3Dプリント金型による少量射出成形の最適化

本記事では、少量射出成形のための金型を3Dプリントで製作する手法について、設計上の考慮事項、材料、金型構成、比較ケーススタディを含めて解説します。

3Dプリント射出成形金型の設計方法

材料選定

3Dプリント材料が射出成形金型の製作に適しているためには、以下の特性が必要です：

• 高耐熱性 - 材料射出時に金型にかかる機械的・熱的負荷に耐えるため、高い熱変形温度が必要です。ただし、凝固中は温度が急速に低下することに注意してください。
• 高剛性・高靭性 - 部品を繰り返し取り出すと金型が摩耗するため、長期間にわたって金型精度を維持するには高剛性材料が必要です。
• 高精細性 - 射出成形金型の主要要件の一つは、高い寸法精度と滑らかな表面です。高精度な金型が高精度な部品を生み出します。

これらの要件を最もよく満たす3Dプリント技術は、SLA（光造形）とマテリアルジェッティングです。これらは高い寸法精度で部品を製作でき、複雑なディテールや極めて微細なフィーチャーの出力に適しています。これらの技術で利用可能な特殊材料（Formlabs High Temperatureレジン、Stratasys Digital ABSなど）は、金型・工具用途に最適です。これら2材料の射出成形に関連する主要特性を以下にまとめます。

産業用途では、卓上SLAは適していません。産業用3Dプリント金型材料として最も一般的なDigital ABSとSomos PerFORMの詳細な比較記事はこちらをご覧ください。

特性	Formlabs High Tempレジン*	Stratasys Digital ABS**
熱変形温度	289℃ @ 0.45 MPa	92〜95℃ @ 0.45 MPa
曲げ弾性率	3.3 GPa	1.7〜2.2 GPa
衝撃強度（ノッチ付きアイゾッド）	14 J/m	65〜80 J/m
最小積層ピッチ（解像度）	25〜50ミクロン	16〜30ミクロン
最小ディテールサイズ	0.2mm	0.2mm

*Formlabs提供情報、**Stratasys提供情報

金型設計

ゲート、ランナー、エアベントなどの具体的な金型フィーチャーの技術的設計は本記事の範囲外です。インターネット検索で豊富な情報が見つかります。シアトルロボティクスのこの記事は、射出成形金型設計の初心者にとって良い出発点となります。

3Dプリント金型を設計する際に守るべき良いプラクティスをいくつか紹介します：

• SLAプリント用に金型を設計する際、金型の内面がサポート材と接触しない向きになるように配置してください。これによりサポート跡が残らず、表面品質が向上し、後処理が最小限で済みます。
• キャビティの端から金型の端まで、浅いエアベント（深さ0.05mm）を設けると、成形時の閉じ込め空気を排出しやすくなります。
• 3Dプリント金型を20ショット以上使用する場合、金属ロッドやチューブを埋め込むためのチャネルを設計に盛り込むことを検討してください。これにより金型を補強し、反りを抑制し、冷却時間を短縮できます。
• 積層ピッチを小さくして金型をプリントすると、積層ラインが目立たなくなり、より滑らかな成形品が得られます。
• エンボスや彫刻のディテールは、表面から少なくとも1mmオフセットして配置してください。

具体的な設計制限は使用する射出成形機によって異なります。ただしStratasysによれば、マテリアルジェッティングプリンターで製作した金型は、最大体積165cm³の部品を、50〜80トンの成形機や手動プレスで成形するのに適しています。

射出成形向け部品設計

従来の射出成形金型と同様に、設計者は以下を考慮すべきです：

• 最低2度のテーパー角を付けて、部品の金型からの脱型を容易にする
• 部品全体で均一な壁厚を維持する
• すべての壁とフィーチャーを可能な限り薄くする
• すべてのエッジとコーナーに丸み（R）を付ける
• 壁厚を増やす代わりに、薄いリブやガセットで強度を確保する

テーパー角の重要性についてはこちらの記事で詳しく解説しています。

フラッシュ（バリ）の低減

フラッシュとは、射出時に金型の2つの半分の間から溢れ出る材料のことです。一般的に、2つの金型半分が完全に密着していない、完全にフラットでない、または金型が過充填されたときに発生します。ランナーは金型設計でフラッシュ発生を抑えるために用いられます。

アルミフレーム向けに設計する場合、金型プレートの裏面に0.125mmの追加厚を設けて圧縮力を吸収し、完全なシールを確保してください。バイスの締め付け力を増やすことでもフラッシュを軽減できます。また、金型の分割面を研磨して可能な限りフラットにすることも有効です。

離型剤

3Dプリント射出成形金型に使用される材料は従来の金型に比べて相対的に脆いため、部品を金型から取り出す際に過度な力を加えると金型が急速に劣化します。射出前に金型キャビティの表面に離型剤を塗布すると、部品の取り出しが大幅に容易になります。

ケーススタディ：プラスチック製モーターフィッティング

このケーススタディでは、モーターハウジング用のカスタムプラスチックフィッティングの製造を比較します。設計要件は以下の通りです：

• 必要部品数：25個
• タイトフィットを確保するため、高い寸法精度が必要
• 部品重量：0.005kg（5グラム）
• 材質：ABS
• 色：黒
• 全体直径：40mm

利用可能な代替製造オプションは以下の通りです：

産業用FDM ABS 3Dプリント： 産業用FDM 3Dプリントは高い再現性を持ち、高い寸法精度で部品を製作でき、小〜中ロットに対応可能です。産業用FDMシステムで使用されるABSフィラメントのコストは通常、kgあたり90〜110ドル程度です。FDM 3Dプリントで製作される部品の主な制約は、異方性の機械的性能です：特定の方向で強度が著しく低下します。したがって、設計者は部品が受ける荷重とプリントプラットフォーム上のモデル配向を十分に理解する必要があります。

SLA 3Dプリント金型によるABS射出成形： 高耐熱SLAレジンは、高精度な機能的射出成形金型を製作でき、少量生産に最適です。SLAレジンの小売価格はリットルあたり150〜170ドル程度です。本例の計算には卓上射出成形機を使用し、3Dプリント金型をアルミサポートフレームに装着しました。成形用ABSペレットのコストは約2〜3ドル/kgです。

従来の射出成形ABS部品： 従来の射出成形部品は非常に高い精度、優れた表面仕上げ、非常に高い再現性を持ちます。主な欠点は初期セットアップコストが高いことと、成形部品の設計に多くの制約（テーパー角、一定壁厚など）が課されることです。ABSペレットのコストは上記と同じです。

オンライン見積もりに基づく、上記技術を用いたABSフィッティング製造コストの概要を以下にまとめます。すべて送料別です。

	産業用FDM*	3DP射出成形**	従来の射出成形***
金型コスト	N/A	$70.85	$1,660.72
部品単価	$3.69	$0.05	$1.89
総コスト	$92.25	$72.10	$1,711.48
リードタイム	4日	2日	8日

* Protolabs Network.com見積もり：ABS、20%インフィル、Fortus 250MCでプリント
** Protolabs Network.com見積もり：Formlabs High Tempレジン、Form 2でプリント
*** Protolabs見積もり

次のステップ：射出成形で部品を製造するには

3Dプリント金型による少量射出成形があなたの用途に最適なソリューションですか？それなら、プロジェクトを前進させる2つの方法があります：

射出成形機と金型設計のノウハウがある場合、耐熱材料で金型を3Dプリントするのが一つの選択肢です。少量射出成形金型の製造に最もよく使われる2つの3Dプリント材料の利点と欠点を論じた記事はこちらです。

それ以外の場合、プロの射出成形メーカーに生産を委託できます。Protolabs Networkは、世界中の射出成形サービスプロバイダーのグローバルネットワークへのアクセスを提供し、あなたの部品の金型設計から、100〜10,000個以上の量産まで対応可能です。

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