射出成形のための設計：実践的なDFMガイド 

射出成形設計に精通している方なら、製品の美観や機能性を考える前に、設計がどのように、そしてそもそも製造可能かどうかを検討する必要があることもご存知でしょう。

製造性設計（DFM）の要素を優先しないと、誰も予想していなかった金型交換、ショートショット、見苦しいヒケ、反り、金型テストの遅延などにより、多大な損失が発生する可能性があります。

そのため、射出成形の設計を行う際には、壁厚、材料の選択、コーナー半径、リブの位置といった重要な問題について事前に検討することが重要です。そうしないと、金型を何度も再設計したり調整したりすることになってしまいます。

私たちは皆様のお役に立ちたいと思っています。そこで、CADを凍結する前に、コストのかかる見落としを防ぐための、DFMに関する実用的なヒントをまとめました。

CAD導入前の重要な設計上の決定

射出成形用のコンピュータ支援設計を作成する前に、常に念頭に置いておく必要がある 2 つの基本的な決定事項があります。

• 製品の意図。
• 物質的な挙動。

これら 2 つの決定を無視すると、設計が完璧に見えても、生産の信頼性が低下し、コストがかかる可能性があります。

製品の意図とツール

生産規模を知らずに部品を設計すると、少量生産では過剰設計になり、長期生産では不足設計になる可能性があります。

したがって、CAD を開始する前に、製品の量とツールに関する次の重要な質問を自問してください。

設計しているのは: 

• プロトタイプですか？
• 低ボリュームのブリッジツールですか?
• 制作プログラムですか？

これら3つのフェーズは多くの場合、同じ製品開発プロセスにおけるフェーズですが、それぞれのオプションには異なる設計上の決定とツール戦略が必要です。また、それぞれに初期ツールコスト、リードタイム、そして生産される部品の総量も異なります。 

プロトタイプツール

プロトタイプは、モデルのフィット感、形状、機能を検証・試験するために設計されています。実際の部品と同じ製造用樹脂を使用し、少量の初期ロット生産に最適な選択肢です。

プロトタイプを設計する際には、スピード、柔軟性、そしてコスト削減に重点を置きます。その結果、部品設計の変更が迅速かつ容易に、そして低コストで可能になります。

試作工具の材質としては、アルミニウムが最も一般的です。ただし、加工時間を最小限に抑えるには軟鋼が適している場合もあります。

複雑で高価な自動スライドの代わりに、コスト削減のために手動ハンドロードがしばしば使用されます。生産目標は約1,000発に達することもあります。

プロトタイプツールは通常実験的なものなので、耐久性が低く、遅いサイクルタイムで限られた数のショットしか生産できません。

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プロトタイプ射出成形の究極ガイド

試作射出成形の材料、方法、そしてコスト削減テクニックについて解説します。試作のスピードと性能を最適化する方法を学びましょう。今すぐお問い合わせください。

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低容量ブリッジツール

少量生産ツールは、試作と量産段階の橋渡し役を果たします。最終的な鋼製ツールが完成する前に、初期生産ロットで市場テストを行うことができます。

ここでは、平均的な生産量で耐久性と価格のバランスをとることに重点を置いています。素材は通常、より硬いアルミニウムですが、プレハードン鋼もよく使用されます。 

工程は半自動化されており、プロトタイプよりも強力なツールが使用されています。生産量は1,000個から数万個まで対応可能です。

パイロット生産や市場投入初期には、少量生産向けのブリッジツールをご検討ください。製品の実際の需要とROIがまだ不確実な場合に最適で、臨床試験中の医療機器などのプロジェクトにも最適です。

こちらもご覧ください：少量射出成形｜迅速で手頃な価格の小ロット生産

制作プログラム 

生産プログラムまたは大量生産ツールは、最終的な製造ツールです。これは、継続的かつ反復可能な生産プロセスにおいて、効率性、精度、耐久性、そして最大量生産を実現するために設計されています。

これらの理由から、可能な限り低コストで、長寿命と一貫した部品品質を実現することに重点が置かれています。

S7やH13などの硬化鋼工具が主な材料です。これらの工具は数百万サイクルの稼働に耐えることができます。この工程は完全に自動化されており、高度な自動スライド、リフター、そして複雑な冷却システムを備えています。

大量生産ツールは複雑なため、コストが高く、リードタイムが長く、一度完成させたツールの修正は困難で費用もかかります。そのため、プロトタイプやブリッジツールの段階で作成されたメモは、生産ツールの完全性を保証するために役立つことがよくあります。

ツールの影響（アルミニウム vs. スチール）

ツール オプションを定義したら、生産目的に対するツールの影響を評価する必要があります。 

ここでの選択はアルミニウムとスチールです。 

試作ツールとしては、アルミニウム製の金型が最も一般的です。アルミニウム製の金型には以下のようなものがあります。

• 機械加工が速くなります。
• 初期コストが低くなります。 
• インサートには手動ロードを使用します。
• 冷却を簡素化しました。
• しかし、欠点としては耐久性が低く、許容度が低いことです。

橋梁工具には、より硬いアルミニウムまたはP20鋼が使用されます。工具の特徴は以下のとおりです。

• 半自動アクション。
• 適度な冷却。
• 中程度のコストとリードタイム。

生産プログラムの金型には、H13やP20などの硬化鋼が必須です。金型の特徴は以下のとおりです。

• 初期費用が高くなります。
• 完全な自動化。
• 大量生産。
• 複数のサイクルタイムとより高速なサイクルタイムを実現する最適化された冷却。
• 厳しい公差。
• 優れた耐久性と高い耐摩耗性

設計の形状も非常に重要であることを覚えておいてください。例えば、薄肉、複雑なリブ、そして厳しい公差を持つ設計は、公差の大きい硬化鋼ではうまく機能するかもしれませんが、アルミニウム工具では摩耗や変形が早く進む可能性があります。

ここでは、3 つの生産意図オプションとそれらのツールへの影響について簡単に説明します。

制作意図	ショット（ボリューム）	工具材料	平均リードタイム	キャビテーション	自動化レベル	費用
プロトタイプツール	1-1,000	軟質アルミニウム、軟質鋼	約2-6週間	シングルキャビティ	最小限（手動ロード）	ロー
ブリッジツール	1-100,000	より硬いアルミニウム、P20鋼	約5-10週間	シングルまたは低マルチキャビティ	半自動	平均
制作ツール	100,000～1万以上	硬化鋼（H13、S7、420SS）	8～20週間以上	マルチキャビティ	スライド、リフター等の完全自動化。	ハイ

材料の挙動 

金型材料を検討する際には、コストと強度だけを重視するのではなく、材料の挙動が部品の充填性や寸法安定性、そして冷却速度と凝固速度を左右することを理解しておくことが重要です。

次の 3 つの重要な側面を考慮してください。

• 非晶質プラスチックと半結晶性プラスチック。 
• 収縮と流動の設計への影響。 
• PP や PE などの材料が壁の厚さやリブに対してより敏感になる理由。 

非晶質プラスチックと半結晶性プラスチック

通常、熱可塑性プラスチックは、非晶質プラスチックと半結晶性プラスチックの 2 つの大まかなタイプに分類されます。

両者の根本的な違いは、加熱時と冷却時の挙動にあります。そして、これは分子構造によって決まります。

非晶質プラスチック

非晶質プラスチックには、ポリカーボネート（PC）やABS樹脂などがある。加熱すると、バターのように柔らかくなり、その後液状になる。そのため、冷却時にほとんど収縮することなく、金型に均一に充填される。

つまり、非晶質プラスチックは収縮率がより均一で、寸法をより正確に予測できるということです。化粧品部品などの製品の製造に最適です。

半結晶性プラスチック

半結晶性プラスチックには、PE、PP、ナイロンなどが含まれます。加熱・冷却過程において、これらは水が凍るのと同様の挙動を示します。固体状態から始まり、ある温度で溶融します。冷却されるにつれて分子が密に結晶化し、その結果、大きな収縮と体積減少が生じます。

そのため、半結晶性プラスチックは収縮率が高く、均一性も低いため、反りが発生するリスクが高くなります。肉厚やリブの設計においては、これらの特性を考慮する必要があります。

非晶質プラスチックと半結晶性プラスチックの主な違いを表にまとめてみます。

	半結晶性プラスチック	非晶質プラスチック
例	PP、PE、ナイロン	ABS、PS、PC
Structure	結晶と非晶質領域が混在しています。	絡み合った鎖のように無秩序。
融解	融点が鋭く、固体から低粘度の液体に急速に変化します。	鋭い融点はありません。徐々に軟化します。
収縮	高く、不均一（異方性）	低く均一（等方性）
反り	非常に反りやすい。	反りにくくなります。
表面	丈夫で滑りやすく、マットな	光沢があり、硬い。
透明性	不透明/半透明	透明であることが多い

収縮と流動の設計への影響

溶融したプラスチックは、射出成形された後、そのまま金型に充填されるわけではありません。圧力を受けながら流れ続け、最終的には金型の壁面に接触して冷却されます。そして、固化して収縮します。 

素材を決めるときは、次の重要な事実を念頭に置いてください。 

• 収縮非晶質プラスチックの収縮率は0.3%～0.7%と比較的低く、半結晶性プラスチックの収縮率は1.5%～3.0%とかなり高くなります。また、壁面の凹凸によって収縮率に大きな差が生じます。
• Flow: 非晶質プラスチックは速度変化に対してより耐性がありますが、半結晶性材料は均一に冷却するために高圧と高速射出速度を必要とします。
• リーダーシップ: 非晶質材料と比較すると、半結晶性プラスチックは流れに沿った方向よりも流れを横切る方向でより大きく収縮します。
• 厚さ: 厚い部分は冷却が遅いため、収縮が大きくなります。

これらの事実を無視すると、ヒケ、反り、ボイド、寸法ばらつきといった射出成形の欠陥につながる可能性があります。そのため、射出成形の設計においては、以下の点を考慮してください。

• 均一な壁厚の確保 厚い部分が薄い部分に隣接しないようにすることは絶対に避けてください。厚い部分は冷却が遅いため、薄い部分から引っ張られ、ボイドやヒケが発生します。 
• コーナーに十分な半径を追加する 特に半結晶性材料の場合、応力の集中を防ぐためです。
• 最も厚い部分の近くにゲートを配置する または、流路が対称であることを確認します。

PPとPEが壁の厚さとリブに対してより敏感な理由

PP および PE 材料を使用する際に留意すべき点は次のとおりです。

ポリプロピレン（PP）とポリエチレン（PE）はポリオレフィンです。つまり、半結晶性が高く、比較的柔軟性が高いということです。そのため、非晶質材料よりも収縮率が大きくなります。 

安価で、丈夫で、耐薬品性があるという理由で選択されるかもしれませんが、寸法バランスに関しては悪夢になる可能性があります。

PPとPEは、リブが大きすぎる、肉厚が薄肉化する、局所的な質量集中といった問題に特に敏感です。冷却すると結晶化し、厚い部分はより急激に収縮します。 

つまり、リブが公称壁よりもかなり厚い場合、外壁が固まる間に内部はゆっくりと冷却されます。最終的にコアが冷えると、外壁が内側に引っ張られ、製品表面にヒケが発生します。一方、外壁が硬すぎると、内部が収縮する際に空洞が生じます。

そこで、覚えておくべき実用的なルールをいくつか紹介します。 

• 結晶性材料の場合、リブの厚さは公称肉厚の40%～60%を使用してください。それより厚くなるとヒケが発生しやすくなります。
• リブには十分な抜き勾配（少なくとも1～2°）を設け、鋭角ではなく細く丸みのある形状にしてください。PEとPPは柔らかく滑りやすいため、抜き取りが困難になるからです。
• 壁の厚さは薄く（約1.5～2.5mm）、可能な限り均一にしてください。半結晶性材料の場合、厚さの絶対値よりも均一性が優先されることにご留意ください。
• 高い寸法安定性が必要な場合は、ABSやPCなどの非晶質材料をお選びください。これにより反りを防止できます。耐薬品性と製品の強度を重視する場合は、半結晶性材料（ナイロン、PBT、PE、PP）をお選びください。

優先度ベースの設計ルールセット

射出成形の設計には、覚えておくべきルールがいくつかあります。その中には、コストに大きな影響を与えるものもあれば、部品の製造性や、それが安定して行えるかどうかを左右するものもあります。

以下の4つのルールをご確認ください。ルール1を間違えると、ルール2ではダメージを修復できないことを覚えておいてください。さらに、ルール3に違反すると、ツールをいくら調整しても修復できません。ルール4も同様です。 

熟練した金型設計者が好む階層のルールについて説明します。

1. 均一な壁厚から始める

射出成形において必ず守らなければならないルールが 1 つあるとすれば、それは間違いなく「壁の厚さはすべての表面にわたって均一でなければならない」ということです。

これは、壁の厚さが次のような他のいくつかの側面を制御するためです。

• 物質の流れの均一性。
• 冷却速度。
• サイクルタイム。
• 収縮挙動。
• 内部ストレス。

したがって、このルールに忠実に従うことで、部品の構造が強化され、サイクル タイムが最適化され、ヒケ、反り、弱い部分などの欠陥を防ぐことができます。

また、壁の厚さはドラフト、フィレット、リブ、テクスチャよりも重要であることに留意してください。

壁の厚さがドラフトよりも重要な理由

ドラフトとは、金型から部品をスムーズに取り出すために、部品の垂直壁に適用されるわずかな角度のことです。 

したがって、ドラフトは排出プロセスにおいて単純な機能を持ちますが、壁の厚さは部品の構造的および機能的な健全性、および冷却ダイナミクスを定義します。

つまり、抜き勾配が悪いと、最悪の場合、部品の取り出しが困難になり、見た目が悪くなる程度です。しかし、肉厚が適切でないと、反り、ヒケ、ボイドといった致命的な欠陥が発生し、部品が使用できなくなることがよくあります。そして、それは経済的損失にもつながります。

言い換えれば、均一な厚さの部品でも抜き勾配が不十分であれば成形は可能ですが、取り出しにくさと金型の摩耗のリスクがあります。しかし、壁面が不均一な部品は、必ず反り、ヒケ、あるいは寸法上の凹凸が生じます。 

つまり、抜き勾配は成形品の取り出しと外観に影響を与え、肉厚は製造プロセス全体の核となる物理特性全体に影響を与えます。

厚い部分がヒケ、反り、サイクルタイムの延長を引き起こす仕組み

壁の厚さは冷却プロセスに大きな影響を与えます。ここで重要なのは、薄い部分は厚い部分よりも早く冷却されるということです。 

ここでは、壁の厚さによってヒケ、反り、サイクルタイムの延長がどのように発生するかを説明します。

ヒケ:

溶融プラスチックが射出されると、金型壁に接触した部分が最初に冷却され、固まった表皮を形成します。ある部分が他の部分よりも厚い場合、その中心部はより長く溶融状態を保ち、最終的に冷却されると収縮し、既に固化した表皮を引き込み、部品の表面に「窪み」を形成します。

解決策: 厚い部分を抜き取り、リブの厚さを壁の 40 ～ 60% に減らします。

ゆがみ:

冷却プロセスでは、薄い部品が先に固まります。しかし、高温状態が長く続く厚い部分は、徐々に冷却・収縮を続け、内部応力が生じます。部品が取り出されると、この応力によって薄い部品は厚い側に向かって反り、ねじれ、あるいは「たわむ」ようになります。

壁の厚さが不均一であったり、設計が非対称であったり、金型の冷却が不均衡であったりすると、こうした欠陥が発生しやすくなります。

解決策: 壁の厚さを均一に保ち、遷移を 3:1 の比率で段階的に行います。

長いサイクルタイム:

冷却は射出成形サイクルの大部分を占め、多くの場合、成形時間の60%から80%を占めます。この間、最も厚い部分も含め、すべての部分が完全に冷却され、取り出し可能な状態になるまで、金型は閉じられた状態を保つ必要があります。

肉厚が厚すぎると、冷却時間が通常の4倍かかることがあります。つまり、一箇所でも肉厚が厚すぎると、部品全体が金型内に長く留まってしまう可能性があります。その結果、一つの部品にかかる時間が長くなり、生産数が少なくなってしまいます。その結果、部品単価が上昇し、生産性が低下します。

解決策：壁厚を許容範囲内で最小限に最適化します。これにより、金型の冷却性能が大幅に向上します。

壁の厚さに関するプロのアドバイス：壁の厚さは均一にし、できれば1.2～3.0mmにしてください。また、壁を厚くするよりも、リブを使用して強度を高めるようにしてください。

2. テクスチャの前にドラフトを追加

射出成形の設計において、抜き勾配は見た目の特徴となる前に、機械的な機能として機能します。成形品のあらゆる垂直面には抜き勾配があり、金型からきれいに取り出すことができます。抜き勾配が欠如していると、部品が金型に接触し、摩耗や損傷を引き起こします。

一方、テクスチャは金型内で部品をしっかりと固定する微細なアンダーカットを形成します。率直に言うと、テクスチャは実際には抜き勾配の必要性を高めるものであり、抜き勾配をなくすものではありません。したがって、設計時にはテクスチャよりも抜き勾配を優先するようにしてください。

下書きを先にしてテクスチャを後回しにする理由:

テクスチャの前にまずドラフトを追加する必要がある理由は次のとおりです。

• ドラフトはマイクロアンダーカットによる部品のロックを防止します例えば、ビーズブラストで金型表面に凹凸をつけることでテクスチャーを形成した場合、抜き勾配を設けないと、多数の小さなフックのように部品を金型に固定してしまいます。これにより、部品の取り出し時に金型表面と部品の両方が損傷する可能性があります。
• 高い摩擦による収縮を抑制します成形品は冷却されると収縮し、金型コアの周囲に密着します。抜き勾配は、成形品取り出し時の接触面積を減らし、摩擦を低減します。これにより、部品は金型から容易に外れますが、部品表面が金型壁に垂直に接している場合は、このような現象は起こりません。また、部品が金型に接触すると、焼けや擦り傷の原因にもなります。
• ドラフトはテクスチャの深さを決定します業界標準では、テクスチャに必要な最小角度が定められており、これは抜き勾配によって定義されます。例えば、軽いテクスチャ（PM-T1）には少なくとも3°の抜き勾配が必要で、中程度または重いテクスチャ（PM-T2）には5°以上の抜き勾配が必要です。したがって、一般的なルールとしては、テクスチャの深さの1000分の1（0.001インチ/0.025mm）ごとに少なくとも1°の抜き勾配を追加します。抜き勾配の後にテクスチャを決定するのであって、その逆ではありません。
• ドラフトはコストと生産時間に影響する適切な抜き勾配により、ヒケや金型の損傷を防ぎ、生産停止を最小限に抑え、取り出し力を低下させて金型の不必要な摩耗を防ぎます。

テクスチャがドラフトに取って代わらない理由

ドラフトがテクスチャよりも先に来る理由がわかったので、テクスチャがドラフトに取って代わらない理由も知っておく必要があります。

• テクスチャは排出時の摩擦を増加させるテクスチャは金型からの部品の取り出しを容易にしません。これは、テクスチャによって表面積が増加し、微細なアンダーカットが生じるためです。どちらも、ドラフトのきれいで滑らかな表面よりも取り出しを困難にします。
• ドラフトはテクスチャを保護するグリップとして使用する場合でも、欠陥を隠す場合でも、抜き勾配がないと、成形品を取り出す際にテクスチャが削れてしまいます。金型表面にも同様のことが言えます。部品を取り出す際に、より大きな力がかかるためです。

まとめると、高品質な成形部品は、まず抜き勾配を作成し、必要に応じて表面にテクスチャを適用することで生まれます。つまり、正しい手順は、機能的な形状を確立する – 適切な抜き勾配を適用する – 表面テクスチャの深さを決定する、ということになります。

3. 厚みを増す前に芯を取り出す

部品の強度を高める必要がある場合、最も明白な考え方は材料を追加することです。しかし、これは射出成形の設計では機能しません。

代わりに、ジオメトリを参照して、コアを抜いてリブで補強することで部品をさらに強化できることを確認する必要があります。

コアリング vs. ソリッドウォール

CAD上では頑丈に見えるソリッド壁。しかし、成形においては問題の原因となります。そこでコアリングが重要になります。

コアリングとは、厚肉部の中心部から材料を削り取り、中空にする作業です。これにより、リブで補強された均一なシェルが形成されます。

厚い壁を残しておくと、外側が冷えた後に内側がゆっくりと固まってしまいます。そして、それがヒケ、反り、そして空洞の原因となります。

代わりに、コアリングにより壁の厚さが均一になり、均一な冷却が促進され、外観上の欠陥が防止されます。

リブは厚みの代わりであり、質量を増やすものではない

リブは、コアが除去された部分の構造強度と剛性を高めるために垂直に延長された部分です。設計形状においては、リブは主壁の厚さを維持しながら、設計の構造的完全性を高めるのに役立ちます。

つまり、部品を強化するために「質量を増やす」のではなく、「リブ」を考えるのです。リブは肉厚の維持にも役立つので、一石二鳥です。

ただし、注意点があります。 

リブを密集させるほど多く追加しないでください。目安としては、リブ同士の高さよりも近づけすぎないようにすることです。そうすると冷却が遅くなるリスクがあり、そもそも避けたいことなのです。

コアリング	リブ
– 厚い壁を持つソリッドセクションを削減します。 – 冷却を高速化し、サイクル時間を短縮します。 – 空洞、反り、ひび割れを防止します。	– 質量を増やすことなく部品の強度と剛性を高めます。 – 反りなどの欠陥を防ぎます。 – 耐荷重性が向上します。

4. 正当な理由があるまで値下げは避ける

射出成形において、アンダーカットとは、金型から部品が直線的に排出されるのを妨げる穴、凹部、または突起を指します。アンダーカットには、スライド、リフター、折り畳み式コアといった複雑な金型が必要になります。そのため、追加コストが発生します。

したがって、アンダーカットを検討するときに問うべき重要な質問は、アンダーカットを成形できるかどうかではなく、一貫したコストに見合う価値があるかどうかです。

コスト乗数としてのアンダーカットとサイドアクション

アンダーカットを成形するには、次のような追加のツールの詳細が必要になります。

• サイドアクション（スライド）。
• リフター。
• 折りたたみ可能なコア。
• ねじ外し機構（ねじ用）。

ツールの詳細が追加されるたびに、時間の延長、コンポーネントの移動、再調整、メンテナンスの必要性の増加につながります。

これらすべてによりコストが膨らみ、場合によっては実際の部品自体のコストをはるかに上回ることもあります。

また、大量生産の場合、アンダーカットにより金型製造のリードタイムが長くなり、ツールの摩耗が増加し、スライドの動きによりサイクルタイムが長くなる可能性があります。 

これらの理由により、アンダーカットはコスト増加要因となり、ツール戦略に大幅な変更をもたらすことがよくあります。

しかし、アンダーカットにコストがかかるからといって、それが全く価値がないというわけではありません。

アンダーカットが本当に価値があるとき

アンダーカットは、実際のコストよりも大きな価値を射出成形システム全体にもたらす場合に価値があります。

これは次のような状況で当てはまります。 

• インターロック機構を有効にするために、留め具や接着剤の代わりにラッチやスナップフィットを使用する場合。
• ボトルキャップなどのねじ山のある部品を金型に直接ねじ込み固定する機能を作成する場合。
• コアリングと併用することで、厚い塊を取り除き、サイドホール、スナップフィット、複雑な形状といった機能的なデザイン要素を作り出すことができます。ひけや反りを防ぎ、冷却時間を短縮することを目的としています。
• 消費者向け製品のハンドルやボタンおよび配線用のポートのように、ユーザーの人間工学を向上させる場合。
• 排除すると 二次組立作業 バリ取りやねじ切り、ファスナーの取り付けなど。 

したがって、一般的な原則は次のようになります。まず直線引き用に設計し、次にツールの複雑さに見合う経済的および機能的利点がある場合はアンダーカットを追加します。

一般的な射出成形の特徴

ほぼすべての射出成形部品には、いくつかの特徴が見られます。これには、抜き勾配、リブ、ボス、半径、コーナー、アンダーカット、シャットオフなどが含まれます。

射出成形の設計において、これらの特徴は単なる外観上の機能ではありません。部品がきれいに成形され、取り出されるかどうかを決定する上で重要な役割を果たします。

これらの特徴を理解することで、製造可能な設計と処理が難しい設計を区別することができます。

抜き勾配角度

すでにご存知の通り、抜き勾配とは、金型から部品をスムーズに取り出すために垂直面に施されたわずかなテーパーのことです。抜き勾配がないと、部品が金型に引っ掛かり、取り出すのに大きな力が必要になり、部品の損傷や金型の摩耗のリスクが高まります。

深さ、質感、材質の効果

ドラフト要件は、フィーチャの深さ、テクスチャ、および材質と次のように相関します。

• フィーチャの深さ: 壁が深くなると、ツールと接触する表面積が大きくなり、排出が難しくなります。 深さが増すほど摩擦が大きくなり、喫水も必要になる。.
• 表面テクスチャ: テクスチャにより、部品とツール間のグリップが向上します。 より深いテクスチャには、ベースライン値を超える追加のドラフトが必要です。.
• 材料の挙動: 一部の材料 (特に PP や PE などの半結晶性プラスチック) は、より激しく収縮し、金型にしっかりと密着します。 半結晶性プラスチックは、PCやABSなどの非晶質プラスチックよりも高いドラフト角度を必要とする。.

ドラフト範囲

喫水範囲は形状や特徴によって異なります。一般的な推奨事項は以下の通りです。 

• 0.5°は絶対最小値 （必ず必要です）垂直面にはドラッグを防ぐためのものが必要です。
• 片側1° 滑らかでテクスチャのない表面の場合（最小の開始点）。
• 片側1.5～2° より深い機能のために。
• 3°以上 テクスチャのある表面用（テクスチャの深さによって異なります）。

材料の挙動、フィーチャの深さ、および表面のテクスチャに関連するドラフト範囲については、次の点を考慮してください。

表面の質感別:

• 0.5°-1° 磨かれた表面や滑らかな表面用。
• 1°-3° ビーズブラストなどの軽いテクスチャ用。
• 3°-5° 軽い木目や軽いスパークなど、中程度から重い質感に適しています。
• 5°～12°以上 木目や革などのアグレッシブなテクスチャに適しています。

材質別:

• 0.5°～1.5° 収縮率の低い非晶質ポリマー（PS、PC、ABS）用。
• 1.5°～3°以上 金型にしっかりと密着し、より大きく収縮する半結晶性ポリマー (POM、PP、PE、ナイロン) 向け。

テクスチャの深さ別: 

• 1° 余分な テクスチャの深さ 0.001 インチ (0.025 mm) ごとに。

ここで重要な点は、修正手段として下書きを追加するのではなく、最初から意図的に下書きを設計することです。

リブとボス

射出成形の設計において、リブとボスはプラスチック部品の構造強度と機能性を高める上で重要な機能です。リブとボスの利点は、必ずしも重量や肉厚を増加させないことです。

しかし、リブやボスの設計が不適切だと、不必要な重量や壁厚が増加し、ヒケや反りなどの欠陥が発生する可能性があります。

リブと壁の厚さの関係

リブは、質量を増やすことなく剛性と強度を高める必要があります。そのためには、以下の点に留意してください。 

• リブのベースは公称壁厚の 40% ～ 60% です。
• リブの厚さは隣接する壁の厚さの 60 ～ 70% を超えません。
• リブの高さは公称壁厚の 3 倍以下です。
• リブは片側0.5°～1.5°の抜き勾配が付けられており、金型からの取り外しがスムーズです。
• リブのベースには、壁の厚さの 0.25 ～ 0.5 倍のフィレット (半径) があり、応力の集中を最小限に抑えます。

上司がしばしば沈没を引き起こす理由

ボスとは、ガイドピンとして、またはインサートやネジの挿入に使用される円筒形の部品です。不適切な加工をすると、ボスが厚くなり、冷却性能が低下し、ひどいヒケの原因となる可能性があります。 

その理由はこちらです：

• より遅い冷却ボスの底部にある余分な材料は、冷却と収縮に時間がかかります。そのため、表面が内側に引っ張られ、凹み跡が残ることがあります。 
• 追加質量ボスは壁面への取り付け部分で質量を増加させます。これらの部分はヒートシンクとして機能します。
• 高さ追加: ボスが高すぎる場合や壁が厚い場合は、ゆっくりと冷却される追加の質量が形成され、ヒケが発生する原因となる可能性があります。

これらの事故は、ボスをソリッドサポートとして設計する場合に特によく発生します。

適切なボスとリブの組み合わせ

ヒケを避けるには、リブとボスを組み合わせるときに次のヒントに留意してください。

• 　 ボスを最も近い側壁に接続するための補強リブ 彼らを放っておくのではなく。 
• 40%～60%の厚さルールに従う リブとボスの両方を備えています。
• ボスをコアアウト 壁の厚さを均一に保つためです。
• ガセットを使用する ボスのベースの周りに配置することで、質量を増やすことなくボスを強化します。
• ボスを真向かいに配置しない 高光沢または化粧表面。

角と半径

CADではコーナーはきれいに見えますが、成形においては様々な問題を引き起こす可能性があります。 

鋭角な角が応力と流れの問題を引き起こす理由

設計上の鋭角な角は、次の理由により、射出成形時に応力と流動の問題を引き起こします。  

• 荷重が集中し、ひび割れが発生しやすい弱点が生じます。
• 溶融樹脂は90°の角度では自由に流れません。そのため乱流やエアトラップが発生し、最終的にはショートショット（充填不良）が発生します。
• 鋭角な角により溶融プラスチック部分が最大 30% 厚くなり、冷却と収縮が遅くなり、反りやヒケの原因となります。
• 溶融プラスチックは、流れの速度と方向の急激な変化にうまく適応できず、ウェルドラインが発生します。

これらの理由から、丸い角は製造性と部品の耐久性が向上します。

基本的な内側半径と外側半径の関係

内径と外径を同じ半径に指定するのは設計ミスです。バランスが崩れ、欠陥の原因となります。 

代わりに、推奨される最小内径（R _in）は壁厚（T）の0.5倍、推奨される最小外径（R _out）はTの1.5倍です。

したがって、内側の半径と外側の半径の正しい関係は次のようになります。

外径（R _out）＝内径（R _in）＋壁厚（T）。

これにより、コーナー部全体で均一な壁厚が維持されます。そうでなければ、材料の流れが制限され、応力が集中し、金型の充填が不均一になるリスクがあります。

アンダーカットとシャットオフ

アンダーカットは部品の排出を妨げます。しかし、複雑なサイドアクションの代わりにシャットオフ設計を採用することで、アンダーカットを排除できます。 

シャットオフがサイドアクションよりも優れている場合

シャットオフとは、金型の2つの面が接触し、溶融樹脂の流れを遮断する金型ポイントです。これにより、部品を移動させることなく、形状を作成できます。 

ただし、スライドではなくストレートプルジオメトリとスチールシャットオフを介して機能を形成するように設計できる場合は、ツールがより安価になり、よりシンプルになり、耐久性が向上し、より高速なサイクリングが可能になります。

シャットオフがサイドアクションよりも適している状況は次のとおりです。

• コストと速度を確認する必要がある場合、追加のメカニズムが不要になり、ツールのコストが削減され、生産が高速化されます。
• スライドを必要とするポケットの代わりに貫通穴やスロットを使用したり、折りたたみ可能なコアの代わりに内部リブやスナップ機能を使用したりなど、より複雑な機能を単純な機能で置き換えることができる場合。
• 複雑な可動部品に比べて機械的摩耗を最小限に抑える金属上スライド設計を使用して信頼性を向上する必要がある場合。

設計段階でどれだけのアンダーカットを排除できるか

多くのアンダーカットは設計段階で排除することができ、排除されたアンダーカットごとにコスト、複雑さ、損傷のリスクが軽減されます。

設計段階でアンダーカットを排除するには、次の方法があります。 

• ポケットや止まり穴の代わりに貫通穴に変えることで、ツールが遮断を作成できるようになります。
• 特に柔軟な材料の場合、垂直面に 3° 以上のドラフトを追加して取り出しを容易にします。
• 必要のないスナップフィットを削除するか、より小さなフィーチャを使用するようにパーツを再設計します。
• パーティング ラインを変更してフィーチャを開閉方向に合わせることで、複雑なメカニズムが不要になります。

これらの設計の調整により、後期段階のツールの問題を防ぐことができます。

設計に起因する成形欠陥

多くのメーカーは、射出成形の欠陥をすぐに工程のせいにします。しかし、反り、ヒケ、ショートショットといっ​​た欠陥は、多くの場合、設計上の決定に起因しています。そして、それらは設計上の決定によって予防できるのです。

反り

反りは一般的に、部品が不均一に冷却・収縮する際に発生する内部応力によって発生します。これは主に3つの設計要因によって発生します。

不均一な肉厚

これが反りの最大の原因です。壁厚の不均一性は、冷却と収縮を妨げる1つの主な問題を引き起こします。

• 不均一な冷却 壁の薄い部分はより速く冷え、厚い部分はよりゆっくりと冷えます。後者の部分はより大きく収縮し、既に固まっている部分を引き込み、曲がったりねじれたり（反り）します。
• 突然の移行 材料の流れに支障をきたし、局所的に高応力領域が発生します。
• 厚いリブまたはボス 隣接する壁の推奨最大厚さの 60% を超えると、ヒートシンクが発生し、周囲の表面が反り返ります。

材料の選択

• 半結晶性プラスチック (PP、PE、ナイロン) は最大 3% 多く収縮し、反りが発生しやすくなります。 
• 非晶質プラスチック (ABS、PC) は収縮率が 0.7% 未満で、寸法安定性が高いため、反りが発生しにくくなります。
• 繊維充填樹脂 （ガラス、カーボン、または天然素材のオプション）は剛性を高めます。しかし、その一方で異方性収縮が発生しやすく、材料の流れが不均衡な箇所では反りが生じる可能性があります。

不均衡または不均一な冷却

CADにおける冷却レイアウトは、凝固の不均一性につながることがよくあります。具体的な設計上の問題としては、以下のようなものが挙げられます。

• 非対称幾何学大きな形状や平らな表面が異なる速度で冷却され、湾曲が生じる場合があります。
• ゲートの設置が不適切 充填の最終段階に位置します。溶融プラスチックは非常に厚くなり、充填と冷却が不均一になります。
• 不適切なコーナー半径 鋭い角に熱と応力が集中し、外側の角が壁の厚さに合わせて設計されていない場所です。（「角と半径」の前のセクションを参照してください）。

シンクマーク

先ほど、射出成形の設計において、質量を増やすことは必ずしも強度につながるわけではないことを述べました。これは、厚い部分は冷却が遅く、収縮が大きくなるため、ディンプルやヒケが発生しやすくなるためです。 

具体的には、リブ、ボス、または鋭角で厚みを追加することは、強度を高める方法としては間違っています。その理由は次のとおりです。

• 熱が集中したり、ホットスポットが発生して、冷却に時間がかかります。
• ゆっくり冷却する部品がすでに冷却されて固化した部品を引き込むと、表面のへこみが生じます。
• 内部応力が増加して反りが生じ、場合によっては内部に空洞や気泡が発生します。
• 冷却時間が長くなるため、生産時間が遅くなります。
• 最終製品の品質が低下します。

ショートショットとウェルドライン

ショート ショットはフロー パスの問題であり、ウェルド ラインは処理の問題です。

ショートショット 

ショートショットとは、溶融樹脂がキャビティ全体を充填する前に固化することで発生する不完全な充填状態です。ショートショットは、以下のような形状の不整合によって発生します。 

• 極薄壁 これにより、充填の終わりに達する前にポリマーが冷却されて固化します。

• 複雑で長い流れ 流動抵抗を増加させ、キャビティが充填される前に早期冷却を引き起こす経路。
• 換気設計が悪い 空気が逃げず、内部に圧力がかかり、空洞内に障壁が形成されます。
• 小型ゲートおよびランナーシステム 血流を制限し、早期冷却を促進します。
• 突然の移行 壁が不均一なため、流れが不均一になります。

ウェルドライン

ウェルド ラインは、2 つ以上の溶融プラスチックの前面が完全に混ざることなく接触して生成される目に見えるニット ラインです。 

これは次のような問題によって発生します: 

• コアまたは障害物樹脂の流れを妨げ、樹脂が分割されて再び結合するスロット、穴、リブなどが含まれます。
• ゲートの位置が不適切 より長いフローフロントを作成する位置。
• マルチゲートレイアウト 流れが合流し、ゲートを結ぶ線に対して垂直な線を形成します。

これらすべてとその他の設計上の問題はコストに大きな影響を与える可能性があります。

設計上の決定がコストに与える影響

射出成形の設計において、コストは形状によって大きく左右されます。同じ量のプラスチックを使用していても、コストに大きな差が生じる部品が2つある場合があります。このような状況が発生する仕組みを理解することは、効果的なDFMを実現するために不可欠です。

ストレートプル型とサイドアクション型

ストレートプル金型は一方向にのみ開くため、追加の機械動作を必要とせず、部品をスムーズに取り出すことができます。そのため、コスト効率に優れています。

しかし、アンダーカットが導入されると、金型にはサイドアクションまたはスライド、リフター、折りたたみ式コア、およびその他のねじ外し手順が必要になります。

追加の手続きごとに以下の追加費用が発生します: 

• ツールビルドの複雑さ。
• 金型材料費。
• 加工時間。
• メンテナンス要件。
• ダウンタイムと修理コストのリスク。

これらのコストは時間の経過とともに積み重なる可能性があります。そのため、可能な限り、まずはストレートプル設計を選択してください。ストレートプル設計は常に安価で、長期間にわたって堅牢性を維持します。サイドアクションは、追加費用が正当化される場合にのみ追加してください。

厚い壁とリブ構造。

厚肉化は冷却を遅らせ、部品の取り出し時間を大幅に増加させることが既に分かっています。つまり、サイクルタイム全体は長くなり、材料量も増加し、ヒケや反りのリスクも高まります。 

材料の量が多く、プロセスが長く、損傷した製品の損失が発生すると、余分なコストが発生します。

代わりに、リブ構造を選択すると、次の方法でそれらのコストを削減できます。 

• 公称壁厚を維持し、冷却時間を短縮します。 
• 質量を増やさずに剛性を効率的に高めます。
• 材料費の節約。

さらに、リブ構造は、曲げやすく、軽量で、加工コストが低く、構造的に安定した、より強度の高い部品を生産します。これらすべてがコスト削減につながります。

シングルキャビティ ツールとマルチキャビティ ツール。

キャビティ数はツールと生産コストに直接影響を及ぼします。

シングルキャビティツールは初期コストが低く、バランス調整も簡単です。しかし、総出力は遅くなります。

マルチキャビティ金型は初期コストが高く、フローバランスの調整も複雑になります。しかし、生産量が多いため、単価は低くなります。

このように、シングルキャビティ金型とマルチキャビティ金型にはそれぞれ長所と短所があります。試作にはシングルキャビティ、量産プログラムにはマルチキャビティといったように、年間の生産量を想定して決定する必要があります。

また、大量生産の場合でも、部品の設計によってマルチキャビティの使用が価値があるかどうかが決まることに注意してください。 

例えば、大型部品の製造、複雑なフローパス、そしてアンバランスな充填は、実用的なキャビティ数を制限する可能性があります。しかし、流動と冷却を簡素化する設計上の決定により、マルチキャビティを実現可能にし、長期的な射出成形コスト全体を削減することができます。

厳しい許容差の本当のコスト。

自動車や医療機器など、完璧なフィット感、機能性、位置合わせが重要な分野では、正確な部品寸法を順守することが極めて重要です。 

しかし、次のような理由により追加コストが発生する可能性があります: 

• 精密金型加工。
• 追加の金型調整およびサンプリング時間。
• 拒否率が高くなります。
• より厳しい検査要件。
• 二次的な操作が可能です。

また、射出成形部品の品質は材料のばらつきによって大きく変動する可能性があります。そのため、材料選定における公差が厳しいと、材料費だけでなく、適切な金型製作や加工時間の増加など、コストが増加する可能性があります。

したがって、射出成形用の効率的な DFM では、部品の機能が厳密に要求する場合にのみ、厳しい許容誤差を遵守する必要があります。

要約すると、CAD を決定する際には、射出成形の設計は形状や機能よりも生涯にわたる生産コストの効率が重要だということを念頭に置いてください。

射出成形チェックリストの設計

最もコストのかかる成形上の問題は、機械加工段階ではなく設計段階にあります。そのため、金型製作用のCADをリリースする前に、すべての要件を満たしていることを確認してください。 

この射出成形の設計チェックリストが役立ちます。 

• 均一な肉厚

• 部品全体の壁の厚さは一定ですか? (ほとんどのプラスチックでは 1 ～ 3 mm)。
• 厚い層から薄い層への移行は、必要なときのみ段階的に行われますか?
• コーナーの半径は均一な壁の厚さを維持するように設計されていますか?
• 反りやヒケのリスクを軽減するために、リブやボスを使用して、潜在的な厚壁を最適化しましたか?

• すべての垂直面のドラフト

• すべての垂直壁に勾配がありますか? (最低 0.5°～ 1°、テクスチャ面の場合は 2°～ 3°)。 
• ドラフト角度は深さと材料の種類に合わせて調整されていますか?
• テクスチャ面に合わせて追加のドラフト角度が調整されていますか?

• 厚い部分を抜き取る

• リブは壁に質量を加えるのではなく、部品を強化するために使用されますか?
• すべての固体部分（リブとボス）は中空になっていますか？（少なくとも可能な場合は）
• ボスとリブの厚さは公称壁の厚さの 40% ～ 60% ですか? 

• 鋭角ではなく丸みのある角
• 材料の流れを改善し、応力の集中を減らすために、鋭角がフィレットに置き換えられましたか?

• 早期にアンダーカットを最小限に抑える

• パーティング ラインの変更や「バンプ オフ」機能の使用などの代替手段を使用して再設計すると、ストレート プルに役立ちますか?
• 金型の開き方向は決まっていますか？
• 含まれているサイドアクションは本当に必要ですか?

• 化粧面の定義

• クラス A (装飾的) 表面には、パーティング ライン、エジェクタ ピン、ゲート位置を避けるためのマークが明確に付けられていますか?
• ヒケを防ぐためにリブやボスが適切に使用されていますか?
• ドラフトとともにテクスチャも適切に考慮されていますか?

• CAD をフリーズする前に成形機を確認してください。

• 設計は成形業者によって製造可能性について検討されましたか?
• 収縮率に基づいて材料が選択されましたか?
• 陥没や空洞を避けるために、ゲートは最も重いセクションに配置されていますか?
•  許容範囲は成形能力と一致していますか?

エズラメイド

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材料の選択、リブの設計、アンダーカットの位置合わせについてご不明な点がございましたら、当社の DFM エキスパートがお客様の設計を確認し、製造性を最適化し、部品の品質を向上させながらコストを削減するお手伝いをいたします。

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締結思考

射出成形の設計は、あらゆる細部に至るまでの精密さが重要であり、生産が始まってからエラーを修正するべきではないことを、すべての設計者は理解しておくべきです。つまり、CADを固定する前に、肉厚、抜き勾配、リブ、材料挙動、金型設計戦略といった問題に注意を払う必要があるということです。

小さな形状の不一致は、長期的にはコスト、サイクルタイム、製品品質、および生産プログラム全体の安定性に大きな影響を与える可能性があります。

また、均一な壁、リブとボスの使用、ストレートプル、構造の一貫性などの要素を優先することで、設計やツールの変更による大きな損失のリスクを軽減できます。

要約すると、適切な DFM の決定により、設計上の課題を予測可能かつ繰り返し可能な生産資産に変換することができ、プロセスとコストの効率、最終製品の品質が向上します。

ソース：

• ポリプラスチックス： 射出成形の概要.
• トーガス: プロトタイプ、ブリッジ、生産用のツールの種類を理解する.
• プランケット： 少量生産（LVP）ツールは開発ツールや生産ツールとどう違うのか?
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• 目的処理: 射出成形における最小肉厚の選定方法 - 部品設計の最適化.
• プレミアムパーツ: 射出成形において均一な壁厚が重要な理由?
• UPM: 均一な壁厚が重要な理由?
• プロトラボ： 射出成形における肉厚ガイドライン.
• フィクション: 射出成形における反り：原因、予防、トラブルシューティングガイド.
•  プロトラボ： 射出成形における抜き勾配のガイドライン.
• ゾメトリ: 射出成形設計用プラスチックリブ.
• ヴェム： 射出成形アンダーカット.
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• フィクション: 射出成形設計ガイド.
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• マイクロモールド: 射出成形におけるアンダーカットの説明.
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• ゾメトリ: 射出成形における16の一般的な欠陥：種類、原因、解決策.
• キャビティモールド: マルチキャビティ金型とシングルキャビティ金型：大量生産にはどちらが適しているか?
• FacFox ドキュメント: 射出成形の設計ガイドライン.