3D プリント射出成形金型:設計、利点、用途の包括的な概要

射出成形用の 3D プリント金型は、製造業界でますます人気が高まっています。これは射出成形プロセスのポートフォリオへの優れた追加であり、従来の射出成形材料に代わる競争力のある代替品を提供します。

この記事では、3D プリント射出成形金型とは何か、その種類、利点、制限事項について詳しく説明します。最後に、金型設計者やエンジニアにとって役立つヒントやコツもいくつか紹介します。始めましょう!

射出成形金型とは何ですか?

射出成形金型は、おそらく射出成形セットアップにおいて最も重要なコンポーネントです。金型は、内部に製品の最終形状を正確に複製したキャビティを備えた複数の部品からなるアセンブリです。

射出システムは、溶融した原料をこのキャビティにポンプで送り込み、そこで冷却されて最終的な形状になります。その後、同様に金型内にある射出機構が最終部品を排出します。したがって、射出成形金型は、パーツに形状を与え、取り出すという主な目的を果たします。

高品質の射出成形金型が備えなければならない特性が数多くあります。熱膨張を最小限に抑えるための良好な熱安定性、クランプ圧力に耐えるための高い強度、耐久性のための優れた耐摩耗性を備えている必要があります。

3D プリント金型とアルミニウム金型

従来、アルミニウムは、少量から中量生産の射出成形金型を製造するための標準的な材料の選択でした。しかし、射出成形用の 3D プリント金型は、コスト削減や設計の柔軟性などの多くの利点により、急速に注目を集めています。

3D プリント金型とアルミニウム金型の主な違いは、その製造方法です。アルミニウム金型の主な製造プロセスは CNC 機械加工です。一方、3D プリント金型は、もちろん 3D プリントで作られています。

些細な違いのように思えるかもしれませんが、実際には非常に重要であり、3D プリント金型とアルミニウム金型についての議論が必要になります。

ただし、その前に、3D プリント射出成形金型の 2 つの主要なタイプについて説明しましょう。

金属フレーム強化モールド

このタイプの射出成形金型は、アルミニウム金型と 3D プリント金型の両方の要素を取り入れています。キャビティやチャネルを含む基本的な内部構造は 3D プリントされています。この 3D プリントはアルミニウム構造内に収まり、安定性と耐久性が向上します。

アルミニウムフレームの強化により、より高い成形圧力が可能になり、金型の寿命が長くなります。エンジニアは、設計の変更や磨耗が発生した場合に、3D プリントされた金型コンポーネントを簡単に交換することもできます。

スタンドアロンモールド

スタンドアロン型はすべて 3D プリンティングによって作成されます。 3D プリントの堅牢性が急速に高まっているため、射出成形業界ではスタンドアロン 3D プリント金型の人気が高まっています。

スタンドアロン金型の主な利点は、エンジニアが射出チャネルやゲートなどの機能の設計柔軟性をさらに高められることです。

3D プリント射出成形金型の利点

射出成形用の 3D プリント金型には、金属製の金型に比べて多くの利点があります。 3D プリント金型を使用する主な利点をいくつか紹介します。

費用対効果が高い

コスト管理が効率的な製造の大きな部分を占めることは周知の事実です。 3D プリントされた金型は金属金型よりも大幅に安価です。

CNC 工作機械は高価であることが多く、高額なメンテナンスが必要です。一方、3D プリンターは安価な機械であり、メンテナンスも簡単です。 3D プリントの原材料のコストも、射出成形金属よりも安価です。

人件費も両方の方法で異なります。 CNC マシンは複雑な機器であり、操作するには資格のある機械技師が必要です。 3D プリンタは、公園内を散歩できるものではありませんが、より幅広い技術者にとってアクセスしやすいものです。

時間の節約

高い製造生産性のもう 1 つの重要な側面は、時間管理です。アルミニウム製のモールドと比較して 3D プリントされたモールドを使用する主な利点は、モールド作成プロセスの時間を大幅に節約できることです。

CNC 加工は時間のかかるプロセスであり、複雑な射出成形金型を完全に製造するには最大 1 週間かかる場合もあります。 3D プリント プロセスは機械加工よりもはるかに速く、手順も少なくなります。平均的な型の作成時間は数時間程度であるため、3D プリントされた型には明らかな優位性があります。

設計の柔軟性

3D プリンティングは、ラピッド プロトタイピング機能で知られています。迅速かつ安価で、エンジニアはさまざまな設計の反復をテストできます。

同じロジックが射出成形用の 3D プリント金型にも当てはまります。金型設計者は、金型設計の間違いやねじれをすぐに取り除くことができます。さらに、製品の改良を製造ラインに組み込むことも非常に便利です。必要なのは簡単な再印刷だけです。

この種の自由な設計は CNC 加工では実現できません。CNC 加工では、1 つの製品を作るだけでも予算が大きくかかります。

少量の射出成形に適しています

3D プリント金型は、少量生産の取り組みに適しています。すぐに説明しますが、これらは優れた機械的特性を備えていますが、時間の経過とともに金属製の同等品よりも早く摩耗する傾向があります。

そのため、小規模から中程度の部品を製造する生産工程に最適です。このようなセットアップでは、生産終了時点でも金型が十分に活用されていないため、高価な金型に投資することは非効率的です。

さらに、少量生産では、平均して、製品の開発とテストが重視されます。更新が必要な場合や間違いが見つかった場合、制作の途中でデザインが変更される可能性があります。このシナリオでは、更新が費用対効果と時間の節約になるため、3D プリント金型が最適です。

3D プリント射出成形金型の制限

長所と短所は表裏一体です。したがって、3D プリンティング射出成形金型の欠点を無視すると、この議論は不完全になります。

構造的完全性が低い

3D プリンティングは非常に急速に進歩していますが、いくつかの点では CNC 加工などの従来の製造プロセスにまだ遅れています。多孔性や結合の欠如など、射出成形用の 3D プリント金型の構造的完全性を低下させる本質的な品質問題がいくつかあります。

一般に、3D プリントされた金型は、強度、硬度、耐摩耗性が低くなります (したがって、アルミニウムの補強が必要です)。これらは、高品質の射出成形製品を実現するために必要となる、極端な温度と圧力下では破損する傾向があります。

その結果、場合によっては、3D プリントされた金型が鋳造/鍛造アルミニウム金型の代替として適さない場合があります。

表面の摩耗

射出成形用の 3D プリント金型は、金属金型ほど耐摩耗性がありません。射出成形の高温高圧下では、アルミニウムよりも表面品質が早く劣化します。これは製品の表面にも当てはまります。

これに加えて、3D プリント金型は層ごとの製造プロセスです。このため、3D プリントされた射出成形金型には波状の表面パターン (階段効果とも呼ばれます) が生じ、射出成形部品の表面粗さが増加します。

一般的な解決策は、やすり、研削、化学処理などの表面仕上げ方法を使用して、金型の表面品質を向上させることです。ただし、複雑な形状を持つ小さなモールドでこれらの操作を実行するのは困難であり、3D プリントされたモールドではよくあることです。

長い生産サイクル

冷却時間は射出成形の生産サイクルの大部分を占めます。一般に金属は 3D プリント金型に使用されるプラスチック材料よりも熱伝導率が高いため、3D プリント金型内ではアルミニウム金型よりも溶融した原材料が固まるまでに時間がかかります。

このため、金型エンジニアには、製造プロセスを決定する前に、射出成形金型の設計で予想される冷却時間を計算することをお勧めします。

収縮と反り

収縮と反りは、3D プリント射出成形金型の品質に影響を与える 2 つの一般的な 3D プリント欠陥です。プラスチックは熱に非常に敏感で、射出成形中に変形 (反り) しやすくなります。

金型自体が変形すると、キャビティの形状が変化し、部品の最終寸法に影響を与えます。

ほとんどの場合、金型設計者は、金型に適切な収縮許容値を組み込むことで、この問題を軽減できます。ただし、3D プリントされたモールドの場合、3D プリントされた構造の不均一な挙動のため、これらの許容値を予測するのは困難です。

3D プリント射出成形金型のヒントとコツ

射出成形用の 3D プリント射出成形金型に関する上記の情報が、この主題に関する知識にさらに加わったことを願っています。

このセクションでは、金型設計スキルの向上に役立つ、設計エキスパートからの役立つヒントとテクニックをいくつか紹介します。

構成材料で熱伝導率を向上

高い熱伝導率により、射出成形の冷却時間を短縮します。グラフェン、窒化ホウ素、金属フィラー (銅粉、アルミニウムフレーク) など、いくつかの導電率向上添加剤が市場で入手可能です。

表面コーティング

耐摩耗性が低いことは、3D プリント金型の大きな欠点です。金属やセラミックなどの適切な表面コーティングは、3D プリント射出成形金型の表面特性を向上させるのに非常に役立ちます。

重要な内面の支持構造を避ける

ほとんどの 3D プリント技術では、プリント中にパーツを支えるためにサポート構造を使用します。仕上げ技術者がそれらを除去した後、部品に跡が残ります。金型のキャビティを形成する面にこれらのサポート構造が存在しないように注意してください。サポート構造の残りの跡がパーツにも現れるためです。

表面仕上げを向上させるために層の厚さと印刷速度を下げる

3D プリントされたモールドの表面仕上げは、層の厚さと 3D プリンタのプリント速度パラメータによって異なります。 3D プリント表面の仕上げをより細かくするには、これらの設定を低く保ちます。

抜き勾配はアルミニウム金型よりわずかに高い

3D プリント構造では、材料特性が異なるため、金型内でより高い抜き勾配が必要になります。専門家は、射出成形金型の垂直面に平均抜き勾配 3° を含めることを提案しています。

換気が重要

金型キャビティ内にエアポケットが発生し、表面品質が低下する傾向があります。この問題を回避するには、キャビティ表面の少し下に浅い通気孔を設けるとよいでしょう。

金型を製造するための 3D プリント方法と材料

この最後のセクションでは、3D プリント金型に適したいくつかの 3D プリント技術と材料を簡単に紹介します。

一般的な 3D プリント方法

• 光造形 (SLA)
• 溶融堆積モデリング (FDM)
• マテリアルのジェッティング
• 選択的レーザー焼結 (SLS)

一般的な 3D プリント マテリアル

• ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン)
• PETG (ポリエチレンテレフタレート)
• PP (ポリプロピレン)
• ナイロン
• 熱可塑性エラストマー (TPE)

結論

これで、射出成形用の 3D プリント金型に関する興味深いトピックに関する議論は終わりました。 3D プリント金型は、コストと時間の節約、設計の柔軟性などの利点があり、少量生産に最適なアルミニウム金型に代わる新たな代替手段です。

金型と比較した場合、構造的完全性や耐摩耗性が低いなどの欠点がありますが、これらの問題を根絶するための特殊なソリューションがあります。

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よくある質問

3D プリントした金型は金属製の金型と比較してどれくらい高価ですか?

3D プリント金型は金型に比べて比較的安価です。通常、3D プリント金型のコストは 200 ドル未満です。金型は軽く5,000ドル以上します。少量のセットアップの場合は、3D プリントされた金型が明確な選択肢です。

射出成形金型に最適な一般的な 3D プリントはどれですか?

FDM、SLS、SLA のみを比較すると、射出成形金型の製造には SLA を使用することをお勧めします。 SLA 製品は堅牢、スムーズ、そして正確です。 FDM 金型は離型の問題に直面しており、SLA 金型ほど滑らかではありません。同様の問題が SLS 製品でもよく報告されています。

3D プリント射出成形金型の冷却時間を短縮するにはどうすればよいですか?

3D プリントされた金型は、熱伝導率が低いため、金型ほど早く冷却されません。良いヒントは、圧縮空気を使用して対流熱伝達を高めるか、交換可能なスタックを使用することです。