高速射出成形とは：プロセス、材料、利点

ペースの速い現代の製造業では、高品質の試作品や少量生産部品を迅速かつコスト効率よく製造する能力が最も重要です。ラピッド射出成形は、高度な材料と合理化されたプロセスを活用することで、革新的なアイデアを正確かつ迅速に実現したいエンジニアやデザイナーに効率的なソリューションを提供します。

この記事では、急速射出成形の複雑さを詳しく調べ、そのプロセス、材料、そしてそれがもたらす無数の利点について説明します。

ラピッド射出成形とは何ですか?

高速射出成形（RIM）は、プラスチック部品の小ロット生産を効率的に行うために特別に設計されたユニークな射出成形技術です。従来の射出成形と比較して、リードタイムが大幅に短いのが特徴です。RIMで使用される機器は従来の射出成形の機器と似ていますが、主な違いは次の点にあります。 金型設計これは主に、従来の射出成形で使用される標準的な鋼製金型よりも安価で加工しやすいアルミニウムなどの金型材料を使用することで実現されます。アルミニウム製金型は、長期生産に必要な耐久性に欠けますが、通常少なくとも 1000 ～ 500 個の部品までの小ロットには十分な耐久性があります。

ラピッド射出成形はどのように機能しますか?

高速射出成形 (RIM) は、プラスチック部品の効率的な生産に合わせて調整された合理化されたプロセスを通じて機能します。その仕組みは次のとおりです。

金型の設計と準備

RIM 用の部品を設計するには、射出成形に特有の製造設計 (DFM) の原則に従う必要があります。RIM 金型は、コスト効率と迅速な製造のために標準材料を使用して製造されます。通常、機械加工が容易で製造が速いためアルミニウム金型が好まれますが、大量生産には適していません。

金型の組み立てとセットアップ

特殊なRIM金型が製造されると、2つの半分に組み立てられます。 標準的な射出成形機の固定プレートと可動プレートにキャビティが取り付けられています。アセンブリは油圧シリンダーを使用して固定され、成形プロセス中の正確な位置合わせと安定性を確保します。

射出成形プロセス

RIM を使用して部品を製造するには、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のペレットをバレルと呼ばれるシリンダーに投入し、バレルに取り付けられた外部ヒーター、プラスチック ペレット間のせん断力、およびバレル内のスクリューによって発生した熱によってペレットを溶かします。プラスチックが十分に溶けたら、往復スクリューがノズルからプラスチックを金型に注入します。チェック バルブが圧力下でバレルへの逆流を防止します。

成形と取り出し

高圧により溶融プラスチックが金型キャビティに充填され、油圧シリンダーにより金型の分割線からプラスチックが漏れないようにします。プラスチックが固まるまで数秒経過した後、金型が開き、エジェクタ ピンを使用して部品が排出されます。スクリューが引き込まれ、サイクルが繰り返されます。

効率性と考慮事項

RIM は小規模から中規模のバッチサイズの生産を最適化しますが、部品ごとの生産時間は標準的な射出成形と同等であることに留意することが重要です。RIM の利点は、従来の金型製造に伴う長いリードタイムや高コストなしで、金型を迅速に製造し、効率的に部品を製造できることです。

高速射出成形装置コンポーネント

高速射出成形 (RIM) には、高品質のプラスチック部品を効率的に製造するためにシームレスに連携するさまざまな特殊な装置コンポーネントが含まれます。これらのコンポーネントの詳細は次のとおりです。

1.ネジ

往復スクリューは RIM プロセスの中心です。プラスチック ペレットの計量、搬送、溶解など、複数の機能があります。スクリューが回転すると、ペレットは次第に狭い空間に押し出され、せん断力によって熱が発生します。この熱と外部ヒーターが組み合わさって、プラスチックが溶解します。次に、スクリューは溶解したプラスチックをノズルから金型に押し込みます。一部のスクリューには、均一な溶解と着色剤などの添加剤の均一な分布を確保するための混合要素も組み込まれています。

2.カビ

RIM の金型は、コアとキャビティの 2 つの部分から構成されています。これらはプラテン上に取り付けられ、油圧ラムによって一体化されて、プラスチック部品を成形する金型キャビティを形成します。金型には、熱伝達流体が循環する冷却チャネルが付いていることが多く、プラスチックの冷却と固化が促進されるため、サイクル時間が短縮されます。RIM 金型は通常、アルミニウムなどの加工しやすい材料で作られており、短い生産期間向けに設計されていますが、高品質の部品を生産できます。

3。材料

RIM では、アプリケーションの特定の要件に基づいて選択されたさまざまな熱可塑性プラスチックを使用します。これらの材料は、標準的な汎用プラスチックから、強度、柔軟性、耐熱性などの特性を強化した特殊グレードまで多岐にわたります。熱可塑性材料は繰り返し溶解して再形成できるため、RIM プロセスに最適です。

4.ホッパー

ホッパーは、射出成形機への原材料の入口です。熱可塑性樹脂ペレットを保管し、スクリューに供給します。生産ニーズに応じて、ホッパーにバルクバッグまたはサイロから供給できます。また、樹脂を溶かすのに必要な時間を短縮して全体的な生産サイクルを短縮するための予熱機能も備えている場合があります。さらに、ホッパーのレベルセンサーは、材料がさらに必要になるとオペレーターに警告し、継続的な供給を保証します。

5.ノズル

ノズルはバレルと金型をつなぐ重要な部品です。ノズルは溶融プラスチックを金型のキャビティに正確に導きます。ノズルの直径とデザインは、機械の容量と部品の要件によって異なります。また、最終部品の欠陥の原因となる汚染物質が金型に入るのを防ぐフィルターが付いている場合もあります。ギャップ フィルターは、流れを大幅に妨げることなく、より大きな濾過面積を提供するため、スクリーン パック フィルターよりも好まれます。

6.ヒーター

射出成形機のバレルには、その外側を囲む電気ヒーターが装備されています。これらのヒーターは、スクリューの回転によって発生する熱を補い、バレル内のプラスチックペレットを溶かします。外部加熱とせん断加熱を組み合わせることで、プラスチックが射出成形に適した温度と粘度に達することが保証されます。

7.パート

RIM プロセスの最終製品は成形部品であり、射出成形 DFM (製造のための設計) の原則を念頭に置いて設計する必要があります。これには、構造の完全性と製造可能性を確保するための最適な壁厚、補強リブの配置、適切な穴のサイズなどの考慮事項が含まれます。高品質の部品設計により、欠陥が最小限に抑えられ、製造プロセスの全体的な効率が向上します。

8.ノズルフィルター

ノズル フィルターは、金型に入る溶融プラスチックに汚染物質がないことを確認するために使用されます。ギャップ フィルターは、流量を大幅に低下させたり圧力損失を増加させたりすることなくフィルタリングできるため、好まれています。これらのフィルターは、成形部品の品質と一貫性を維持する上で重要な役割を果たします。

追加コンポーネントと考慮事項

主要コンポーネントの他に、RIMプレスには次のような要素が含まれる場合があります。 エジェクターピンは、冷却されて固まった部品を金型から押し出すために使用されます。RIM でマスター ユニット ダイ (MUD) を使用すると、完全な金型の作り直しを必要とせずに設計変更に合わせて迅速に変更または交換できるモジュール式金型が可能になり、コストと製造時間をさらに削減できます。

高速射出成形の利点と欠点

高速射出成形は、効率、材料の汎用性、生産量に対するコスト効率の面で大きな利点があります。ただし、初期費用とリードタイムもかなりかかるため、この製造プロセスを選択する際にはプロジェクトのニーズと目的を慎重に検討することが不可欠です。

Advantages	デメリット
精密射出成形では、金型のキャビティに正確な量のプラスチックを射出することで廃棄物を削減し、コスト効率と環境の持続可能性を高めます。	特殊なツールへの初期投資（3,000 ドルから数千ドルの範囲）は、少量生産では高額になる可能性があります。
高圧注入により、均一な壁厚と最適な排出角度が確保され、3D プリントに比べて強度が高く、気孔のない部品が得られます。	金型の設計と製造の複雑さにより、少量生産向けの 3D プリントなどのプロセスと比較して、ユニットあたりのコストが高くなる可能性があります。
新しい金型を必要とせずに複数の部品の生産を可能にし、射出圧力と温度に耐えられる耐久性のある高品質の金型を使用します。	コストとパフォーマンスを最適化するには、金型設計と材料選択に関する専門知識が必要です。経験不足は、初期コストの増加と学習曲線の長期化につながる可能性があります。
部品の複雑さや使用する材料に応じて、他の製造方法に匹敵する高精度レベルを達成できます。	設計変更の柔軟性が限られており、大幅な変更には新しい金型の製造が必要となり、時間とコストが追加される場合があります。
生産量の増加に伴い単位コストが削減され、従来に比べて大量生産のコスト効率が向上します。 CNC加工 そして3Dプリント。	複雑な金型の設計と製造には、設計に 5 ～ 7 週間、製造に 2 ～ 4 週間かかることがあり、CNC 加工や 3D プリントのリードタイムよりも長くなります。
CNC フライス加工と研磨により滑らかな仕上がり (最大 Ra 0.8 mcm) を実現し、部品の美観と使いやすさを向上させます。	設計変更には新しい金型の作成が必要になる場合があり、変更がより簡単かつ安価になる 3D プリントに比べて時間と費用がかかります。
3D プリントに比べて最小限のシステム調整でさまざまな材料 (熱可塑性プラスチック、エラストマー、複合材料) をサポートし、汎用性を高めます。	/
セットアップ時間が最小限に抑えられるため、CNC 加工や従来のプロトタイピング方法に比べて生産リードタイムが大幅に短縮されます。	/

高速射出成形の応用

高速射出成形は、さまざまな業界で応用されている多目的製造プロセスです。高品質の部品を迅速かつコスト効率よく製造できるため、さまざまな用途に最適です。高速射出成形が一般的に使用されている主な分野は次のとおりです。

• 消費財： 消費財業界の企業は、ラピッド射出成形を使用して、新製品を迅速に発売し、市場の反応をテストし、本格的な生産を開始する前に必要な調整を行います。ライフサイクルが短い製品の場合、ラピッド射出成形は、変化するトレンドや消費者の好みに適応できる柔軟な製造ソリューションを提供します。
• 医療機器： 急速射出成形は、厳しい規制要件に準拠し、安全性と有効性を厳密にテストできる医療機器のプロトタイプを作成するために不可欠です。医療業界では、多くの場合、患者固有のカスタム部品が必要です。急速射出成形により、長いリードタイムなしでこれらのカスタマイズされたコンポーネントを効率的に製造できます。
• 自動車産業： 自動車メーカーは、大量生産の前に性能と安全基準を満たしていることを確認するために、テストと検証用の試作品部品を作成するために急速射出成形を使用しています。また、アフターマーケット部品、特殊部品、自動車愛好家や修理サービス向けの限定品の製造にも使用されています。
• エレクトロニクス： 高速射出成形は、電子機器の筐体やハウジングの製造に最適で、新製品の発売やアップデートに迅速に対応できます。このプロセスは、さまざまな電子アプリケーションに必要な精密な小型部品を作成するために使用され、高い品質と信頼性を保証します。
• 航空宇宙： 航空宇宙メーカーは、厳格な品質および安全基準を満たす高性能部品の製造に高速射出成形を採用しています。先進的な材料を使用できるため、航空宇宙用途に不可欠な軽量かつ耐久性のある部品が実現します。

射出成形ラピッドプロトタイピングとブリッジツール

射出成形ラピッドプロトタイピングとブリッジツールは、スピードだけでなく、重要な目的を果たします。ラピッドプロトタイピングは、射出成形樹脂を使用した設計の迅速な反復とテストを可能にします。 3D印刷 樹脂または機械加工可能なプラスチック。この方法により、プロトタイプは材料特性と性能の両方において最終生産部品に非常によく似たものになります。

ブリッジ ツールは、プロトタイプから本格的な生産に効率的に移行する際に重要な役割を果たします。ブリッジ ツールには、標準の金型よりも安価で加工が速い一時的な射出成形金型の作成が含まれます。これにより、初期バッチの部品を迅速に生産でき、永久ツールのコストとリード タイムなしでプロトタイプと本格的な生産の間のギャップを埋めることができます。

急速射出成形部品の壁厚はどうですか?

高速射出成形 (RIM) で製造される部品の壁厚は、通常 1.5 ～ 2.5 mm の範囲です。この範囲は標準的な射出成形方法と一致しており、最適な壁厚を決定する原則は両方のプロセスに当てはまります。成形プロセスで使用される材料は理想的な壁厚に影響を与える可能性があり、異なる材料では構造の完全性と性能を確保するために特定の厚さが必要になります。

RIM では、従来の射出成形で存在する壁厚の制限を超える追加の制限は課されません。選択した材料の特性によって、強度、耐久性、製造可能性の望ましいバランスを達成するために必要な壁厚が決まります。これらのガイドラインに従うことで、メーカーは、高速射出成形部品が必要な品質と性能基準を満たすことを保証できます。

高速射出成形における材料の選択と許容範囲

高速射出成形用の部品を設計する場合、材料の選択と部品の許容誤差の両方に影響を与えるいくつかの重要な考慮事項が関係します。材料の選択は重要であり、標準ポリマーから、ガラス繊維や炭素繊維で強化された特殊なブレンドやグレードまで多岐にわたります。各材料には、部品の最終的な性能と製造可能性に直接影響する独自の特性と処理要件があります。たとえば、ガラス繊維入りナイロンなどの研磨材は、柔らかい金型の摩耗を加速させ、工具寿命を短くする可能性があります。

伝統的な強靭な 鋼製金型 ラピッドモールドは、長期間の生産工程で厳しい公差を達成することに優れていますが、通常は柔らかい材料で作られるため、寸法精度と耐久性に限界がある場合があります。このトレードオフにより、コスト効率と生産速度が優先されることが多く、正確な公差がそれほど重要でないプロトタイプや小規模生産に最適です。

高速射出成形プロジェクトに適したツール材料を選択するには、これらの要素のバランスを取る必要があります。最適な決定には、必要な生産量、部品の複雑さ、材料の特性、予算の制約などの要素を考慮します。BOYI のような経験豊富なプロバイダーと提携することで、これらの考慮事項が設計および製造プロセスに統合され、高品質の部品の効率的な開発と提供が促進されます。

高速射出成形ツールを選択するには？

射出成形用の高速ツールでは、アルミニウム、軟鋼、半硬化鋼などの材料が使用され、それぞれ速度、コスト効率、パフォーマンスの点で特定の利点を考慮して選択されます。

1. ツーリング材料: アルミニウム、軟鋼、半硬化鋼（例：P20、NAK80）。
2. アルミニウムの利点:
   • 高速加工性（鋼の2倍の速さ）。
   • 加工後の熱処理は不要です。
   • 優れた熱伝達特性によりサイクルタイムが短縮されます。
   • 研磨性が限られているため、光沢のある仕上がりや光学的に透明な仕上がりに影響します。
   • 高い締め付け圧力や、PEI や PEEK などの高温プラスチックには適していません。
3. 軟鋼と半硬化鋼の利点:
   • P20 鋼: 迅速な加工、ECO 向けの簡単な変更。
   • NAK80鋼:研磨性に優れ、化粧部品に最適です。
4. SPI モールドクラス:
   • クラス104: 硬化鋼インサート、コスト効率の高いベース材料、厳しい公差での少量生産に適しています。
   • クラス105: 多くの場合、硬化鋼インサートを使用します。生産サイクルが最小限のプロトタイプには経済的な選択肢です。
5. マスターユニットダイ（MUD）インサート:
   • 標準の金型フレーム内に挿入します。
   • コスト効率の高いソリューションで、従来の方法に比べて処理時間が短縮されます。
   • 取り外し可能なインサートによるカスタマイズが可能になり、初期のツールコストが削減されます。
6. 考慮事項:
   • 生産量の要件。
   • 部品の複雑さと設計。
   • 表面仕上げ仕様。
   • 予算の制約とコスト効率の目標。

高速射出成形プロトタイピングと他の方法の比較

高速射出成形は、スピードと材料の忠実性において利点があります。 プロトタイピング一方、3D プリントと CNC 加工は、複雑な形状と迅速なセットアップ時間の柔軟性を提供します。適切な方法の選択は、プロジェクトの要件と製造目標によって異なります。

比較表は次のとおりです。

側面	急速射出成形	3D印刷	CNC加工
サイクルタイム	金型作成と射出成形の高速化により短縮	層ごとに印刷するため長くなります	セットアップと加工時間により長くなる
工具の要件	初期プロトタイプには一時的なブリッジツールが必要	セットアップ時間は最小限、ツールは不要	各部品ごとに専用の工具が必要
材料の互換性	正確な材料テストのために生産グレードの樹脂を使用	特定の印刷樹脂に限定	金属やプラスチックなど幅広い材料を使用可能
複雑な形状	適切なパートナーと金型設計があれば可能	プリンタの機能によって制限される	高度なCNCマシンに対応
設計の反復	生産に近い部品を使用した迅速な反復が可能	材料特性と印刷技術による制限	/
生産への移行	プロトタイプは生産と同じ樹脂を使用するため、スムーズな移行が可能	異なる製造プロセスには潜在的な再設計が必要	/

高速射出成形ツールと従来の射出成形ツールの比較

急速な 射出成形金型 高速サイクル向けに設計された材料を使用し、複雑な設計に対応することで、試作や少量生産にスピードと柔軟性を提供します。一方、従来の射出成形金型では、耐久性、厳密な許容差、大量生産におけるパフォーマンスの一貫性が優先されます。

比較表は次のとおりです。

側面	高速射出成形ツール	従来の射出成形金型
工具寿命	加工が速く、材料の耐久性が低いため、短くなる	高品質の素材と精度により長寿命
公差	それほど厳密ではないため、試作や少量生産に適しています	非常に精密で大量生産に最適
使用される材料	速度と品質のバランスをとるために異なる金属または組み合わせ	耐久性と厳しい要件を満たす高品質の金属
暖房/冷房機能	素早い熱伝達のために設計された材料で高速サイクルに適しています	長時間実行でも安定したパフォーマンスを発揮するように最適化
設計の複雑さへの対応	適切な材料の選択により複雑なデザインにも対応可能	複雑な形状を高精度でサポート
プロセスの比較	セットアップと加工時間が短縮され、迅速な反復作業に最適	セットアップ時間は長くなりますが、連続生産に最適化されています

高速射出成形に使用される装置

高速射出成形では、高品質の部品を効率的に製造するために、さまざまな専用機器が必要です。このプロセスで使用される主要な機器の一部を以下に示します。

1. 射出成形機

射出成形機は、高速射出成形プロセスの中核となる装置です。射出成形機は、次の主要コンポーネントで構成されています。

• インジェクションユニット: プラスチック樹脂を溶かして金型に注入します。
• クランプユニット: 射出成形時に高圧下で金型を閉じた状態に保持します。
• 制御システム: 温度、圧力、サイクル時間など、機械の動作を管理します。

2. 金型

金型は射出成形において重要なツールであり、溶融プラスチックを目的の部品に成形するために設計されています。金型は、次のようなさまざまな材料から作ることができます。

• アルミ: 加工時間が短く、熱伝導性に優れているため、高速加工に最適ですが、耐久性には限界があります。
• 軟鋼および半硬化鋼耐久性とコストのバランスが取れており、大量生産が必要な急速射出成形に適しています。
• マスターユニットダイ（MUD）: 交換可能なインサートを備えた標準の金型フレームを備えており、初期ツールのコストとリードタイムを削減します。

3. 冷却システム

冷却システムは、射出成形プロセスの効率と品質を維持するために不可欠です。金型の温度を調節して、プラスチック部品の均一な冷却と凝固を確実にします。コンポーネントには次のものがあります。

• 水路: 金型に組み込んで冷媒を循環させます。
• チラー水やその他の冷却液を冷却するために使用されます。
• 温度コントローラ: 金型内の希望温度を維持します。

4. 資材処理

迅速な射出成形プロセスには、効率的な材料処理が不可欠です。これには以下が含まれます。

• ドライヤー: プラスチック樹脂から水分を除去し、成形部品の欠陥を防ぎます。
• ホッパーとフィーダー: 樹脂を貯蔵し、射出成形機に供給します。

5. オートメーションとロボティクス

自動化により、射出成形プロセスの速度と一貫性が向上します。主なコンポーネントは次のとおりです。

• ロボットアーム金型から部品を取り出し、トリミングや検査などの二次作業を行います。
• コンベヤシステム完成した部品を次の生産段階または梱包段階に輸送します。

6. 品質管理機器

成形部品の品質を確保することは非常に重要です。使用される機器には次のものがあります。

• 三次元測定機 (CMM): 部品の寸法を測定して、仕様を満たしていることを確認します。
• 光学式およびレーザー式スキャナ: 詳細な表面スキャンを提供して、欠陥や設計からの逸脱を検出します。

要約表

機器	説明
射出成形機	温度、圧力、サイクル時間を管理するための射出、クランプユニット、制御システムを備えたコア機械。
金型	プラスチック部品を成形するためのアルミニウム、軟鋼/半硬化鋼、または MUD インサートで作られたツール。コスト、速度、耐久性のバランスに基づいて選択されます。
冷却システム	水路、冷却装置、温度制御装置により金型温度を調節し、均一な冷却と部品の品質を確保します。
資材処理	水分を除去するための乾燥機、樹脂を貯蔵し射出成形機に供給するためのホッパーとフィーダーが含まれます。
オートメーションとロボティクス	ロボットアームとコンベアシステムにより、部品の取り外し、二次操作、輸送を自動化し、速度と一貫性を向上させます。
品質管理機器	CMM、光学スキャナー、レーザースキャナーなどのツールを使用して寸法を測定し、表面を検査し、部品が仕様を満たし、欠陥がないことを確認します。

高速射出成形では、高度な機械、精密な工具、効率的な冷却システム、自動化を組み合わせて、高品質の部品を迅速かつコスト効率よく製造します。

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Q＆A

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カタログ： 射出成形ガイド