射出成形
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射出成形（米国表記：Injection mold）は、溶融した材料を金型に注入して部品を製造する製造プロセスである。射出成形は、主に金属（このプロセスはダイカストと呼ばれる）、ガラス、エラストマー、菓子、最も一般的な熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーを含む多くの材料で実行できる。部品の材料は、加熱されたバレルに送り込まれ、（らせん状のスクリューを使用して）混合され、金型のキャビティに注入され、そこで冷却されてキャビティの形状に硬化する。[ 1 ]：240 製品が（通常は工業デザイナーまたはエンジニアによって）設計された後、金型メーカー（または工具メーカー）が金属（通常はスチールまたはアルミニウム）から金型を作成し、精密機械加工して目的の部品の特徴を形成します。射出成形は、最小の部品から車のボディパネル全体まで、さまざまな部品の製造に広く使用されています。一部の低温熱可塑性プラスチックの射出成形中に溶融しない フォトポリマーを使用する3D 印刷技術の進歩により、いくつかの単純な射出成形金型に使用できるようになりました。
射出成形では、射出ユニット、金型、クランプの3つの部分からなる専用機械を使用します。射出成形される部品は、成形プロセスを円滑に進めるために、非常に慎重に設計する必要があります。部品に使用する材料、部品に求められる形状と特性、金型の材質、そして成形機の特性など、あらゆる要素を考慮する必要があります。射出成形の汎用性は、こうした幅広い設計上の考慮事項と可能性によって実現されます。
アプリケーション
射出成形は、ワイヤースプール、包装材、ボトルキャップ、自動車部品、玩具、ポケットコーム、一部の楽器（およびその部品）、一体型の椅子や小型テーブル、収納容器、機械部品（ギアを含む）、そして今日入手可能なほとんどのプラスチック製品など、様々な製品の製造に利用されています。射出成形は、プラスチック部品を製造する最も一般的な現代的な方法であり、同一製品を大量生産するのに最適です。[ 2 ]
プロセス特性
射出成形では、ラムまたはスクリュータイプのプランジャーを用いて溶融プラスチックまたはゴム材料を金型キャビティに押し込み、金型の輪郭に沿った形状に固化させます。この成形法は熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーの両方の加工に最も一般的に用いられますが、熱可塑性ポリマーの使用量の方がかなり多くなっています。[ 3 ]：1～3 熱可塑性プラスチックは、リサイクルの容易さ、幅広い用途への汎用性、[ 3 ]：8～9 、加熱により軟化して流動する能力など、射出成形に非常に適した特性から広く使用されています。また、熱可塑性プラスチックには熱硬化性ポリマーに比べて安全性が高いという側面もあります。熱硬化性ポリマーが射出バレルから適切なタイミングで排出されない場合、化学架橋が起こり、スクリューバルブやチェックバルブが固着して射出成形機が損傷する可能性があります。[ 3 ]：3
射出成形は、高圧下で原料を金型に注入することで、ポリマーを目的の形状に成形する技術です。[ 3 ] : 14 金型には、単一キャビティまたは複数キャビティのものがあります。複数キャビティの金型では、各キャビティは同一で同じ部品を成形することも、それぞれ異なっていて単一サイクルで複数の異なる形状を成形することもできます。金型は一般に工具鋼で作られますが、ステンレス鋼やアルミニウム製の金型も特定の用途に適しています。アルミニウム製の金型は、機械的特性が劣り、射出成形や型締めサイクル中に摩耗、損傷、変形しやすいため、大量生産や寸法公差の狭い部品には適していません。ただし、少量生産の用途では、金型製造コストと時間が大幅に削減されるため、アルミニウム製の金型の方が費用対効果が高くなります。[ 1 ]多くのスチール製金型は、その寿命中に100万個を優に超える部品を加工するように設計されており、製造には数十万ドルの費用がかかることがあります。
熱可塑性プラスチックを成形する場合、通常はペレット化した原料がホッパーから往復スクリュー付きの加熱されたバレルに投入されます。バレルに入ると温度が上昇し、高熱エネルギー状態では分子間の空間が広がるため、個々の鎖の相対的な流れに抵抗するファンデルワールス力が弱まります。このプロセスによって粘度が低下し、射出装置の駆動力でポリマーが流れるようになります。スクリューは原料を前方に送り、ポリマーの熱および粘性分布を混合して均一化し、材料を機械的にせん断してポリマーにかなりの量の摩擦熱を加えることで、必要な加熱時間を短縮します。材料はチェックバルブを通って前方に送り込まれ、スクリューの前面でショットと呼ばれる容積に集まります。ショットとは、金型キャビティを充填し、収縮を補正し、スクリューから金型キャビティへ圧力を伝達するためのクッション（全ショット量の約10%で、バレル内に留まり、スクリューの底付きを防ぐ）として機能する材料の量です。十分な量の材料が集まると、材料は高圧・高速で部品成形キャビティに押し込まれます。収縮の正確な量は使用する樹脂によって決まりますが、比較的予測可能です。[ 4 ]圧力の急上昇を防ぐため、このプロセスでは通常、キャビティの充填率が95～98%のトランスファー位置を使用し、スクリューは定速度制御から定圧力制御に移行します。射出時間は多くの場合1秒を大幅に下回ります。スクリューがトランスファー位置に到達すると、保圧圧力が加えられ、金型充填が完了し、熱可塑性樹脂の熱収縮が補正されます。熱収縮は他の多くの材料に比べて熱可塑性樹脂では非常に大きいため、この熱収縮が補正されます。保圧圧力はゲート（キャビティ入口）が固化するまで適用されます。ゲートはサイズが小さいため、通常は最初に厚み全体が固化する場所です。[ 3 ]：16 ゲートが固化すると、それ以上の材料はキャビティ内に入り込めなくなります。そのため、スクリューが往復運動して次のサイクルのための材料を獲得すると同時に、金型内の材料は冷却され、射出成形されて寸法が安定します。この冷却時間は、外部温度制御装置から水または油を循環させる冷却ラインを使用することで大幅に短縮されます。必要な温度に達すると、金型が開き、ピン、スリーブ、ストリッパーなどの一連の部品が前方に駆動されて製品が取り出されます。その後、金型が閉じ、このプロセスが繰り返されます。
2ショット成形では、2つの異なる材料を1つの部品に成形します。このタイプの射出成形は、ノブに柔らかな感触を与えたり、製品に複数の色彩を施したり、複数の性能特性を持つ部品を製造したりするために使用されます。[ 5 ]
熱硬化性樹脂の場合、通常 2 つの異なる化学成分がバレルに注入されます。これらの成分は直ちに不可逆な化学反応を開始し、最終的に材料を架橋して単一の分子ネットワークを形成します。化学反応が起こると、2 つの流体成分は永久的に粘弾性固体に変化します。[ 3 ] : 3 射出バレルとスクリュー内での固化は問題となりやすく、経済的にも影響が出る可能性があります。そのため、バレル内での熱硬化性樹脂の硬化を最小限に抑えることが重要です。これは通常、射出ユニット内での化学前駆体の滞留時間と温度を最小限に抑えることを意味します。バレルの容積を最小化し、サイクル時間を最大化することで、滞留時間を短縮できます。これらの要因により、反応する化学物質を熱的に分離された高温の金型に注入する、熱的に分離されたコールド射出ユニットが使用されるようになりました。これにより化学反応の速度が上がり、固化した熱硬化性樹脂部品を得るのに必要な時間が短縮されます。部品が固化すると、バルブが閉じて射出システムと化学原料が遮断され、金型が開いて成形部品が排出されます。その後、金型が閉じられ、このプロセスが繰り返されます。
金型を開いた状態で、予め成形された部品または機械加工された部品をキャビティ内に挿入することで、次のサイクルで注入される材料がそれらの周囲に成形・固化します。このプロセスはインサート成形と呼ばれ、1つの部品に複数の材料を組み込むことができます。このプロセスは、金属ネジが突き出ているプラスチック部品の製造によく使用され、繰り返し締め付けたり緩めたりすることができます。この技術はインモールドラベルにも使用でき、成形されたプラスチック容器にフィルム製の蓋を取り付けることもできます。
最終部品には、パーティングライン、スプルー、ゲートマーク、エジェクタピンマークが通常存在します。[ 3 ] : 98これらの特徴 はいずれも通常は望ましくありませんが、プロセスの性質上避けられません。ゲートマークは、溶融樹脂供給チャネル (スプルーとランナー) を部品成形キャビティに結合するゲートで発生します。パーティングラインとエジェクタピンマークは、微細な位置ずれ、摩耗、ガス抜き、相対的に移動する隣接部品のクリアランス、および/または射出ポリマーと接触する溶融表面の寸法差によって生じます。寸法差は、射出中の不均一な圧力誘起変形、機械加工公差、およびプロセスの射出、保圧、冷却、および突出しの各段階で急速なサイクルを経験する金型部品の不均一な熱膨張と収縮に起因する可能性があります。金型部品は、多くの場合、さまざまな熱膨張係数の材料を使用して設計されます。これらの要因を同時に考慮することは、設計、製造、加工、そして品質管理のコストを天文学的な額にまで増大させることになります。熟練した金型・部品設計者は、可能であれば、これらの美観を損なう要素を目立たない場所に配置します。
高度なハイブリッド射出成形技術
織物強化熱可塑性複合材料は、ガラス、炭素繊維、天然繊維などの織物で作られた複合材料を熱可塑性ポリマーマトリックスに埋め込んだものです。高い剛性と強度が求められる産業において、金属に代わる軽量な代替材料として注目されています。これらの複合材料は通常、プリプレグを作製し、その後最終製品を成形するという2段階のプロセスで製造されます。射出成形プロセスの進歩により、これらの複合材料は1段階のプロセスで製造できるようになりました。
射出成形と他の技術を組み合わせたハイブリッドアプローチもあります。ハイブリッドアプローチはプロセスの柔軟性を高め、ひいては複合材料の機械的特性を最適化することができます。一部の複合材料では、ベースポリマーマトリックスと比較して引張強度が4.18倍に向上します。自動車用途では、このような進歩により、カスタマイズされた特性を持つ部品をより効率的に製造することが可能になります。[ 6 ]
歴史
1834年にイギリスで、ジョセフ・モーガンというピューター職人がろうそくの射出成形に関する特許を申請した。[ 7 ]
1846年、トーマス・ハンコックの親戚であるイギリスの発明家チャールズ・ハンコックが射出成形機の特許を取得しました。[ 8 ]
アメリカの発明家ジョン・ウェズリー・ハイアットは、弟のアイザイアと共に、1872年に世界初の射出成形機の一つの特許を取得しました。 [ 9 ]この機械は、現在使用されている機械に比べると比較的単純なものでした。大きな注射針のように、プランジャーを使って加熱されたシリンダーを通してプラスチックを金型に注入する仕組みでした。この産業は長年にわたりゆっくりと発展し、カラーステイ、ボタン、ヘアコームなどの製品を生産しました（ただし、現代の定義におけるプラスチックは、一般的に 1950年代頃に開発された比較的新しいものです）。
ドイツの化学者アーサー・アイヒェングリュンとセオドア・ベッカーは、1903年にセルロースアセテートの可溶性形態を初めて発明しました。これはセルロース硝酸塩よりもはるかに難燃性でした。[ 10 ]最終的に粉末状で入手可能となり、容易に射出成形できるようになりました。アーサー・アイヒェングリュンは1919年に最初の射出成形機を開発しました。1939年には、可塑化セルロースアセテートの射出成形に関する特許を取得しました。
1940年代には第二次世界大戦により安価な大量生産品の需要が急増し、この業界は急速に拡大した。[ 11 ] 1946年、米国の発明家ジェームズ・ワトソン・ヘンドリーは初のスクリュー射出成形機を製作し、これにより射出速度と製造品の品質をより正確に制御することが可能となった。[ 12 ]この機械では射出前に材料を混合することも可能になったため、着色プラスチックや再生プラスチックをバージン材料に加えて十分に混合してから射出することができた。1970年代には、ヘンドリーは初のガスアシスト射出成形プロセスを開発し、これにより急速に冷却する複雑な中空製品を製造することが可能になった。これにより設計の柔軟性が大幅に向上し、製造部品の強度と仕上がりも向上するとともに、製造時間、コスト、重量、廃棄物が削減された。1979年までにはプラスチックの生産が鉄鋼の生産を上回り、1990年までには射出成形にアルミニウム製の金型が広く使用されるようになった。[ 13 ]今日では、スクリュー射出成形機がすべての射出成形機の大部分を占めている。
プラスチック射出成形業界は、長年にわたり、櫛やボタンの生産から、自動車、医療、航空宇宙、消費財、玩具、配管、包装、建設など、多くの業界向けの幅広い製品の生産へと進化してきました。[ 14 ]：1–2
1979年、フランスでは、サンゴバン・ヴェトロテックス、ビロン、SEVAが新しい熱硬化性樹脂射出成形技術を開発しました。ZMCプロセスは複合材料製造における画期的な進歩です。このプロセスは、ポリマーコンパウンドとスクリュー／プランジャーハイブリッド射出成形機を組み合わせたものです。ZMCプロセスは自動車部門における大規模生産を可能にし、特にリアドアは1日1,000個という高い生産能力を誇りました。また、労働力の削減と表面品質の向上にも貢献しました。[ 15 ]
このプロセスに最適なポリマーの例
樹脂と呼ばれることもあるほとんどのポリマーを使用でき、これには全ての熱可塑性プラスチック、一部の熱硬化性プラスチック、一部のエラストマーが含まれます。[ 16 ] 1995 年以降、射出成形に使用できる材料の総数は年間 750 種類の割合で増加しており、その傾向が始まったときには約 18,000 種類の材料が利用可能でした。[ 17 ] 使用可能な材料には、以前に開発された材料の合金または混合物が含まれるため、製品設計者は、膨大な選択肢の中から最適な特性セットを持つ材料を選択できます。材料を選択する際の主な基準は、最終部品に必要な強度と機能、およびコストですが、各材料には考慮しなければならない成形用の異なるパラメータがあります。[ 14 ] : 6 射出成形材料を選択する際のその他の考慮事項には、曲げ弾性率、つまり材料を損傷なく曲げることができる程度、熱たわみ、吸水性などがあります。[ 18 ]エポキシやフェノールなどの一般的なポリマーは熱硬化性プラスチックの例であり、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレンは熱可塑性プラスチックです。[ 1 ] : 242 比較的最近まで、プラスチック製のスプリングは実現不可能でしたが、ポリマー特性の進歩により、現在ではかなり実用化されています。用途としては、屋外用機器のウェビングを固定したり外したりするためのバックルなどがあります。
持続可能性の側面
プラスチックは持続可能とは考えられていませんが、プロセス改善、材料管理、設計戦略といった効率的なステップは、製造工程において持続可能であることが証明されています。一部の企業は、自動リグラインドシステムをプロセスに導入する取り組みを始めています。これらのシステムは、スクラップ材を回収・リサイクルし、プロセスに大きな変更を加えることなく成形プレス機に再投入することができます。企業は、埋め立て廃棄物を、使用材料の1%未満にまで削減することに成功しています。[ 19 ]
電気式やハイブリッド式の機械を含む最新の射出成形機へのアップグレードにより、エネルギー消費量が削減され、従来の機械に比べて生産量が20％増加します。[ 20 ]
冷却システムにろ過システムを追加すると、処理された水を冷却塔にリサイクルできるようになり、水、水の消費量、環境への影響を最小限に抑えることができます。
重要な要素は材料の選択です。部品を設計する際には、モノマテリアルを使用することでアセンブリ全体をリサイクルできるため、汚染の問題が軽減され、使用済み製品の処理が簡素化されます。
装置
射出成形機は、材料ホッパー、射出ラムまたはスクリュー型プランジャー、および加熱ユニットで構成されています。[ 1 ] : 240 プラテンとも呼ばれ、部品が成形される金型を保持します。プレス機はトン数で評価され、これは機械が発揮できる型締め力の量を表します。この力は、射出工程中に金型を閉じた状態に保っています。[ 21 ]トン数は 5 トン未満から 9,000 トンを超えるまで変化しますが、比較的少数の製造操作で高い数値が使用されています。必要な合計型締め力は、成形される部品の投影面積によって決まります。この投影面積には、投影面積の 1 平方センチメートルあたり 1.8 から 7.2トンの型締め力が掛けられます。経験則として、ほとんどの製品で 4 または 5 トン/平方インチを使用できます。プラスチック材料が非常に硬い場合、金型を充填するためにはより高い射出圧力が必要となり、金型を閉じた状態に保つためにはより大きな型締力が必要になります。[ 14 ] : 43–44 必要な力は、使用する材料と部品のサイズによっても決まります。部品が大きいほど、より高い型締力が必要になります。[ 16 ]
型
金型またはダイは、成形においてプラスチック部品を製造するために使用されるツールを表すために使用される一般的な用語です。
金型は製造コストが高いため、通常は数千個の部品が製造される大量生産にのみ使用されていました。一般的な金型は、硬化鋼、プリハードン鋼、アルミニウム、および/またはベリリウム銅合金で作られています。[ 22 ] : 176 金型の材料の選択は、コストの考慮事項に基づくだけでなく、製品のライフサイクルにも大きく関係しています。一般に、鋼製の金型の製造コストは高くなりますが、摩耗する前に製造される部品の数が多いため、寿命が長いため初期コストの高さを相殺できます。プリハードン鋼の金型は耐摩耗性が低く、少量の要件または大型の部品に使用されます。一般的な鋼の硬度は、ロックウェルCスケールで38〜45です。硬化鋼の金型は機械加工後に熱処理されます。これらは耐摩耗性と寿命の点ではるかに優れています。一般的な硬度は、ロックウェルC（HRC）で50〜60です。アルミニウム製の金型はコストが大幅に削減され、最新のコンピュータ化された設備を用いて設計・加工すれば、数万個、あるいは数十万個の部品を経済的に成形できます。ベリリウム銅は、金型の急速な除熱が必要な部分や、最もせん断熱が発生する部分に使用されます。[ 22 ] : 176 金型は、CNC加工または放電加工によって製造できます。
- サイドプル付き射出成形金型
- 2つのサイドプルを備えた25％ガラス充填アセタール用のダイの「A」側
- 「A」側の取り外し可能なインサートのクローズアップ
- サイドプルアクチュエータを備えたダイの「B」側
- 金型からインサートを取り外した
金型設計
金型は、射出成形金型 (A プレート) とエジェクタ金型 (B プレート) という 2 つの主要部品から構成されます。これらの部品は、モルダーやモールドメーカーとも呼ばれます。プラスチック樹脂は、射出成形金型のスプルーまたはゲートを通って金型に入ります。スプルー ブッシングは、成形機の射出バレルのノズルをしっかりと密閉し、溶融プラスチックがバレルから金型 (キャビティとも呼ばれます) に流れるようにします。[ 14 ] : 141 スプルー ブッシングは、A プレートと B プレートの面に機械加工されたチャネルを通って、溶融プラスチックをキャビティに導きます。これらのチャネルはプラスチックが沿って流れるため、ランナーと呼ばれます。[ 14 ] : 142 溶融プラスチックはランナーを通り、1 つまたは複数の専用ゲートからキャビティ[ 23 ] : 15 形状に入り、目的の部品を形成します。
金型のスプルー、ランナー、キャビティを充填するために必要な樹脂の量を「ショット」と呼びます。金型内に閉じ込められた空気は、金型のパーティングラインに研磨されたエアベント、またはエジェクタピンやスライド（これらを保持する穴よりもわずかに小さい）の周囲から逃げることがあります。閉じ込められた空気が逃げられない場合、流入する材料の圧力によって圧縮され、キャビティの隅に押し込まれ、充填を妨げ、その他の欠陥を引き起こす可能性があります。空気が圧縮されすぎて、周囲のプラスチック材料に発火して燃えてしまうことさえあります。[ 14 ] : 147
成形された部品を金型から取り外すには、金型が開く方向に金型フィーチャが互いに張り出さないようにする必要があります。ただし、リフターと呼ばれるコンポーネントを使用して、金型が開いたときに金型の部品がそのような張り出しの間から移動するように設計されている場合は除きます。
引き抜き方向（コア抜き位置（穴）またはインサートの軸が、金型の開閉時の上下運動と平行）と平行に見える部品の側面[ 23 ] : 406 は、通常、金型から部品を取り外しやすくするために、ドラフトと呼ばれるわずかに角度が付けられています。ドラフトが不十分だと、変形や損傷を引き起こす可能性があります。離型に必要なドラフトは、主にキャビティの深さによって決まります。キャビティが深いほど、必要なドラフトが大きくなります。必要なドラフトを決定する際には、収縮も考慮する必要があります。[ 23 ] : 332 スキンが薄すぎると、成形された部品は冷却中に形成されるコアに収縮してそのコアにくっついてしまう傾向があります。または、キャビティを引き離すときに部品が反り、ねじれ、膨れ、または割れることがあります。[ 14 ] : 47
金型は通常、金型が開いたときに成形品がエジェクタ (B) 側に確実に留まり、ランナーとスプルーを部品とともに (A) 側から引き出すように設計されます。部品は (B) 側から突き出されると自由落下します。トンネル ゲートは、サブマリン ゲートまたはモールド ゲートとも呼ばれ、パーティング ラインまたは金型表面の下に配置されます。金型のパーティング ラインの表面に開口部が機械加工されます。金型から突き出す際に、成形品はランナー システムから (金型によって) 切断されます。[ 23 ] : 288 エジェクタ ピンはノックアウト ピンとも呼ばれ、金型のどちらかの半分 (通常はエジェクタ ハーフ) に配置される円形のピンで、完成した成形品またはランナー システムを金型から押し出します。[ 14 ] : 143 ピン、スリーブ、ストリッパーなどを使用して製品を取り出すと、望ましくない跡や歪みが生じる可能性があるため、金型の設計には注意が必要です。
標準的な冷却方法は、金型プレートに開けられた複数の穴に冷却剤（通常は水）を通し、ホースで接続して連続した経路を形成する方法です。冷却剤は金型（高温のプラスチックから熱を吸収した金型）から熱を吸収し、金型を適切な温度に保ち、プラスチックを最も効率的に固化させます。[ 14 ] : 86
メンテナンスとベントを容易にするため、キャビティとコアはインサートと呼ばれる部品と、インサート、ブロック、またはチェイスブロックと呼ばれるサブアセンブリに分割されます。交換可能なインサートを交換することで、1つの金型で同じ部品の複数のバリエーションを製造することができます。
より複雑な部品は、より複雑な金型を用いて成形されます。これらの金型には、スライドと呼ばれるセクションが設けられ、引出し方向に対して垂直なキャビティ内に移動し、突出した部品形状を形成します。金型が開くと、固定金型側に設けられた固定の「アングルピン」によってスライドがプラスチック部品から引き離されます。これらのピンはスライドのスロットに入り込み、金型の可動側が開く際にスライドを後方に移動します。その後、部品が排出され、金型が閉じます。金型が閉じると、スライドはアングルピンに沿って前方に移動します。[ 14 ]：268
金型は、1回の「ショット」で同じ部品を複数個製造することができます。部品の金型における「型押し」の数は、しばしば誤ってキャビテーションと呼ばれます。型押しが1つの金型は、しばしば単型押し（キャビティ）金型と呼ばれます。[ 24 ] : 398 同じ部品のキャビティが2つ以上ある金型は、通常、多型押し（キャビティ）金型と呼ばれます。（「マルチショット成形」（次のセクションで説明する）と混同しないでください。） [ 24 ] : 262 ボトルキャップなどの非常に生産量の多い金型では、128個以上のキャビティを持つものもあります。
場合によっては、マルチキャビティ金型は、同じ金型で複数の異なる部品を成形します。金型メーカーの中には、すべての部品が関連しているため、このような金型をファミリー金型と呼ぶ人もいます（例：プラスチックモデルキット）。[ 25 ] : 114
一部の金型では、先に成形した部品を再度挿入することで、最初の部品の周囲に新たな樹脂層を形成できます。これはオーバーモールディングと呼ばれることが多いです。このシステムにより、一体型のタイヤやホイールの製造が可能になります。
マイクロ射出成形による高精度で極小の部品の金型は、設計段階で特別な注意が必要です。なぜなら、材料樹脂の反応がフルサイズの部品とは異なり、非常に小さな空間を素早く充填する必要があるため、強いせん断応力を受けるからです。[ 27 ]
マルチショット成形
ツーショット、ダブルショット、またはマルチショット金型は、1回の成形サイクルで「オーバーモールド」するように設計されており、2つ以上の射出ユニットを備えた専用の射出成形機で処理する必要があります。このプロセスは実際には射出成形プロセスを2回行うため、許容される誤差は非常に小さくなります。最初のステップでは、ベースカラーの材料を基本形状に成形し、その中に2回目の射出のためのスペースを設けます。次に、異なる色の2番目の材料をそのスペースに射出成形します。例えば、このプロセスで製造された押しボタンやキーには、摩耗しないマーキングが施されており、頻繁に使用しても判読可能です。[ 14 ] : 174
金型保管
メーカーは、カスタム金型の平均コストが高いため、金型の保護に多大な労力を費やしています。各カスタム金型の寿命を最大限に延ばすため、最適な温度と湿度レベルが維持されています。ゴム射出成形に使用されるようなカスタム金型は、反りを防ぐために温度と湿度が管理された環境で保管されます。
工具材料
工具鋼がよく使用されます。軟鋼、アルミニウム、ニッケル、エポキシ樹脂は、試作や少量生産にのみ適しています。[ 1 ]適切な金型設計と最新の硬質アルミニウム（7075および2024合金）を使用すれば、適切な金型メンテナンスを行うことで、10万回以上の部品寿命を持つ金型を容易に製造できます。[ 28 ]
機械加工
金型は、主に標準機械加工と放電加工という2つの方法で製造されます。従来、標準機械加工は射出成形金型の製造に広く用いられてきました。技術の発展に伴い、 CNC機械加工は、従来の方法よりも短時間で、より複雑な金型をより正確な形状で製造するための主流の手段となりました。
放電加工（EDM）または放電加工法は、金型製造において広く利用されるようになりました。この加工法は、機械加工が難しい形状の成形を可能にするだけでなく、予め硬化させた金型を熱処理なしで成形することを可能にします。従来の穴あけやフライス加工による硬化金型の変更は、通常、金型を軟化させるための焼鈍処理と、その後の再硬化のための熱処理を必要とします。EDMは、通常銅またはグラファイトで作られた成形電極を、パラフィン油（灯油）に浸漬した金型表面に、数時間かけて非常にゆっくりと降ろすというシンプルな加工法です。工具と金型の間に電圧を印加すると、金型表面に電極の逆形状の放電加工が生じます。[ 29 ]
料金
金型に組み込まれるキャビティの数は、成形コストに直接影響します。キャビティの数が少ないほど金型製作にかかる作業が大幅に軽減されるため、キャビティの数を制限することで、射出成形金型の初期製造コストを削減できます。
キャビティ数が成形コストに大きく影響するのと同様に、部品設計の複雑さも重要な要素となります。複雑さは、表面仕上げ、公差要件、内ねじまたは外ねじ、微細なディテール、アンダーカットの数など、多くの要因に反映されます。[ 30 ]
アンダーカットなどの細部、あるいは追加の金型を必要とする特徴は、金型コストを増加させます。金型のコアとキャビティの表面仕上げもコストに影響を与えます。
ゴム射出成形プロセスは、耐久性の高い製品を高収率で生産するため、最も効率的で費用対効果の高い成形方法となっています。正確な温度制御を伴う一貫した加硫プロセスにより、廃棄物を大幅に削減します。
注入プロセス
通常、プラスチック材料はペレットまたは顆粒状に成形され、原材料メーカーから紙袋に入れて送られます。射出成形では、予め乾燥した顆粒状のプラスチックが、強制ラムによってホッパーから加熱されたバレルに供給されます。顆粒はスクリュー式プランジャーによってゆっくりと前進し、プラスチックは加熱されたチャンバーに押し込まれて溶融されます。プランジャーが前進すると、溶融したプラスチックは金型に接するノズルから押し出され、ゲートとランナーシステムを通って金型キャビティに注入されます。金型は冷たいままなので、プラスチックは金型に充填されるとすぐに固まります。[ 1 ]
射出成形サイクル
プラスチック部品の射出成形における一連の動作は、射出成形サイクルと呼ばれます。このサイクルは、金型が閉じた時点で始まり、続いてポリマーが金型キャビティに射出されます。キャビティが充填されると、材料の収縮を補うために保持圧力が維持されます。次のステップでは、スクリューが回転し、次のショットが前側のスクリューに供給されます。これにより、次のショットの準備が整うため、スクリューは後退します。部品が十分に冷却されると、金型が開き、部品が取り出されます。[ 31 ] : 13
科学的成形と伝統的な成形
従来、成形工程における射出成形は、キャビティを充填・充填するために一定圧力で行われていました。しかし、この方法ではサイクルごとに寸法が大きく変動する可能性がありました。現在では、RJG社が開発した科学的成形法、あるいは分離成形法がより一般的に使用されています。 [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]この方法では、プラスチックの射出が段階的に「分離」されるため、部品寸法の制御が向上し、サイクル間（業界ではショットツーショットと呼ばれることが多い）の一貫性が向上します。まず、速度制御を用いてキャビティを約98%充填します。圧力は所望の速度を実現するのに十分な値である必要がありますが、この段階で圧力制限が生じるのは望ましくありません。キャビティが98%充填されると、成形機は速度制御から圧力制御に切り替わり、一定の圧力でキャビティを「充填」します。この段階では、所望の圧力に達するのに十分な速度が必要です。これにより、作業者は部品寸法を1000分の1インチ以内、あるいはそれ以下の精度で制御できます。[ 35 ]
さまざまな種類の射出成形プロセス
ほとんどの射出成形プロセスは上記の従来のプロセスの説明でカバーされていますが、以下に挙げる重要な成形バリエーションがいくつかあります。
射出成形プロセスのより包括的なリストは、以下を参照のこと: [1]
プロセスのトラブルシューティング
他の工業プロセスと同様に、射出成形では、おもちゃであっても欠陥のある部品が製造される可能性があります。射出成形の分野では、欠陥部品に特定の欠陥がないか検査し、金型の設計やプロセス自体の特性を調整することで、トラブルシューティングを行うことがよくあります。欠陥を予測し、射出成形プロセスで使用する適切な仕様を決定するために、本格的な生産を開始する前に試験が行われることがよくあります。[ 3 ] : 180
新しい金型や使い慣れていない金型に初めて充填する場合、その金型のショットサイズが不明なため、技術者/ツールセッターが本格的な生産に入る前に試運転を行うことがあります。ショット重量が少ない状態から始めて、金型が 95% ～ 99% 充填されるまで徐々に充填します。この状態に達したら、少量の保持圧力をかけ、ゲートが固まる (凝固時間) まで保持時間を増やします。ゲートの固まり時間は、保持時間を増やしてから部品の重量を測定することで判定できます。部品の重量に変化がない場合は、ゲートが固まっており、それ以上の材料は部品に注入されていません。ゲートの固まり時間は、サイクルタイム、製品の品質と一貫性を左右するため重要であり、それ自体が生産プロセスの経済性において重要な問題です。[ 36 ]部品のヒケがなくなり、部品の重量に達するまで保持圧力を上げます。
物質的な影響
射出成形は材料の完全性と組成に影響を与える可能性があります。場合によっては、耐衝撃性などの物理的特性にも影響を与える可能性があります。そのため、製品の要件によっては、圧縮成形が有利となる場合があります。繊維強化複合材料は、通常、繊維の劣化や繊維の方向により、射出成形プロセスで悪影響を受けます。射出成形は、リアエンドドアやフロントエンドパネルなどの自動車部品に1980年代から使用されてきましたが、この特定の材料では圧縮成形が検討されています。表面テクスチャに影響を与えるコストを犠牲にして、物理的特性の損失を軽減する技術的戦略があります。
熱硬化性樹脂にガラス繊維、低収縮添加剤、そして様々な樹脂技術を組み合わせることで、衝撃強度と最終的な質感の低下を軽減できることが示唆されています。これらの進歩により、自動車部品が射出成形のみで製造されるようになる可能性が示唆されています。[ 37 ]
成形欠陥
射出成形は複雑な技術であり、製造上の問題が発生する可能性があります。これらの問題は、金型の欠陥、あるいはより一般的には成形プロセス自体によって引き起こされる可能性があります。[ 3 ] : 47–85
| 成形欠陥 | 別名 | 説明 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 水膨れ | 水ぶくれ | 部品の表面の隆起または層状の領域 | ツールまたは材料が熱くなりすぎます。多くの場合、ツール周囲の冷却が不十分であるか、ヒーターが故障していることが原因です。 |
| 火傷跡 | 空気燃焼/ガス燃焼/ディーゼル燃焼/ガス痕/ブロー痕 | ゲートから最も遠い位置にある部品、または空気が閉じ込められている部分に黒または茶色の焦げた部分がある | ツールに通気孔がないので、射出速度が速すぎます。 |
| 色の縞 | 局所的な色の変化 | マスターバッチが適切に混合されていないか、材料がなくなり、天然色のみが出始めています。以前の着色材料がノズルまたはチェックバルブに「引きずり込まれている」可能性があります。 | |
| 汚染 | 不要物または異物 | 製品に異なる色の物質が見られ、製品の強度が低下している | 不適切なリサイクルまたは再粉砕ポリシーによってもたらされた質の悪い材料。床の掃き掃除、ほこり、残骸などが含まれる場合があります。 |
| 剥離 | 薄い雲母のような層が一部の壁に形成された | 材料の汚染（例：PPとABSの混合）は、材料が結合できず、剥離したときに材料の強度が非常に低くなるため、部品が安全性が重要な用途に使用されている場合は非常に危険です。 | |
| フラッシュ | 通常の部品形状を超える薄層内の余分な材料 | 金型の過充填、金型のパーティングラインの損傷、射出速度／材料注入量の過多、型締力不足などが原因です。金型表面の汚れや異物によっても発生することがあります。 | |
| 埋め込まれた汚染物質 | 埋め込まれた微粒子 | 部品に埋め込まれた異物（焼けたものなど） | ツール表面の粒子、バレル内の汚染された材料または異物、または射出前に材料を燃焼させる過度のせん断熱。 |
| フローマーク | フローライン | 方向性のある「オフトーン」の波線またはパターン | 射出速度が遅すぎる (射出中にプラスチックが冷えすぎているため、射出速度は使用するプロセスと材料に応じてできるだけ速く設定する必要があります)。 |
| ゲートブラッシュ | ハローマークまたは赤みマーク | ゲート周囲の円形パターン。通常はホットランナー金型 でのみ問題となる。 | 射出速度が速すぎる、ゲート/スプルー/ランナーのサイズが小さすぎる、または溶融/金型温度が低すぎる。 |
| ジェッティング | ジェッティングは、ポリマー溶融物が制限領域を高速で通過するときに発生する蛇のような流れです。 | 金型設計、ゲート位置、ランナーの不具合。射出速度の設定が高すぎる。ゲートの設計が不良で、ダイスウェルが小さくなり、ジェッティングが発生する。 | |
| ニットライン | 溶接ライン | コアピンの裏側や部品の窓に、線のように見える小さな線がある。 | プラスチック部品において、突出した物体の周囲をメルトフロントが流れることで発生する現象、および充填終了時にメルトフロントが再び合流することで発生します。金型設計段階でモールドフロー解析を実施することで、この欠陥を最小限に抑える、あるいは完全に排除することができます。金型が完成し、ゲートが設置された後は、メルトと金型温度を変更することでのみ、この欠陥を最小限に抑えることができます。 |
| ポリマーの劣化 | 加水分解、酸化など によるポリマーの分解 | 顆粒内の水分が多すぎる、バレル内の温度が高すぎる、スクリュー速度が速すぎて高せん断熱が発生している、材料がバレル内に長時間放置されている、再粉砕材が多すぎる。 | |
| ヒケ | シンク | 局所的な窪み（厚い部分） | 保持時間／圧力が低すぎる、冷却時間が短すぎる、スプルーレスホットランナーの場合はゲート温度が高すぎることが原因となることもあります。材料が多すぎる、または壁が厚すぎる。 |
| ショートショット | ショートフィル、ノンフィル、またはショートモールド | 部分的な部分 | 材料不足、射出速度または圧力が低すぎる、金型が冷たすぎる、ガス抜きが不足している。 |
| スプレーマーク | スプラッシュマークまたは銀色の縞 | 通常は、流れのパターンに沿った銀色の縞として現れますが、物質の種類と色によっては、閉じ込められた水分によって生じた小さな気泡として現れることもあります。 | 材料中の水分（通常は吸湿性樹脂の乾燥が不十分な場合）。リブ領域における射出速度が速すぎるためにガスが閉じ込められる。材料の温度が高すぎる、またはせん断が強すぎる。 |
| 糸引き | ストリングまたはロングゲート | 前のショットの糸のような残りが新しいショットに転写される | ノズル温度が高すぎます。ゲートが固化していない、スクリューの減圧が不十分、スプルーの破損が見られない、金型内のヒーターバンドの配置が適切でない。 |
| ボイド | 部品内の空きスペース（エアポケットがよく使用されます） | 保持圧力の不足 (保持圧力は、保持時間中にパーツを詰めるために使用されます)。 充填が速すぎて、パーツのエッジがセットアップされない。 また、金型の位置がずれている可能性もあります (2 つの半分が正しく中心に配置されず、パーツの壁の厚さが同じでない場合)。 提供された情報は共通の理解です。 訂正: パック (保持ではない) 圧力の不足 (パック圧力は、保持時間中にパーツがあっても詰めるために使用されます)。 充填が速すぎてこの状態になることはありません。ボイドは発生する場所がなかったシンクです。 つまり、パーツが収縮すると、キャビティ内に十分な樹脂がなかったため、樹脂が分離します。 ボイドはどの領域でも発生する可能性があります。パーツは厚さではなく樹脂の流動性と熱伝導性によって制限されますが、リブやボスなどの厚い領域で発生する可能性が高くなります。 ボイドのその他の根本原因は、メルト プールの未溶融です。 | |
| 溶接ライン | ニットライン / メルドライン / トランスファーライン | 2つのフローフロントが合流する部分の変色した線 | 金型または材料の温度設定が低すぎる（接触時に材料が冷たいため、結合しない）。射出成形から搬送（保圧・保持）への移行時間が早すぎる。 |
| 反り | ねじる | 歪んだ部分 | 冷却が短すぎる、材料が熱すぎる、ツール周辺の冷却が不足している、水温が適切でない (パーツがツールの熱い側に向かって内側に曲がる)、パーツの領域間で収縮が不均一。 |
| ひび割れ | ひび割れ | 2 つの流体の流れが不適切に融合し、溶接ラインが発生する前の状態。 | 穴の過剰（マルチポイント ゲートを用意する）、プロセスの最適化、適切なエア抜きなど、複雑な設計の部品における不適切なゲート位置が原因で部品間にねじ山の隙間が生じます。 |
産業用 CT スキャンなどの方法は、内部だけでなく外部の欠陥を見つけるのに役立ちます。
許容範囲
許容差は部品の寸法によって異なります。例えば、0.125インチの壁厚を持つLDPE部品の1インチ寸法の標準許容差は、+/- 0.008インチ（0.2 mm）です。[ 23 ]：446
電力要件
射出成形プロセスに必要な電力は、多くの要因に依存し、使用する材料によって異なります。製造プロセスリファレンスガイドでは、電力要件は「材料の比重、融点、熱伝導率、部品サイズ、成形速度」に依存するとされています。以下は、前述の同じ参考文献の243ページに掲載されている表で、最も一般的に使用される材料に必要な電力に関連する特性を最もよく示しています。
| 材料 | 比重 | 融点（°F） | 融点（℃） |
|---|---|---|---|
| エポキシ | 1.12から1.24 | 248 | 120 |
| フェノール | 1.34から1.95 | 248 | 120 |
| ナイロン | 1.01から1.15 | 381から509 | 194から265 |
| ポリエチレン | 0.91から0.965 | 230から243 | 110から117 |
| ポリスチレン | 1.04から1.07 | 338 | 170 |
ロボット成形
自動化とは、部品のサイズが小さくなるため、移動式検査システムで複数の部品をより迅速に検査できることを意味します。検査システムを自動装置に搭載するだけでなく、多軸ロボットは金型から部品を取り出し、次の工程に配置することも可能です。[ 38 ]
具体的な例としては、部品が成形された直後に金型から部品を取り出すことや、マシンビジョンシステムの適用などが挙げられます。ロボットは、エジェクタピンが伸長して金型から部品が取り出された後、部品を掴みます。その後、部品は保持場所に移動するか、検査システムに直接移動します。どちらの方法を用いるかは、製品の種類や製造設備のレイアウトによって異なります。ロボットに搭載されたビジョンシステムは、インサート成形部品の品質管理を大幅に向上させました。移動ロボットは、金属部品の配置精度をより正確に判断し、人間よりも速く検査することができます。[ 38 ]
ギャラリー
- レゴ射出成形金型、下側
- レゴ射出成形金型、下側の詳細
- レゴ射出成形金型、上側
- レゴ射出成形金型、上部の詳細
参照
参考文献
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さらに読む
- リンゼイ、ジョン・A. (2012).ゴム射出成形実用ガイド（オンラインオーストラリア版）. 英国シュロップシャー州ショーベリー、シュルーズベリー: スミザーズ・ラプラ. ISBN 978-1847357083。
外部リンク
