3D プリント金型を使用した低ラン射出成形の最適化

この記事では、3D プリントを使用して低ラン射出成形用の金型をプリントする方法について説明します。設計上の考慮事項、材料、金型構成、および比較ケーススタディがすべて含まれています

3D プリント射出成形金型を設計する方法

材料

3D プリント材料は、以下の条件を満たしている場合、射出成形金型の作成に適しています。

• 高温耐性 - 材料の射出中に金型にかかる機械的負荷と熱的負荷に耐えるために、高い熱たわみ温度が必要です。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。
• 高い剛性/靭性 - 部品の取り外しを繰り返すと金型が摩耗する可能性があるため、金型の精度を長期間維持するには高剛性の材料が必要です。
• 高レベルの詳細 - 射出成形金型の主な要件の 1 つは、高い寸法精度と滑らかな表面です。高精度の金型により、高精度の部品が製造されます。

これらの要件を最もよく満たす 3D プリンティング テクノロジーは、SLA とマテリアル ジェッティングです。これらの技術は、高い寸法精度で部品を製造できるため、複雑な細部や非常に微細な形状の印刷に最適です。 Formlabs 高温樹脂や Stratasys Digital ABS など、これらのテクノロジーで利用可能な特殊材料は、成形や工具の用途に最適です。これら 2 つの材料の射出成形に最も関連する特性の概要を以下に示します。

産業用アプリケーションの場合、デスクトップ SLA は適していません。金型製造に最も一般的に使用される 2 つの産業用 3D プリント材料 (Digtal ABS と Somos PerFORM) を比較した詳細な記事は、こちらでご覧いただけます。

プロパティ Formlabs 高温樹脂* Stratasys デジタル ABS*&a; 熱たわみ温度 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IZOD） 14 J/m 65 - 80 J/m 最低層高さ (解像度) 25 - 50 ミクロン 16 - 30 ミクロン最小詳細サイズ 0.2 mm 0.2 mm *Formlabs からの情報提供**Stratasys からの情報提供 デジタル ABS から作られた 3D プリント射出成形金型

金型設計

金型フィーチャー (ゲート、ランナー、通気口など) の特定の技術設計の説明は、この記事の範囲外です。インターネットで検索すると、このテーマに関する大量の情報が見つかります。 Seattle Robotics によるこの投稿は、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。

以下は、3D プリント金型を設計する際に従うべきいくつかの優れた実践例のリストです。

• SLA 印刷用のモールドを設計するときは、サポートが接触しないようにモールドの内面が向いていることを確認してください。これにより、これらの表面にサポート マークが表示されなくなり、必要な後処理が最小限に抑えられるため、表面の品質が向上します。
• キャビティの端から金型の端まで浅い通気孔（深さ 0.05 mm）を設けると、成形プロセス中に閉じ込められた空気を排出しやすくなります。
• 3D プリントした金型を 20 回を超える実行に使用する場合は、金属ロッドまたはチューブを埋め込むためのチャネルを設計に含めることを検討してください。これらは、金型の強化、反りの軽減、冷却時間の短縮に役立ちます。
• 低い層の高さで金型を 3D プリントすると、金型の印刷線が目立たなくなるため、より滑らかな成形部品を製造できます。
• エンボス加工や彫刻の詳細は、表面から少なくとも 1 mm オフセットする必要があります。

設計上の具体的な制限は、使用する射出成形機によって異なります。ただし、Stratasys は、50 ～ 80 トンの成形機または手動ハンド プレスで最大体積 165 cm3 の部品を製造するには、マテリアル ジェッティング プリンタで作成した金型を使用する必要があると提案しています。

射出成形用部品の設計

従来の射出成形金型と同様に、設計者は次の点を考慮する必要があります。

• 金型からのパーツの取り外しを容易にするために、最低 20 度の抜き勾配を追加します。
• パーツ全体にわたって均一な肉厚を維持する
• すべての壁や設備をできるだけ薄くする
• すべてのエッジとコーナーの半径を含みます。
• 肉厚を増やすのではなく、パーツの強度を高めるために薄いリブとガセットを含める

射出成形用の抜き勾配設計

抜き勾配の重要性について詳しくは、この記事をご覧ください →

フラッシュを軽減する

フラッシュは、射出プロセス中に金型の 2 つの半分の間から出てくる材料に付けられた名前です。これは通常、2 つの金型半体が完全に嵌合していない場合、完全に面一で平らではない場合、または金型が過剰に充填されている場合に発生します。ランナーは金型設計で使用され、バリの可能性を軽減します。

アルミニウム フレーム用に設計する場合は、圧縮力を考慮して完全なシールを確保するために、金型プレートの背面に 0.125 mm の厚みを追加します。万力のクランプ力を増やすことも、金型の分割面を研磨して表面をできるだけ平らにするのと同様に、バリを軽減するのに役立ちます。

優れた金型設計と平坦な金型面により、バリが発生する可能性が低減されます。

(画像提供:Formlabs)

化合物を放出

3D プリント射出成形金型で使用される材料は従来の金型に比べて比較的壊れやすい性質があるため、金型から部品を取り外すために過剰な力を加えると、金型が急速に劣化する可能性があります。射出段階の前に金型キャビティの表面に離型剤を塗布すると、部品の取り外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取り付け具

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。設計の要件は次のとおりです。

• パーツの総数は 25 です。
• しっかりとフィットするためには、高レベルの寸法精度が必要です。
• パーツの重量は 0.005 kg (5 グラム) です。
• 部品は ABS で作られている必要があります。
• パーツの色は黒色でなければなりません。
• パーツの全体の直径は 40 mm です。

利用可能な代替製造オプションは次のとおりです。

産業用 FDM ABS 3D プリント: 産業用 FDM 3D プリンティングは再現性が高く、高い寸法精度で部品を製造でき、小から中程度のバッチで部品を印刷できます。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、1 kg あたり約 90 ～ 110 ドルです。 FDM 3D プリンティングで製造される部品の主な制限は、その異方性の機械的性能です。つまり、部品は一方向に著しく弱くなります。これは、設計者がパーツにかかる負荷と、プリント プラットフォーム内でのモデルの向きをよく把握しておく必要があることを意味します。

SLA 3D プリント金型を使用した ABS 部品の射出成形: 高温 SLA 樹脂は、低レベルの生産実行に最適な高レベルの精度で機能的な射出成形金型を製造できます。 SLA 樹脂の小売価格は 1 リットルあたり約 150 ～ 170 ドルです。この例では、ベンチトップ射出成形機が計算に使用され、3D プリントされた金型がアルミニウムのサポート フレームに挿入されました。部品の成形には ABS ペレットが使用され、費用は約 2 ～ 3 ドル

従来の射出成形 ABS パーツ: 従来の射出成形部品は、非常に高いレベルの精度、優れた表面仕上げ、および非常に高いレベルの再現性を備えています。従来の射出成形の主な欠点は、初期設定コストが高いことと、成形品の設計において多くの設計制限が課せられること (抜き勾配、一定の壁厚など) です。 ABS ペレットのコストは上記と同じです。

上記の技術を使用して ABS フィッティングを製造するコストの概要 (オンライン見積もりに基づく) を以下の表にまとめます。すべての価格には送料は含まれておりません。

産業用 FDM* 3DP IM** 従来の IM*** 金型のコスト N/A $70.85 $1660.72 部品あたりのコスト $3.69 $0.05 $1.89 総費用 $92.25 $72.10 $1711.48 リードタイム 4日 2日 8日 *引用元は Protolabs Network.com で、ABS、20% インフィルが Fortus 250MC** に印刷されています。引用元は Protolabs Network.com で、Formlabs High Temp 樹脂を Form2*** に印刷したものです。 Protolabs からの引用

次のステップ:射出成形で部品を製造する方法

3D プリント金型を使用した低ラン射出成形は、貴社のアプリケーションにとって最適なソリューションですか?プロジェクトを進めるには 2 つの方法があります:

射出成形機と金型を設計するノウハウがあれば、金型を 3D プリントします。 耐熱素材もオプションです。少量生産の射出成形金型の製造に最も一般的に使用される 2 つの 3D プリント材料の長所と短所について説明した記事は、こちらでご覧いただけます。

それ以外の場合は専門家に制作を委託することもできます。 射出成形メーカー。 Protolabs Network は、お客様の部品に合わせて金型を設計し、100 個から 10,000 個以上の量を生産できる射出成形サービス 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ます。

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