射出成形用プラスチック部品の設計: 総合ガイド

射出成形の成功は、プラスチック部品自体の設計に大きく依存します。この記事では、射出成形用のプラスチック部品の設計に関する詳細なガイドを提供し、重要な考慮事項、設計原則、ベスト プラクティスを取り上げます。

射出成形では、溶融プラスチック材料を高圧下で金型のキャビティに注入します。材料は冷却されて固まり、キャビティの形状を形成します。このプロセスは、一貫した品質で大量の部品を生産するのに最適です。主な要素は次のとおりです。

• インジェクションユニット： プラスチック材料を溶かして注入します。
• 型： 部品の形状を形成する 2 つの半分 (キャビティとコア) で構成されます。
• クランプユニット： 射出成形中に金型の半分を一緒に保持します。

射出成形用プラスチック部品設計ガイド

壁の厚さ

適切 壁の厚さ は、射出成形用のプラスチック部品の設計における基本的な要件です。壁の厚さが一定でないと、ヒケ、ボイド、応力、反りなどの欠陥が発生する可能性があります。プラスチックは冷えると収縮し、厚い部分が内側に引っ張られ、応力や欠陥が生じます。

• 重要な考慮事項: 熱可塑性プラスチックの場合、壁の厚さは通常 1 ～ 6 mm の範囲で、2 ～ 3 mm が最も一般的です。大きな部品の場合は、より厚い壁が必要になる場合があります。材料の壁の厚さの詳細については、下の表を参照してください。
• 均一： 壁の厚さを一定にすると、ヒケや反りなどの欠陥を防ぐことができます。厚い部分から薄い部分に移行する場合は、比率を段階的に、理想的には 3:1 までに保ちます。
• リブ： リブを使用すると、壁の厚さを増やすことなく部品を補強し、材料の使用量を削減できるため、冷却時間も短縮されます。
• 流路： 溶融材料がゲートから部品まで移動する距離は、充填効率に影響します。壁の厚さに比べてフローパスが長い場合は、厚さの調整が必要になる場合があります。
• より薄いセクション: 薄い部分はより速く冷却され、異なる厚さの部分間の応力と反りが減少します。

プラスチック素材	推奨壁厚範囲（mm）
ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）	1.5 – 4.0
ポリカーボネート（PC）	2.0 – 4.0 (大きな部品の場合は反りを抑えるために壁を厚くする)
ポリプロピレン（PP）	1.5 – 3.5
ポリエチレン（PE）	1.0 – 3.0 (グレード、LDPE、HDPE などによって異なります)
ナイロン(ポリアミド)	2.0 – 4.0 (強度が強いほど壁が薄くなる場合があります)
ポリ塩化ビニル（PVC）	1.5 – 3.5 (柔軟なPVC ではより薄い壁が許容される)
アクリル（PMMA）	2.0 – 4.0 (たわみを防ぐために厚い壁のサポートが必要)
ポリスチレン（PS）	1.5 – 3.0 (HIPS は壁が若干厚くなる傾向があります)
PET（ポリエチレンテレフタレート）	1.0 – 3.0 (ボトルや容器によく使用されます)
PBT（ポリブチレンテレフタレート）	2.0～4.0（高強度・耐熱性）

抜き勾配角度

抜き勾配角度 金型から部品を簡単に取り外すには、これらの角度が必要です。これらの角度は、金型のキャビティと接触する部品の表面、特に金型の開口部の方向に適用されます。これにより、部品を金型から簡単に取り外すことができ、取り出しプロセス中に部品や金型自体に損傷を与えることはありません。

抜き勾配の最小要件は、いくつかの要因によって変わりますが、一般的には 0.5° ～ 1° の範囲が最低限の要件と考えられています。ただし、ほとんどの場合、1.5° ～ 2° の抜き勾配が標準として広く受け入れられており、部品の取り外し性と製造効率のバランスが取れています。この範囲では、部品が抵抗なく金型から滑り出すのに十分なクリアランスが提供され、取り出し時に傷、反り、さらには破損が発生するリスクが最小限に抑えられます。

鋭角

鋭角は、プラスチック材料が冷えて固まるときに、内部に応力が集中するリスクを高める可能性があります。これらの応力集中により、通常の動作条件下では、部品のひび割れ、歪み、さらには破損につながる可能性があります。さらに、鋭角はひけや空洞を生み出す可能性があり、これらは表面の欠陥であり、部品の美観を損ない、構造的完全性を損なう可能性があります。

さらに、鋭角があると、射出成形プロセス中にプラスチックが均一に流れにくくなります。その結果、壁の厚さが不均一になり、応力集中がさらに悪化し、欠陥が発生する可能性が高くなります。極端な場合、鋭角によりプラスチックが早期に固まり、材料の流れが妨げられ、金型が完全に充填されなくなることもあります。

これらの問題を軽減するために、設計者は鋭角部分に半径やフィレットを組み込むことがよくあります。これらの丸みを帯びた遷移により、応力がより均等に分散され、ひび割れや歪みの可能性が減ります。また、成形プロセス中のプラスチックの流れも改善され、壁の厚さが一定になり、欠陥のリスクが減ります。さらに、半径やフィレットにより、部品の全体的な外観が向上し、取り扱いや組み立てが容易になります。

射出成形におけるトップアウト方向とパーティングライン

• トップアウト方向: 設計プロセスの早い段階でトップアウト方向を確立することが重要です。これにより、複雑なコア プルの必要性を最小限に抑え、パーティング ラインの視覚的な影響を軽減できます。リブ、スナップ、突起などの機能をトップアウト方向に揃えると、コア プルを回避し、継ぎ目を減らし、金型の寿命を延ばすことができます。
• パーティングライン: 正しい選択 パーティングライン パーティング ラインは、美観と機能性の両方にとって重要です。パーティング ラインは、部品の外観と金型からの取り外しやすさを向上させる必要があります。パーティング ラインが適切に配置されていれば、目に見える継ぎ目が減り、部品の全体的な品質が向上します。
• 排出力: 取り出しの際、部品はトップアウト力と開放力の両方を克服する必要があります。トップアウト力は、冷却収縮と部品とコア間の摩擦により、通常、はるかに高くなります。取り出し力が強すぎると、部品の変形、白化、しわ、表面の摩耗が発生する可能性があります。

リブ設計の考慮事項

リブを追加すると、メイン壁との接合部の厚さが増加します。この厚さは、リブの厚さとルート半径によって決まる最大フィレット半径の影響を受けます。たとえば、ベース材料の厚さが 4 mm の場合、リブの厚さとフィレット半径を変更すると、最大フィレット半径の直径が変わります。リブを適切に設計すると、表面のへこみが減り、部品の品質が向上します。

リブ収縮領域:

• リブの厚さ: 剛性を維持するには、リブの厚さのバランスをとる必要があります。薄いリブは剛性を高めるために高さを高くする必要がありますが、圧力による変形や充填の困難などの問題につながる可能性があります。応力集中を避けるため、リブ ベースの半径は小さすぎないようにしてください。通常、リブ ベースの半径はリブの厚さの 40% 以上である必要があります。リブの厚さはベース材料の厚さの 50% ～ 75% である必要がありますが、収縮率が低い材料の場合は比率を高くする必要があります。リブの高さはベース材料の厚さの XNUMX 倍未満である必要があります。
• ドラフト角度と間隔: リブにはドラフト角度があり、上向きの方向と揃っているか、可動金型部品を使用する必要があります。リブ間の間隔は、ベース材料の厚さの 2 倍以上である必要があります。

剛性の向上: 全方向の剛性を均一にするには、縦方向と横方向に直角にリブを追加するのが効果的です。ただし、これにより交差部分の肉厚が増し、収縮が大きくなる可能性があります。一般的な解決策は、交差部分に丸い穴を追加して、肉厚を均一にすることです。

プラスチック部品の穴の設計

プラスチック部品の穴は、組み立てや機能の目的でよく使用されます。強度を維持し、製造を簡素化するために、重要な要素は次のとおりです。

• 間隔： 隣接する穴間の距離、または穴から最も近い端までの距離は、少なくとも穴の直径と同じである必要があります。これは、端に近い穴で亀裂を防ぐために重要です。ねじ穴の場合、この距離は通常、穴の直径の 3 倍以上である必要があります。

穴の種類:

• スルーホール: これらは、止まり穴に比べてより一般的で、製造も簡単です。構造的には、貫通穴の方が単純で、金型の可動部分または固定部分のどちらかにピンを使用して形成できます。前者は 2 つの短い片持ち梁を作成し、後者は単純な支持梁を形成しますが、どちらも変形は最小限です。
• 止まり穴: 通常は片持ち梁で形成され、溶融プラスチックの影響で曲がるため、穴の形状が不規則になります。 止まり穴 深さは直径の 1.5 倍を超えてはならず、直径が XNUMX mm 以下の場合は深さが直径を超えてはなりません。収縮の問題を回避するために、底壁の厚さは穴の直径の XNUMX 分の XNUMX 以上である必要があります。

サイドホール: サイド ホールはサイド コアを使用して作成されることが多く、特にコアが長く破損しやすい場合は、金型のコストとメンテナンスが増加する可能性があります。可能であれば、設計を改善してこれらの問題を軽減することができます。

ボスデザイン

ボスは、プラスチック部品の壁厚から突出した部分で、組み立て、物体の分離、および他のコンポーネントのサポートに使用されます。中空のボスには、インサートまたはねじ山付きネジを収容できます。ボスは、割れることなく圧力に耐えるために、通常、円筒形になっています。円筒形は、成形が容易で、機械性能が向上します。

構造統合:

• 接続： 理想的には、ボスは独立した円筒として設計されるべきではありません。ボスは外壁に接続するか、リブと一緒に使用して強度を高め、プラスチック材料の流れを改善する必要があります。収縮の問題を防ぐために、外壁との接続は薄壁接続にする必要があります。
• 半径と厚さ: ボスの基部の半径は、ベース材料の厚さの 0.4 ～ 0.6 倍にする必要があります。ボスの壁の厚さは、ベース材料の厚さの 0.5 ～ 0.75 倍にする必要があります。ボスの上部は、ネジの取り付けを容易にするために面取りし、金型のリリースを容易にするためにドラフト角度を含める必要があります。これらの要件は、リブ設計の要件と同様です。

セルフタッピングねじ用ねじボス:

ねじボスは、多くの場合、セルフタッピングねじで接続されます。これらのボスの内ねじは、冷間流動処理によって形成されます。この処理では、プラスチックは変形しますが、切断されることはありません。ねじボスのサイズは、ねじの挿入力と負荷に耐えられる大きさでなければなりません。

寸法と挿入: ボスの直径は、ネジの締め付け時に発生する円周方向の力に耐える必要があります。通常、ボスの上部は、ネジの公称直径よりもわずかに大きいくぼみが設計されており、簡単に挿入できます。正しい寸法を計算するのは複雑ですが、ネジの公称直径と材料の種類に基づいた簡略化された推定方法が利用可能です。

スナップフィット接続

スナップフィット接続は、プラスチック部品を組み立てるための便利でコスト効率が高く、環境に優しい方法です。これらの接続は成形プロセス中に形成されるため、ネジなどの追加の留め具は必要ありません。組み立ては部品をスナップ留めするだけで行われるため、プロセスが簡素化されます。

スナップフィット機構: スナップフィット機構では、あるコンポーネントの突出部分を別のコンポーネントの障害物の上に押します。このプロセスでは弾性変形が必要です。障害物を通過すると、部品は元の形状に戻り、コンポーネントが固定されます。

角度と計算:

• 臨界角度: スナップフィット設計における 90 つの重要な角度は、引き込み角度と進入角度です。引き込み角度が大きいほど、通常は接続が強くなります。引き込み角度が XNUMX 度に近づくと、スナップフィットは永久的になります。

スナップフィット計算:

• 最大たわみ: 均一な断面を持つスナップフィットの場合、最大許容たわみ (Y) は次のように計算できます。

この式では、変形はスナップフィットフック内でのみ発生するものと想定しています。スナップフィット付近の多少の変形は安全係数として考慮することができます。

• たわみに必要な力: たわみYを生成するために必要な力（P）は、次のとおりです。

• 組立部隊: 組み立て力 (W) は次のように推定できます。

取り外し可能なスナップフィットの場合、角度 a の代わりに角度 b を使用した同じ式が使用されます。

次の表は、さまざまな材料に基づいて計算された係数を示しています。

材料	(e)(%)	GPa	摩擦係数
PS	2	3.0	0.3
ABS	2	2.1	0.2
SAN	2	3.6	0.3
PMMA	2	2.9	0.4
LDPE	5	0.2	0.3
HDPE	4	1.2	0.3
PP	4	1.3	0.3
PA	3	1.2	0.1
POM	4	2.6	0.4
PC	2	2.8	0.4

リングスナップフィット接続: リング スナップフィットは、リングの内部突起を使用してシャフトの溝に噛み合わせます。リリース角度に応じて、リリース可能またはリリース不可能になります。リングは挿入および取り外し時に弾性的に拡張し、通常は弾性に優れた材料で作られています。

• 最大投影サイズ: リング投影の最大サイズは次のように計算できます。

コラボレー S 設計上のストレスは、 v ポアソン比は E 弾性係数であり、 K は幾何係数であり、次のように表されます。

• 拡張力: スリーブの拡張に必要な力 (P) は、次のように計算できます。

コラボレー μ 摩擦係数です。

干渉フィット

干渉嵌合は、穴とシャフトを接続してトルクやその他の力を効果的に伝達するためによく使用されます。この方法は、直接的で信頼性の高い接続を提供します。ただし、干渉が不十分だと接続の信頼性が低下し、干渉が大きすぎると組み立てが困難になり、割れのリスクが高まるため、適切な干渉嵌合を実現することが非常に重要です。

重要な考慮事項： 干渉嵌合を設計する場合、温度変動が干渉嵌合に大きな影響を与える可能性があるため、穴とシャフトの両方の許容差と動作温度を考慮することが重要です。

一般的な慣行：

• 表面の強化: 特に金属シャフトの場合、信頼性の高い接続を確保するために、ローレット加工や溝などの機能が相手シャフトに追加されることがよくあります。
• 干渉嵌合の一般式:

コラボレー S 設計上のストレスは、 v ポアソン比は E 弾性係数であり、 K は幾何係数であり、次のように計算されます。

• 組立力計算:

ここで、μ は摩擦係数、l は噛み合い長さです。

• 材料とポアソン比:

材料	ポアソン比
ABS	0.38
PMMA（アクリル）	0.4
LDPE（低密度ポリエチレン）	0.49
HDPE (高密度ポリエチレン)	0.47
ポリプロピレン（PP）	0.43
ポリカーボネート（PC）	0.45
PVC	0.42
POM（ポリオキシメチレン）	0.42
PPS（ポリフェニレンサルファイド）	0.41
鋼鉄	0.38

代替の参加方法: プラスチック部品を接合する方法としては、締まりばめのほかに、ホットメルト、溶接、超音波溶接などがあります。

プラスチック部品設計における半径

部品に内半径があり、外角が鋭い場合、曲げ部分の周囲が他の部分よりも厚くなり、収縮の問題が発生します。これを解決するには、内角と外角の両方を丸くして、壁の厚さを均一にする必要があります。この場合、外半径は内半径と基本壁の厚さの合計になります。

カンチレバー スナップフィットの場合、カンチレバーを曲げて所定の位置にはめ込む必要があります。半径 (R) が小さすぎると、応力が集中しすぎて、曲げるときに部品が破損しやすくなります。逆に、R が大きすぎると、収縮マークや隙間が生じる可能性があります。したがって、半径と壁の厚さの比率は 0.2 ～ 0.6 に抑える必要があり、理想的な値は 0.5 前後です。

プラスチック部品設計におけるゲートとエジェクタピン

ゲートとエジェクタピンは、成形プロセスにおいて重要なコンポーネントであり、プラスチック樹脂を金型に戦略的に導入し、完成した部品を金型から効果的に取り出すことを可能にします。処理の準備をする前に、さまざまなゲートの種類とその位置を理解することが不可欠です。

ゲートの種類:

• ピンゲート: 一般的に使用され、ランナーから部品表面に向かって先細りになっており、熱を放散させ、反りを最小限に抑えます。手動で取り外す必要があり、小さな跡が残ります。
• サブゲート: トンネル ゲートとバック ゲートが含まれており、目に見える跡が減ります。トンネル ゲートはパーツの中央から入りますが、バック ゲートはパーツの周囲近くのピンを使用するため、装飾的な影が残る可能性があります。
• ホットチップゲート: バランスのとれた充填と無駄の最小化に最適です。見た目も美しく、ピットやロゴの周りに隠すことができます。
• ダイレクトゲート: 大きくて見た目が悪く、ガラス含有量の多い材料や二次加工が必要な部品に使用されます。手作業で取り除くのは困難です。

射出成形設計を成功させるためのベストプラクティス

1. と協力する 金型メーカー: 金型設計者や製造業者と緊密に連携し、設計が実現可能でコスト効率が良いことを確認します。
2. 効率性を重視した設計の最適化: 材料の無駄を減らし、サイクルタイムを最小限に抑え、部品の取り出しを容易にすることに重点を置きます。
3. 継続的な改善： プロトタイプと初期生産実行からのフィードバックを使用して設計を改良し、パフォーマンスとコスト効率を向上させます。

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まとめ

射出成形用のプラスチック部品を設計するには、設計原理と製造プロセスの両方を深く理解する必要があります。材料特性、壁の厚さ、ドラフト角度、その他の重要な要素を考慮することで、設計者は機能的で見た目に美しいだけでなく、製造コスト効率の高い部品を作成できます。ベスト プラクティスに従い、よくある落とし穴を避けることで、射出成形部品の成功と効率的な製造プロセスが実現します。

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