プラスチックの言葉を話す： 射出成形部品設計ガイド

製造業の世界では、部品設計は、製品の機能性、製造可能性、市場での成功の軌道を回転させる天体である。特に射出成形では、部品設計は美観や寸法だけではありません。部品が粒状のプラスチックペレットから、複雑なアセンブリに不可欠な耐久性のある機能部品になるまでの道のりを構想することです。

射出成形のための部品設計は、他の製造工程と同様に、機械的特性、製品設計、コスト効率、性能の微妙なバランスです。 しかし、他の製造工程とは異なり、射出成形では、精密に設計された金型の枠内で、プラスチックが溶融状態から固体状態に変化する際の挙動を考慮した設計アプローチが必要となります。設計者は、プラスチックの流れ、冷却速度の影響、成形品の構造と成形機から受ける物理的な力の相互作用を予測しなければなりません。

製品開発における部品設計の重要性は極めて高い。それは、製造の実現可能性を決定し、製品の最終的な性能の舞台を設定する青写真です。射出成形では、部品設計が金型設計を決定し、ひいてはサイクルタイム、製造コスト、金型自体の寿命に影響する。

よく練られた部品設計は、最適な機能性、寿命、美観を備えた堅牢な製品につながる。逆に、部品設計が不十分であれば、製造上の課題、コスト増、製品不良の可能性が生じます。部品設計者の役割を、単なる貢献者から製品の成功の立役者へと高めているのは、このような利害の大きい環境だからです。

このガイドは、プラスチックの言葉をより流暢に話せるようになることを目的としています。 射出成形部品設計の核となるのは、プラスチックの挙動に関する深い理解です。この知識は、すべての設計要素を構築する基礎となります。しかし、なぜ材料の挙動が部品設計において非常に重要なのでしょうか？その答えは、設計者にとって有利でもあり困難でもあるプラスチックのユニークな特性にあります。

プラスチックは一枚岩ではなく、その特性は千差万別です。ナイロンの引張強度からポリカーボネートの耐衝撃性まで、材料の選択は部品設計の側面に影響し、さらに重要なのは完成部品の性能です。金属や木材、その他の素材と比べると、プラスチックは弾性率が低く、クリープしやすい。 また、粘弾性的な性質があるため、高い速度で力を加えた場合と低い速度で加えた場合では反応が異なります。 プラスチックの応力-ひずみ性能を見るとき、しばしば省略されがちなのが、「でも、これはどのひずみ速度に適用されるのですか」と尋ねることだ。

面白い事実：自動車の機械式サーモスタットは、基本的にロウソク蝋のような物質を使って車の温度を検知し、バルブを開閉して冷却水の流量を調節していることを知っているだろうか？ ロウソクと同じように、プラスチックも溶けたり固まったりするときに大きく膨張したり収縮したりする。 この膨張と収縮が、優れた部品設計の主な原動力となっている。

DFMの核心は、製造工程を念頭に置いて部品を設計することです。射出成形プロセスの能力と限界を理解し、部品構想の初期段階からこの知識を活用することです。DFMの目的は、製造における複雑さを最小限に抑え、材料の無駄を減らし、コストのかかる設計変更を回避することです。

DFMの原則を部品設計に統合することは、単純化することから始まります。形状を単純化し、部品点数を減らし、成形工程に部品を最適化することで、設計者は欠陥のリスクを大幅に減らし、製造工程を合理化することができます。

肉厚が異なると、金型への充填が十分に行われないこともある。 薄い領域と厚い領域が絶対に必要な場合は、流れが厚い領域から始まり、薄い領域が最後に充填されるようにする。 流れが厚い領域から薄い領域へ、そして再び厚い領域へと進まないようにしてください。 リビング・ヒンジを成形する場合のように、このようなことが必要な場合もありますが、避けるべきです。 厚い領域から薄い領域への移行は、できるだけ緩やかで滑らかであるべきです。

射出成形部品の強度は、必ずしもバルクから生まれるとは限りません。リブやガセットを戦略的に使用することで、肉厚の均一性を損なうことなく、部品の剛性を大幅に向上させることができます。しかし、他の特徴と同様に、ヒケを防ぎ、核となる幾何学的設計原則を覆い隠さないように注意して設計する必要があります。

通常、収縮の問題を避けるために、リブは隣接する壁の約60%にする必要があります。 しかし、より正確には、高アモルファスでは肉厚0.5、半結晶では肉厚0.75にすることを推奨する。

ガセットを戦略的な位置に配置することで、荷重を支える部分を支え、材料の流れに影響を与えることなく部品全体の剛性を高める。

穴の設計をする場合、底付き穴よりも貫通穴の方が好ましいが、いくつかの欠点もある。

貫通穴の方が金型にできるオプションが多く、金型が穴の両側から合わせられるため、寸法安定性が高い。 しかし、成形品のフロー・フロントが底付き穴の周囲を移動する際には、穴の周囲を移動しながら2つのフロントに分かれる必要がある。 そして2つのフロントは穴の反対側で再び出会う。 2つのフロントが出会う場所はウェルド・ラインと呼ばれ、局所的な弱点となる。 フロー・フロントが2つの部分に分かれる場合はいつでも、このことを覚えておいてほしい。 底付き穴ではこのようなことは起こらない。

成形の一般的な機能として、スナップ・フィットが知られている。 これは、プラスチックの小さな「腕」を他の部品の上にスナップさせて部品を固定するものです。どのように設計するのでしょうか？



- スナップフィットは、どの点においても材料の降伏ひずみの70％を超えないようなサイズにする必要があります。

- スナップフィットアームは、スナップされた後に応力がかかった状態にならないようにします。

応力値が降伏ひずみの70％以下であれば問題ない。

わかりやすくするために、これは抜き勾配で表示されていません。 金型の他の部分は、スナップフィットの上部と側面を成形する必要があり、スナップフィットのオーバーハングを作成するパススルーシャットオフと接触することがわかります。 2つの工具が接触する部分では、抜き勾配を高くすることで、工具の寿命を保つことができます。 工具が他の工具と接触する部分では、ドラフトを5°以上にしてください。

シミュレーション・ソフトウェアの技術的進歩により、設計者は以前よりも正確に結果を予測できるようになった。しかし、金型シミュレーション技術には限界があります。 経験則として、シミュレーションは反り、沈み、収縮などの歪みが発生する場所を正確に示しますが、そのような歪みの大きさはシミュレーションの予測とは大きく異なる場合があります。 今日に至るまで、優れた射出成形金型設計の原則を理解し、それに従うことに代わるものはありません。

射出成形は、プラスチック部品やコンポーネントを大量生産するための非常に効率的なプロセスです。その主な利点の一つは、高い一貫性と再現性で大量の部品を生産できることである。この均一性は、自動車や医療機器製造のような精度が最重要視される産業にとって極めて重要である。

もう一つの大きな利点は、他の製造方法では困難または不可能な複雑な形状を設計・製造できることである。射出成形は、精密なディテール、アンダーカット、厳しい公差を持つ複雑な設計を可能にし、設計の可能性を大きく広げる。

さらに、射出成形は規模に応じた費用対効果がある。金型の設計と作成にかかる初期費用は高額になることがありますが、製造工程のスピードが速いため、大量生産では部品あたりの生産コストは大幅に削減されます。このため射出成形は、初期投資を大量の部品で償却できる長期生産に最適な選択となる。

材料の選択も利点のひとつである。射出成形では多種多様なプラスチックやポリマーを使用できるため、柔軟性、強度、耐熱性、耐薬品性など、特定の用途のニーズに合わせて材料特性を調整することができます。

射出成形には多くの利点がありますが、欠点もあります。金型製作のための初期投資は相当なものであり、中小企業や生産量の少ない製品にとっては法外なものとなる可能性がある。また、この初期コストは、3D 印刷のような付加製造プロセスと比較して、プロトタイピングにはあまり理想的ではありません。

初期コストを正当化するために大量生産が必要であることは、射出成形が生産の迅速な拡大や縮小に関して柔軟性に欠けることを意味します。設計変更には金型の修正が必要になることが多いため、コストと時間がかかる可能性があり、これは今日の市場の速いペースの製品開発サイクルでは大きな後退となりうる。

環境への懸念も関係してくる。プラスチックは多用途である一方、再生不可能な資源を原料としており、最終製品のリサイクルは困難である。このため、業界内ではより持続可能な慣行が推進されている。

射出成形の長所と短所のバランスを取ることは非常に重要である。射出成形は、その効率性と拡張性により、多くの産業で依然として支配的な製造方法である。しかし、企業はこのプロセスにコミットする前に、環境への影響、初期コスト、設計要件を慎重に検討する必要があります。

結論として、射出成形部品の成功は、製造可能性のための設計（DFM）の原則に導かれて、機能性と美的魅力を織り交ぜた設計哲学にあります。均一な肉厚、適切な材料選択、熟考された表面仕上げ、そして部品と金型設計の共生関係は、部品の完全性、費用対効果、市場実行可能性に貢献する基本要素です。このような設計の基本を正確かつ創造的に操ることで、メーカー各社は、各パーツが製造の厳しい要求を満たすだけでなく、エンドユーザーの期待にも応え、射出成形業界の中心に位置する革新性、品質、実用性の融合を体現することができるのです。