少量射出成形金型

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少量射出成形金型製造

少量インジェクション金型とは？

少量射出成形金型は、少量のプラスチック部品を生産するために設計された射出成形金型の一種です。少量射出成形金型は4つのプロセスで構成されています：3D印刷射出成形金型、真空鋳造金型、反応射出成形金型、アルミ射出成形金型。

少量射出成形は素晴らしい製造工程ですが、最適な選択ではない場合もあります。ここでは、少量射出成形が最良の選択ではない可能性のある状況をいくつか紹介します：

以下は、3Dプリンティング金型、真空注型金型、反応射出成形金型、アルミニウム射出成形金型の金型材料、サイクル寿命、製品材料の概要です：

3Dプリンティング射出成形金型

3Dプリンティングは、私たちの設計や製造の方法を変えた急成長分野である。以前は、3Dプリンターは設計と製造のプロセスで、後に射出成形する試作品を作ってテストするためだけに使われていました。現在では、プリンターの精度、表面仕上げ、素材の改良により、3Dプリンターで射出成形金型も作れるようになった。

私たちの一般的な3D印刷射出成形金型は、次の2つのタイプがあります：

射出成形用の3Dプリント射出成形金型には、リードタイムの短縮やコストの削減といったメリットがあるが、デメリットもある。そのいくつかを紹介しよう：

表面仕上げ：3Dプリント金型の表面仕上げは、従来の金属金型よりも粗くなる場合があります。3Dプリンティングは部品を層状に造形します。このため、プリントされた部品は傾斜した表面や壁に階段状の効果を示すことがあります。プリント金型も同様で、これらの小さなギザギザのエッジを除去するために機械加工または研磨が必要です。

冷却に時間がかかる：3Dプリント金型は一般に従来のツーリング手法より製作が速いものの、射出成形プロセス自体は時間がかかります。これは3Dプリント金型が金属金型ほど圧力や熱に耐えられないためです。ポリマーの熱伝導率も問題となります。その結果、射出成形のサイクルタイムが増加します。これは生産コストの上昇と生産量の低下につながります。

3Dプリンターで金型を作るには、さまざまな方法があります。そのいくつかを紹介しよう：FDM（Fused Deposition Modeling）、SLA（Stereolithography）、SLS（Selective Laser Sintering）、DLP（Digital Light Processing）などです。どの3Dプリンターと材料を使用するかは、金型の複雑さと長持ちさせたい期間に基づいて選択します。これらのプロセスの比較は以下のとおりです。

3Dプリント用の射出成形金型を設計する場合、射出成形の設計ルールと3Dプリントの設計ルールに従う必要があります。ここでは、ポリマー用3Dプリント金型の経験を持つユーザーや専門家からのヒントを紹介します。

抜き勾配：抜き勾配を2度以上に増やし、離型剤を使用して金型の寿命を延ばすべきです。

肉厚：部品がどこも同じ厚みで、鋭角のコーナーがないようにしてください。1〜2mm未満に薄くしすぎると、熱を受けたときに反る可能性があるため、薄くしすぎないでください。

材料の充填：ポリマーは、3Dプリントのラインと同じ方向にプリント金型内を流れるべきです。これにより固着を防ぎ、より低い射出圧力での充填が改善されます。

真空鋳造金型

真空鋳造金型は、少量の射出部品を迅速かつ安価に製造する方法です。通常、3DプリントしたSLA部品やCNCで製作した部品をプロトタイプとして使用します。シリコーン材料で型を作り、射出成形の真空プロセスを使ってPU材料を型に流し込み、レプリカ製品を作ります。

真空鋳造鋳型の工程上の特徴は以下の通りである：

1つの型につき20発ほどだ。

マットな仕上がりと光沢のある仕上がりの両方を実現できる。

金型のサイズは、真空チャンバーの寸法と製品の体積によって決まります。長さ2mまでの部品を製造することができます。

真空鋳造金型は、複雑な形状や仕上げの高品質部品を作るのに最適です。真空鋳造用金型が愛される理由は以下の通りです：

真空注型は、3DプリンターやCNCプロトタイプを使ってシリコン型を作り、その型を使って高精度で細部まで作り込まれたプラスチック部品を作る製造プロセスです。ここでは、真空成形の工程を順を追って説明する：

真空注型は、高品質のプラスチック試作品を少量生産するのに最適です。鋼鉄製の金型のコストを正当化できるほど十分な数の部品が必要でない場合、真空鋳造は小ロットの部品を得るための最も迅速かつ経済的な方法です。自動車、医療、消費者製品、産業機器、農業機器、スポーツ機器、楽器など、幅広い産業で使用されています。

真空鋳造プロセスと比較的低コストのシリコーン型により、エンジニアリングの検証や設計変更が簡単かつ経済的になり、特に製品量産前の機能テストに利用できる。

反応射出成形金型

2種類以上の反応性低粘度液体を一定の割合で混合し、一定の圧力と温度条件下で密閉された金型に注入する。金型の中でさらに反応させると、プラスチック製品ができる。この反応射出成形法をRIMと呼ぶ。

反応射出成形の特徴は以下の通りである：

• 反応成形品は収縮率が大きいので、保圧・収縮装置が必要である。
• 反応射出成形品の原料要件は比較的高い。

ポリウレタンは、反応射出成形（RIM）で最も一般的な材料である。その他の一般的な材料には、ポリウレア、ポリエステル、ポリフェノール、ポリエポキシ、ポリアミド（ナイロン6）などがある。完成品の強度を高めるために、ガラス繊維などの補強材も射出材料に混合される。例えば、硬質発泡自動車パネル。混合成分の割合を調整することで、RIMは軟質、硬質、超硬質にすることができる。例えば、発泡剤を使用することで、軟質/硬質のフォームコアを製造することができる。

RIMの製造は、幅広い産業用途で使用され、その用途は拡大している。以下はその一例である：

• 医療機器：RIMは、インプラント、外科用器具、その他の医療機器などの医療機器の製造に使用されます。

• 航空宇宙：RIMは、航空機部品、衛星部品、その他の宇宙関連機器などの航空宇宙部品の製造に使用されます。

• RIM製品は、他の方法で製造された同等品よりも軽量です。RIMは、自動車のバンパーや振動を軽減する部品の製造に用いられます。部品が軽量になることで自動車も軽くなり、部品の性能も向上します。これにより、自動車が何かに衝突した際の損傷が少なくなります。
• RIMは空気をきれいにするのにも役立つ。他のプラスチック部品の製造方法よりも汚染が少ない。これは多くの国、特にプラスチック部品や自動車を多く製造する国にとって重要なことだ。

従来の射出成形装置と異なり、反応射出成形装置には一般的に以下のシステムが含まれる：

4.金型装填フレーム：金型の向きや金型の開閉装置を制御するためのもので、洗浄や離型の際に使用されます。

反応射出成形は主に低粘度の液体衝突混合を使用するため、追加圧力を必要とせず、内部発生圧力だけで金型充填機能を達成することができる。したがって、反応射出成形に必要な射出圧力は50psiと低く、それにより低金型閉鎖を達成することができる。大型部品の生産が可能なため、RIM金型はより安価になります。

反応射出成形の手順は以下の通りである：

6.トリミングと仕上げ：金型から取り出した後、余分な部分やフラッシュを切り落として希望の見た目に整えられます。必要に応じて、塗装、研磨、他の部品との組み立ても可能です。

7.繰り返す：RIMプロセスは繰り返してより多くの部品を作れます。金型を清掃し、準備を整え、新しい材料で再び行います。

反応射出成形には特殊な設備とノウハウが必要です。材料の取り扱いや成形機の操作には十分注意してください。反応射出成形のやり方については、プロやRIMメーカーに相談しましょう。

反応射出成形と射出成形は似ているように見えるが、熱硬化性樹脂加工と熱可塑性樹脂加工という2つの異なる方法に基づいている。以下、それぞれの方法について簡単に紹介する。

アルミ射出成形金型

アルミ射出成形は、アルミの金型を使って射出成形で部品（試作品／実際の製品）を作る技術です。射出成形の金型は、鉄製かアルミ製が主流です。鉄の金型は高価で、アルミの金型は小ロットではコストパフォーマンスが高いというのが常識です。

P20鋼は、射出成形金型に最もよく使用される鋼です。P20鋼射出成形金型とアルミ合金射出成形金型を比較してみましょう。

単純なプラスチック製品を例にとってみよう。製品の材質：ABS、製品重量20グラム、製品数量1,000個、キャビティ金型1個。

小ロットの生産プロジェクトでは、アルミ射出成形金型はあらゆる種類のプラスチック製品を作るのに最適な選択です。アルミ金型には多くの利点があります。

アルミニウムには限界があるため、アルミニウム射出成形金型にも限界があります。これらの制限には、金型の寿命、製造できる材料の種類、金型の変更方法などが含まれます。

4.金型の修正：アルミ射出成形金型が完成した後、製品構造を変更する必要がある場合、鋼製金型のように溶接で行うことはできません。作り直す必要があります。

少量生産用射出成形金型は、従来の射出成形金型よりも小型でコンパクトに設計されており、少量生産に適しています。

少量射出成形金型は、1個から1,000個までの小ロットの部品を生産するのに適しています。

少量射出金型は通常、従来の金型に比べて金型製作費が安く、中小企業や新興企業にとってはより実現しやすい。

少量射出成形金型は、迅速に設計・製作できるため、迅速な試作・生産が可能であり、生産・納期が短縮され、多くの場合、数日から数週間以内に納品される。

少量射出成形金型は、異なる部品を生産するために簡単に段取り替えができるため、プロトタイピング、テスト、小規模生産に最適です。

少量射出成形は、プロトタイプを作ったり、新しいデザインをテストしたり、本格的な生産に入る前に部品を試したりするのに最適です。

少量生産の射出成形は、ニッチ市場、特殊製品、限定品などの少量生産に適しています。

少量射出成形は、ユニークなデザイン、形状、または材料を持つカスタムパーツを作るのに最適です。

少量射出成形は、多くのリソースを持っていない中小企業や新興企業に適しています。

多くの部品（数千、数万）を作る必要がある場合は、従来の射出成形の方が安いかもしれない。

もしあなたの部品が本当に複雑で、可動部品が多く、細かいディテールが多く、公差が本当に厳しいのであれば、従来の射出成形の方が良い選択かもしれない。

高温や化学薬品に対応できたり、強度が高かったり、大きな衝撃に耐えられる素材など、特殊な素材が必要な場合は、従来の射出成形の方が良い選択かもしれない。

本当に精密な部品（±0.01mm以内など）や本当に正確な部品が必要な場合は、従来の射出成形の方が良い選択かもしれません。

部品に非常に優れた表面仕上げ（Ra < 0.1 μmなど）が必要な場合は、従来型の射出成形金型の方が適した選択となる場合があります。

そのため、少量射出成形は素晴らしいプロセスですが、プロジェクトの要件と少量射出成形の限界を考慮した上で、それが最適な選択肢かどうかを判断する必要があります。

これは、3Dプリント金型の最も一般的なタイプで、一般的に、より正確な部品を製造します。標準的な射出成形金型のキャビティと似ていますが、キャビティの材料が3Dプリントされた材料に置き換えられている点が異なります。金型は3Dプリントされた後、剛性の高いアルミ製またはスチール製の金型ベースに挿入され、射出ノズルの圧力と熱を支えます。アルミニウムやスチールの金型ベースは、3Dプリント金型が繰り返し使用された後に変形するのを防ぐのにも役立ちます。3Dプリント金型の寿命を延ばす。

このタイプの3Dプリント射出成形金型では、金型全体が3Dプリントされ、剛性の高いアルミニウムやスチールの金型フレームは使用されません。そのため、より優れた強度と精度を達成するために、3Dプリントの精度を高め、プリント時間を長くする必要がある。このタイプの3Dプリント金型は、酷使すると変形する可能性が高く、このタイプの用途はあまり一般的ではありません。

3Dプリンターは射出成形用金型の製作時間を短縮できるため、製品をより早く完成させ、出荷することができます。

3Dプリンティングは、カスタムパーツや特殊品など、少量生産の製品に最適です。

3Dプリンターなら、デザインや金型を簡単に変更できるので、新しい製品要件にも対応できる。

3Dプリント射出成形用金型は、何度も使用すると変形してしまい、高精度や大型の製品には適さない。

収縮欠陥と反り：3Dプリント金型は冷却時に収縮したり反ったりすることがあり、これが厳しい公差の製品を損なう可能性があります。これは金型の欠陥につながり、最終製品を台無しにすることがあります。

サイズの制限：サイズの制限に関して言えば、3Dプリント金型インサートは、最大164 cm3（10立方インチ）までの容積を持つ小型部品に最も適しています。150cmを超えないものとします。

ゲートデザイン：ゲートを少し開いてキャビティ内の圧力を逃がします。トンネルゲートやピンポイントゲートは避け、スプルー、ファン、タブの各ゲートのサイズを通常の3倍に大きくします。

エアベント：金型設計にエアベントを追加すると、射出成形工程中に閉じ込められた空気を排出でき、多孔質部品などの欠陥を減らせます。空気が逃げられるよう、キャビティの端から金型の端まで大きなエアベントを必ず設けてください。これにより材料が金型内をより良く流れ、圧力が下がり、ゲート部のフラッシュがなくなるため、サイクルタイムを短縮できます。

金型材料：金型には良質な材料を選びます。射出による圧力に耐えられる十分な強度と剛性を確保してください。金型は、射出する材料よりも高い融点を持つ必要があります。

冷却チャネル：冷却チャネルを用いると冷却時間は短縮されますが、プラスチック製の型はアルミニウムや鋼製の型ほど熱を放散しないため、プリント金型で見られる大幅に長いサイクルタイムは短縮されません。

製品の精度は100mm未満で±0.1mm以内。100mm以上では概ね±0.3mm以内です。

肉厚は最低でも0.75mmから1.5mmにしてください。少なくとも0.75mmは金型への充填を確実にし、1.5mmは最良の結果をもたらします。

高精度：真空注型用の金型は高い精度と正確さで部品を製造でき、寸法を正確に合わせる必要がある用途に適しています。

短いリードタイム：スケッチから出荷まで、200個のレプリカ製品を作るのに通常約1週間かかります。これは、いったん金型を作ってしまえば、追加のツーリングや機械加工が不要になるためです。

費用対効果が高い：真空注型は、中小サイズの部品を中小ロットで作る手頃な方法です。そのため、小規模企業やスタートアップにとって良い選択肢となります。

原型の品質がコピー製品の品質を左右します。SLA原型の表面にテクスチャーを吹き付けるなどの加工を施し、製品の最終的なディテールをシミュレートします。シリコンモールドは原型のディテールやテクスチャーをコピーするので、コピー製品の表面は原型と非常によく似ています。

まず、後で型を開きやすくするために、試作品の周囲の平坦な部分にテープを貼ります。これは最終的な型のパーティング面にもなります。次に、試作品を箱の中に吊るし、部品にグルースティックを付けてスプルーとベントを形成します。3つ目に、箱の中にシリコンを注入して空気を抜き、型の容量に応じて40℃のオーブンで8～16時間置きます。最後に、シリコンが硬化したら箱とグルースティックを取り外し、シリコンから試作品を取り出してキャビティを作れば、シリコン型の完成です。

まず、シリコン型をオーブンに入れて60～70℃に予熱します。型を閉じる前に、良質な離型剤を必ず使用し、正しく塗布して、貼り付きや表面欠陥を防ぎます。ポリウレタン樹脂は使用前に約40℃に予熱します。二液性樹脂を適切な比率で混合し、よくかき混ぜてから50～60秒間真空脱泡します。真空チャンバー内で樹脂を型に注ぎ、再びオーブンで硬化させます。硬化には約1時間かかります。硬化後、鋳造品をシリコン型から取り出します。この手順を繰り返すことで、さらに複製品を得られます。

真空注型製品は、新製品一式を作ることができます。同じデザインコンセプトで大量生産する場合、どれが最適かわからない場合は、シリコン型を作り、10～15個のレプリカ製品を作ることができる。そして、それぞれのレプリカでは、デザイン部門内で議論できるように、モジュールに異なる色や仕上げがデザインされている。

消費者の評価には、少量生産のレプリカ商品が最適です。展示会で模型を展示したり、会社案内や公式サイトで商品写真を事前に公開したりすることで、ウォームアップ宣伝の役割を果たし、潜在顧客を増やしたり 商品の最適化を図ったりするのだ。

• 反応射出成形金型内の圧力は低く（一般的に0.2~7MPa）、型締力は大きくない。その結果、金型はアルミニウム合金で作ることができ、大面積の部品を生産することができる。
• 内部応力を発生させることなく、複雑な構造や形状（リブ、ボス、隙間、リフティングラグなど）を持つさまざまな部品を射出成形することができる。
• 反応液の粘度が比較的低く、金型への充填が容易である。薄肉部品や大型厚肉製品の成形に非常に適しており、金属インサート製品の成形にも使用できる。
• 成形中に化学反応が起こるため、金型には製品に気孔が形成されないよう、良好な排気路を設けなければならない。

• 自動車部品：RIMは、ダッシュボード、ドアパネル、その他の内装部品などの自動車部品の製造に使用されます。

• 消費者製品：RIMは、家具、家電、その他の日用品などの消費者製品の製造に用いられます。

1.状態調整システム：中間体を液体状態で調製するため。

2.計量ポンプシステム：中間体を計量し、圧力をかけて中間体をポンプで送ります。

3.ミキシングヘッド：ミキシングヘッドを通して液体中間体が混合される場所です。

1.金型を準備する：作成したい製品の仕様に従って金型を洗浄・準備します。完成品が容易に取り出せるように離型剤を塗布します。

2.混合：RIMでは、ポリオールとイソシアネートの2種類の液体が使用されます。これらは別々のタンクに保管され、ミキシングヘッドを使用して正確な比率で混合されます。ミキシングヘッドには通常、成分が十分に混合されるようにするためのスタティックミキシングエレメントが備わっています。

3.混合物を射出する：混合物は射出ポートを通して金型に射出されます。液状の混合物が金型を満たし、反応して硬化し始めます。

4.硬化を待つ：金型に射出した材料は、重合と呼ばれる化学反応を起こします。これによって材料が固化し、望みの形状になります。硬化時間は、使用する材料や完成品に求める特性によって異なります。

5.製品を金型から取り出す：材料が硬化して固まったら、金型を開いて完成品を取り出せます。事前に塗布した離型剤により取り出しが容易になります。

RIMで使用される熱硬化性加工法は、硬化過程で形成される不可逆的な化学結合に基づいている。熱硬化性プラスチックは加熱しても溶融せず、冷却しても分解して変化しない。

熱可塑性加工は、特定の温度で柔軟または可塑性になり、冷却すると固化するポリマーをベースにしている。

反応射出成形（RIM）には、他の成形プロセスと同様、長所と短所がある。RIMの最大の長所は、射出成形に比べて設計の自由度が高いことだ。RIMでは、厚肉や薄肉の部品、発泡コアなど、射出成形では作れない部品を作ることができる。RIM部品は丈夫で軽量であり、選択した材料によってその特性が決まります。例えば、ポリウレタンは最も人気のあるRIM材料の一つです。耐熱性、寸法安定性、非常に高い動的特性を持っており、建築、自動車部品、スポーツなどに使用されています。

RIMのもう一つの優れた点は、低粘度の液状ポリマーを使用することです。加熱された金型に注入すると、膨張し、粘度が増し、さまざまな化学反応を通じて硬化します。そして完成部品の重量、強度、密度、硬度の特性を調整できます。そのため、この方法で作られた部品は他の製造方法で作られた部品より軽くなります。一般に、RIM金型は射出成形金型より安価です。加えて、使用エネルギーが少なく、より小さなトン数のプレスで済みます。ただし、熱可塑性樹脂加工より時間がかかることがあります。

多くの部品が必要だが、何万という部品は必要ない。素早く、オンデマンドで部品が必要です。部品設計が真に実証される前に金型に投資するリスクを取りたくない。これらのいずれかに当てはまる場合、アルミ金型による少量射出成形が良い選択肢となるでしょう。

1.費用対効果：アルミニウムを使って射出成形金型を作る方が、鋼を使うよりも安価です。小ロット生産プロジェクトでは、アルミニウム金型を使うことで総コストを最大30%節約できます。

2.リードタイム：アルミニウム射出成形金型は、設計および加工手順の面で鋼射出成形金型より速いです。一般に、アルミニウム金型は鋼金型と比較して時間を40%短縮できます。そのため、必要な試作品や最終製品をより速く製造できます。

3.納期：通常、アルミニウム金型の重量は鋼製金型の3分の1で、扱いやすくなっています。アルミニウムは柔らかい材料であるため、射出成形金型を成形するための加工が容易です。冷却システムと金型構造が簡素化されることで、生産効率は大幅に向上します。

1.製品材料：アルミニウムは柔らかい材料であるため、ガラス繊維強化ナイロンなど、金型を急速に摩耗させるガラス繊維充填材料の製造には使用できません。また、PEEKやPPSUなど、生産中に金型を容易に変形させる高温エンジニアリング材料の製造にも使用できません。

2.金型寿命：アルミニウム金型は、鋼金型ほど耐久性、耐食性、耐摩耗性がありません。そのため、少量バッチ生産にのみ適しています。通常の条件下では、金型寿命は製品の材料と構造に応じて1,000～10,000ショットです。

3.製品設計の複雑さ：アルミニウム金型は、複雑な製品設計の部品の製造には適していません。複雑な製品設計には薄い部分と厚い部分があります。そのため、これらのパラメータに対応でき、プロセスの高い圧力と温度に変形せずに耐えられる材料が必要です。アルミ射出成形金型はこの条件下で変形する可能性があるため、適していません。

通常は、リフターやスライダーを備えた超複雑な金型を作らず、自動インサートではなく手込めインサートを使用します。プロトタイプや少量生産の場合、成形品の数量が多くないので、手作業でインサートを出し入れしてもコストがかからず、金型コストを節約でき、金型の寿命も長くなります。

アルミ射出成形金型の場合、在庫の金型ベースを使用してすべてのキャビティを設計することができます。これは、新しい金型ベースを注文するために時間とお金を費やす必要がないことを意味します。また、リードタイムを短縮し、お客様のご予算を満たすための費用を節約することができます。

アルミニウムの金型を設計するときは、鋭角ではなく丸みを帯びた角を使います。アルミニウムは柔らかいので、鋭利な角は金型を注入するときに早く摩耗します。また、傷つきやすく、修理も大変です。製品の肉厚をできるだけ均等にすると、射出圧力が低くなり、射出圧力で金型が変形しにくくなります。