少量射出成形：コスト効率の良いプロトタイプのための3Dプリント実践ガイド

射出成形は伝統的に高い金型コストのために大量生産向けの製造プロセスと見なされてきましたが、3Dプリントで射出金型を製作することで、このプロセスをプロトタイピングと少量生産のための高品質で再現性のある部品製造に活用できます。

この包括的なガイドでは、卓上および産業用機械の両方で3Dプリント射出金型を使用し、数百個の機能プロトタイプと部品を効率的かつ手頃な価格で製造する方法を学びます。これにより製品開発が加速し、コストとリードタイムが削減され、より優れた製品を市場に投入できます。

少量射出成形と従来の射出成形の比較

射出成形はプラスチック製造の主要プロセスの一つです。大量生産においてコスト効率が高く、非常に再現性のある技術で、厳しい公差を持つ同一品質の部品を大量生産するために広く使用されています。

射出成形は、高熱と高圧で溶融材料を金型内に射出する高速で集中的なプロセスです。溶融材料は製造プロジェクトの範囲に依存します。最も一般的な材料は、ABS、PS、PE、PC、PP、TPUなどの各種熱可塑性樹脂ですが、金属やセラミックも射出成形可能です。金型は射出された溶融材料を収容するキャビティで構成され、最終部品の特徴を忠実に再現するように設計されています。

金型は伝統的に、CNC加工や放電加工（EDM）によって金属から作られます。これらは専門設備、ハイエンドソフトウェア、熟練労働力を必要とする高価な産業的手法です。その結果、金属金型の製造には通常4〜8週間かかり、部品の形状と複雑さに応じて2,000ドルから100,000ドル以上のコストがかかります。少量部品の場合、一般的な工具用金属と製造方法で金型を製作するために必要なコスト、時間、専門設備、熟練労働力が、この規模での射出成形を非現実的にすることがよくあります。しかし、金属から金型を切削する以外の選択肢もあります。社内3Dプリントを活用してプロトタイピングと少量生産用の射出金型を製作することで、金属金型と比較してコストと時間を大幅に削減しながら、高品質で再現性のある部品を製造できます。

この動画では、射出成形サービスプロバイダーのMultiplusと提携し、3Dプリント金型を使用した射出成形プロセスの手順をご紹介します。

卓上3Dプリントは、射出金型を迅速かつ低コストで製作する強力なソリューションです。非常に限られた設備で済み、その間CNC時間と熟練オペレーターを他の高付加価値タスクに割り当てられます。製造業者は、社内3Dプリントの速度と柔軟性を活用して金型を作成し、射出成形の生産力と組み合わせることで、一般的な熱可塑性樹脂から数日で一連のユニットを提供できます。従来では製造が困難な複雑な金型形状も実現でき、卓上および産業用成形機の両方で使用可能です。これにより開発チームはより革新的になれます。さらに、ハードツーリングに投資する前に、エンドユース材料で設計を反復テストできるため、製品開発にもメリットがあります。

3Dプリント金型は適切に使用すればこれらの利点を提供しますが、いくつかの制限も認識しておく必要があります。3Dプリントポリマー金型から、切削加工された金属金型と同等の性能を期待すべきではありません。重要寸法の達成はより困難で、プラスチックでは熱伝達が遅いため冷却時間が長くなり、プリント金型は熱と圧力でより容易に破損する可能性があります。しかし、業界全体の企業が短納期射出成形ワークフローに3Dプリント金型を導入し続けており、数百から数千個の部品を迅速に製造できるようになっています。エンドユース材料での機能プロトタイプ設計、パイロット生産時の部品製造、少量またはカスタムエンドユース部品の製造など、3Dプリント射出金型は限定数量の部品製造においてコスト効率が高く迅速な方法です。

ステレオリソグラフィ（SLA）3Dプリント技術は金型製造に最適な選択肢です。滑らかな表面仕上げと高精度が特徴で、これらは最終部品に転写され、脱型も容易になります。SLAで製造された3Dプリントは化学的に結合されており、完全に緻密で等方的であり、溶融積層造形（FDM）3Dプリントでは不可能な品質の機能的金型を生み出します。フォームラブズが提供するような卓上SLAプリンターは、導入、操作、メンテナンスが容易なため、あらゆる射出成形ワークフローにシームレスに統合できます。

金属金型シェルと組み立てられた3Dプリント射出金型コア。

約500〜10,000個の中量生産の代替案として、アルミニウムから金型を切削することも、金型製造に関連する固定コストを削減できます。アルミニウム加工は鋼の5〜10倍高速で、工具摩耗が少なく、リードタイム短縮とコスト削減につながります。また、アルミニウムは鋼より熱伝導率が高く、冷却チャネルの必要性が低減し、短いサイクルタイムを維持しながら金型設計を簡素化できます。

まとめると、生産量に応じて最も効率的なプロセスと単位当たりコストが最も低くなる射出成形方法と金型タイプの概要は以下の通りです：

	少量射出成形	中量射出成形	大量射出成形
方法	社内金型製造と社内成形	外注金型製造と成形	外注金型製造と成形
必要設備	3Dプリンター、卓上射出成形機	-	-
金型	3Dプリントポリマー	切削アルミニウム	切削鋼
金型コスト	100ドル未満	2,000〜5,000ドル	10,000〜100,000ドル
最終部品までのリードタイム	1〜3日	3〜4週間	4〜8週間
適正生産量	500個未満	500〜10,000個	5,000個以上
用途	ラピッドプロトタイピング カスタム射出成形 短納期射出成形	短納期射出成形	大量生産

射出成形機のタイプは少量射出成形のプロセスに大きな影響を与えません。従来の大型産業用射出成形機も3Dプリント射出金型で使用可能です。しかし、これらの機械は高価で、厳しい施設要件があり、熟練労働力を必要とするため、ほとんどの企業は中量・大量生産をサービスプロバイダーや受託製造業者に外注しています。

射出成形が初めてで、限られた投資でテストしたい場合は、HolipressやGalomb Model-B100のような卓上手動射出成形機が良い選択肢です。Micromolderのような自動小型射出成形装置や、Babyplast 10/12のような油圧式機械は、小型部品の中量生産に適しています。

射出成形総コストを構成する様々な要因について知りたい方は、包括的なガイドをお読みください。

少量ラピッド射出成形：3Dプリント金型を活用

射出成形プロセスで3Dプリント金型を使用し、コストとリードタイムを削減するためのガイドラインと、Braskem、Holimaker、Novus Applicationsの実例ケーススタディを掲載したホワイトペーパーをダウンロードできます。

少量射出成形のステップバイステップワークフロー

少量射出成形のワークフローは以下の7ステップで構成されます：

1. 金型設計

お好みのCADソフトウェアで部品の金型を設計します。付加製造と射出金型設計の一般的な設計ルールに従ってください。ポリマー3Dプリント金型に特化した設計推奨事項はホワイトペーパーに記載されています。

設計をフォームラブズのプリント準備ソフトウェアPreFormにアップロードし、プリントを準備してFormlabs 3Dプリンターに送信します。

2. 金型3Dプリント

3Dプリント材料を選択し、プリントを開始します。ほとんどの金型設計には、50ミクロン層高さでのリジッド10Kレジンが理想的です。高強度、剛性、耐熱性を兼ね備えています。

可能な場合、サポートなしでビルドプラットフォームに直接フラットにプリントすることを推奨します。これにより反りを低減できます。

洗浄と二次硬化後、3Dプリント金型は射出成形プロセスに統合する準備が整います。

3. 金型組立

組立前に、手研磨、卓上またはCNC加工で金型を仕上げて重要寸法を満たすことができます。

プリント金型を標準的な金属フレームやマスターユニットダイ内に配置し、高圧に対する支持とプリント金型の寿命延長を図ることを推奨します。3Dプリント金型を金属フレーム内に慎重に組み立てます。必要に応じてエジェクタピン、インサート、サイドアクション部品などを追加します。

組み立てた金型を射出成形機に設置します。

4. 金型クランプ

プラスチックペレットを投入し、必要な設定を入力して生産を開始します。特にプリント金型が金属フレームで保護されていない場合、より低いクランプ力を推奨します。

TPE、PP、PE、ABS、POM、ASA、PA、PC、TPUなど、幅広い熱可塑性樹脂を3Dプリント金型で射出成形できます。

5. 射出

部品形状、プラスチックの選択、射出温度と圧力、その他のパラメータなど多くの要因が絡むため、理想的なプロセス条件を特定するには数ショットかかる場合があります。

射出圧力と温度は可能な限り低く抑えてください。

フォームラブズユーザーは通常、TPE、PP、PEなどの加工しやすいプラスチックであれば、1つのプリント金型で数百個の部品を、最大250℃までの温度で射出成形しています。PAやPCなどより高い射出温度が必要なプラスチックでは、3Dプリント金型の寿命が短くなる可能性があります。

卓上および産業用射出成形機の両方でのテスト結果については、プロセス条件ドキュメントをご覧ください。

6. 冷却

ポリマープリント金型の冷却時間は金属金型より長くなります。プラスチックでは金属より熱伝達が遅いためです。したがって、プリント金型に冷却チャネルを追加することは一般的に推奨されません。

代わりに、圧縮空気を金型に吹き付けて冷却を促進したり、交換可能なスタックを使用したりできます。

7. 脱型

エジェクタピンで手動または自動的に部品を脱型します。粘度の高い熱可塑性樹脂には離型剤を塗布してください。金型離型剤は広く入手可能で、SlideやSprayon製品などのシリコーン系離型剤はフォームラブズレジンと互換性があります。

少量射出成形の用途

少量射出成形の3つの主要用途は、ラピッドプロトタイピング、短納期射出成形、オンデマンド/カスタム射出成形です。

射出成形によるラピッドプロトタイピング

ラピッドプロトタイピングは、企業がアイデアを現実的な概念実証に変え、これらの概念を最終製品のように見え、機能する高忠実度プロトタイプに発展させ、検証段階を経て大量生産へ導くのに役立ちます。

一般的に、3Dプリントがラピッドプロトタイプ製造の最も一般的な方法です。しかし、開発プロセスの後期段階では、最終部品と同じ材料と製造プロセスを使用して、やや大量の同一プロトタイプを製造する必要が生じることがよくあります。これらのプロトタイプは、ベータテストやフィールドテストなどの用途に使用できます。3Dプリント金型と射出成形を組み合わせることで、メーカーは機能プロトタイプを迅速かつ効率的に開発し、製品開発プロセスを加速できます。

例えば、フランスのスタートアップHolimakerは、エンジニアと製品デザイナーが卓上で少量のプラスチック部品をプロトタイプ、パイロット生産、さらには限定エンドユース部品シリーズとして加工できる手動射出成形機を開発しています。

同社は顧客向けに実現可能性調査を提供し、3Dプリント金型を使用して迅速かつ手頃なターンアラウンドを実現しています。これにより、クライアントは新製品導入のパイロット生産段階で、設計を迅速かつ手頃にプロトタイピングし、最終製造条件を検証できます。

これらのフットボールクランポンの試作プロトタイプは、3Dプリント金型を使用して3種類の熱可塑性樹脂（POM：180℃、PA 6.6：270℃、PP：210℃）で射出成形されました。

金型設計と材料を含む同じ製造方法を使用することで、これらの部品をフィールドでテストし、設計が量産準備完了かどうかを確認できます。3Dプリント金型設計は、量産時の工具グレード鋼金型に容易に適応できます。

3Dプリント金型を使用することで、Holimakerは射出成形プロセスの金型製造リードタイムを24時間に短縮し、現在プロジェクトの80〜90%で3Dプリント射出金型を使用しています。

短納期射出成形

短納期射出成形は、限定数量でしか生産されない製品のエンドユース部品の小ロットシリーズ製造や、多額の資本を投入する前に市場テストのためのパイロットシリーズ製造を可能にします。

少量射出成形を使用することで、従来の射出成形に伴う高い固定コストなしで、正確で再現性のあるエンドユース部品を製造できます。

深セン拠点の射出成形ソリューションプロバイダーMultiplusは、設計からプラスチック製品製造までの全生産サイクルをカバーし、年間250社以上のクライアント（フォーチュン500企業を含む）にサービスを提供しています。これらのクライアントの一部は少量生産を必要としていますが、ハードツーリングの製造複雑さにより、従来の射出成形ではコストと時間がかかります。

3Dプリント射出金型で射出成形されたABSコントロールボックスハウジング。

少量生産の需要が高まるにつれ、Multiplusは3Dプリントに目を向け、様々な材料を検証して、小ロット注文とパイロット生産向けのコスト効率の良いプラスチック金型製造方法を模索しました。フォームラブズ3Dプリンターで少量射出金型を製作することで、アルミニウム金型切削と比較してコスト、労力、時間を削減し、Babyplast産業用射出成形機でシームレスに使用できました。

オンデマンド/カスタム射出成形

カスタムまたは迅速なオンデマンド射出成形は、人間工学、用途、機会など特定の目的のためにカスタマイズされたエンドユース部品を製造する必要がある場合に求められ、多くの場合短納期が要求されます。限定数量と/または短いリードタイムにより、ハードツーリングを用いた従来の射出成形は効率的でも実現可能でもありません。このような場合、3Dプリント金型を用いた少量射出成形がプロセスを高速化し、カスタム部品を提供する理想的なソリューションとなります。

世界有数の石油化学企業Braskemの事例は、3Dプリント成形を活用してオンデマンドの迅速な注文に対応するケースを示しています。COVID-19パンデミックの第一波では、同社はグローバルな従業員を守るために数千個のマスクストラップを製造する必要がありました。Braskemは部品製造に射出成形が理想的と判断しましたが、3Dプリントがなければ高価な金属金型を外注する必要があり、コストと貴重な時間を浪費することになります。

Braskemは3Dプリント金型と従来の産業用射出成形機を組み合わせて、マスクストラップを迅速に射出成形しました。

Braskemチームは、Formlabs Form 3 3Dプリンターでストラップ用金型をプリントし、全電動のシンシナティミラクロン110トンRoboshot射出成形機でストラップを成形しました。

3Dプリントを活用することで、チームはVPのメール受信から1週間以内に数千個のストラップを製造し、世界中のオフィスへの出荷準備を整えました。

少量射出成形を始める

3Dプリントと少量射出成形を開発プロセスに取り入れることで、製品開発を加速し、コストとリードタイムを削減し、より優れた製品を市場に投入できます。