私は約 11 年間、製品の設計と製造に携わっており、家庭用電化製品会社や一部の自動車サプライヤーと多くの仕事をしてきましたが、射出成形は、あらゆる量のプラスチック部品を製造するためのデフォルトの方法にすぎません。 3D プリンティングやプラスチックの CNC 加工などの他のプロセスもありますが、500 ～ 1000 個以上のユニットが必要になると、ほとんどの用途で経済的に合理的なのは射出成形だけになります。
なぜ射出成形がすべてを引き継いだのか
プロセス自体は非常に簡単です。-プラスチック ペレットを溶かし、高圧で金型に注入し、冷却して部品を取り出します。繰り返す。最新の機械では、このサイクルを小さな部品の場合は 15 ～ 30 秒、大きな部品の場合は 60 ～ 90 秒で実行できます。深センの工場にあるハイチアン・マーズ射出成形機が、1サイクルあたり約40秒でスマートフォンケースを送り出す様子を見たが、これは複数の内部機能を備えたかなり複雑な部品のためだった。工具のコストは約 12,000 米ドルでした (2018 年に工場長がこれを教えてくれましたが、それ以来価格は確実に上昇しています)。
これを非常に有力なものにしているのは、速度、再現性、および材料オプションの組み合わせです。型が作成されると、各部品には材料費と機械時間に数ペニーの費用がかかります。 50 グラムの ABS 部品には 0.15 ドル相当の材料が使用される可能性があり、サイクル時間が 30 秒の場合、1 時間あたり 120 個の部品を製造することになります。機械時間のコストと労力を考慮しても、10,000+ ユニットの生産で部品あたり $0.30 ～ 0.50 かかることになります。
CNC 加工と比べてください。CNC 加工では、工具の磨耗、サイクル時間の延長、材料の無駄、熟練したオペレータの時間などが発生します。射出成形が 5,000 個の部品あたり 0.82 ドル（償却工具を含む）になった時点で、シンプルなエンクロージャ設計の価格を設定しました。{{1}同じ部品の CNC 加工の見積もりは 1 部品あたり 6.40 ドルでした。近くにもありません。
医療機器はこれに関して奇妙になっています
医療用射出成形部品は、FDA の規制と滅菌要件により、まったく別の世界になります。材料は生体適合性である必要があるため、選択肢が大幅に制限されます。ほとんどの医療メーカーは、ポリカーボネート、ポリプロピレン、特殊グレードのポリエチレンなどを使用しています。 PEEK は、劣化することなく繰り返しのオートクレーブ滅菌に対応できるため、外科用器具として人気がありますが、処理温度が非常に高いため (Victrex データシートの仕様、victrex.com によると約 370 ～ 400 度)、PEEK ツールは高価です。
私は数年前、歯科処置用の単純な射出成形トレイの使い捨て医療機器プロジェクトに取り組みました。 ISO 10993 規格に基づいて生体適合性テストを証明する必要があったため、材料の検証だけで 4 か月かかりました。実際の部品設計は 3 週間で完了しました。規制書類の作成にはさらに 6 週間かかりました。これが、たとえ設計が単純であっても、医療用射出成形部品のコストが同等の民生用部品よりも 3 ～ 5 倍高い理由です。
滅菌適合性は、ほとんどのエンジニアが考えているよりもはるかに重要です。ガンマ線滅菌により、一部のプラスチックが黄変したり脆くなったりする可能性があります。 EtO (エチレンオキシド) 滅菌はより穏やかですが、特定の材料では吸収の問題があります。オートクレーブ滅菌では、蒸気にさらされても 121 ～ 134 度で安定した材料が必要です。材料の選択は、機械的要件だけでなく、顧客がどのように製品を滅菌する予定であるかによって決まります。
誰も見ていない自動車部品
-ボンネット内の自動車部品はプラスチック素材に対して過酷な影響を及ぼします。 -40 度から 120 度以上の温度サイクル、オイルや燃料への曝露、振動、および長寿命要件 (通常は 15+ 年) があります。このため、自動車の射出成形ではガラス繊維入りナイロンや特殊な高温材料が多量に使用されます。{8}}
インテーク マニホールドは以前はアルミニウムの鋳物でしたが、現在は主に射出成形されたガラス充填ナイロンが使用されています。{0} BMW は 1990 年代後半にこれを始めたと思いますが、誰もがそれに続きました。大幅な重量削減が可能です。-プラスチック製インテーク マニホールドは、同等のアルミニウム製インテーク マニホールドよりも 40 ～ 50% 軽量化できます。 Society of Plastics Engineers 会議資料 (spe.org、2015 年自動車部門会議) の一部の分析によると、プラスチック製インテークマニホールドへの切り替えにより車両重量が 1 台あたり平均 3 ～ 4 kg 減少し、これは燃費が約 0.1 ～ 0.15 mpg 改善されたことになります。大したことのように聞こえませんが、数百万台の車両でこれを掛け合わせます。
コネクタとセンサーハウジングも大きなカテゴリです。現代の車に搭載されているすべてのセンサーには、-温度、圧力、位置、速度など-のハウジングが射出成形されています。これらは水や塵から密閉され (通常は IP67 定格以上)、振動に対処し、温度範囲全体で寸法安定性を維持する必要があります。電気コネクタの嵌合部分の許容誤差も ±0.05 mm など、厳しい場合があります。
私は、80,000-120,000ドルもする自動車用コネクタ金型を見たことがあります。これは、複数の部品を製造するファミリー金型であり、アンダーカット用のサイドアクションと、必要な100万個以上の部品のライフサイクルに対応する硬化鋼構造を備えているためです。ただし、この種のボリュームを実行している場合、部品あたりのコストは最終的に 0.20 ドル未満になります。
家庭用電化製品はお金の宝庫です
スマートフォンのハウジング、ノートパソコンのケース、タブレットのフレームは{0}すべて射出成形されています。表面仕上げの要件は他の業界と比べて非常に厳しいものです。 A1 または A2 の金型表面仕上げ (SPI 規格) が必要です。これは、金型キャビティを徹底的に研磨することを意味します。優れた金型研磨業者でも、大きなキャビティを手作業で鏡面仕上げに研磨するには数週間かかります。{6}}
Apple は、他の企業が再現するのが難しい射出成形を行っていることで有名です。 2009 ～ 2010 年頃のユニボディ ポリカーボネート製 MacBook は一体成形で射出成形されており、金型製作の膨大な専門知識とプロセス制御が必要でした。均一な肉厚を得てヒケを避けるのは、これほど大きいものでは難しいため、ほとんどのメーカーはそれを複数の部品に分割します。
家庭用電化製品における材料の選択は、過去 10 年間で大きく変化しました。以前は ABS がすべてのデフォルトでしたが、現在では、ポリカーボネート、PC/ABS ブレンド、および改良された PPO 素材がより多く使用されています。これには難燃性要件も含まれます。-電子機器が内蔵されているものには UL94 規格が重要です。ほとんどのものは少なくとも V-1 定格を必要とし、多くのアプリケーションは V-0 を必要とします。これにより、使用できる材料と添加剤が制限されます。
質感と色のマッチングは、家庭用電化製品にとって悪夢です。私は周辺機器 (キーボード、マウスなど) を製造する会社と仕事をしましたが、マーケティングによって感触がどのようにあるべきかという考えが変わり続けたため、1 つの製品のテクスチャに 23 回の修正が加えられました。それぞれのテクスチャ修正は、異なる EDM 電極または化学エッチング プロセスを使用して金型キャビティを再研磨することを意味します。金型メーカーは、テクスチャの修正ごとに 2,000 ドルほど請求しました。
異なるプラスチック間の色合わせも、必要以上に困難です。 PC のトップ カバーと ABS のボトム ハウジングを備えた製品の場合、材料が異なると着色剤の入り方が異なるため、成形時にまったく同じ色にするのは困難です。最終的には、カスタム カラーのマスターバッチと、それを調整するための多数の試作成形が必要になります。
パッケージングは隠れた巨人です
射出成形パッケージについては誰も考えていませんが、その体積は膨大です。ボトルキャップだけでも-世界中で毎日 20 億個ものペットボトルのキャップが作られているという統計がどこかにあります (正確な情報源は今のところ見つかりませんが、数年前のプラスチック ニュースの記事に載っていました)。すべてのウォーターボトル、ソーダボトル、ミルクジャグ、シャンプーボトルには射出成形されたキャップが付いています。
食品容器、化粧品包装、薬瓶-はすべて射出成形です。食品に安全な材料（再び FDA 規制）と優れた耐薬品性が必要なため、要件は他の用途とは異なります。-ポリプロピレンは安価で、食品に安全で、化学的に不活性であるため、この分野で最も多く使われています。{4}} HDPE も一般的で、特に柔軟性が必要なボトルや容器によく使用されます。
-食品容器の薄肉成形は同社の専門分野です。肉厚は 0.5-0.8 mm のことですが、これには高い射出速度と優れたショット コントロールを備えた専用の機械が必要です。ただし、サイクル時間は速く、ヨーグルト容器の場合は 4 ～ 8 秒です。私が訪れたイタリアの包装メーカーでは、小型食品容器用の 48 個のキャビティ金型を稼働させ、1 台の機械で 1 時間あたり数千個の部品を製造していました。
パッケージング金型の金型コストは興味深いものです。なぜなら、金型は多くの場合、ファミリー金型（複数のキャビティ サイズ）または非常に多くのキャビティ数を備えた複数キャビティの金型であるためです。{0}} 96-キャビティのボトル キャップ金型のコストは 150 ドルかかる可能性があります。000+ しかし、数千万個の部品を製造する場合、部品ごとの工具コストは無視できるほどになります。
永久に持続する産業および建設用途
電気エンクロージャ、ジャンクション ボックス、スイッチ ハウジング-建物や産業機器に使用される大量の射出成形部品。ここでは、耐紫外線性 (屋外の場合)、難燃性、耐衝撃性が必要となるため、材料要件が異なります。 ABS は紫外線にさらされると劣化するため、屋外用途には使用できません。 ASA の方が優れていますが、高価です。ポリカーボネートは機能しますが、時間の経過とともに黄変します。常に妥協が存在します。
コード グリップ、ストレイン リリーフ、グランドなどのケーブル管理部品のほとんどは射出成形されています。ナイロンはその靭性と耐薬品性により、この用途で人気があります。私は M20 および M25 コード グリップを使用しましたが、何度も取り付けたり取り外したりした後も IP68 シールを維持する必要があります。-ねじ山とシール面の寸法公差は厳しくなければなりません (重要な機能については ±0.1 mm 以上)。
パイプ継手や配管部品も大きなカテゴリです。 PVC および PP の継手は射出成形されますが、大口径のものは他のプロセスで製造されることがよくあります。圧力定格は重要です-150 PSI 定格の継手には、50 PSI 定格のものよりも厚い壁と優れた材料特性が必要です。材料グレードは ASTM 規格に指定されており、PVC 継手に関するテスト要件は ASTM D2846 などに詳しく規定されています。
おもちゃおよびレクリエーション製品
言うまでもなく、おもちゃのほとんどは射出成形されたプラスチックです。レゴ ブロックは典型的な例です。-信じられないほど厳しい公差（±0.01 mm など）で製造されているため、いつでも完璧に組み合わされます。レゴは ABS のみを使用していると思います。彼らは 1940 年代か 50 年代から射出成形を行っているため、プロセスが完全に組み込まれています。
アクション フィギュア、人形、おもちゃの乗り物-はすべて射出成形されており、通常はマルチショットまたは複数の成形コンポーネントのアセンブリです。-おもちゃの素材の選択は安全規制によって制限されます。米国には CPSIA 要件があり、ヨーロッパには EN 71 玩具安全基準があります。特定の可塑剤や添加剤は子供向け製品では禁止されており、これにより一部の材料の選択肢が除外されます。
スポーツ用品にも成形部品がたくさんあります。スキーブーツシェル、インラインスケートフレーム、自転車コンポーネント、保護具。機械的要件は厳しい場合があります。-スキー ブーツは、力を効率的に伝えるのに十分な剛性を備えている必要がありますが、寒い天候でひび割れてしまうほど脆くない必要があります。これは通常、ポリウレタンまたはポリアミド材料を意味し、壁の厚さは重くなります（一部の領域では 3 ～ 6 mm）。
射出成形でうまくいかないこと
非常に大きな部品は、大規模な機械が必要になり、工具のコストが爆発的に増加するため、困難になります。自動車のバンパー フェイシアは、ほぼ限界に達しています。-これらには、1000+ トンの型締力の機械と数トンの重さの金型が必要です。その設備への設備投資は数百万ドルかかるため、大手メーカーのみが行うことができます。
公差が厳しい超小型部品も困難です。カテーテル コンポーネントやマイクロ流体デバイスなどの医療用マイクロ成形部品は、可能性の限界を押し広げます。-あなたは、0.3 mm 未満のゲート サイズ、数十ミリメートル単位で測定されるキャビティ寸法、およびアクティブ フィードバック システムを必要とするプロセス制御を扱っています。微量の汚染やプロセスのばらつきが問題を引き起こすため、完璧な金型であっても不合格率が高くなる可能性があります。
非常に厚いセクションを持つ部品は、冷却時間とヒケのせいでうまく成形されません。壁の厚さがおそらく 6 ～ 8 mm を超えると、問題が発生し始めます。外側は冷えて固まりますが、内側はまだ溶けており、中心が冷えると収縮し、外側の表面が内側に引っ張られてヒケやボイドが生じます。保圧圧力と冷却時間を長くすることで補うことができる場合もありますが、常に格闘になります。可能であれば、リブまたは中空セクションのある部品を再設計することをお勧めします。
熱可塑性ではない材料はまったく機能しません。エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂は、異なるプロセス (圧縮成形またはトランスファー成形) を必要とします。金属は明らかに射出成形できませんが、粉末金属の関連プロセスとして金属射出成形 (MIM) が存在します。
決断を下そうとするときの経済学
少量（部品数 1000 個未満）の場合、他の方法では得られない特定の材料特性や表面仕上げが必要な場合を除き、射出成形は通常意味がありません。少量の場合は、工具コストが部品あたりのコストを大きく左右します。{2}}単純なプロトタイプの金型には 3,000 ～ 5,000 ドルかかるかもしれませんが、そのコストを少数の部品に分散することになります。
射出成形が他のプロセスよりも安価になるクロスオーバーポイントは、部品の複雑さとサイズによって異なりますが、通常は 500 ～ 2000 ユニットの間のどこかになります。それ以下では、3D プリントまたは CNC 加工の方が経済的になる傾向があります。それを上回るのは射出成形です。
私は通常、次のように考えてくださいと人々に言います。金型のコストが 10,000 ドルで、成形にかかる部品のコストが 1 つあたり 0.50 ドルである場合、部品あたりのコストが 1.00 ドル (10,000 ドル/20、000 + 0.50 ドル) を下回るまでに 20,000 個の部品を作成する必要があります。-必要な部品が 1,000 個のみの場合、実際の部品あたりのコストは $10.50 ($10,000/1、000 + $0.50) です。-それによって計算が完全に変わります。
射出成形が真価を発揮するのは、数百万単位の生産量です。部品あたりのコストは、単純な部品の場合、-$0.10-0.20 など、とんでもないレベルにまで低下する可能性があります。{2}工具のコストは非常に多くの部品で償却されるため、ほとんど問題になりません。カミソリ、ペン、ボトル、容器など、使い捨て消費者製品のほとんどが射出成形であるのはこのためです。各部品の製造に数ペニーの費用がかかる場合、マージンが機能します。
ここで取り上げたものよりもはるかに多くのアプリケーションがあります (家具の部品、家電製品の部品、光学レンズ、楽器、おそらくその他 100 のカテゴリ) が、これらが私が扱ってきた主な業界です。プロセスの多用途性がこのプロセスの優位性です。-基本的に同じ基本技術を使用して、スケールアップまたはスケールダウンするだけで、1 グラムの精密部品や 5 キログラムの自動車パネルを製造できます。
ここで取り上げたものよりもはるかに多くのアプリケーションがあります (家具の部品、家電製品の部品、光学レンズ、楽器、おそらくその他 100 のカテゴリ) が、これらが私が扱ってきた主な業界です。プロセスの多用途性がこのプロセスの優位性です。-基本的に同じ基本技術を使用して、スケールアップまたはスケールダウンするだけで、1 グラムの精密部品や 5 キログラムの自動車パネルを製造できます。
この分野に取り組む場合は、パーティング ラインの射出成形戦略が下流のすべてに影響を与えるため、射出成形部品を適切に設計する方法を時間をかけて理解してください。射出成形部品の表面仕様を考慮せずに射出成形部品を注文し、修正が必要になったときに射出成形部品のコストについて文句を言うエンジニアが多すぎるのを私は見てきました。射出成形部品の一般的な欠陥は、通常、適切な冷却チャネルなしで厚い部品を射出成形したり、より大きなキャビティ内で材料の流れがどのように機能するかを理解せずに大型部品の射出成形を試行したりするなど、設計上の問題に遡ります。-必要とされる専門知識も大きく異なります。自動車部品のプラスチック射出成形には、航空部品の射出成形とは異なる知識が必要です。また、反応射出成形部品や金属射出成形部品などの特殊なプロセスは、まったく異なるスキルセットです。射出成形プラスチック部品の-後処理-アニーリングでも、製造から数か月後に反りの問題を引き起こす残留応力を軽減できます。基本的な操作を行っているかどうか射出成形金型部品射出成形操作で製造されたプラスチック部品のセットアップや評価を行う際に、基本を理解することで、後で高くつくミスを防ぐことができます。この技術はどこにも行きません。{1}}射出成形部品とプラスチック射出成形部品は、これほどスケールの大きなものは他にないため、今後も製造業界を支配し続けるでしょう。