レニショーの 3D プリントされたコンフォーマル冷却金属コア: 射出成形の効率を向上

ドイツのアルフレッド・ケルヒャー（ケルヒャー）は、射出成形金型にコンフォーマル冷却機能付きモールドコアを使用することで、プラスチックハウジング製品ごとの冷却時間を55％短縮し、同社の射出成形生産効率を大幅に向上させました。この特殊な金型コアは、レニショーによって設計され、金属 3D プリント技術を使用して製造されました。

背景ドイツの企業であるアルフレッド・ケルヒャー（ケルヒャー）が製造する高圧洗浄機は、多くのドイツの家庭にとって欠かせない清掃機器となっているだけでなく、国際市場のユーザーの間でも人気があります。これらの清掃機の特徴は、明るく目を引く黄色の筐体です。ケルヒャー高圧洗浄機の強力な機能と優れた評判により、屋内と屋外の両方で、家庭の日常的な清掃にケルヒャー製品を使用する人が増えています。

▲ケルヒャー高圧洗浄機世界市場の高まる需要に応えるため、ケルヒャーは毎年何百万台もの小型洗浄機を生産しています。毎年、オーバーソンハイム工場だけで 200 万台以上の K2 規格高圧洗浄機が出荷されています。しかし、これほど生産量が多いにもかかわらず、ケルヒャーは依然として市場の需要をすべて満たすことができません。

チャレンジ
ケルヒャーの洗濯機の最も目立つ特徴の 1 つは、明るい黄色のハウジングですが、このハウジングの製造は、生産プロセスにおける主なボトルネックの 1 つでもあります。たとえば、K2 シリーズの洗浄機のハウジングは 6 台の射出成形機で製造されており、各機は 1 日あたり 1,496 個のハウジングを製造できます。しかし、この数はケルヒャーにとってはまったく足りません。ケルヒャーには 4 つの組み立てラインがあり、作業員は 3 交代制で休みなく働いているため、K2 高圧洗浄機の 1 日の組み立て量は 12,000 台に達することがあります。

▲K2イエローバックシェルモールドのオリジナルデザイン

▲K2イエローバックシェルモールドの新設計にはコンフォーマル冷却機能があります。明らかに、射出成形機を増やすのも一つの選択肢です。しかし、ケルヒャーのオーバーソンハイム工場で射出成形工程を担当するコーディネーターのレオポルド・ホッファー氏によると、既存の設備の潜在能力を活用することで生産効率を高めることができるという。「私たちの目標は、成形サイクルを52秒から40～42秒に短縮することです」と彼は説明します。彼は、金型の冷却時間を短縮する方法を見つけるために、2013年5月にレニショーに買収された、プリーツハウゼンに拠点を置くLBCエンジニアリングにアプローチしました。

解決策「プロジェクトの第 1 段階は、既存の金型に関するデータを取得して、Kärcher の目標が実現可能かどうかを判断することでした」と、Kärcher の Renishaw プロジェクトコーディネーターである Carlo Hüsken 氏は振り返ります。 Renishaw は、Kärcher から提供されたデータを使用して既存の射出成形プロセスの熱画像を作成し、それを Cadmould® 3D-F シミュレーションソフトウェアを使用して分析しました。結果によると、プラスチック材料の溶融温度は 220°C、脱型温度は 100°C、成形サイクル全体 52 秒のうち冷却時間は 22 秒でした。金型温度は、流量 10 l/分、温度 35 °C の冷却水によって制御されました。

次に、レニショーは、熱画像化プロセス中に検出されたホットスポットのモデリングに重点を置きました。これらの領域はサイクルタイムの増加に直接影響し、さらなる分析が必要だったためです。レニショーはこのデータを使用して、金型壁の温度の分析を含む 20 回の成形サイクルをカバーするシミュレーションを完了しました。

レニショーは、ヒュースケン氏のアドバイスに従い、2 回目のシミュレーション中にノズル側の温度制御方法を改善しました。これは、ノズル側のモールドプレートに従来の冷却水チャネルを 2 つ追加することで実現し、モールドプレート上のベリリウム銅円形ねじ継手の冷却効果を高めました。

▲旧設計：ドリル加工された冷却チャネルを備えた従来のベリリウム銅コア。材料の熱伝導率が高いにもかかわらず、依然として大きな「ホットスポット」領域が存在します。

▲新設計：金属3Dプリント高強度ニッケル合金鋼金型コアはコンフォーマル冷却機能を備え、冷却チャネルが熱源に近くなり、「ホットスポット」の問題をより適切に解決できます。
その後、レニショーは、コンフォーマル冷却を適用した場合に達成できる潜在的な改善を評価するために、さらに 2 つのシミュレーションを実行しました。従来の金型冷却方法は、金型に穴を開けて冷却剤チャネルのネットワークを形成することです。ドリル加工によって形成されるチャネルの形状には制限があります。より単純な金型の場合、この冷却方法で目的の効果が得られますが、より複雑な金型の場合、冷却効果は大幅に低下します。コンフォーマル冷却を採用した金型コアは金属積層造形法を採用しており、積層造形法を用いて層ごとに加工されます。積層造形の柔軟性により、金型内の冷却チャネルの複雑さはほぼ無制限になります。一般的に、金型内のコンフォーマル冷却チャネルは金型壁から等距離に保つことができるため、冷却効果はより均一になります。また、金型内のホットスポットが集中している領域では、コンフォーマル冷却チャネルの密度を高めて、これらの領域の冷却を高速化することができます。

シミュレーションプロセスでは、コンフォーマル冷却を使用した後、ほぼすべてのホットスポットの冷却効率を効果的に改善でき、金型壁の温度を最大 70°C 下げることができることが示されました。

最後に、コンフォーマル冷却チャネル用のスペースが不十分な金型領域では、ケルヒャーは部品の設計を巧みに改善し、成形冷却の問題を軽減しました。

シミュレーション結果に基づいて、レニショーはケルヒャーに包括的な改善計画を提案し、コンフォーマル冷却を使用して金型内のホットスポットの温度制御を改善し、部品全体の冷却速度をより均一にして、全体的な冷却時間を短縮できることを示しました。改訂された金型設計には、特定されたホットスポット領域に適合した冷却を提供する 2 つの付加製造コアが組み込まれています。

結果<br /> レニショーは、サーマルイメージングを使用して金型設計の修正による効果を確認し、金型壁の温度を 40°C ～ 70°C 下げ、冷却時間を 22 秒から 10 秒に短縮 (55% 削減) できることを確認しました。ケルヒャーの射出成形技術チームの責任者であるフォルカー・ノイ氏は、新しい金型設計といくつかの周辺プロセス（充填システム、ハンドリングシステムなど）の再調整により、成形サイクルを52秒から37秒に短縮できることを実際の生産を通じて証明しました。射出成形機1台あたりのハウジングの1日あたりの生産量を1,496個から2,101個に増加できるようになりました。

その後、ケルヒャーは他の金型の設計も改良しました。レニショーは、積層造形技術を使用してコンフォーマル冷却を特徴とするコアを製造し、ヒュースケン氏は製造プロセスを通じてレニショーを積極的にサポートしました。

ホッファー氏は当初、このプロジェクトに懐疑的だったが、今ではこう語っている。「結果は予想以上でした。レニショーは完全な改善パッケージを販売し、当社が使用していた金型を徹底的に調査・分析して、最適な生産効率の実現を支援してくれました。」

レニショーは、さまざまな技術的手段を総合的に活用した独自のソリューションを常にお客様に提供しています。「当社の場合、従来の冷却とコンフォーマル冷却、従来の機械加工による冷却チャネル、積層造形によるコア、コアの真空ろう付けを組み合わせています」と彼は付け加えます。「これらすべての技術を使用することで、適切なソリューションを見つけることができます。」

このプロジェクトを通じて、ホッファー氏は重要な知識と経験を得ました。「今後は、設計段階で金型の冷却効率にもっと注意を払うつもりです」と彼は言いました。「ケルヒャーでは、冷却効率の計算が金型設計の重要なステップになります。この情報があれば、従来の冷却を使用するか、コンフォーマル冷却を使用するかを決めることができます。」

「レニショーは素晴らしいサポートを提供してくれました。このプロジェクトにとって正しい選択でしたし、将来的にクローズドコンターの温度制御ソリューションを設計する必要が生じたときにも、レニショーは最適なパートナーとなるでしょう」とホッファー氏は結論付けました。

出典: 3Dサイエンスバレー

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