プラスチック金型は、溶融樹脂を完成品に成形するための道具です。キャビティとコアが形状を規定し、供給システムが溶融樹脂を供給し、冷却回路がサイクルを設定し、射出システムが成形品を無傷で取り出します。寸法精度が高く、外観も許容範囲内の部品を目標生産量で製造できる金型を入手するには、単一の決定ではなく、一連の決定が必要であり、それぞれの決定が次の決定を制約します。
このガイドは、その順序に沿って構成されています。まず、形状を描く前に必要なプラスチック金型プロジェクトへの入力から始まり、設計レビューから初回品認定までの6つの段階を順を追って説明し、次に、プロジェクトで最も失敗しやすい2つの領域、すなわち金型自体の材料の選択と、部品の出来栄えを左右する金型内部の設計ポイントについて詳しく解説します。最後に、自社の計画と照らし合わせて検証すべき、よくある間違いと、製造パートナーがどのように関わってくるかについて述べます。
始める前に必要なもの
プラスチック金型プロジェクトは、いくつかの重要な入力項目が確定するまで本格的に開始できません。これらの入力項目はそれぞれ、金型の形状を変更するエンジニアリング上の入力項目であり、後で収集する書類ではありません。
使用可能なCADフォーマット（STEP、IGES、Parasolid、またはネイティブ形式）で作成された最終的な3D部品モデルが基本形状となります。これがないと、キャビティを切削することも、製造可能性レビューを実行することもできません。
選択された樹脂は、その収縮率と肉厚特性によって決まります。収縮データはキャビティの寸法を決定し、樹脂の推奨肉厚範囲は成形が可能かどうかを左右します。グレードを早期に確定することで、キャビティが誤った許容値で切削されるのを防ぐことができます。
生産量と目標サイクルタイム。生産量によって、必要なキャビティ数、金型材料、耐摩耗性が決まります。目標サイクルタイムによって、プラスチック金型がどれだけの冷却能力を備えている必要があるかが決まります。
プラスチック金型は、プレス機に適合しなければなりません。トン数、タイバー間隔、プラテンサイズによって、金型の設置面積と投影面積が制限されます。使用可能なプレス機の容量を超える金型は、どんなに優れた設計であっても稼働させることはできません。
必要な公差と表面仕上げ。これらは、機械加工、研磨、表面処理の手間を決定し、また、あなたが記述した公差が成形プロセスでそもそも達成可能かどうかを判断する基準となります。
予算とスケジュール。これらによって、どのようなトレードオフを行うべきかが決まります。例えば、ホットランナーを採用する価値があるのか、それともシングルキャビティツールが最初の投資として適切なのか、といったことです。
これらの問題がまだ解決していない場合は、金型製作を開始する前に解決してください。キャビティを切削した後に樹脂の種類や肉厚を変更するコストは、今決定しておくコストよりもはるかに高くなります。
プラスチック金型のワークフロー：設計から生産まで
以下のワークフローは順序立てて構成されています。各段階では、次の段階が依存する何らかの成果物が生成され、各段階には、次の段階が始まる前に完了したことを確認するチェックポイントが設けられています。
ステップ1 — 成形性の観点から部品設計をレビューする
金型形状を描く前に、部品モデルの製造性設計レビューを実施してください。部品全体の肉厚の均一性、すべての垂直面の抜き勾配、アンダーカットの有無と回避可能かどうか、またはサイドアクションが必要かどうか、コーナー半径、隣接する壁に対するボスとリブの比率などを確認します。ゲートとエジェクタの着地位置、およびパーティングラインの位置も確認してください。
その結果として、修正箇所が明記されたモデルと部品変更リストが作成されます。あるいは、変更が受け入れられない場合は、付随的な措置にかかる費用を受け入れるという決定が文書化されます。どちらも有効な結果ですが、レビューされていないモデルは有効ではありません。
チェックポイント：すべての壁面と構造物が、選択した樹脂の推奨厚さ範囲に照らしてチェックされており、すべての垂直面にドラフト（隙間風）が設けられています。
ステップ2 - 素材と収縮率の確認
キャビティの寸法を設定する前に、樹脂を固定し、収縮率を測定します。キャビティとコアは収縮代分だけ大きめにカットされるため、金型から出てくる部品は図面と一致します。収縮率は樹脂の種類や流れ方向によって異なり、ガラス繊維や繊維が充填されたグレードは、充填されていないグレードとは異なる挙動を示します。多くの場合、流れ方向に沿った収縮は、流れ方向に対して垂直な方向の収縮よりも小さくなります。
樹脂の収縮率は、汎用的な表ではなく、樹脂メーカーが提供する特定グレードのデータから取得してください。同じ系列のグレードでも許容値が異なる場合があり、充填材入りのグレードに汎用的な数値を適用すると、ある方向で公差外の部品が製造される可能性があります。
チェックポイント：収縮値は正確な等級に対して記録され、空洞モデルに適用されています。
ステップ3 — 金型の設計：キャビティレイアウト、供給システム、冷却および射出
部品に合わせてプラスチック成形金型アセンブリを組み立て、決定事項を順番に実行していく。
- 虫歯の数と配置。 年間生産量とプレス能力に合わせてキャビティの数を調整し、溶融金属がすべてのキャビティに同じ条件で到達するように配置します。
- ランナーの種類とゲート。 コールドランナーまたはホットランナーを選択し、次にゲートの種類、サイズ、位置を選択します。ゲートは、充填、梱包、および完成品におけるゲートマークの視認性を制御します。
- 冷却チャネルを配置して、部品から熱を均一に除去してください。冷却設計はサイクルタイムを左右し、反りにも直接影響を与えます。
- 排出方法を選択し、排出痕がどこに付くかを決定します。理想的には、外観に影響しない表面が望ましいです。
- 空気抜き穴は、パーティングラインと充填終了時、つまり空気が最後に抜ける場所に設けてください。
チェックポイント：金型流動解析または充填解析により、充填バランスが良好で、ショートショットがなく、ウェルドラインおよびエアトラップの位置が許容範囲内であることが確認されています。
ステップ4 - 金型部品の詳細設計と公差設定
アセンブリを製造可能な図面に変換します。これには、金型ベースとプレートの積層構造、ガイドピンとブッシング、アンダーカット用のスライドとリフター、インサート、およびキャビティ、コア、パーティング面間の公差の積み重ねが含まれます。
嵌め合いやクリアランスは、室温だけでなく、作動温度における熱膨張も考慮する必要があります。作業台上では問題ないクリアランスでも、金型が作動温度に達すると狭くなってしまう可能性があります。
チェックポイント：図面一式が十分に揃っているので、機械加工担当者は設計上の疑問を抱くことなく、すべての部品を切削加工できる。
ステップ 5 — 機械、 仕上げ 金型を組み立てる
金型材料を切断し、仕上げ加工と取り付けを行います。キャビティとコアを荒加工および仕上げ加工し、カッターでは届かない深いリブや鋭角な内角には放電加工機を使用します。指定された表面グレードまで研磨し、スライド、リフター、インサートを手作業で取り付けます。
加工順序は、板材の応力緩和に重要です。一度に大量の材料を除去すると、残留応力が解放されて板材が歪む可能性があるため、荒加工、休止時間、仕上げ加工は意図的に順序立てて行われることがよくあります。
チェックポイント：すべての部品が図面と寸法が一致しており、組み立て品がプレス機に送られる前に手で自由に動くことを確認します。
ステップ6 — 金型を試作し、部品の品質を確認する
最初のショットを実行し、その結果を基にプロジェクトを完了させます。試作では、充填バランス、サイクルタイム、寸法適合性、外観品質、および射出信頼性を確認します。結果に基づいて、ゲートサイズ、冷却または通気を調整し、再度実行します。
寸法測定は、最初の数回の試作品ではなく、安定した生産サイクルで得られた部品から行ってください。初期の試作品はまだ形状が安定していないため、それらを測定しても、実際の生産では存在しない問題に気を取られてしまう可能性があります。
チェックポイント：初回品検査報告書では、部品がキャビティセット全体にわたって公差内に収まっており、プラスチック金型が安定したサイクルで稼働していることが示されている。
プラスチック金型の金型材料の選択
金型自体の材質は、成形する樹脂とは別の決定事項であり、単一の最良の選択肢ではなく、複数の要素のバランスが重要となる。関連する特性としては、熱伝導率、硬度と耐摩耗性、加工性、腐食挙動、そしてコストが挙げられる。適切なバランスは、生産量、樹脂の種類、および部品の要件によって異なる。
アルミ 金型材料
アルミニウムは、少量から中量生産、および大型部品に適しています。熱伝導性に優れているため、高速サイクルでの加工が可能で、加工も迅速かつ容易であり、同じブロックであれば鋼鉄よりも安価です。アルミニウムの中でも、高強度鍛造金型板、中強度鍛造板、鋳造金型板を区別する必要があります。高強度グレードは硬度と強度がはるかに高く、一方、鋳造板は内部応力が非常に低く、平坦で大型の金型に適した優れた安定性を備えています。
実用的な注意点として、焼入れ感受性の高い合金では、厚板の厚み方向で強度と硬度が変化するため、機械加工時の安定性に影響が出ます。焼入れ感受性の低い合金は、板材全体にわたってより均一な特性を維持し、より予測可能な機械加工が可能です。
アルミニウムは鋼鉄よりも冷却水路での腐食を受けやすい。水質や異種金属の接触には注意が必要であり、水質を中性付近に保ち、異なる金属が接する継手は隔離する必要がある。
銅合金金型材料
銅合金は、高温になる箇所、厚肉部、サイクルタイムが重要な箇所に最適です。これらの箇所では、銅合金の非常に高い熱伝導率がアルミニウムや鋼よりも速く熱を放散します。銅合金は、金型全体に使用することも、鋼またはアルミニウム製の本体に挿入することも可能です。
硬度範囲は広く、合金の種類によって約20Rcから約40Rcまで対応可能で、軟質グレードは研磨性は良好ですが、摩耗が速い。研磨性は概して良好で、光学面や化粧面への使用に適している。
実用的な観点から言えば、アルミニウム製の本体に銅製のインサートを挿入する場合、水路が両方を通過する箇所には、2つの合金間のガルバニック腐食を防ぐために、銅の裏側に無電解ニッケルめっきなどのバリアコーティングを施す必要がある。
工具鋼金型材料
鋼材は、大量生産、研磨性樹脂やガラス繊維強化樹脂の使用、および高精度部品に適しています。高い硬度と耐摩耗性を備えているため、何十万回ものサイクルにわたってキャビティ寸法を安定させることができます。
加工前に硬化処理を施したグレード（加工後すぐに使用可能で、硬度は約30Rc）と、加工後に50Rc以上に硬化処理されたグレードを区別してください。硬度が高いほど、加工性や熱伝導率が低下します。硬度の高いプラスチック金型は長持ちしますが、切削速度が遅く、アルミニウムよりも放熱性が低くなります。
材料を体積、樹脂、部品の要件に適合させる
以下の順序で、簡単な手順で各ファミリーを適用してください。
- 部品数はいくつですか？ 低～中音量 アルミニウムを示唆する。高ボリュームは鋼鉄を示唆する。
- その樹脂はどの程度研磨性がありますか？ ガラス繊維や繊維を充填したグレードはプラスチック製の金型をすぐに摩耗させるため、ゲート部や摩耗の激しい部分には鋼鉄製、または硬化処理されたインサートを使用するのが望ましい。
- 許容範囲はどのくらい厳しいですか? 厳しい公差は鋼材の寸法安定性を高める。
- サイクルタイムはどれほど重要ですか？ 高速サイクルでは、高温箇所にアルミニウムまたは銅のインサートを使用するのが望ましい。
- その部品の大きさはどれくらいですか？ 大型部品は、コストと加工性の面からアルミニウムが好まれる。
- 予算は何が許されますか? 答えによって対象となるグループが絞り込まれ、同じ答えから具体的な学年が導き出される。
試作・ブリッジ用治具と量産用治具は異なる投資であり、それぞれ個別に指定する必要があることに注意してください。設計検証のために構築された治具は、必ずしも長期間運用されることを想定して構築された治具とは限りません。
部品品質を左右するプラスチック金型設計のポイント
これらは金型内部の設計上の決定事項であり、部品の出来栄えを左右する最も重要な要素です。それぞれについて、正しく行うべきポイント、成形部品にとってなぜ重要なのか、そして具体的に何を指定すべきかを説明します。
壁の厚さと形状の比率
部品の形状が許す限り、壁面は均一であるべきです。壁面が不均一だと、厚い部分は薄い部分よりも冷却速度が遅く、収縮時に部品の形状が崩れるため、ヒケ、反り、内部応力、寸法精度の誤差が生じます。
リブやボス壁などの二次的な形状は、ヒケを防ぐため、隣接する壁の厚さの約40～60パーセント程度に抑えるのが一般的です。推奨される壁厚の範囲は樹脂によって異なり、例えばABS樹脂は約0.045～0.140インチ、ポリカーボネートは約0.040～0.150インチとされています。そのため、選択したグレードの推奨範囲と部品の厚さを比較してください。
厚みが過剰な箇所は、中空部分をくり抜いて厚みを増すのではなく、リブやガセットを用いて補強する。これにより、強度を維持しつつ、沈下や冷却の不均衡を軽減できる。
抜き勾配と突き出し角度
金型開口部の方向に平行なすべての面には抜き勾配が必要です。一般的な目安としては、キャビティ深さ1インチあたり約1度ですが、表面に凹凸がある場合はさらに抜き勾配が必要になります。軽い凹凸であれば3度以上、より深い凹凸であればさらに抜き勾配が必要になります。
抜き勾配は、射出力、擦り傷、そして後々反りやカールとして現れる内部応力に直接影響します。部品全体で抜き勾配を一定に保つことが重要です。ある部分で抜き勾配がつけられている面が、別の部分でほぼ垂直になっていると、射出時に引っかかり、跡が残ります。
ゲート、ランナー、充填バランス
ゲートの種類、サイズ、位置は、充填性、充填状態、およびゲートマークの視認性に影響します。ゲートが小さすぎると、流れが制限され、射出圧力が高くなります。また、表面の化粧面上にゲートを配置すると、許容できないマークが残る場合があります。
複数のキャビティを持つレイアウトでは、すべてのキャビティが同時に同じ圧力で充填されるように、供給量を調整する必要があります。これを誤ると、ゲート付近で過剰充填が発生したり、遠方のキャビティで射出不足が生じたり、構造的に負荷のかかる領域で溶着線が発生したりします。
冷却チャネルの設計とサイクルタイム
冷却は通常、サイクルタイムの大部分を占めます。チャネルの直径、間隔、およびキャビティ表面からの距離によって、部品から熱が放出される速度が決まります。チャネルが表面から遠すぎると冷却が遅くなり、近すぎると冷却ムラや応力が発生する可能性があります。
深層コアでは、直線状の掘削チャネルでは届かない領域まで冷却するために、バッフル付き冷却またはコンフォーマル冷却を使用します。冷却の不均一性は、反りや寸法ずれの主な原因となるため、冷却設計は速度だけでなく品質にも大きく影響します。
収縮、公差、反り制御
収縮代はキャビティに適用され、樹脂の種類、方向、壁の断面形状によって異なります。プラスチック成形部品の公差は、機械加工部品の図面をそのままコピーするのではなく、成形プロセスに即した現実的な値にする必要があります。CNC加工部品で一般的な公差は、キャビティ全体にわたって成形が許容できる範囲を超えている可能性があります。
反りは通常、冷却と成形方向の問題です。後から公差を厳しくするのではなく、冷却バランスやゲート位置など、プラスチック金型の設計段階で対処する必要があります。
通気と表面仕上げ
溶融物の前方に空気が閉じ込められると、焼け、射出不足、射出圧力の上昇を引き起こします。ベントは、パーティングラインと充填終了時、つまり空気が最後に排出される場所に設置する必要があります。
部品に指定された表面仕上げは、キャビティの研磨またはテクスチャ加工に相当します。テクスチャ加工された表面は抜き勾配の要件を変更するため、金型切削後にテクスチャを追加するのではなく、テクスチャと抜き勾配を同時に指定してください。
プラスチック型を作る際によくある間違い
これらの不具合は複数のプロジェクトで繰り返し発生します。ツール開発を開始する前に、それぞれの不具合を自社の計画と照らし合わせて検証しておく価値があります。
抜き勾配や肉厚の均一性を考慮せずに部品を設計すると、プレス機の調整では修正できないヒケ、反り、射出不良などの損傷が発生します。この問題を解決するには、キャビティ形状を描く前に、製造性を考慮した設計レビューを実施する必要があります。
成形量と樹脂量が確定する前に金型材料を選定してしまうと、過剰設計でコストがかさむ金型になるか、設計不足で生産途中で摩耗してしまう金型になってしまう。正しい方法は、まず成形量と樹脂量を確定し、それから材料の種類を選択することである。
複雑な部品の充填解析や冷却解析を省略すると、充填バランスの崩れ、ショートショット、反りといった問題が試作段階で初めて発覚し、変更コストが高額になる。この問題を解決するには、設計を機械加工に回す前に金型流動解析を実施する必要がある。
機械加工部品の公差を成形部品に指定してしまうと、金型自体は正しくても、成形工程で許容できない公差のために部品が不良品として扱われてしまう。解決策は、その樹脂と形状に対して成形で実現可能な範囲を反映した公差を設定することである。
冷却水の水質管理を怠ると、腐食や配管の詰まりが発生し、冷却サイクルが遅くなり、最終的にはカビの発生も止まります。対策としては、水をほぼ中性に保ち、塩素系殺菌剤の使用を避け、異種金属を隔離することです。
最初の試作を最終目標としてしまうと、プラスチック金型が安定する前に成形されてしまい、後になって生産上の問題が表面化する。修正方法は、初回品検査でキャビティ全体にわたって安定したサイクルで合格するまで、調整と再試作を繰り返すことである。
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プラスチック金型製作に関するよくある質問
プラスチックの型を作るのにどれくらい時間がかかりますか？
スケジュールは単一の数値ではなく、工程ごとに決まります。シンプルな金型は、側面動作のある金型や厳しい外観要件のある金型よりも早く完成します。また、加工後の試行錯誤の繰り返しによって、さらに時間がかかります。金型製作開始前に部品設計と樹脂を確定することで、スケジュールを最も短縮できます。
プラスチック金型の価格を左右する要因は何ですか？
主なコスト要因は、キャビティ数、部品のサイズと複雑さ、アンダーカットとサイドアクション、表面仕上げと質感、金型材料、および公差要件です。金型費用は生産期間にわたって償却される一回限りの投資であるため、最も安価な金型が必ずしも総コストが最も低いとは限りません。
型にはいくつの空洞が必要ですか？
キャビティ数は、年間生産量、プレス機の能力、金型コストと部品単価を比較して決定されます。少量生産の場合や、多キャビティ金型を導入する前に設計を検証する場合、単キャビティ金型が適切な出発点となることがよくあります。
試作金型を量産に使用できますか？
限られた量、そして金型が想定している樹脂と公差であれば可能です。しかし、試作用に作られた金型は、本格的な量産に必要な硬度、冷却性能、キャビテーション性能を備えていない可能性があります。金型を適切な量で製作するためには、事前に想定量を指定してください。
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プラスチック成形用の金型には、アルミニウムと鋼鉄のどちらを選ぶべきでしょうか？
アルミニウムは、サイクルタイムの短縮、金型コストの削減、少量から中量生産に適しています。一方、鋼は、大量生産、研磨性樹脂、厳しい公差に適しています。最初に材料を決めるのではなく、生産量と樹脂の種類を考慮して決定してください。
