可融性コア射出成形

可溶性コア射出成形は、ロストコア射出成形とも呼ばれ、脱型コアでは成形できない内部キャビティやアンダーカットを成形するために使用される特殊なプラスチック 射出成形プロセスです。厳密に言えば、「可溶性コア射出成形」という用語は、コア材料として可溶性合金を使用することを指します。コア材料が可溶性プラスチックで作られている場合、このプロセスは可溶性コア射出成形と呼ばれます。このプロセスは、吸気マニホールドやブレーキハウジングなどの自動車部品によく使用されますが、航空宇宙部品、配管部品、自転車の車輪、履物にも使用されます。^{[1] [2]}

最も一般的な成形材料はガラス繊維入りナイロン6とナイロン66です。その他の材料には、非充填ナイロン、ポリフェニレンサルファイド、ガラス繊維入りポリアリールエーテルケトン（PAEK）、ガラス繊維入りポリプロピレン（PP）、硬質熱可塑性ウレタン、エラストマー熱可塑性ポリウレタンなどがあります。^{[3] [4]}

このタイプの成形プロセスに関する最初の特許は1968年に取得されましたが、1980年代まではほとんど使用されませんでした。その頃、自動車業界が吸気マニホールドの開発にこの技術に興味を持ちました。^{[5] [6]}

このプロセスは、コアの鋳造または成形、コアの金型への挿入と金型の射出、そして最後に成形品の取り外しとコアの溶融という 3 つの主要なステップで構成されます。

まず、コアは、成形部品に指定されたキャビティの形状に成形またはダイカストされます。これは、スズビスマス合金などの低融点金属、または可溶性アクリレートなどのポリマーから 作ることができます。ポリマーの融点は合金とほぼ同じ 275 °F (135 °C) ですが、合金の比率を変更して融点を変えることができます。金属コアを使用するもう 1 つの利点は、複数の小さなコアを嵌合プラグと穴で鋳造して、最終的に大きなコアに組み立てることができることです。^{[7] [8]}

金属コアを鋳造する際の重要なポイントの 1 つは、成形品に欠陥を生じさせないために、気孔が含まれないようにすることです。気孔を最小限に抑えるために、金属を重力で鋳造するか、成形キャビティを加圧します。別のシステムでは、成形キャビティが満たされるときに鋳造ダイをゆっくりと揺らして、気泡を「振り出す」ことがあります。^[9]

金属コアは、融点の低い合金から作ることができますが、最も一般的なのは、ナイロン66の成形に使用される58％ビスマスと42％スズの混合物です。これが使用される主な理由の1つは、冷却時に膨張するため、金型にしっかりと収まるためです。その他の合金には、スズ鉛銀合金とスズ鉛アンチモン合金があります。これら3つの合金グループの間では、98〜800°F（37〜425°C）の融点を達成できます。^[3]

ポリマーコアは金属コアほど一般的ではなく、通常は単純な内部表面ディテールを必要とする成形にのみ使用されます。通常、厚さ 0.125 ～ 0.25 インチ (3.2 ～ 6.4 mm) の中空断面で、2 つの半分に成形され、超音波溶接されます。最大の利点は、新しいダイカスト装置に投資して使用方法を学ぶ代わりに、会社がすでに持っている従来の射出成形機で成形できることです。このため、ポリマーコア材料は、金属コアの追加費用を正当化できない小規模生産に最も適しています。残念ながら、コアに使用される金属合金ほどリサイクル可能ではありません。リサイクル材料に 10% の新しい材料を追加する必要があるためです。^{[10] [11]}

2 番目のステップでは、コアを金型に挿入します。単純な金型の場合、これはコアを挿入してダイを閉じるだけの簡単な作業です。ただし、より複雑なツールでは、プログラムされたロボットから複数のステップが必要になります。たとえば、複雑なツールには、コアに噛み合う従来のサイド プルが複数あるため、コアの剛性が増し、コアの質量が軽減されます。コアが装填され、プレスが閉じられた後、プラスチックが射出されます。^[8]

最終段階では、成形された部品とコアの両方が型から取り出され、コアが成形品から溶かされる。これは、熱浴、誘導加熱、または両者の組み合わせによって行われる。熱浴では通常、グリコールまたはフェノールベースの液体であるルートロンが入った浴槽を使用する。浴の温度はコア合金の融点よりわずかに高いが、成形品を損傷するほど高くはない。典型的な商業用途では、部品はオーバーヘッドコンベアを介して熱浴に浸される。熱浴を使用する利点は、誘導加熱よりも簡単で、熱硬化性成形品の硬化に役立つことである。欠点は、サイクル時間が60〜90分と不経済なほど遅く、環境浄化の問題を引き起こすことである。通常、熱浴溶液は、誘導加熱と組み合わせて使用​​する場合は、1年ごとまたは半年ごとに洗浄または交換する必要がある。^[10]

熱可塑性成形品の場合、コア金属の誘導加熱が必要です。そうしないと、高温浴からの長時間の熱でコア金属が変形する可能性があります。誘導加熱により、溶解時間は 1 ～ 3 分に短縮されます。欠点は、誘導加熱ではコア材料がすべて除去されないため、その後、高温浴で仕上げるか、ブラシで取り除く必要があることです。もう 1 つの欠点は、誘導コイルを成形品ごとにカスタム構築する必要があることです。コイルは部品から 1 ～ 4 インチ (25 ～ 102 mm) 離す必要があるためです。最後に、誘導加熱システムは、真鍮または鋼のインサートがある成形品には使用できません。誘導加熱プロセスによりインサートが破壊または酸化される可能性があるためです。^[12]

複雑な部品の場合、どちらの溶解プロセスでもコア液体をすべて排出することは困難です。これを克服するために、部品を最大1時間回転させます。液体コア金属は加熱槽の底に集まり、新しいコアに使用できます。^[12]

従来の横型射出成形機は1980 年代半ばから使用されてきたが、100 ～ 200 ポンド (45 ～ 91 kg) のコアの装填と取り出しは困難なため、ロボットが2 台必要である。さらに、サイクル時間は非常に長く、約 28 秒である。これらの問題は、回転式またはシャトル式の射出成形機を使用することで解決される。これらのタイプの機械では、コアの装填と取り出しに 1 台のロボットしか必要とせず、サイクル時間が 30% 短くなる。しかし、これらのタイプの機械は、横型機よりも約 35% 高価で、より多くのスペースを必要とし、2 つの底型 (サイクル中に 1 つは機械内にあり、もう 1 つは取り出して新しいコアを装填するため) が必要であり、ツール コストが約 40% 増加する。小型部品の場合、コアの重量が回転式機の使用を正当化するほどではないため、横型射出成形機が依然として使用されている。^[13]

4気筒マニホールドの場合は500トンのプレスが必要であり、6〜8気筒マニホールドの場合は600〜800トンのプレスが必要である。^[13]

このプロセスの最大の利点は、二次加工なしで非常に複雑な内部形状を持つ一体型の射出成形品を製造できることです。同様の形状の物体は通常、アルミニウム鋳物で作られており、同等の成形品よりも45％から75％重くなります。また、このツールは化学腐食や摩耗がないため、金属鋳造ツールよりも長持ちします。その他の利点は次のとおりです。^[4]

• 接合部や溶接による弱い部分がなく、表面品質が非常に良好です。
• 高い寸法精度と構造的完全性
• 二次的な操作がほとんど必要ないため、労働集約的ではない
• 無駄が少ない
• インサートを組み込むことができる

このプロセスの大きな欠点は、コストの高さと開発期間の長さです。自動車部品の開発には4年かかることがあります。試作段階で2年、生産開始までに2年です。すべての製品がこれほど長い期間を要するわけではありません。たとえば、ジョンソンコントロールズが製造した双方向バルブはわずか18か月しかかかりませんでした。4気筒エンジンマニホールドを製造するための初期コストは800万ドルにもなります。しかし、コンピューターフロー解析により、リードタイムとコストが削減されました。^{[1] [14]}

開発期間が長くコストも高いことから生じる困難の 1 つは、正確なコアを繰り返し製造することです。コアは金型の不可欠な部分であり、基本的に毎回新しい金型キャビティに射出するため、これは非常に重要です。もう 1 つの困難は、プラスチックを金型に射出するときにコアが溶けないようにすることです。プラスチックの融点はコア材料の約 2 倍です。3 つ目の困難は、コアの強度が低いことです。射出するプラスチックに過度の圧力をかけると、中空のプラスチック コアがつぶれる可能性があります。金属コア (融点が低い) は固体であるためつぶれることはありませんが、強度は鋼鉄コアの 10% しかないため、変形する可能性があります。これは、マニホールドを成形するときに特に問題になります。コアの波状がランナー内の空気の流れに悪影響を与える可能性があるためです。^[7]

もう一つの欠点は、射出成形機、鋳造機、溶解装置、ロボットを収容するための広いスペースが必要になることである。^[4]

これらの欠点のため、このプロセスで作られる一部の成形品は、従来の射出成形機で2つ以上の部品を射出成形し、それらを溶接することによって作られます。このプロセスは安価で、必要な資本もはるかに少なくて済みますが、設計上の制約が多くなります。設計上の制約のため、両方の利点を得るために、両方のプロセスで部品が作られることもあります。^[15]

可溶性コアプロセスの適用範囲は、熱可塑性プラスチックの射出成形に限定されず、対応するコア合金を使用することで熱硬化性プラスチック成形材料 (デュロプラスト) にも適用されます。可溶性コアプロセスは、たとえば、乗用車エンジンの吸気マニホールドの射出成形に使用されます。可溶性コアと射出成形部品の製造は射出成形機で行うことができるため、機器を改造することで、バルブやポンプハウジングなどの小型成形部品を製造することができます。

• ロストワックス鋳造

• Erhard, G. (2006)、Designing with Plastics、Hanser Verlag、ISBN 978-1-56990-386-5。
• ティム・オズワルド;ターン、リーシェン; Paul J. Gramann (2007)、射出成形ハンドブック (第 2 版)、Hanser Verlag、ISBN 978-1-56990-420-6。
• Schut, Jan H. (1991 年 12 月 1 日)、「「ロストコア」のクローズアップ: 多くのピースからなるパズル」、Plastics Technology。

• 可溶性コア射出成形用成形材料 2011年7月21日アーカイブ、Wayback Machine