金型の基礎知識｜種類・構造・選ぶときのポイント

金型が製品の形を作る仕組み

金型は、作りたい製品の形に合わせて製作し、材料に形を与えるために使います。

たとえば、プレス金型は金属板を挟んで切断したり、力を加えて曲げたりします。一方、熱可塑性樹脂の射出成形金型では、溶かした樹脂を型の空間に入れ、冷やして固めます。

このように、金型の働きは加工方法によって変わります。金型そのものは金属製でも、加工する製品の材料は金属、樹脂、ゴムなどさまざまです。

加工方法による金型の種類

金型には、加工する材料と方法に応じた種類があります。代表例として、プレス用、射出成形用、ダイカスト用の違いを示します。

ダイカストは鋳造の一種です。このほかにも、金属に力を加えて成形する鍛造用や、ゴム用、ガラス用などの金型があります。

金型の種類を選ぶときは、製品の材料と作りたい形状に対応する加工方法を考えます。同じ名称の金型でも、製品の大きさや形、必要な精度によって具体的な構造は変わります。

射出成形金型を例に見る基本構造

ここでは、熱可塑性樹脂の射出成形金型を例に、樹脂が入り、固まり、取り出されるまでを説明します。

金型を閉じたときにできる製品形状の空間を、キャビティと呼びます。また、金型部品を指す場合には、凹側をキャビティ、凸側をコアと呼び、組み合わせて製品の外側や内側の形を作ります。

樹脂が流れる通路には、成形機から樹脂が入るスプルー、樹脂を導くランナー、製品形状の空間への入口となるゲートがあります。実際の流路の構成は、金型の方式や一度に作る製品の数によって異なります。

型内の樹脂が冷えて固まったら金型を開き、エジェクタピンなどで成形品を押し出して取り出します。形を作る部分に加えて、樹脂を流し、冷やし、製品を取り出すための仕組みが必要です。

金型の分割面とアンダーカット

射出成形金型を設計するときは、製品形状を作れることと、固まった製品を取り出せることを合わせて考えます。

金型を分割する面の位置は、製品表面に現れるパーティングラインの位置に関わります。合わせ部には線やバリが現れることがあるため、外観が重要な面にどのような跡が残るかを検討します。

アンダーカットとは、型を開く方向に引っ掛かり、そのままでは製品を取り出せない形状です。たとえば、型の開く方向と直角に設けた横穴を一体の金型で作ると、穴を作る部分が取出しを妨げます。

このような場合は、横へ動くスライドで穴を作る部分を逃がす方法や、製品形状・金型の分割位置を変える方法を検討します。スライドなどの機構が増えると、部品の製作や組立にも作業が増えるため、必要な形状と金型の製作費を合わせて考えます。

金型を選ぶときの品質・数量・費用

金型の仕様は、製品の材料、形状、寸法精度、外観の要求に合わせて検討します。使用する設備に取り付けられる大きさか、必要な加工ができるかも確認します。

金型を使うには、設計・製作の初期費用と準備期間が必要です。金型費が一定なら、生産する良品の総数が増えるほど、製品1個当たりに配分する金型費は小さくなります。

費用を比較するときは、金型費に、材料費や成形・加工にかかる費用を加え、同じ良品数量を作るための総額で比べます。表面を細かく仕上げる作業や複雑な機構が必要な金型では、その製作作業も費用に反映されます。

数量による費用の違いを、仮定の数字で比較してみます。同じ材料と品質の製品を作れる候補A・Bについて、Aの初期費用を60万円、良品1個当たりの材料・加工費を100円、Bの初期費用を6万円、良品1個当たりの材料・加工費を400円と仮定します。

良品1,800個では、Aは60万円＋100円×1,800個、Bは6万円＋400円×1,800個となり、どちらも78万円です。良品2,000個では、Aは80万円、Bは86万円となります。

これは相場や実績を示す数字ではなく、比較する費用を初期費用と良品1個当たりの材料・加工費に限った計算例です。実際の比較では、保全や形状変更などにかかる費用も、候補ごとに同じ範囲で加えます。

少量の試作や形状変更を繰り返す段階では、切削加工や3Dプリントも比較対象になります。その場合は、試作で確かめたい寸法、外観、強度などに加えて、使用できる材料が目的に合うかを確認します。

金型を作った後の形状変更には、型の改造や作り直しが必要になる場合があります。製品の形状が固まる時期と、金型製作・試し加工・製品評価に必要な期間を考慮して進めます。