プロトタイピングから大量生産まで対応可能な圧縮成形ガイド

圧縮成形は、汎用的な製造プロセスとして大小問わず多数の生産会社で活用されており、大型の航空機部品から小さな哺乳瓶のノズルまで、さまざまな部品を生産するために利用されています。

このガイドでは、圧縮成形の概要、メリット、その用途をご紹介します。続いて、試作品の作成からパーツの大量生産まで、あらゆる段階で誰でもこのプロセスが使えることをご紹介します。

圧縮成形とは、一般に計量した成形用材料（通常、「チャージ」と呼ばれます）を予熱し、加熱した金型2つを使ってこの材料を目的の形状に圧縮する製造プロセスのことです。 

圧縮成形工程は次のような手順で進みます：

1. 金型の作成 - ツーリングは、切削、ダイカスト、3Dプリントなど、さまざまな方法で作成できます。 

2. 機械のセットアップ - 使用する特定の機械や装置によって、金型の洗浄、熱の投入、その他セットアップ工程が含まれます。

3. チャージの準備 - 使用する材料の種類を選び、適切な材料の量を決定します。チャージが大きすぎると、余分な材料が金型からしみ出て鋳ばりとなり、手作業で切り取る必要が生じます。

4. チャージの装填 - チャージを下型の中央に置きます。

5. 部品の圧縮 - 上型を閉じて圧力をかけ、部品が形成されるのを待ちます。多くのメーカーは圧縮プロセス中に熱も使うことで、原材料をやわからくして生産スピードを高めています。

6. 部品の取り出し - 完成品を取り出します。

7. 部品の洗浄 - 端に残った樹脂のバリを手作業で切り落とすか取り除く必要があります。また、最終組み立ての前に部品の洗浄が必要な場合もあります。

圧縮成形と射出成形はよく似ていますが、1つ大きな違いがあります。圧縮成形では、金型がチャージを包み込むのに対し、射出成形では、チャージは閉じた金型のキャビティに射出されます。

現代のメーカーは圧縮成形と射出成形の両方を使用することが多いですが、部品の種類に応じて両者は使い分けられています。射出成形は一般に、複雑な部品に適しているのに対し、圧縮成形は比較的単純な設計に適しています。たとえば、押出成形技術では製造できない超大型の基本形状などです。

射出成形では圧縮成形よりもサイクルタイムが短いため、部品を大量生産する場合には、射出成形のほうが速く、費用対効果も高くなります。しかし、圧縮成形はより圧力の低い生産手法であるため、ツーリングコストが低くなることが多いです。また、材料の無駄が少ないため、高価な材料を取り扱う場合にはメリットとなります。 

1つの目安としては、大量生産には射出成形が適していますが、小規模や中規模の量の部品生産には圧縮成形が適しています。

圧縮成形と射出成形の違いについて説明したところで、この製造プロセス特有のメリットと制約についてさらに詳しく紹介していきます。

単純で、ほぼ平らな大きな部品を作る場合には、圧縮成形はしばしば最も費用対効果の高い製造手法となります。多少の曲面やくぼみのある設計は許容範囲内ですが、極端な角度や深絞りを圧縮成形で実現するのは難しい場合があります。また、圧力が低いため、ツーリングコストは手頃で、金型は通常、たわみや交換の必要なく長く使用できます。圧縮成形の長いサイクルタイムに伴うコストを相殺するためには、複数のキャビティを備えた金型を使って、同じサイクルで複数の部品を生産することができます。

圧縮成形では、フローマークやニットラインのない強固な部品を生産できます。圧縮成形品の構造安定性は極めて高いです。また、圧縮成形は複合材料を使った部品の製造にも使用されています。言い換えれば、この手法なら耐久性、耐食性に優れる部品や製品を簡単に作れるということです。

圧縮成形はエンジニアや製品開発者に適した素晴らしい製造ツールでもあります。たとえば、低コストの圧縮成形用金型を利用してプロトタイピングを実施することができます。コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアで簡単な圧縮成形用金型を設計し、3Dプリントすれば、シンプルな卓上万力でさまざまな種類の材料を成形するのに使えます。この記事の後半で、OXO社のプロトタイピングの例をご紹介します。

圧縮成形には多数のメリットがありますが、限界もあります。急な角度のある部品や、細かな部分があるような複雑な部品を製造する場合には、圧縮成形は適しません。また、サイクルタイムは数分に及ぶこともあり、大量生産向けの成形手法に比べて遅いです。たとえば射出成形では、サイクルタイムはほんの数秒程度のことが多いです。

さらに、圧縮成形に伴う人件費は比較的高くなることがあります。これは、サイクルタイムが遅い分、作業時間が長くなるためです。また、圧縮成形品から鋳ばりを手作業で取り除く必要があるため、時間かかるほか、廃棄物が生じます。このような制約があるものの、圧縮成形は、私たちが毎日使うさまざまな製品の製造に用いられる重要な製造方法です。

圧縮成形の用途は多岐にわたります。以下に、私たちが接する多数の部品や製品のうち、圧縮成形された部品を持つものの例を挙げます。

• 車両部品- 自動車やトラクターなどの車両の大型部品やパネルは圧縮成形で製造されています。車両のインテリアのプラスチック部品の多くやエンジン部品も、圧縮成形で作られている場合があります。

• コンピュータおよびゲーム機器 - ビデオゲームのコントローラーの部品やキーパッドなどは圧縮成形で作られている場合があります。

• キッチン用品 - キッチンツール、調理器具、機器の多くには圧縮成形された部品が搭載されています。ボール、カップ、プレートなどの食器類、特にメラミン製のものは、圧縮成形で製造されることが多いです。

• 電機部品 - 電気ソケット、スイッチ、面版、計測器などの製造には、圧縮成形が用いられることが多くあります。

• 医療機器および歯科機器の部品 - 医療業界で使用されるプラスチック部品やシリコン部品の多くは、圧縮成形で製造されています。たとえば、注射器のストッパーや人工呼吸器のマスクが例として挙げられます。

圧縮成形を用いて製造されるキッチン用品

圧縮成形機には、大型の産業用機械からDIY用の小型のものまで、さまざまなサイズがあります。製造される部品と同じように、圧縮成形機も、機械を作るエンジニアや設計者の数だけ存在します。次の項目で、いくつかの例をご紹介します。

大型の産業用圧縮成形機は、大型の商業部品の製造に最適です。

油圧リフトシステムにより、大型で均一な部品を製造するのに必要な高い圧力が実現できるうえ、作業者は離れた作業版から工程を監視できます。

小型の卓上型圧縮機は、小型から中型程度の部品や製品の製造に最適です。Beckwood社の卓上プレス機は大型の産業用圧縮成形機よりも小さいにもかかわらず、大量生産に適しています。アクセスポイントが複数あるため、加工したパーツや鋳ばりを簡単に取り除ける柔軟性があるほか、設置面積が小さいため、小さめの倉庫や生産施設への導入が容易です。

圧縮成形では、熱を加えることも、加えないこともできます。これは、あらゆるサイズの圧縮成形機について言えることです。メーカーによっては、冷間圧縮機を使用しながらも、チャージや原材料を熱したうえで金型に配置することさえあります。特定のタイミングに熱を加えることで、完成品の硬化プロセスを制御し、生産サイクルを短縮できるのです。

湿式圧縮成形機は、レジン、エポキシなどの液状物質と固形繊維を結合させるために使用されます。

耐久性のある自動車部品・コンポーネントの製造には、湿式圧縮成形が一般的になっています。BMWなどの大手企業が、湿式圧縮成形機を生産ラインに取り入れています。

圧縮設計は、家庭用途の設計やDIYにも適しています。ウレタンなどのやわらかい材料は、比較的低圧で圧縮成形できます。複雑な金型であっても、3DプリンタとCADソフトウェアを使えば簡単に製造できます。小規模なプロジェクトの多くでは、シンプルな卓上万力やレバーシステムを使うことで圧縮を実現できます。

熱可塑性樹脂と熱硬化性物質のどちらでも圧縮成形に利用できます。熱可塑性材料とは、加熱されるとやわらかくなり、冷えると硬くなるプラスチックの一種です。熱可塑性樹脂は、何度も加熱したり冷やしたり（または形を変えたり）できます。

一方で熱硬化性物質は、加熱されると不可逆的に硬化するプラスチックやポリマーのことで、一度だけしか成形できません。圧縮成形プロセスにより、熱硬化性物質は、元に戻したりやり直したりできないような形で化学的に変化します。

圧縮成形で広く使われる材料には、以下などがあります。

• フタル酸ジアリル（DAP）

• エポキシ

• 高密度ポリエチレン（HDPE）

• メラミン

• ポリアミドイミド（PAI）

• ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）

• ポリウレタン（PU）

• ポリフェニレンサルファイド（PPS）

• フェノール樹脂（PF）

• ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）

• シリコン

• 尿素樹脂（UF）

• ウレタン

圧縮成形する材料やチャージに応じて、金型を作る方法は複数あります。重要なのは、金型が圧縮成形プロセスに耐えられることです。そのため、熱を加える場合は、急激な温度変化に耐えられる金型を作る必要があります。また、金型は、圧縮過程でかけられる圧力に耐える必要があります。

ダイカストは最も一般的な方法として、圧縮成形やその他の製造手段向けに金型を作るのに利用されています。他の製造手段よりも安いコストで耐久性のある金属部品を作れるため、ダイカストは最有力手段となっています。なお、ダイカスト用のダイはCNC加工により作られていることが多く、この2つの製造手法は連携的に利用されることが多くあります。

より細かな圧縮成形型には、CNC加工が最適です。CNC加工はコンピュータ化されているため、エンジニアは設計をコントロールしやすくなります。ただし、ツーリングの作成にはコストがかかることがあります。メーカーによっては、ダイカストとCNC加工を組み合わせることで、より費用対効果の高い金型を製造します。

圧縮成形のツーリングは3Dプリントで作ることもできます。小型サイズの部品を試作する場合、3Dプリントは最も安価かつ高速な金型製作手段となり得ます。試作品をテストした後CADソフトウェアで設計を微調整し、再度試作を行ってまた検証するという反復検証サイクルも遥かに高速に回すことができます。3Dプリントは熱を使用しない用途を想定した圧縮金型に最も多く使われています。

OXO社はアメリカを拠点とするメーカーで、アイコニックなキッチン用品を含め、人間工学に基づく実用的な家庭用品を製造しています。同社の製品開発担当者は光造形（SLA）3Dプリントを活用して形状や機能のプロトタイピングを行っていますが、ガスケットなどのゴム製部品のプロトタイピングにはハイブリッド方式が欠かせません。

OXO社のエンジニアは、カクテルシェーカーの部品の間を密閉するガスケットの機能確認用試作を作成する必要がありました。数々のシリコンを検証した後、圧縮成形した2パーツシリコンパテ「Castaldo Quick-Sil」が実製品としてのガスケットに似た密閉試作品の製造に最適と判断しました。実際、この圧縮成形の試作品は、ガスケット製造に使われる手法と金型設計をよく表しています。

同社エンジニアは、Formlabs SLA 3Dプリンタで、Clearレジンを使って金型を作りました。金型の洗浄と硬化が終わると、圧縮成形に向けた準備が行われました。金型の内部表面には、離型剤が塗布されました。続いて、シリコンパテが用意され、下型に流し込まれました。

左：3Dプリントした金型にシリコンパテを流し込むところ。右：卓上万力で圧縮される金型。

その後、上型を閉じ、卓上万力で2つの型を圧縮することで、必要な圧力をかけることができました。部品が完全に硬化した後、金型から取り出され、トリミングが行われました。ホワイトペーパーのステップ・バイ・ステップガイドをご利用いただくと、目的に応じて簡単にこのプロセスをアレンジできます。

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