可融性コア射出成形

ヒュージブルコア射出成形（ロストコア射出成形とも呼ばれる）は、脱型可能なコアでは成形できない内部キャビティやアンダーカットを成形するために使用される特殊なプラスチック射出成形プロセスです。厳密に言えば、「ヒュージブルコア射出成形」という用語は、コア材料として可溶性合金を使用することを指します。コア材料が可溶性プラスチックで作られている場合、このプロセスは可溶性コア射出成形と呼ばれます。このプロセスは、吸気マニホールドやブレーキハウジングなどの自動車部品によく使用されますが、航空宇宙部品、配管部品、自転車の車輪、履物にも使用されます。[ 1 ] [ 2 ]

最も一般的な成形材料は、ガラス繊維強化ナイロン6とナイロン66です。その他の材料としては、非強化ナイロン、ポリフェニレンサルファイド、ガラス繊維強化ポリアリールエーテルケトン（PAEK）、ガラス繊維強化ポリプロピレン（PP）、硬質熱可塑性ウレタン、エラストマー熱可塑性ポリウレタンなどがあります。[ 3 ] [ 4 ]

歴史

このタイプの成形プロセスに関する最初の特許は1968年に取得されましたが、1980年代までほとんど使用されていませんでした。自動車業界がインテークマニホールドの開発にこの技術に注目したのはこの頃です。[ 5 ] [ 6 ]

プロセス

このプロセスは、コアを鋳造または成型する、コアを金型に挿入して金型を射出する、そして最後に成形品を取り外してコアを溶かすという 3 つの主要なステップで構成されます。

コア

まず、成形部品のキャビティ形状に合わせてコアを成形またはダイカストします。コアは、スズ-ビスマス合金などの低融点金属、または可溶性アクリレートなどのポリマーから作ることができます。ポリマーの融点は合金とほぼ同じ275°F（135°C）ですが、合金の比率を調整することで融点を変えることができます。金属コアを使用するもう一つの利点は、複数の小さなコアを鋳造し、それぞれにプラグと穴をあけて組み立てることで、最終的に大きなコアを形成できることです。[ 7 ] [ 8 ]

金属コアを鋳造する際の重要なポイントの一つは、成形品に欠陥を生じさせる可能性があるため、気孔を生じさせないことです。気孔を最小限に抑えるために、金属を重力鋳造するか、成形キャビティを加圧する方法があります。また、成形キャビティが充填される際に鋳造金型をゆっくりと揺らし、気泡を「振り出す」方法もあります。[ 9 ]

金属コアは、様々な低融点合金から作ることができますが、最も一般的なのはビスマス58%とスズ42%の混合物で、ナイロン66の成形に使用されます。この合金が使用される主な理由の一つは、冷却時に膨張するため、金型への充填性が高いことです。その他の合金としては、スズ鉛銀合金やスズ鉛アンチモン合金などがあります。これら3つの合金群では、融点は98～800°F（37～425°C）の範囲となります。[ 3 ]

ポリマーコアは金属コアほど一般的ではなく、通常は単純な内部表面ディテールを必要とする成形品にのみ使用されます。通常、厚さ0.125～0.25インチ（3.2～6.4 mm）の中空断面で、2つの半分に成形され、超音波溶接されます。その最大の利点は、新しいダイカスト装置に投資して使用方法を習得する必要がなく、企業が既に所有する従来の射出成形機で成形できることです。このため、ポリマーコア材料は、金属コアの追加費用を正当化できない少量生産に最も適しています。残念ながら、コアに使用される金属合金ほどリサイクル性が高くありません。これは、リサイクル材料に10%の新しい材料を追加する必要があるためです。[ 10 ] [ 11 ]

成形

第二段階では、コアを金型に挿入します。単純な金型であれば、コアを挿入して型を閉じるだけの簡単な作業です。しかし、より複雑な金型では、プログラムされたロボットに複数のステップが必要になります。例えば、複雑な金型の中には、コアと噛み合う従来のサイドプルを複数備えているものがあり、これによりコアの剛性を高め、コアの質量を軽減することができます。コアが装填され、プレス機が閉じられた後、プラスチックが射出されます。[ 8 ]

メルトアウト

最終段階では、成形部品とコアの両方が型から取り出され、コアが成形品から溶かされます。これは、熱浴、誘導加熱、またはその両方の組み合わせによって行われます。熱浴では通常、グリコールまたはフェノールベースの液体であるルートロンで満たされた浴槽が使用されます。浴槽の温度はコア合金の融点よりわずかに高くなりますが、成形品を損傷するほど高くはありません。典型的な商業用途では、部品は頭上コンベアを介して熱浴に浸されます。熱浴を使用する利点は、誘導加熱よりも簡単で、熱硬化性成形品の硬化に役立つことです。欠点は、サイクル時間が60～90分と経済的に遅いことと、環境浄化の問題を引き起こすことです。通常、熱浴溶液は1年ごと、または誘導加熱と組み合わせて使用​​する場合は半年ごとに洗浄または交換する必要があります。[ 10 ]

熱可塑性成形品では、コア金属の誘導加熱が必要です。そうしないと、高温槽からの長時間の熱によってコア金属が変形する可能性があります。誘導加熱により、溶融時間は1～3分に短縮されます。欠点は、誘導加熱ではコア材料がすべて除去されないため、その後、高温槽で仕上げるか、ブラシで除去する必要があることです。もう1つの欠点は、誘導コイルを部品から1～4インチ（25～102 mm）離す必要があるため、成形品ごとに誘導コイルを特注する必要があることです。最後に、誘導加熱システムは、真鍮または鋼のインサートがある成形品には使用できません。誘導加熱プロセスによってインサートが破壊または酸化される可能性があるためです。[ 12 ]

複雑な部品の場合、どちらの溶解工程でも中子液をすべて排出することが困難な場合があります。これを克服するために、部品を最大1時間回転させます。中子液は加熱槽の底に溜まり、新しい中子の製造に使用できます。[ 12 ]

装置

従来の横型射出成形機は1980年代半ばから使用されてきたが、100～200ポンド（45～91kg）のコアのローディングとアンローディングは困難なため、ロボットが2台必要となる。また、サイクルタイムも約28秒と非常に長い。この問題は、回転式またはシャトルアクション式の射出成形機を使用することで解決できる。これらのタイプの機械では、コアのローディングとアンローディングにロボットが1台しか必要なく、サイクルタイムは30％短縮される。しかし、これらのタイプの機械は横型機よりも約35％高価で、より多くのスペースを必要とし、2つの底型（サイクル中に1つが機械内にあり、もう1つはアンローディングされ、新しいコアがローディングされるため）が必要になるため、金型コストが約40％増加する。小型部品の場合、コアの重量が回転式射出成形機を使用するほど重くないため、横型射出成形機が依然として使用されている。[ 13 ]

4気筒マニホールドの場合は500トンのプレスが必要であり、6～8気筒マニホールドの場合は600～800トンのプレスが必要である。[ 13 ]

メリットとデメリット

このプロセスの最大の利点は、二次加工を必要とせず、非常に複雑な内部形状を持つ一体型の射出成形品を製造できることです。同様の形状の製品は通常、アルミニウム鋳物で作られますが、アルミニウム鋳物は同等の成形品よりも45%から75%重量が重くなることがあります。また、この金型は化学的腐食や摩耗がないため、金属鋳造金型よりも長寿命です。その他の利点としては、以下のものが挙げられます。[ 4 ]

  • 接合部や溶接による弱い部分がなく、表面品質が非常に良好です。
  • 高い寸法精度と構造的完全性
  • 二次的な作業が少ないため、労働集約的ではない
  • 無駄が少ない
  • インサートを組み込むことができます

このプロセスの大きな欠点は、高コストと開発期間の長さです。自動車部品の開発には4年かかる場合があり、試作段階で2年、生産開始までに2年かかります。すべての製品がこれほどの期間を要するわけではありません。例えば、ジョンソンコントロールズ社が製造した双方向バルブはわずか18ヶ月で完成しました。4気筒エンジンマニホールドの製造には、初期コストが800万ドルにも上る場合があります。しかし、コンピューターによるフロー解析によって、リードタイムとコストの削減が実現しました。[ 1 ] [ 14 ]

開発期間の長期化とコスト高によって生じる困難の1つは、高精度のコアを繰り返し製造することです。コアは金型の不可欠な部分であり、基本的に毎回新しい金型キャビティに射出されるため、これは非常に重要です。もう1つの困難は、プラスチックを金型に射出する際にコアが溶けないようにすることです。プラスチックの融点はコア材料の約2倍であるためです。3つ目の困難は、コアの強度が低いことです。中空のプラスチックコアは、射出するプラスチックに過度の圧力をかけると潰れる可能性があります。金属コア（融点が低い）は固体であるため潰れることはありませんが、強度は鋼鉄コアの10%しかないため、変形する可能性があります。これは特にマニホールドを成形する際に問題となります。コアの波状はランナー内の空気の流れに悪影響を与える可能性があるからです。 [ 7 ]

もう一つの欠点は、射出成形機、鋳造機、溶解装置、ロボットなどを収容するための広いスペースが必要になることである。[ 4 ]

これらの欠点のため、このプロセスで製造される成形品の中には、従来の射出成形機で2つ以上の部品を射出成形し、それらを溶接するものがあります。このプロセスはコストが低く、必要な資本もはるかに少ないですが、設計上の制約が多くなります。設計上の制約があるため、両方のプロセスの利点を活かすために、両方のプロセスで部品を製造することもあります。[ 15 ]

応用

ヒュージブルコアプロセスの応用範囲は、熱可塑性プラスチックの射出成形に限定されず、対応するコアアロイを用いることで熱硬化性プラスチック成形材料（デュロプラスト）にも適用できます。ヒュージブルコアプロセスは、例えば乗用車エンジンのインテークマニホールドの射出成形に用いられています。設備を改造することで、ヒュージブルコアと射出成形部品の製造を射出成形機で行うことができるため、バルブやポンプハウジングなどの小型成形部品の製造も可能です。

参照

参考文献

  1. ^ a b Schut 1991、p.1。
  2. ^ Osswald、Turng、Gramann 2007、385ページ。
  3. ^ a b Schut 1991、7ページ。
  4. ^ a b cオズワルド、ターング、グラマン 2007、p. 388.
  5. ^エアハード 2006、283ページ。
  6. ^ GB 1250476、Stevens、ES、「中空製品の成形」、1971年10月20日発行 。
  7. ^ a b Schut 1991、5ページ。
  8. ^ a b Schut 1991、6ページ。
  9. ^ Schut 1991、8ページ。
  10. ^ a b Schut 1991、10ページ。
  11. ^ Schut 1991、9ページ。
  12. ^ a b Schut 1991、11ページ。
  13. ^ a b Schut 1991、4ページ。
  14. ^ Schut 1991、2ページ。
  15. ^ Ogando, Joseph (1997年9月) Lost-core molding: don't count it out yet 、 2009年8月12日閲覧。。

参考文献

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