プラスチックオーバーモールド成形プロセスの完全ガイド

プラスチックのオーバーモールドは、部品の仕上げを向上させるため、射出成形業界で広く利用されています。これにより、メーカーは製品の安全性、快適性、および機能性を確保することができます。例えば、調理器具や手持ち工具は、握りやすさを高めるように設計されています。 エンジニアは、工具の使用中に滑りを防ぐため、ハンドルに特定の模様を施すためにプラスチックのオーバーモールドを適用します。オーバーモールドは、インサート成形と同様に、いずれも射出成形プロセスを用いる点で似ています。 しかし、従来のインサート成形は金属表面の周囲にプラスチックやゴムを取り付けることが多いのに対し、特注・非標準製造におけるオーバーモールドは、より広範なカテゴリーに属します。これには、2色射出成形やピック・アンド・プレース法など、あらかじめ成形された硬質プラスチック基板の上に柔軟な素材を取り付ける手法の両方が含まれます。.

オーバーモールドは、単に製品の外観を変えることができるという理由だけで、表面仕上げ工程だと考える人もいます。しかし、その見方は正確ではありません。 オーバーモールドは、実際には多材料射出成形プロセスです。オーバーモールド層は確かに密閉性や外観上の利点をもたらしますが、それは部品の成形における中核となる工程であり、本体がすでに製造された後に施される「あれば望ましい」仕上げ工程ではありません。.

このガイドでは、オーバーモールド成形プロセスについて解説し、その工程を順を追って説明します。.

オーバーモールドはどれほど重要なのか？

オーバーモールドでは、基材を二次材料で部分的に被覆または包み込むように成形します。オーバーモールドに使用される基材は、ほとんどの場合、ゴムまたは熱可塑性プラスチックであり、これにより単一の統合された製品が生まれます。製造業界では、オーバーモールドの用途は多岐にわたります。.

人間工学と美学

多くのカスタムプラスチック製品は、構造的強度を確保するために、ナイロン、ABS、PCなどの硬質エンジニアリング熱可塑性樹脂を用いて製造されています。しかし、こうした硬い表面は、長時間使用するとユーザーに不快感を与えたり、グリップ力が不足したりする原因となります。 オーバーモールド加工により、これらの製品にエラストマー層を追加することで、使用中にユーザーの手に加わる圧力を均等に分散させることができます。オーバーモールド加工では、デバイスハンドルに溝を設けることで、手から滑り落ちるのを防ぎます。これは、作業場で使用されるハンマーにとって、非常に重要な安全上の配慮となります。.

電動工具の操作においては、プラスチックのオーバーモールドが衝撃や振動を緩和し、人間工学的な安全性を高めるのに役立ちます。オーバーモールドに使用される素材の一部、例えば軟質エラストマーなどは、操作中に発生する振動を吸収します。 硬質プラスチックと比較して、特殊なエラストマー製のオーバーモールドは、高周波振動を20～30%低減することができ、この著しい減衰効果は、産業現場における作業者の手腕振動症候群（HAVS）のリスクを最小限に抑える上で極めて重要です。 ^[1].

オーバーモールドの役割は、安全性の確保にとどまらず、成形品に美観をもたらすことにも及びます。この工程では、金型に異なる色の層を施すことが可能です。これらの色の層は、その後、完成品に転写されます。 例えば、寸法が同じペンチでも、異なる色で提供することが可能です。こうした色の違いは、製造されたプラスチック成形製品のマーケティング戦略を決定づける要素となります。.

防水・シーリング用途

オーバーモールド加工により、電子部品、スイッチ、筐体インターフェース、およびコネクタの周囲を水密にシールすることができます。 このプロセスにより、エラストマーが基材に恒久的に接合され、あらゆる複雑な形状にぴったりとフィットする連続したバリアが形成されます。この連続したシール構造という利点により、追加の組み立て作業を必要とする従来のガスケットやOリングが抱える課題が解決されます。オーバーモールディングは、特に雨、湿気、洗浄用化学薬品にさらされる製品において、製品の信頼性を高めます。 受託製造業者として、First Moldはオーバーモールドを、耐水・防塵に関する厳格なIEC 60529規格に準拠した、より高い保護等級（IP）（IP67やIP68など）を達成するための信頼性の高い手段として活用しており、過酷な環境下でも長期的な信頼性を確保しています。 ^[2].

 以下の表は、シーリング上の課題を解決するためのオーバーモールドの主な用途をまとめたものです：

人件費

射出成形を専門とするエンジニアリング企業の多くは、インダストリー4.0の原則に沿うための戦略として、製造プロセスの最適化を図っています。この目標を達成するための戦略の一つが、従来の製造・組立工程をオーバーモールドに置き換えることです。多くの部品や機能を単一の成形部品に統合することで、手作業を大幅に削減できます。 その結果、メーカーは生産の一貫性と高い総合設備効率（OEE）を実現できる。.

オーバーモールドは、組立などの従来の方法に比べて金型コストが比較的高いものの、運用コストは比較的低くなります。例えば、電動工具の製造を例に挙げましょう。従来の製造方法では、単純な電動工具を製造するためにも一連の製造工程が必要ですが、オーバーモールドを用いることで、その工程を簡略化することができます。.

従来のコードレスドリルの組み立てでは、別途射出成形されたハウジング、別体のゴム製グリップ、接着剤の塗布、手作業による位置合わせ、硬化時間、そして検査が必要となります。これらの工程はすべて、より多くの時間と人件費を要します。.

オーバーモールド加工により、これらの工程を合理化し、必要な作業員数を削減し、生産サイクルを短縮し、仕掛品の在庫を削減し、寸法の一貫性を向上させました。.

オーバーモールドの製造工程とはどのようなものですか？

オーバーモールドは、設計から成形品の取り出しまで、複数の工程からなるプロセスです。.

1. デザイン

オーバーモールドの設計段階は、最終製品の機能性、外観、製造上の要件を決定づけるため、極めて重要です。通常、この段階で重要な決定が行われ、へこみ、反り、層間剥離などの潜在的な欠陥を排除します。 設計室では、モールドフロー解析、CAD、CAEなどのさまざまなソフトウェアを活用し、プロセスパラメータを最適化し、最終製品の特性を予測しています。設計プロセスでは、材料の適合性、接着メカニズム、肉厚、ゲート位置、抜き勾配、収縮率など、多岐にわたる要素が検討されます。.

材料の適合性

基材と接合するための適切なオーバーモールド材料の選定は、設計上極めて重要な要素です。オーバーモールド材料は、化学的接着、機械的係合、分子拡散、表面エネルギーの引力など、さまざまな方法で基材と接合することができます。 材料間の相性が良好であれば、より強固な結合が得られ、剥離を防ぎ、オーバーモールドが基材から分離するのを確実に防ぐことができます。以下の表は、基材と相性の良いさまざまなオーバーモールド材料をまとめたものです。.

壁厚

オーバーモールド成形プロセスでは、均一な肉厚が設計されており、これにより安定した材料の流れ、寸法安定性、および均一な冷却が保証されます。これにより、欠陥を最小限に抑えることができます。  さらに、壁厚を均一にすることで、空洞の発生を防ぎ、サイクルタイムを短縮し、反りを最小限に抑えることができます。冷却が遅くなるのを避けるため、壁厚は過度に厚くしてはいけません。一方、壁厚が薄すぎると、充填不良やショートショットの原因となる可能性があります。以下の表は、各種材料ごとに推奨される壁厚をまとめたものです。.

ゲートの位置

均一な充填と効果的な欠陥防止のためには、ゲートを適切に配置する必要があります。ゲートを適切に配置することで、ウェルドラインを最小限に抑え、残留応力を低減し、必要な射出圧力を下げることができます。一般的なゲートの配置位置には、下図に示すように、エッジゲート、ファンゲート、サブマリンゲートなどがあります。.

収縮

すべての熱可塑性樹脂は、冷却中に収縮します。設計の際、エンジニアは、必要とされる、あるいは予想される収縮量に基づいて金型のキャビティを大きめに設計することで、この収縮を補います。この推定は、以下の式に基づいて行われます。

S = (L_m – L_p) * 100%/L_m

どこ

S= 収縮（%）

Lm＝金型キャビティの寸法

Lp＝最終部寸法

しかし、オーバーモールドでは、剛性のある基材が二次材料の自然な収縮を物理的に制限するため、収縮が抑制されます。そのため、エンジニアはキャビティの寸法を正確に決定し、反りを防ぐために、この計算式に加え、金型流動解析を併用しなければならない場合が多くあります。.

2. 基板の製造

設計検討を経て、チームは、二次材料をオーバーモールドする基材の製造に着手します。この基材は、最終製品の構造的、寸法的、機能的な特徴を備えた製品の骨格となります。基材の製造に使用する材料は、用途に応じて選定されます。 つまり、基材は熱可塑性樹脂、金属、または複合材料から製造される可能性があります。基材の製造には、CNC加工、射出成形、積層造形、ダイカスト、プレス加工など、さまざまな製造方法が採用されます。選定された製造方法は、十分な機械的強度、正確な寸法、および良好な接着面を備えた基材を確実に生み出さなければなりません。.

プラスチック基板は通常、以下の工程を経て射出成形によって製造されます。

1. プラスチックペレット
2. 材料の乾燥
3. 樽の中で溶ける
4. 金型への射出
5. 梱包と保管
6. 冷却
7. 排出
8. 仕上げ済み基板

高い熱伝導率、機械的強度、および耐摩耗性が求められる場合、金属基板が選ばれます。これらの基板は、一般的にCNC加工、鍛造、ダイカスト、金属プレス加工、または金属射出成形によって製造されます。 しかし、製造後、エンジニアはこれらの基材に対して、表面仕上げ、バリ取り、化学洗浄、サンドブラストなどの二次加工を施します。.

3. 表面の下地処理

基材とオーバーモールド材料との接着性は、基材の状態に左右されます。したがって、オーバーモールド工程を効果的に行うためには、2つの材料の表面を適切に前処理する必要があります。 適切に処理されていない表面には、汚染物質が付着していたり、酸化が生じていたり、表面エネルギーが低かったり、あるいは滑らかすぎて接着性が低下していたりする可能性があります。その結果、部品の剥離、層間剥離、および部品の早期故障につながります。.

オーバーモールドを行う前に表面処理を行う理由はいくつかあります。第一に、ほこり、油分、酸化物、離型剤などの汚染物質を除去するためです。これらの汚染物質は、基材とオーバーモールド材料の接着に影響を与える可能性があります。第二に、表面処理を行うことで、材料の表面エネルギーが高まります。この表面エネルギーを「表面濡れ性」と呼びます。 第三に、表面処理を行うことで、基材とオーバーモールド材料間の機械的結合が向上します。.

表面処理は、長期的な接着強度が極めて重要な用途において必須の要件です。このような用途には、航空宇宙部品、自動車用センサー、防水電子機器、電気コネクタなどが含まれます。 表面処理にはさまざまな方法がありますが、広く用いられているのがプラズマ処理です。この方法では、プラズマ放電によって高エネルギーのイオンや電子を発生させることで、表面を洗浄し、表面エネルギーを高めます。.

その他の方法としては、コロナ処理、火炎処理、化学エッチング、レーザーテクスチャリングなどがある。.

4. インサートの装填

この段階で製造された基板またはインサートは、オーバーモールド材料を射出する前に、セカンドショット金型内に正確に位置決めされます。最終製品の品質を最高のものにするためには、基板を極めて高い精度で挿入する必要があります。 インサートのセット位置が不正確だと、オーバーモールド材料の位置ずれを引き起こし、バリの発生や接着不良につながる可能性があります。オーバーモールド工程における不良品のほとんどは、インサートの位置決め不良に起因しています。こうしたミスを防ぐため、多くのメーカーでは自動ハンドリングシステムの導入を好んでいます。. 

5. 2回目の注入

この段階では、オーバーモールド工程が定義されます。TPE、TPU、その他のエンジニアリング熱可塑性樹脂などの溶融ポリマーが金型キャビティに射出され、所定の位置に配置された基材の周囲に流れ込むようにします。材料が基材と接触すると、化学的または機械的に結合します。 この段階では、最終製品の全体的な品質を決定づけるため、加工パラメータを精密に制御する必要があります。.

この工程は、加熱されたバレルにポリマーペレットを投入することから始まります。バレル内には、ペレットを前方へ搬送する回転スクリューが備わっています。 ペレットが前方へ押し出されるにつれて、ヒーターバンドによってその溶融温度が上昇し、スクリューとポリマー間の摩擦もポリマーの溶融を促進します。これにより、均一な溶融ポリマーが得られます。溶融ポリマーは、射出に必要な量が蓄積されるまで、スクリューの前端に蓄積し続けます。.

往復運動するスクリューが前進し続けるにつれて、蓄積された溶融ポリマーがノズル、スプルー、ランナーシステム、ゲートを経て金型キャビティ内に押し出されます。キャビティ内では、溶融材料が基材の周囲に流れ込み、結合と固化が進みます。溶融材料が基材の周囲で固化すると、冷却が行われます。 その後、エジェクタピンによって完成品が取り出されます。以下の表に、加工パラメータをまとめました。.

注：正確な溶融温度は、接合するポリマーのグレードによって異なります。下地の特注基材を溶融させたり劣化させたりすることなく、強固な化学結合を実現するためには、セカンドショットの溶融温度を、材料の熱処理範囲内に厳密に維持することが極めて重要です。 ^[3].

結論

オーバーモールドは、異なる素材を組み合わせることで製品の機能性、耐久性、人間工学、そして美観を向上させ、製造上の課題に対して多用途な解決策を提供します。製品のグリップ感や「手触り」を向上させ、消費者にアピールするスタイリッシュな外観を実現するために、ソフトタッチの外観を製品に加えることを希望するメーカーは、オーバーモールドの最適な導入対象となります。 複数の層の素材や色を一体化させた、単一の堅牢な部品が必要な場合、オーバーモールドは理想的なソリューションとなります。.

参考

[1] Bernard, B. P., Nelson, N., Estill, C. F., & Fine, L. (1998). 「NIOSHによる手腕振動症候群のレビュー：警戒が不可欠である」。. 『職業・環境医学雑誌』、40(9), 780-785. 米国疾病予防管理センター（CDC）スタックス。出典： https://stacks.cdc.gov/view/cdc/196388

[2] 国際電気技術委員会（IEC）。（2013年）。. IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV 統合版：筐体による保護等級（IPコード）. 出典： https://webstore.iec.ch/publication/2452

[3] Awaja, F., Gilbert, M., Kelly, G., Fox, B., & Pigram, P. J. (2009). ポリマーの接着。. 『Progress in Polymer Science』第34巻(9), 948-968. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007