【座右の書ジャーマン先生の本】AMAZONで購入する
前書き
粉末射出成形の金型は、従来のポリマー射出成形で使用されているものと似ている。主な違いは、PIMツールが焼結収縮を考慮して特大であるということである。ツールセットにはキャビティがあり、さらに、キャビティからコンポーネントを抽出するためのエジェクタ、キャビティを充填するための経路で構成されている。この章では、生産のために成形機に配置される金型に焦点を当て、次の章では成形機について説明する。
ほとんどの場合、PIMツールセットは、成形ストロークと協調して移動するいくつかのコンポーネントによって処理される単一のキャビティで構成される。成形システムの主な特徴と成形機との関係を図5.1に示す。 PIM原料の流動および熱挙動は、従来の熱可塑性プラスチックとは十分に異なるため、均一な金型充填を確保するには特別な努力が必要である。最適な成形温度は通常、100 Pa・s（1000ポアズ）未満の混合物粘度を達成するために必要な温度に対応するため、混合物によって異なる。
プラスチック部品および充填ポリマーの射出成形の場合、キャビティの寸法は最終部品の寸法に近くなるが、一部のプラスチックは射出時に膨潤する。対照的に、PIMのキャビティ寸法は、その後の焼結収縮に対応するために特大である。もう1つの違いは、金型の温度である。 PIMでは、最終的なコンポーネントの寸法制御を確実にするために、ツールの温度を制御する必要がある。ツールが周囲温度にある場合、使用中に溶融原料との接触により加熱され、わずかな寸法変化を引き起こす。多くのPIM原料は、冷却速度を遅らせるために、充填中に加熱された金型を必要とする。このようなステップにより、残留応力が減少し、焼結中の収縮の均一性が向上する。これにより、プラスチック射出成形と比較して、PIMサイクルが遅くなる。焼結の寸法変化が大きいため、成形時の温度管理に注意を払う必要がある。その結果、コンピュータ統合ツールの設計と金型充填シミュレーションを組み合わせて、最適化された設計を確立する。
バインダーの種類と粉末の特性の違いは、金型の設計と成形機の操作に影響を与える。熱可塑性バインダーの場合、必要な温度、圧力、および速度制御を備えているため、往復スクリュー成形機が最も満足のいくものである。スクリュー、バレル、およびノズルの摩耗は、カーバイド、サーメット、およびセラミック粉末の問題である。摩耗試験は、研磨条件に対する耐性のために高い硬度が必要であることを示している。この点で、新しいホウ化物金型鋼複合コーティングは、摩耗の低減に優れている。
この章では、装置設計の多様性とバインダー特性のバリエーションを考慮して、熱可塑性バインダーとレシプロスクリュー成形機の典型的な組み合わせを想定している。このプラットフォームから、ツール設計への基本的なアプローチが紹介する。
キャビティ
金型の心臓部は、部品の形状を捉える空洞である。これは、焼結中の部品の収縮を可能にするために特大である。キャビティの周囲には、キャビティの開閉、コンポーネントの排出、ダイセクションの位置合わせ、インサートの移動、コンポーネントの冷却、スプルー、ランナー、ゲートの配置に必要ないくつかのツールコンポーネントがある。図5.2は、内部ダイコンポーネントを適切に閉じるための、エジェクタピン、エジェクタプレート、およびキー付きスライドを備えた成形ツールセットを示している。
ツールセットを設計する際の主な懸念事項は、コンポーネントの収縮である。体積ベースでは、一般的な原料には60％の固形分と40％のバインダーが含まれている。所望の最終部品特性を達成するために、焼結中の線形収縮は15％である可能性がある。固形物の負荷が40体積パーセントと低い場合、線形焼結収縮は25％になる可能性がある。寸法の収縮は収縮係数Yとして知られており、0の原料固形分と焼結分率密度ρ/ρTから計算される。
ここで、ρは最終密度、ρTは材料の理論密度である。
例として、収縮係数Yが0.15（15％収縮）の場合、ツールの伸び尺Zは1.1764である。したがって、12
mmの最終寸法を得るには、14.11 mm（1.1764の12倍）の金型寸法が必要である。 14.11mmから12mmまでの収縮は2.11mmであるため、測定された収縮係数は2.1mmを14.11mmで割った値、つまり0.15（15％）であることに注意すること。
これらの式によれば、収縮Yは金型寸法に関して正規化され、伸び尺Ｚは最終寸法に関して正規化される。焼結時の収縮を可能にするために金型の寸法を拡大する必要があるが、角度は本質的に維持され、金型に直接設計することができる。実際には、ほとんどのツールセットは最初に小さめのキャビティで作成される。反復金型テストが可能な場合は、最初のパスで外寸を公差帯の下端にカットし、内寸を上限にカットする。これにより、最初のテスト部品が製造された後、さらに調整することができる。金型内で相対的な収縮係数がわかれば、選択的な変更によって最終的な寸法が生成される。
特に複雑な部品の場合、キャビティのサイズを小さくする理由の1つは、収縮の計算が難しい場合があることである。これは、粉末のパッキングが不均一である場合や、充填中に分離が発生する場合に当てはまる。さらに、焼結時の重力やキャビティ充填時のポリマー配向などの微妙な要因により、わずかではあるが測定可能な異方性収縮が発生する。多くのツールセットは、コストのかかる試行錯誤のアプローチを使用して設計されている。コンピュータソフトウェアにこれら要素のフロー解析を使用してツール設計に組み込み、ランナー、ゲート、および冷却パスを配置するのに役立てることが望まれる。ただし、重力、金型の摩擦と摩耗、ポリマーの配向、粉末とバインダーの分離などの多くの要因を効果的に説明するソフトウェアはない。現在の設計ソフトウェアは、キャビティ内のゲートとベントの配置をガイドするためにのみ機能する。
ツールセットには3つの基本的なレイアウトがある。図5.3は、スプルーとコンポーネントに対するパーティングラインの位置の違いを示している。パーティングラインに沿って射出すると、ダイを一緒に保持するために必要な型締力が増加するが、パーティングラインに垂直に射出するには、スプルーを金型から簡単に取り外す必要がある。 3番目の形式は、スレッドまたはパーティングラインを回避する場合に使用される。パーティングラインに垂直な射出が最も一般的である。いくつかの重要な機能をPIMツールアセンブリに組み込むことができる。たとえば、表面ワッフル、リップル、または引き込みコアと同様に、めねじまたはおねじが可能である。もう1つの機能は、部品番号、名前、ロゴなどの表面の詳細を組み込むことができることである。金型へのこのような追加は、焼結後の二次操作を排除し、歯科用ブラケットの底部の接着結合領域などの識別または機能に役立つことが証明されている。図5.4に、このような特別な機能の説明図を示を示す。
一般的なツールセットでは、図5.5に示すように、原料の流路は、成形機のノズルからスプルー、ランナーに沿って、ゲートを通り、金型キャビティに流れる。この流路は、さまざまなクランププレート、位置合わせピンと位置決めピン、およびエジェクタコンポーネントに囲まれている。
図5.6は、ツールセットの拡大図である。 PIMを成功させるには、コンポーネントの位置合わせとその適切な順序付けおよびスムーズな動きが重要である。ツールコンポーネントは事前に機械加工されたパッケージとして入手できるため、キャビティのみをカスタム機械加工する必要がある。また、この形状には、金型温度を制御するように設計された冷却または加熱ネットワークがある。 PIMの重要な利点の1つは、代替手法では作成できない複雑な形状を作成できることである。したがって、複雑な金型設計はPIMの必要な側面である。
ツールセット内のキャビティの数は、製造するコンポーネントの数、成形機のショット容量、ツールの製造コスト、および使用可能な型締力によって異なる。 1930年代には、最大40個のキャビティを備えたツールセットを使用してセラミック絶縁体を製造していました。現在、ほとんどのPIMコンポーネントは、1〜8個のキャビティを備えたツールセットで生成されている。生産量が少ない場合は、シングルキャビティツールセットで十分である。より高い生産性が要求されると、新しい成形機を購入しなくても生産量が増加するため、より多くのキャビティが正当化される可能性がある。
キャビティの数が増えると、ツールセットの製造コストは増加するが、コンポーネントあたりの正味の製造コストは減少する。図5.7は、2つの要因に関連してコストをプロットしたものである。金型費は生産数量に分散されるため、総生産数量が増えるにつれて、キャビティの数が増えると最小値が発生する。ただし、キャビティの最適な数は、これらのコストだけでは決定されない場合がある。その他の制限には、クランプ力、ショット量、および修理とメンテナンスに関する懸念が含まれる。もう1つの要因は、キャビティ間の相対的な寸法が時間とともに変化する不均一な充填または摩耗である。これらのドリフトは修正が難しく、製造上の問題を追跡するために、キャビティに応じた部品の分類が必要になる場合がある。したがって、複数のキャビティツールセットで均一に生産することで生産性が向上する可能性があるが、許容範囲外の製品が増えることで、許容範囲の低い製品が関係する場合を除く。このような場合、プロトコルは、許容できないコンポーネントを生成しているキャビティを閉じ、キャビティの約半分が失われるまで成形を続けることである。
パーティングライン
パーティングラインの位置、ランナーのサイズと配置、およびゲートの設計は、キャビティの設計と同じくらい重要である。これらの機能の場所は、多くの場合、アプリケーションまたは顧客のニーズによって決定される。外観上および機能上の要件により、場所が最適な位置に配置されない場合がある。ダイがパーティングラインに沿って分割されるコンポーネント表面にトレースが表示される。ツールセットは、緊密な位置合わせと高い型締力にもかかわらず、金型の充填中に弾性的にたわみます。金型のたわみは、射出圧力によって直接変化し、金型材料の弾性率に反比例して変化する。明らかに、ツールコンポーネント間のタイトフィットと高い弾性率が最も望ましいである。弾性たわみにより、金型の可動部分間の原料の侵入が可能になり、保圧によってコンパクトな寸法が変化する可能性がある。たわみは、金型肉厚の3乗に比例して減少する。パーティングラインは、コンポーネント表面の重要ではない場所に配置するように設計する必要がある。あるいは、パーティングラインは、研磨、機械加工、研削、または切断操作によって、グリーンまたは焼結状態で除去することができる。
金型の可動部分の間に溶融原料がわずかに侵入することは、フラッシュとして知られている。図5.8は、フラッシュの極端な例を示している。通常、フラッシュは粒子サイズに比べて侵入スペースが小さいため、バインダーが豊富である。フラッシュの除去は困難であり、ツールをしっかりとはめ込み、パッキング圧力を低くすることで回避するのが最善である。その他の場合、格納式ダイと分割ダイの組み合わせにより、重要な領域のパーティングラインから離れて設計することが可能である。図5.9は、排出中に収縮するクリティカルセクションにパーティングラインがない例を示している。重要でない領域では、コンポーネントにパーティングラインが含まれ、通常、ゲートピンとイジェクターピンからの他のマークがある。
スプルー
スプルーはノズルをランナーネットワークに接続し、可塑化された原料をツールキャビティに送ります。これは、金型充填流路の重要な部分である。図5.5に示すように、スプルーは先細になっている。標準サイズは長さに沿って4〜6 mmの範囲で、約5°のテーパーが付いている。スプルーブッシングはツールセットに挿入され、荷重を運び、目的の流路を提供する。金型が排出のために開いたら、スプルーをスプルーブッシングから引き抜く必要がある。スプルーの反対側には小さなシリンダーがあり、ダイを開くときに後部キャビティにコンパクトを保持するように動作する。したがって、図5.10に示すように、アンダーカットがスプルーに配置され、後部キャビティプレートでコンパクトを引っ張ります。図5.5に示すような2プレート金型では、コンポーネントとスプルーが一緒に排出される。 1つのオプションは、金型開口部でコンポーネントとスプルーを分離する3プレート金型を使用することである。図5.11は、これら2つの形状と、金型開口部の相対的なパーツとスプルーの位置を対比している。より迅速な生産のために、スプルーは高温に保たれ、成形材料のこの部分の再加熱とリサイクルを回避する。この手法は、ホットランナー成形と呼ばれる。
ランナー
スプルーはランナーに変わり、ゲートを介して溶融物をダイキャビティに導く。小さなランナーは充填速度を低下させるため、通常の直径が3〜6mmの範囲の大きなランナーが望ましい。大きなランナーを使用すると、キャビティの充填が容易になるが、成形品の成形に使用できるショット量が減少する。円形ランナー設計が最も一般的である。これにより、充填中の熱損失が減少するためである。
図5.12にスケッチされているように、他の断面設計が使用されている。それらの主な利点は、建設費が安いことである。金型内の流路を加熱し続けるために、さまざまなホットランナー設計が利用可能である。ホットランナーは、ゲートのバルブを使用して、ショットの合間にランナーを閉じる。このような金型設計は、ホットランナーシステムの追加のエンジニアリングおよび建設コストが生産性の向上とリサイクル原料の削減によって正当化される大量生産に有益である。
ランナーの設計で発生する問題の1つは、急激な方向の変化である。これにより、バインダーと粉末が分離する可能性がある。粉末は密度が高く、慣性が大きくなる。したがって、流路の鋭い角は、粉末とは異なる方向にバインダーの流れを誘発する。ランナーシステムのコーナーとターンを最小限に抑えることで、分離を回避する。ゲートの直前に1つのコーナーを設けて、粉末が豊富になりがちで、コンポーネントの品質に悪影響を与える欠陥を含む主要な原料を捕捉すると便利である。
原料は抵抗が最小の経路をたどり、複数のゲートと複雑なランナー経路の設計と制御を困難にする。金型充填中の冷却を減らし、噴射を避けるために、ランナーは短くする必要がある。ランナーは、パーティングラインに沿って、またはツールセットのエジェクタの半分に配置され、イジェクト後にコンポーネントからトリミングされる。トリミングは手動で行うことも、排出中にゲートでランナーとコンポーネントを自動的に分離するようにツールを設計することもできる。
ランナーに沿った流れの間、体積原料の流量Qは、ポアズイユの式に従って、ランナーの直径Dの4乗で変化する。
ここで、Pは原料にかかる圧力、Lはランナーの長さ、ηは原料の粘度。一定の金型充填率の場合、式5.3は、小さなランナーを補うために射出圧力を劇的に増加させる必要があることを示している。原料が冷える前にダイを充填するのを助けるために、高い原料流量が必要である。ランナーが大きいと、材料が無駄になり、成形品に使用できるショット量が減少し、成形が遅くなる。一方、ランナーが小さいと、流動抵抗が大きくなり、金型充填の問題が発生する。
ツールセットに複数のキャビティが含まれている場合、ランナー設計のいくつかのオプションを使用できる。図5.13は、3つの一般的な手順を示している。直線分岐形状では、流路に沿った圧力勾配が提供されていないため、キャビティが不均一に充填される。テーパー分岐形状では、流路に沿って発生する圧力低下に対してランナーのバランスがとられている。メインランナーに沿った小さなゲートはスプルーに近く、大きなゲートはスプルーから離れている。バランスの取れた設計とは、スプルーからの流れ距離が同じで、各キャビティが同時に充填されることを意味する。中央クラスターシステムには、スプルーを介したバランスの取れたフィードがあり、スプルーは短く同じ長さのランナーに放射する。重力による下部キャビティの優先的な充填は、金型充填率が低い場合にのみ発生するため、重力に対するキャビティの向きは通常重要ではない。
図5.14にスケッチされているように、単純なバルブを複数キャビティダイのランナーシステムに組み込むことができる。これにより、成形中にキャビティを分離できる。一部の操作では、リサイクルを減らすためにランナーを高温に保ちます。このようなホットランナーの設計は、コンポーネントが小さく、より大きなランナーとスプルーが過剰なリサイクル材料を生成する場合に重要である。妥協案は、ホットランナーシステム全体ではなく、ホットスプルーを使用することである。
ゲート
ランナーの終わりには、ダイキャビティに通じるゲートがある。これは、キャビティ、ランナー、またはスプルーの前で凍結するように設計された小さな開口部である。固化したゲートにより、キャビティ内の質量が冷却されている間、機械の圧力を取り除くことができる。これにより、コンポーネントがダイキャビティ内でまだ流動的である間に、マシンが次の原料のチャージを準備できるようになる。固化したゲートによって冷却マスに圧力がかかり、それによって、冷却に関連する通常の収縮と潜在的なボイド形成に対抗する。
長方形から円形まで、直径が1〜4 mmの範囲で、断面積が4〜12 mm2の、いくつかのゲート設計が使用されている。コンポーネントの肉厚に対する比率としてのゲートサイズは、ゲート形状よりもおそらく重要である。プラスチック成形に使用されるゲートは、PIMゲートに比べて小さいである。小さなゲートは望ましくない流れの狭窄を引き起こし、噴射と摩耗の増加につながります。極端な場合、複数のゲートを使用して充填率を上げることができる。ウェルドラインの数が増えるため、これは可能な限り回避するか、注意して行う必要がある。
ゲートサイズは、充填せん断ひずみ速度と断面厚さの2つの要素によって決定される。成形体の前にゲートを凝固するには、成形体の厚さの10〜50％の厚さが必要である。ゲートが小さすぎると、多くのPIM原料が非常に高いせん断速度でせん断増粘を示すため、充填中の高いせん断ひずみ速度によって摩耗が発生し、混合物の粘度が上昇する。ほとんどのPIM原料の充填せん断速度の実際的な上限は104s-1である。円筒形ゲートの場合、ゲートを通過するせん断ひずみ速度dγ/dtは、体積流量Qとゲート直径Dによって決定される。
多くの成形作業では、ゲートを通過する体積充填率（原料の速度×ゲート面積）は10 cm3 / s以上であり、せん断ひずみ速度の上限は104 s-1であるため、式5.4に基づいて、適切なゲート径は3mm以上である。
別の方法として、ゲートサイズは、部品全体の重量とキャビティを充填するための望ましい時間に基づいている場合がある。 0.1〜0.4秒の充填時間は、通常、大幅な原料の冷却を回避する。つまり、ショートショットや未修復のウェルドラインはない。ホットランナーシステムでは、充填時間が2〜3倍長くなる可能性があるが、従来の金型では、これらが一般的な充填時間である。したがって、ゲート直径Dは次のように決定される。
ここで、Wは部品重量（g）、pは原料密度（g / cm3）、tFは充填時間（s）、Dはゲート直径（cm）である。 5 g
/ cm3の原料から形成された20gの部品の充填時間が0.2秒の状況では、これにより、3 mm（0.273 cm）付近の推奨ゲート直径が得られる。
通常、ゲートの長さはその厚さと同じである。図5.15に示すような扇形のゲートは、均一なキャビティ充填に望ましい場合がある。このようなゲートは、最終部分の残りのタブが大きいため、状況によっては適切でない場合がある。ランナーとゲートを取り外す1つのオプションは、ダイに埋め込まれたトンネルゲートを使用して、排出時に自動的にスライスされるようにすることである。
ゲートの位置は慎重に評価する必要がある。ゲートが薄いセクションに入ると、流れの抵抗と原料の冷却のために、隣接する厚いセクションでの充填が妨げられる。図5.16のスケッチとは対照的に、小さなゲートと高速充填を組み合わせると、噴出が発生し、内部ボイドとウェルドラインが形成される。最も望ましいのは、キャビティの壁を濡らし、キャビティの端にあるベントから空気を押し出す原料を徐々に充填することである。コーナーを埋めることで濡れ性を高めます。コンポーネントがゲートサイズの上限と下限を与える前に、ゲートが凍結して噴射するのを避けたいという願望。噴射とは、原料がキャビティを横切って発射し、文字通りゲートに向かって逆流することを指す。これにより、充填されていない領域とトラップされたエアポケットの欠陥が発生する。
通常、ゲートの配置は、図5.17に示すように、傷を隠したいという欲求の影響を受けます。ゲートは小さな表面の裂け目を残す。この裂け目は、成形後に手動で取り除くか、重要でない位置にある必要がある。可能であれば、ゲートは、溶融原料がキャビティ壁と常に接触するように配置する必要がある。たとえば、円形コンポーネントでは、図5.18に示すような接線方向のゲートにより、壁との一定の原料接触が保証される。対照的に、この状況とは対照的に、ラジアルゲートは最初のキャビティ充填時に噴射を与える可能性が最も高いでしょう。不適切なゲーティングは、噴射や収縮ボイドなどの欠陥に関連している。不適切なゲーティングまたは充填による欠陥は、図5.19に示すように、表面のマーキングとして明らかである。噴射を制御するには、ゆっくりとした漸進的なキャビティ充填プロセスが必要である。ただし、原料の冷却は通常、ゆっくりとした充填を妨げます。ゲートでの圧力損失は、温度が下がるにつれて、または金型充填率が上がるにつれて増加する。充填は、原料が入口ですぐにダイの壁に接触するように設計することによって最適に制御される。
原料が金型キャビティ内で分割および結合する状態は、溶接線の欠陥を形成するため、可能な場合は回避する必要があります。したがって、1つのパーツの複数のゲートは、かなりの経験がある場合にのみ使用される。ポストの周りなど、原料の収束が必要な部分の記入には注意が必要である。供給原料が収束時に冷たすぎると、融接ラインをシールできず、図5.20に示すようなライン欠陥が発生する。常に、これらのウェルドラインの欠陥は、焼結中に亀裂に成長する。ウェルドラインの問題は、高速のキャビティ充填のもう1つの理由である。これは、高温の原料がウェルドラインをより適切にシールするためである。
ベント（ガス逃げ）
成形の開始時に、ダイキャビティは空気で満たされる。原料がキャビティを満たすと、この空気は、ゲートの反対側のキャビティの端にあるベントから強制的に逃げます。ベントは、原料の浸透を防ぎながら空気を逃がすことができるサイズの金型の非常に薄いレリーフである。図5.21は、キャビティの端にあるベントの低倍率の写真である。一般的なベントの深さは0.015mmで、大きな部品で幅は最大12mmである。金型表面までトレースする。充填の早い段階でベントが覆われていると、空気のポケットがキャビティ内に閉じ込められたままになり、図5.22に示すようなボイドが発生する。このような欠陥は、最初に充填シーケンスを理解することによって排除され、次に適切なゲートとベントの配置によって排除される。
原則として、ベントはキャビティの最高点またはサイクルの後半に充填された点に配置する必要がある。 0.015 mmの溝がある場合は、パーティングラインに沿って、または可動部品が出会う場所でベントを行うことができる。理想的には、ベントは成形品の表面に非常に小さな痕跡を残し、バインダーや粉末で満たされません。高い成形圧力では、このような小さなギャップでもフラッシングが発生する可能性があり、より小さなベントが必要になる場合がある。別の方法は、空気を透過するが、原料の浸透を制限するのに十分に小さい細孔サイズの焼結多孔質プラグを金型壁に配置することである。コンポーネントは開封時に金型内に残りますが、金型に付着しません。そのため、部品を金型から排出できるようにするためにもベントが必要である。たとえば、閉じた形状は真空を作成せずに取り外すことができないため、成形ツールに組み込まれた追加のピンを最初に引っ張って金型をベントし、部品の固着を防ぐ。
温度制御通路
通路は金型に配置され、水または油が通路を通してポンプで送られ、金型の温度を制御する。非常に低い温度を必要とするシステムの場合、冷却に冷媒または液体窒素を使用することができる。最初は、これには成形前にダイを予熱することが含まれる場合がある。これは、ワックスポリマーバインダーで必要になることがよくある。続いて、通路はコンポーネントから熱を取り除く。サイクルタイムは全体的な生産性にとって非常に重要であるため、キャビティが埋められたらすぐに熱を抽出する必要がある。これは、冷却通路を使用して実現される。冷却は、ほとんどのPIM材料にとって最も遅いステップである。原料から金型への熱伝達により、キャビティを充填した後の冷却時間が決まります。冷却時間を最小限に抑えるには、次のように、薄い壁、金型の高い熱伝導率、および供給原料と冷却水の間の大きな温度差が必要である。
ここで、tcは、射出温度がTEで、金型が最初に温度Tmにあるときの、温度Tcで金型キャビティに原料を充填した後の冷却時間である。温度はTc> TE>
TMとして関連付けられる。冷却時間を決定するセクションの厚さはLで表され、aは、比熱Cp、熱伝導率K、および密度pにa = K /（p Cp）として依存する原料の熱拡散率である。セクションの厚さの2乗に伴う冷却時間の増加に注意すること。典型的な成形条件の計算では、10〜20秒の範囲の冷却時間が得られる。これは実際と一致している。
エジェクター
成形品が金型内で冷却されたら、キャビティから排出する必要がある。排出に必要な力は、原料の弾性率、金型と部品間の接触面積、摩擦係数、およびキャビティ内の熱収縮によって異なる。キャビティのわずかなテーパーは、排出に必要な力を減らすのに大いに役立ちます。空洞の角は通常、排出を容易にするために丸みを帯びている。 0.2mmの半径で十分である。より高い弾性率、より多くの接触面積、および高い摩擦係数は、排出をより困難にする。さらに、金型表面が粗い場合、射出が困難になり、部品の故障を引き起こす可能性さえある。
イジェクトを実行するには、ダイ本体のピンがエジェクタプレートとともに前方に移動し、コンポーネントをキャビティから押し出する。インサート、内部コア、またはねじ山を配置する場合は、自由に排出できるように、それらを（おそらく電動運動によって）引っ込める必要がある。コアピン、インサート、またはその他の機能が充填前にキャビティに配置され、成形品にカプセル化されて、各サイクルで排出される場合がある。エジェクタピンは、柔らかい材料に押出力が集中するのでコンポーネントに傷を付けます。図5.23はイジェクトピンマークの例である。その結果、多くのエジェクタピンは、イジェクト力を広い領域に分散させることにより、コンポーネントへの損傷を軽減する。エジェクタピンと連携して、ツーリングからスプルーを抽出するように機能するスプループラーがある。イジェクトピンの位置と数は、コンポーネントのサイズ、バインダーの強度、および金型の複雑さによって異なる。通常、ピンは重要ではない場所に印象を与えるように配置され、投影されたコンパクトな領域の10％以上を構成する。注意の1つは、将来のエジェクタピンの交換を考慮に入れることである。ピンがエッジに近い場合は、通常、より大きなピン直径が交換に使用されるため、金型を再加工する余地はない。不十分なスペースが残っている場合、ツールの改修は困難である。
ツールモーション
図5.24は、典型的な成形サイクルの概略スケッチである。サイクルは、ツールセットを閉じることで始まります。次に、成形機のノズルがスプルーに挿入され、原料が金型キャビティに押し込まれる。この状態は、コンポーネントが排出されるときにゲートがフリーズするまで保持される。その結果、図5.25にプロットされているように、成形キャビティ内の圧力は、原料がキャビティに入るときに急激に増加する時間依存性を示す。この圧力はピークに達し、ゲートが凍結するまで保持される。その時点から、成形機はキャビティ圧力を制御しなくなる。ゲートが凍結すると、原料の冷却が進むと、原料が熱収縮するため、圧力が低下する。排出の時点で、キャビティ内の圧力は非常に低くなければなりません。排出の場合、ピンはツールの壁の面一の位置から移動し、コンポーネントを押してキャビティから引き抜く。成形方向に垂直なアンダーカットまたは穴を組み込むには、金型に側面作動のコアまたはインサートが含まれている必要がある。回転コアを使用して、パーティングラインなしであるレッドまたはライフリングパターンを作成することも可能である。図5.26は、金型の開閉によってサイドコアがどのように機械的に作動するかを示している。ツールセットには、そのようなコアをいくつか含めることができ、機械的な動きの代わりに油圧ピストンを使用して作動させることができる。レシプロスクリューマシンは、PIMで使用するための最も一般的な選択肢である。ダイに関連するモーションとマシンに関連するモーションの2つの主要なモーションセットがある。同様に重要なステップは、金型の開閉との調整を必要とする成形機内で発生する。次の章では、成形機、その動作、および成形を制御するために必要な手順について説明する。
金型の構築
PIMで使用されるツールセットは、通常、鍛造ストックから機械加工される。場合によっては、多孔質の焼結金属または炭化物骨格の液体浸透を伴う粉末冶金アプローチを使用して、低コストで小型のツールセットを形成する。プロトタイプツールまたは少量生産の場合、フレームスプレー技術はPIMで成功することが証明されている。 PIMツールセットの製造の容易さとその後の耐久性は、ツールの材料の選択を決定する主な懸念事項である。 PIM原料はほとんどのプラスチックよりも摩耗性が高いため、耐摩耗性が大きな懸念事項になる。機械加工後、金型は熱処理または表面硬化処理が施される。厚い部分全体で均一な硬度を実現するには、金型材料に高い焼入れ性が必要である。摩耗や金型への部品の付着を防ぐために、表面は滑らかで傷のない仕上げにする必要がある。これには、鏡面仕上げへの研磨またはメッキが必要である。クロムメッキは、硬くて滑らかな表面を復元し、寸法を再構築するのに効果的であることが証明されている。このような手順は、セラミック射出成形で広く使用されている。さまざまな表面強化により、摩耗が減少し、表面仕上げが強化される。これには、二硫化タングステンコーティング、電気めっきクロムまたはリン化ニッケル（ポリマー分子が捕捉されている可能性がある）、イオン窒化、塩浴窒化、さらには炭化ホウ素コーティングが含まれる。
表5.1に、いくつかの一般的な金型材料を示す。この表は、組成とともに、典型的な硬度と用途を示している。金型構造の材料の選択は、予想される成形サイクル数と必要な強度または耐摩耗性によって異なる。一方では、機械加工の難しさと材料費を考慮する必要がある。プラスチック業界では、強度とコストの点でP-20が最も広く使用されている金型材料である。それでも、PIMの摩耗の懸念により、より硬度の高い金型鋼の選択が最も一般的になっている。これまで、アルミニウム、超硬合金、粒子充填エポキシ、銅ベリリウム、低炭素鋼、ステンレス鋼、マルエージング鋼、コバルト合金がすべて使用されてきました。アルミニウム、亜鉛、またはビスマスの軟質合金は、機械加工が容易なため、金型の開発およびコンポーネントのプロトタイピング中に時々使用される。それでも、これらの材料は引っかき傷や損傷を受けやすいため、より硬い材料を製造する必要がある。ほとんどの金型形状の製造は、加工の容易さではなく形状の複雑さによって大きく左右されるため、柔らかい金型材料を使用した加工の容易さは、通常、一時的な金型の利点にすぎません。超硬合金は、摩耗が主な懸念事項である場合に役立ちますが、これらの材料では、金型の製造がはるかに高価であり、靭性が低いため、金型の損傷が問題になる。実際の材料費は、これらの材料間で10倍異なる。
表5.2は、金型材料で可能な熱的および機械的特性の組み合わせのいくつかの例をまとめたものである。金型鋼は、強度、靭性、硬度、および機械加工性の組み合わせにより、最高の妥協点の1つである。主な制限は、長時間の生産での疲労破壊の影響を受けやすいことである。
表5.3は、PIM金型で使用される一般的な金型鋼の相対的な特性を定性的に比較している。従来のツーリングの製造は、マシニングセンターで行われる。これには、最初は特大の材料ブロックから材料を段階的に除去することが含まれる。ほとんどの機械加工はコンピュータ化されているが、それでもツールセットの重要なコンポーネントまたは寸法を手作業で仕上げる必要がある。従来の機械加工や放電加工など、さまざまな生産ルートが存在する。通常、完成したコンポーネントは硬度を達成するために熱処理されるが、正確な寸法に達するには最終的な研削または研磨が必要である。 0.2μm（8マイクロインチ）の表面粗さが一般的であり、必要に応じてより滑らかな仕上げが可能である。多くの場合、最初のパスでは、最初の成形試行後に微妙な修正を行うために、わずかに過剰な金型材料が残ります。必要な金型硬度は通常30HRC以上である。多くの熱処理されたステンレス鋼または金型鋼が、40〜60HRCの最終硬度で使用される。この熱処理により、金型セットの寸法が約0.15％増加する。これは、キャビティサイズの計算に組み込む必要のある要素である。したがって、窒化またはその他の表面処理を使用して、歪みや寸法変化なしにツールセットを硬化させます。金型の製作はコストの80％であり、多くの場合、金型の材料はコストの5％にすぎません。不適切な熱処理は、ほとんどの金型の故障を引き起こす。
最適な条件下では、プラスチック射出成形用のツールセットは最大100万サイクル持続する。これは、疲労破壊を回避するために最大応力が耐久限度を下回っていることに依存する。ただし、PIMに固有の摩耗が大きいため、多くの状況で金型寿命が制限される。低硬度の金属粉末の成形は最大100万サイクルを達成できるが、通常、パーティングラインとエジェクタピンのメンテナンスは100,000サイクル後に必要になる。より硬い材料（セラミック、カーバイド、および複合材料）の場合、金型寿命は通常約100,000サイクルであり、メンテナンスの頻度が高くなる。パーティングラインまたは機能していないエジェクタピンを復元するために、摩耗したツールセットを再構築するには、特別な溶接および研削手順を採用する必要がある。成形圧力が1MPa未満の特殊な状況では、より長い寿命が可能である。最近の開発は、溶体化段階の後に液体窒素に金型を浸漬することを含む極低温熱処理である。これにより、マルテンサイトへの完全な変態が保証され、より優れた耐摩耗性と寸法安定性が得られる。このような手順は、生産における金型寿命を改善するために調査中である。さらに新しい開発は、誘導磁場を使用して金型を硬化させる表面処理である。アルミニウムのような柔らかい金型材料を使用すると、寿命は短くなり、1,000〜10,000サイクルになる。
ラピッドプロトタイプツールの生産で急速に出現している機能についてコメントする。多くの状況では、コンポーネントを製造できるかどうか、どのような問題が存在するか、およびPIMパーツが適合するシステム設計が実行可能かどうかを判断するための試行が必要である。この機会に応えて、いくつかの新しいラピッドツールテクノロジーが登場しました。ほとんどの場合、シリアルセクションを使用してコンピュータモデルからツールセットを作成する。各セクションは、完全な3次元オブジェクトを作成するために組み立てられる。この技術の初期のバージョンでは、ワックス、プラスチック、またはラミネート紙の構造が製造されていました。生産に適用できるハードツーリングの必要性は、鋼とセラミック材料からツーリングを作成する技術を駆り立てました。
造形時間は通常日数で測定され、最終的な寸法は機械加工に比べてはるかに精度が低くなるが、プロトタイプ作業にはこれが適していることがよくある。焼結金属粉末ツールセットの作成に使用されている1つのシステムを図5.27に示す。
形状を説明するコンピュータファイルは、最終的な構造が作成されるまで、レーザービームが粉末床上で層ごとに連続的に再生されるときにレーザービームをガイドするために使用される。ラピッドプロトタイピング金型の強度と硬度は、従来の金型よりも低くなっている。ただし、硬度40HRCまたは強度800MPaのプロトタイプツールを使用すると、良好なパフォーマンスを得ることができる。技術が成熟するにつれて、機械加工を必要とせずに、より迅速な金型生産が期待される。
CADコンピュータ支援設計
PIMの成功は、成形機での正確で複雑な形状の生成によって明確に決定される。次に、成功を確実にするために高品質のツールが必要である。建設技術や材料に関する多くの経験が得られましたが、この経験を設計ルールに変換することは不十分でした。一部のコンピュータソフトウェアは設計タスクに適用されているが、通常、熱伝導率、密度、粘度などのPIM原料機能の組み込みが不十分であるという問題がある。ツールの設計に関連するほとんどの機能は、コンピュータパッケージでサポートされている。これらのソフトウェアパッケージには、PIMツールの設計に必要な標準機能の設計ルールが組み込まれている。コンピュータの使用は、生産を最適化するための現在の取り組みの重要な側面である。このようなツールは、見積もりの初期段階で非常に有益である。この段階では、製造に取り組む前に、さまざまな材料、建設技術、さらにはコンポーネントの設計を調べることができる。たとえば、一部のコストモデルには、さまざまなフィーチャーを加工するための原材料、ツールサイズ、およびコスト割り当てが含まれている。この計算には、金型のサイズ、複雑さ、公差、表面仕上げ、キャビティの数、エジェクタピンとベントの数、およびパーティング平面の複雑さが含まれる。
コンピュータ支援設計は、生産と設計のコストをわずかに下げるだけであるが、ミスと金型の設計に必要な時間を大幅に削減する。多くのコンピュータモデルが存在するが、PIMの特別な機能に合わせて調整されたものはない。
図5.28は、プロトタイプのPIMシミュレーションの例を示している。ここでは、バリカンの場合に、成形のさまざまな段階でフィルフロントが示されている。ツインゲート部品の予想通り、中央にウェルドラインが形成される。これらのシミュレーションを正常に動作させるには、原料の特性を備えたデータベースが必要である。残念ながら、これらのパラメータの多くは概算にすぎません。適切に機能するコンピュータ支援設計は、実際の金型製造の前にさまざまなオプションを探索するための安価な方法である必要がある。最終的には、エキスパートシステムがツール設計プロセス用に設計される。ツールセットが製造された後、それは必ずしも生産の準備ができているとは限りません。製造プロトコルは、通常、座標測定機と試運転を介して、製造された寸法を検証するために存在する。金型がすべての重要な機能に準拠していることを確認するために、プルーフパーツが製造され、注意深くチェックされている。小さなサイズの偏差は、原料の固形物負荷のわずかなシフトによって修正できる。それ以外の場合は、金型を再加工する必要があるため、最初の機械加工後に金型材料がわずかに過剰になる必要がある。ツールは、原料からコンポーネントへの移行を表する。ツールセットは、最終製品に必要な形状を生成するが、その後の焼結収縮に対応するために特大にする必要がある。この章では、ツールに関連するいくつかのルールと機能を整理しました。次の章では、金型を使用して最終部品を形成する成形操作について説明する。
- Chapter One Introduction はじめに P11～24
- Chapter Two Feedstock 成形材料・流動学 P25~54
- Chapter Three Powder 粉末 P55~82
- Chapter Four Binder バインダー P83~98
- Chapter Five Tooling 金型 P99~132
- Chapter Six Molding 成形 P133~174
- Chapter Seven Debinding 脱脂 P175~218
- Chapter Eight Sintering 焼結 P219~264
- Chapter Nine Fina
- Chapter Ten Design Guide 設計の心得 P281~303
- l Processing 最終仕上 P265~280