真空注型：プロセス、設計、およびアプリケーションに関する包括的なガイド

真空注型は、さまざまな業界で高品質のプロトタイプと少量バッチのコンポーネントを製造するために主に使用される、多用途の製造プロセスです。このガイドでは、その基本原理、主要なプロセス、設計上の考慮事項、用途、および他の製造方法との比較について詳しく説明します。

真空注型の紹介

ポリウレタン注型またはウレタン成形としても知られる真空注型は、真空を使用して液体材料をシリコーン型に引き込む製造技術です。このプロセスは、優れた表面仕上げ、細かいディテール、および射出成形部品に非常に近い機械的特性を持つ部品を製造できることで特に評価されています。これは、ラピッドプロトタイピングと量産との間のギャップを埋め、射出成形に関連する高価なツーリングなしで、少量生産のための費用対効果の高いソリューションを提供します。

このプロセスは、従来の方法では困難または高コストになる可能性のある、複雑な形状と複雑なディテールを持つ部品の製造に特に役立ちます。さまざまな色、表面仕上げ、機械的特性など、幅広い材料特性をサポートしています。

真空注型の基本原理と種類

真空注型の中心原理は、負圧（真空）を使用して型キャビティから空気を除去し、液体材料が複雑なディテールを空気を閉じ込めることなく充填できるようにすることです。これにより、マスターパターンの高忠実度再現が保証されます。

媒体と用途に基づいて、真空注型には2つの主要なタイプがあります。

金属真空注型：これは、ガス含有量を最小限に抑え、酸化を防ぐために、真空環境で金属を溶融して注ぐことを含みます。高品質の特殊合金鋼鋳物および容易に酸化するチタン合金鋳物を製造するために不可欠です。一般的な技術には、真空吸引鋳造と真空加圧鋳造があります。

ポリマー/シリコーン型真空注型：これは、プロトタイピングと少量バッチでより一般的です。マスターパターン（多くの場合、3DプリントまたはCNC加工）から作成されたシリコーン型を使用します。次に、液体ポリウレタン（PU）樹脂を真空下で型に注ぎ、部品を複製します。

真空注型プロセス：ステップバイステップの概要

ポリマー真空注型プロセスには、通常、次の主要なステップが含まれます。

• マスターパターンの作成：部品の高精度マスターモデルが作成され、通常はCNC加工または3Dプリンティング（例：SLA、SLS）技術を使用します。このパターンは、最終的な鋳造部品に直接影響するため、完璧な表面品質を持っている必要があります。

• 型作り（シリコーンツーリング）：マスターパターンを鋳造フレームに配置します。液体シリコーンゴムをパターンに注ぎ、硬化させて柔軟な型を形成します。硬化後、シリコーン型を慎重に切り開き、マスターパターンを取り除き、正確な負のキャビティを残します。

• 樹脂の準備と注型：必要な材料特性（例：剛性、柔軟性、透明性、色）に基づいて、2部構成のポリウレタン（PU）樹脂が選択されます。樹脂を混合し、多くの場合脱気して気泡を除去してから、シリコーン型の注ぎ口に注ぎます。

• 真空の適用：型全体を真空チャンバー内に配置します。真空ポンプはチャンバーから空気を除去し、負圧環境を作り出し、樹脂を型の複雑なディテールに引き込み、空気の閉じ込めを防ぎ、完全な充填を保証します。

• 硬化：充填された型をオーブンに移し、熱が樹脂の硬化プロセスを加速し、部品を固めます。

• 脱型と仕上げ：硬化後、シリコーン型を開き、最終部品を取り外します。サポートの除去、サンディング、塗装、またはその他の表面処理などの後処理を適用して、目的の仕上げを達成できます。

真空注型の主な設計上の考慮事項

真空注型用の部品を設計するには、品質と製造可能性を確保するために、いくつかの要因に注意を払う必要があります。

• 勾配角：垂直壁にわずかな勾配角（通常1〜3°）を組み込み、脱型を容易にし、部品またはシリコーン型への損傷を防ぎます。
• アンダーカット：柔軟なシリコーン型は一部のアンダーカットに対応できますが、複雑または深刻なアンダーカットは脱型を複雑にし、型の寿命を短くする可能性があります。慎重な設計または型のセグメンテーションが必要になる場合があります。
• 壁の厚さ：可能な限り均一な壁の厚さを維持して、均一な冷却を促進し、反りやへこみなどの欠陥を防ぎます。厚さの急激な変化は避ける必要があります。
• 部品のサイズと量：真空注型は、一般的に中小サイズの部品に適しています。実用的なサイズ制限は、多くの場合、真空チャンバーの容量と利用可能な機器によって決まります。
• 型の充填と通気：部品の形状を設計し、ゲート（樹脂が入る場所）とベント（空気が逃げる場所）の位置を計画して、すべての型の領域へのスムーズで完全な樹脂の流れを確保します。

真空注型の利点と制限

適切な製造プロセスを選択するには、真空注型の長所と短所を理解することが不可欠です。

利点：

• 高品質とディテール：優れた表面仕上げ、細かいディテール、および優れた機械的特性を備えた部品を製造し、最終的な製造材料を密接に模倣します。
• 少量生産の費用対効果：射出成形で使用される金属型の高コストなしで、少量バッチ（通常1型あたり15〜25個）に最適です。
• 材料の多様性：さまざまなポリウレタン樹脂が利用可能で、さまざまなプラスチック（ABS、PP、PC）、ゴム、またはPMMAのような透明な材料の特性をシミュレートします。
• ラピッドプロトタイピング：射出成形などの従来の製造方法と比較してターンアラウンドが速く、迅速な設計反復と検証が可能です。

制限：

• 限られた型の寿命：シリコーン型は使用とともに劣化し、通常、交換が必要になる前に約15〜25個の高品質の部品を生成するため、非常に大量の生産には適していません。
• 材料の制限：PU樹脂は用途が広いですが、その耐熱性と耐薬品性は、射出成形で使用されるエンジニアリンググレードの熱可塑性プラスチックと必ずしも一致するとは限りません。
• サイズの制約：部品のサイズは、真空チャンバーの寸法と利用可能な機器の容量によって制限されます。
• 初期リードタイム：マスターパターンとシリコーン型の作成には、注型を開始する前に初期時間が必要です。

業界全体の真空注型の用途

真空注型は、その汎用性と機能的で美的に優れた部品を製造する能力により、さまざまな分野で広く採用されています。

製品設計とプロトタイピング：高価な製造ツーリングに着手する前に、設計検証、ユーザーテスト、および市場検証のための機能プロトタイプを作成するために広く使用されています。

自動車産業：インテリアトリム、ハウジング、および機能部品のテスト、コンセプトモデル、および少量バッチ生産用の耐久性のある軽量コンポーネントを製造します。

航空宇宙部門：最終製品と同様の材料特性を持つ高精度部品を製造し、テストおよびカスタム少量用途に使用します。

医療機器：プロトタイピング、テスト、およびデバイスハウジングや外科用ガイドなど、限定された小規模生産用の生体適合性および滅菌可能なコンポーネントを作成します。

家電製品と商品：エレクトロニクス、家電製品、その他の消費者製品のコンセプトモデルと最終用途部品を、高い美的要件で製造するのに最適です。

真空注型の将来のトレンドとイノベーション

真空注型の状況は、いくつかの新たなトレンドとともに進化し続けています。

高度な材料：より高い熱変形温度、改善されたUV安定性、より優れた生体適合性、および難燃性などの特殊な特性など、強化された特性を備えた新しいPU樹脂の継続的な開発。

自動化とプロセス制御：樹脂混合、注ぎ、脱型のための自動化システムの統合の増加により、効率、一貫性が向上し、人件費が削減されます。

持続可能性：リサイクル可能またはバイオベースの樹脂や、型の寿命を延ばしたりシリコーンをリサイクルしたりするための戦略など、より環境に優しい材料とプロセスの使用に重点が置かれています。

ハイブリッド製造：複雑なマスターパターンを作成したり、3Dプリントされたコンポーネントを直接キャストに挿入して機能を追加したりするために、真空注型と3Dプリンティングなどの他のテクノロジーを組み合わせます。