プラスチック部品と金型の設計に関する考慮事項、パート 1

マイケル・パロイアン

射出成形プラスチックは、20 世紀の設計、革新、製造に革命をもたらしました。 1950 年以前は、ほとんどの製品は打ち抜き鋼、ダイカスト アルミニウム、亜鉛、木材で製造されていました。 プラスチック製品は主にフェノール樹脂、ポリスチレン、その他の熱硬化性樹脂に限定されていました。 しかし、第二次世界大戦後の好況により、新しいプラスチック材料の研究開発と加工技術の革新が復活し、今日私たちが使用している数十万のプラスチックにつながりました。 過去 70 年間を通じて、射出成形は成熟し、より洗練され、多用途かつ複雑になり、今日のほとんどの大量生産製品の製造を支配することができました。 残念ながら、他の何百もの要件を満たしながら簡単に射出成形できる部品を巧みに開発するには長い学習曲線が必要なため、ほとんどの製品設計者は射出成形部品の設計に経験がありません。 射出成形部品の設計に直面する設計者に必要な最も基本的な知識は、金型 (ツールとも呼ばれる) 設計の基本を理解することです。 この記事の残りの部分では、射出成形ツールの設計と部品設計の相互関係について説明します。

射出成形は最もコスト効率の高い製造オプションの 1 つですが、欠点が 1 つあります。 工具を加工するには多額の設備投資と比較的長いリードタイムが必要です。 金型を加工した後の設計変更は非常に費用がかかるか、金型を完全に交換しないと不可能な場合があります。 このため、CAD ファイルを加工用にリリースする前に、設計がほぼ完璧である必要があります。 したがって、ツール設計の基本原則を包括的に理解することは、コストのかかる問題やプロジェクトの遅延を回避するのに非常に役立ちます。 ここで射出成形金型の基本を見てみましょう。

射出成形金型自体から始める理由は、部品の設計に影響を与える可能性があるためです。 溶融プラスチック樹脂は、右側 (固定プラテン) から金型の閉じた金型に射出され、固体状態に冷却されるまで圧力下で保持されます。 冷却後、左側のプラテンが後退して金型が開きます。 この開口サイクル中に、ノックアウト プレートが固定ポストに衝突し、ノックアウト ピンが移動し、部品が排出されます。 ノックアウト ピンは常に部品 (通常は円形) に望ましくない印象を残すため、通常、ノックアウト ピンは表面が見えない裏側または部品の内側に配置されます。 さらに、プラスチックは冷却サイクル中に常に収縮します。 それらは、キャビティまたは外表面から、およびコアの周囲または部品の内部から離れる方向に収縮します。 これには、コアから部品を取り出すための力が必要であり、その力はエジェクタ ピンによって加えられます。 デザイナーがこれを理解することがなぜ重要なのでしょうか? パーツのどこでどのようにゲートされるかを考える必要があるからです。 ゲートは、金型への入口点として定義されます。 ゲートにはさまざまな種類がありますが、いずれも部品の表面に何らかの痕跡を残します。 通常、外側の化粧面は樹脂が射出される固定プラテンに面しているため、設計者はこの問題にどこでどのように対処するかを決定する必要があります。 いくつかの例を見てみましょう。

上の例は、材料の流れを均一にするためにゲートの位置が中央に配置され、取り外し可能なバッテリー カバーで隠されていることを示しています。 これは、化粧表面にゲートを配置する 1 つの方法であり、材料の流れを最適化し、部品の外観に悪影響を及ぼさないゲート位置を提供するという 2 つの問題を解決します。

上に示したエッジ ゲートは、従来、プラスチック樹脂が金型キャビティに流入する入口点を提供する別の手段です。 このオプションは、壁厚により、望ましくないフロー マーク、反り、広がり、または望ましくない収縮が発生せずに成形品全体に容易に流動できる場合に適しています。 通常バリカンで除去されるゲート領域の不規則な表面も考慮する必要があります。 場合によっては、部品のエッジに沿った表面が相手部品に正確に適合する必要があります。 このような場合、ゲート領域を適切にフィットするように後加工する必要があります。

ゲートは、他のパーツが挿入される窓や空洞などの開いたフィーチャに配置されることがよくあります。 部品のエッジが別の部品との嵌合に重要な場合、または外観が重要な場合、設計者はゲートの痕跡が仕様に合わせて機械加工されることを指定する必要があります。 そうしないと、残った材料が嵌合部品に干渉したり、見た目が許容できなくなる可能性があります。

ゲートの残骸は、上に示したように別のパーツやラベルで覆われていることがよくあります。 ラベルを適用する場合は、ラベルを簡単に適用できるように、ゲートが成形品の表面の下にあることを確認する必要があります。

外側の化粧面にゲートを配置するための適切なオプションがない場合は、逆排出を検討することができます。これは最後のオプションであるべきですが、唯一の選択肢である可能性があります。 逆取り出しでは、成形品のキャビティ側 (外面) が可動プラテン上に配置され、コアが固定プラテンに取り付けられるように金型の向きが設定されます。 材料は部品のコア側 (内壁) に直接射出されます。 エジェクター ピンも金型のこの半分に配置されています。 部品は、可動プラテンの両側にバーを取り付けることによって排出されます。 可動プレートが後退すると、バーがノックアウト プレートと係合し、エジェクタ ピンが前方に移動して部品が排出されます。 図 7 の画像は、この方法を示しています。

数人のプラスチック部品設計者が、金型流動解析に基づいて特定のゲート位置とゲート設計を指定します。 設計者は部品の成形には責任を負わないので、これらの詳細は成形業者や工具製作者が対処すべきであるというのが私の意見です。 ただし、設計者は、前述の理由に基づいて、ゲートのタイプとその一般的な位置を認識しておく必要があります。 具体的な詳細は、成形業者と部品設計者の間で相互に最終決定する必要があります。

これで、射出成形用部品の設計に特化したマルチパート シリーズの第 1 回目は終了です。

著者について

Michael Paloian は、ニューヨーク州オイスターベイにある Integrated Design Systems Inc. (IDS) の社長です。 彼はローウェル大学でプラスチック工学の学士号を取得し、ロードアイランド・スクール・オブ・デザインで工業デザインの修士号を取得しています。 パロイアンは、プラスチック、金属、複合材料など、数多くのプロセスや材料における部品の設計に関する深い知識を持っています。 パロイアン氏は 40 を超える特許を取得しており、SPE RMD および PD3 の議長を歴任しました。 彼は、SPE、SPI、ARM、MD&M、IDSA のカンファレンスで頻繁に講演しています。 彼はまた、多くの出版物で何百ものデザイン関連の記事を執筆しています。 電話 516/482-2181 または電子メール [email protected] で連絡できます。

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