オーバーモールドとインサート成形: 試作品製作から量産まで

オーバーモールド成形とインサート成形の違いが分かりにくい場合があります。当然のことながら、どちらのプロセスも射出成形の種類で、構造上同じようなパーツの製造に使われます。しかしよく見ると、インサート成形とオーバーモールドは実際はっきりと異なっており、それぞれに独自の利点があります。 

埋め込み電子機器から日常の道具を握りやすくすることまで、オーバーモールドとインサート成形は多くのメリットをもたらしますが、 これらの製造方法の特性をよく理解して初めて、自分にとって有利になるように活用することができます。

詳細について:

• オーバーモールドとインサート成形の基礎
• どの場面でどの製造方法を選定するのか
• オーバーモールドとインサート成形は通常何に使われるのか
• これらのプロセスを試作品製作に用いる方法
• 3Dプリント製金型を使ってインサート成形で試作品を作る方法

オーバーモールドは2つ以上のコンポーネントの組み合わせで、1つをもう1つの上に成形する射出成形プロセスの一つです。 オーバーモールドは、2ステップのプロセスを踏むことから2ショットモールディングと呼ばれることがあります。

1つ目はベースとなる材料 (基板として知られています) が成形され硬化されます。オーバーモールドの基板にはプラスチックがよく使われます。そして2つ目の層を1つ目の上に直接成形して、単一の部品を製造します。オーバーモールドは、ゴム製の握りが施されたプラスチックパーツを製造するときによく使われています。例えば、歯ブラシのオーバーモールドの2スロットプロセスは、プラスチックの取っ手としてベースとなる層を成形し、(歯ブラシを握るときに滑らないように) ゴム製の上の層を成形します。

オーバーモールドに使用できる多様な材料: 

• アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)

• 高密度ポリエチレン（HDPE）

• ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)

• ナイロン (ポリアミド)

• ポリカーボネート (PC)

• ポリエチレン (PE)

• (ポリエーテルイミド (PEI)

• ポリブチレンテレフタレート (PBTR)

• アクリル (PMMA)

• ポリオキシメチレン (POM)

• ポリプロピレン (PP)

• シリコン (SI)

• 熱可塑性エラストマー (TPE)

• 熱可塑性ポリウレタン (TPU)

• TPR (熱可塑性ゴム (TPR)

オーバーモールドには多くの利点があります。複数材料および/または色で成形できます。オーバーモールドは、パーツを全く異なる金型や機械に移さなければならない他の製造方法と比較して、労働時間が少なく済みます (よって、より低コストです)。オーバーモールドでは、1つののパーツの上に直接もう1つのパーツを成形するので、製品のアッセンブリの必要性が無くなり、その結果、全体としてより丈夫で耐久性の高い設計が可能になります。

オーバーモールドは、大量の生産工程および/またはカラフルな複数層設計の製品に最適ですが、心に留めておくべき制限もいくつかあります。射出成形同様に、オーバーモールドには過度の先行投資が必要となります。製造したり金属工具を調整することに多大な時間とコストを要し、2ショットの射出成形機は集中的にベストな結果を出すまでの工程が複雑です。よって、これらのコスト分散させるためには大量パーツを生産しなければなりません。 

プロからのアドバイス: オーバーモールド用にパーツや金型を3Dプリントすることで 試作段階での時間とコストを大きく節約できます。

インサート成形とは、2つ目のパーツを基板の上に成形する、射出成形のもう1つの形です。インサート成形とオーバーモールドの違いとなるものは、インサート成形は既にある基板 (ベースまたは内側の部品) に作業を施す点です。あらかじめ作られたパーツ (ほとんどは全く別の施設または別の会社で製造されたもの) を金型に挿入し、2つ目の層をその周りに成形します。

インサート成形は金属層の上にプラスチック層を加えるときによく使われ、例としては、金属のねじ回しにプラスチック製の取っ手を加えるときなどです。また、断熱管、配線、その他同様の製品、またはプラスチックへの埋め込み電子機器の製造にもインサート成形は使われます。

前出の、オーバーモールドに使われる (熱可塑性) 樹脂と同じ材料を、インサート成形の外側や上層の成形に使うことができます。

インサート成形では、オーバーモールドと全く同様に、アッセンブリの必要性が無く丈夫なパーツを成形することができますが、インサート成形はさらに多様な材料を用いることができます。例えば、コンピューターチップやケーブルなどを樹脂でケーシングできます。インサート成形を最も有効利用できる方法はおそらく、(殺菌可能な) 人命救助用医療器具やインプラントへの樹脂製の覆いを製造することでしょう。

しかしインサート成形にはオーバーモールドと同様の限界もあります。3Dプリンタをテスト工程に使用しない限り、試作品製作が実現困難になり得ます。最終製品の製造のために、基板を金型内に入れたままの状態にしなければならないことが多いため、型の製作は非常に正確である必要があります。

自分の用途に最適な製造プロセスを選定するためのガイドとして、この表を参照してください。

先駆者たちは絶えず製造方法を状況に合わせて適応させてきたため、これらのルールには例外がありますが、上のチェックリストはどのプロセスを選ぶべきかを決める際に最初に確認する事項として役立ちます。これらの2つの製造方法は両方併せてに使うことも可能です。

製造業者はオーバーモールドとインサート成形を使って、幅広い業界に提供する商品を製造しています。ここで、通常これらのプロセスの1つまたは組み合わせによって製造される製品例をご紹介します。

家を見渡すと、複数カラーの丈夫な単一プラスチック製品を多数見つけることができます。それらの多くはオーバーモールドを使って製造されたものに違いありません。この人気の高い製造プロセスは、ボーリングのピンや子供のゲームの構成品から、収納箱やプラスチック容器まで、あらゆる物の生産に使われています。

歯ブラシ、携帯電話ケース、サムドライブは通常、オーバーモールドおよび/またはインサート成形を使って製造されています。オーバーモールドは、ステップスツールやパティオチェアなど、様々なツートンカラープラスチック家具の製造に使われています。GPSユニットやナビゲーション機器のプラスチック筐体も、オーバーモールドとインサート成形を使って作られていることが多くあります。

金属とプラスチックの組み合わせ、またはゴム材料で造られている電気センサー、ギア、留め具、その他の車両部品の製造には、通常インサート成形が使われています。オーバーモールドはドア、ダッシュパネル、ハンドル、ノブ、様々な制御装置など、丈夫でツートンカラーの内側部品を作るのに使われます。特定のモーターやバッテリーもインサート成形のプロセスを通して作られています。

樹脂は電子やコンピューター部品に比べて殺菌しやすいことから、医療業界はインサート成形とオーバーモールドされたパーツに大きく依存しています。除細動器、医療用ケーブル、ワイヤはしばしば、インサート成形を使ってプラスチックで覆い、壊れやすい内側の部品を保護し、最終製品デバイスの手入れをし易くします。

ペースメーカー等、体の内側に埋め込むように設計された医療器具は、通常インサート成形を使って製造されます。製造施設では、内視鏡検査や結腸内視鏡検査を行うときに用いる器具など、身体の内側の画像用の様々なカメラ機器の製造にもインサート成形を使っています。

電線は、ゴム製の外装をインサート成形することで、特定のケーシングがなされより安全に、また耐候性になります。製造業者は、消費者の安全のために、携帯電話やコンピュータの充電器等の製品のワイヤ部品をゴムでコーティングします。複数ワイヤを1層のゴムでコーティングしたり、、また、ワイヤを分離させ、青と赤の対比色を用いて区別することもあります。

オーバーモールドとインサート成形は、コスメティックスのパッケージをより魅力的な外観にするために日常的に使われています。デザイナーは独自の表面テクスチャと複数カラーを施したカスタムパッケージを作ることができます。コンパクト、メイク用ブラシ、香水瓶等の製品はすべてオーバーモールドおよび/またはインサート成形を使って製造することができます。

プロトタイピングは、製品開発には不可欠な工程です。プロダクトデザイナーやエンジニアはコンセプトを試し、 今まで使ったことの無いデザイン要素を解決していかなければなりません。しかしプロトタイピングの欠点はすぐに非常に高額になってしまうことです。また、部品製造を外部委託しているとしたら、さらに多大な時間も費やすことになります。

世界トップのイノベーターたちは、3Dプリントにオーバーモールドやインサート成形等の製造プロセスを組み合わせることによって、これらのプロトタイピングの問題を乗り越えています。

Google Advanced Technology and Projects（ATAP）ラボのデザイナーチームは、3Dプリントとインサート成形を導入することで、テスト期間を3週間から僅か3日間まで短縮し、10万ドル以上のコスト削減を実現しました。Google ATAPチームは高額な電子部品をサプライヤーから買い入れるのではなくテストパーツを3Dプリントした方が、製作時間もコストも大きく削減できることを発見したのです。これはビジネスに3Dプリントと他の製造方法を組み合わせる多様な手段の1つです。

GoogleのATAPチームは工場での初期段階のツール調整にオーバーモールド成形製の電子部品の代替品として 3Dプリント製品を採用しました。

また、米ブルックリンに本拠を置くスタートアップ企業、Dame Productsは健康関連グッズのデザインを行っています。同社はシリコンインサート成形を採用し、顧客向けベータ版試作品の内部装置をそのシリコン内に包み込んでいます。Dame Productsの製品は、肌に無害で鮮やかな色彩のシリコンで包まれた複雑な人間工学形状をしています。

同社のエンジニアたちは、3～4つのSLA方式3Dプリント製金型を駆使して1日に数十点の装置をインサートおよびオーバーモールド成形で試作しています。試作品のシリコンゴムを硬化させている間に次の試作品を脱型して次の充填の準備をすることができ、脱型した試作品の仕上げや洗浄作業も同時進行で行えます。顧客が試作品を試した後に同社に返却されると、その試作品は漂白された後シリコン部が除去され、内部装置は別の新しいベータ版試作品に再利用されていきます。

以下の教科書的ガイドを使って、1つのハードウェアをシリコンの中に包み込みます。この事例では、3Dプリントとインサート成形の組み合わせを用いています。

1. Formlabs Clearレジンで複数パーツの金型をプリント: 層の高さ50μmでのプリントを奨励しています。パーツの方向付けで内側表面にサポート痕が残らないことが非常に重要です。

2. 金型を洗浄して二次硬化し、サポート材を除去: パーツが粘つきの無い仕上がりになるまでイソプロピルアルコールで丁寧に洗浄します。Clearレジンは60˚Cで15分間二次硬化することを奨励しています。金型の外側を磨くと非常に透明度の高い仕上がりになります。

3. インサート成形の少なくとも1時間前にシリコンを準備: 液体を別々の注射器を用いて移し、1つのパーツ (AまたはB) でエポキシカートリッジシステムの両側を埋めます。まっすぐに立てて、1時間から1日かけてシリコンからゆっくりとガスを抜きます。任意のステップとして、カートリッジのAまたはBのどちらかの側に染料を加えて丁寧に混ぜ合わせます。

4. 離型剤を適用 (任意): 小さな絵の具ばけで非常に薄い層のワセリンを金型の内側表面に加えます。このシリコンオーバーモールド技術も離型剤を使わずに実践できます。

5. 内側のハードウェアを正しく方向付け: 金型の位置合わせピンはハードウェアの配置に役立ちます。

6. 金型を閉じて手動で圧迫: 金型の外側から、ハードウェアが正しく配置・配列されていることを確認します。もしハードウェアの配列が良くなければ、5と6のステップを繰り返します。

7. 金型を固定: 「引きの方向」、または金型の主な分割線に垂直に締めて固定します。固定することでにより内側のハードウェアが動く可能性があるので、再びアライメントを確認します。固定する前にダクトテープで端を密封すると、材料の浸潤やRTV金型成形で生じるのフラッシングを減らすことにつながります。

8. エポキシ注入ガンのアッセンブリ: カートリッジをガンに挿入し、ミキシングノズルにねじ留めします。この段階で、よくミキシングされたことの確認のためにノズルの先端部から液体を少し搾り出します。

9. 金型にシリコンを注入: ミキシングノズルの先端部を金型の開口部に差し込み、引き金をゆっくりと引きます。金型へのシリコンの入り具合を見ながら、金型が一杯になりシリコンがすべての通気孔から溢れ出すまで注入します。空気泡が沈下しているときや、材料が分割線に流れ込んでいるときは、注入を止めた後もシリコンが金型の中に沈み込んでいきます。初期注入の後に、必要であればさらに数回少しずつシリコンを加えていきます。充填したら、振動源 (ハンドヘルドサンダー等) を金型の表面に保つと、空気泡を逃がしやすくなります。

10. シリコンの硬化時間: シリコンの説明書から推奨硬化時間を確認します。この時に仕上げを行います。

11. 試作品の離型: まず金型の外側の余分なシリコンをすべてトリミングします。そしてFormlabsのへらまたはマイナスドライバーで金型をこじ開けます。細いひも状のシリコンが金型の通気孔の中にあることも忘れないでください。それらは時間をかけて個別に切り取ることで、金型の中に残ってハードウェアからシリコンを引っ張ることがなくなります。出来上がり品を完全に外す前に、フラッシングをトリミングするのも良いでしょう。

12. 試作品をトリミング、仕上げ、洗浄: フラッシングは必ず排出されるので、Formlabsのフラッシュカッター または鋭い刃でトリミングします。もしも空気泡が表面に真空空間を作ってしまったら、追加の液体シリコンをつぎあてて塗装し硬化させます。試作品は、ベータテスターの手に渡る前に、業界特有のガイドラインを用いてきれいな状態にしなければなりません。

金型は複数回再利用することができますが、通気孔をペーパークリップやドリルビット等の尖ったものを用いて掃除することが必要です。

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