実用的なヒント - 3D プリントされたプラスチック金型と従来の機械加工金型の比較

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-10-26 11:37 に最後に編集されました。

Antarctic Bear は、金型製作を必要とする射出成形の優れた代替手段として 3D プリントが多くの人に受け入れられていることを発見しました。本当にそうなのでしょうか？みんなの意見を見てみましょう。

今後、3Dプリンティングは製造業に大きな影響を与えるでしょう。かつては数百ドルの費用がかかり、製作に数週間かかっていた試作品が、今では午前中に設計し、夕方に印刷し、翌朝に顧客に届けられるようになりました。
すでにいくつかの企業では、射出成形金型の製造に 3D プリントを使用しています。生産準備が整った金型を何ヶ月も待ったり、下流の設計変更や生産現場での不確実性のために金型の修正に多額の費用をかけたりする必要がなくなります。金型の検証でも、射出成形部品の小ロット生産でも、金型を素早く 3D プリントできます。金型に問題があったり、設計を変更する必要がある場合は、別の金型を印刷して検証や生産を繰り返すだけです。それは正しいですか？

こうした見解にはある程度の真実が含まれている。プラスチック製の 3D プリント射出成形金型は、裏庭にあるプラスチック製の小屋に少し似ています。金属製の小屋よりも安価で、プラスチック製の小屋はすぐに組み立てられ、低負荷でも優れた性能を発揮します。しかし、雪が多すぎると粉々に砕けてしまいます。

3D プリント金型には独自の位置づけがあり、3D プリント金型の応用に比較的成功している企業もあります。支持者らは、3Dプリントされた金型は従来の金型製造方法よりも最大90％速く、70％安価であると主張している。これは場合によっては当てはまるかもしれませんが、3D プリントされたプラスチック金型と比較した金属金型の利点と欠点を理解することが重要です。
本物のカビ、本当に速い

迅速製造会社 Proto Labs は、1999 年以来、迅速成形射出成形部品を製造しています。同社が提供する金型は、エンジニアリングプラスチック、金属、液状シリコーンゴム（LSR）などの材料で作られた部品を製造することができます。金型は主にアルミニウム（場合によってはスチール）から機械加工されており、数個から 1,000 個までの数量を 1 ～ 15 日の納期で生産できます。

同社の産業用 3D 印刷サービスには、ステレオリソグラフィー (SLA)、選択的レーザー焼結 (SLS)、直接金属レーザー焼結 (DMLS) が含まれます。印刷可能な材料には、ポリプロピレンや ABS などの熱可塑性材料、工業用ナイロン、金属（ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金など）が含まれます。
処理能力がこれほど広範囲にわたるのに、機械加工ではなく金型を印刷するだけではいかがでしょうか?

金型メーカーは警戒すべき

Proto Labs のエンジニアは金型の印刷を検討していましたが、ラピッドツーリング事業に 16 年間携わった後、いくつかの理由から信頼性の高いラピッド射出成形プロセスに固執せざるを得ませんでした。

01表面品質
3D プリントでは部品を層ごとに処理するため、製品の表面に段差が生じます。直接印刷された金型にも同様の問題があり、これらの細かいギザギザのエッジを除去するには、後で機械加工またはサンドブラストを行う必要があります。さらに、1 mm 未満の穴はドリルで穴を開ける必要があり、それより大きい穴には皿穴加工またはドリル加工が必要であり、ねじ山にはタップ加工またはフライス加工が必要です。これらの二次プロセスにより、3D プリントされた金型の速度の利点は大幅に弱まります。

02サイズ係数 スケートボードやプラスチック製の工具箱を設計する場合、金型を 3D プリントすることは問題ないかもしれません。部品のサイズは 10 立方インチ (164 立方センチメートル) に制限されており、これはグレープフルーツとほぼ同じ大きさです。そして、現在の積層造形装置は高精度ではあるものの、それでもマシニングセンターや放電加工装置とは比べものになりません。後者は通常、金型キャビティを ±0.003 インチ (0.076 mm) の精度で処理し、最大 59 立方インチの容積の部品を処理します。これは、3D プリント部品の容積の約 6 倍です。

03高温環境<br /> 良好な材料流動特性を確保するには、射出成形金型を非常に高温に加熱する必要があります。アルミニウムやスチールの金型は、特に PEEK や PEI (Ultem) などの高温プラスチックを加工する場合、500F (260°C) 以上の温度にさらされることがよくあります。これらの金型は、数千個の部品を簡単に製造することができ、最終的な量産金型が製造される前の移行金型としても使用できます。 SLA または同様の 3D 印刷プロセスを使用して作成される金型材料は、通常、紫外線またはレーザーによって硬化される感光性樹脂または熱硬化性樹脂です。これらのプラスチック金型は比較的硬いですが、射出成形の熱サイクル条件下では非常に急速に劣化します。実際、3D プリントされた金型は、特にポリエチレンやスチレンなどの高温プラスチックの場合、穏やかな環境では 100 回の使用で故障することがよくあります。ガラス入りポリカーボネートや高温プラスチックでは、ほんの数個の部品を製造することもできます。

04コストを比較する 3D プリントされた金型を使用する主な理由の 1 つは、コストが低いことです。生産レベルの機械加工金型のコストは通常 20,000 ドル以上であり、これは 1,000 ドルの印刷金型と同等の比較であることを意味します。しかし、この類推は公平ではありません。金型の印刷コストは通常、材料の消費量のみを考慮して見積もられ、労働力、組み立てと設置、射出システム、ハードウェアは考慮されません。たとえば、Proto Labsd のアルミニウム型は 1,500 ドルで、生産に使用できます。より多くの部品を生産する必要がある場合はどうすればよいでしょうか? 3D プリントされた金型では、50 ～ 100 個の製品ごとに新しい金型を再印刷、組み立て、テストする必要があります。一方、アルミニウム製の金型は、使用するプラスチックに関係なく、10,000 個の部品を製造した後でも十分に機能することがよくあります。

05プロダクトデザイン 従来の射出成形金型製造の原理と実践は 1 世紀以上の歴史があり、業界では十分に研究されています。 3Dプリントされた金型は非常に新しいものです。たとえば、ほとんどのアルミニウム金型の要件を満たすには、ドラフト角度は 5 度以上にする必要があります。プラスチック部品のプラスチック金型射出成形には課題があり、プラスチック金型エジェクタピンの数と取り付け位置に特別な注意を払う必要があります。

プラスチック金型（特に射出温度が高い場合）は、キャビティ壁の厚さを増やしたり圧力を下げたりする点で、ある程度柔軟性があります。ゲートの設計も異なり、トンネルゲートやポイントゲートは避けるべきです。ダイレクトゲート、ファンゲート、ウィングゲートは、通常のサイズの 3 倍に拡大する必要があります。

粘度と低圧による高充填を回避するために、印刷された金型内のポリマーの流れ方向は 3D 印刷ラインと一致している必要があります。冷却システムにより、金型の寿命をある程度向上させることができますが、プラスチック金型の放熱能力はアルミニウムやスチール金型ほど優れていないため、印刷された金型のサイクル数を大幅に削減することはできません。

機会

迅速なアルミニウム工具作成には多くの利点がありますが、3D プリント工具が重要な役割を果たすケースも依然としてあります。 3D プリンターを所有し、印刷した金型が射出成形機でどのように機能するかを調べるのに十分な時間があるメーカーであれば、金型を直接印刷すべきだと考えるかもしれません。

もちろん、金型設計者は機能的な金型の作り方を理解している必要があり、金型の再設計や製作には多額の費用がかかります。これらのパラメータの設定は従来の金型とは大きく異なるため、金型のサンドブラスト、エジェクタの取り付け、射出成形機のオペレーターなどの機械作業員など、関連する技術者と設備も必要です。

でも、ちょっと待ってください。なぜ DMLS ではないのでしょうか。金属の型を印刷するだけではダメなのでしょうか。DMLS はレーザーと精密光学技術を使用して、微細な金属粉末の上に部品を層ごとに「塗装」し、航空宇宙から医療まで幅広い用途に使用できる高密度の商用製品を生産します。将来的には、アルミニウムや金型鋼材で作られた金型が直接印刷され、超効率的なコンフォーマル冷却チャネルが提供され、射出時間が大幅に短縮され、金型寿命が延びると予測する人もいます。ある程度、金型の DMLS 直接印刷は時間がかかり、コストもかかるため、通常は非常に小さく複雑な金型、または従来の機械加工方法では製造が難しい金型インサートの加工にのみ使用されます。
測定された信頼性

一般的に、Proto Labs は、金型ではなく部品を印刷するという自社の得意分野には、DMLS、SLA、またはその他の 3D 印刷プロセスを使用するのが最適であると考えています。ただし、以下の条件が満たされている場合、3D プリントされた射出成形金型は信頼できる代替手段となります。

1) 比較的単純な部品を少量生産する場合、製品にはより大きなドラフト角度が必要です。
2) ツールおよび金型設計チームは、3D プリント金型の設計原理に精通している必要があります。
3) プラスチック金型を加工・組み立てるための人員と設備を有する。
最終的な設計上の考慮事項。金型を長期間使用する必要がある場合、3D プリントされた金型で設計の合理性が検証されたら、次のステップは、プラスチック金型が主に小ロット生産に使用されるため、アルミニウムやステンレス鋼などのより永続的な材料を使用して金型を作成することです。 3D プリントされた金型の設計は従来の金型とは異なるため、プロジェクトの時間と予算の中で、一定数の金型の再設計とテストを考慮する必要があります。

出典: Creation 3D 詳しい情報:
3Dプリントが金型業界にもたらす喜びと不安
3Dプリントで金型コンフォーマル冷却を実現

実用的なヒント - 3D プリントされたプラスチック金型と従来の機械加工金型の比較

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