よくある射出成形金型設計のミスとそれらを回避する方法

構造 の 欠陥 を 防ぐ ため に 壁 の 厚さ を 一致 的 に 維持 する

なぜ不均一な壁厚さは,鋳造部品の厚い部分にシンクマークを引き起こすのか

液体噴出模具の壁が均質な厚さでない場合 部品の冷却は異なる速度で起こります 厚い部分は 薄い壁の部分よりも 固まる時間がかかります 材料の冷却の仕方の違いにより シンクマークと呼ばれるものが作られます 表面に小さな穴が開いて プラスチックが冷却後収縮します 最近の研究によると 2023年にポリマー流量分析により 壁の厚さが隣接する部分の2倍を超える地域では この醜い水槽痕跡が 発症する確率が4倍近くあります 設計者は 厚い肋骨や薄い壁に 固定されたボスで 問題を抱えることがあります この機能は 冷却中に 約40%長く熱を保持し 欠陥を引き起こす傾向があります 製造者が大量生産のための部品を設計する際には よく注意する必要があることです

変形する壁厚さが不均等な冷却による歪みにつながる方法

歪みが生じる主な原因は、部品の異なる領域が異なる速度で冷却される際に、内部に不均一な応力が発生するためです。壁の厚さが薄い部分は、周辺の厚い部分に比べて約1.5倍から2倍の速さで冷却されやすくなります。これにより、部品全体での収縮が均等でなくなり、その結果、部品が変形し、薄い部分の方へと曲がってしまいます。2024年に発表された業界レポートによると、歪みによって発生した廃棄品の約3分の2は、肉厚が25％以上変化している部品から生じていました。また、いくつかのコンピューターモデリング研究でも興味深い結果が示されています。隣接する部分間の冷却時間の差がわずか12秒あるだけで、ABS樹脂やポリプロピレンなどの材料において、実際に顕著な歪み問題を引き起こす可能性があるのです。これらの知見は、製造工程全体を通じて肉厚の均一性を管理することの重要性を強調しています。

射出成形設計における均一な肉厚のためのベストプラクティス

• すべての特徴部において、肉厚を1.5:1の比率以内に保つこと
• 肉厚が変化する部分にはテーパー状の遷移（40°～60°の角度）を使用すること
• 高応力がかかる特徴部は、公称肉厚の30%以内の範囲に配置すること
• 金型製作前に、成形流動解析ソフトウェアで設計を検証すること

一貫した肉厚設計により、自動車用金型試作の結果に基づき、材料使用量を15～22%削減しつつ、寸法安定性を向上させることができる。

ケーススタディ：沈み跡を解消するために、肉厚のある自動車部品を再設計

自動車用エアダクトの元の設計では、1.5mmの壁厚に対して4mmのマウントフランジが隣接しており、生産中に深刻なシンクマーク（縮み跡）が発生していました。この問題を解決するため、エンジニアリングチームは4mmから3mm、次に2mmと段階的に厚さを下げ、最終的に1.5mmの壁厚に至るステップダウン方式を採用しました。また、部品の厚い部分周囲に特定の冷却チャネルを追加しました。テスト運転によると、これらの変更により表面欠陥が約92%削減されました。さらに、肉厚が全体的に均一になったことで冷却が均等になり、成形サイクルタイムも約18%改善されました。

材料の流れを均一にするためのゲート設計と配置の最適化

ゲート配置が材料の流れおよび冷却効率に与える影響

ゲートの位置は材料の分布と熱管理に直接影響します。ゲートを厚い部分に配置することで、方向性のある凝固が促進され、空気の巻き込みを最小限に抑え、効果的なパッキング圧力の適用が可能になります。2023年のシミュレーション研究によると、戦略的に配置されたゲートはエッジゲート構成と比較して冷却関連の欠陥を18%削減しました。

不適切なゲート設計および射出速度によるジェッティング

ゲートが狭すぎたり、射出速度が高すぎたりすると、ジェッティングと呼ばれる問題が発生します。簡単に言うと、溶融状態の材料がホースのノズルから勢いよく水が出るのと同じように、金型キャビティ内にまっすぐ飛び出してしまいます。誰もが参照するレオロジー図表によれば、ゲート幅が1.5ミリメートル未満の場合、溶融樹脂の流速が秒速約0.5メートルを超えると問題が生じ始めます。この問題を解決するために、多くの現場ではゲートリンド（ゲートの延長部）を適度に長くすることが非常に効果的だと分かっています。一般的には、30％から場合によっては50％程度長くすると良い結果が得られます。また、流れをより適切に制御できるテーパーゲートに変更するケースもあります。さらに、成形開始時の初期射出速度をかなり低く設定することも忘れてはいけません。

最適なゲートの種類と配置によるゲート跡の最小化

トンネルやキャッシュュー型などのサブサーフェスゲートは、従来のエッジゲートと比較して目立つ痕跡を最小限に抑えます。高精度部品において、荷重がかかる表面から内部のリブへゲートの位置を変更したことで、バリ跡に関連する不良率が73%削減されたことが、ある研究で示されています。 ケーススタディ .

ゲートでの材料の流れの合流を改善することでウェルドラインを低減

流れのフロントが120度を超える角度で合流する場合、ウェルドラインが形成されやすく、部品の強度が著しく低下します。金型メーカーは、適切なフローリーダーを備えたマルチゲートシステムを用い、各ゲート間で溶融温度を均一にすることで、誰もが参照しているASTM D638試験によると、ウェルドラインの強度を約40%向上できることを発見しました。現在では、多くの先進的な企業が人工知能駆動のコンピュータシミュレーションを活用し、ゲート設定前にフロントが衝突する可能性のある場所を特定しています。このソフトウェアにより、生産運転中に問題領域を最小限に抑えるためにゲート位置を調整することができます。

寸法精度のための効果的な冷却システムの設計

不均一な冷却による反り：チャネル配置が不適切な場合の影響

冷却レイアウトの設計が不十分であると、華氏25度（約摂氏14度）を超える温度差が生じる可能性があります。2023年のPlastics Todayの調査によると、このような熱的不平衡は、技術部品で見られる反り問題の約3分の2に関連しているのです。複雑な形状や壁の厚さが異なる部分を持つ部品を扱う場合、この問題はさらに悪化します。従来のまっすぐ穴を開ける方式の冷却チャネルでは、望ましくない場所に「ホットスポット」が残ってしまう傾向があります。しかし、コンピュータシミュレーションによって興味深い結果が明らかになっています。部品の実際の形状に沿って3次元で造形された高度なコンフォーマル冷却チャネルは、旧来の方法と比較して温度変動を40～60％も低減できるのです。さらに別の利点もあります。こうした高度な冷却システムは、金型表面の温度を華氏プラスマイナス5度（約摂氏2.8度）という狭い範囲内に一定に保つことで、自動車製造や電子部品製造などの業界において生産サイクルを約30％短縮し、メーカーの時間節約にも貢献しています。

戦略的な冷却水の流れとチャンネル配置による均一な冷却の実現

主な戦略には以下が含まれます：

• 最適な熱伝達のため、金型表面から15～20mm以内にチャンネルを配置
• 部品の形状に応じて流量を調整したマルチサーキットシステムの使用
• 高発熱領域にベリリウム銅インサートを設置し、冷却を25～35%高速化

重要接合部に設置された熱電対によりリアルタイムでの調整が可能となり、家電製品における成形後の反りを18%低減

データ分析：最適化された冷却でサイクルタイムが40%短縮されるというシミュレーション結果

2024年に医療機器ハウジングで実施されたシミュレーションでは、コンフォーマル冷却と銅合金インサートを組み合わせることで、サイクルタイムを40%短縮し、寸法精度を±0.02mmに安定させました。最適化されたレイアウトにより、72時間の連続生産中に金型温度を±2.8°Cの範囲内に維持しました。

空気の巻き込みや流動欠陥を防ぐための適切なエア抜きの確保

複雑な金型内の閉じ込められた空気による真空ブロイド（ボイド）および空隙

生産中にインジェクション成形用金型内に空気が閉じ込められると、昨年の『Material Science Today』で述べられているように、精密部品の約24％で表面欠陥を引き起こす厄介な真空気泡（空洞）が生じます。この問題は、複雑な形状、特に角張った部分や重なり合うリブがある場合に顕著になります。このような構造は、空気がたまりやすい小さなポケットを作り出しやすくなります。ABSやポリカーボネートなどの一般的なプラスチックを使用する場合には、さらに難易度が上がります。射出速度が秒速約120mmを超えると、空気の巻き込みによる深刻な問題が発生し始めるため、多くの製造業者は金型設計に追加のエアベントチャネルを設ける必要があります。これにより製造プロセスに時間とコストが増加しますが、品質管理上、不可欠な対策です。

ベント不足および金型の複雑さによるショートショット

十分なベントが施されていない場合、溶融プラスチックが金型キャビティ内の圧縮空気 pockets に押し込まれ、ショートショットと呼ばれる厄介な充填不足が発生します。昨年の研究では金型設計に関して興味深い結果も得られました。壁厚比率が5対1を超える金型では、ベントの深さが0.03ミリメートル未満の場合、ショートショットの問題が約37％多く発生する傾向があります。特にナイロン6/6のような高粘度材料では状況がさらに複雑になります。これらの材料では閉じ込められた空気が19〜22ポンド毎平方インチの範囲で追加のバックプレッシャーを生じさせるため、問題が悪化します。この程度の圧力は、しばしば金型のゲート部における標準的な射出成形機器の処理能力を超えてしまいます。

材料タイプに基づく推奨ベント深さおよび配置

最適なベント寸法はポリマーの流動特性によって異なります：

ポリマー加工学会の2024年ガイドラインでは、空気抜き溝を3°の角度でテーパー加工することで、ガス抜きとバリ防止の両立が推奨されています。多腔型金型の場合、生産前のベント配置の最適化において、流体解析（CFD）シミュレーションを用いることで試作回数を63%削減できます。

分割線および構造的特徴設計における落とし穴の回避

射出成形金型設計における不適切な分割線配置に起因する問題

分割線を誤った位置に設定すると、目立つ継ぎ目やバリの発生、金型からの部品取り出しの問題が生じます。特にシール部やスナップフィット接続部など重要な領域に分割線が通ってしまう場合、組み立てが正しくできなくなったり、構造強度が低下したりします。最近実施したコンピュータシミュレーションによると、外観上の問題の約3分の2は、分割線が主要な形状特徴を横切ることに起因しています。優れた設計者は、部品の自然な曲線に沿って分割線を配置し、荷重や応力がかかる領域から離して設けるようにしています。こうすることで、製造後の仕上げ工程が削減され、業界の昨年の金型効率改善に関する報告では、作業量が約30%削減されるとしています。

応力集中や沈み跡を防ぐためのリブおよびボスの設計ガイドライン

隣接する壁の厚さの60％を超えるリブは、一般的に沈み穴の原因となる一方、ボス基部での急激な断面変化は応力集中を引き起こす。推奨される設計方法には以下の通りである：

• リブの高さを公称壁厚の3倍未満に制限すること
• 垂直方向の特徴部に1～2°のダフト角を付与すること
• ボス直径の少なくとも25%の緩やかなフィレットでボスと壁を接続すること

業界の研究によると、支持構造のない設計と比較して、ボス周囲に放射状の補強リブ（ラジアルガセット）を設けることで反りを41％低減できる。これらの原則は射出成形設計における適切な材料の流れを確保し、重量の集中を最小限に抑えるのに役立つ。