ポリウレタン鋳造のマスター：優れた試作のための設計インサイト

3ERPのポリウレタン鋳造サービスを利用すれば、射出成形よりもはるかに低コストで少量のプラスチック部品を製造できます。これらの高品質な試作品は優れた表面仕上げを持ち、将来的な量産成形部品への道筋となります。

しかし、多くの製品設計者はポリウレタン鋳造に不慣れであり、マスターパターンの製作とプラスチック鋳造の双方において独自の設計考慮事項が必要です。ポリウレタン鋳造部品の設計は射出成形部品の設計とは異なるため、設計者はCAD設計に着手する前にプロセスを理解しておく必要があります。

本記事では、ポリウレタン鋳造の設計方法について解説します。フィーチャー設計のアドバイス、一般的な公差、ポリウレタン鋳造設計と射出成形設計の違いについて説明します。

ポリウレタン鋳造とは？

別名バキューム鋳造とも呼ばれ、最大25個までのロットに適した試作および少量生産技術です。ウレタン鋳造は同一プロセスの別称です。

ポリウレタン鋳造プロセスは主に3つのステップで構成されます：マスターの製作、シリコン型の製作、鋳造品の製作。

1. マスター：CNC加工やSLA 3Dプリントなどのプロセスを用いて、部品のポジティブなマスターパターンを作成します。あるいは、シリコン硬化工程で40℃に耐えられるほぼすべての固体材料で作られた既存部品をパターンとして使用することも可能です。
2. 型：鋳造箱の半分に液体シリコンを注ぎ、中央にパターンを配置します。低温でオーブン内で16時間硬化させ、型の前半分を作ります。次に残り半分を液体シリコンで満たし、同様に硬化させて後半分を作ります。型の半分を取り外し、パターンを今後の使用のために保管します。
3. 鋳造：柔軟なシリコン型にポリウレタン鋳造用樹脂を注ぎ、型内で固化させ、元のマスターと同一の固体形状を得ます。シリコン型は約25回使用可能で、その後は交換が必要です。

ポリウレタン鋳造は、シリコン型が金属金型に比べて非常に安価に製作できるため、貴重な製造技術です。約25回の鋳造で寿命が来ますが、小型プラスチック部品の試作には通常十分です。

ポリウレタン樹脂の鋳造は強度のある機能部品には向きませんが、優れた表面仕上げ、多様な色と透明度の選択肢、少量生産での高い経済性といった独自の強みがあります。

マスターパターンの製作

製品設計者がポリウレタン鋳造設計で最初に考慮すべきはマスターパターンです。鋳造パターンの製作に用いられる一般的な技術には、3Dプリント（SLA、PolyJetなど）とCNC加工があります。手作業による彫刻などの伝統的なパターン製作技術も使用可能ですが、コストが高くなります。

3DプリントやCNC加工などのデジタル製造プロセスを使用する場合、設計者は実質的に2つの異なるプロセスの設計制約を同時に考慮する必要があります：パターン製作プロセスと鋳造プロセスです。本記事では主に効果的な鋳造につながる設計のヒントに焦点を当てます（効果的な3DプリントやCNC加工ではなく）。

ポリウレタン用マスターパターンに3Dプリントを使用する利点：

• より高い幾何学的自由度
• CNC加工よりも短時間で製作可能

マスターパターンにCNC加工を使用する利点：

• 3Dプリントより厳しい公差
• 表面仕上げの手間が少ない
• 3Dプリントパターンより長寿命

公差と寸法

ポリウレタン鋳造部品を設計する際、設計者は標準公差と最小/最大寸法を把握しておく必要があります。これらは射出成形とは異なります。

しかし、将来的な射出成形部品の試作としてポリウレタン鋳造を利用する場合、射出成形も可能な設計（テーパー角の導入など）にするのが合理的かもしれません。

• 公差：3ERPでは、寸法が100mm未満の場合は±0.3mmを下限として、±0.3%の精度でポリウレタン部品を製造可能です。
• 収縮：厚肉部は成形時の温度変化により収縮しやすくなります。設計者は約+0.15%の収縮率を見込んで設計すべきです。
• 部品サイズ：ポリウレタン鋳造部品は最大1900 x 900 x 750 mm、最大体積10リットルまで対応可能です。

肉厚

ポリウレタン鋳造の最小肉厚は0.75mmで、適切な型充填には十分ですが、1.5mm以上で最良の結果が得られます。0.75mm未満の肉厚が必要な場合はご相談ください。

射出成形と同様に、均一な肉厚は温度による変形を減らすため好ましい結果をもたらします。ただし、肉厚の変化は射出成形ほど悪影響を与えません。

テーパー角（ドラフト）

ポリウレタン鋳造の利点の一つは、シリコン型の柔軟性です。型が柔軟なため、完成したポリウレタン部品は射出成形のようにエジェクタピンを必要とせず、容易に型から取り出せます。したがって、射出成形のように離型のためのテーパー角（ドラフト）は必須ではありません。

ただし、最大5°のわずかなテーパー角を設けると、シリコン型の寿命をわずかに延ばせるため、完全に直線的な側面を必要としない中量生産ではテーパー角が有利です。また、これにより生産拡大時の射出成形への移行も容易になります。

フィレット（R形状）

ポリウレタン部品設計では、鋭い内部コーナーを避け、部品の強度と安定性を最大化すべきです。内部コーナーには3mmのフィレットを推奨します。

CNC加工でマスターパターンを製作する場合、CNC切削工具が円筒形であるため、ポケット加工時に自然と丸みを帯びた内部コーナーが生成されるため、フィレットの追加に最適です。

リブ

ポリウレタン鋳造部品に肉厚を増やさずに剛性を持たせるには、リブを設けて断面二次モーメントを増やします。一般的に、1本の高いリブより複数の短いリブの方が良く、部品が曲がる可能性のある方向に対して適切にリブを配向することが重要です。

リブは大きなコーナーRを持ち、厚みは壁厚の60%未満として収縮とシンクマークを防ぎます。各リブの高さは厚みの3倍未満として破損を防ぎます。

ボス

鋳造ポリウレタン部品には、ファスナーやスレッドインサートを受けるためのボス（小さな突起）を設けられます。これらのボスはガセットや連結リブで補強可能です。

シンクマークを防ぐため、ボスの壁厚は部品の壁厚の60%未満とします（リブと同様）。ボスの基部Rは部品壁厚の25%以上とします。

ネジ穴と貫通穴

ポリウレタン鋳造では貫通穴とネジ穴に対応可能ですが、これらはマスターパターンに直接加えるのではなく、インサートを使用するのが最適です。ただし、これらの複雑なフィーチャーはコストを増加させ、試作では不要な場合もあります。

貫通穴には、シリコン型にドウェルピンを配置します。ネジ穴には、インサート成形で金属製スレッドインサートを組み込むのが最適です。

ジョイント

ポリウレタン鋳造では、複数部品からなるパーツを合わせ面（タング・グルーブジョイント）で構成できます。部品間のジョイントにはわずかな隙間（リビールギャップ）を設けるべきです。

表面フィーチャー

テキストやロゴなどの表面フィーチャーをポリウレタン鋳造部品に組み込めます。一般的にこれらのフィーチャー、特に凹み（彫刻）形状は、3DプリントよりもCNC加工マスターパターンで追加する方がはるかに容易です。

最良の結果を得るには、文字と数字の間隔を1.3mm以上空けるべきです。