射出成形品のコストはどう計算すべき？

簡単な回答：樹脂製射出成形金型は、3Dプリント製少量射出成形金型の$100から大量生産用の複雑なマルチキャビティスチール金型の$100,000余りの間の価格で、これは、射出成形で最もよく見られるスタートアップ固定コストです。しかし、これらのコストは何百または何千というパーツに分散させて考えると、射出成形は、プラスチックパーツを低価格で大量生産するのに最適なプロセスです。 

このガイドでは、射出成形に要する全コストを構成する各因子の詳細な内訳について説明します。 

射出成形は、プラスチックの代表的な製造プロセスの一つであり、極めて僅かな寸法公差にてパーツを大量生産する手法として広く活用されています。また、コスト効率と再現性に優れ、大きな生産規模で高品質なパーツを作ることが可能です。 

これは射出成形材料を高熱によって金型内で溶かした後、高圧でプレスする高速集中型プロセスです。溶融材料は製造内容によって決められます。最もよく使われる材料はABS、PS、PE、PC、PP、TPU等の熱可塑性樹脂ですが、金属やセラミックも射出成形することができます。金型は射出成形の溶融材料を入れるキャビティから成り、パーツの最終的な外観に酷似するようデザインされています。 

通常、射出成形のコストが高額になるのは金型製造費用によるもので、ツール費用として知られています。金型の設計と製造費用は、必要生産量、パーツのデザインの複雑さ、金型の材料、金型製作に使うプロセスによって決まります。 

シンプルな少量3Dプリント金型は$100ほどで、複雑な形の金型を大量生産用に設計、制作する場合は$100,000に及びます。射出成形プロセスでは、スタートアップにかかる固定費はかなりの高額になりますが、低価格の熱可塑性樹脂材料と短いサイクル時間、自動化による人員の漸次削減、スケールメリットによって、変動費が低額になります。よって、生産の変動費が低く、プロセスはより効率的になります。また、生産量が多ければコストが数百または数千パーツに分散されるため、パーツ1個当たりの単価は低減されます。 

本動画では、射出成形サービスプロバイダであるMultiplusの協力を得て、3Dプリント製の金型で射出成形を行う手順をご紹介いたします。

射出成形に必要な様々なコストの種類を理解するには、プロセスの徹底分析が必要になります。

射出成形には専用の機械が使われ、会社が内製で使用できるような小型のデスクトップ型射出成形機から、ほとんどの場合においてサービスプロバイダや委託製造業者、大規模メーカーが操業するような産業用の大型射出成形機まで、種類には幅があります。

射出成形によるパーツの少量生産には、小型のデスクトプ型射出成形機と3Dプリント製金型を使うことが、最もコスト効率の良い方法です。限られた予算の中で射出成形をこれから始めることを検討されている場合は、Holipress またはGalomb Model-B100といったベンチトップ型の手動式射出成形機が良い選択肢となります。また、小規模生産用の自動射出成形機であるデスクトップ型のMicromolderや油圧マシンのBabyplast 10/12 等も、小型パーツの中量生産を行う場合には良い代替案となります。

産業用の大型射出成形機は$50,000から$200,000を超えるものまであります。これらの機会にはより厳しい設備要件があり、専門の操作訓練を受けたスタッフ、メンテナンス、監視が必要となります。その結果、射出成形がコアコンピタンスでない限り、ほとんどの企業は大量生産には、サービス費に設備費が含まれている、サービスプロバイダや委託製造業者への外注を行っています。

先に述べたとおり、射出成形のコストが高額になる要因の最たるものは、金型費用あるいはツール費用です。

射出成形用の金型は通常3種類の方法を用いて製作されます。

• CNC加工： CNC加工機はアルミニウムやステンレス鋼を製造するのに最もよく使われるツールで、精度の高さが特徴です。CNC加工では回転ツールと固定パーツによって材料を除去します。機械加工でキャビティ設計が非常に複雑な金型を製作することはできますが、何度もツールに修正を加えることでプロセスの速度が落ちます。複雑性が高くなればコストも高くなるということです。CNC加工は専門の操作訓練を受けたスタッフと専用のスペースを必要とする産業ツールであることから、多くの企業は金型製造をサービスプロバイダに外注しています。

• 放電加工 (EDM)： EDMは通常、一般的な加工方法を用いることでは再現できないような、非常に複雑な設計の金型を製造するときに使われます。EDMでは、希望の金型の形を作るために、ワークピースとツール電極の使用を必要とします。ツールの電極とワークピースの電極は誘電性流体によって分極され、現行の放電を繰り返す原因となる電圧にさらされます。放電によってワークピース電極は最終的な金型として型作られていきます。EDMは非常に精密で、通常、追加の後処理の必要もありません。CNC加工のように、EDMも、多くの企業が機械加工業者に外注している工業プロセスです。

• 3Dプリント： 射出成形用の型を低コストで短期間に製造できるデスクトップ型3Dプリンタは、こうしたニーズに応える強力なソリューションとなります。デスクトップ型3Dプリンタを使えば、CNC等の専用装置を使用する必要なく、機械加工の時間も熟練工を採用する必要もなくなるため、ツール製作にこれまで費やしてきた時間を他の付加価値活動に専念できるようになります。製造業者は、デスクトップ型や産業用両方の成形機で使える金型を内製で3Dプリントすることで、スピードと柔軟性を得られます。さらに、3Dプリンタなら設計を繰り返し検証できるため、工作機械等のハード面に投資する前に、製品開発で品質の向上を図ることもできます。光造形 (SLA) 方式の3Dプリント技術は、射出成形技法として非常に有効なものです。滑らかな表面仕上げと高精度が特長の技術であるため、型が最終パーツに移りやすく、離型も容易です。SLA方式3Dプリントは、高密度かつ完全な等方性をもって化学結合されています。Formlabsが提供するようなデスクトップ型3Dプリンタは、 低価格なものは$5,000を切るものもあり、プリントの実行も操作もマシンのメンテナンスも容易なため、どのような射出成形ワークフローにでもシームレスに統合できます。

より複雑な金型の開発には技術的な専門知識を要します。その結果、企業は、金型の設計と製造等、射出成形プロセスの特定分野を外注することが多々あります。 

射出成形用の設備とツールを所有する企業にとって、技術的なノウハウがあれば、内製で金型を製造することが最もコストを抑えられる方法です。射出成形用のツールがすぐに用意できなくても、外注の金型開発関連のコストを低減することができます。 

シンプルで少量生産用の3Dプリント製金型は、SLAプリンタでわずか$100で製造することができます。約1,000～5,000のユニット数の中量生産用のアルミニウム金型は、およそ$2,000から$5,000の価格帯となります。より複雑な形状を有し、約10,000以上のユニット数の大量生産用に準備される金型は、$5,000から$100,000の価格帯で製造できます。

射出成形に使われる樹脂にはABS、PS、PE、PC、PP、TPU等、様々な種類があり、最終パーツの要件によって選定します。

金型に用いる材料の購入費用は、選定した材料によって異なります。熱可塑性樹脂ペレットは、1kg当たり約$1から$5です。 

材料費は、金型のデザイン、選定した材料、射出成形プロセスを遂行するために使用する材料の量によって決まります。

射出成形に関する設備は通常、自動調整でき、全工程が自動化されています。CNC加工機や放電加工機、および3Dプリンタは、金型を製作するためにCADデザイン仕様に基づいています。射出成形機も射出材料が金型になる過程が自動化されています。産業IM機の多くは自動で完成品を冷却されイジェクトされます。 

労務費に含まれるもの：

• 設定費用： 設定労働は、金型と最終製品を製造するための使用設備の設定に要する時間に焦点を当てます。 

• 修理費用： 修理とメンテナンスタスクには、欠陥のあるパーツの交換や、メンテナンスプロセスを実行するためのツールの使用が含まれます。 

• モニター費用： 機械は自動化されているものの、設備オペレーターは射出成形プロセスの進度を監視します。プロセス期間中のオペレーターの見越賃金が射出成形の合計費用に追加されます。 

内製による生産を行う場合、これらのコストが労務費として計算されます。ビジネスで射出成形を外注する場合、人件費とサービスプロバイダのマークアップがサービスコストに追加されます。

以下の表は、射出成形のコストダイナミクスをわかりやすくするために、電気装置の筺体といった仮定上の品の射出成形の費用を表しています。

* ツールのコストは複数のプロジェクト間で配分されるため、この例での制作費は設備費を含まずに計算しています。デスクトップ型射出成形機とSLA方式3Dプリンタを購入することで、企業は$10,000以下で射出成形をスタートできます。

表の中の3つのプランは、製造量によってパーツごとの単価が最安になる製造方法と金型の種類を示しています。 

一般的に、コストが何千ものパーツ間で配分されるため、製造量が多いときは射出成形は最も効果的です。しかし、少量射出成形のパーツごとの単価がやや高いとは言え、他の製造方法と比べるとかなり低価格で少量生産を行うことができます。

中量生産には加工したアルミニウム金型で用いるのが最も効果的で、従来のスチール製金型よりも低コストで行うことができ、材料やデザイン等の要因によっては、数千回の造形への十分な耐久性を備えています。ほとんどのケースでは、少量射出成形は3Dプリント製金型を使う場合にのみ妥当と言え、例えば、アルミニウム製金型で100個のパーツを製造するとしたらパーツごとの単価は$30となり、従来のスチール製金型を使うとパーツごとの単価は$200となります。

射出成形の金型製造コストは非常に高く、様々なパラメーターとデザインの複雑さによって決まります。射出成形用の金型は通常、アルミニウムや工具鋼を使ったCNC加工、ワークピースの形作りのためのEDM (放電) 加工、または3Dプリントされています。加工またはプリントされたパーツが、求められる基準に到達するように仕上げが施されます。仕上げた金型は、パーツに必要とされる表面形状、射出材料の流路となるランナーシステム、金型を素早く冷却するための冷却水路等から成っています。

射出成形プロセスの主要部分は冷却であることを把握しておく必要があります。金型が素早く冷却されるほど射出材料の凝固スピードが高まり、生産サイクルも速い速度で繰り返されます。よって、特に大量生産を行う場合に冷却水路はとても重要で、金型の設計に含んでおくべき機能です。3Dプリントされた金型での少量生産には、圧縮空気を用いた主導の冷却も可能です。

射出成形プロセスに影響したり、射出生成のコストに直接関連するその他の要素： 

• パーツのサイズ： 成形される製品やパーツが大きければ大きいほど、それに対応する金型も大きくなければなりません。大きなパーツの生産サイクルにはより多くの射出材料が必要になりがちです。大きなサイズで設計された金型は通常、同じ設計で寸法サイズの小さな金型の製造よりもコストが高くなります。 

• パーツのデザイン： 込み入った形状の複雑な設計のパーツを造るには、複雑な形状の金型が必要となります。金型の設計には通常2つのサイドがあります：AサイドとBサイドの内、Aサイドは表側として知られ、通常ユーザーに見られる表面部分です。Aサイドは滑らかで見た目の良さが望まれます。Bサイドはパーツの稼働をサポートする内側を形づくります。Bサイドの構造にはリブやボス等が含まれ、仕上がりは通常Aサイドに比べてかなりザラザラとした仕上がりとなります。複雑なAサイドとBサイドの設計を有する金型はシンプルな設計の金型と比較すると、大抵の場合生産が高額になります。アンダーカット部分のある複雑な設計には、スライドコアの横移動が必要となり、コストが高くなります。

• 生産量： 射出成形の使用による生産量は、金型製造時の生産技術と材料の品質によって決まります。少量生産には3Dプリントした金型や低めのグレードで加工されたアルミニウム金型を用い、大量生産には高いグレードのスチール製金型、更には、摩耗が進んだり生産された品物の品質に影響することなくプロセスを管理するために、複数の金型を必要とすることがあります。これは金型のコストに影響しますが、もちろん、大量生産用金型の高いコストはより多くのパーツ数で配分することができるので、パーツごとの単価は通常低くなります。

パーツ数とキャビティ： パーツ数は金型のキャビティのサイズを参照します。より多くのキャビティまたはキャビティ容量の金型ほど、より長いプレス時間を要します。プレス時間が長くなると生産プロセスに時間がかかり、その結果成形コストが上昇します。 ​​​​​​​

射出成形サービスプロバイダーによるオンラインでの見積もり価格は、基準を知るのに役立ち、特定のパーツの射出成形にかかる費用を見積もるための参考になります。 

費用計算に役立つ、射出成形費用の見積もりプログラム：

• カスタムパーツ

• ICOMold

• 3D HUB

• Protolabs

同様の目的の成形費用比較表射出成形サービスプロバイダーはコスト比較表を使って、プロセスの大まかな見積もりを潜在顧客に提供しています。 

金型のコストは主に、形状の複雑さと生産に要する時間によって決まります。射出成形でのパーツのコストを下げるために、製造の基本原理に従って設計することをおすすめします。 

金型の製造コストは、以下の設計ガイドラインを適用することで低減することができます。： 

• 射出成形プロジェクトに着すする前に、CADモデルを検討して実現可能性を見極めます。急角度、アンダーカット、その他複雑な形状等、のボトルネックの可能性を除去する。 

• 不必要な外観特性を除いたモデルの設計を検討します。これにより、モデル開発に使用する金型サイズと材料の量を低減することができます。 

• コアキャビティアプローチを採用し、金型のBサイドの設計を簡略化します。コアキャビティアプローチは、壁面キャビティを金型の基部に沈めて、それにより急なドラフト角度を作る必要性を減らしながら表面仕上げを向上させます。

• 1つの共通の金型で同じような結果をもたらすことができるならば、自己結合パーツを採用することで複数の金型製造の必要性を減らすことができます。 

射出成形は従来、金型製造が高額であるため、大量生産への製造プロセスと考えられてきましたが、射出成形用金型に3Dプリントを活用することで、高品質で繰り返し可能なパーツ生産に使うプロセスとして、プロトタイプや少量生産にも役立てられています。

3Dプリント製の射出成形用金型を大小双方の生産設備で使用し、機能確認用プロトタイプ、部品のパイロット生産、または最終製品用部品を数百から数千の単位で高効率かつ安価に製造することが可能です。