少量射出成形のガイド
射出成形は、工具費が高いため、従来は大量生産のみの製造プロセスと見なされていましたが、3D印刷を活用して射出成形金型を製造することで、このプロセスを使用して、プロトタイピングや少量生産用の高品質で再現性のある部品を製造できます。
この包括的なガイドでは、ベンチトップマシンと産業用マシンの両方で3D印刷された射出成形金型を使用して、製品開発を加速し、コストとリードタイムを削減し、より良い製品を市場に投入する数百の機能的なプロトタイプと部品を効率的かつ手頃な価格で製造する方法を学びます。
少量射出成形と従来の射出成形
射出成形は、プラスチックを製造するための主要なプロセスの1つです。これは、大規模な量産用の高品質の部品を生み出す、費用対効果が高く、非常に再現性の高い技術です。その結果、厳しい公差で同一部品を大量生産するために広く使用されています。
射出成形は、金型内に溶融材料を射出するために高い熱と圧力がかかる、高速で集中的なプロセスです。溶融材料は、製造プロジェクトの範囲によって異なります。最も人気のある材料は、ABS、PS、PE、PC、PP、TPUなどのさまざまな熱可塑性プラスチックですが、金属やセラミックも射出成形できます。金型は、射出された溶融材料を収容するキャビティで構成され、成形品の最終的な特徴を厳密に反映するように設計されています。
金型は伝統的にCNC機械加工または放電加工（EDM）によって金属で作られています。これらは、特殊な機器、ハイエンドソフトウェア、および熟練した労働力を必要とする高価な産業手法です。その結果、金型の製造には通常4〜8週間かかり、部品の形状や複雑さに応じて、2,000〜100,000ドル以上の費用がかかります。部品の数量が少ない場合、一般的な金型金属と製造方法から金型を製造するために必要なコスト、時間、特殊な装置、および熟練した労力により、この規模の射出成形が得られないことがよくあります。ただし、金属から金型を機械加工する代わりの方法があります。社内の3D印刷を活用して、プロトタイプ作成と少量生産用の射出成形金型を製造することで、高品質で再現性のある部品を製造しながら、金型に比べてコストと時間を大幅に削減します。
このビデオでは、射出成形サービスプロバイダーのMultiplusと提携して、3Dプリント金型を使用した射出成形プロセスの手順を説明します。 。
デスクトップ3D印刷は、射出成形金型を迅速かつ低コストで製造するための強力なソリューションです。必要な機器は非常に限られており、CNCの時間と、その間に他の高価値のタスクに熟練したオペレーターを節約できます。製造業者は、社内の3D印刷の速度と柔軟性を利用して金型を作成し、射出成形の生産力と組み合わせて、一般的な熱可塑性プラスチックから一連のユニットを数日で納品できます。従来の製造では困難だった複雑な金型形状を実現でき、デスクトップと工業用成形機の両方で使用できるため、開発チームはより革新的になります。さらに、製品開発は、ハードツーリングに投資する前に、設計を繰り返し、最終用途の材料をテストする機能の恩恵を受けます。
3D印刷金型は、適切に使用すればこれらの利点を提供できますが、注意すべきいくつかの制限があります。 3D印刷ポリマーの型から、機械加工された金属の型と同じ性能を期待するべきではありません。プラスチックでは熱伝達が遅くなるため、限界寸法を満たすのが難しく、冷却時間が長くなり、印刷された金型は熱と圧力の下で壊れやすくなります。ただし、業界全体の企業は、3D印刷された金型を短期間の射出成形ワークフローに実装し続けており、数百から数千の部品を迅速に製造できるようになっています。最終用途の材料を使用した機能的なプロトタイプの設計、パイロット生産中の部品の製造、または少量またはカスタムの最終用途部品の製造から、3D印刷射出成形金型は、限られた量の部品を製造するための費用効果が高く迅速な方法です。
>ステレオリソグラフィー（SLA）3D印刷技術は、成形に最適です。滑らかな表面仕上げと高精度が特徴で、金型が最終部品に移動し、離型も容易になります。ステレオリソグラフィーによって生成された3Dプリントは、完全に緻密で等方性になるように化学結合されており、溶融堆積モデリング（FDM）3Dプリントでは不可能な品質で機能的な金型を生成します。 Formlabsが提供するようなデスクトップSLAプリンターは、実装、操作、保守が簡単なため、射出成形ワークフローにシームレスに統合できます。
金属モールドシェルで組み立てられた3Dプリント射出成形コア。
約500〜10,000個の部品の中量生産の代替手段として、アルミニウムから金型を機械加工することで、金型の製造に関連する固定費を削減することもできます。アルミニウムの機械加工は鋼の5〜10倍速く、工具の摩耗が少ないため、リードタイムが短く、コストが低くなります。また、アルミニウムは鋼よりも熱を速く伝導するため、冷却チャネルの必要性が少なくなり、製造業者は短いサイクルタイムを維持しながら金型設計を簡素化できます。
要約すると、ここでは、生産量に応じて最も効率的なプロセスと最小の部品あたりのコストをもたらすさまざまな射出成形方法と金型タイプの概要を示します。
| 少量射出成形 | 中量射出成形 | 大量射出成形 | |
|---|---|---|---|
| 自社での金型製作と自社での成形 | 金型の製造と成形を外部委託 | 金型の製造と成形を外部委託 | |
| 3Dプリンター、デスクトップ射出成形機 | - | - | |
| 3Dプリントポリマー | 機械加工されたアルミニウム | 機械加工鋼 | |
| <$ 100 | $ 2,000- $ 5,000 | $ 10,000- $ 100,000 | |
| 1〜3日 | 3〜4週間 | 4〜8週間 | |
| <500 | 500-10,000 | 5,000+ | |
| ラピッドプロトタイピング カスタム射出成形 短期射出成形 | ショートラン射出成形 | 大量生産 |
射出プレスのタイプは、少量の射出成形のプロセスに大きな影響を与えません。従来の大型工業用射出成形機は、3Dプリントされた射出成形機でも使用できます。ただし、これらの機械は高価であり、厳しい設備要件があり、熟練した労働力を必要とします。その結果、ほとんどの企業は中量および大量生産をサービスプロバイダーや契約製造業者に外注しています。
射出成形に不慣れで、限られた投資でテストすることを検討している場合は、HolipressやGalombModel-B100などのベンチトップ手動射出成形機を使用することをお勧めします。デスクトップマシンMicromolderや油圧マシンBabyplast10 / 12などの自動化された小規模射出成形装置は、小さな部品の中型生産の優れた代替手段です。
射出成形の総コストを構成するさまざまな要因について知りたいですか？包括的なガイドをお読みください。
白書3Dプリント金型による少量の急速射出成形
射出成形プロセスで3D印刷された金型を使用してコストとリードタイムを削減し、Braskem、Holimaker、およびNovusアプリケーションの実際のケーススタディを確認するためのガイドラインについては、ホワイトペーパーをダウンロードしてください。
ホワイトペーパーを読む少量射出成形のステップバイステップワークフロー
少量射出成形のワークフローには、次の7つのステップが含まれます。
1。金型設計
選択したCADソフトウェアで部品の金型を設計します。アディティブマニュファクチャリングおよび射出成形金型設計の一般的な設計ルールを順守してください。ポリマー3D印刷された金型に固有の設計上の推奨事項は、ホワイトペーパーに記載されています。
デザインをPreForm、Formlabs印刷準備ソフトウェアにアップロードします。印刷物を準備して、Formlabs3Dプリンターに送信します。
2。金型3D印刷
3D印刷材料を選択して、印刷を開始します。層の高さが50ミクロンの硬質10K樹脂は、高強度、剛性、および熱抵抗を兼ね備えているため、ほとんどの金型設計に最適です。
可能であれば、反りを減らすために、サポートなしでビルドプラットフォームに直接金型を平らに印刷することをお勧めします。
洗浄と後硬化の後、3Dプリントされた金型を射出成形プロセスに統合する準備が整います。
3。金型アセンブリ
組み立てる前に、ハンドサンディング、デスクトップ、またはCNC機械加工で、重要な寸法に合うように金型を仕上げることを選択できます。
高圧に耐え、印刷された金型の寿命を延ばすために、印刷された金型を標準の金属フレームまたはマスターユニットダイの中に配置することをお勧めします。金属フレーム内に3Dプリントされた金型を慎重に組み立てます。必要に応じて、エジェクタピン、インサート、サイドアクションパーツ、およびその他のコンポーネントを追加します。
組み立てた金型を射出成形機に取り付けます。
4。型締
プラスチックペレットを挿入し、必要な設定を入力して、生産を開始します。特に印刷された金型が金属フレームで保護されていない場合は、より低い型締力をお勧めします。
TPE、PP、PE、ABS、POM、ASA、PA、PC、TPUなどの3D印刷された金型には、さまざまな熱可塑性プラスチックを注入できます。
5。注射
部品の形状、プラスチックの選択、射出温度と圧力、その他のパラメータなど、多くの要因が関係しているため、理想的なプロセス条件を特定するのに数ショットかかる場合があります。
射出圧力と温度を可能な限り下げてください。
Formlabsのユーザーは、通常、1つの印刷された金型で、250°Cまでの温度のTPE、PP、PEなどの加工が容易なプラスチックに数百の部品を射出します。 PAやPCなど、より高い射出温度を必要とするプラスチックでは、3Dプリントされた金型の寿命が短くなる可能性があります。
デスクトップと工業用射出成形機の両方でのテスト結果を確認するには、プロセス条件のドキュメントをお読みください。
6。冷却
プラスチックでは金属よりも熱転写が遅いため、ポリマー印刷された金型の冷却時間は金型の冷却時間よりも長くなります。そのため、通常、印刷された金型に冷却チャネルを追加することはお勧めしません。
代わりに、圧縮空気を適用して金型を冷却するか、交換可能なスタックを使用することで、冷却を加速できます。
7。離型
エジェクタピンを使用して、手動または自動で部品を離型します。高粘度の熱可塑性プラスチックには離型剤を塗布します。モールドリリースは広く入手可能であり、SlideやSprayon製品などのシリコーンモールドリリースはFormlabs樹脂と互換性があります。
少量射出成形アプリケーション
少量射出成形の3つの主要な用途は、ラピッドプロトタイピング、短期射出成形、およびオンデマンドまたはカスタム射出成形です。
射出成形によるラピッドプロトタイピング
ラピッドプロトタイピングは、企業がアイデアを現実的な概念実証に変え、これらの概念を最終製品のように見えて機能する忠実度の高いプロトタイプに進め、一連の検証段階を通じて製品を大量生産に導くのに役立ちます。
一般に、3D印刷は、ラピッドプロトタイプを作成するための最も一般的な方法です。ただし、開発プロセスの後の段階では、最終部品と同じ材料と製造プロセスを使用して、わずかに大量の同一のプロトタイプを製造する必要があることがよくあります。これらのプロトタイプは、ベータテストやフィールドテストなどのアプリケーションに使用できます。 3D印刷された金型と射出成形を組み合わせることで、メーカーは機能的なプロトタイプを迅速かつ効率的に開発し、製品開発プロセスをスピードアップできます。
たとえば、フランスのスタートアップHolimakerは、手動射出成形機を開発しました。これにより、エンジニアや製品設計者は、プロトタイプ、パイロット生産、または限られた一連の最終用途部品のために、デスクトップ上のプラスチック部品を少量処理できます。
同社は、3D印刷された金型を使用して、顧客に実現可能性調査を提供し、迅速で手頃な価格の納期を実現しています。これにより、クライアントは、新製品の導入のパイロット生産段階で、設計を迅速かつ手頃な価格でプロトタイプ化し、最終的な製造条件を検証できます。
これらのサッカーアイゼンの試作プロトタイプは、POM（180°C）、PA 6.6（270°C）、PP（210°C）の3つの異なる熱可塑性プラスチックを使用して3Dプリントされた金型に射出成形されました。
金型の設計や材料を含む同じ製造方法を使用することにより、これらの部品を現場でテストし、設計を大規模に製造する準備ができていることを確認できます。 3D印刷された金型設計は、大量生産時に工具グレードの鋼に簡単に適合させることができます。
Holimakerは、3D印刷された金型を使用して、射出成形プロセスの金型を製造するためのリードタイムを24時間に短縮し、現在のプロジェクトの80％から90％で3D印刷された射出金型を使用しています。
短期射出成形
短期射出成形は、限られた量でしか生産されない製品の最終用途部品のより小さなシリーズを製造する手段、またはベンチャーに多額の資本を投入する前に市場をテストするための製品のパイロットシリーズを製造する手段を製造業者に提供します。
少量の射出成形を使用すると、従来の射出成形に伴う高い固定費をかけずに、正確で再現性のある最終用途の部品を製造する機会が得られます。
Multiplusは、深センに拠点を置く射出成形ソリューションプロバイダーであり、プラスチック製品の設計から製造までの生産サイクル全体をカバーし、フォーチュン500企業を含む年間250を超えるクライアントにサービスを提供しています。これらのクライアントの中には、少量のバッチ生産を必要とするものがあります。これは、ハードツーリングの製造が複雑なため、射出成形では従来は費用と時間がかかります。
3Dプリントされた射出成形金型を使用して射出成形されたばかりのABSコントロールボックスハウジング。
少量生産の需要が高まり始めたため、Multiplusは3D印刷に目を向け、さまざまな材料を調査して、少量の注文やパイロット生産でより安価なプラスチック金型を製造するための費用効果の高い方法を見つけようとしました。 Formlabs 3Dプリンターを使用して少量の射出成形金型を製造すると、アルミニウム金型の機械加工に比べてコスト、労力、時間が削減され、Babyplastの工業用射出成形機でシームレスに使用できます。
オンデマンドまたはカスタム射出成形
カスタムまたは迅速なオンデマンド射出成形は、人的要因、用途、または機会などの特定の目的のために、多くの場合迅速なタイムラインでカスタマイズされた最終用途部品を製造するために必要になる場合があります。限られた量および/または短いリードタイムは、ハードツーリングを使用した従来の射出成形が効率的でも実行可能でもないことを意味します。このような場合、3D印刷された金型を使用した少量の射出成形は、プロセスをスピードアップしてカスタムパーツを提供するための理想的なソリューションです。
世界をリードする石油化学企業の1つであるBraskemの例は、3Dプリント成形を使用してオンデマンドで迅速な注文を処理するケースを強調しています。 COVID-19パンデミックの最初の波の間、同社は世界中の労働力を保護するために何千ものマスクストラップを製造する必要がありました。 Braskemは、部品を製造するための理想的な方法として射出成形を特定しましたが、3D印刷を利用できなければ、高価な金型を外部委託する必要があり、チームの費用と貴重な時間がかかりました。
Braskemは、3D印刷された金型を従来の工業用射出成形機と組み合わせて使用し、マスクストラップを迅速に射出成形しました。
Braskemのチームは、Formlabs Form 3 3Dプリンターを使用してストラップの金型を印刷し、全電気式のCincinnati Milacron 110 TonRoboshot射出成形機を使用してストラップを開発する射出成形に目を向けました。
チームは3D印刷を活用して、VPのメールを受信し、世界中のオフィスに出荷する準備をしてから1週間以内に何千ものストラップを製造していました。
少量射出成形の開始
3D印刷と少量の射出成形を開発プロセスに組み込むことで、製品開発を加速し、コストとリードタイムを削減し、より優れた製品を市場に投入します。
3Dプリント