射出成形

射出成形（米国表記：injection molding）は、溶融した材料を金型に注入して部品を製造する製造プロセスである。射出成形は、主に金属（このプロセスはダイカストと呼ばれる）、ガラス、エラストマー、菓子、最も一般的な熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーを含む多くの材料を使用して実行できる。部品の材料は、加熱されたバレルに供給され、（らせん状のスクリューを使用して）混合され、金型のキャビティに注入され、そこで冷却されてキャビティの形状に硬化する。^{[1] ：240}製品が（通常は工業デザイナーまたはエンジニアによって）設計された後、金型メーカー（または工具メーカー）が金属（通常はスチールまたはアルミニウム）から金型を作成し、目的の部品の特徴を形成するために精密機械加工する。射出成形は、最小の部品から自動車のボディパネル全体まで、さまざまな部品の製造に広く使用されている。3D 印刷技術の進歩により、一部の低温熱可塑性プラスチックの射出成形中に溶融しない フォトポリマーが使用され、いくつかの単純な射出成形金型に使用できるようになりました。

射出成形では、射出ユニット、金型、クランプの 3 つの部分からなる専用機械を使用します。射出成形する部品は、成形プロセスを容易にするために非常に慎重に設計する必要があります。部品に使用する材料、部品の希望する形状と特徴、金型の材料、成形機の特性などをすべて考慮する必要があります。射出成形の汎用性は、この幅広い設計上の考慮事項と可能性によって実現されます。

射出成形は、ワイヤースプール、包装、ボトルキャップ、自動車部品、玩具、ポケットコーム、一部の楽器（およびその部品）、一体型の椅子や小型テーブル、収納容器、機械部品（ギアを含む）、その他現在入手可能なほとんどのプラスチック製品など、多くのものを作るのに使用されています。射出成形は、プラスチック部品を製造する最も一般的な現代の方法であり、同じ物体を大量に生産するのに最適です。^[2]

射出成形では、ラムまたはスクリュータイプのプランジャーを使用して、溶融したプラスチックまたはゴム材料を金型キャビティに押し込みます。これにより、金型の輪郭に沿った形状に固まります。射出成形は、熱可塑性ポリマーと熱硬化性 ポリマーの両方の加工に最も一般的に使用されますが、熱可塑性ポリマーの使用量の方がかなり多くなります。^{[3] : 1–3}熱可塑性プラスチックは、リサイクルの容易さ、さまざまな用途での汎用性、^{[3] : 8–9} 加熱すると軟化して流動する能力など、射出成形に非常に適した特性があるため、広く使用されています。熱可塑性プラスチックには、熱硬化性ポリマーよりも安全な要素もあります。熱硬化性ポリマーが射出バレルから適切なタイミングで排出されない場合、化学架橋が発生してスクリューとチェックバルブが固着し、射出成形機が損傷する可能性があります。^{[3] : 3}

射出成形は、高圧で原料を金型に注入することで、ポリマーを目的の形状に成形するものです。^{[3] : 14}金型は、単一キャビティまたは複数キャビティのものがあります。複数キャビティの金型では、各キャビティは同一で同じ部品を形成することも、固有で単一サイクルで複数の異なる形状を形成することもできます。金型は一般に工具鋼で作られていますが、ステンレス鋼やアルミニウムの金型も特定の用途に適しています。アルミニウムの金型は、機械的特性が劣り、射出およびクランプサイクル中に摩耗、損傷、変形しやすいため、通常、大量生産や寸法公差の狭い部品には適していません。ただし、アルミニウムの金型は、金型製造コストと時間が大幅に削減されるため、少量生産の用途では費用対効果が高くなります。^[1]多くのスチール製金型は、その寿命中に100万個をはるかに超える部品を処理するように設計されており、製造に数十万ドルかかる場合があります。

熱可塑性プラスチックを成形する場合、通常はペレット化された原材料がホッパーから往復スクリュー付きの加熱されたバレルに供給されます。バレルに入ると温度が上昇し、高熱エネルギー状態で分子間の空間が広がることで個々の鎖の相対的な流れに抵抗するファンデルワールス力が弱まります。このプロセスによって粘度が低下し、射出装置の駆動力でポリマーが流れるようになります。スクリューは原材料を前方に送り、ポリマーの熱および粘性分布を混合して均質化し、材料を機械的にせん断してポリマーにかなりの量の摩擦熱を加えることで必要な加熱時間を短縮します。材料はチェックバルブを通って前方に供給され、スクリューの前面でショットと呼ばれる容積に集まります。ショットとは、金型キャビティを充填し、収縮を補正し、スクリューから金型キャビティに圧力を伝達するためのクッション（ショット総量の約 10% で、バレル内に残り、スクリューが底を打つことを防ぐ）を提供するために使用される材料の量です。十分な材料が集まると、材料は高圧および高速で部品成形キャビティに押し込まれます。収縮の正確な量は、使用する樹脂の関数であり、比較的予測可能です。^[4]圧力の急上昇を防ぐため、このプロセスでは通常、スクリューが一定速度から一定圧力制御に移行する、キャビティの 95～98% 充填に相当する転送位置を使用します。射出時間は 1 秒を大幅に下回ることがよくあります。スクリューが転送位置に到達すると、充填圧力が適用され、金型充填が完了し、熱可塑性樹脂の熱収縮が補正されます。熱収縮は、他の多くの材料と比較してかなり高くなります。充填圧力は、ゲート（キャビティ入口）が固まるまで適用されます。ゲートはサイズが小さいため、通常、ゲート全体の厚さが最初に固まります。^{[3] : 16}ゲートが固まると、それ以上の材料はキャビティに入ることができません。したがって、スクリューは往復運動して次のサイクルのための材料を獲得し、その間に金型内の材料は冷却されて排出され、寸法が安定します。この冷却時間は、外部温度コントローラからの水または油を循環させる冷却ラインを使用することで大幅に短縮されます。必要な温度に達すると、金型が開き、ピン、スリーブ、ストリッパーなどの配列が前方に駆動されて製品を型から外します。次に、金型が閉じて、このプロセスが繰り返されます。

2ショット成形では、2つの異なる材料が1つの部品に組み込まれます。このタイプの射出成形は、ノブに柔らかい感触を加えたり、製品に複数の色を与えたり、複数の性能特性を持つ部品を製造したりするために使用されます。^[5]

熱硬化性樹脂の場合、通常、2 つの異なる化学成分がバレルに注入されます。これらの成分は直ちに不可逆的な化学反応を開始し、最終的に材料を架橋して単一の分子ネットワークを形成します。化学反応が起こると、2 つの流体成分は永久に粘弾性固体に変化します。^{[3] : 3} 射出バレルとスクリュー内での固化は問題となり、経済的影響を及ぼす可能性があります。そのため、バレル内での熱硬化性樹脂の硬化を最小限に抑えることが重要です。これは通常、射出ユニット内での化学前駆体の滞留時間と温度を最小限に抑えることを意味します。バレルの容積を最小限に抑え、サイクル時間を最大化することで、滞留時間を短縮できます。これらの要因により、反応する化学物質を熱的に分離された熱い金型に注入する、熱的に分離された冷たい射出ユニットが使用されるようになりました。これにより、化学反応の速度が上がり、固化した熱硬化性樹脂部品を得るのに必要な時間が短縮されます。部品が固まった後、バルブが閉じて射出システムと化学前駆物質が分離され、金型が開いて成形部品が取り出されます。その後、金型が閉じてプロセスが繰り返されます。

金型が開いている間に、あらかじめ成形された部品または機械加工された部品をキャビティに挿入して、次のサイクルで注入された材料がそれらの周囲に形成され、固化できるようにします。このプロセスはインサート成形と呼ばれ、1 つの部品に複数の材料を含めることができます。このプロセスは、突き出た金属ネジを使用して繰り返し締めたり緩めたりできるプラスチック部品を作成するためによく使用されます。この技術は、インモールド ラベルにも使用でき、成形されたプラスチック容器にフィルム製の蓋を取り付けることもできます。

最終部品には通常、パーティングライン、スプルー、ゲートマーク、およびエジェクタピンマークが存在します。^{[3] : 98} これらの特徴はいずれも通常は望ましくありませんが、プロセスの性質上避けられません。ゲートマークは、溶融物供給チャネル (スプルーとランナー) を部品形成キャビティに接続するゲートで発生します。パーティングラインとエジェクタピンマークは、微細な位置ずれ、摩耗、ガス抜き、相対的に動く隣接部品のクリアランス、および/または射出されたポリマーに接触する溶融表面の寸法の違いによって生じます。寸法の違いは、射出中の不均一な圧力誘起変形、機械加工公差、およびプロセスの射出、保圧、冷却、および取り出しの各段階で急速なサイクルを経験する金型構成部品の不均一な熱膨張と収縮に起因する可能性があります。金型構成部品は、多くの場合、さまざまな熱膨張係数の材料を使用して設計されます。これらの要因を同時に考慮すると、設計、製造、処理、品質監視のコストが莫大に増加します。熟練した金型および部品設計者は、可能であれば、これらの美観を損なう部分を隠れた場所に配置します。

1846年、トーマス・ハンコックの親戚であるイギリスの発明家チャールズ・ハンコックが射出成形機の特許を取得しました。^[6]

アメリカの発明家ジョン・ウェズリー・ハイアットは、弟のアイザイアとともに、1872年に世界初の射出成形機の特許を取得しました。 ^[7]この機械は、現在使用されている機械に比べると比較的単純なものでした。大きな注射針のように機能し、プランジャーを使って加熱されたシリンダーからプラスチックを金型に注入します。この産業は何年もかけてゆっくりと進歩し、カラーステイ、ボタン、ヘアコームなどの製品を生産しました（ただし、一般的に、現代の定義では、プラスチックは 1950年代頃に開発されたものです）。

ドイツの化学者アーサー・アイヒェングリュンとセオドア・ベッカーは1903年にセルロースアセテートの可溶性形態を初めて発明しました。これはセルロース硝酸塩よりもはるかに難燃性でした。^[8]最終的には粉末の形で入手できるようになり、簡単に射出成形できるようになりました。アーサー・アイヒェングリュンは1919年に最初の射出成形プレスを開発しました。1939年、アーサー・アイヒェングリュンは可塑化セルロースアセテートの射出成形の特許を取得しました。

1940年代には第二次世界大戦により安価な大量生産品の需要が高まり、業界が急速に拡大しました。 ^[9] 1946年、アメリカの発明家ジェームズ・ワトソン・ヘンドリーが初のスクリュー射出成形機を製作し、射出速度と製造品の品質をより正確に制御できるようになりました。^[10]この機械では、射出前に材料を混合することも可能になったため、着色プラスチックやリサイクルプラスチックをバージン材料に加えて、射出前に十分に混合することができました。 1970年代には、ヘンドリーは初のガスアシスト射出成形プロセスを開発し、急速に冷却される複雑な中空製品を製造できるようになりました。これにより、設計の柔軟性が大幅に向上し、製造部品の強度と仕上がりが向上し、製造時間、コスト、重量、廃棄物が削減されました。 1979年までにプラスチックの生産が鉄鋼の生産を上回り、1990年までにアルミニウムの金型が射出成形に広く使用されるようになりました。^[11]今日では、スクリュー射出成形機がすべての射出成形機の大部分を占めています。

プラスチック射出成形業界は、長年にわたり、櫛やボタンの生産から、自動車、医療、航空宇宙、消費財、玩具、配管、包装、建設など、多くの業界向けの幅広い製品の生産へと進化してきました。 ^{[12] : 1–2}

樹脂と呼ばれることもあるほとんどのポリマーを使用でき、すべての熱可塑性プラスチック、一部の熱硬化性プラスチック、一部のエラストマーが含まれます。^[13] 1995 年以降、射出成形に使用できる材料の総数は年間 750 の割合で増加しており、その傾向が始まったときには約 18,000 の材料が利用可能でした。^[14] 使用可能な材料には、以前に開発された材料の合金または混合物が含まれるため、製品設計者は膨大な選択肢の中から最適な特性セットを持つ材料を選択できます。材料を選択する際の主な基準は、最終部品に必要な強度と機能、およびコストですが、各材料には考慮しなければならない成形の異なるパラメータもあります。^{[12] : 6}射出成形材料を選択する際のその他の考慮事項には、曲げ弾性率、つまり材料を損傷することなく曲げることができる度合い、熱たわみ、吸水性などがあります。^[15]エポキシやフェノールなどの一般的なポリマーは熱硬化性プラスチックの例ですが、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレンは熱可塑性です。^{[1] ：242}比較的最近まで、プラスチックスプリングは実現不可能でしたが、ポリマー特性の進歩により、現在ではかなり実用的になっています。用途には、屋外用機器のウェビングを固定および切断するためのバックルが含まれます。

射出成形機は、材料ホッパー、射出ラムまたはスクリュー型プランジャー、および加熱ユニットで構成されています。^{[1] : 240}プラテンとも呼ばれ、部品を成形する金型を保持します。 プレス機はトン数で評価され、これは機械が発揮できる型締め力の量を表します。 この力により、射出プロセス中に金型が閉じた状態を保ちます。^[16]トン数は5トン未満から9,000トンを超えるまでさまざまですが、比較的少数の製造操作で高い数値が使用されています。 必要な合計型締め力は、成形される部品の投影面積によって決まります。 この投影面積に、投影面積の1平方センチメートルあたり1.8〜7.2トンの型締め力を掛けます。 経験則として、ほとんどの製品に4または5トン/平方^インチを使用できます。プラスチック材料が非常に硬い場合、金型を充填するためにより高い射出圧力が必要となり、したがって金型を閉じた状態に保持するためにより大きな型締め力が必要になります。^{[12] : 43–44}必要な力は、使用する材料と部品のサイズによっても決まります。部品が大きいほど、より高い型締め力が必要になります。^[13]

金型またはダイは、成形においてプラスチック部品を製造するために使用されるツールを表すために使用される一般的な用語です。

金型は製造コストが高いため、通常は数千個の部品が製造される大量生産にのみ使用されていました。一般的な金型は、硬化鋼、プリハードン鋼、アルミニウム、および/またはベリリウム銅合金で作られています。^{[17] : 176}金型の材料の選択は、コストの考慮事項に基づくだけでなく、製品のライフサイクルとも大きく関係しています。一般に、鋼製の金型は製造コストが高いですが、寿命が長いため、摩耗する前に製造される部品の数が多いため、初期コストの高さを相殺できます。プリハードン鋼製の金型は耐摩耗性が低く、少量の要件または大型の部品に使用されます。一般的な鋼の硬度は、ロックウェルCスケールで38〜45です。硬化鋼製の金型は、機械加工後に熱処理されます。耐摩耗性と寿命の点ではるかに優れています。一般的な硬度は、ロックウェルC（HRC）で50〜60の範囲です。アルミニウム製の金型は大幅にコストが安く、最新のコンピュータ化された設備で設計・加工すれば、何万、何十万もの部品を経済的に成形できる。ベリリウム銅は、金型の急速な熱除去が必要な部分や、最もせん断熱が発生する部分に使用されている。^{[17] : 176}金型は、CNC加工または放電加工プロセスを使用して製造することができる。

• サイドプル付き射出成形金型
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  2 つのサイド プルを備えた 25% ガラス充填アセタール用のダイの「A」側。
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  「A」側の取り外し可能なインサートのクローズアップ。
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  サイド プル アクチュエータを備えたダイの「B」側。
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  インサートをダイから取り外しました。

金型は、射出成形金型（Aプレート）とエジェクタ金型（Bプレート）の2つの主要部品で構成されています。これらの部品は、モルダやモールドメーカーとも呼ばれます。プラスチック樹脂は、射出成形金型のスプルーまたはゲートから金型に入ります。スプルーブッシングは、成形機の射出バレルのノズルをしっかりと密閉し、溶融プラスチックがバレルから金型（キャビティとも呼ばれます）に流れるようにします。^{[12] ：141}スプルーブッシングは、AプレートとBプレートの面に機械加工されたチャネルを通じて、溶融プラスチックをキャビティに導きます。これらのチャネルに沿ってプラスチックが流れるため、ランナーと呼ばれます。^{[12] ：142} 溶融プラスチックはランナーを流れ、1つまたは複数の特殊なゲートからキャビティ^{[18] ：15}形状に入り、目的の部品を形成します。

金型のスプルー、ランナー、キャビティを充填するために必要な樹脂の量が「ショット」です。金型に閉じ込められた空気は、金型のパーティングラインに研磨された通気孔、またはそれらを保持する穴よりもわずかに小さいエジェクタピンとスライドの周りから逃げることができます。閉じ込められた空気が逃げることができない場合、空気は流入する材料の圧力によって圧縮され、キャビティの隅に押し込まれ、充填を妨げ、他の欠陥を引き起こすこともあります。空気が圧縮されすぎて、周囲のプラスチック材料に発火して燃えることもあります。^{[12] : 147}

成形された部品を金型から取り外すには、金型が開く方向に金型フィーチャが互いに張り出さないようにする必要があります。ただし、金型が開いたときに、リフターと呼ばれるコンポーネントを使用して金型の部品がそのような張り出しの間から移動するように設計されている場合は除きます。

引き抜き方向（中子の位置（穴）またはインサートの軸が、金型の開閉時の上下運動と平行）と平行に見える部品の側面^{[18] : 406}は、通常、部品を金型から外しやすくするために、ドラフトと呼ばれるわずかに角度が付けられています。ドラフトが不十分だと、変形や損傷の原因となります。離型に必要なドラフトは、主にキャビティの深さによって決まります。キャビティが深いほど、必要なドラフトが大きくなります。必要なドラフトを決定する際には、収縮も考慮する必要があります。^{[18] : 332}スキンが薄すぎると、成形された部品は、冷却中に形成されたコアに収縮してコアにくっついてしまう傾向があります。または、キャビティを引き離すときに、部品が反ったり、ねじれたり、膨らんだり、割れたりすることがあります。^{[12] : 47}

金型は通常、金型が開いたときに成形品が確実にエジェクタ（B）側に留まり、ランナーとスプルーを部品とともに（A）側から引き出すように設計されています。部品は、（B）側から突き出されると自由落下します。トンネルゲートは、サブマリンゲートまたはモールドゲートとも呼ばれ、パーティングラインまたは金型表面の下にあります。金型の表面に開口部がパーティングライン上で機械加工されています。成形品は、金型から突き出される際にランナーシステムから（金型によって）切断されます。^{[18] ：288}エジェクタピンはノックアウトピンとも呼ばれ、金型のどちらかの半分（通常はエジェクタ半分）に配置される円形のピンで、完成した成形製品またはランナーシステムを金型から押し出します。^{[12] : 143}ピン、スリーブ、ストリッパーなどを使用して製品を取り出すと、望ましくない跡や歪みが生じる可能性があるため、金型の設計には注意が必要です。

標準的な冷却方法は、金型プレートに開けられた一連の穴に冷却剤（通常は水）を通し、ホースで接続して連続した経路を形成する方法です。冷却剤は金型（熱いプラスチックから熱を吸収した金型）から熱を吸収し、金型を適切な温度に保ち、最も効率的な速度でプラスチックを固めます。^{[12] : 86}

メンテナンスと換気を容易にするために、キャビティとコアは、インサートと呼ばれる部品と、インサート、ブロック、またはチェイス ブロックとも呼ばれるサブアセンブリに分割されます。交換可能なインサートを交換することで、1 つの金型で同じ部品の複数のバリエーションを作成できます。

より複雑な部品は、より複雑な金型を使用して成形されます。これらの金型にはスライドと呼ばれるセクションがあり、引き出し方向に対して垂直にキャビティ内に移動し、張り出した部品フィーチャを形成します。金型が開くと、固定金型の半分にある固定の「アングルピン」を使用してスライドがプラスチック部品から引き離されます。これらのピンはスライドのスロットに入り、金型の可動部分が開いたときにスライドを後方に移動します。次に部品が排出され、金型が閉じます。金型が閉じると、スライドがアングルピンに沿って前方に移動します。^{[12] : 268}

金型は、1 回の「ショット」で同じ部品を複数コピーできます。その部品の金型の「刻印」の数は、しばしば誤ってキャビテーションと呼ばれます。刻印が 1 つのツールは、多くの場合、シングル刻印​​ (キャビティ) 金型と呼ばれます。^{[19] : 398}同じ部品のキャビティが 2 つ以上ある金型は、通常、マルチ刻印(キャビティ) 金型と呼ばれます。(次のセクションで説明する「マルチショット成形」と混同しないでください。) ^{[19] : 262}非常に生産量の多い金型 (ボトル キャップ用の金型など) には、128 を超えるキャビティがある場合があります。

場合によっては、複数のキャビティを持つ金型で、一連の異なる部品を同じ金型で成形することもあります。金型メーカーの中には、すべての部品が関連しているため、これらの金型をファミリー金型と呼ぶ人もいます（例：プラスチックモデルキット）。^{[20] : 114}

一部の金型では、以前に成形した部品を再挿入して、最初の部品の周囲に新しいプラスチック層を形成できます。これは、オーバーモールディングと呼ばれることがよくあります。このシステムにより、一体型のタイヤとホイールを製造できます。

マイクロ射出成形による高精度で極小の部品の金型は、設計段階で特別な注意が必要です。これは、材料樹脂がフルサイズの部品と比較して異なる反応を示すためです。フルサイズの部品では、非常に小さな空間を素早く充填する必要があり、強いせん断応力がかかります。^[22]

ツーショット、ダブルショット、またはマルチショットの金型は、1回の成形サイクルで「オーバーモールド」するように設計されており、2つ以上の射出ユニットを備えた特殊な射出成形機で処理する必要があります。このプロセスは、実際には射出成形プロセスを2回実行するので、許容される誤差は非常に小さくなります。最初のステップでは、ベースカラーの材料が基本形状に成形され、2回目のショット用のスペースが含まれます。次に、2番目の材料である異なる色が、そのスペースに射出成形されます。たとえば、このプロセスで作られたプッシュボタンやキーには、摩耗しないマーキングがあり、頻繁に使用しても判読可能です。^{[12] : 174}

メーカーは、カスタム金型の平均コストが高いため、金型の保護に多大な労力を費やしています。各カスタム金型の寿命を可能な限り長くするために、最適な温度と湿度レベルが維持されます。ゴム射出成形に使用されるようなカスタム金型は、反りを防ぐために温度と湿度が管理された環境で保管されます。

工具鋼がよく使用されます。軟鋼、アルミニウム、ニッケル、エポキシは、プロトタイプまたは非常に短い生産ロットにのみ適しています。^[1]適切な金型設計を備えた現代の硬質アルミニウム（7075および2024合金）は、適切な金型メンテナンスにより、100,000回以上の部品寿命を備えた金型を簡単に作ることができます。^[23]

金型は、標準機械加工とEDM という2 つの主な方法で製造されます。従来の標準機械加工は、歴史的に射出成形金型を製造する方法でした。技術の発展に伴い、CNC機械加工は、従来の方法よりも短時間でより正確な金型の詳細を備えたより複雑な金型を製造するための主な手段になりました。

放電加工（EDM）または火花浸食法は、金型製作に広く利用されるようになった。この方法では、機械加工が難しい形状の形成が可能になるだけでなく、あらかじめ硬化させた金型を熱処理が不要な形状にすることができる。従来の穴あけやフライス加工で硬化させた金型を変更するには、通常、金型を柔らかくするために焼鈍し、その後再び硬化させるために熱処理が必要となる。EDMは、通常は銅またはグラファイトで作られた成形電極を、パラフィン油（灯油）に浸した金型表面に、何時間もかけて非常にゆっくりと降ろすという単純なプロセスである。工具と金型の間に電圧をかけると、金型表面が電極の逆形状に火花浸食される。^[24]

金型に組み込まれるキャビティの数は、成形コストに直接関係します。キャビティの数が少ないほど、必要なツール作業が大幅に少なくなるため、キャビティの数を制限すると、射出成形金型を作成するための初期製造コストが削減されます。

キャビティの数は成形コストに非常に重要な役割を果たすが、部品の設計の複雑さも同様に重要である。複雑さは、表面仕上げ、許容誤差要件、内ねじまたは外ねじ、細かいディテール、組み込まれるアンダーカットの数など、多くの要因に組み込むことができる。^[25]

アンダーカットなどの細部や、追加のツールを必要とする特徴により、金型のコストが増加します。金型のコアとキャビティの表面仕上げもコストに影響します。

ゴム射出成形プロセスは、耐久性の高い製品を高収率で生産するため、最も効率的でコスト効率の高い成形方法です。正確な温度制御を伴う一貫した加硫プロセスにより、廃棄物が大幅に削減されます。

通常、プラスチック材料はペレットまたは顆粒の形に形成され、紙袋に入れて原材料メーカーから送られます。射出成形では、事前に乾燥させた顆粒プラスチックが強制ラムによってホッパーから加熱されたバレルに供給されます。顆粒がスクリュー型プランジャーによってゆっくりと前進すると、プラスチックは加熱されたチャンバーに押し込まれ、そこで溶融されます。プランジャーが前進すると、溶融したプラスチックは金型に接しているノズルから押し出され、ゲートとランナーシステムを通って金型のキャビティに入ります。金型は冷たいままなので、プラスチックは金型に充填されるとすぐに固まります。^[1]

プラスチック部品の射出成形における一連の動作は、射出成形サイクルと呼ばれます。サイクルは、金型が閉じたときに始まり、続いてポリマーが金型キャビティに射出されます。キャビティが満たされると、材料の収縮を補うために保持圧力が維持されます。次のステップでは、スクリューが回転し、次のショットがフロントスクリューに送られます。これにより、次のショットの準備が整うとスクリューが引き込まれます。部品が十分に冷却されると、金型が開き、部品が取り出されます。^{[26] : 13}

従来、成形工程の射出成形部分は、一定の圧力で行われ、キャビティを充填してパックしていました。しかし、この方法では、サイクルごとに寸法が大きく変動しました。現在では、RJG Inc.が開発した科学的または分離成形法が一般的に使用されています。 ^{[27] [28] [29]}この方法では、プラスチックの射出成形が段階的に「分離」され、部品寸法をより適切に制御し、サイクルごと (業界ではショットツーショットと呼ばれる) の一貫性を高めることができます。最初に、キャビティは速度制御を使用して約 98% まで充填されます。圧力は目的の速度を可能にするのに十分なはずですが、この段階での圧力制限は望ましくありません。キャビティが 98% 充填されると、機械は速度制御から圧力制御に切り替わり、キャビティは一定の圧力で「パックアウト」されます。このとき、目的の圧力に達するのに十分な速度が必要です。これにより、作業者は部品寸法を 1000 分の 1 インチ以内またはそれより優れた精度で制御できます。^[30]

ほとんどの射出成形プロセスは上記の従来のプロセスの説明でカバーされていますが、次のような重要な成形バリエーションがいくつかあります (ただし、これらに限定されません)。

• ダイカスト
• 金属射出成形
• 薄肉射出成形
• 液状シリコーンゴムの射出成形^{[26] : 17–18}
• 反応射出成形
• マイクロ射出成形
• ガスアシスト射出成形
• キューブモールド技術
• マルチマテリアル射出成形

射出成形プロセスのより包括的なリストは、こちらでご覧いただけます: [1]

すべての工業プロセスと同様に、射出成形ではおもちゃであっても欠陥のある部品が製造される可能性があります。射出成形の分野では、欠陥のある部品を検査して特定の欠陥を見つけ、金型の設計やプロセス自体の特性でこれらの欠陥に対処することでトラブルシューティングが行われることがよくあります。欠陥を予測し、射出成形プロセスで使用する適切な仕様を決定するために、フル生産の前に試験が行われることがよくあります。^{[3] : 180}

新しい金型や使い慣れていない金型に初めて充填する場合、その金型の射出量が不明なため、技術者/ツール セッターはフル生産の前に試運転を行うことがあります。少量の射出量から始めて、金型が 95 ～ 99% 充填されるまで徐々に充填します。これに達したら、少量の保持圧力を適用し、ゲートの凍結 (凝固時間) が発生するまで保持時間を増やします。ゲートの凍結時間は、保持時間を長くしてから部品の重量を量ることで判断できます。部品の重量が変化しない場合は、ゲートが凍結しており、部品に材料がそれ以上注入されません。ゲートの凝固時間は、サイクル タイムと製品の品質と一貫性を決定するため重要であり、それ自体が生産プロセスの経済性における重要な問題です。^[31] 部品のヒケがなくなり、部品の重量が達成されるまで、保持圧力を上げます。

射出成形は複雑な技術であり、生産上の問題が発生する可能性がある。これらの問題は、金型の欠陥によって発生する場合もあれば、成形プロセス自体によって発生する場合も多い。^{[3] : 47–85}

産業用 CT スキャンなどの方法は、外部および内部の欠陥を見つけるのに役立ちます。

許容差は部品の寸法によって異なります。例えば、0.125インチの壁厚を持つLDPE部品の1インチ寸法の標準許容差は+/- 0.008インチ（0.2 mm）です。^{[18] : 446}

この射出成形プロセスに必要な電力は、多くの要因に依存し、使用される材料によって異なります。製造プロセス リファレンス ガイドでは、電力要件は「材料の比重、融点、熱伝導率、部品サイズ、成形速度」に依存すると述べられています。以下は、前述の同じリファレンスの 243 ページからの表で、最も一般的に使用される材料に必要な電力に関連する特性を最もよく示しています。

自動化とは、部品のサイズが小さくなるため、移動式検査システムで複数の部品をより迅速に検査できるようになることを意味します。自動装置に検査システムを取り付けるだけでなく、多軸ロボットは金型から部品を取り出し、次の工程のために配置することができます。^[32]

具体的な例としては、部品が作られた直後に金型から部品を取り出すことや、マシンビジョンシステムの適用などが挙げられます。ロボットは、エジェクタピンが伸びて金型から部品が取り出された後に部品を掴みます。その後、部品を保管場所に移動するか、直接検査システムに移動します。選択は、製品の種類と製造装置の全体的なレイアウトによって異なります。ロボットに搭載されたビジョンシステムにより、インサート成形部品の品質管理が大幅に強化されました。移動ロボットは、金属部品の配置精度をより正確に判断し、人間よりも速く検査することができます。^[32]

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  レゴ射出成形金型、下側
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  レゴ射出成形金型、下側の詳細
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  レゴ射出成形金型、上部
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  レゴ射出成形金型、上部の詳細

• Lindsay, John A. (2012).ゴム射出成形実用ガイド(オンラインオーストラリア版). イギリス、シュロップシャー州、シュルーズベリー、ショーベリー: Smithers Rapra. ISBN 978-1847357083。

ウィキメディア・コモンズには、射出成形に関連するメディアがあります。

ページ情報

• 収縮と反り – サンタクララ大学工学設計センター 2020-05-30 にWayback Machineでアーカイブ