耐久性のある金型を3Dプリントで製作するプロフェッショナルガイド

射出成形はプラスチック部品製造で世界最も普及したプロセスです。耐久性のある金属金型を使用し、短時間で数十万個の部品を製造できます。

成形自体は高価ではありません。少なくとも材料を金型に射出する工程は高速で、ペレットは安価なプラスチック形態です。しかし、金型自体は高価で、その多くはプレミアムメタルからなり、手動またはCNC加工で製作されます。

プロトタイプや少量生産では、プロ仕様の金型は企業の予算を大きく超えることがあります。ラピッドツーリングで製作される最も安価なアルミニウム金型でさえ、一部のプロジェクトには高すぎます。

射出成形部品を極めて低コストで製造する方法の一つは、金型を3Dプリントすることです。これらのプラスチック金型は長寿命ではなく、量産には到底適しませんが、特定のクイックプロトタイプには十分機能します。

この記事では、射出成形用プラスチック金型を3Dプリントで製作する方法と理由を解説します。

なぜ金型製作に3Dプリントを使うのか？

3Dプリントは金型製作ツールとして広く用いられているわけではありません。一般的にはラピッドプロトタイピングやカスタム部品の少量生産に使用されます。

しかし、厳しい予算で射出成形を行う場合、3Dプリントにはいくつかの可能性があります。積層造形はセットアップコストが最小限で非常に安価であり、金型のような1品ものの製作に適しています。

3Dプリント金型は、最も脆弱な機械加工金属金型よりもはるかに強度と耐久性が劣りますが、特定の材料で作られる特定のプロトタイプには十分です。

大多数のケースでは、3ERPは射出成形金型の製作にCNC加工を推奨しています。

どの業界が金型製作に3Dプリントを利用しているか？

一部の業界では金型製作に3Dプリントを比較的頻繁に利用していますが、射出成形向けではありません。

例えばジュエリー業界では、ステレオリソグラフィー（SLA）3Dプリンターをロストワックス鋳造（インベストメントキャスティング）の補助に使用します。ジュエリーの3Dプリントモデルを作成後、それをポジティブパターンとして金型を製作し、3Dプリントモデルを焼失させて金型のみを残し、そこから金属ジュエリーを製造します。

歯科業界でも同様の方法で3Dプリンターを活用しています。患者の歯の3Dモデルを生成し、その逆モデルを3Dプリントします。このプリントモデルが金型として機能し、医療用の安全な柔らかい材料から患者専用の歯列矯正装置やリテーナーを製作します。

金型製作に最適な3Dプリンターは？

FDM 3Dプリンター（最も一般的なデスクトップタイプ）は金型製作に特に適していません。FDMプリント部品は通常、積層ラインのある粗い表面を持つためです。

金型製作に適した積層造形技術には、マテリアルジェッティング3Dプリントとステレオリソグラフィー3Dプリントがあります。

両技術とも高いディテールと精度、射出工程でのスムーズな材料流動を促す良好な表面仕上げを提供します。

金型用3Dプリント可能材料

射出成形用金型には様々な3Dプリント可能プラスチックが使用できます。しかし、溶融プラスチックが射出される際に形状を維持するため、材料は十分な耐熱性を持つ必要があります。

射出プラスチックの融点が高いほど、金型に求められる熱変形温度も高くなります。

マテリアルジェッティングでは、Stratasys Digital ABSが広く使用され、熱変形温度は最大95℃です。Stratasysによれば、この材料は「高低温用スナップフィット部品のラピッドプロトタイピング、マルチマテリアル対応の機能的設計、金型、製造ツール、電気部品などに最適」とのことです。

SLAでは、Formlabs High Temperature Resinが一般的な金型材料です。Formlabsは「クリアと高温レジンの両方で小型機能金型のプリントが可能。高温レジンはより幅広い熱可塑性樹脂の融解温度に対応…高温レジンの比較的高い剛性により、部品取り出し時に金型が変形しない」としています。

3Dプリント金型の設計

3Dプリント金型を設計する際、以下2点を考慮することが重要です：設計が適切にプリントできるか、プリントされた金型が溶融プラスチック射出時に正常に機能するか。

適切なプリントのために：

• サポート構造を金型外側に配置し、金型キャビティから離す。これによりサポート除去による不完全さが成形品に現れない。
• 最高解像度、最小層高でプリントし、曲面の段差効果を低減。
• エアベントを組み込み、空気の巻き込みと気泡を防止。

効果的な成形のために：

• 一定の厚さで薄肉を維持。
• 脱型を容易にするドラフト角を追加。
• R（フィレット）を設け、鋭いエッジやコーナーを排除。

更なる設計ヒントは、ステレオリソグラフィー3Dプリントの設計ヒントと射出成形部品設計ガイドを参照してください。

フレームあり／なし？

3Dプリント金型の寿命を延ばす良い方法は、アルミニウムフレームを使用することです。プリントされた金型を金属フレーム内に配置し、射出成形機のノズルから発生する圧力と熱から脆弱なプラスチック金型を保護します。

金型がアルミニウムフレーム内にぴったり収まるため、繰り返し射出による歪みからも保護されます。またフレームには流路があり、射出ノズルとプリント金型のスプルーを接続するため、ノズルと金型の直接接触が不要になります。

アルミニウムフレームは内部の3Dプリント金型よりはるかに耐久性が高く、1つのフレームで複数の異なる金型を使用でき、それぞれで複数の成形品を製造可能です。

フレームなしでプリント金型を使用することも可能ですが、より多くの3Dプリント材料を必要とし、金型が歪みやすくなります。

代替手法

SLAまたはマテリアルジェッティング3Dプリンターにアクセスできる企業にとって、3Dプリント金型による射出成形は良い選択肢となり得ます。

しかし、少量の成形プラスチック部品はバキュームキャスティングでも製造可能です。バキュームキャスティングは安価なシリコーン金型を使用し、プラスチックプロトタイプを迅速に製作します。3Dプリント金型と同様、シリコーン金型も寿命は短いです。

バキュームキャスティングは極めて滑らかな表面仕上げの成形品が得られるため、場合によってはより好ましい選択肢となります。

3ERPは3Dプリント、射出成形、CNC加工、バキュームキャスティングなどの製造サービスにおいて豊富な経験を持つプロバイダーです。無料見積もりはお問い合わせください。