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株式会社 ストラタシス・ジャパン

射出成形は、プラスチック材料を金型のキャビティに注入し、キャビティの形状に合わせて冷却・固化させるプロセスで、世界で最も普及している製造工程の1つです。射出成形は、高精度で複雑な部品を大量に生産するのに最適な方法です。

部品の機能性能を総合的かつ正確に評価するため、あるいは電気部品や機械部品の安全試験を実行するためには、最終生産部品の実際の材料と射出成形プロセスを使用して射出成形部品を製造する必要があります。そのため、部品の形状、フィット感、機能の問題点を検出し、必要に応じて検証を行うためのプロトタイプ部品を作成するために、樹脂材料と3Dプリンタによる射出成形型（3DPIM）の採用が進んでいます。

樹脂を使用した成形型は、金属製の金型よりもはるかに安価で、リードタイムも短く、時には90%までリードタイムを短縮できますが、3DPIMのための専用の解析ツールはまだ提供されていません。
そこで、StratasysとMoldex3Dが協力し、先行シミュレーション予測による3DPIMソリューションを完成させました。両方のソリューションを使用することで、より良い結果を得て、より効率的に生産ツールを開発することができます。さらに、顧客は造形ツールの寿命を延ばし、設計を改善し、プロセスをよりよく理解することができます。

"Moldex3Dは、3Dプリンタで造形された射出成形型の成形性を評価するのに役立つ強力なツールです。ストラタシスとMoldex3Dが組み合わさることで、お客さまは生産を成功させるために部品と金型を検証・テストするための強化されたソリューションを手に入れることができます。
（Nadav Sella 氏 ／ Director, Manufacturing Tools at Stratasys）"

ストラタシスにできること

3DPIMは、従来のツーリングプロセスで数週間かかるリードタイムに比べ、わずかなコストと数日でプロトタイプを作成することが可能です。例えば、小型のストレートプルモールドを作成するための価格は2,500ドルから15,000ドルで、納品までは通常10日から4週間かかります。仮に、数十個のテストパーツのためだけだとしたら従来の金型を使う方法は費用対効果が非常に小さいと言えるでしょう。代わりに3DPIMを使った場合、生産部品と同じ熱可塑性プラスチックで5個から100個の部品を生産することが可能です。ソフトメタルやスチール製の金型に比べれば、ほんのわずかな費用で、1〜2日で製作することができます。現在、3DPIMは主に300℃までの熱可塑性プラスチックで使用されており、従来の金属製工具と比較すると部品の形状やサイズに制限がありますが、この方法を適用できる場合は、大きなメリットがあると言えるでしょう。^[1]

3DPIM使用によるメリット

リード開発にかかる時間を平均50％〜90％短縮

• ・ 平均50%〜70%のコスト削減
• ・ 生産用プラスチックによる機能評価
• ・ 少ない工程での効率化と型製作の自動化
• ・ 部品性能、金型設計、熱可塑性樹脂の選択に関する早期検証

3Dプリンタで造形された成形型は、高温高圧で射出される樹脂に耐える必要があります。さらに、高いせん断応力が存在し、キャビティ内に射出する際に型を破壊する可能性があります。また、射出の成功率は、射出材料（流動性、粘性、溶融温度）と型の形状に依存します。特定の型の形状の性能を最適化するためには、ユーザーはストラタシスの設計ガイドライン（TAG - Technical ApplicationGuide [1]）に従うことを推奨します。この文書情報は、3DPIMユーザーのために役立ちます。

• ・従来の金型を樹脂材料と3Dプリンタで造形した型に置き換えて評価
• ・ゲート位置やゲート数など、造形した型の設計を修正する
• ・重要なフィーチャーには金属インサートを使用する

Moldex3Dができること

Moldex3Dは、材料特性、成形条件、部品/型の設計が工程や部品品質に及ぼす影響を評価するプロセスCAE（Computer Aided Engineering）シミュレータです。型への充填、保圧、冷却、成形後の反りなどの解析は、設計段階だけでなく、既存のプロセス/設計のトラブルシューティングにおいても貴重な情報となります。Moldex3Dはまた、選択された材料と成形条件に従って、射出成形サイクル中のプロセス特性や成形品の収縮挙動を予測します。これにより、設計パラメータを迅速に評価、検証し、さらに最適化することができます(図1)。

Moldex3Dは真の3Dソリューションを使って射出成形のプロセス全体をシミュレーションするため、シミュレーションのために形状モデルを手作業で簡略化する必要はありません。3DPIMのユーザーにとって、「Moldex3D Professional Package」または「Moldex3D Advanced Package」は、3DPIMの欠陥予測と設計最適化に最も適したパッケージです（図2）。

Moldex3Dは、予測精度を保証するために、直感的に十分な境界層を持つ「3Dソリッドメッシュ」を生成することができます。ソリッドメッシュ生成後、ユーザーは成形条件を定義し、基本的な操作手順に従い、簡単に解析を行うことができます。解析結果をもとに、レオロジー、熱、機械特性を考慮した部品・型の寸法やレイアウトを最適化することができます。

図1. 真の3次元数値シミュレーションテクノロジー

図2. Moldex3Dのシミュレーションの流れ

Moldex3Dを使用した3DPIMの潜在的欠陥の検出

課題

解決

結果

シミュレーション結果から、どのように設計を修正・改善することができるのでしょうか？

3DPIMの再設計

成形条件の変更

参考資料

• ・https://go.stratasys.com/rs/533-LAV-099/images/WP_PJ_EffectiveDesignValidation_A4_0720a_1222_JP.pdf

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