3Dプリント金型で少量射出成形を効率化

本記事では、少量射出成形用金型を3Dプリントで製作する手法について、設計考慮事項、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

3Dプリント材料が射出成形金型に適しているためには、以下の特性が必要です。

• 高耐熱性： 材料注入時に金型にかかる機械的・熱的負荷に耐える高い熱変形温度が必要。なお、凝固時に温度は急速に低下します。
• 高剛性・靭性： 部品の繰り返し取り出しで金型が摩耗するため、長期間にわたり金型精度を維持するには高剛性材料が必要。
• 高ディテール再現性： 射出成形金型の主要要件は高寸法精度と滑らかな表面。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満たす3Dプリント技術はSLAとマテリアルジェッティングです。これらは高寸法精度で造形でき、複雑なディテールと極微細フィーチャーに最適です。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等）が金型・工具用途に適しています。これら2材料の射出成形関連特性を以下にまとめます。

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
最小層高（解像度）	25〜50 μm	16〜30 μm
最小ディテールサイズ	0.2 mm	0.2 mm

＊Formlabs情報に基づく ＊＊Stratasys情報に基づく

Digital ABSで造形された3Dプリント射出成形金型のイメージ

産業用途ではデスクトップSLAは不適切です。金型製造で最も一般的な2つの産業用3Dプリント材料（Digital ABSとSomos PerFORM）の詳細比較記事はこちら。

金型設計

ゲート、ランナー、エアベント等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。Seattle Roboticsのこの投稿は射出成形金型設計の初心者に良い出発点となります。

3Dプリント金型設計時に守るべき良いプラクティスを列挙します。

• SLA造形時、金型の内面がサポートと接触しないよう配向する。これによりサポート跡がこれらの面に残らず、表面品質が向上し、後処理が最小化される。
• キャビティ端から金型端へ向かう浅いエアベント（深さ0.05 mm）を設けると、成形時の閉じ込め空気排出に役立つ。
• 20ショット以上使用する金型なら、金属ロッドやチューブ埋め込み用のチャネルを設計に盛り込む。金型補強、反り防止、冷却時間短縮に効果的。
• より低い層高で金型を造形すれば、積層痕が目立たず、より滑らかな成形部品が得られる。
• エンボス・彫刻ディテールは表面から1 mm以上オフセットする。

具体的な設計制約は使用する射出成形機によります。ただしStratasysは、マテリアルジェッティングプリンターで造形した金型は、最大165 cm³の部品を50〜80トン成形機または手動ハンドプレスで製造する用途に適すると示唆しています。

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。

• 部品を金型から離型しやすくするため、最小2度のドラフト角を付ける
• 部品全体で均一な肉厚を維持
• すべての壁とフィーチャーを可能な限り薄く保つ
• すべてのエッジとコーナーにR（フィレット）を設ける
• 肉厚を増やす代わりに、薄いリブとガセットで強度を確保

射出成形のためのドラフト角設計イメージ

ドラフト角の重要性について詳しく見る

フラッシュ（バリ）の低減

フラッシュとは、成形時に金型の2半分の間から漏れ出す材料のことです。一般的に、2つの金型半分が完全に合わさらない、完全にフラットでない、または金型が過充填された際に発生します。ランナーを金型設計に組み込むことでフラッシュ発生を抑制できます。

アルミフレーム用に設計する場合、金型プレート背面に0.125 mmの追加厚を設け、圧縮力を吸収して完全なシールを確保します。バイスのクランプ力を上げることでもフラッシュを軽減でき、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。

適切な金型設計とフラットな分割面でフラッシュ発生を抑制（Formlabs提供画像）

離型剤

3Dプリント射出成形金型に用いられる材料は従来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。成形前に金型キャビティ面に離型剤を塗布すれば、部品取り出しを大幅に容易にできます。

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

モーターハウジング用カスタムプラスチックフィッティングの製造を比較検討します。設計要件は以下の通り。

• 総生産数：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：0.005 kg（5 g）
• 材質：ABS
• 色：黒
• 全体直径：40 mm

利用可能な代替製造オプション：

産業用FDM ABS 3Dプリント： 産業用FDMは高い再現性と寸法精度を持ち、中小ロット生産に対応可能。産業用FDMシステムで使用されるABSフィラメントコストは通常90〜110ドル/kg。FDMで造形される部品の主な制約は異方的な機械的性能で、一方向に著しく弱いです。したがって設計者は、部品が受ける荷重とビルドプレート上のモデル配向を十分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： 耐熱SLAレジンは高精度な機能的射出成形金型を造形でき、少量生産に最適。SLAレジン小売価格は約150〜170ドル/リットル。本例ではベンチトップ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。成形用ABSペレットコストは約2〜3ドル/kg。

従来の射出成形ABS部品： 従来射出成形は非常に高い精度、優れた表面仕上げ、極めて高い再現性を実現。主な欠点は高い初期セットアップコストと、成形部品設計に課される多数の設計制約（ドラフト角、一定肉厚等）。ABSペレットコストは上記と同額。

上記技術でABSフィッティングを製造するコスト概要（オンライン見積りベース、送料除く）を以下にまとめます。

	産業用FDM＊	3DP射出成形＊＊	従来射出成形＊＊＊
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見積り（ABS、20%インフィル、Fortus 250MC造形）
＊＊ Protolabs Network.com見積り（Formlabs High Tempレジン、Form 2造形）
＊＊＊ Protolabs見積り

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ら、プロジェクトを前進させる2つの道があります。

射出成形機と金型設計のノウハウがあるなら、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。少量射出成形金型製造で最も一般的な2材料（Digital ABSとSomos PerFORM）のメリット・デメリットを論じた記事はこちら。

そうでなければ、プロの射出成形メーカーに生産を委託できます。Protolabs Networkはグローバルな射出成形サービスプロバイダーネットワークへのアクセスを提供し、あなたの部品に合わせた金型設計から100〜10,000個以上の生産まで対応可能です。

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