インサート成形プロセス：完全ガイド

1. インサート成形とは？

インサートとは、金属、ガラス、木材、繊維、紙、ゴム、または成形済みのプラスチック部品など、プラスチックに埋め込まれる部品のことです。最も一般的なインサート材料は金属です。インサート成形とは、まずインサートを射出成形金型内の適切な位置に固定し、次に金型内にプラスチックを射出するプロセスです。金型が開くと、冷却・固化したプラスチックがインサートを包み込み、ねじ山や電極などの形状を持つ部品が製造されます。
インサート成形では、インサートを金型に配置する方法は2つあります。

1) 手動配置

これにより射出成形サイクル時間が大幅に増加し、少量生産や複雑な構造を持つ製品に適しています。

2) 自動配置

これは大量生産に適しており、人的ミスを減らし、効率を向上させ、サイクルタイムを短縮し、製品の信頼性を高めるのに役立ちます。
2. インサート成形の利点と欠点 2.1 インサート成形の利点
1) プラスチックの成形性と弾性、そして金属の剛性、強度、耐熱性を組み合わせることで、製品のサイズと重量を削減しながら、頑丈で複雑な一体型金属プラスチック製品を製造することが可能になります。

2) プラスチックの電気絶縁性と金属の電気伝導性を組み合わせることで、成形部品は電気製品の基本的な機能要件を満たすことができます。また、磁気伝導性、耐摩耗性、締結性などの特殊な要件にも対応できます。

3) プラスチックに金属インサートを追加することで、プラスチック部品の強度を高めることができます。

4) インサート成形は、設計の柔軟性を高め、プラスチック、金属、その他の部品を組み合わせる新たな可能性を生み出します。

5) 熱圧着、溶接、リベット留めなどの二次工程を省略できるため、組み立て時間とコストを削減できる可能性があります。

6) 挿入物は金属に限らず、布、紙、電線、プラスチック、ガラス、木材、コイル、電気部品、成形プラスチック部品なども含まれる。

7) ゴム製シールシート上の硬質成形部品と柔軟な曲面部品については、部品を一体成形して製品にすることで、シールリングの配置という複雑な作業をなくし、その後の自動組み立てを容易にすることができます。

8) 溶融プラスチックが金属インサートと接合するため、金属インサートの周囲のクリアランスを圧入方式よりも小さく設計することができ、製品の信頼性が向上し、振動試験に合格する可能性が高くなります。

9) 適切なプラスチック材料と成形条件を用いることで、ガラス、コイル、電気部品など、変形や損傷を受けやすい部品であっても、プラスチックで密封・固定することができる。

10) 適切な金型設計により、インサートをプラスチックで完全に封入することができる。

11) 垂直射出成形機とロボットおよびインサート配置装置を組み合わせることにより、ほとんどのインサート成形作業を自動化できます。

2.2 インサート成形の欠点

1) インサートの配置は、金型構造をより複雑にし、成形サイクルを長くし、製造コストを増加させ、自動化をより困難にすることが多い。

2) インサートとプラスチックの熱膨張係数が異なるため、完成品に残留応力が発生し、ひび割れが生じる可能性があります。この問題は、ナットインサートの成形時に特に顕著になります。

3) インサートとプラスチックの熱膨張率の違いにより、製品が反ったり変形したりすることもあります。

 

4) インサート、特にナットインサートは、残留応力を低減するために予熱または乾燥する必要がある場合が多い。

5) インサートは金型にしっかりと固定する必要があります。そうでない場合、溶融材料の衝撃により、インサートがずれたり変形したりする可能性があります。

6) インサート成形中に欠陥が発生した場合（例えば、成形不完全、インサートの欠落、インサートの位置間違いなど）、製品全体を廃棄する必要があり、大きな損失につながる可能性があります。

7) インサート成形は、製品のリサイクルと廃棄をより困難にする。
3. インサート成形の応用例
インサート成形は、自動車、医療、電子機器、コネクタなどの業界で広く使用されています。
4. インサート成形の設計ガイドライン
インサート成形を設計する際には、プロセスの特性を十分に考慮し、製造性設計（DFM）の原則に従って設計を行う必要があります。

ガイドラインは次のとおりです。

1) 挿入材の選定。銅、アルミニウム、鋼、硬質異種プラスチック部品、セラミック、ガラス、プラスチックなどが挿入材として使用できます。真鍮は耐腐食性、加工の容易さ、価格の手頃さから一般的に使用されています。

2) 挿入形状。可能な限り円形または軸対称の形状を使用してください。均一な収縮を促進し、局所的な応力や応力集中を防ぐため、鋭角や鋭角は避けてください。

3) インサート自体にDFM（設計製造性）の原則を適用する。金属インサートは機械加工またはプレス加工によって製造されるため、その形状は製造プロセスに適したものでなければならない。

▲ インサート自体のDFM設計

4) 金型内での配置と位置決めを容易にするため、金型内に突き出ているインサートの部分（金型内に位置する部分）は円筒形にする必要があります。これは、金型内で丸い穴を加工する方が容易であるためです。

 

▲インサートの突出部の設計

 

5) インサートには、射出成形時にプラスチックのバリが発生しないように、シーリングショルダーまたは同様の機能を持たせる必要があります。

 

▲インサートショルダーのデザイン

 

6) インサートの下のプラスチックが薄くなりすぎて、外観や強度に影響を与える波状のヒケが発生するのを防ぐため、インサートの底面からプラスチックの壁までの最小距離TはT > D/6である必要があります。

 

▲ インサートと底面との間の距離

 

距離が短すぎる場合は、以下の設計を使用できます。

 

▲均一な壁厚を維持する

 

7) インサートと製品の側壁との間の隙間は小さすぎてはならず、金型が十分な強度を維持できるようにする必要があります。

 

▲インサートと側壁間のクリアランス

 

8) インサートをボスに挿入する際は、プラスチック本体との確実な接合と十分な強度を確保するため、インサートはボスの底部まで（底部の最小厚さを維持しながら）伸びるように挿入する必要があります。インサートの頭部は丸く仕上げてください。

 

▲ボスに挿入

 

9) 小型の円筒形インサートは、中央のスロットまたは表面のダイヤモンドローレット加工によってプラスチック本体に固定できます。ローレット溝の深さは1～2mmにする必要があります。

 

▲ 小さな円筒形のインサートを固定する

 

10）板状またはシート状のインサートは、穴や窓を使って固定できます。薄いインサート（厚さ0.5mm未満）の場合は、切り欠きや曲げ加工が推奨されます。

 

▲ 板状またはシート状のインサートを固定する

 

11) 棒状のインサートは、端を平らにしたり、切り込みを入れたり、曲げたり、割ったりすることによって、または丸棒の中央部分を平らにすることによって固定できます。

 

▲ 棒状インサートの固定（変形端）

 

▲ 管状インサート（変形した中間部）の固定

 

12) プレス加工された管状インサートの場合、保持力を向上させるために、プレス加工中に隆起した膨らみを形成することができる。

 

▲ プレス加工された管状インサート（変形した中間部）の固定

13) コネクタにおいて、端子インサートがプラスチックにしっかりと固定されていることを確認することは、製品設計エンジニアにとって重要な考慮事項です。端子保持力を大幅に向上させる一般的な方法には、次のものがあります。

• プラスチックに埋め込まれた端子に穴を開ける
• 端末に不規則な形状を与える
• 端子を曲げる
• 端子に表面粗さや隆起/凹みなどの特徴を追加する
• プラスチック壁の厚さを増やす

 

▲ 穴、不規則な形状、および曲げ加工が施された端子インサート

5．ナットインサートの設計ガイドライン

ナットインサートは、最も一般的なインサートの一つです。ナットインサートとその対応するプラスチック製ボスは、正しく設計されていなければなりません。そうでなければ、引き抜き力が不十分であったり、ボスに亀裂が生じたりといった品質上の問題が発生する可能性があります。
5.1 ナットの取り付け方法（3種類）

プラスチック部品にナットを埋め込む方法は3つあります。

1) 熱で固めたナッツ

熱圧着は最も一般的な取り付け方法であり、通常は熱圧着機または手動のはんだごてを使用して行われます。

2) インサート成形ナット

この方法では、プラスチックボスの穴径を非常に厳密に制御する必要があり、通常は0.05mm以内の精度が求められます。ナットは成形ピンによって所定の位置に保持され、射出成形金型内に配置されるため、穴径は射出成形機のピンのサイズに合わせて制御する必要があります。

3) 超音波挿入

超音波振動によってナットとワークピースの間に摩擦が生じ、界面の温度が上昇します。温度がワークピースの軟化温度に達すると、ナットはプラスチック部品に埋め込まれます。振動が停止すると、ワークピースは冷却され、圧力下で固化します。それぞれの方法には長所と短所がありますが、この記事ではインサート成形ナットに焦点を当てます。
5.2 インサートナットの外形

インサートナットの外形は、プラスチック材料との強力な機械的嵌合を実現するために特別に設計されています。主な特徴としては、ねじれ抵抗と引き抜き抵抗を最大化するために、ダイヤモンドローレットまたはストレートローレット加工が施されていることが挙げられます。回転を防ぐために、縦方向の溝やアンダーカットが追加される場合もあります。底部には面取りされたガイドがあり、金型や成形済みの穴に容易かつ正確に挿入できます。さらに、上部のフランジまたはカラーが挿入深さを制限し、軸方向のサポートを提供します。一部の設計では、溶融プラスチックがねじ山に溢れるのを防ぐために、シーリングリングが備えられています。これらの幾何学的特徴が一体となって、非常に信頼性が高く耐久性のある接続を実現します。

5.3 インサートナットの仕様例

5.4 プラスチックボス設計とナットの選定
1) ナットとプラスチックボスの基本寸法

• 寸法dはナットの底部であり、ガイド／位置決め部とも呼ばれます。挿入前は、プラスチックボスのセクションCに嵌合します。したがって、位置決めを容易にするため、ナット底部の寸法dはプラスチックボスの内径Cよりも小さくする必要があります。
• 寸法Dはナットの外径であり、プラスチックボスの内径Cに対応します。携帯電話用ナットの場合、プラスチックの内径は一般的にナットの外径より約0.25～0.3mm小さくなっています。
• 寸法Lはナットの長さであり、プラスチックボス部の穴の深さYに対応します。プラスチックの穴は、余分なプラスチックのためのスペースを確保するため、一般的にナットの長さより0.5～1.0mm深く設計されています。
• Wは穴の周囲のプラスチック壁の厚さです。プラスチックボスの壁の厚さは一般的に0.8～1.0mm以上です。ナットが大きいほど壁の厚さは厚くなります。下記のパラメータ表を参照してください。

スレッド	外径D	長さL	プラスチックボス穴		プラスチック壁厚W
			直径C	奥行きY
M1.2 * 0.25	2.3	2.0	2.0	3.0	0.8
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
M1.2 * 0.25	2.5	2.0	2.2	3.0	0.8
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
M1.4 * 0.3	2.3	1.8	2.0	2.8	0.8
		2.0		3.0
		2.5		3.5
		3.0		4.0
M1.4 * 0.3	2.35	2.0	2.1	3.0	0.8
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		4.0		5.0
M1.4 * 0.3	2.5	2.0	2.2	3.0	0.8
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
M1.4 * 0.3	2.7	2.0	2.3	3.0	0.8
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
M1.6 * 0.35	2.5	1.8	2.2	2.8	1.0
		2.0		3.0
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
		4.0		5.0
M1.6 * 0.35	2.7	2.0	2.3	3.0	1.0
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
		4.0		5.0
M1.6 * 0.35	3.0	2.0	2.6	3.0	1.0
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
		4.0		5.0
M1.7 * 0.35	3.0	2.0	2.6	3.0	1.2
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
		4.0		5.0
M1.8 * 0.35	3.0	2.0	2.6	3.0	1.2
		2.5		3.5
		3.0		4.0
		3.5		4.5
		4.0		5.0

5.5一般的な問題と解決策
1) プラスチックボスに開ける穴のサイズは非常に重要です。穴が大きすぎると、埋め込み後にプラスチックがナットに適切に噛み合わず、トルク不足や引き抜き抵抗の低下につながります。穴が小さすぎると、バリやひび割れが発生する可能性があります。

2) ナットの寸法とプラスチックの寸法が正しいにもかかわらず問題が解決しない場合は、設計の改善を検討してください。

 

プラスチックボスが浅いため、二重斜めローレットナットを使用すると、ナットの寸法を調整した後、ローレット部分が短くなってしまう可能性があります。埋め込まれた状態では、ローレットにかみ合うプラスチックの量が少なすぎるため、トルクと引き抜き抵抗が不足します。したがって、プラスチックボスの穴は少なくとも2.5mmの深さ、ナットは少なくとも2.0mmの長さにすることが一般的に推奨されます。
改善策：金型の変更が難しい場合は、右図に示すように、ナットのローレットパターンを単斜BS1パターンに変更することを検討してください。これにより、ローレットの段差の高さと、ローレットに噛み合うプラスチックの量が増加し、トルクと引き抜き抵抗が向上します。

3) プラスチックボスの穴の周囲にバリやひび割れがある

 

左図に示すナット形状の場合、ナットがプラスチックに埋め込まれた後、領域A1とA2が膨張する一方、領域Bは急激に収縮します。そのため、プラスチックが流れにくくなり、ナットの上下端にバリが発生し、製品の外観に深刻な影響を与えます。

改良点：セクションCをガイドおよび位置決め部として使用することで、ナットをプラスチック穴に確実に配置でき、効率と歩留まりが向上します。Cのガイド部により、領域A1に十分なプラスチックを残しつつ、領域A2から一部のプラスチックが押し出されます。さらに、A1とA2のセクションには、90°の挟角と45°の傾斜を持つ斜めのローレット加工が施されています。これらのセクションの交点には、円周方向のトルクに抵抗する強力な結節点が形成され、トルクと引き抜き抵抗が大幅に向上します。