては、さらに第一湯道と第二湯道に分けられる。マニホールドは、メイン・ランナとスプルーの間の移行部で、溶融プラスチックの流れをスムーズに移行させます。マルチキャビティ金型の場合は、プラスチックをさまざまなキャビティに均等に分配する機能も果たします。

ゲート

スプルーとも呼ばれ、ランナーと金型キャビティの間の狭い開口部であり、最も短く薄い部分でもある。その機能は、流動面を締め付けることによってプラスチックを加速させることです。高いせん断速度はプラスチックをよく流動させることができ（プラスチックのせん断減粘性による）、粘性加熱による保温効果も材料温度を上げ、粘度を下げる効果がある。

成形後、ゲートが最初に硬化して密閉されるため、プラスチックが逆流したり、金型キャビティ内の圧力が急激に低下したりして、成形品が収縮するのを防ぐことができます。成形後、ランナーシステムと成形品を分離するために切断するのは簡単です。

コールドフィードウェル

コールドスラグウェルとも呼ばれる。冷えた材料が直接金型キャビティに入り、充填品質に影響を与えたり、ゲートをふさいだりするのを防ぐため、充填開始時に冷えたプラスチックの波面を貯めて補充するために使用される。通常、コールドスラグウェルはメインランナーの末端に配置されるが、ランナーが長い場合は末端にもコールドスラグウェルを配置する。

スプルー・システム設計の基本原則とは？

スプルーシステムの設計は、射出成形の基本的な側面であり、製造工程の効率と品質に影響を与えます。

スプルーシステム設計は流路を最適化して材料を滑らかに分配し、廃棄物とサイクルタイムを減らします。金型性能と製品の健全性を高めるには、スプルーの寸法、角度、材料が重要です。

ゲート設計の原則

部品の目立たない面や形状部にゲート位置²を設定し、ゲート跡や外観不良を抑えます。射出成形時の樹脂流動を助け、気泡やショートショットを避けるため、ゲート形状はできるだけ単純にします。ゲート寸法は部品の要件に合わせます。

ゲートが大きすぎると充填時間が長くなり、小さすぎると圧力が高くなります。切断時の跡と損傷を減らすため、ゲートと製品の接続部はできるだけ滑らかにします。ゲート数は最小限にすべきです。複数ゲートは射出成形³を不均衡にし、製品寸法のばらつきを招きます。

成形品の最も厚い部分にゲートを置く。こうすることで、溶融物が厚い部分から先に充填され、充填性と保圧性が向上します。ゲートを設計する際には、気泡や風が溜まらないように、金型内部の通気について考えてください。成形品の弱点や埋め込み位置にゲートを設けないこと。応力が集中して成形品に欠陥が生じます。

ランナー・デザインの原則

ランナーの形状は、プラスチックの不均一な流れによる流動抵抗や欠陥を最小にするため、曲がりや鋭角の少ない単純なものとする。射出サイクルとプラスチックの凝縮時間を短縮するため、ランナーの長さはできるだけ短くする。

ランナーの断面積を徐々に小さくして、プラスチックがランナー内を均一に流れるようにし、気泡が入らないようにする。ランナーと金型キャビティとの接合部は、プラスチックが流れたときの衝撃や押し出しを避けるため、できるだけ滑らかにし、製品への痕跡や欠陥を少なくする。

• キャビティ配置^{：キャビティは可能な限りバランスよく配置します。ゲート位置に対して対称にすれば、金型への偏荷重や溶融樹脂のはみ出しを防げます。キャビティ配置4}はできるだけコンパクトにして金型を小型化し、樹脂がキャビティへ滑らかに充填・排気されるようにします。ランナー断面は十分に大きく、流路は短くして、熱損失と圧力降下を抑え、表面粗さにも注意します。多点ゲートは圧力降下と必要射出圧力を下げますが、ウェルドラインの原因にもなります。

• ランナーバランス⁵：1つの金型で複数キャビティを充填する場合、溶融樹脂が各キャビティへできるだけ同時に到達するようランナーを均衡させます。これにより各キャビティの成形品質を揃えられます。分岐ランナーを自然バランス配置とし、それが不可能な場合は人工バランス方式で調整します。

• スクラップ：プラスチックランナーの設計では、流動と圧力損失に支障がない範囲でランナーの体積や断面積を小さくし、材料使用量、廃棄物、リサイクル費を削減できます。材料の流動特性に合わせ、断面寸法は急変させず徐々に変化させます。生産性を高めて成形サイクルを短縮すれば、樹脂加工の経済効率も向上します。

• エアベント⁶：樹脂をキャビティへ適切に導けば、内部の空気が円滑に排出され、エア閉じ込めによる焼けを防げます。成形品の品質を損なうショートショット、バリ、フローマーク、残留応力を避け、プラスチック部品の外観に影響する反り変形も防ぐ必要があります。

金型キャビティ配置の検討

配置はできるだけ均衡させ、金型への偏荷重や不均一な充填による樹脂のはみ出しを避けるため、金型キャビティ⁷とゲートを可能な限り対称にします。また、金型寸法を抑えるためキャビティ配置をできるだけコンパクトにします。

フローガイドの検討

溶けたプラスチックが金型の空洞を満たすように、渦巻きを起こさず、排気をスムーズにするように静かに誘導する。溶けたプラスチックが直径の小さいコアや金属インサートを押しすぎないようにして、コアが動いたり変形したりしないようにする。

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良い。流れは短い方がよい。ランナーの断面積が十分大きいこと。

ランナーの表面粗さを低くする。マルチゲート注湯は圧力損失と必要な注入圧力を下げることができるが、溶接線に問題が生じる。

フローバランスの考慮

1つの金型で複数キャビティを充填する場合は、流路⁸をバランスさせる必要があります。各キャビティへ樹脂を同時に充填し、成形品の品質を揃えます。分岐ランナーは自然バランス配置を採用し、それができない場合は人工バランス方式で流路を調整します。

廃棄物への配慮

充填を円滑にして流動損失や圧力損失を生じさせない範囲で、ランナーの長さまたは断面積をできるだけ小さくします。これにより、発生するランナー廃材⁹とそのリサイクル費用を最小限に抑えられます。

コールドマテリアルに関する考察

ランナーシステムに適切なコールドスラグウェル¹⁰とオーバーフロー溝を設け、充填初期の冷えた樹脂先端を回収します。冷えた材料がキャビティへ直接入り、充填品質を損なうのを防ぎます。

エアベントの検討

プラスチックが金型のキャビティにスムーズに充填され、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、封入物の焦げ付きの問題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、フローマーク、ジェット、残留応力、反り、金型ズレなどは使用しない。流路系が長い場合や多点射出の場合は、流れのアンバランス、保圧不足、収縮ムラなどによる製品の反りや変形を防ぐ必要がある。製品の外観がよく、ゲートの除去やトリミングが容易で、ゲート跡が成形品の外観や用途に影響を与えない。

生産効率の考慮

成形サイクルを短縮し、生産性を向上させるために必要な後処理を最小限に抑えます。

射出ポイントの考察

成形品の変形を防ぐため、エジェクターの位置を正しく選んでください。

使用プラスチックの検討

粘度の高いプラスチックやL/Tの短いプラスチックには、長すぎたり小さすぎたりするランナーを使用しないでください。

射出成形金型のゲートを合理的に設計するには？

合理的な射出成形金型ゲートの設計は、製品の品質と生産効率を向上させ、さまざまな産業における製造プロセスの成功に不可欠です。

ゲート位置の選択

部品の最も厚い部分にゲートを設ける。最も厚い部分からゲートをかけると、充填と圧力保持がよくなります。圧力保持がうまくいかないと、薄い部分が厚い部分より先にフリーズしてしまいます。ヒステリシスやショートショットが発生するので、厚みが急に変化する部分にゲートを設けないこと。

可能であれば、製品の中心から注ぎます。ゲートを製品の中央に配置することで、流路の長さが均等になり、必要なショット圧に影響します。また、中央送りにすることで、保持圧が全方向に均一になり、体積の不均一な収縮を避けることができます。

プラスチックがランナーに流れ込むと、まず金型表面付近でプラスチックが冷却され固化する。プラスチックが再び前方に流れるとき、固化したプラスチック層だけが流れます。そして、プラスチックは熱伝導率が低いため、固化したプラスチックが断熱層を形成し、層が流れ続ける。

したがって、理想的には、最良の塑性流動効果を得るためには、ゲートをクロス・ランナー層に配置すべきである。これは通常、円形や六角形のクロス・ランナーの場合です。しかし、台形のクロス・ランナーでは、ゲートをランナーの中央に置くことができないため、このようなことはできない。

金型加工時や使用時にゲートを容易に清掃できるよう、できるだけパーティング面にゲート位置¹¹を選びます。ゲートからキャビティ各部までの距離は可能な限り均等かつ短くし、樹脂が確実にキャビティへ流入する位置にします。

ゲートの位置は、キャビティ壁、コア、インサートがキャビティ内に入ったときにプラスチックが流れ込まないようにし、プラスチックができるだけ早くキャビティ部品に流れ込むようにする。

また、コアやインサートの変形を避ける。ゲートの位置は、製品が融合の跡を生成したり、製品の重要でない部分に生成された融合の跡を作らないようにする必要があります。ゲートの位置は、システムの口の部分を削除することが最も簡単で、同時にできるだけ製品の外観に影響を与えないように配置する必要があります。ゲートの位置は、蛇行流を生成するために、充填工程で注入時にゲートを生成しないようにする必要があります。

ゲート断面の大きさ

一般的に、ゲートのサイズは大きくするのではなく、小さくするべきだ。まず、小さめに設定します。その後、テスト金型のキャビティの充填状態に応じてサイズを調整します。特に多数個取りの金型の場合、ゲートサイズを調整することで、各キャビティへの糊の供給を均一にすることができます。同時に、小さなゲートは溶融速度を増加させることができます。溶融温度の上昇は充填に適しており、小さなゲートは除去にも適しています。

しかし、厚みのある製品の場合、ゲートが小さすぎると硬化が早まり、補充不足による製品不良が発生する。したがって、ゲートの具体的な大きさは、ゲートの具体的な形状に応じて決める必要がある。

ゲート形状

• ダイレクトゲート：最も単純なゲート方式で、ゲート寸法は垂直な主ランナーの設計に準じます。充填しやすく、圧力損失が小さく、充填速度が速いことが利点です。一方、ゲート部に大きな応力が生じて製品が変形しやすく、ゲートが大きいため除去しにくく、外観にも影響します。主に大型で深い筒状製品に使われます。

• サイドゲート：標準ゲートとも呼ばれ、形状が単純で加工しやすく、ゲート補修も容易です。さまざまな形状の製品に使えますが、PC材や透明部品、細長い筒状製品には適しません。

• ファンゲート：フィッシュテールゲートとも呼ばれ、ランナーからキャビティへ扇状に広がるゲートです。射出時の部品内部応力を低減でき、主に平板部品や浅いシェル状・箱状部品に使われます。

• フィルムゲート：主に大型の平板製品に適し、変形、フローマーク、気泡などを生じにくくします。欠点はゲートを切り離しにくいことです。

射出成形金型のランナー設計を計算するには？

射出成形金型におけるランナー設計の計算には、バランスの取れた効率的な充填を保証し、生産における欠陥とサイクルタイムを削減するために、流路を最適化することが含まれます。

射出成形のランナー設計は樹脂を均一に流し、廃棄物と欠陥を減らします。重要な手順は、部品形状に応じた寸法設定、均等充填のための配置最適化、材料特性の考慮であり、効率と品質を高めます。

キャビティ数

プラスチック金型のランナーを設定するとき、キャビティの数を考慮する必要があります。キャビティ数は、原材料の品質、プラスチック部品の幾何学的構造特性、要求される寸法精度、バッチサイズ、メンテナンスや修理の難易度、成形製造の加工性などによって異なります。様々な要素を考慮してキャビティ数を算出します。キャビティ数の計算式は以下の通りである：キャビティ数＝L×k×tc/tm。

Lはバッチあたりの製品数、tmは必要な単位生産時間、tcは金型生産サイクル、Kは消去係数。

• **射出容量：**射出成形機の最大射出容量で金型キャビティを充填できる場合と、できない場合があります。金型キャビティの設計時には、射出成形機の最大射出容量範囲を考慮する必要があります。射出成形機の最大射出容量は、プラスチック部品の体積を上回らなければなりません。射出容量はプラスチック部品の要件を満たす必要があります。一般的な射出量の計算式は、NM1 + M2 =

Mは射出成形機の最大射出体積である。M1は、大きなプラスチック部品の質量または体積です。M2は、必要な注湯システムのプラスチック質量です。

• **可塑化能力：**キャビティ数は射出成形機の可塑化能力によって決まります。射出成形機の可塑化能力に基づくキャビティ数の計算式は、P/(X×W)です。

P 射出成形機の可塑化能力、X 毎分の射出回数、W プラスチック部品の重量。

キャビティ配置

必要なキャビティの数がわかったら、キャビティのレイアウトを考えなければなりません。各キャビティがメインランナーに対してどの位置にあるかを考えなければなりません。メイン・ランナーから各キャビティまでの距離を短くして、圧力降下が大きくならないようにしなければなりません。成形品の内部応力が同じになるように、各キャビティに入る溶融物の温度が同じになるようにしなければなりません。

できれば、穴と穴の間隔をできるだけ大きくして、トップバーを水路に接続しやすくする。

ロッドと冷却水路。反力の注入のキャビティは、テンプレートの中心に作用する必要があります、それは応力のバランスを確保するために、バレルの中心に対応することができますように。金型のキャビティの配置は、バランスに応じてバランスと非バランスに分けることができ、プラスチック金型のキャビティの選択では、バランスの取れた配置を採用しようとする。

ランナーサイズの計算

ランナーの長さと直径は、溶融材料の流動抵抗に影響する。流動抵抗が大きければ大きいほど、キャビティを満たすのに必要な圧力損失は大きくなる。ランナーの直径を大きくすれば流動抵抗は小さくなるが、原料の量が増え、冷却速度が遅くなる。したがって、ランナーの大きさを設計する際には、金型流動解析を用いてランナーの直径を合理的に調整する必要がある。ランナー径の初期推定式は以下の通りです：

D=W1/2×L1/4/3.7 Dはランナーの直径（mm）、Wは成形品の重量（g）、Lはランナーの長さ（mm）。

ランナー断面の選択

射出成形で一般的に使用されるランナー断面には、いくつかの種類があります。修正台形ランナー断面、円形ランナー、台形ランナー断面、半円形ランナー断面、長方形ランナーなどです。ランナー断面を設計する場合、ランナー内の圧力損失を最小にすることが重要である。これは、ランナー断面をできるだけ大きくすることで達成できる。

熱損失を減らすには、ランナーの断面積を減らす必要が あります。ランナーの効率は、ランナーの断面積と断面の外周の比です。円形ランナーはランナー効率が最も高く、圧力損失と熱損失が最も低くなります。しかし、円形ランナーの可動型板と固定型板を機械加工する必要があり、コストがかかります。そのため、可動金型ランナーと固定金型ランナーの位置合わせを行い、型閉め時の加工精度を向上させる必要があります。

結論

この記事では、射出成形金型¹²のランナーとゲートの設計原則を中心に解説します。主ランナー、分岐ランナー、ゲート、コールドスラグウェルからなるランナーシステムの構成と、ゲート位置・形状・寸法およびランナー設計に影響する要因を取り上げます。

金型設計では、製品外観、充填性、ランナーバランス、廃棄物の管理、圧力降下など多くの要素を検討します。これらはすべて成形品質と生産性を左右します。適切に設計すれば、良好な流動、欠陥の低減、工程改善を実現できます。全体像については射出成形金型完全ガイドをご覧ください。

1. 射出成形工程を最適化し、高品質な生産を確保するには、ランナーシステムの理解が不可欠です。 ↩

2. 適切なゲート位置は欠陥を減らし製品品質を高めます。最適な結果を得るための実践例を解説します。 ↩

3. 品質と効率を確保する効果的な射出成形設計の重要な技法と原則を解説します。 ↩

4. 射出成形工程で金型性能と製品の均一性を高める、効果的なキャビティ配置の方法を解説します。 ↩

5. 成形品の品質を均一にするにはランナーバランスの理解が不可欠です。その重要性を詳しく解説します。 ↩

6. エアベントは成形品の欠陥防止に不可欠です。品質と効率に与える影響を解説します。 ↩

7. 生産効率と製品品質を最適化するには、金型キャビティ設計の理解が不可欠です。専門的な知見を解説します。 ↩

8. 安定した製品品質を確保するには、流路のバランス調整が不可欠です。この資料では、バランスを実現するための有用な技法とヒントを紹介します。 ↩

9. この資料では、ランナー廃材を削減し、生産の持続可能性とコスト効率を高めるための効果的な戦略を学べます。 ↩

10. コールドスラグウェルを理解することで、射出成形の充填品質と効率を高める設計が可能になります。 ↩

11. ゲート位置について学ぶことは、成形品の品質と効率に大きな影響を与えます。 ↩

12. 「射出成形金型：総合ガイド」をご覧ください。射出成形金型は、自動車部品、家電製品、家庭用品など、幅広い製品の製造に不可欠です。 ↩

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