射出成形を内製で：3Dプリント製樹脂型でのプラスチック成形品の作り方

射出成形は、製造プロセスとしてどこにでも見られます。実際、現在世界に出回っているプラスチック製品の大半は、射出成形方式により製作されています。これは大規模生産のニーズに対して理想的な技術であるものの、従来のCNC加工金型は、少量生産の場合は法外な高コストと長いリードタイムを必要とします。

試作や少量生産（約10～1000パーツ）の場合、3Dプリント射出成形金型が、時間とコスト効率の高いソリューションを提供します。また、より機敏な製造アプローチが可能となるため、従来のCNC加工よりも桁違いな安価で、エンジニアや設計者が金型設計をテストして簡単に修正し、設計に反映するプロセスを、はるかに迅速に反復できるようになります。

Form 3+のような光造形 (SLA) 3Dプリンタを使用したカスタム金型の作成はシンプルかつ便利なもので、3Dプリントと従来の成形技術の両方の利点を活用できます。

このガイドでは、DIY射出成形のプロセスを順を追って説明し、3Dプリントされた金型を使用して社内でプラスチック射出成形を行うために必要な、すべてのツールとヒントをお伝えします。

詳細なガイドライン、設計上の推奨、実際のケーススタディについては、当社のホワイトペーパーをダウンロードしてください。

DIYプラスチック成形のセットアップの構築には、多少の投資が必要です。適切な設備を購入し、それを使いこなすには、コストと時間がかかります。ただし、このようなコストは多くの場合、金属製の金型1つのコストよりも低いため、最終的には時間とコストの節約につながります。

開始に必要なものは次のとおりです。

• FormlabsのForm 3+のような高性能デスクトップSLA 3DプリンタForm 3+は、鮮明な形状を備えた正確な金型を製造し、高品質の最終造形品を生み出す滑らかな表面仕上げを実現します。DIYプラスチック金型だけでなく、SLA 3Dプリンタはまた、製品開発全体におけるプロトタイピングやその他の用途にも適用可能な、貴重なアセットです。 

• 射出成形プロセス中の金型の温度と圧力に耐え得る3Dプリント材料Formlabs SLA 3Dプリンタには、次の材料をお勧めします。

• Rigid 10Kレジン：工業用グレードの高度にガラス充填された材料であり、さまざまな形状や射出成形プロセスに対応できるソリューションを提供します。218°C @ 0.45 MPaの荷重たわみ温度と10,000 MPa の引張弾性率を持ち、強く、非常に硬く、熱安定性を備えています。

• High Tempレジン：射出成形に適した238 °C @ 0.45 MPaの荷重たわみ温度を備えます。この材料は上記のような強さを持たないものの、成形温度が高い材料や冷却時間を短縮するために推奨されます。

• Grey Proレジン High TempレジンやRigidレジンよりも熱伝導率が低いため、冷却時間が長るものの、柔らかく、数百回の摩耗に耐え得ます。

• Galomb Model-B100やHolipressなどの小型の射出成形機市場にはさまざまなコストの小型の射出成形機が数多く存在します。低コストの成形機の多くは手動プランジャーを使用していますが、より高価な成形機の一部はスクリューまたは空気圧システムを使用しています。 一部のお客様は、Minijector、Morgan、APSX、またはMicromolderのシステムも推奨されています。また、Babyplast から出しているデスクトップ型の自動成形機の製品ラインアップも、小型部品を大量生産するための設備投資の計画がある企業には検討に値する代替案となります。 

• お好みのプラスチックペレット

• 金型インサートを設計するためのお好みのCADソフトウェア ツール（無料でダウンロードできるBlenderなど）。

購入前に、生産要件に対して射出成形機を慎重に評価してください。大型パーツの場合、工業プロセスが依然として必要です。このDIY射出成形技術は、小さなパーツを少量生産するのに最適です。

このDIY射出成形プロセスを使用して作成された、Formlabsの3Dプリント金型と、カプセル化されたコンポーネント

DIY射出成形の手順

1. CADで金型を設計

まず、お好みのCADソフトウェアツールを選択して、金型インサートを設計します。こちらではオープンソースのBlenderを使用しています。作業手順はその他のCADソフトウェアとほぼ同様です。

ブランク金型インサートの設計ファイルをダウンロードします。これを使用して、射出金型設計を行います。設計は、ほとんどの射出成形機また金型フレームに対応するよう、簡単にスケーリングすることが可能です。または、マスター金型フレームのキャビティダイアグラムを使用して、独自の金型インサートを設計することもできます。

金型コアの金型半分と、作成したい3Dデザインの両方をCADツールにインポートします。

Blenderで、シーンエクスプローラーの目のアイコンを使用して、型の半分をオフに切り替えます。ワークスペースをお好みに合わせて設定し終えたら、下の画像のように、オブジェクトメニューで金型の両方の半分を「ワイヤー」描画タイプに設定します。

これで、金型を配置できるようになりました。射出成形プロセス中に、オブジェクトが溶融プラスチックの入口と完全に交差していることを確認してください。これをより簡単にするため、「パースペクティブ/オルソの切り替え」で、正射投影モードを使用します。

現在の金型コアの表示をオフにし、反対側をオンにします。このプロセスを繰り返して、オブジェクトが金型コアの残りの半分の入口と完全に交差するようにします。オブジェクトを並べ終えると、Blenderの「ブール差」関数を使用して、交差する2つのオブジェクトの面積を減算する準備が整ったことになります。

オブジェクトの1つ目の半分を選択し、モディファイアメニューでブールオプションを選択します。カットするオブジェクトを選択し、「差分」操作が選択されていることを確認します。オペレーターを適用し、反対側にも同じことを行います。下の画像のようになるはずです。ここで行き詰まった場合は、連動コンポーネントを設計に追加するためのこのチュートリアルが役立つかもしれません。

金型をプリントする準備が整いました。Blenderエクスポーターの「選択したもののみ (Selection Only)」ボックスにチェックを入れて、各半分をエクスポートします。

2. 金型の3Dプリント

金型を3Dプリントするためには、射出成形プロセス中の金型の温度と圧力に耐え得る3Dプリント材料の選択が不可欠です。 

Formlabsの社内試験とお客様のケーススタディを参考に、射出成形用の金型を3Dプリントする際のレジン選定基準を下記の表にまとめています。星3つは星1つよりも有効性が高いことを示しています。

Formlabs 3Dプリンタ用の印刷準備ソフトウェアであるPreFormを使うと、プリントの設定は数秒で完了します。金型設計にプリント用のサポート構造が必要な場合は、キャビティが上を向くようにPreFormで金型の半分の向きを設定してください。これにより、後処理が簡素化され、成形部品の高品質な表面が保証されます。

形状とサイズによっては、複数の金型をビルドプラットフォームに並べることができるので、その場合はより効率的に、一回の造形で複数の金型を完成させることができます。

3. プラスチックパーツの射出成形

金型の設計と3Dプリントが完了したため、小型のプラスチック射出成形機でパーツを成形できます。 

射出成形用に選択できるさまざまな材料が存在します。Formlabsは当社のお客様と共に、3Dプリント射出成形金型を使用して次の材料をテストしています。

• LDPE
• PP
• PA
• PE
• TPE
• TPU
• PLA
• ABS
• ASA
• 高密度ポリエチレン
• EVA
• PS
• ポリアセタール樹脂

選択する前に、目的のオブジェクトの特性と射出成形機の機能を考慮してください。その後は、射出成形機の指示に従うだけで、パーツを迅速かつ効率的に製造できます。

射出される材料によっては、特にTPUやTPEなどの柔軟な材料の場合、金型にパーツが付着することにより、射出中に金型が劣化する可能性があります。 離型剤を使用すると、金型からパーツを分離するのに役立ちます。シリコン離型剤は、Formlabs Grey Proレジン、High Tempレジン、またRigid 10Kレジンとの互換性を持ちます。 

3Dプリントによる金型製作工程にご不明点がある場合は、お問合せ前にFormlabsのサポート記事、FAQ：3Dプリント製金型による射出成形をご参照ください。

DIY射出成形を試みるデザイナーのためのヒント

金型を設計する際、どのように3Dプリントすると成功させるか、そして金型をどのような製品の製作に使用するのかをまず考えます。 

DIY射出成形の正確なアプローチは、目的のデザインとボリュームにより異なりますが、これらのヒントとコツは成功率を高める上で役立ちます.

• 完成品のプリント線が目立たないようにするには、レイヤーの高さを小さくして金型をプリントします（レイヤーあたり、デフォルトの100ミクロンではなく、50 または 25 ミクロン）。これにより、プリント時間が長くなる事にご注意ください。

• 引っ張る方向に垂直な面に2～5度の抜き勾配を追加すると、パーツをより簡単に取り外せるため、金型の劣化を最小限に抑えられます。

• バリを減らすために、目の細かいサンドペーパーで分割面を研磨することもできます。

• 部品をより急速に冷却し、反りを減らすために、水浴の使用を検討してください。

• 浮き彫りや彫り込みなどのディテールがある場合は、少なくとも1mmは表面から離してください。

• アルミフレームを使用することを想定して設計する場合、圧縮する力加わることを考慮して、金型のプレートの裏に0.125mmの厚みを追加し、完全な密閉状態を確実に作れるようにします。

また、作業全体の流れや他のTIPS詳細は、こちらのホワイトペーパーをダウンロードして、内容をご確認ください。

3Dプリントで型を破壊する

3Dプリントと射出成形を比較する際、多くの場合には対比するような形になることが多いものです。しかし、必ずしも両者は対立関係にあるとは言えません。プロトタイプの製作や少量生産用の製品の製造のために、パーツを直接3Dプリントするか、3Dプリントした型を射出成形用に使うことで、この二つの技術の利点を両方享受できるようになります。製造プロセスに要する時間を短縮、コスト効率の向上、製品のいち早い市場投入が可能になります。

3Dプリント金型を使用した射出成形について、さらなる詳細をご希望ですか？ホワイトペーパーをダウンロードして、射出成形プロセスで3Dプリント金型を使用するための詳細なガイドラインを確認し、Braskem、Holimaker、Novusアプリケーションの実際のケーススタディを参照してください。

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