3Dプリントでの金型製作：プロのための金型製作ガイド

青銅器時代に初めて金型が使われるようになって以来、それまで粗雑だった製造工程は急激に進歩してきました。以来、金型製作の技術は発展を続け、射出成形、真空成形、鋳造などの高度な製造手法を用いるさまざまなメーカーが、私たちの身近にある樹脂、シリコン、ゴム、複合材、鋳造製品の製造に金型を使用しています。

プロの製造業者だけでなく、こういった製造手法の利点を活用したいと考えるホビイストたちも、金型製作の方法や製造工程での使い方、決められたスループット要件を満たすための最適な使用方法を理解しておく必要があります。

本ガイドでは、金型製作を始めるにあたって必要な情報を包括的にご紹介します。また、金型製作の方法、用途ごとに最適な方法の選び方、製作工程を最適化する設備、3Dプリントの役割など、金型製作を成功させるために役立つ詳細な補足情報のリンクも各工程のセクションでご紹介しています。

製品の製造工程では、金型と呼ばれる各用途ごとに設計・固定された構造もしくは枠に可鍛性の原材料を流し込んで成形する工程があります。金型は、製造者が意図する最終的な形状に応じて、凹形状（雌型）または凸形状（雄型）で設計されます。

金型は意図した形状をばらつきなく複製するためのもので、製造工程には欠かせない存在です。金型に使用する材料には、金属、樹脂、セラミック、木材、発泡スチロールなどがあります。設計や加工を経て完成した金型を成形機に取り付け、熱可塑性樹脂などの原材料を金型の中や周りに流し込みます。材料が冷えて固まることで材料が金型通りの形状や模様になり、最終的な製品が成形されます。

金型を使って作れるものは、試作品から複雑な形状をした実製品用部品まで多岐にわたります。成形技術は自動車部品、消費者製品、梱包材、ジュエリー、医療機器、その他様々な製造工程で使用されていて、むしろ部品の製造に成形法が使用されていない機能製品を探す方が難しいくらいなのです。

金型製作はさまざまな製造工程において欠かせない作業です。金型は、最終的な形状を複製して大量生産するための設計図のような役割を果たします。金型を利用する製造工程には、次のようなものがあります。

• 射出成形：熱可塑性樹脂やシリコン、ゴム製品の生産に最も広く採用されている製造方法です。コスト効率と再現性に優れ、高品質な部品を大量に連続生産することが可能です。射出成形では、製作した金型を射出成形機に設置し、加熱して溶かした熱可塑性樹脂や原料を金型に流し込みます。材料が冷えて固まったら成形品が外部に排出され、この工程が次々と繰り返されます。

• 真空成形／熱成形：シート状の樹脂を加熱し、金型に被せることで特定の形状に成形する手法です。成形機の中でシートが金型通りの形状になり、成形品が出来上がります。使用する成形法によって、加熱したシートを金型の上に引っ張って被せたり、金型の中にプレスして押し付けたり、真空で密着させる方法があります。熱成形は梱包材の製造で最もよく使われる方法ですが、耐久性のある実製品用部品の製造にも採用されています。

• 鋳造：溶かした金属やその他材料を型に注入し、材料が金型の中で冷えて固まることで製品が成形されます。鋳造は、金属製品のほか、シリコンや樹脂製品の製造によく使用される製造手法です。

• 圧縮成形：加熱・計量した材料を加熱した金型の中に充填し、加圧することで目的の形状に成形する製造手法です。圧縮成形は一般的に、比較的単純な構造の部品を小・中規模生産する時に、射出成形の代替手法として用いられます。

• ブロー成形：吹きガラスに似た成形法です。ブロー成形機で柔らかくした樹脂やガラスをパイプ状にして押し出し、その中に圧縮空気を吹き込んで金型に押し当てます。空気が吹き込まれると圧力で樹脂が膨らみ、金型に張り付くことで成形されます。ブロー成形は、ペットボトルなどの中空製品の製造によく用いられます。

• 複合材料のハンドラミネート（ハンドレイアップ）成形：型に沿って複合材料を積層する成型法で、ウェットレイアップ、プリプレグ積層法、レジン・トランスファー・モールディング（樹脂注入法）などの方法で炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック、ケブラーなどの高機能繊維材料から複合材製品を成形します。

上記の製造工程で使用される可能性のある金型は多岐に渡ります。たとえばアルミニウムの鋳造では、砂型鋳造用の金型、セラミック製金型、シェルモールド用の金型など、およそ7種類の金型が存在します。そこで、金型の種別をわかりやすくするために、次のような分類が行われます。

• 一体構造型：構造が一番シンプルな金型で、成形品のすべての面が均一に仕上がります。金型全体が1ピースでできているので、平坦な面が1つしかない金型や成形品も製造可能です。一体構造型はCADモデルを使った製作も可能ですが、実際にはマスターを先に作ってそこから起こすのが一般的です。

• 分割構造（二分割金型：より複雑な形状をした製品の製造に向いている金型です。2つの分割された部品がパーティングラインで結合されており、実製品の製造に用いられます。この金型で作る成形品には、モデルデザインやマスターモデルの両部品の特徴が反映されます。分割構造の金型の場合、マスターモデルやCADモデルを使ってそれぞれの部品を製作し、組み合わせる必要があります。

• 分割構造（多分割）型：一体構造や2部品で構成される分割構造の金型とは異なるアプローチが必要な、複雑な形状の製品を作るのに最適な金型です。多分割構造の金型は複数の部品が組み合わされた構造になっており、モデルのさまざまな形状や特徴を再現できます。

• マルチキャビティ金型：成形品と同じ形をしたキャビティが複数ある金型です。1回の生産サイクルで同じ部品を複数製造することができるため、生産性が向上します。

金型を分類する際に重要となるもうひとつの特徴が、金型の再利用率です。再利用率とは、メーカーが1つの金型を廃棄するまでに何回使用することを前提としているかを意味します。以下のような分類ができます。

• 使い捨て金型または犠牲型：成形工程で一度使用した後、金型の取り外し工程で破壊されるタイプの金型です。使い捨て金型は通常、砂、粘土、シリコン、ワックス、樹脂などで作られます。

• 再利用型または永久型：その名の通り、小ロット量産から大量生産まで対応できる、繰り返し使用できる金型です。小ロット量産の場合（ソフトモールドと呼ばれることもあります）、再利用可能な金型はシリコン、発泡スチロール、木材、樹脂、またはアルミニウムのような柔らかい金属で作られます。一方、大量生産に使用する金型の場合は、摩耗することなく使い続けられる耐久性の高い金型（ハードモールドとも呼ばれます）が必要となるため、鋼鉄などの硬質金属で作られます。

用途ごとに最適な金型の製作方法を見極めるには、成形品に使用する材料、製造工程、モデルの形状、生産量など、重要な要素をいくつか考慮する必要があります。

このセクションでは、製造手法ごとに最適な金型の製作方法を選ぶために必要な考慮点をステップごとにご紹介します。

プロジェクトに期待されること、製造スケジュール、予算などの詳細を明確に定めることができるのが、製造のマスタープランです。特注品を作るのか、同じ部品を何千個も大量生産するのかによって、次のステップで選ぶべきオプションが変わります。開発基準はプロジェクトによって異なりますが、一般的には部品の形状、サイズ、材料、求められる品質、公差要件、納期、生産量、コスト制約などがあります。

製品開発でこういった詳細を定義する最初の文書が、製品要求仕様書（PRD）です。部品表（BOM）は、製品の製造に必要な部品、アイテム、アセンブリ、その他材料を包括的にまとめた一覧表です。

上記の開発基準によって、部品ごとに最適な製造工程が大きく変わります。場合によっては、指定の形状を実現するために複数の製造工程を組み合わせることもあります。大抵の場合は、他の開発基準を満たしながらコストを最低限に抑え、求められる品質で部品を製造できる工程を選択することになります。中でも製造工程の選択を左右する最も重要な要素が、材料選定と生産量です。

樹脂製部品を製造する場合は、樹脂を使った製造工程のガイドもお読みください。

製造工程が決まると、その工程で使用する金型の種類も開発基準によってほぼ決定することができます。具体的な要素は製造工程によって異なりますが、ここでは金型の製作方法を選ぶ際に最も重要となる考慮事項をいくつかご紹介します。

• 成形品の形状：成形品の設計をできる限り簡素化し、使用する製造方法で定められている設計ルールに合わせることで、コストを最低限に抑えられる金型の製作方法を選ぶことができます。単純な形状の製品を成形する場合は手作業で製作できる金型で十分かもしれませんが、形状が複雑な製品の場合、分割構造の金型や、3DプリンタやCNC加工などのデジタルツールが必要になる可能性があります。

• 生産量： 大量生産が必要な場合は、何度も使用しても摩耗することなく形状を正確に再現できる耐久性の高い金型が必要ですが、このような金型はコストも高く製作期間も長くなります。1回限りの部品や少量ロット生産の場合は、犠牲型や、修復不可能なほど摩耗し始めたら廃棄できるソフトモールドなど、素早く安価に製作できる金型を選択する方が効率的になります。

• 求められる品質：公差要件が厳しい場合、デジタル技術を搭載した加工機など、より精密な金型やその金型を製作するための設備が必要になると同時に、複数の生産サイクルを経ても常に均一な品質で成形できる耐久性も必要です。

• 納期：金型の形状が複雑な場合、外注すると製作に数ヶ月を要することがあります。納期が短い場合は、3Dプリントを活用したラピッドツーリングなど、金型の製作期間を短縮できる代替手段もご検討ください。

• 材料：融点が高い材料や研磨性の高い材料の場合、劣化することなく必要な量の部品を成形できる耐久性が高い金型が必要になります。