マイクロ成形は、単に小さくした射出成形ではありません。特定の部品サイズを下回ると、いくつかのことがスケールしなくなり、異なる振る舞いを始めます。従来の成形用に設定された装置は、オペレーターのスキルに関係なく、不良品を生成します。
変化は明確な閾値ではなく徐々に起こりますが、1グラムをはるかに下回る重さの部品、または数十ミクロンの特徴を持つ部品は、間違いなくマイクロ成形の領域にあります。医療機器部品、電子コネクタ、光学部品、マイクロ流体デバイスが一般的な用途です。
このガイドでは、実際に何が変化し、設計にとって何を意味し、サプライヤーに何を尋ねるべきかについて説明します。
なぜ小さな部品には異なる装置が必要なのか
ショットサイズと機械サイジング
従来の成形機はショット容量を中心にサイズ設定されています。小さな部品に大きな機械を使用すると、材料が意図したよりもはるかに長くバレル内に留まり、多くのエンジニアリングポリマーでは熱分解を引き起こします。
滞留時間が実質的な問題です。100グラムのショット用にサイズ設定された機械で0.05グラムの部品を実行すると、同じ材料がバレルを繰り返し通過します。熱に敏感なポリマーは劣化し、その劣化は常に部品に見られるわけではありませんが、特性に現れます。
マイクロ成形機は、これらの体積でショットサイズを正確に制御し、滞留時間を制限するために、従来の往復スクリューとは異なる計量配置を備えた、はるかに小さい射出ユニットを使用します。
射出制御分解能
グラムの断片を正確に射出するには、従来の機械にはない分解能が必要です。大きな部品では無視できる小さな変動でも、マイクロショットの大部分を占めます。
マイクロ成形装置は、これらの制御のために、より細かい位置と圧力分解能を備えて構築されています。
ランナーから部品への比率
マイクロ部品では、ランナーが部品自体よりもかなり重いことがよくあります。時には何倍も重いこともあります。
これには2つの結果があります。材料の無駄は部品の重量と比較して大きくなり、材料の熱履歴は部品よりもランナーによって支配されます。マイクロ成形金型は、これを管理するために、ミニチュアホットランナーまたは慎重に設計されたマイクロランナーシステムを頻繁に使用します。
金型の違い
金型の公差はより厳しくなります。部品の特徴が100ミクロンで、数パーセント以内で保持する必要がある場合、金型はその一部の分数で作られる必要があります。これにより、金型は精密機械加工、ワイヤーEDM、場合によってはマイクロEDMの領域に入ります。
ベントが重要になります。キャビティが満たされるときに空気が逃げる必要がありますが、従来サイズのベントはマイクロ部品ではフラッシュします。数ミクロンのベント深さが一般的であり、精密機械加工と注意深いメンテナンスが必要ですが、簡単に詰まります。
突き出しが難しくなります。非常に小さな部品の突き出しピンは、特徴と同程度の大きさになる可能性があり、部品は押すには繊細すぎる場合があります。空気、ストリッパー配置、または慎重なゲート設計を含む代替の突き出し戦略が必要になります。
取り扱いと梱包。個別に拾うには小さすぎる部品は自動取り扱いが必要であり、梱包は損失と損傷を防ぐ必要があります。これは些細なことのように聞こえますが、そうではありません。金型からパッケージに確実に移送できない部品は、大量生産できません。
公差
マイクロ成形部品は厳密な絶対公差を保持できますが、公差と部品サイズの間の関係は直感が示唆するものとは異なる振る舞いをします。
達成可能な公差は、部品サイズに比例して縮小しません。大きな部品でルーチンである公差が、絶対値が金型精度の限界、収縮予測可能性、および測定能力の限界に近づくため、小さな部品では非常に要求が厳しくなります。
3つの要因が限界を設定します：
金型精度。キャビティは、機械加工プロセスで許容されるよりも正確に作ることができません。
収縮予測可能性。ポリマーは冷却時に収縮しますが、収縮は金型設計で補正されますが、その変動は完全に均一ではありません。小さな部品では、小さな絶対収縮変動が公差帯のより大きな部分を占めます。
測定。これは多くのバイヤーを驚かせる点につながります。
検査は別の問題です
マイクロ部品の測定には異なる方法が必要です。接触測定は部品を変形させる可能性があります。標準的な座標測定機は必要な分解能を欠いている可能性があり、そのプローブは特徴よりも大きい場合があります。
光学およびビジョン測定システム、および場合によっては内部特徴のコンピューター断層撮影スキャンが一般的なルートです。
これは商業的に2つの理由で重要です。第一に、厳密なマイクロ公差を主張するサプライヤーは、それらをどのように測定するかを示す能力が必要です。このスケールでは、「CMMがあります」では不十分です。第二に、測定の不確実性は公差帯の一部を消費します。公差が10ミクロンで、測定システムに意味のある不確実性がある場合、その帯域の10ミクロン未満が実際にプロセスで利用可能です。
使用されている装置、その分解能、および測定の不確実性がどのように考慮されているかを具体的に尋ねてください。
材料
ほとんどのエンジニアリング熱可塑性プラスチックはマイクロ成形できますが、材料選択は従来のスケールよりも制約されます。
フィラーサイズが重要です。従来の部品用にサイズ設定されたガラス繊維は、マイクロ部品の特徴の長さに匹敵する可能性があり、充填の問題や一貫性のない特性を引き起こします。未充填グレードまたは微細フィラーのグレードが一般的に好まれます。
流動特性がより重要です。非常に小さなゲートを通して非常に小さなキャビティを充填するには、良好な流れが必要です。従来の部品を適切に充填できる高粘度グレードは、マイクロキャビティを充填できない場合があります。
熱安定性がより重要です。滞留時間とランナーから部品への比率のため、熱に敏感な材料は、従来のスケールよりも部品重量あたりの熱暴露が多くなります。
一般的なマイクロ成形材料PEEK、LCP、POM、PC、PP、ナイロングレード、およびさまざまな医療グレードポリマーが含まれます。特定のグレードが必要な場合は、材料サプライヤーと成形業者の両方にマイクロ成形適合性を確認してください。
設計上の考慮事項
多くの従来の設計規則は依然として適用され、一部はより厳密に適用されます。
均一な壁厚依然として重要であり、それを違反した場合の結果は同じです：差次的収縮、反り、およびシンク。
抜き勾配依然として必要です。非常に小さな部品は突き出し損傷の影響を受けやすいため、十分な抜き勾配はより重要であり、少なくありません。
ゲート位置より制約されます。ゲートは部品に対して大きいため、その位置と残渣は詳細ではなく、重要な設計上の考慮事項です。
コーナーの半径充填を助け、応力を軽減します。マイクロスケールでは、鋭いコーナーは金型に正確に機械加工するのが難しいです。
アスペクト比注意が必要です。非常に深く、非常に薄い特徴は、充填と突き出しが難しく、それらを形成する金型鋼は壊れやすいです。
公差は機能が必要な場合にのみ指定する必要があります。どのスケールでも同様ですが、コストペナルティはここではより急峻です。
ボリュームとコスト
マイクロ成形金型は、必要な精度が高く、機械加工がより要求されるため、同等のキャビティ数の従来の金型よりも高価です。
それに対して、小さな部品はすぐに冷却するため、サイクル時間は通常短く、多キャビティ金型が一般的です。金型が存在すれば、大量生産時の単価は非常に低くなる可能性があります。
これは、従来の成形よりも高い損益分岐点ボリュームを意味します。マイクロ成形は、探索的な少量作業よりも、確立された大量プログラムに適しています。検証数量の場合、機械加工または3Dプリント部品、または少量のプロトタイプ金型が、生産金型にコミットする前に通常は賢明なルートです。
用途
医療機器カテーテル部品、薬物送達部品、手術器具部品、診断用消耗品など、最大の応用分野です。クリーンルーム成形と完全なトレーサビリティが一般的な要件です。
エレクトロニクスとコネクタ特定の電気的および熱的特性を持つ材料で、小さな精密部品が必要であり、多くの場合、その流れと温度特性のためにLCPが使用されます。
光学金型とプロセス制御を強く押し付ける表面品質と寸法精度が必要です。
マイクロ流体一貫した断面を持つ非常に細かいチャネルジオメトリが必要であり、厳密な公差と困難な充填を組み合わせています。
マイクロ成形サプライヤーに尋ねること
- どのような機械を使用していますか、ショットサイズ範囲はどのくらいですか？
- 熱に敏感な材料の滞留時間をどのように管理していますか？
- 私のサイズのフィーチャーに対してどのような公差を保持できますか、そしてそれは何に基づいていますか？
- どのような検査装置を使用していますか、その分解能はどのくらいですか？
- 公差帯内で測定の不確実性をどのように考慮していますか？
- 成形後の部品はどのように取り扱われ、梱包されますか？
- 私の材料と用途に関するあなたの経験は何ですか？
測定に関する質問は最も有用なフィルターです。このスケールでの計測について慎重に考えたサプライヤーは、マイクロ成形を理解しているサプライヤーです。従来の検査装置で回答するサプライヤーは、小さな部品に従来の成形方法を適用している可能性が高く、これはこの記事が説明する中心的な問題です。
現実的な評価を得る
マイクロ成形の実現可能性は、特定のジオメトリ、材料、公差の組み合わせに依存し、一般的な記事では部品が実行可能かどうかを伝えることはできません。挑戦的に見えるデザインの中にはルーチンなものもあり、シンプルに見えるデザインの中にはそうでないものもあります。
Elite Mold Techは、従来の射出成形、金型、精密機械加工を単一の施設で実行すると同時に、マイクロ成形を実行しています。公差と意図した材料を含む部品ファイルを送信すると、価格だけでなく、金型アプローチ、達成可能な公差、および検査方法をカバーする実現可能性評価が得られます。
よくある質問
Q: 射出成形部品はどれくらい小さくできますか？
A: 数グラムの断片の重さの非常に小さな部品がルーチンで製造されており、特徴はミクロン単位で測定されます。実用的な限界は、ジオメトリ、材料の流れ特性、および達成可能な金型精度に依存します。
Q: なぜマイクロ部品には特殊な機械が必要なのですか？
A: 従来の機械は小さなショットを正確に計量できず、材料が大きすぎるバレルに長時間留まり熱分解します。マイクロ成形機は、より細かい制御と短い滞留時間を備えた小さな射出ユニットを使用します。
Q: マイクロ成形はどのような公差を保持できますか？
A: 厳密な絶対公差は達成可能ですが、部品サイズに比例して縮小しません。金型精度、収縮変動、測定能力がすべて実用的な限界を設定し、部品ごとに評価する必要があります。
Q: ガラス充填材料はマイクロ成形できますか？
A: 注意が必要です。従来の部品用にサイズ設定された繊維は、マイクロ特徴の長さに匹敵する可能性があり、充填の問題や一貫性のない特性を引き起こします。未充填グレードまたは微細フィラーが一般的に好まれます。
Q: マイクロ成形部品はどのように検査されますか？
A: 通常、接触測定は部品を変形させる可能性があり、標準プローブは特徴サイズを超える可能性があるため、光学またはビジョンシステム、および場合によっては内部特徴のCTスキャンが使用されます。