なぜ3Dプリンティングは射出成形を完全に置き換えることができないのか？

Foreword: Manufacturing is going through a revolution with 3D printing and 射出成形金型ing. 3D printing and injection molding are both used to make physical products, but they work in very different ways and have different benefits. So, 3D printing can’t replace injection molding completely.

3Dプリンティングとは？

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、レイヤーを重ねることでものを作る方法だ。レゴブロックで家を建てるようなものだが、手を使う代わりに機械がすべての作業を行う。機械は、何をすべきかを指示するコンピューター・ファイルを読み取り、プラスチックや金属、その他の材料からあなたが望むものを作る。

3Dプリンターの良いところは、他の機械では作るのが難しいもの、あるいは不可能なものを作れることです。つまり、これまでは作れなかったような、あらゆる種類の新しいものを作ることができるのです。また、特別な工具や金型を作るためにお金をかける必要がないので、本当に速く、本当に安く作ることができます。

射出成形とは？

射出成形は、あるものを加熱して溶かし、それを金型に射出する方法だ。これを大きな圧力で押し込む。それから冷やして固める。そうして固まったら出来上がり。これは、作るのが難しいものをたくさん作るのに適した方法です。これは、私たちがモノを作る方法のひとつです。

So, here’s how injection molding works: you melt plastic pellets and then shoot them into a mold under high pressure. The mold is the shape of the thing you want to make. As the plastic cools and hardens, it takes the shape of the mold, and then you pop the part out.

射出成形のいいところは、効率がいいことと、たくさん作れることだ。金型代さえ払えば、それぞれのパーツを作るコストはかなり低くなる。それに、あらゆる種類のプラスチックであらゆる形を作ることができる。

射出成形の利点

射出成形は、大量生産における比類のない効率性で有名であり、迅速で一貫性のある、費用対効果の高い方法で製品を作ることができます。複雑な形状の部品を作るのに最適で、たくさんの部品を作る場合でも高い精度と一貫性を保つことができます。また、さまざまな業界のニーズに合わせて、さまざまな素材や色を使用することもできます。

複雑で精密な製品の生産に適している

プラスチック射出成形の主な利点の一つは、複雑なプラスチック精密部品やアセンブリの設計が容易であることです。射出成形は他の技術に比べて公差が厳しい。そのため、自動車部品の製造にも広く使われています。

さまざまな素材から自由に選べる

プラスチック射出成形の工程で使用できるプラスチック材料は山ほどある。帯電防止プラスチック、熱可塑性ゴム、耐薬品性プラスチック、バイオコンポスト可能な材料など、カラーマッチングやマスターバッチによるカラーリングが可能な材料がある。

製造コストを削減する自動化プロセス

Injection molding is an automated process. In fact, most injection molding processes are performed using machines and robots. Since automation reduces manufacturing costs, overhead costs are also reduced. Additionally, as labor is reduced, the overall cost of manufacturing the product is also reduced.

高効率生産方式

射出成形金型が顧客から与えられた仕様に従って設計され、射出成形機が事前にプログラムされると、部品を生産するために使用される実際の成形工程は非常に速くなる。そのため、1つの金型でより多くの製品を生産することができる。生産性が高いため、プラスチック射出成形は効率的で費用対効果も高い。

廃棄物を減らして環境に優しく

射出成形の場合、部品の再現性は非常に高い。スプルーやランナー（トンネル・プラスチックによって作られ、そこから実際の金型に到達する残留プラスチック片）でさえ、材料の再利用のために再研磨することができる。

3Dプリンティングの短所

アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）としても知られる3Dプリンティングは、私たちのデザインと生産に対する考え方を変えた。3Dプリンティングは比類のない柔軟性とカスタマイズ性を提供する一方で、限界もある。一般的に、このプロセスは従来の製造方法よりも時間がかかるため、大量生産には適していない。

力不足

従来の製造材料と比べると、現在の3Dプリント材料のほとんどは十分な強度がない。高強度で耐摩耗性のある材料も開発されているが、それでも金属ほどの強度はない。そのため、本当に強度が必要な用途には制限がある。

製造スピードは比較的遅い

従来の製造プロセスと比べると、3Dプリントは時間がかかる。3Dプリンティングはレイヤー（層）ごとにものを作り上げるため、大きなものをプリントするには長い時間がかかる。人々が3Dプリントの高速化を試みても、伝統的な製造スピードにはまだ太刀打ちできない。

材料費が高い

今、3Dプリントに使われる材料は高価だ。3Dプリント用の特殊な材料の中には、本当に高価なものもある。このため、特に材料費が従来の製造よりも高い場合、大きなものに3Dプリントを使うのは難しい。

欠陥検出が問題

3Dプリンターによる製造工程は、積層造形やレイヤーごとの製造工程を用いた複雑な制御のため、レイヤー間の接合部の品質は精密鍛造部品のように均一にはならない。3Dプリンティング技術は、その固有の成形原理によって限界がある。

3Dプリンティング技術で作られた部品、特に金属部品には、主にボイド、マイクロクラック、溶融不良などの内部製造欠陥がある。これらの欠陥の大きさは一般的に20μm以下で、一般的な非破壊検査法の閾値以下であり、これらの欠陥は亀裂発生の原因となり、構造の疲労性能に深刻な影響を与える。

正確なコントロールの難しさ

3Dプリンティングプロセスでは、装置自体のソフトウェアやハードウェアから、造形材料や造形プロセスに至るまで、各リンクにおいて加工品質に影響を与える複数の要因が存在する。工学的な実践によれば、3Dプリンティングの精度に影響を与える主な要因は、機械制御、モデルデータ処理、材料特性、成形パラメーター制御である。

これらの要因によって、追加される材料の量、3Dプリントユニットのサイズ、システムの動作精度が制御され、集積方向における部品の精度と部品の最小形状製造能力が決定される。

3Dプリントの精度を向上させるには、材料の添加量を減らし、3Dプリントユニットのサイズを制御し、システムの移動精度を向上させる必要がある。しかし、これらの能力を短期間の研究でさらに向上させることは難しい。

3Dプリンティングと射出成形の主な違いは？

3Dプリンティングと射出成形はしばしば競合する技術とみなされ、それぞれに利点と用途がある。

3Dプリンティングがカスタマイズ性と柔軟性を提供する一方で、射出成形は大量生産の効率性と低コストには優れている。

3Dプリンティングと射出成形の違いを比較しよう。

初期設定費用

射出成形は金型製造のため初期設定コストが高い（例えば$1万～$5万）のに対し、3Dプリンターは金型が不要なため初期設定コストが比較的低い。

単位当たりのコスト

Injection molding is low in high volume and costs decrease with scale, 3D printing is generally higher, especially for one-offs or small batches.

スピード

射出成形は1部品あたり数秒から数分と速く、大量生産に最適です。3Dプリンティングは時間がかかり、複雑さやサイズによって異なりますが、1部品あたり数時間かかります。

材料

射出成形は、様々なプラスチックや金属を含む幅広い材料に対応しており、高負荷のかかる用途に適している。3Dプリンティングは、プラスチック、金属、樹脂など幅広い材料に対応しているが、用途によって適性が異なる。

ボリューム

射出成形は大量生産において非常に効率的で、生産量は数千個から数百万個に及ぶ。3Dプリンティングは、小ロット、試作品、カスタマイズ製品に最適です。

カスタマイズ

射出成形の金型交換はコストと時間がかかる。3Dプリンターなら、金型交換の手間がかかりません。

柔軟性があり、デザインをデジタルで簡単に修正できる

強度と耐久性

射出成形は一般的に強度が高く、機能部品に適しているが、3Dプリンティングは使用する技術や材料によって異なる。

精度と一貫性

射出成形は非常に精密で公差が厳しい（例：±0.005インチ）、3Dプリンティングは正確だがばらつきがある（例：±0.1mm～±0.5mm）。

環境への影響

射出成形は、材料の廃棄物やプロセスで使用されるエネルギーにより高い影響を与えるが、3Dプリンティングは廃棄物が少なく、より持続可能な材料で、より低い影響を与える可能性がある。

デザイン複雑性能力

射出成形は複雑なデザインを扱うことができるが、金型の制約によって制限される。

公差と表面品質

射出成形は公差が厳しく、追加加工なしで良好な仕上がりが得られますが、3Dプリンティングの公差はそれほど厳しくなく、表面仕上げには後加工が必要になる場合があります。

最終用途への材料適合性

射出成形は機能的な部品や最終製品に適しているし、3Dプリントは試作品や非機能部品に適している。

プラスチック部品に射出成形を使うのはどんな場合か？

射出成形は、特定の製造ニーズに適した方法です。数量、コスト、精度が重要なプロジェクトに最適な方法です。

大量生産

When you need to make a lot of parts, injection molding is the way to go. It’s perfect for mass production because it can make a ton of parts quickly and consistently. The cost to set up the mold is offset by the lower cost per part, which saves you a lot of money when you’re making a lot of parts. Injection molding is the fastest and most efficient way to make thousands to millions of the same thing, so it’s the best choice for high-volume needs.

生産における一貫性と精度

射出成形は、高精度で均一な部品を製造できることで知られています。厳しい公差と安定した品質の部品が必要な場合は、射出成形が適しています。射出成形の精度は、各パーツが最後のパーツのコピーであることを意味し、自動車や医療機器製造のような一貫性が重要な業界では重要です。

複雑な部品の設計と詳細設計

複雑な部品設計を扱う場合や、複雑な細部が必要な場合は、射出成形が最良の選択となることが多い。このプロセスでは、3Dプリントでは困難または不可能な複雑な形状や微細なディテールを扱うことができます。射出成形金型は、複雑な形状を高精度で製造するように設計することができるため、この方法は、詳細な機能や特定の機能要件を持つ部品に最適です。

素材と耐久性

特定の材料や特定の物理的特性を持つ部品を作る必要がある場合、射出成形は多くの選択肢を与えてくれます。あらゆる種類のプラスチックや複合材料を使用して、最終製品の強度、柔軟性、耐熱性を確保することができます。これは、多くの機械的ストレスや環境要因に耐えなければならない部品を作る場合には特に重要です。

大口注文の費用対効果

多くの部品を作るようになると、射出成形のコスト面でのメリットが如実に現れ始めます。金型を設計し、機械をセットアップするために初期費用がかかっても、部品をたくさん作れば作るほど、部品あたりのコストは大幅に下がる。

素晴らしい表面仕上げと見栄え

射出成形で作られた部品は表面仕上げが素晴らしく、通常はそれ以上の加工は必要ありません。消費者向け製品では、機能だけでなく見た目も重要です。射出成形は、見た目がよく、同じ色で、同じ感触の部品を作る最良の方法です。そのため、電話やトースターなどの製造に射出成形が使われているのです。

いつ3Dプリンティングを使うか？

3Dプリンティングは、射出成形のような他の製造方法よりも優れている点もある。

速く作り、速く変える

何かを作り始めるとき、3Dプリントは素晴らしい。ものを作って、試して、より良くすることができる。素早く作って、素早く変更できる。3Dプリンティングは、素早く簡単にものを作ったり、必要な時に必要なものを作ったり、新しいアイデアを試したりするのにとても適しています。

カスタムパーツの製作

3Dプリンティングは、カスタムパーツやパーソナライズされたパーツを作るのに最適です。カスタム医療機器であれ、カスタムカー部品であれ、ユニークな建築モデルであれ、この方法を使えば、射出成形用のカスタム金型のような高いコストをかけずに、多くのカスタマイズが可能になる。

複雑な形とデザイン

3Dプリンティングの最大の利点のひとつは、射出成形では難しいか不可能な複雑な形状やデザインを扱えることだ。つまり、内部形状やアンダーカット、奇妙な形状のパーツを作るなど、これまで不可能だったことが可能になるのです。

少量生産と限定生産

3Dプリントは、少量生産や限定生産に最適です。多くの部品を必要としないプロジェクトでは、費用対効果の高い選択肢となるため、射出成形用金型に多額の費用をかける必要はありません。これは、製品の数が多くない新興企業や中小企業には特に適しています。

廃棄物の削減と持続可能な製造

製造業において持続可能性は大きな問題であり、3Dプリンティングはより環境に優しい選択肢である。従来の方法のように材料を削って形を作るのではなく、部品を作るのに必要な材料だけを使います。つまり、廃棄物が少なくなるということだ。

3Dプリンティングと射出成形の用途の違い

3Dプリンティングと射出成形の比較では、多くの場合、その選択は用途によって異なります。それぞれに強みがあり、異なる生産ニーズに適しています。

3Dプリンティングはカスタマイズや複雑なデザインに適しており、射出成形は大量生産でコスト効率に優れています。それぞれ、さまざまな業界で一般的に使用されているところを詳しく見てみよう。

プロトタイプ

3Dプリンティングは、迅速な設計変更と複数の反復テストを迅速に行うことができます。射出成形は、実際の製品のような外観と感触が必要な最終段階の試作品に最適です。

カスタム部品：3Dプリンティングは、カスタム製品や独自の要件を持つカスタム部品に最適です。射出成形は、大量のカスタム部品に費用対効果が高いですが、設計ごとに金型が必要です。

複雑なデザイン

3Dプリンティングは、他の方法では作れないような複雑なディテールや複雑な形状を作ることができる。射出成形は金型の複雑さによって制限され、単純な形状に適しています。

小ロット生産

3Dプリントは小ロットであれば安価で、大きな先行投資も必要ない。射出成形は金型代と段取り代がかかるので高価です。

大量生産

3Dプリンターはスピードが遅く、単価が高いため大量生産には向いていない。射出成形は非常に効率的で、大量生産における1個あたりのコストを大幅に削減できる。

医療機器

3Dプリンティングはカスタムメイドの医療用インプラントや人工装具に適しており、射出成形は注射器やバイアル瓶などの医療用品の大量生産に使用される。

航空宇宙部品

3Dプリンティングは軽量で複雑な部品に適している。 射出成形 は、キャビン部品のような大量生産品に適している。

自動車部品

3Dプリンティングは試作品や特殊部品に限られ、射出成形はキャビン部品のような大量生産品に適している。

自動車部品

3Dプリンティングはプロトタイプ設計や専門家グループに限られており、射出成形は大量生産の標準部品の生産を支配している。

消費財

3Dプリントは特注品や限定品に最適で、射出成形は玩具や家庭用品など多くのものを作るのに適している。

教育/研究

3Dプリントは学習や実験に適しているが、射出成形はセットアップに多くのコストがかかるため、通常は使用されない、

なぜ3Dプリンティングは射出成形を完全に置き換えることができないのか？

価格

FDMも射出成形もABS素材を使う。射出成形用のABSは1トン1万元で、これは10元。1キログラム、プラス数セントのトナー、原材料費はちょうどこんな感じだ。思えば、FDMはABSフィラメントを使うが、そのコストは1キログラムあたり約50円。材料費の差は5倍近くある。

素材利用

3Dプリンティングは積層造形であり、材料を節約できると言われている。しかし、射出成形が実際に材料を節約していることを知らない人も多いだろう。射出成形は廃棄物のリサイクルと再利用プロセスが非常に成熟しており、ノズル材料は地面に着地することなく再投資できる。再利用のためにホッパーに戻された25kgの原料袋は、ほぼ25kgの製品に相当する。

スピード

一般的に言って、良好な製品品質を確保するために、射出成形では1分間に2つの金型を加工することは大きな問題ではない。FDMとFDM印刷は時間単位で記録されるべきである。

製品強度と成形精度

射出成形という言葉がそれを明確にした。プラスチック原料を溶かした後、一定の圧力をかけて金型に射出する。原料が金型に充填された後も、圧力は一定時間維持され、冷却後、金型から取り出すことができる。

この工程により、製品の十分な強度と精度が保証される。レゴブロックも、10年前に製造されたレゴブロックも、現在製造されているレゴブロックも、すべてうまく組み合わせることができる。FDMでレゴブロックを作るとなると、ここまで精度をコントロールするのは難しい。

さらに、FDMは層ごとに印刷される。十分な強度があれば、同じレゴブロックでも落としたり踏んだりしても拾い上げて使うことができるが、FDMで印刷されたものは再び使うことができない。

結論として、射出成形には進化してきた利点がある。こうした利点があるため、私は3Dプリンティングに取って代わられる可能性を見出せないでいる。3Dプリンターには、特殊でカスタマイズされた加工方法としての利点がありますが、私は射出成形に取って代わりたいと思っています。やはり成形は難しいと思います。

結論

3Dプリンティングと射出成形のどちらを選ぶかについては、考慮すべき点がいくつかある。スループット、設計の複雑さ、コスト、用途などだ。3Dプリンティングが優れているのは、非常に柔軟性が高いからです。ラピッドプロトタイピング、カスタマイズ、複雑なデザインの作成に使用できます。少量生産、特にユニークな部品や複雑な部品が必要な場合に最適です。

その一方で 射出成形 は大量生産に最適です。コスト効率がよく、正確で、一貫性があります。同じ部品を大量に作る必要がある場合に適しています。特に、強度と耐久性に優れた部品が必要な場合に適しています。3Dプリンティングと射出成形に関しては、それぞれに利点があります。自分のプロジェクトを見て、どちらが適しているかを判断する必要がある。