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射出成形は、長年にわたりプラスチック部品を製造する最も一般的な方法の1つです。自動車の内装部品、電子機器の筐体、家庭用品、医療機器、コンパクトディスク、さらには犬小屋にも使用されています。以下に、製造可能性を考慮して射出成形用の部品を設計する際に参照できる、ルールに基づいた標準ガイドラインを示します。[ 1 ]
最も一般的なガイドラインは、製造性の向上や容易化につながる幾何学的パラメータ間の様々な関係性を指定するものです。その例を以下に示します。
肉厚が不均一な部分は、成形品の反りや応力の原因となる可能性があります。肉厚が薄すぎる部分は、取り扱い時に破損しやすく、材料の流れを阻害したり、空気を閉じ込めて不良品の原因となる可能性があります。一方、肉厚が厚すぎると、硬化サイクルが遅くなり、材料費が増加し、サイクルタイムも長くなります。
一般的に、薄肉化は大型部品よりも小型部品の方が容易です。薄肉化の限界要因は、薄肉部ではプラスチック材料が金型充填前に冷却・固化してしまう傾向があることです。材料の流れが短いほど、薄肉化が可能です。また、収縮の不均一による反りを防ぐため、壁の厚さはできるだけ均一にする必要があります。壁の厚さの変化が避けられない場合は、急激な変化ではなく、緩やかな変化にする必要があります。
プラスチックの種類によって壁の厚さに対する感度が異なり、アセタール樹脂やABS樹脂は最大で厚さ約0.12インチ（3 mm）程度、アクリル樹脂は0.5インチ（12 mm）、ポリウレタン樹脂は0.75インチ（18 mm）、特定の繊維強化プラスチックは1インチ（25 mm）以上まで対応可能です。それでも、断面が非常に厚くなると、沈み込みなどの外観上の欠陥が発生する可能性が高くなることを設計者は認識しておく必要があります。[ 2 ]
抜き勾配の設計は、プラスチック部品の設計において重要な要素です。プラスチック材料の収縮により、射出成形部品はコアに収縮する傾向があります。これにより、コア表面の接触圧力が高まり、コアと部品間の摩擦が増加するため、金型からの部品の取り出しが困難になります。したがって、部品の取り出しを容易にするために、抜き勾配を適切に設計する必要があります。これにより、サイクルタイムが短縮され、生産性も向上します。抜き勾配は、部品の引抜き方向に沿って、内壁と外壁に設ける必要があります。
許容される最小抜き勾配を定量化するのは難しい。プラスチック材料の供給業者や成形業者が、許容される最小抜き勾配について権威を持っている。ほとんどの場合、片側1度で十分だが、片側2度から5度の間が望ましい。設計が1度に対応できない場合は、片側0.5度を確保する。0.25度のような小さな抜き勾配でも、全くないよりは望ましい。[ 3 ]
角を丸くすることで、多くの利点が得られます。部品と金型にかかる応力集中が軽減されます。鋭角な角では、材料の流れがスムーズではなく、充填が困難になり、金型の強度が低下し、応力集中を引き起こします。半径やフィレットのある部品は、より経済的で製造しやすく、欠けが少なく、金型構造が簡素化され、成形品の強度が増し、外観も良好です。
射出成形における一般的な設計ガイドラインでは、角の半径は少なくとも肉厚の半分にすべきであるとされています。鋭角な角は避け、必要な場合は十分なフィレットと半径を使用することが推奨されます。射出成形中、溶融プラスチックは曲がり角や角を通過する必要があります。角を丸くすることでプラスチックの流れが良くなるため、エンジニアはすべての部品の角に十分な半径を設けるべきです。一方、鋭角な内角は、特に冷却プロセス中に部品の上部が収縮しようとして材料が角に引っ張られる際に、成形応力を発生させます。さらに、プラスチック設計の第一原則である均一な肉厚が守られます。プラスチックが適切な比率の角を通過する際、面積の増加や急激な方向転換を受けることはありません。キャビティ内の充填圧力は一定に保たれます。これにより、成形後の反りに強い、寸法的に安定した丈夫な角が形成されます。
コアピンは、プラスチック部品に穴を開けるために使用されます。貫通穴は、部品全体を貫通しない止まり穴よりも簡単に開けることができます。止まり穴は、片端のみで支えられたピンによって作られるため、ピンは長すぎないようにする必要があります。ピンが長いほどたわみが大きくなり、成形時に溶融プラスチックの圧力によって押し込まれてしまいます。穴の深さと直径の比は2以下にすることが推奨されます。
リブは、肉厚を増やすことなく成形品の強度を高めるのに役立ちます。場合によっては、装飾的な役割を果たすこともあります。リブは、嵌合部品の位置合わせや、組み立て時のストッパー面としても機能します。しかし、リブのような突起は、キャビティ充填、ベント、および射出の問題を引き起こす可能性があります。これらの問題は、リブが高くなるほど深刻になります。リブは、ショートショットなどの欠陥を回避し、必要な強度を確保するために、適切な比率で設計する必要があります。厚く深いリブは、それぞれヒケや充填の問題を引き起こす可能性があります。深いリブは、射出の問題にもつながる可能性があります。リブが長すぎたり幅が広すぎたりする場合は、サポートリブが必要になる場合があります。大きなリブを1つ使用するよりも、小さなリブを複数使用する方が望ましいです。
プラスチックにおける基本的な設計要素であるボスは、一般的に円筒形であり、取り付け治具、位置決めポイント、補強材、またはスペーサーとして使用されます。使用条件下では、ボスは部品の他の部分では発生しないような荷重を受けることがよくあります。
製造の容易性を考慮すると、アンダーカットは避けるべきです。アンダーカットは通常、製造に特別な機構を必要とし、金型コストと複雑さを増大させます。さらに、部品には曲げや変形のための余裕が必要です。巧妙な部品設計やわずかな設計上の妥協によって、アンダーカットのための複雑な機構を不要にできる場合が多くあります。アンダーカットがあると、金型からの取り出しに余分な時間がかかる場合があります。部品のアンダーカットは可能な限り避けることをお勧めします。
鋭角な角は、空気の閉じ込め、気泡、ヒケが発生しやすいため、プラスチック部品の構造的完全性を弱める原因となります。可能な限り半径を用いることで、こうした問題を解消する必要があります。内側半径は、少なくとも厚さの1倍にすることが推奨されます。角部では、内側半径は材料厚さの0.5倍、外側半径は材料厚さの1.5倍が推奨されます。部品設計上可能であれば、より大きな半径を用いるべきです。
射出成形部品の設計は、Autodesk Moldflow [ 5 ]やSolidWorks Plastics [ 6 ]などの射出成形シミュレーションソフトウェアを使用することで、さらに改善および最適化できます。このソフトウェアは、CAD で設計された部品と連携して、ポリマーが射出成形金型キャビティに入ったときの挙動をシミュレートします。溶融材料の流れと凝固、薄すぎるまたは厚すぎる部品形状、ウェルドラインなどの欠陥によってプラスチックに生じる弱点などを予測できます。
プロジェクトの設計段階で、ツールの製造前にシミュレーションを実行すると、上述の問題を特定し、設計者が設計を繰り返し修正して再シミュレーションを行い、改善することができます。設計段階でのシミュレーションの使用は、実際の金型の問題を軽減し、市場投入までの時間を短縮し、材料とエネルギーの使用を削減し、ヒケやフローマークなどの表面欠陥を防ぎ、部品の射出、冷却、排出にかかる時間を短縮し、射出成形機の生産率を向上させるのに役立ちます。[ 7 ] [ 8 ]