金型製作ガイド – プロセス、材料、テクニック

3Dプリントされた射出成形金型

金型製作とは何か、そしてどのように行われるのかを知りたいですか？まずは、なぜ金型製作が必要なのか、その本質から考えてみましょう。市場に革命を起こす可能性を秘めた素晴らしい製品アイデアがあるのに、成功を阻む大きな障害があるとします。どんなにクリエイティブなデザインでも、適切な製造技術がなければスケッチや試作品で止まってしまいます。そして、それを最も必要としている顧客に届くことは決してありません。 

一方、品質の低い商品を扱うライバル企業は、金型製作、プラスチック金型製造、アイデアを現実に変える効果的な生産技術を習得することで、市場シェアを獲得しています。

金型製作は、あなたの夢を現実の成功物語へと変える頼りになるツールとなります。金型技術の芸術と科学を理解することで、新規事業の立ち上げや既存事業の拡大が可能になります。

 

金型製作とは何ですか？なぜ重要なのですか？

金型製作とは、材料を特定の形状に成形するための金型を設計・製作するプロセスです。金型は、家庭用品から自動車部品まで、あらゆる産業において、一貫性と再現性のある結果を生み出す上で中心的な役割を果たしています。 

金型は、包装、自動車、航空宇宙、医療機器、そして家電製品に使用されています。専門の金型メーカーにとって、この工程は製造される各製品が求められる設計基準を厳密に満たしていることを保証するものです。そのため、熟練した金型製作者は、品質と効率の両方を確保する上で不可欠です。

カビとは何ですか？

 シリコンと樹脂の型

金型とは、プラスチック、シリコン、金属などの様々な材料を流し込んだり、射出成形したりするための中空の型です。材料が硬化すると、金型の形状が形成されます。この方法により、大量生産において精度と再現性が向上します。

 

金型の種類

金型は、様々な製造工程や製品設計に合わせて、様々な形状や寸法のものがあります。アルミ鋳造を例に挙げると、砂型、セラミック型、シェル型など、様々な金型があります。分かりやすくするために、金型は以下のように分類できます。

一体型金型

最もシンプルな形状は、一体成型です。片面が滑らかで、平らなビーズやシンプルな形状のデザインに最適です。通常、このような型は、実物のマスター、または少なくともCADモデルから製作されます。製作が簡単で、シンプルなデザインに適しています。一体成型の使用

2部構成の金型

より複雑なパターンには、2セクションの型が必要です。2つのパーツで構成され、パーティングラインで接続されています。各パーツは、物体の特定の特徴を捉えようとします。2セクションの型は、体の周囲に皮膚が成長するのと同じように、物体の周囲に材料の層を鋳造するのに使用できます。

マルチパーツ金型

複雑な形状のデザインには、多部品型が用いられます。これらの型は複数の部品で構成されており、それぞれの部品が全体の異なる側面を体現しています。すべての部品を組み合わせることで、単部品型や二部品型では不可能な複雑な形状を再現できます。

マルチキャビティ金型

金型には同一製品のキャビティが2つ以上設けられています。これにより、1回の生産サイクルで複数の同一部品を同時に挿入・シールすることができ、生産スループットが向上します。

表：さまざまなカビの種類の比較

金型	Structure	以下のためにベスト	複雑さのレベル	主な利点
一体型金型	一体型	平らなビーズ、シンプルな形	ロー	簡単に作れて、すぐに生産できる
2部構成の金型	パーティングラインで接合された2つのピース	中程度のパターン、やや複雑なデザイン	技法	物体の周りに形成して形状精度を向上できます
マルチパーツモールド	3つ以上のピースを組み合わせる	複雑で精巧な形状	ハイ	複雑な形状の製造が可能
マルチキャビティ金型	1つの金型に複数のキャビティ	同一部品の大量生産	中から高	1サイクルで多数の同一部品を生産

 

再利用性による金型の分類

金型は、使用できる回数に基づいて分類することもできます。

使い捨て型または犠牲型

これらは使い捨ての型です。対象物を取り出した後、型は破られます。使い捨て型の材料には、砂、粘土、シリコン、ワックス、一部のプラスチックなどがあります。

再利用可能または永久的な型

再利用可能な金型は、プロセスを何度も繰り返すことができます。再利用可能な金型は、以下の3つに分類されます。

フレキシブルモールド: これらはシリコン、プラスチック、またはアルミニウムなどの柔らかい金属で作られており、小規模から中規模の生産に使用されます。

ハードツール: 鋼鉄またはその他の高強度金属で作られており、大量生産に適しており、製品の金型寿命は数十万サイクルに達します。

カビはどのように形成されるのか

型の作成方法や型の作成方法がわからない場合は、プロジェクトのニーズに合った適切なタイプの型を選択することが答えです。 

金型の成長は、いくつかの特徴を持つシンプルな設計から始まります。エンジニアは、最終製品に必要なあらゆる寸法、公差、表面仕上げを網羅した成形図面を用いて、複雑な仕様を作成します。CAD（コンピュータ支援設計）ソフトウェアを用いて、適切な材料の流れ、冷却経路、そして排出システムを備えた金型を慎重に設計し、金型が効果的に機能することを保証します。

製造する部品の数、最終製品の材質、そして金型の耐用年数に基づいて材料が選定されます。熟練した機械工が精密機械を用いて金型を製作し、すべての部品を組み立てます。金型は量産前にテストされ、初めて正しく製造されたと判断されます。

品質保証は各工程において重要です。これには、材料の流れや熱の分布を検査する試験や試作品の試作が含まれます。成形工程におけるこれらの対策は、量産開始前に問題を特定するのに役立ちます。適切な金型設計は、高品質な部品を再現性の高い状態で製造することを保証し、生産性の向上にもつながります。

金型製作用材料

金型の材質は、コスト、寿命、そして新しい製品がオリジナルにどれだけ忠実であるかに大きな影響を与えます。適切な材質を選択することで、金型と高品質な部品の寿命が保証されます。

フレキシブル鋳造用シリコン

シリコンは移動や取り扱いが非常に簡単なため、複雑で複雑な形状に最適です。主に試作品や少量生産、そして外観が重要な製品に使用されます。多くの専門家は、型取り業者から入手しています。 シリコン型メーカー 良質な金型を大量に入手できるようにするためです。

耐久性と精度のための金属

耐久性を重視する金型には、鋼鉄とアルミニウムが最適な素材です。鋼鉄製の金型は耐久性が高く、ストレスにも耐えます。アルミニウム製の金型は軽量で安価なため、 プロトタイプ加工ヒント：最高の個人金属金型設計ビジネスを検討している場合、アルミニウム金型から始めるのが、コスト効率よく市場に参入する方法です。

試作用樹脂

ポリウレタンやエポキシなどの樹脂は、ラピッドプロトタイピングの金型に使用されることがあります。成形コストが安く、設計者は金属金型に投資して本格的な生産を始める前に、迅速に反復作業を行うことができます。

 

金型製作技術の選び方

しかし、適切な金型製造プロセスを選択するには、部品の材質、製造方法、部品の設計、生産量など、いくつかの考慮事項を考慮する必要があります。適切なアプローチは、生産性、品質、そして経済性を保証します。

1. プロジェクトの開発基準を概説する

明確な計画から始めましょう。プロジェクトの内容、スケジュール、予算について簡潔に説明します。単発のプロジェクトなのか、それとも複数回のプロジェクトなのかを決めましょう。 プロトタイプ製造 あるいは数千個の部品を大量生産する。重要なポイントは以下のとおりです。

• 部品の設計とサイズ
• 材質の種類
• 品質と許容範囲
• 生産量
• タイムラインと予算

多くの場合、計画はPRD（製品要件文書）とBOM（部品表）に基づいて行われます。これらの文書は、プロジェクトの要素、材料、性能基準を定義するのに役立ちます。

2. 製造プロセスを選択する

製造工程は、プロジェクトの要件に適したものでなければなりません。デザインによっては複数の工程で製造できる場合もありますが、最も費用対効果の高い方法で品質要件を満たす工程を選択することが課題となります。一般的に、材料の選定と発注数量が最も重要です。

例えば、 プラスチック製品のプロトタイプ数千個の部品を製造する場合には射出成形の方がより適したソリューションとなり、少量生産の場合は 3D プリントが適切な選択肢となります。

3. 型取り方法を選択する

3Dプリントされた射出成形金型

製造プロセスを選択したら、次に金型の製造方法を決定する必要があります。以下の重要な要素を考慮してください。

• 部品の設計単純な部品の場合は、手作業による金型または一体型の金型を使用します。より複雑な設計の場合は、通常、CNC加工または3Dプリントで製造される複数部品の金型を使用します。
• 生産量大量注文には、数千サイクルに耐えられる硬質金型が求められます。少量生産の場合は、ソフトツールや犠牲ツールが経済的です。これらのツールは低コストで迅速に製造できることが多いためです。
• 品質: 厳しい許容誤差には正確な金型が必要であり、サイクルごとに再現可能な結果を​​保証するためにデジタルツールを使用して頻繁に製造されます。
• タイムライン複雑な金属金型の製造には数ヶ月かかる場合があります。より短い期間で製造したい場合は、3Dプリントやソフトモールドによるラピッドツール製作がより良い選択肢となるかもしれません。
• 材料: より硬い材料や高温の材料には、すぐに摩耗しないより強力な金型が必要です。

 

さまざまな製造方法における金型の使用方法

多くの製造工程には、金型製作の工程が含まれます。金型は、製造業者が製品の複製を何度も作成するためのテンプレートとして機能します。金型を使用する主な工程は以下のとおりです。

射出成形

射出成形は、プラスチック、シリコン、ゴムなどの部品を製造する最も一般的な方法の一つです。迅速かつ容易に大量生産できます。初期の金型費用はかなり高額ですが、大量生産すれば部品1個あたりのコストは削減されます。この方法では、金型を射出成形機に取り付けます。金型に高温の原料（通常はプラスチック）を充填します。また、金型をテーブルから引き離し、完成した部品が冷えて固まったら取り出し、サイクルを再開します。 

熱成形

熱成形では、プラスチックシートを柔らかくなるまで加熱します。成形したシートを成形し、金型を用いて所望の形状に成形します。シートは、工程に応じて、金型上に引き伸ばし、成形、または真空圧着されます。主に包装材の製造や、多くの産業における耐久性部品の製造に使用されます。

鋳造

鋳造では、高温の金属、プラスチック、またはシリコンを型に流し込みます。この液体は冷えて固まり、最終製品となります。鋳造は金属加工で広く用いられていますが、プラスチックやシリコン製品にも用いられています。

圧縮

一般的に、圧縮成形は熱と圧力を加える成形方法です。加熱された材料を所定の量、2つの予熱された金型の間に挟み込み、所定の形状に成形します。複雑でない設計に最適で、射出成形の代替として小中規模の生産に適しています。

中空成形、吹込み成形

ブロー成形はガラス吹きに似ています。金型内に固定された溶融プラスチックまたはガラス管に空気を吹き込みます。空気が管内に流れ込むと、管は金型の形状に沿って膨張します。このプロセスは、ボトルなどの中空製品の製造によく用いられます。

複合積層

複合材積層とは、炭素繊維、ガラス繊維、ケブラー繊維などの材料を金型上に積層する工法です。ウェットレイアップ、プリプレグ積層、樹脂トランスファー成形などの方法によって、高強度で汎用性の高い複合部品が成形されます。

さまざまな製造プロセスのための金型の作成

金型製作技術は、製造プロセスの種類と最終製品の要件によって異なります。適切なアプローチを選択することで、金型の精度、効率、耐久性が確保され、生産品質とコストに直接影響します。

鋳造用シリコン型

シリコンは柔軟性と強度に優れているため、試作品、少量生産、あるいは複雑な形状やディテールを持つデザインに最適です。シリコン型の製造は、モデルに応じてワンピース型またはツーピース型から始めます。ツーピース型は、複雑なアンダーカット形状に最適です。すべてはマスターモデルから始まります。マスターモデルは、実物のプロトタイプでも3Dプリントモデルでも構いません。型に液状シリコンを充填し、硬化させます。マスターモデルが固まった後、マスターモデルを取り外します。こうしてできた新しい型は、プラスチック、樹脂、その他の複合材料で追加の部品を鋳造するための再利用可能な型です。

射出成形金型

射出成形機

射出成形金型は、一般的に鋼やアルミニウムなどの金属をCNC加工または放電加工で加工して作られます。部品のCADモデル作成から工程が始まり、金型キャビティを備えた機械加工された金型で完了します。冷却トンネルと排出装置が組み込まれているため、容易に製造できます。組み立てられた金型は、品質と動作を確認するために小規模な試作でテストされます。少量生産や少量生産のラピッドプロトタイピングにおいて、3Dプリント金型は優れた代替手段となります。迅速なターンアラウンドと低コストを実現しながら、再現性の高い高品質な結果を得ることができます。

熱成形金型の製造

熱成形金型 

熱成形ツールは、加熱したプラスチックシートを所望の形状に成形します。これらの金型は通常、アルミニウム、エポキシ複合材、木材（試作品用）、または3Dプリントされたポリマーなどの材料で作られています。材料の選択は、部品の複雑さ、生産量、そしてコストによって異なります。

従来の金型製作技術には、手彫りやCNCフライス加工などが含まれます。最近では、高精細なプロトタイプや複雑なデザインの作成にSLA 3Dプリントが採用されています。従来のプロセスでは数ヶ月かかることもありますが、デジタル製造手法ではリードタイムが大幅に短縮され、設計の柔軟性と精度が向上します。

圧縮成形金型

圧縮成形のプロセス

圧縮成形には、高温高圧に耐えられる金型が必要です。金型の製造は、条件に耐えられる材料を選択し、部品の設計に合わせて成形することから始まります。従来の製造方法では、機械加工や鋳造が用いられますが、 3D印刷 圧縮成形用の金型をより効率的かつ低コストで製造するためのソリューションを提供します。金型が完成すると、サンプル試作と試運転が行われ、金型の効率性と高品質な部品が製造されているかどうかが検証されます。

金属鋳造金型の作成

金属鋳造用金型

金属鋳造では、砂型鋳造、ダイカスト鋳造、インベストメント鋳造など、様々な技法を用いて金型を用いて金属部品を成形します。砂型鋳造では、パターンを用いて砂を充填し、パターンを取り除いた後に鋳型のキャビティを形成します。ダイカスト鋳造では、大量生産のために金属から金型を機械加工するのに対し、インベストメント鋳造では、ワックスパターンをセラミックでコーティングして精密な金型を成形します。設計の複雑さや製造要件に応じて、物理的なパターンから始まる間接法と、デジタル設計から派生する直接法の両方が用いられます。

金型製造におけるラピッドツーリングの役割

迅速なツーリング 金型製作に直接的な改善と影響を与え、金型の作成とテストにかかる時間を大幅に短縮します。これは、製造業者が金型を製造する前に非常に精度の高い3Dモデルを作成できるため、エラーとコストを最小限に抑えることができるという点で重要です。ラピッドツーリングにより、エンジニアは部品設計を非常に迅速にテストし、適合性と機能性を確認し、従来の金型セットアップを待つことなく改善を実施できます。ラピッドツーリングはリードタイムを大幅に短縮し、より高品質の金型を製造します。 迅速なツーリングサービス 従来の方法では実現がはるかに高価または困難であった高度な金型形状を、3D 印刷技術によってサポートします。

Boda Techでは、試作品、小ロット、大規模生産まで、プロフェッショナルな金型製作・製造ソリューションを提供しています。射出成形、シリコンモールド、3Dプリントモールド、その他のカスタムソリューションについては、当社のウェブサイトをご覧ください。また、プロジェクトについてご相談いただければ、お客様のニーズに最適な金型製作方法について専門家のアドバイスを受けることができます。