射出成形の金型設計について
射出成形の金型設計について解説します。ここでは射出成形金型を設計するうえでポイントとなる機構（スプルー、ランナー、ゲート）と構造（製品 、入子【入れ子】、水穴、スプールブッシュ、ロケートリング、スプール・ランナー、固定側取付板、固定側型板、ガイドピンブッシュ、可動側型板、ガイドピン、リタンピン、スプールロックピン、受け板、リタンスプリング、スペーサブロック、エジェクタプレート上、エジェクタプレート下、可動側取付板、エジェクターホール、エジェクターピン）のそれぞれの機能をご案内します。また、射出成形で金型設計する際の注意点として成形品の収縮率、交差、肉厚、アンダーカット、抜き勾配、角Rをご案内するとともに射出成形の金型設計のメリットとして大量生産（量産）、材料変更、設計変更に対応可能な点をご案内します。ほか、射出成形以外の工法の金型設計としてブロー成形と真空成形について解説します。
目次
射出成形の金型設計ー機構
射出成形の金型設計では、その機構が重要となります。プラスチック樹脂や溶融金属を金型内に流して固める成形方法に用いられる金型では、その構造の主な機構としてスプルー（スプールとも）、ランナー、ゲートの3種類があります。ここでは、スプルー、ランナー、ゲートのそれぞれの機能や役割をご紹介します。
スプルー
溶融したプラスチック樹脂を充填して固めるのが金型ですが、その金型に溶融したプラスチック樹脂を入れるための部品がスプルーです。具体的には、成形ノズルから樹脂が流れ込んでいく最初の通路に当たります。一般的にスプルーの断面形状は円形になっており、側面は傾斜しています。スプル－は金型の厚み分だけの長さが必要となります。成形ノズルと後述するランナーを繋ぐ重要なパーツとして機能します。
ランナー
スプルーから流れ込んできたプラスチック樹脂などを金型に送るための部品がランナーとなります。成形ノズルからスプルー、ランナーと渡り、後述するゲートにつながります。ランナーの太さや長さは成形品の大きさなどによって変化します。ランナーは太過ぎても細すぎても成形品の品質を下げてしまうため、成形品に合った大きさで設計する必要があります。ランナーは成形品の肉厚より太くするのが一般的です。また、ランナーには、ホットランナーとコールドランナーの2種類があり、特徴や取り扱いは異なります。なお、1つの金型で複数の製品を作る場合はそれぞれランナーが必要となり、金型設計も通常のパターンとは異なります。
ゲート
ゲートは、成形ノズルからスプルー、ランナーを通ったプラスチック樹脂が最後に通過する部品となります。その名のとおり金型へのゲート的な役割を果たし、素材が流れ込む速度のコントロール、調整をする機能があります。射出成形において溶融プラスチック樹脂が流れ込む速度は極めて重要で、流入速度が速すぎる場合、勢いよく流れた模様が製品の表面に現れてしまうジェッティングを招きます。反対に、遅すぎるとフローマークと呼ばれる縞模様ができてしまうなど、図面どおりの射出成形品を製造するには適切な流入速度を保つことが極めて重要です。最適な流入速度で充填されたプラスチック樹脂は、金型の表面に沿って綺麗に流れることで、高精度の成形品を製造できます。
射出成形の金型設計-構造
射出成形の金型設計には、構造が大きく影響します。特に2プレート金型は非常に多くの金型部品で構成されています。ここでは射出成形金型の構造として入子（入れ子）、水穴、スプールブッシュ、ロケートリング、スプール・ランナー、固定側取付板、固定側型板、ガイドピンブッシュ、可動側型板、ガイドピン、リタンピン、スプールロックピン、受け板、リタンスプリング、スペーサブロック、エジェクタプレート上、エジェクタプレート下、可動側取付板、エジェクターホール、エジェクターピンのそれぞれの機能や役割などを解説します。
入子（入れ子）
射出成形では成形形状を直接型板に掘る場合もありますが、一般的には型板にポケット加工を施します。そのうえで成形品の型形状を加工した部品をはめ込みますが、このはめ込む部品を入子（入れ子）と呼びます。主に、製品の形状を形成するキャビティ・コアといった高精度が要求される部分を入れ子構造にすることで、メンテナンス性が向上します。ほかにも入子にすることで複雑な形状の成形が可能となります。
水穴
射出成形金型における水穴とは、金型に樹脂が流れ込んだ際に、製品を冷やす冷却機能または温度調節するために水や油を通す穴です。水穴があることで金型内部を循環する冷却水によって、金型全体の温度を均一に保つことができ、成形品の品質が安定するとともに生産効率が向上します。水穴の配置は、成形品の形状や肉厚を考慮することが重要です。例えば、肉厚が厚い部分や熱がこもりやすい部分には、冷却水の流れを良くするために、水穴を集中させたり、仕切り板を設けて冷却水の流れを調整するなど、効果的に冷却できるように設計します。
スプールブッシュ
射出成形金型におけるスプールブッシュ（スプールブシュ）とは、射出成形機の射出ノズルから溶融したプラスチックを、金型内へ誘導する流路を確保するためのブシュです。射出成形のノズルと接触させるため、摩耗などの消耗が発生するので、はめ込み式で別部品となっているのが一般的です。スプルーブッシュはプラスチック材料を金型に均一に供給し、成形品内に気泡や不均等な充填が生じるのを防ぎます。また、プラスチック材料の導入時に冷却を行い、金型の耐摩耗性を向上します。さらにプラスチック材料の導入ポイントを安定化させ、金型部品の振動やずれを軽減し、金型の耐久性と安定性を確保します。
ロケートリング
ロケートリングは金型を成形機へ取り付ける際の合わせ部品で、成形機と金型の位置決めの役割があります。金型を射出成形機に取り付けるために、金型には後述する取付板プレートがありますが、この取付板によって金型が成形機に固定されます。一般的には、プラスチック材料が射出される側に金型の固定側、いわゆるキャビティ側が取り付けられ、成形機と金型の位置合わせを容易にするために金型にはロケートリングが設置されます。したがってロケートリングは必ず固定側に設置されることになります。
スプール・ランナー
前述のとおり、射出成形機から注入された樹脂が初めに通る部分をスプール、製品までの取り回し部分をランナーと呼びます。
固定側取付板
射出成形金型の固定側取付板は、成形機の固定板に取り付ける板です。後述する固定側型板をセットして、成形機の固定盤、つまり樹脂の射出側に取り付けるためのプレートとなります。
固定側型板
射出成形金型の固定側型板は、金型本体を構成する主要部品です。2プレート金型はこの「固定側型板」と「可動側型板」の2枚の主要なプレートで構成されます。固定側型板は成形品のキャビ側の形状が彫られた板であり、入れ子式になっている場合があります。「雌型」や「キャビティープレート」と呼ばれることもあります。
ガイドピンブッシュ
ガイドピンとガイドブッシュは金型部品の正確な位置決めを行うための部品です。正確な位置決めと安定性により、成形品の精度が向上します。また、ガイドピンとガイドブッシュは金型部品の摩耗を軽減する機能があり、金型の寿命を延ばす効果があります。金型のメンテナンスコストは場合によっては高額になるため、コストダウン効果は大きいといえます。
可動側型板
射出成形金型の可動側型板は、成形機の可動板に取り付ける板で、固定側型板と並んで2プレート金型の主要なプレートとなります。雄型あるいはコアプレートとも呼ばれます。可動側型板も固定側型板と同様に入れ子式になっている場合があります。
ガイドピン
射出成形金型のガイドピンは、金型の開閉時に固定側と可動側の位置を合わせるピンで、4ヶ所あります。ガイドピンは可動側型板の背面に取付けられ、雌型または雄型、そのほか貫通するガイドピン、ブシュなどを取付けて固定する役割があります。
リタンピン
射出成形金型のリタンピンはエジェクタプレートやエジェクタピンを元の位置に戻すためのピンで、リターンピンとも呼ばれます。リタンピンは突き出しのバランスを保つ役割も果たします。型締めの際にリタンピンの端面部がエジェクタピンの端面部より先に固定側型板に当たることで、押出板を元の位置まで戻すことができます。このリタンピンは、エジェクタピンより制約が少なく、形状は棒形状が一般的です。リタンピンは突き出しや押出しの動きが連続するため、硬さ、粘り、耐摩耗性が求められる部品です。
スプールロックピン
射出成形金型のスプールロックピンは型開時にスプールがスプルゥブッシュから離型しやすくなるよう端部分をアンダーカットにしたもので、スプルーロックピンとも呼ばれます。冷却、固化した成形材料の射出経路であるスプルーを固定側から確実に引き抜くための部品です。エジェクタピンの先端にアンダーカット加工を施しており、金型が開いた際に、スプルーを固定側から引き離す役割があります。
受け板
射出成形金型の受け板は、可動側型板の背面に取付けられ、雌型または雄型、そのほか貫通するガイドピン、ブシュなどを取付けて固定する役割があります。また、受け板は可動側型板の剛性を補う機能があります。特にコア受け板は、射出圧で型がたわむのを防いでくれます。コア側は形状的に冷えにくい場合があるため、追加で冷却水管を通す場合もあります。
リタンスプリング
射出成形金型のリタンスプリングは、製品を突き出し後にスプリングの力でエジェクタプレートを元の位置に戻すための部品で、リターンスプリングとも呼ばれます。リタンスプリングはバネ径よりも大きい逃がしの設計値を確保することが重要です。適切に設定することで成形時の金型作動中においても確実にクリアランスが保たれます。
スペーサブロック
射出成形金型のスペーサブロックは、可動側型板と可動側取付板の間に取付けられ、突出し作動をするための空間を保つための板です。スペーサブロック（スペーサーブロック）は金型部品の間隔を正確に保つ調整機能のほか、振動や変位を最小限に抑え、成形品の精度、品質を高める機能、さらに金型内で特定の隙間やクリアランスを管理し、部品同士が干渉せずに正確に動作させる機能などを果たします。
エジェクタプレート上・下
射出成形金型のエジェクタプレートは、成形品を金型から押出すためにエジェクターピンやリターンピンを固定して作動させる板のことです。エジェクタープレートは一般的に上板と下板の2枚で構成されます。上板にエジェクタピンやリターンピンなどをセットし、下板でそれらを裏から押さえて固定します。このエジェクタピンなどを取り付けた突出板を成形機のエジェクター装置で突き上げ成形品を取り出します。
可動側取付板
射出成形金型の可動側取付板は、成形機に取り付けるための板で、コア（可動側型板）まで接続されています。可動側取付板は成形機の可動盤にボルトで締めつけて取り付けます。一般的に射出成形機の可動側取付板の上に成形品を金型から押し出すためのエジェクタープレート（上下）を取り付け、突き出し動作をするためのスペースを確保します。そのうえでスペーサーブロックを設置し、その上に可動側型板を取り付けます。
エジェクターホール
射出成形金型のエジェクターホールは、成形品を金型から押し出すためのエジェクターピンが通る穴で、突き出しロッドが通る可動取付板に付けられます。エジェクターホールは、金型内でエジェクターピンをガイドし、成形品をスムーズに押し出す役割を果たします。エジェクターピンが金型から製品を押し出す際に、エジェクターホールがその動きをサポートすることで、製品の変形や破損を防ぎます。また、製品と金型の間に隙間を作ることで、離型抵抗を低減し、スムーズな製品取り出しが可能となります。なお、エジェクターホールは金型内の冷却水の流れを妨げないような配置、径、大きさに注意して設計することが重要です。
エジェクターピン
射出成形金型のエジェクターピンは、成形品を金型から押出して取出すために金型に組み入れられているピンで、押出しピンとも呼ばれます。また、エジェクターピンは、成形品を傷つけたり、変形させたりすることなく、スムーズに取り出す機能もあります。ほかにも成形品によっては、金型内に閉じ込められたガスを排出するために、エジェクターピンがガス抜きピンとして機能することもあります。さらに複雑な形状の成形品の場合、エジェクターピンの形状や配置を工夫することで、製品に穴や凹凸を形成することも可能となります。
射出成形で金型設計する際の注意点
射出成形で金型設計する際の注意点をご案内します。射出成形金型の設計には注意すべきポイントがいくつかありますが、ここではその中から成形品の収縮率、交差、肉厚、アンダーカット、抜き勾配、角Rについてそれぞれ解説します。
成形品の収縮率
射出成形では成形品の収縮が多少なりとも発生します。収縮とは溶融した樹脂が金型内で冷却・固化する際に体積が収縮する現象です。成形収縮が起きる原因は、樹脂の種類（結晶性樹脂は非晶性樹脂よりも一般的に収縮率が上昇）、成形温度（高温で成形すると、収縮率が上昇）、金型温度（金型温度が高いと、結晶性樹脂の結晶化が進み、収縮率が上昇）、保圧（保圧が高いと、収縮率が低下）、肉厚（肉厚が厚いと、収縮率が上昇）など様々です。したがって金型設計の際は、成形収縮率を考慮して、成形品よりもわずかに大きく設計する必要があります。
公差
射出成形の金型設計では公差の管理が重要です。公差は製品の寸法が、設計値から許容できる範囲内でどれだけ変動しても良いかを示す値で、公差に影響を与える要因としては、まず材料があります。使用するプラスチック樹脂の種類によって収縮率が異なるため、公差に影響します。また、大きな部品や複雑な形状の部品は、公差を厳しくするのが難しくなります。ほかにも金型の精度や成形温度、圧力などの条件も公差に大きな影響を及ぼします。
肉厚
射出成形の金型設計では、肉厚も大きく影響します。射出シリンダーで加熱溶融した材料は中のスクリューでよく混練し、先端のノズルから高圧力をかけ金型内に注入されますが、一般的に肉厚が薄すぎると、樹脂が金型内で十分に流れず、充填不良やウエルドラインなどの成形不良の発生リスクが高まります。反対に肉厚が厚すぎると、冷却時間が長くなり、ヒケや反りといった成形不良のほか、サイクルタイムが増大します。金型設計では厚みを考慮した設計が重要です。
アンダーカット
射出成形の金型設計ではアンダーカットが大いに関係します。アンダーカットとは金型から成形品を取り出す際に、金型の開閉方向には離型できない形状のことで、具体的には、製品の壁に存在する横穴や、外壁や内壁から突き出ている突起物などが含まれます。アンダーカットは成形品の品質、加工の難易度に大きく影響するため、金型設計の際はアンダーカットの対策が重要です。アンダーカットの対策が不十分な場合、製品の取り出しが困難になったり、金型が破損したりする可能性があるため注意が必要です。
抜き勾配
射出成形の金型設計では抜き勾配を考慮することが重要です。金型における抜き勾配とは、成形品を金型から抜くために必要な勾配で、この抜き勾配が無いと、金型と成形品の間に隙間がないためスムーズに離型することができず、スレや白化、キズ、トラレ、変形、取出し不可など、様々な成形不良を招く恐れがあります。適切な抜き勾配を設計することが極めて重要です。
角R
射出成形の金型設計では製品の角をR形状とすることでコストの削減につながります。というのも、樹脂製品の角はなるべくRを持たせておけばドリルやエンドミルなどで金型切削が加工となり、金型費が低減するためです。加えて離型が良くなる上、金型加工にかかる時間・コストを抑制できます。また外観部であれば製品を持った時に持ちやすかったり、あるいは怪我の発生を防げるといったメリットもあります。
射出成形の金型設計のメリット
射出成形の金型設計のメリットをご案内します。射出成形で金型を用いるメリットはさまざまですが、ここではその中から大量生産（量産）、材料変更、設計変更の3つに着目してそれぞれのメリットを解説します。
大量生産（量産）に対応
射出成形では金型を設計、製作し製造することで大量生産（量産）が可能となり、精度やコストが改善します。生産数が少量の場合、直接樹脂を削る切削やシリコン型を使用した注型の方が、安価かつ短時間で製造できるかもしれません。しかし、生産数が増えると切削の精度が不均一になるのに加え、時間とコストの両面でのメリットが失われます。そのため、精度やコストを考えると、大量生産では金型を利用した射出成形が最適といえます。
材料変更に対応
射出成形は材料変更に対応しやすい工法です。材料となるプラスチック樹脂は、種類によって収縮率が大きく異なり、10倍も収縮率が異なる樹脂があります。そのためすべての材料を同じ金型で加工することは不可能です。そこで試作金型を作り、異なる材料でトライアルを行うことで、製品に最適な材料を選定することになります。そうした工程を経て量産型を作ることにより、不要なコストの削減が可能となります。
設計変更に対応
射出成形では設計変更に対応できるメリットがあります。金型は通常、鉄で製作されますが、ベースになる金型があれば、途中で設計変更が生じても、新しい金型を作り直す必要はありません。というのも金型を削ったり溶接で肉盛りをしたり、入子と呼ばれるパーツを交換することによって形状の変更が可能なためです。
射出成形以外の工法の金型設計
射出成形以外の工法の金型設計について解説します。ここではブロー成形と真空成形の金型設計についてご案内します。
ブロー成形
ブロー成形は溶融した樹脂を金型内に入れ、空気で膨らませて成形する工法です。ブロー成形の金型設計は、射出成形金型と比べてシンプルです。そのためブロー成形の金型設計、製作費用は射出成形金型よりも安価になる傾向があります。
真空成形
真空成形の金型設計、製作は、射出成形金型に比べ安価かつ短期間となります。というのも、射出成形は凸型、凹型両方の金型が必要であるのに対し、真空成形は凸型または凹型いずれかの型があれば成形できるためです。
射出成形の金型設計は三光ライト工業にお任せください
射出成形の金型設計は三光ライト工業にお任せください。弊社は成形品のみならず射出成形金型（cabity）も自社で設計、製作しています。射出成形の金型設計では、前述の抜き勾配に加え、パーティングラインやエアーベント（エアベント、ガスベント）などを考慮することが重要であるのはもちろん、鋼材の特性、材質を踏まえたうえで、精密かつ強度に優れた金型が求められます。なお、弊社は簡易金型は扱っておりませんのでご了承ください。弊社は型締め力360tや180tの全自動射出成形機のほか、各種工作機械、制御装置を複数保有しており、充実の設備群でニーズにお応えします。弊社製品はボイド（boid）やウェルドラインなど各種成形不良が少なく、幅広い業種のお客様に高い評価を頂いています。また、弊社は射出成形以外にも、真空成形（圧縮空気を用いた圧空成形含む）やインサート成型、2色成形（ダブルモールド）、LIM成形など幅広い技術に対応可能です。また、弊社は組立加工も承ります。組み立て加工の一例としてはプラスチック部品のアッセンブリ（接合）や金属部品の圧入、シール貼り、超音波接着、パッケージ品製作などです。なお、切削加工、鋳造、鍛造、めっき、板金、金属製の製品は非対応です。さらに弊社は熱可塑性樹脂を含む材料についても高い知見があり、加熱時間、流動性、耐熱性など様々なデータに基づき、高精密の成形品をご提供します。真空成形トレーも製造しており、汎用単純トレーはもとより、電子回路、電気部品用トレーなど様々な専用トレーでご好評頂いています。応用品もお任せください。弊社はプラスチック成形品であれば何でも承ります。塗装を含む表面処理、シボ加工にも対応します。検討事項もお聞かせください。ご連絡お待ちしています。
