マスター射出成形:基礎、応用、設計のヒント

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このガイドには、射出成形について知っておくべきすべてのことが記載されています。テクノロジーの基本原則をマスターし、時間の節約とコストの削減につながる実用的な設計のヒントをすぐに学びましょう。

パート 1

射出成形の基礎

射出成形とは何ですか?それはどのように機能し、何に使用されますか?

このセクションでは、これらの質問に答え、射出成形部品の一般的な例を示して、技術の基本的な仕組みと応用について理解できるようにします。

射出成形とは何ですか?

射出成形は量産のための製造技術です。 同一のプラスチック部品の組み合わせ 良好な許容誤差を備えています。射出成形では、ポリマー顆粒が最初に溶解され、次に圧力下で金型に射出され、そこで液体プラスチックが冷却されて固化します。射出成形で使用される材料は、着色したり、他の添加剤を充填したりできる熱可塑性ポリマーです。

ほぼ身の回りのすべてのプラスチック部品 自動車部品から電子機器の筐体、キッチン家電に至るまで、射出成形を使用して製造されています。

射出成形はユニットあたりのコストが大幅に低いため、非常に人気があります。 大量に製造する場合 。射出成形により高い再現性が得られます。 優れた設計の柔軟性 。射出成形の主な制限は通常、高額な初期投資という経済的な理由に帰着します。 金型が必要となります。また所要時間も 設計から製造までは時間がかかります (少なくとも 4 週間)。

射出成形プロセス

射出成形は現在、消費者向け製品とエンジニアリング用途の両方に広く使用されています。あなたの身の回りにあるほぼすべてのプラスチック製品は、射出成形を使用して製造されています。これは、 この技術により同一の部品を非常に大量に生産できるためです。 (通常は 1,000 ～ 100,000 ユニット以上) で部品あたりのコストが非常に低いです。 (通常、1 ユニットあたり 1 ～ 5 ドル)。

ただし、 他のテクノロジーと比較すると初期費用がかかります。 射出成形のコストが比較的高いのは、主にカスタム ツールが必要なためです。金型の費用は、その複雑さ、材質 (アルミニウムまたはスチール)、精度 (プロトタイプ、パイロットラン、または本格的な量産金型) に応じて、3,000 ドルから 100,000 ドル以上かかります。

すべての熱可塑性プラスチック材料は射出成形できます。一部の種類のシリコーンおよびその他の熱硬化性樹脂も射出成形プロセスに適合します。射出成形で最も一般的に使用される材料は次のとおりです。

• ポリプロピレン (PP): 世界生産量の約 38%
• ABS: 世界生産量の約 27%
• ポリエチレン (PE): 世界生産量の約 15%
• ポリスチレン (PS): 世界生産量の約 8%

他のすべての製造技術を考慮しても、この 4 つの材料だけで射出成形が 40％ 以上を占めます。 毎年世界中で生産されるすべてのプラスチック部品の割合です!

射出成形の簡単な歴史

象牙に代わるプラスチック

1869 年、ジョン ウェスリー ハイアットは、ビリヤード ボールの製造において象牙に代わる目的で作られた最初の実用的な人工プラスチックであるセルロイドを発明しました。初期の射出成形機は、プラスチックを加熱するためにバレルを使用し、プラスチックを金型に射出するためにプランジャーを使用しました。

革命的な発明

1950 年代半ば、往復スクリューの発明は単独でプラスチック産業に革命をもたらしました。往復スクリューは、以前のシステムが直面していたプラスチックの不均一な加熱に関する重要な問題を解決し、プラスチック部品の大量生産に新たな地平を切り開きました。

今日の射出成形

現在、射出成形は 3,000 億ドルの市場となっています。毎年、世界中で 500 万トン以上のプラスチック部品が射出成形で生産されています。最近、環境上の理由から生分解性素材の需要が高まっています。

射出成形機:どのように動作するのですか?

射出成形機は主に射出ユニットの 3 つの部分で構成されています。 、カビです。 - プロセス全体の中心 - とクランプ/ エジェクター ユニット .

このセクションでは、これらの各システムの目的と、その基本的な動作メカニズムが射出成形プロセスの最終結果にどのように影響するかを検討します。

大型射出成形機が稼働し、3 秒ごとに 72 個のボトル キャップを製造している様子を、こちらのビデオでご覧いただけます。

射出ユニット

射出ユニットの目的は、原料プラスチックを溶かして金型に導くことです。それはホッパーで構成されています。 、バレルです。 、 そして往復ネジです。 .

射出成形プロセスの仕組みは次のとおりです:

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ポリマー顆粒はまず乾燥され、ホッパーに入れられ、そこで着色顔料またはその他の強化添加剤と混合されます。

顆粒はバレルに供給され、そこで同時に加熱、混合され、可変ピッチスクリューによって金型に向かって移動します。スクリューとバレルの形状は、圧力を適切なレベルまで高めて材料を溶かすのに役立つように最適化されています。

その後、ラムが前進し、溶融したプラスチックがランナー システムを通じて金型に射出され、キャビティ全体に充填されます。材料が冷えると再凝固し、型の形状になります。

最後に、金型が開き、固化したパーツがエジェクター ピンによって押し出されます。その後、金型が閉じられ、プロセスが繰り返されます。

プロセス全体は非常に高速に繰り返すことができます。このサイクルには約 30 ～ 90 秒かかります。 パーツのサイズに応じて異なります。

部品が取り出された後、部品はベルトコンベア上または保持コンテナ内に分配されます。通常、射出成形パーツはすぐに使用できる状態にあり、後処理はほとんどまたはまったく必要ありません。

金型の製造

金型は写真のネガのようなものです。その形状と表面テクスチャは射出成形部品に直接転写されます。

通常、射出成形の初期コストの最大部分を占めます。一般的な金型のコストは、単純な形状と比較的小規模な生産（1,000 ～ 10,000 ユニット）の場合、約 2,000 ～ 5,000 ドルから始まり、本格的な製造オーダー（100,000 ユニット以上）向けに最適化された金型の場合は 100,000 ドルに上る場合もあります。

これは、数千（または数十万）の部品を正確に製造できる高品質の金型を設計および製造するには高度な専門知識が必要なためです。

金型は通常 CNC 加工されます アルミニウムまたは工具鋼から作られ、必要な標準に仕上げられます。パーツのマイナス面とは別に、金型への材料の流れを促進するランナー システムや、パーツの冷却を促進し加速する内部水冷チャネルなど、他の機能も備えています。

CNC 加工の詳細については、製造および設計ガイドをご覧ください →

最近の 3D プリント材料の進歩により、少量の射出成形 (部品数 100 個以下) に適した金型を数分の 1 のコストで製造できるようになりました。従来の金型作成のコストが非常に高かったため、このような少量の製品は以前は経済的に実行不可能でした。

※数万点のプラスチック部品を生産するための工業用金型設計。左側はキャビティ、右側はコアを示しています。*

金型の構造

最も単純な金型はストレートプル金型です。それは 2 つの部分で構成されています:空洞 （表側） と芯です。 （裏側）。

ほとんどの場合はストレートプル金型です。 設計と製造が簡単であり、総コストが比較的低く抑えられるため、これらが好まれます。ただし、設計上の制限がいくつかあります。パーツの各側面に 2.D ジオメトリがあり、オーバーハング (つまり、下からサポートされない領域) があってはなりません。

より複雑な形状が必要な場合は、 格納可能なサイドアクションコアを使用します。 または他の挿入が必要です。

サイドアクションコアは、金型に上または下から入る可動要素であり、オーバーハング (キャビティや穴など) のある部品の製造に使用されます。ただし、コストが急速に増加するため、サイドアクションは控えめに使用する必要があります。

興味深い事実: 一般的な射出成形サイクルの約 50% は冷却と固化に当てられます。デザインの厚さを最小限に抑えることが、このステップをスピードアップしてコストを削減する鍵となります。

金型の 2 つの面:A 面と B 面

射出成形部品には 2 つの面があります。A 面はキャビティ (金型の前半) に面し、B 面はコア (金型の後半) に面しています。通常、これら 2 つの側面は異なる目的を果たします。

• A 面 通常、見た目が良くなり、 しばしば美容面と呼ばれます。 。 A 面の面は、デザイン仕様に従って滑らかになるか、テクスチャが施されます。

• B 面 通常、パーツの隠れた (しかし非常に重要な) 構造要素 (ボス、リブ、スナップフィットなど) が含まれています。このため機能面と呼ばれます。 。 B 面には多くの場合、仕上げが粗く、突き出しピンの跡が目立ちます。

金型への材料の射出:ランナー システム

ランナー システム 溶融したプラスチックを金型のキャビティに導くチャネルです。それは流量と圧力を制御します。 これを使用して液体プラスチックをキャビティに注入し、射出後に取り除きます (パチンと外れます)。ランナー システムは通常、次の 3 つの主要なセクションで構成されます。

• スプルー すべての溶融プラスチックが金型に入るときに最初に流れる主要なチャネルです。
• ランナー 金型の 2 つの半分が接する面に沿って溶けたプラスチックを広げ、拍車をゲートに接続します。 1 つまたは複数のランナーがあり、材料を 1 つまたは複数の部品に誘導します。ランナー システムは、突き出し後にパーツから切り離されます。これは射出成形における唯一の材料廃棄物であり、その 15～30% はリサイクルして再利用できます。
• 門 (金型のキャビティへの材料の入口点です。プラスチックの流れを決定するため、その形状と位置は重要です。

さまざまなゲートタイプがさまざまな用途に適しています。射出成形で使用されるゲートは 4 種類あります。

• エッジ ゲート 金型の 2 つの半分のパーティング ラインに材料を射出する、最も一般的なゲート タイプです。ランナー システムは後で手動で取り外す必要があるため、射出位置に小さな欠陥が残ります。
• トンネルゲート パーティングラインの下に材料を注入します。ランナー システムは、部品が金型から取り出されるときにスナップオフするため、手動で取り外す必要がありません。このため、このタイプのゲートは非常に大規模なボリュームに最適です。
• ポストゲート キャビティの裏側から材料を注入し、他のタイプのゲートを破壊したときに残った小さな欠陥を隠します。これらのゲートは、優れた外観が必要な部品に使用されます。
• ホットなヒント 拍車に直接接続され、部品の上面からプラスチックを射出します。この方法では、ランナー システムで材料が無駄にならないため、大規模生産に最適ですが、射出点にディンプルが見えます。

その痕跡

ランナー システムがパーツに接続されている箇所には、通常、痕跡と呼ばれる小さな欠陥が見られます。

美観上、痕跡の存在が望ましくない場合は、パーツの機能的な B 面に痕跡を「隠す」こともできます。

クランプおよびイジェクト システム

射出成形機の向こう側には型締システムがあります。クランプ システムには 2 つの目的があります。射出中は金型の 2 つの部分をしっかりと閉じた状態に保ち、開いた後は金型から部品を押し出します。

部品が取り出された後、部品は保管のためにベルトコンベアまたはバケットの上に落ち、サイクルが再び始まります。

ただし、金型のさまざまな可動部分の位置合わせは決して完璧ではありません。これにより、ほぼすべての射出成形部品に見られる 2 つの一般的な欠陥が発生します。

• パーティング ライン これは、金型の 2 つの半分が接する部分の側面に表示されます。それらは、わずかな位置のずれと、金型のエッジがわずかに丸くなっていることが原因で発生します。

• 射出者 (または目撃者) の跡 これらは部品の隠れた B 面に表示されます。これらは、エジェクタ ピンが金型の表面上にわずかに突き出ているか、金型の表面より下に凹んでいるために発生します。

 下の画像は、リモコンの筐体の両面を製造するために使用される金型を示しています。簡単なクイズ:*コア* (A 側)、*キャビティ* (B 側)、ランナー システムを見つけてください。 、エジェクターピンです。 、サイドアクションの核です。 そして通気口です。

射出成形の利点と制限

射出成形は長い歴史を持つ確立された製造技術ですが、新しい技術の進歩により常に改良され、改善されています。

以下に、射出成形の主な利点と欠点を簡単にまとめます。これは、射出成形がアプリケーションにとって適切なソリューションであるかどうかを理解するのに役立ちます。

射出成形の利点

プラスチックの大量生産

射出成形は、同一のプラスチック部品を大量に製造するための最もコスト競争力の高い技術です。金型が作成され、機械がセットアップされると、追加の部品を非常に迅速かつ低コストで製造できます。

射出成形の推奨最小生産量は 500 個です。この時点で規模の経済が働き始め、比較的高額なツールの初期コストが単価に与える影響はそれほど顕著ではなくなります。

幅広い素材

ほぼすべての熱可塑性材料 (および一部の熱硬化性樹脂やシリコーン) は射出成形できます。これにより、設計に使用できるさまざまな物理的特性を持つ非常に幅広い材料が得られます。

射出成形で製造された部品は非常に優れた物理的特性を持っています。添加剤 (ガラス繊維など) を使用したり、さまざまなペレット (PC/ABS ブレンドなど) を混合したりすることで、その特性を調整して、必要なレベルの強度、剛性、または耐衝撃性を実現できます。

非常に高い生産性

一般的な射出成形サイクルは、部品のサイズと金型の複雑さに応じて 15 ～ 60 秒かかります。比較すると、CNC 加工や 3D プリントでは、同じ形状を作成するのに数分から数時間かかる場合があります。また、1 つの金型に複数の部品を収容できるため、この製造プロセスの生産能力がさらに向上します。

これは、1 時間ごとに数百（または数千）の同一の部品を製造できることを意味します。

優れた再現性と公差

射出成形プロセスは再現性が高く、製造される部品は本質的に同一です。もちろん、時間の経過とともに金型にはある程度の磨耗が発生しますが、一般的なパイロットランのアルミニウム金型は 5,000 ～ 10,000 サイクルに耐えますが、工具鋼で作られた本格的な量産金型は 100,000 以上のサイクルに耐えることができます。

通常、射出成形では公差が ± 0.500 mm (0.020 インチ) の部品が製造されます。特定の状況では、± 0.125 mm (0.005 インチ) までのより厳しい公差も実現可能です。このレベルの精度はほとんどの用途に十分であり、CNC 加工と 3D プリントの両方に匹敵します。

優れた外観

射出成形の主な利点は、追加の仕上げをほとんどまたはまったく必要とせずに完成品を製造できることです。金型の表面を非常に高度に研磨して、鏡のような部品を作成することができます。または、ビードブラストしてテクスチャーのある表面を作成することもできます。 SPI 標準は、達成できる仕上げのレベルを規定します。

仕上げ/材料の互換性に関する推奨事項を確認してください →

射出成形の制限

ツールの初期コストが高い

射出成形の主な経済的制限は、金型のコストが高いことです。形状ごとにカスタム金型を作成する必要があるため、初期コストが非常に高くなります。これらは主に金型の設計と製造に関連しており、通常は 5,000 ドルから 100,000 ドルの費用がかかります。このため、射出成形は 500 ユニットを超える生産の場合にのみ経済的に実行可能です。

設計変更にはコストがかかります

金型の製造後に修正するには非常に費用がかかります。通常、設計を変更するには、新しい金型を一から作成する必要があります。このため、射出成形用の部品を正しく設計することが非常に重要です。

パート 2 では、射出成形の設計時に留意すべき最も重要な設計上の考慮事項をリストします。パート 5 では、部品の物理プロトタイプを作成することでリスクを軽減する方法についても説明します。

他のテクノロジーよりもリードタイムが長い

射出成形の通常の納期は 6 ～ 10 週間です。金型の製造に 4 ～ 6 週間、さらに生産と出荷に 2 ～ 4 週間かかります。設計の変更が必要な場合 (非常に一般的なこと)、所要時間はそれに応じて増加します。

比較すると、デスクトップ 3D プリンタで作成された部品は一晩で納品の準備が整いますが、産業用 3D 印刷システムのリードタイムは通常 3 ～ 5 日です。 CNC 機械加工パーツは通常 10 日以内、最短で 5 日以内に納品されます。

射出成形で作られた製品の例

今、あなたの周りを見回せば、射出成形で製造された製品が少なくともいくつかあるでしょう。おそらく今、あなたが実際に見ているのは、このガイドを読むために使用しているデバイスのケースです。

それらを認識するには、次の 3 つの点に注意してください:パーティング ライン 、証人マーク 隠れた側と比較的均一な肉厚です。 パート全体を通して。

この製造プロセスで何が達成できるのかをより深く理解できるよう、射出成形で一般的に製造される製品の例をいくつか集めました。

おもちゃ

包装

ミニチュア

自動車

電気

ヘルスケア

レゴブロック

レゴ ブロックは、射出成形部品の最もよく知られた例の 1 つです。これらは写真にあるような型を使用して製造されており、稼働を停止するまでに 1 億 2,000 万個のレゴ ブロック (つまり 1,500 万サイクル) が製造されました。

レゴブロックの素材は耐衝撃性が高く、成形性に優れたABSを使用しています。レンガはどれも完璧に設計されており、公差は 10 マイクロメートル (髪の毛の 10 分の 1) までです。

これは、次のセクションで検討するベスト デザイン プラクティス (均一な肉厚、抜き勾配、リブ、エンボス テキストなど) を使用することで部分的に実現されます。

引退したレゴブロックの型

ボトルキャップ

多くのプラスチック包装製品は射出成形されています。実際、パッケージングは射出成形の最大の市場です。

たとえば、ボトルのキャップはポリプロピレンから射出成形されます。ポリプロピレン (PP) は耐薬品性に優れており、食品との接触に適しています。

ボトル キャップには、一般的な射出成形の避けられない欠陥 (パーティング ライン、イジェクター マークなど) や一般的なデザインの特徴 (リブ、剥離アンダーカットなど) も確認できます。

模型飛行機

模型飛行機も射出成形部品の一般的な例です。ここで使用される材料は、低コストで成形が容易なポリスチレン (PS) が主です。

飛行機模型キットの興味深い点は、ランナー システムが取り付けられた状態で提供されることです。したがって、溶けたプラスチックが空の金型に充填されるまでの経路がわかります。

自動車部品

自動車の内部にあるほぼすべてのプラスチック部品は射出成形で作られています。自動車業界で使用される最も一般的な 3 つの射出成形材料は、非重要部品用のポリプロピレン (PP)、優れた耐候性を備えた PVC、および高い衝撃強度を備えた ABS です。

バンパー、ボディ内部部品、ダッシュボードなど、車のプラスチック部品の半分以上がこれらの素材のいずれかで作られています。

家庭用電化製品

ほぼすべての大量生産された家庭用電子機器の筐体は射出成形で作られています。ここでは、耐衝撃性と電気絶縁性に優れている ABS とポリスチレン (PS) が好まれます。

医療機器

多くの滅菌可能で生体適合性のある材料が射出成形に利用可能です。

医療グレードのシリコーンは、医療業界で最も人気のある素材の 1 つです。ただし、シリコンは熱硬化性であるため、特別な機械とプロセス制御が必要となり、コストが増加します。

要件がそれほど厳しくない用途では、ABS、ポリプロピレン (PP)、ポリエチレン (PE) などの他の材料がより一般的です。

医療機器の製造について詳しくはこちら →

パート 2

品質に影響を与える要因はいくつかあります。 最終製品の再現性 プロセスの。プロセスの利点を最大限に引き出すには、設計者は特定の設計ガイドラインに従う必要があります。

このセクションでは、射出成形の一般的な欠陥と基本および高度なガイドラインについて概説します。 コストを最小限に抑えるための推奨事項など、部品を設計する際に従うべき事項。

射出成形の一般的な欠陥

射出成形におけるほとんどの欠陥は、溶融した材料の流れまたは凝固中の不均一な冷却速度に関連しています。

ここでは、射出成形用の部品を設計する際に留意すべき欠陥のリストを示します。次のセクションでは、適切な設計慣行に従って、それぞれの問題を回避する方法を見ていきます。

ワーピング

特定のセクションが他のセクションよりも早く冷える (その結果、収縮する) と、内部応力によりパーツが永久に曲がってしまう可能性があります。

肉厚が一定ではない部品は最も反りやすくなります。

ヒケ

部品の内部が表面より先に固まると、平らな表面にヒケと呼ばれる小さな凹みが現れることがあります。

壁が厚い部品やリブの設計が不十分な部品は、最も沈みやすくなります。

マークをドラッグ

プラスチックが収縮すると、金型に圧力がかかります。取り出し中、パーツの壁が滑って金型に擦れ、引きずり跡が生じる可能性があります。

壁が垂直な (抜き勾配がない) 部品は、引きずり跡が最もつきやすくなります。

ニットライン

2つの流れが合流すると、小さな髪の毛のような変色が生じることがあります。これらの編み線はパーツの美しさに影響しますが、一般にパーツの強度も低下させます。

突然の形状変化や穴のあるパーツは、ニット ラインが発生しやすくなります。

ショートショット

金型内に空気が閉じ込められると、射出時の材料の流れが妨げられ、部品が不完全になる可能性があります。適切な設計により、溶融プラスチックの流動性を向上させることができます。

壁が非常に薄い部品やリブの設計が不十分な部品は、ショート ショットが発生しやすくなります。

アンダーカットの対処

最も単純な金型 (ストレートプル金型) は 2 つの半部分で構成されます。ただし、アンダーカットのあるフィーチャー (ねじの歯やスナップフィットジョイントのフックなど) は、ストレートプル金型では製造できない場合があります。これは、金型を CNC 加工できないか、材料が部品の取り出しの邪魔になっているためです。

射出成形におけるアンダーカットは、金型が開いている間または取り出し中に材料が邪魔になるため、単純な 2 部構成の金型では製造できない部品の特徴です。

ネジの歯やスナップフィット ジョイントのフックは、アンダーカットの例です。

アンダーカットに対処するためのアイデアをいくつか紹介します。

シャットオフを使用してアンダーカットを回避する

アンダーカットを完全に回避することが最善の選択肢である可能性があります。 。アンダーカットがあると、常に金型にコスト、複雑さ、メンテナンス要件が追加されます。多くの場合、賢明な再設計によりアンダーカットを排除できます。

シャットオフは、パーツの内部領域 (スナップフィットの場合) またはパーツの側面 (穴またはハンドルの場合) のアンダーカットに対処するための便利なテクニックです。

以下は、アンダーカットを回避するために射出成形部品を再設計する方法の例です。基本的に、アンダーカットの下の領域で材料が除去され、問題が完全に解消されます。

パーティングラインを移動

アンダーカットに対処する最も簡単な方法は、金型のパーティング ラインを移動してアンダーカットと交差するようにすることです。

このソリューションは、外面にアンダーカットのある多くの設計に適しています。それに応じてドラフト角度を調整することを忘れないでください。

剥離アンダーカット (バンオフ) を使用する

ストリッピング アンダーカット (バンプオフとも呼ばれます) は、 フィーチャーが取り出し中に金型上で変形するのに十分な柔軟性がある場合に使用できます。 。ストリッピング アンダーカットは、ボトルキャップのネジ山を製造するために使用されます。

アンダーカットは、次の条件下でのみ使用できます。

• 剥離アンダーカットは硬化部分から離れた場所に配置する必要があります。 角やリブなど。
• アンダーカットにはリード角が必要です 30 度から 45 度。
• 射出成形パーツにはスペースが必要です そして柔軟性がなければなりません。 拡張したり変形したりするのに十分です。

繊維強化プラスチックで作られた部品のアンダーカットを剥がさないようにすることをお勧めします。一般的には柔軟なプラスチックです。 PP、HDPE、ナイロン (PA) などは、直径の最大 5% のアンダーカットを許容できます。

※アンダーカットを剥がした部品例。部品は金型から押し出される際に変形します。*

スライド サイド アクションとコア

スライド サイド アクションとコアは、アンダーカットを避けるために射出成形パーツを再設計できない場合に使用されます。

サイドアクションコアはインサートです。 型が閉じるときにスライドして入り、型が開く前にスライドして出てきます。これらのメカニズムによりコストと複雑さが増すことに留意してください。

サイド アクションを設計するときは、次のガイドラインに従ってください。

• コアが出入りできるスペースが必要です。 。これは、フィーチャーがパーツの反対側にある必要があることを意味します。
• サイドアクションは垂直に移動する必要があります。 。 90° 以外の角度での移動はより複雑になり、コストと納期が増加します。
• 抜き勾配角度を追加することを忘れないでください。 サイド アクション コアの動きを考慮して、いつものようにデザインに追加します。

一般的なデザイン機能

これらの実践的なガイドラインを使用して、射出成形部品で発生する最も一般的なフィーチャーを設計する方法を学びます。これらを使用して、基本的なデザイン ルールを遵守しながら、デザインの機能を向上させます。

ネジ付きファスナー (ボスとインサート)

射出成形パーツに留め具を追加するには 3 つの方法があります。パーツに直接ネジを設計する方法、ネジを取り付けられるボスを追加する方法、またはネジ付きインサートを組み込む方法です。

パーツ上に直接ねじ山をモデリングします。 可能ですが、ねじ山の歯は本質的にアンダーカットであり、金型の複雑さとコストが大幅に増加するため、お勧めできません (アンダーカットについては後のセクションで詳しく説明します)。ネジを備えた射出成形部品の例としては、ボトルのキャップがあります。

ボス

ボスは射出成形部品で非常に一般的で、 取り付けまたは組み立てのポイントとして使用されます。 。これらは、ネジ、ネジ付きインサート、またはその他のタイプの固定および組み立てハードウェアを受け入れるように設計された穴を備えた円筒状の突起で構成されています。上司とは勝手に閉じていく肋骨と考えると良いでしょう。

ボスは、取り付けまたは固定のポイントとして使用されます（セルフタッピングと組み合わせて）クルーまたはネジ付きインサート)。

＊ボスの推奨デザイン＊

ボスを__締結点__として使用する場合、ボスの外径はねじまたはインサートの呼び径の2倍、内径はねじの芯の直径と等しくなければなりません。組み立てに完全な深さは必要ない場合でも、フィーチャー全体で__均一な壁厚__を維持するために、ボスの穴は底壁レベルまで延長する必要があります。ネジやインサートを簡単に挿入できるように面取りを追加します。

__最良の結果を得るには:__

主壁に結合するボスの設計は避けてください

ボスをリブでサポートするか、メインウォールに接続します

インサート付きボスの場合、インサートの呼びサイズの 2 倍に等しい外径を使用してください

スレッド

金属ネジ付きインサート プラスチック射出成形部品に追加して、小ねじなどの留め具用の耐久性のあるねじ穴を提供できます。インサートを使用する利点は何度も組み立てと分解を繰り返すことができることです。 .

インサートは、熱挿入、超音波挿入、または金型内挿入によって射出成形部品に取り付けられます。ねじ付きインサートを受け入れるボスを設計するには、ガイド寸法としてインサートの直径を使用し、上記と同様のガイドラインを使用します。

*ボスに配置されたねじ付きインサート*

__最良の結果を得るには:__

射出成形品に直接ねじ山を追加することは避けてください。

ネジまたはインサートの呼び径の 2 倍の外径を持つボスを設計します

ねじ山の端に 0.8 mm の逃げを追加します

0.8 mm より大きいピッチのねじを使用してください (1 インチあたり 32 ねじ)

台形またはバットレスねじを使用します

作成されたアンダーカットに対処する最良の方法:

0.8 mm より大きいピッチのねじを使用してください (1 インチあたり 32 ねじ)

おねじの場合は、パーティング ラインに沿って配置します。

リブ

推奨される最大肉厚でもパーツの機能要件を満たすのに十分でない場合は、リブを使用して剛性を高めることができます。

リブを設計する場合:

● 0.5 × 主肉厚に等しい厚さを使用します

● 3 × リブの厚さより小さい高さを定義します

● リブの厚さの 1/4 × を超える半径のベース フィレットを使用します

● 少なくとも 0.25° ～ 0.5° の抜き勾配を追加します

● 分を追加します。リブと壁の間の距離は 4 × リブの厚さ

スナップフィットジョイント

スナップフィットジョイントは、 留め具や工具を使わずに 2 つのパーツを接合する非常にシンプル、経済的、 迅速な方法です。 。 A wide range of design possibilities exists for snap-fit joints.

As a rule of thumb, the deflection of a snap-fit joint mainly depends on its length and the permissible force that can be applied on it on its width (since its thickness is more or less defined by the wall thickness of the part). Also, snap-fit joints are another example of undercuts.

*Example of an assembly with snap-fit joints*

In the example above, the most common snap-fit joint design (known as the __cantilever snap-fit joint__) is shown. As with ribs, add a draft angle to your snap-fit joints and use a minimum thickness of 0.5x the wall thickness.

Specific guidelines on designing snap-fit joints is a big subject that goes beyond the scope of this article. For more detailed information, please refer to this article from MIT.

For best results:

Add a draft angle to the vertical walls of your snap-fit joints

Design snap-fits with thickness greater than 0.5x the wall thickness

Adjust their width and length to control their deflection and permissible force

Living hinges

Living hinges are thin sections of plastic that connect 2 segments of a part and allow it to flex and bend 。 Typically these hinges are incorporated in mass-produced containers, such as plastic bottles. A well-designed living hinge can last for up to a million cycles without failure.

The material used to injection mold a living hinge must be flexible. Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE) are good choices for consumer application and Nylon (PA) for engineering uses.

A well-designed hinge is shown below. The recommended minimum thickness  of the hinge ranges between 0.20 and 0.35 mm, with higher thicknesses resulting in more durable, but stiffer, parts.

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*Example of a living hinge (left) and recommended design dimensions for PP or PE (right)*

Before going to full-scale production, prototype your living hinges using CNC machining or 3D printing to determine the geometry and stiffness that best fits your application. Add generous fillets and design shoulders with a uniform wall thickness as the main body of the part to improve the material flow in the mold and minimize the stresses. Divide hinges longer than 150 mm in two (or more) to improve lifetime.

For detailed guidelines, please refer to this MIT guide.

For best results :

• Design hinges with a thickness between 0.20 and 0.35 mm

• Select a flexible material (PP, PE or PA) for parts with living hinges

• Use shoulders with a thickness equal the thickness of the main wall

• Add fillets as large as possible

Crush ribs

Crush Ribs are small protruding features that deform to create friction when different components are pushed together, securing their possition.

Crush ribs can be an economical alternative for manufacturing high tolerance holes for tight fits 。 They are commonly used to house bearings or shafts and other press fit applications.

An example of a part with crush ribs is shown below. Using three crush ribs is recommended to ensure good alignment. The recommended height/radius for each rib is 2 mm 。 Add a minimum interference of 0.25 mm between the crush rib and the fitted part. Because of the small surface contact with the mold, crush ribs can be designed without a draft angle.

*Example of an crush rib (left) and recommended design dimensions (right)*

__For best results:__

Add a minimum interference of 0.25 mm between crush rib and the component

Do not add a draft angle on the vertical walls of a crush rib

Lettering and symbols

Text is a very common feature that can be useful for logos, labels, warnings, diagrams and instructions, saving the expense of stick-on or painted labels.

When adding text, choose embossed text over engraved text, as it’s easier to CNC machine on the mold and thus more economical.

Also raising the text 0.5 mm above the part surface will ensure that the letters are easy to read. We recommend selecting a bold, rounded font style with uniform line thickness, with a size of 20 points or larger. Some font examples include:Century Gothic Bold, Arial and Verdana.

Use embossed text (0.5 mm height) instead of engraved texted

Use a font with uniform thickness and a minimum font size of 20 points

Align the text perpendicular to the parting line

Use a height (or depth) greater than 0.5 mm

Tolerances

Injection molding typically produces parts with tolerances of ± 0.250 mm (0.010").

Tighter tolerances are feasible in certain circumstances (down to ± 0.125 mm - and even ± 0.025 mm), but they increase the cost drastically.

For small production runs (<10,000 units), consider using a secondary operation (such as drilling) to improve accuracy. This ensures the correct interference of the part with other components or inserts (for example, when using press fits).

Design rules for injection molding

One of the biggest benefits of injection molding is how easily complex geometries can be formed, allowing a single part to serve multiple functions.

Once the mold is manufactured, these complex parts can be reproduced at a very low cost. But changes to the mold design at later stages of development can be very expensive, so achieving the best results on the first time が不可欠です。 Follow the guidelines below to avoid the most common defects in injection molding.

Use a constant wall thickness

Use a uniform wall thickness throughout the part (if possible) and avoid thick sections 。 This is essential as non-uniform walls can lead to warping or the part as the melted material cools down.

If sections of different thickness are required, make the transition as smooth as possible using a chamfer or fillet. This way the material will flow more evenly inside the cavity, ensuring that the whole mold will be fully filled.

Industry Application Best material Why it’s a fit Aerospace Airframes, turbines, fasteners Titanium High strength-to-weight ratio, heat and corrosion resistance Medical Implants, surgical tools Titanium / copper Titanium is biocompatible; copper is antimicrobial (used externally only) Electronics Wiring, PCBs, motors Copper Excellent conductivity and ease of forming HVAC Heat exchangers, radiators Copper Superior thermal conductivity Marine Underwater fasteners, piping Titanium Outstanding corrosion resistance Automotive Exhausts, wiring harnesses Titanium / copper Lightweight strength or conductivity needs Construction Plumbing, cladding Copper Durable, corrosion-resistant, aesthetic

For best results:

Use a uniform wall thickness within the recommended values

When different thickness are required, smoothen the transition using a chamfer or fillet with length that is 3x the difference in thickness

Hollow out thick sections

Thick sections can lead to various defects, including warping and sinking. Limiting the maximum thickness of any section of your design to the recommended values by making them hollow is essential.

To improve the strength of hollow section, use ribs to design structures of equal strength and stiffness but reduced wall thickness. A well-designed part with hollow sections is shown below:

*Hollow thick sections and add ribs to improve stiffness*

Ribs can also be used to improve the stiffness of __horizontal sections__ without increasing their thickness. Remember though that the wall thickness limitations still apply. Exceeding the recommended rib thickness (see below) can result in sink marks.

*The wall thickness limitations still apply for ribs*

For best results:

Hollow out thick sections and use ribs to improve the strength and stiffness of the part

Design ribs with max. thickness equal to 0.5x the wall thickness

Design ribs with max. height equal to 3x the wall thickness

Add smooth transitions

Recommended: 3 × wall thickness difference

Sometimes sections with different wall thicknesses cannot be avoided. In these cases, use a chamfer or fillet to make the transition as smooth as possible.

Similarly, the base of vertical features (like ribs, bosses, snap-fits) must also always be rounded.

Round all edges

The uniform wall thickness limitation also applies to edges and corners:the transition must be as smooth as possible to ensure good material flow.

For interior edges , use a radius of at least 0.5 x the wall thickness 。 For exterior edges , add a radius equal to the interior radius plus the wall thickness 。 This way you ensure that the thickness of the walls is constant everywhere (even at the corners).

Adding to this, sharp corners result in stress concentrations which can result in weaker parts.

*Add wide radii to all edges to maintain uniform wall thickness and avoid defects*

For best results:

Add a fillet equal to 0.5x the wall thickness to internal corners

Add a fillet equal to 1.5x the wall thickness to external corners

Add draft angles

To make the ejection of the part from the mold easier, a draft angle must be added to all vertical walls. Walls without a draft angle will have drag marks on their surface, due to the high friction with the mold during ejection.

A minimum draft angle of 2° is recommended. Larger draft angles (up to 5o °) should be used on taller features.

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 →

A good rule of thumb is to increase the draft angle by one degree for every 25 mm 。 For example, add a draft angle of 3o degrees to a feature that is 75 mm tall. Larger draft angle should be used if the part has a textured surface finish 。 As a rule of thumb, add 1o to 2o extra degrees to the results of the above calculations.

Remember that draft angles are also necessary for ribs. Be aware though that adding an angle will reduce the thickness of the top of the rib, so make sure that your design complies with the recommended minimum wall thickness.

*Add a draft angle (minimum 2o)to all vertical walls*

__For best results:__

Add a minimum draft angle of 2o degrees to all vertical walls

For features taller than 50 mm, increase the draft angle by one degree every 25 mm

For parts with textured surface finish, increase the the draft angle by 1-2o extra degrees

Part 3

Injection molding materials

Injection molding is compatible with a wide range of plastics. In this section, you’ll learn more about the key characteristics of the most popular materials. We’ll also discuss the standard surface finishes that can be applied to injection molded parts.

Materials used for injection molding

All thermoplastics can be injection molded. Some thermosets and liquid silicones are also compatible with the injection molding process.

They can be also reinforced with fibers, rubber particles, minerals or flame retardant agents to modify their physical properties. For example fiberglass can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30% resulting in parts with higher stiffness.

Polypropylene (PP)

The most common Injection molding plastic. Excellent chemical resistance. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.

ABS

Common thermoplastic with high impact resistance, low-cost &low density. Vulnerable to solvents.

Polyethylene (PE)

Lightweight thermoplastic with good impact strength &weather resistance. Suitable for outdoor applications.

Polystyrene (PS)

The Injection molding plastic with the lowest cost. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.

Polyurethane (PU)

Thermoplastic with high impact strength and good mechanical properties &hardness. Suitable for molding parts with thick walls.

Nylon (PA 6)

Engineering thermoplastic with excellent mechanical properties and high chemical &abrasion resistance. Susceptible to moisture.

Polycarbonate (PC)

The plastic with the highest impact strength. High thermal resistance, weather resistance &toughness. Can be colored or transparent.

PC/ABS

Blend of two thermoplastics resulting in high impact strength, excellent thermal stability, and high stiffness. Vulnerable to solvents.

POM (Acetal/Delrin)

Engineering thermoplastic with high strength, stiffness &moisture resistance and self-lubricating properties. Relatively prone to warping.

PEEK

High-performance engineering thermoplastic with excellent strength and thermal &chemical resistance. Used to replace metal parts.

Silicone rubber

Thermoset with excellent heat &chemical resistance and customizable shore hardness. Food-safe and medical grade available.

An additive that is commonly used to improve the stiffness of the injection molded parts is fiberglass. The glass fibers can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30%, resulting in different mechanical properties.

Colorant can be added to the mixture (at a ratio of about 3%) to create a great variety of colored parts. Standard colors include red, green, yellow, blue, black and white and they can be mixed to create different shades.

Surface finishes and SPI standards

Surface finishes can be used to give an injection molded part a certain look or feel. Besides cosmetic purposes surface finishes can also serve technical needs 。 For example, the average surface roughness (Ra) can dramatically influence the lifetime of sliding parts such as plain bearings.

Injection molded parts are not usually post-processed, but the mold itself can be finished to various degrees.

Keep in mind that rough surfaces increase the friction between the part and the mold during ejection, therefore a larger draft angle is required.

The Society of Plastics Industry (SPI) explains several standard finishing procedures that result in different part surface finishes.

Finish Description SPI standards* アプリケーション Glossy finish The mold is first smoothed and then polished with a diamond buff, resulting in a mirror-like finish. A-1
A-2
A-3 Suitable for parts that require the smoothest surface finish for cosmetic or functional purposes (Ra less than 0.10 μm). The A-1 finish is suitable for parts with mirror-like finish and lenses. Semi-gloss finish The mold is smoothed with fine grit sandpaper, resulting in a fine surface finish. B-1
B-2
B-3 Suitable for parts that require a good visual appearance , but not a high glossy look. Matte finish The mold is smoothed using fine stone powder, removing all machining marks. C-1
C-2
C-3 Suitable for parts with low visual appearance requirements , but machining marks are not acceptable. Textured finish The mold is first smoothed with fine stone powder and then sandblasted, resulting in a textured surface. D-1
D-2
D-3 Suitable for parts that require a satin or dull textured surface finish. As-machined finish The mold is finished to the machinist's discretion. Tool marks will be visible. - Suitable for non-cosmetic parts , such industrial or hidden components.

When selecting a glossy surface finish, remember these useful tips:

• A high glossy mold finish is not equivalent to a high glossy finished product. It is significantly subject to other factors such as plastic resin used, molding condition and mold design. For example, ABS will produce parts with a higher glossy surface finish than PP. To find the recommended material and surface finish combination visit the appendix.
• Finer surface finishes require a higher grade material for the mold. To achieve a very fine polish, tool steels with the highest hardness are required. This has an impact on the overall cost (material cost, machining time and post-processing time).

Part 4

Cost reduction tips

Learn more about the main cost drivers in injection molding and actionable design tips that will help you reduce the costs of your project.

Cost drivers in injection molding

The biggest costs in injection molding are:

• Tooling costs determined by the total cost of designing and machining the mold
• Material costs determined by the volume of the material used and its price per kilogram
• Production costs determined by the total time the Injection molding machine is used

Tooling costs are constant (starting at $3,000 and up to $5,000). This cost is independent of the total number of manufactured parts, while the material and production costs are dependent on the production volume.

For smaller productions (1,000 to 10,000 units), the cost of tooling has the greatest impact on the overall cost (approximately 50-70%). So, it’s worthwhile altering your design accordingly to simplify the process of manufacturing of the mold (and its cost).

For larger volumes to full-scale production (10,000 to 100,000+ units), the contribution of the tooling costs to the overall cost is overshadowed by the material and production costs. So, your main design efforts should focus on minimizing both the volume part and the time of the molding cycle.

Here we collected some tips to help you minimize the cost of your Injection molded project.

Tip #1:Stick to the straight-pull mold

Side-action cores and the other in-mold mechanisms can increase the cost of tooling by 15% to 30%. This translates to a minimum additional cost for tooling of approximately $1,000 to $1,500.

In a previous section, we examined ways to deal with undercuts. To keep your production on-budget, avoid using side-action cores and other mechanisms unless absolutely necessary.

Tip #2:Redesign the injection molded part to avoid undercuts

Undercuts always add cost and complexity, as well as maintenance to the mold. A clever redesign can often eliminate undercuts.

Tip #3:Make the injection molded part smaller

Smaller parts can be molded faster resulting in a higher production output, making the cost per part lower. Smaller parts also result in lower material costs and reduce the price of the mold.

Tip #4:Fit multiple parts in one mold

As we saw in a previous section, fitting multiple parts in the same mold is common practice. Usually, 6 to 8 small identical parts can fit in the same mold, essentially reducing the total production time by about 80%.

Parts with different geometries can also fit in the same mold (remember, the model airplane example). This is a great solution for reducing the overall cost of assembly.

Here’s an advanced technique:

In some cases, the main body of 2 parts of an assembly is the same. With some creative design, you can create interlocks points or hinges at symmetrical locations, essentially mirroring the part. This way the same mold can be used to manufacture both halves, cutting the tooling costs in half.

Tip #5:Avoid small details

To manufacture a mold with small details require longer machining and finishing times. Text is an example of this and might even require specialized machining techniques such as electrical discharge machining (EDM) resulting in higher costs.

Tip #6:Use lower grade finishes

Finishes are usually applied to the mold by hand, which can be an expensive process, especially for high-grade finishes. If your part is not for cosmetic use, don’t apply a costly high-grade finish.

Tip #7:Minimize the part volume by reducing wall thickness

Reducing the wall thickness of your part is the best way to minimize the part volume. Not only does it mean less material is used, but also the injection molding cycle is greatly accelerated.

For example, reducing the wall thickness from 3 mm to 2 mm can reduce the cycle time by 50% to 75%.

Thinner walls mean that the mold can be filled quicker. More importantly, parts thinner parts cool and solidify much faster. Remember that about half the injection molding cycle is spent on the solidification of the part while the machine is kept idle.

Care must be taken through to not overly reduce the stiffness of the part which would downgrade its mechanical performance. Ribs in key locations can be used to increase stiffness.

Tip #8:Consider secondary operations

For lower volume productions (less than 1000 parts), it may be more cost effective to use a secondary operation to complete your injection molded parts. For example, you could drill a hole after molding rather than using an expensive mold with side-action cores.

Part 5

Start Injection molding

Once your design ready and optimized for injection molding, what’s next? In this section we’ll take you through the steps needed to start manufacturing with injection molding.

Step 1:Start small and prototype fast

Before you commit to any expensive injection molding tooling, first create and test a functional prototype of your design.

This step is essential for launching a successful product. This way design errors can be identified early, while the cost of change is still low.

There are 3 solutions for prototyping:

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3D printing (with SLS, SLA or Material Jetting)

CNC machining in plastic

Low-run injection molding with 3D printed moldsThese processes can create realistic prototypes for form and function that closely resemble the appearance of the final injection molding product.

Use the information below as a quick comparis on guide to decide which solution is best for your application.

Prototyping with 3D printing

Designs optimized for injection molding can be easily 3D printed

The prototyping solution with the lowest cost and fastest turnaround

Not every injection molding material is available for 3D printing

3D printed parts are 30-50% weaker than injection molded parts

Prototyping with CNC machining

Material properties identical to the injection molded parts

Excellent accuracy and finishing

Design modifications may be need, as different design restrictions apply

More expensive than 3D printing with longer lead time

Prototyping with low-run injection molding

The most realistic prototypes with accurate material properties

The actual process and mold design is simulated

The prototyping solution with the highest cost

Smaller availability than CNC or 3D printing

Step 2 :Make a “pilot run” (500 - 10,000 parts)

With the design finalized, it time to get started with Injection molding with a small pilot run.

The minimum order volume for injection molding is 500 units. For these quantities, the molds are usually CNC machined from aluminum. Aluminum molds are relatively easy to manufacture and low in cost (starting at about $3,000 to $5,000) but can withstand up to 5,000 - 10,000 injection cycles.

At this stage, the typical cost per part varies between $1 and $5, depending on the geometry of your design and the selected material. The typical lead time for such orders is 6-8 weeks.

Don’t get confused by the term “pilot run”. If you only require a few thousand parts, then this would be your final production step.

The parts manufactured with “pilot” aluminum molds have physical properties and accuracy identical to parts manufactured with “full-scale production” tool steel molds.

Step 3 :Scale up production (100,000+ parts)

When producing parts massive quantities of identical parts (from 10,000 to 100,000+ units) then special Injection molding tooling is required.

For these volumes, the molds are CNC machined from tool steel and can withstand millions of Injection molding cycles. They are also equipped with advanced features to maximize production speeds, such as hot-tip gates and intricate cooling channels.

The typical unit cost at this stage varies between a few cents to $1 and the typical lead time is 4 to 6 months, due to the complexity of designing and manufacturing the mold.

Part 6

Useful resources

In this guide we touched on everything you need to get started with injection molding - but there’s plenty more to learn.

Here are the most useful resources on injection molding and other digital manufacturing technologies if you want to delve deeper.

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