射出成形の金型設計
射出成形の金型設計について解説します。ここでは射出成形の金型を設計するにあたって重要となる射出成形金型の構造（入れ子、水穴、スプールブッシュ、ロケートリング、スプルー・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・下、可動側取付板、エジェクタホール、エジェクターピン）や射出成形の工程（金型準備、加熱、溶融、充填、保圧、冷却・固化、取り出し）を詳しくご案内します。また射出成形の金型に起因する外観不良としてボイド（boid）、ジェッティング、ウェルドライン（ウエルドライン）、焼け、反りの症状や改善策をご紹介します。あわせて射出成形以外の工法の中からブロー成形（中空成形）、押出成形、真空成形、インサート成型に着目しそれぞれの工法の金型設計について解説します。
射出成形の金型設計ー構造
射出成形の金型設計と射出成形金型の構造は深く関係しています。ここでは射出成形金型の構造として、入れ子（入子）、水穴、スプールブッシュ、ロケートリング、スプルー（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・下、可動側取付板、エジェクタホール、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。
入れ子（入子）
入れ子とは、金型の歩留まりや加工性の向上、不良防止のために一部分だけ取り替えることができる別部品です。一般的な金型は、コア（製品の内部形状を形成する部分）とキャビティ（製品の外部形状を形成する部分）がありますが、入れ子を使用すると、コアとキャビティの間に追加の部分を挿入し、より複雑な内部形状や特殊な機能を持つ製品を成形できるようになります。
水穴
水穴は金型に樹脂が流れ込んだ際に、製品を冷却または温度調整するために水や油を通す穴です。この水穴の表面は、ガンドリルやエンドミルで機械加工された面になっています。成形加工後は水穴の中に残った水分が錆びたり、水垢が表面に付着する場合があります。そのため水穴の表面状態が錆びついたり、水垢を付着したままにしておくと伝熱効率が変化したり、冷却効率が悪化するので要注意です。
スプルーブッシュ（スプールブッシュ）
スプルーとは成形機から流し込まれるプラスチック材料が、金型に入って最初に通る道に当たります。また、スプルーブッシュはそのスプルーに用いられる部品で、成形機と接触する部分になるため、摩耗で消耗するのではめ込み式の別部品となっています。スプルーブッシュの仕様は成形機のスペックに左右されます。スプルーブッシュを設定する際は、成形機側のノズルRより、少し大きなRを設定することが重要です。また、成形機側の径より、大きな径を設定する必要があります。成形機側の径の方が大きくなると固化した樹脂を離形する際にアンダーカット形状になり、離形不良を起こします。また、成形機からノズルが飛び出す量、ノズル突き込み量の調整が必要です。この距離より深くにスプルーブッシュを設定することはできません。また、奥に突っ込めば突っ込むほどスプルーを短くできるので材料費を削減できます。
ロケートリング
ロケートリングは金型を成形機に取り付ける際の合わせ部品です。ロケートリングには成形機と金型の位置決めという役割があります。金型を射出成形機に取り付けるために、金型には取付板という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（キャビティ側、cavity）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ています。そのためロケートリングは必ず固定側に設置されるようになっています。
スプルー（スプール）・ランナー
射出成形機から注入された樹脂が初めて通る部分をスプール、製品までの取り回し部分がランナーとなります。スプルーの断面は円状になっており、側面は傾斜になっています。また、長さも金型の厚み分が必要になります。ランナーはプラスチック樹脂が一気に流れ込む重要な通路であり、太すぎても細すぎても機能が果たせません。ランナーは成型品に合った大きさにする必要があり、精密性が求められます。また、成型品が2つ以上ある場合は分岐して流れるので、均等に流れるよう配置、設計する必要があります。
固定側取付板
固定側取付板は、成形機の固定板に取り付ける板です。幅広く使用されるタイプの金型である2プレート金型は「固定側型板」と「可動側型板」の2つの型板から成り立っています。固定側型板は、成形品のキャビ側の形状が彫られた板にあたるキャビ（固定側型板）まで接続されている状態となります。
固定側型板
固定側型板は、金型本体を構成する主要部品です。射出成形機の固定側取付板に取り付けられる型板で、「キャビ側」や「雌型」とも呼ばれます。 この型板は動かず、成形品の外側や表面を形成する板となります。
ガイドピンブッシュ
ガイドピンブッシュはガイドピン（後述）がはまり合うブッシュです。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部品です。ガイドピンは金型の一部に取り付けられ、ガイドブッシュは対応する部位に取り付けられます。これらの部品が正確に合致することで、金型が正確に位置決めされます。ガイドピンとガイドブッシュは金型部品を確実に固定するだけでなく、振動や衝撃に対して安定性を保つ役割があります。金型が適切に配置されない場合、部品同士がずれることがあり、成形品に悪影響を及ぼします。また、ガイドピンとガイドブッシュは一般的に耐摩耗性が高い材料で作られており、金型の耐久性を向上させるとともに金型部品の摩耗を軽減し、金型寿命を延ばす働きがあります。
可動側型板
可動側型板は、成形機の可動板に取り付ける板です。成形品のコア側の形状が彫られており、入れ子式になっている場合があります。可動側は、金型開閉の往復運動をする側で、樹脂を注入する際は、射出圧に耐えうる圧力で閉め、成形後は成形品を取り出すために開きます。可動側型板は成形品を突き出すためのエジェクターピンがあるため、成形品にその跡が残ります。
ガイドピン
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ためのピンで、一般的には4箇所のガイドピンがあります。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、ブッシュなどを取付けて固定する役割を果たします。ガイドピンは長い帯状の部品で、形状は様々ですが、一般的には円筒形か角形をしています。
リタンピン（リターンピン）
リタンピン（リターンピン）は、突き出されたエジェクタプレート（後述）やエジェクターピンを元の位置に戻すためのピンです。突き出しのバランスを保つ機能もあります。型締めの際にリターンピンの端面部がエジェクターピン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します。このリターンピンは、エジェクターピンより制約が少なく、棒形状です。強度を安定させるためリターンピンの軸は大きくなる傾向にあります。リターンピンは突き出しや押出しの動きが連続するため、硬さや粘り、耐摩耗性といった諸機能が必要です。材質としては高炭素クロム軸受け鋼のSUJ2などが多く使用されており、他には炭素工具鋼や合金工具鋼などの素材もあります。
スプルーロックピン（スプールロックピン）
スプルーロックピン（スプールロックピン）は、型開きの時にスプルーがスプルーブッシュから容易に離型できるように末端部分をアンダーカットにしたものです。ピンの先がアンダーカットになっていて型開きのときに成形品を引きつけ、スプルーブッシュからスプルーを引き抜く役目があります。型開き後は、このピンはエジェクターピンとなりスプルーを突き出します。また溶融プラスチック中に含まれるガスを抜く役目もあります。
受け板
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、ブッシュなどを取付けて固定する役割を果たします。また、受け板は可動側型板の剛性を補う働きがあります。コア側は形状的に冷えにくいため、冷却水管を通す場合もあります。
リターンスプリング
リターンスプリング（リタンスプリング）は、金型内の成形品を押し出した後、スプリングの力によってピンが元の位置に戻る役割を果たします。射出成形金型においてバックプルやエジェクター機構などで使用されるスプリングの一種です。リターンスプリングは、バネ径よりも大きい逃がしの設計値とすることで、成形時の金型作動中においても確実にクリアランスが確保されます。この逃がしが小さいと成形時の作動で金型と干渉し、金属粉が発生したり金型の寿命を縮める要因にもなるので注意が必要です。逃がし入口の面取りも不可欠です。
スペーサブロック
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。具体的にスペーサブロックは、金型部品の間隔を正確に調整する働きがあります。その機能により、金型内での成形品の形状や寸法が安定します。また、スペーサーブロックは金型部品の位置を確実に保ち、振動や変位を最小限に抑える機能があります。結果、成形品の精度を高め、品質が向上します。さらにスペーサーブロックは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するのをサポートします。
エジェクタープレート上・エジェクタープレート下
エジェクタープレート（エジェクタプレート）には上側と下側があります。いずれも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。
可動側取付板
可動側取付板は、成形機に取り付けるための板です。コア（可動側型板）まで接続されており、成形機の可動盤にボルトで締めつけて取り付けます。一方の固定側型板は、成形品のキャビ側の形状が彫られた板にあたるキャビ（固定側型板）まで接続されている状態となります。
エジェクターホール
エジェクターホールは、成形機のエジェクター装置でエジェクタープレートを突上げるために、突出しロッドが通る可動取付板に空けられた穴です。
エジェクターピン
エジェクターピン（エジェクタピン）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のことで、押出しピンとも呼ばれます。エジェクタ－ピンは通常、鋼合金製で、高圧と反復運動の耐久性を考慮して作られています。異なる金型設計や成形品形状に対応するため、エジェクターピンのサイズや形状は様々です。エジェクターピンを正確に配置することが、成形品の効率的な取り出しには不可欠です。
射出成形の金型設計ー工程
射出成形の金型設計には工程が大きく影響します。ここでは射出成形を金型（キャビティ、コア）準備、加熱、溶融、充填、保圧、冷却・固化、取り出しにわけてそれぞれの工程の内容を解説します。
金型（キャビティ、コア）準備
射出成形ではまず金型（ツープレートなど）、いわゆるキャビティの準備が基礎となります。射出成形金型は、内部で固化してできた製品を取り出せるように2枚の型板を合わせた作りとなっています。2枚の型板の上型をキャビティ、下型をコアと呼びます。通常キャビティは成形機の射出ユニット側、いわゆる固定側に取り付け、コアは型締めユニット側にあたる可動側に取り付けます。金型は入れ子の中に加工作成し、上型、下型にはめ込んでいます。成形の際は加熱によりガスが発生しますが、このガスを逃がすための微小なすき間を作製します。このすき間はエアベントと呼ばれます。三光ライト工業は成形品だけでなく、射出成形金型の製作も行っています。金型から成形品まで自社工場で一貫製造、作製することで、短納期と低価格を実現するとともに、デザイン変更などお客様のご要望に最大限柔軟な対応が可能となります。
加熱
射出成形では原材料を加熱する基礎工程が必須です。射出成形機にはシリンダーと呼ばれるユニットがあり、シリンダー内で加熱して溶かす作業、いわゆる可塑化を行います。あわせて金型内部をヒーターなどで加熱して、樹脂が金型の形状を転写するのに最適な温度を確保します。加熱温度は材料の特性によって異なります。また、加熱の際は原材料メーカーの参考標準温度をベースにすることが重要です。可塑化の際、ポッパー部分に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの素材（プラスチックペレットなど）を入れます。シリンダー内部ではスクリューが回転しており、スクリューの動きにより、投入された樹脂材が先端部分へ運ばれます。
溶融
射出成形機のスクリューにはヒーターが稼働しており、運ばれる過程で樹脂材は徐々にドロドロした溶融状態となります。適切に溶融できているか否かが成形品の品質に大きく影響するため、溶融は極めて重要な工程です。溶融された樹脂材はその後、射出装置先端に順次溜まっていきます。
充填
溶融樹脂の充填は射出成形でもっとも重要な基礎工程のひとつです。加熱溶融された樹脂材料はスクリューでよく混練され、先端のノズルから圧力をかけられつつスプルーからランナーを経て流動し、注射器の要領でキャビティとコアの隙間の空洞に注入、充填されます。その際、金型の温度調節が重要で、製品部分の近くにヒーターまたは水、油を通す穴や通路を設けてコントロールします。温度と同様、射出の圧力も大切で、充填圧力が低すぎる場合には充填不良、いわゆるショートショットが発生します。充填圧力が高すぎる場合にはパーティング面が圧力で瞬間的に開いてしまい、成形品の周囲にバリが発生する可能性が高まります。また金型からの離型不良も起きやすくなるため要注意です。加えて射出速度は、成形時の流動性や成形品の外観などに影響を及ぼします。金型内の流動状態にある溶融樹脂は、金型との熱交換に伴い急速に流動性が低下することから、射出速度は中速～高速に設定して、速やかにキャビティに充填する必要があります。
保圧
射出成形では、キャビティ全体に溶融樹脂が充填された後にゲートから樹脂が逆流しないように一定の圧力でゲートシール、つまりゲートが固化するまで加圧します。金型内に流し込まれた樹脂が固まるまで、圧力をかけたままにすることを保圧と呼びます。保圧は射出成形の基礎工程において、成形品の精度を確保するうえで必須です。保圧が低すぎると外観不良や成形品のヒケによる寸法不良の原因となり、反対に保圧をかけすぎると、オーバーパックやバリ、変形、離型不良などの不具合を招くこともあるので要注意です。
冷却
成形品は保圧を経て冷却されます。冷却は射出成形の基礎工程において、反りなどの成形不良を防ぐために必須です。冷えるまでの時間を確保せず、冷却が適切に行われないとさまざまな不具合を招きます。たとえば冷やす時間が短すぎると、固化が甘くなり収縮しやすくなるだけでなく、製品取出し後に反りなどの成形不良、変形が発生します。一方、冷やす時間が長すぎると金型内で収縮した製品は冷えすぎてしまい、抜き抵抗が増して傷がついてしまいます。
取り出し
冷却を経た成形品は、型開きされた後、取出しとなります。取出しは射出成形の基礎工程の最終工程に当たります。通常製品は可動側プレートに張り付くのでエジェクターピン（エジェクタピンとも）やエジェクタープレートを前進させて製品を押し出し、取り出せる状態にします。基本的に樹脂が冷やし固められた後、製品はコアに張り付きます。このように製品を取出す際も金型には様々な働きが要求されます。取り出し機などを使って製品を金型外に移動した後、金型を閉じ、再び最初の工程である型締めに戻ります。
射出成形の金型設計ー外観不良、不具合
射出成形ではボイド（boid）やジェッティング、ウェルドライン（ウエルドライン）、焼け、反りなどの外観不良、不具合が発生する場合があります。これらの不良を防ぐには金型設計段階から不良を起こさないノウハウが必要です。ここではボイド（boid）やジェッティング、ウェルドライン（ウエルドライン）、焼け、反りのそれぞれの症状や対策などをご案内します。
ボイド（boid）
ボイド（boid）は成形品の肉厚部に空洞ができてしまう現象です。ボイドは保圧力が低いと発生する可能性があり、 充填・保圧工程において、肉厚部に十分に圧力がかかっていないと収縮分を補充できていないため、内側に収縮してボイドが発生するリスクが高まります。ボイドの発生を金型で改善するのは、エアーベントを追加するのが効果的です。また、コールドスラグウエルを追加するとともに、スプルー、ランナー、ゲートを太くすることも重要です。
ジェッティング
ジェッティングは成形品の表面に蛇が這ったような跡ができる不具合で、外観不良のひとつです。ジェッティングの発生原因のひとつに金型があるため、金型設計には細心の注意が必要です。金型が原因でジェッティングが発生する場合は、ゲートサイズとゲート位置の2つが関係しています。ゲート位置は、成形品の形状により決まります。ユーザーの使用目的に応じて、ゲート跡を目立たない場所に設置することが基本です。ゲートから直線上に空間が広がる形状の金型は、ジェッティングが発生しやすくなります。ゲート位置の調整を検討する際は、可能な限り充填時に樹脂がゲートから扇状に充填されるようにすることが重要です。
ウェルドライン（ウエルドライン）
ウェルドライン（ウエルドライン）は分流した樹脂が合流部分で融着不十分となり、線状跡となって現れる現象です。ウェルドマークとも呼ばれます。ウェルドラインも金型設計が大いに関係しています。金型面の具体的な対策としては、スプール、ランナー、ゲートの断面積を大きくする、空気抜きをつける、ゲート位置を変える、樹脂の分流・再合流のないように構造を変える、ゲートから一番遠いところに過冷材料の溜まり、いわゆるコールドスラッグウエルを設置するなどの方法があります。
焼け
射出成形の焼け（ヤケ）とは金型内のガス抜けが悪い箇所付近でガスが圧縮されて高温になり、接する樹脂が黒く焼け焦げた状態です。ガス焼け、焦げとも呼ばれます。焼けを防ぐには、金型設計が重要です。具体的には連続生産が続くと、累計ショットが増えてきたり、金型が消耗します。その結果、パーティングラインのガスベントがつぶれていくことで、やけが発生します。特に、樹脂を巻き込む角部は、ガスが集まるため焼けが発生しやすくなります。そのため金型の当たりを確認し、ガスベントの彫り直すのが効果的です。どうしてもガス逃げが改善しない時は、ゲート径を設定変更するといった対策が求められます。
反り
反りは冷却された樹脂製品が、金型から取り出した直後に変形を起こしてしまう現象です。
反りの発生を防ぐには、金型設計が重要となります。例えばゲート位置やゲートサイズを適正に設計する、あるいは冷却の位置を適正に設計する必要があります。ほかにも反りの発生を防ぐには金型の開閉速度や温度、材料などそれぞれの点で調整、改善が求められます。
射出成形以外の金型設計
射出成形以外の金型設計について解説します。ここではブロー成形（中空成形）、押出成形、真空成形、インサート成型のそれぞれの工法における金型設計についてご案内します。
ブロー成形（中空成形）
ブロー成形は古くから伝わるグラスや瓶など、内側から膨らませて成形する技術で、中空成形とも呼ばれます。ブロー成形の金型設計は、射出成形金型と比較して構造がシンプルなため製作工期が短く、金型費用が安価に抑えられます。容器のような中空製品であれば、射出金型で再現しようとした場合、4面の金型が必要になりますが、ブロー金型であれば2面の金型で済むのもメリットです。また、金型改造が容易なのもブロー成形のメリットで、小幅な形状変更であれば、金型2面のうち1面のみを切削すれば変更が可能です。
押出成形
押出成形は、押出機の加熱シリンダー内で加熱融解した樹脂を金型から通過させ、その後、徐々に冷却していく工法です。押出成形は他の樹脂成形方法と異なり、金型内部では樹脂を冷却・固化させません。押出し口であるダイ（金型）に溶融樹脂を通過させ、一定の断面形状に成形します。ダイから押し出されたあとに冷却・固化させるのが特徴です。押出成形の金型設計は原料が流れる流路の滑らかさや精密さが重要となります。
真空成形
真空成形は凸凹両方の型を必要とする射出成形と異なり、いずれかの型で成形が可能です。真空成形の金型設計は射出成形と比べて短期間となり、価格も安価に抑えられます。なお、凸型と凹型のどちらの金型を使うかで、成形型のコストが変動します。一般的に、凸型の方が金型が小さくて済むため、安価です。意匠面がどちらであるか、どちらの面に寸法精度が求められるかなどを考慮した上で凸型・凹型のどちらが最適かを判断します。
インサート成型
インサート成型はその名のとおり、金属などのインサート品と樹脂を一体化させて成形品を作り出す成形方法です。金型内へインサート品をセットした上で、その周りへ樹脂を充填することで、一体化した成形品となります。自動車関連の部品をはじめ、金属端子と樹脂部分が必要なコネクターを含む精密部品などの製品に採用されています。インサート成型は射出成形のひとつであるため、金型設計は射出成形と同様となります。
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適切な鋼材を使用した金型製作も自社で行っています。2プレート型（ダイレクトゲート、サイドゲート、サブマリンゲート）や3プレート型、スライド構造を含む金型から成形品まで一貫対応することでコスト削減や納期・サイクルタイム（サイクル・タイム）を短縮し、お客様のご期待にお応えします。弊社の射出成形専用金型製作拠点は中原工場にあります。同工場には、マシニングセンターやNC加工機、細穴加工機、フライス盤、平面研削盤、成形研削盤、レーザー溶接機、精密高速旋盤、直立ボール盤、3次元CAM、3次元CADなど最新鋭の様々な精密設備や工作機械を保有しています。また弊社は射出成形のみならず、真空成形や2色成形（ダブルモールド）、LIM成形といった特殊技術でも豊富な実績があります。量産、大量生産可能ですのでお申し付けください。また弊社は、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組み立て加工も承ります。プラスチック塗装やシボ加工もお任せください。プラスチック塗装とは、プラスチック製品の表面処理（表面仕上げ）や加飾の方法の一つであり成形後の製品の表面に塗料を均一に塗布し被膜で覆います。なお、弊社は切削加工、鋳造および簡易金型の取り扱いはございませんのでご了承ください。弊社は最適な材料（GFRP:ガラス繊維強化プラスチック=ガラス繊維強化樹脂含む）を選定し、図面どおりの精度をご提供します。製品の軽量化のご相談も承ります。ご連絡お待ちしています。
