3Dプリンター射出成形金型とは？

序文：急成長を遂げ、競争の激しい射出成形業界は、数千億ドル規模の評価を受けており、メーカー各社は競争力を維持するため、より効率的で費用対効果の高い方法を模索している。

アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）とも呼ばれる3Dプリンティングは、これらの企業が優れた製品を製造することを可能にする。 射出成形 金型と金型を従来の方法よりも速く、手頃な価格で作ることができる。3Dプリント金型は金型製造業界に革命をもたらしていると言える。

Intelligent Manufacturing Network Newsによると、3Dプリンティングは広大な発展の可能性と広範な応用の可能性を持つ最先端技術のひとつであり、世界中にほぼ普及していると考えられている。

現在、教育、医療、自動車、航空宇宙などの分野での3Dプリンティングの活用は徐々に深まりつつあり、商業的な導入におけるその価値を示している。では、3Dプリント射出成形金型の背景にはどのような実態があるのだろうか。

この記事では、3Dプリント射出成形金型の真実について紹介する。

1.3Dプリンティング技術の概要

3Dプリンティング（3DP）はラピッドプロトタイピング技術の一種で、積層造形とも呼ばれる。デジタルモデル・ファイルに基づき、粉末金属やプラスチックなどの接着材料を使用して、層ごとに印刷することで構造体を構築する。

これは通常、デジタル技術を駆使した材料プリンターを用いて実現され、金型製造や工業デザインなどの分野でモデルを作成するために一般的に使用されている。一部の製品の直接製造にも徐々に採用されつつあり、すでにこの技術を使って部品の印刷に成功している。

3Dプリンティングは通常、デジタル技術を駆使した素材プリンターで実現される。金型製造、工業デザイン、その他の分野でのモデル作成に一般的に利用されており、特定の製品を直接製造するために採用されることも増えている。一部の部品はすでにこの技術を使ってプリントされている。

2.射出成形

射出成形として知られる技術では、加熱して溶かしたプラスチック材料を高圧で金型キャビティに注入し、冷却して固化させる。この方法は主に大量生産を目的として採用される。このプロセスの中心となるのが射出成形金型であり、プラスチック製品の完全な構造と正確な寸法を迅速かつ正確に作り出す。

一般に型開きと呼ばれる現在の金型製造工程は、通常、機械的な加工を伴う。その工程は次のように概説できる：最初に、最終製品の3Dモデルに基づいて、ソフトウェアを使用してデジタル金型を作成します。これには、キャビティ番号、ゲート位置、必要なランナーシステムの定義が含まれる。 射出成形 プロセスだ。

金型部品は、CNC、フライス盤、旋盤などの工具を使って機械加工される。より良い射出成形品を実現するために、金型はしばしば表面品質を高めるための仕上げや最終研磨が必要となる。この工程は手間がかかり、精密射出成形金型の一般的な生産サイクルは約20～25日である。

3.3Dプリンティングプラスチック金型

強度と耐熱性に優れた素材をプラスチック（またはポリマー）3Dプリンターと組み合わせることで、企業は射出成形用金型を自社で製造したり、サービスプロバイダーに迅速に発注したりできる。3Dプリントされたプラスチック金型は、少量の部品（材料によって100～10,000個）の生産に適しており、金属金型よりも90%安い価格設定となっているため、コスト効率が大幅に向上している。

予算が限られており、リードタイムが短い場合は、プラスチック3Dプリンティングが金型製造方法として推奨されます。また、プロトタイピングにも広く使用されており、企業は、大量生産のための従来のツールに移行する前に、より迅速にテストと反復を行うことができます。

使用技術と素材

技術1：溶融積層造形法（FDM）は、プラスチック金型製作のための最も経済的な3Dプリンティング・ソリューションである。しかし、この方法では目に見える層が生じることがあります。所望の精度を達成するには、研削後または化学処理によって層を除去する必要があります。さらに、これらの金型は、より厳しい公差で機械加工することができます。

技術2：ステレオリソグラフィー（SLA）とデジタル光処理（DLP）を含む樹脂3Dプリンティングは、より微細な表面仕上げの金型が得られ、後処理が少なくて済むため、より人気のある技術である。

技術3SLS（Selective Laser Sintering：選択的レーザー焼結）は、粉末ポリマー材料とレーザーを使用して、表面品質と強度の高い金型を提供する技術であり、多くの場合、強化ナイロンで作られている。

3Dプリンティングに関しては、幅広い種類のプラスチックから選ぶことができる。しかし、すべての材料が射出成形に伴う高圧と高温に対応できるわけではありません。材料の選択は、プラスチックの溶融温度、機械の射出圧力、必要なパーツの体積などの要因によって決まります。

最も一般的に使用される材料は、PETG、ポリプロピレン（PP）、モールド樹脂、ナイロン（PA）、炭素繊維ナイロンなどです。しかし、これらは通常、数十回から数百回の射出成形サイクルにしか耐えられません。数千個の部品を必要とする大量生産では、ほとんどの場合、プラスチックよりも金属がまだ好まれます。

代表的な使用例

PepsiCo社はHenkel Loctite Nexa3Dと提携し、xPEEK147樹脂材料とNexa3D NXE 400 3Dプリンターを使用して金型インサートを作成しました。これらのインサートは、従来の金型のコンポーネントと統合されます。金型全体をわずか12時間で製造できるようになり、8時間は3Dプリントに、4時間は後処理と硬化に費やされます。

試作金型の開発時間は4週間からわずか48時間へと大幅に短縮され、効率が大幅に改善された。さらに、各金型セットのコストは$10,000から$350へと大幅に減少した。これらの革新的なハイブリッド製造金型は、10,000本以上のボトルを失敗することなく製造する能力を実証しており、その結果、従来の金型と比較して最大96%のコスト削減の可能性がある。

伝統的な 射出成形金型の製造が主なコスト・ドライバーである。大量生産と製品の販売によってのみ金型の製造コストを回収することの複雑さが強調されている。ライフサイクルが短い製品や需要が限られている製品の場合、機械加工による金型への投資は財政的に実行可能でない可能性があることが強調されている。このようなシナリオでは、3Dプリンティングによる金型製作を選択することが、より有利な選択肢として提示される。

この3Dプリンティングへのシフトは、費用対効果の高いソリューションを提供するだけでなく、製品のカスタマイズや小ロット生産における柔軟性の向上も可能にします。メーカーは、このアプローチを活用して、費用対効果の高いパラメータの範囲内で製品ラインアップを拡大することが推奨されます。3Dプリント金型の迅速な生産能力により、メーカーは新製品に対する顧客の要求に迅速に対応できるようになり、短納期製品の効率的な開発と生産につながります。

4.3Dプリンティング金型

金属3Dプリント金型の利用が増加している背景には、プラスチック3Dプリント金型の利点とは大きく異なる原動力がある。一般に信じられていることとは逆に、金属3Dプリント金型は従来の金属金型に比べて価格が高く、作成に時間がかかる場合がある。利点は金型の製造にあるのではなく、3Dプリント金型を使って製品全体を製造する費用対効果にある。

使用技術と素材

金属3Dプリンティングは、最終製品生産用の金型や複雑な細部を持つ試作品の作成を可能にし、製造業者は従来の金型製作プロセスを合理化し、熟練した機械工の必要性を減らすことができます。

一般的な技術は選択的レーザー溶融（SLM）であり、金属材料の積層造形における重要な手法である。SLMは微細なディテールを実現できるが、追加の機械加工が必要になることが多い。現在のコストと加工速度を考慮すると、金属3Dプリンティングが射出成形ツールの機械加工を完全に置き換えることは考えにくく、代わりに全体的な生産を加速する補完的なツールとして機能する。

もうひとつの3Dプリンティング技術である直接エネルギー堆積法（DED）は、レーザーを利用して堆積領域に溶融プールを作り、それを急速に移動させる。材料は、粉末状であれフィラメント状であれ、高温の溶融ゾーンに直接供給され、溶融後に層ごとに堆積される。この方法によって、さまざまな金属材料を使用した金型の作成が可能になる。たとえば、純銅の基板の上にステンレス鋼の層を塗布することで、高い熱伝導性と耐摩耗性を両立させることができる。

射出成形金型に必要。

金属3Dプリント部品はしばしば追加加工を必要とするため、3DプリントとCNC機能を組み合わせたハイブリッドマシンの台頭につながっている。金属3Dプリンティングの新興企業であるMantle社が開発したTrueShapeマシンは、この傾向を象徴している。

このプロセスは、押し出し可能な工具鋼ペーストを使用して金属型を3Dプリントすることから始まる。その後、精密CNCマシンを使用して、高温炉で焼結する前に、金型を厳密な公差に精製する。

代表的な使用例

3Dプリンティングは、複雑なコンフォーマル冷却チャンネルを持つ金型の作成を可能にすることで、金型製造業界に革命を巻き起こしている。これらの溝は、金属 射出成形 部品の冷却をより迅速かつ均一にすることで、工具の冷却を促進します。

冷却段階は通常、サイクル時間全体の70%から80%を消費するため、金型の寿命を通じてこの段階を短縮できれば、メーカーにとって大幅なコスト削減につながります。さらに、効果的な冷却は、最終製品の寸法精度、表面仕上げ、機械的特性に大きな影響を与えます。

従来の加工技術では、直線的なドリル加工によって金型に冷却溝を追加していました。しかし、部品の形状が複雑になるにつれ、金型の輪郭に沿って正確な冷却を実現することはますます難しくなります。このため、従来の複雑な部品の製造は、困難でコストのかかる努力となります。

従来のプロセスに比べ、3Dプリンティングでは、金型内に部品の形状に合わせて湾曲した冷却チャネルを形成し、最も必要な場所に冷却を供給することで、部品の品質を向上させ、冷却時間を最大70%短縮することができます。

その代表例が、三次元カッピングメーカーの易佳である。従来、伝統的な射出成形で作られたカッピングは透明度が低く、射出成形の効率が悪かった。この非効率は、従来のCNC技術で作られたカッピング金型に起因するもので、この技術では垂直冷却チャンネルしか加工できず、金型を十分に冷却することができなかった。

Eplus3D EP-M250 SLM 3Dプリンターを使用して、複雑なコンフォーマル冷却チャンネル金型を製造できます。最終的なカッピングでは、溶射に最適な温度に達するまで16.63秒しかかからなくなった。一方、従来の金型では22.97秒かかるため、6秒以上の時間短縮となり、射出効率が約26%向上しました。

3Dプリンティングによってコンフォーマル冷却チャンネルを組み込むことの利点は、金型製造のさまざまな分野で明らかになっている。例えば、電子タバコを考えてみよう。広東モコは、「この3年間で、特に電子タバコにおいて、PCTG材料に対する理解が著しく深まりました。

この材料を3Dプリンティング技術と組み合わせて利用することは、従来の方法から逸脱した独自のアプローチを例証するものです」。これは、従来の手段では達成できなかった課題に効果的に対処することで、金型業界に革命をもたらす3Dプリンティングの極めて重要な役割を強調するものです。

5.3Dプリンティング射出成形の利点

金型生産サイクルの短縮

金型の3Dプリンティングは、製品開発サイクルを大幅に短縮し、イノベーションを促進する。これまで企業は、新しい金型の製造に多額の投資が必要なため、製品設計の更新を延期したり、見送ったりすることがありました。金型製造のリードタイムを短縮し、既存の設計ツールの迅速なアップデートを可能にすることで、3Dプリンティングは、より頻繁な金型の変更や機能強化を可能にします。この機能により、金型設計サイクルが製品設計サイクルと一致するようになります。

さらに、金型を製造するために独自の3Dプリンティング設備に投資し、柔軟性と適応性を高めながら製品開発をさらに迅速化している企業もある。この戦略的アプローチは、納期の長期化や開発の停滞といったリスクに対するサプライチェーンの耐性を強化し、サプライヤーから不適切な金型を入手することを回避する。

製造コストの削減

現在の金属3Dプリンティングのコストが、従来の金属製造プロセスのコストよりも高いのであれば、プラスチック製品の分野ではコスト削減が実現しやすくなる。

金属3Dプリント金型は、（これらの製品の固定費を償却するのが困難なため）小規模で不連続な一連の最終製品の生産において、または3Dプリントに最適化された特定の形状の生産において経済的な利点を提供し、さらに大きな経済的利点をもたらします。この利点は、使用される材料が非常に高価で、従来の金型製造では材料の廃棄率が高い場合に特に顕著になります。

さらに、数時間以内に精密な金型を製造できる3Dプリンティングの能力は、特に製造のダウンタイムや工具の在庫維持にコストがかかるシナリオにおいて、製造プロセスや収益性に大きな影響を与える可能性があります。

時には、生産開始後に金型の修正が必要になることもよくある。3Dプリンティングの適応性により、エンジニアは多数の反復テストを同時に行うことができ、金型設計の変更による初期費用を軽減することができます。

金型設計の改善で最終製品にさらなる機能性を付加

金属3Dプリンティングに関連するユニークな冶金学は、多くの場合、金属の微細構造を強化し、その結果、完全に高密度にプリントされた部品は、鍛造または鋳造材料に匹敵するか、それを上回る機械的および物理的特性を有する（熱処理および試験方向に基づいて）。積層造形は、金型設計を強化するための多くの可能性をエンジニアに提供します。

目的とする部品が複数のサブコンポーネントで構成されるシナリオでは、3Dプリンティングによって設計のシームレスな統合が可能になり、必要な部品数の削減につながります。これにより、製品の組み立てプロセスが合理化され、公差が最小限に抑えられます。

さらに、複雑な製品機能を統合することができるため、欠陥の少ない高機能な最終製品を迅速に製造することができます。例えば、射出成形部品の全体的な品質は、射出された材料と金型治具を流れる冷却液との間の熱伝達条件に影響される。従来の方法で製造された場合、冷却材を導く流路は通常直線状であり、その結果、成形品の冷却効果は遅くなり、不均一になります。

3Dプリンティングでは、あらゆる形状の冷却チャネルを作成できるため、より最適化された均一なコンフォーマル冷却が可能になり、最終的にパーツの品質が向上し、スクラップ率が減少します。さらに、冷却期間は通常、射出成形サイクル全体の最大70%に相当するため、熱放散の迅速化によって射出成形サイクル時間が大幅に短縮されます。 射出成形 サイクルだ。

人間工学に基づきツールを最適化し、最低限のパフォーマンスを向上させる

3Dプリンティングは、製造業で満たされていないニーズに応える新しいツールを検証する際の障壁を大幅に削減し、追加の可動治具や固定治具の製造を可能にします。歴史的に、工具と関連機器は、再設計と製造にかかる多大なコストと労力を考慮し、最大限の寿命を持つように設計されてきました。3Dプリント技術を活用することで、企業は、時代遅れの不適切な仕事とみなされるものに限らず、あらゆる場面であらゆる工具を刷新することができます。

3Dプリントは、最小限の時間と初期投資で、限界性能を高めるためのツールの微調整を、より費用対効果の高いものにします。その結果、技術者は設計段階で人間工学的な配慮を取り入れることができ、操作の快適性を高め、処理時間を短縮し、使いやすさと保管を合理化することができます。

このような改善により、組立作業は数秒しか短縮されないかもしれないが、累積的な影響は大きい。さらに、工具設計を最適化することで、部品のスクラップ率を抑制し、全体的な作業効率に貢献することもできる。

6.3Dプリンター射出成形金型の欠点

印刷金型の収縮欠陥

すべての3Dプリント部品と同様に、金型も冷却時の収縮による反りなど、さまざまな欠陥に悩まされる可能性がある。金型がゆがむと、高い公差が要求される製品を扱う際に問題が生じる可能性があります。

構造的完全性の問題

プラスチック3Dプリント金型は、射出成形プロセスの高温と高圧に耐えるという点では、金属金型よりも安定性に欠ける。金型の構造的完全性が弱いため、金型ゲートやウェルドラインの劣化などの問題につながり、大量生産には不向きです。

実験には無駄が必要

自分で金型を3Dプリントする場合、目的の製品を完成させる前に、プラスチックの無駄が発生するのが一般的です。3Dプリントはデザインを改良できる汎用性があるにもかかわらず、ある種の不完全さが最終段階になって初めて現れる可能性があり、廃棄物の増加につながる。この廃棄物がリサイクル可能であることを強調することが不可欠だ。

印刷効果は素材によって制限される

ハイエンド産業では、プラスチック、特定の金属、セラミックを印刷することができるが、現在の課題は、高価で希少な材料を印刷することにある。業界全体として、新素材の研究開発におけるボトルネックに直面すると同時に、材料の安定性と使いやすさの向上が求められている。さらに、一部の3Dプリント機器はまだ成熟したレベルに達しておらず、日常生活で遭遇するさまざまな材料に対応する能力を妨げている。

完成品は頑丈で耐久性があるか

家や車は「プリント」できるが、風雨に耐え、道路をスムーズに走ることができるだろうか？現在、3Dプリントはポリマー素材を利用しており、それぞれに融点や流動性がある。3Dプリンターで異なる素材を組み合わせる際に課題が生じ、最終製品が脆くなるなどの欠点が生じる。

知的財産に関する懸念

法的意識が高まる今日、音楽、映画、テレビの分野では知的財産権の保護が重視されている。3Dプリンティング技術の登場は、著作権侵害や偽造品の使用に関する懸念が大きく、この問題をさらに複雑にしている。

3Dプリント製品の著作権の正当性を確立し、無許可の複製を防止する必要性が、産業の発展における重要な課題として浮上しています。知的財産権を保護し、この革新的技術の責任ある使用を決定するためには、3Dプリントを管理する関連当局による法的枠組みの策定が不可欠です。

克服が難しい環境要因

3Dプリンティングルームでは、不十分な空気浄化、マシン内の隙間、金属粉末材料に混入した不純物などの問題により、酸素含有量が変動する可能性があります。これはプリント部品の機械的特性に悪影響を及ぼし、化学組成の変化を引き起こす可能性さえある。したがって、印刷室内の酸素含有量を検出することは極めて重要である。

7.結論

3Dプリンティングが製造業界に与えた影響は甚大だ。以前は何百ドルもかかり、製造に何週間もかかっていた試作部品が、今では午前中に設計し、一晩で印刷し、翌日には顧客に届けることができる。すでに一部の企業は、射出成形金型の製造に3Dプリンティング・プロセスを使い始めている。

金型製作に何カ月も待ったり、下流での設計変更による金型修正に多額の費用がかかったりする時代は終わりました。3Dプリンティングを使えば、金型の検証用であれ、少量生産用であれ、金型を迅速に製造することができる。 射出成形部品.

3Dプリント射出成形金型の真実は、その微妙な利点と限界にある。金型の製造サイクルは短縮され、製造コストは削減されるが、金型設計の改善により、最終製品にはより多くの機能が追加される。最適化された金型は人間工学的に優れ、最小限の性能を向上させ、カスタマイズされた金型はオーダーメイドの最終製品の実現に役立つ。

しかし、印刷金型の収縮欠陥、構造的完全性の問題、実験での無駄、材料による印刷効果の制限、完成品の強度や耐久性への懸念、知的財産への懸念、環境要因への対応の難しさなどの課題が存在する。

そのため、3Dプリント射出成形金型は、特に迅速な反復や特殊な用途において、製造の貴重な武器となり得るが、万能のソリューションではない。各プロジェクトでは、固有の要件と3Dプリント技術の能力を慎重に検討する必要があります。