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A シリコーン 射出成形機 液体シリコーンゴム (LSR) または高粘稠度ゴム (HCR) を、制御された圧力下で加熱された閉じた金型に正確に射出することで機能し、数秒から数分以内に加硫して最終部品になります。熱可塑性プラスチック射出成形とは異なり、シリコーン加工では温度ロジックが逆転します。つまり、材料は射出中に冷たく保たれ、金型内の熱によって硬化されます。この機械がどのように機能するかを理解し、適切な機械を選択する方法を理解することは、医療、自動車、消費者、エレクトロニクス業界のメーカーにとって重要です。
1. シリコーン射出成形機とは
シリコーン射出成形機は、射出と硬化のサイクルを通じて液体または固体のシリコーンゴムを精密な形状の部品に加工するように設計された特殊な工業用プレスです。 この製品は、温度管理、材料供給システム、およびクランプ要件の点で、標準的な熱可塑性プラスチック射出成形装置とは根本的に異なります。
世界のシリコーンゴム市場は、2024 年に約 192 億米ドルと評価され、2030 年まで年平均成長率 (CAGR) 6.1% で成長すると予測されています。この成長は、医療グレードのコンポーネント、電気自動車のシール、幼児ケア製品、ウェアラブルエレクトロニクスに対する需要の急増によって促進されており、これらすべては、次のようなものに大きく依存しています。 シリコーン injection molding machines 大量の精密製造に。
2 つの主要なシリコーン材料が次の機械で処理されます。
- 液状シリコーンゴム (LSR): 2 部構成のプラチナ触媒システムはドラムで供給され、室温で加熱された金型に射出されて処理されます。複雑、高精度、大量の部品に最適です。
- 高粘度ゴム (HCR): 従来のゴムと同様に加工された固体のガム状のシリコーン化合物で、多くの場合トランスファー成形または圧縮成形が使用されますが、射出装置にも適用できます。
2. シリコーン射出成形プロセスの仕組み
シリコーン射出成形プロセスは、材料の計量から始まり部品の取り出しで終わる正確な 6 段階のサイクルに従います。 — 部品の形状と壁の厚さに応じて、通常は 15 ～ 120 秒で完了します。
ステージ 1: 材料の計量と混合
LSR 処理の場合、機械は精密計量ポンプを使用して、等量の成分 A (ベースポリマー) と成分 B (架橋剤および触媒) を別々のドラムから抜き取ります。通常、この比率は体積比で 1:1 です。静的または動的ミキサーは、射出バレルに入る前に 2 つの成分を均一に混合します。顔料または添加剤は、この段階で第 3 の計量流れを介して導入できます。混合の一貫性は硬化の均一性に直接影響します。A:B 比の偏差が 2% を超えると、不完全な加硫や部品の不良が発生する可能性があります。
ステージ 2: コールド ランナー注入
混合された LSR は、コールド ランナー システムを通って金型に向かって移動する間、制御された低温 (通常は摂氏 5 ～ 15 度) に保たれます。これにより、材料が金型キャビティに到達する前の早期加硫（スコーチとも呼ばれる）が防止されます。射出ユニットは、部品の複雑さと粘度に応じて、5 ～ 30 MPa の範囲の圧力でシリコーンを金型に押し込みます。
ステージ 3: 金型充填
シリコーンが加熱された金型キャビティ (通常、摂氏 160 ～ 220 度に保たれている) に入ると、流動し始め、形状を満たします。この金型は、空気を逃がしてショート ショットを防止するために、正確に通気できるように設計されています。ゲート設計は、ピン ゲート、トンネル ゲート、エッジ ゲートのいずれであっても、材料の流れと完成品の表面仕上げに影響を与えます。
ステージ 4: 加硫 (硬化)
加硫とは、液体シリコーンを弾性のある固体に変える化学架橋反応です。反応速度は温度に依存します。摂氏 180 度では、2 mm の壁部分は通常 15 ～ 25 秒で硬化します。セクションが厚いと、それに比例してより長い硬化時間が必要になります。バリを防止し、寸法精度を維持するために、この段階を通して金型は全圧力下でクランプされたままになります。
ステージ 5: 型開きと部品の取り出し
硬化後、金型が開き、通常はエジェクター ピン、真空吸引、またはその両方の組み合わせを使用して、部品が取り出されます。シリコーンは本質的に柔軟性があるため、硬い熱可塑性部品を捕らえてしまうアンダーカットから型から取り出すことができます。多くの高度な機械では、部品の自動取り外しにロボット アームが使用されており、1 ショットあたりのサイクル タイムが 3 ～ 8 秒短縮されます。
ステージ 6: ポストキュア (オプション)
医療グレードのシリコーン部品や食品に接触するシリコーン部品は、多くの場合、200 ℃の二次オーブンで 2 ～ 4 時間後硬化する必要があります。これにより、残留揮発性化合物（微量の白金触媒副生成物を含む）が除去され、物理的特性が安定します。後硬化はすべての用途に必要なわけではありませんが、規制された業界では標準的な方法です。
3. シリコーン射出成形機の種類
シリコーン射出成形機は、主にクランプ機構と加工するシリコーン材料の種類によって分類されます。 材料や部品の形状に合わせて間違ったマシン タイプを選択すると、品質が低下し、工具への投資が無駄になります。
横型クランプ機
最も一般的な構成。金型は水平に開き、射出ユニットは同軸に沿って配置されます。横型機械は、複数キャビティツール、自動部品取り外し、コンベヤシステムとの統合に適しています。クランプ力はモデルに応じて 50 ～ 1,000 トンの範囲です。これらの機械は、自動車用シール、消費者製品コンポーネント、医療用使い捨て製品の大量生産を支配しています。
立型型締機
縦型機械は垂直軸に沿って金型を開きます。これらは、装填中に重力によってインサートが所定の位置に保持されるため、ショットの前に金属またはプラスチックのインサートを金型の下半分に配置するインサート成形作業に適しています。これらは、電気コネクタ、オーバーモールド センサー、およびマルチマテリアル コンポーネントの製造に一般的に使用されます。一般的な型締力範囲: 30 ～ 400 トン。
LSR専用インジェクションユニット
専用の LSR 射出成形機は、コールド ランナー システムと 2 成分計量ポンプを機械の射出ユニットに直接統合します。これらは、精密 LSR コンポーネントを無駄なくフラッシュレスで生産するために最適化されています。一部のモデルは、最小 0.1 グラムのショット重量をサポートしています。これは、小型の医療用バルブ、マイクロシール、ウェアラブル センサー ハウジングの製造に不可欠です。
HCR トランスファーおよび射出成形機
高粘度ゴムは、事前に成形されたゴムの装填に対応できる機械で加工されます。 HCR ではトランスファー成形プレスが一般的で、プランジャーを介して中央のポットから金型キャビティにコンパウンドを押し込みます。スクリュー＆バレル供給システムを備えた改良型射出プレスでも HCR を処理できますが、HCR は LSR に比べて粘度がはるかに高いため、この装置ではより高い機械力が必要になります。
4. 主要コンポーネントとその機能
すべてのシリコーン射出成形機は 5 つの機能サブシステムで構成されており、一貫した欠陥のない部品を製造するプロセスでは、それぞれが確実に動作する必要があります。
- 計量および混合ユニット: 供給ドラムから成分 A と B を引き出し、正確な体積比 (通常 1:1) を維持して、均一に混合された材料を射出バレルに供給します。最新の機械では、プラスまたはマイナス 0.5% のポンプ精度が標準です。
- 射出ユニット (バレルとプランジャーまたはスクリュー): 制御された速度と圧力で、正確な量の混合シリコーンを金型に注入します。 LSR マシンは通常、焦げの原因となる可能性のある熱の蓄積を避けるために、往復スクリューではなくプランジャー タイプのインジェクターを使用します。
- コールド ランナー システム: 射出ユニットと金型ゲートの間の材料温度を摂氏 15 度未満に維持する、断熱されたマニホールドとランナー ネットワーク。コールド ランナーはランナー内の材料の無駄を排除します。これは、熱可塑性プラスチック成形におけるホット ランナーに比べて重要な利点ですが、ここではその利点が逆転します。
- クランプユニット： 射出および硬化中に金型に閉じる力を加えて維持します。型締力は、すべてのキャビティの総投影面積にわたる射出圧力に耐えるのに十分でなければなりません。クランプが不十分だとバリが発生します。過度な力が加わると金型が損傷する可能性があります。
- 金型温度制御ユニット (TCU): 電気ヒーターまたはオイル循環を使用して、金型を正確に定義された硬化温度 (通常は摂氏 160 ～ 220 度) に維持します。一貫した硬化と部品の品質には、金型表面全体の温度均一性が摂氏プラスマイナス 2 度以内であることが重要です。
- 制御システム: 最新の機械は、タッチスクリーン インターフェイスを備えた PLC ベースまたは PC ベースの制御システムを使用しています。射出速度、圧力プロファイル、硬化時間、金型温度、ポンプ比などのパラメータはレシピ プログラムに保存されます。高度なモデルは、インダストリー 4.0 準拠のためのプロセス データのログ記録と工場 MES (製造実行システム) との統合を提供します。
5. 重要なプロセスパラメータ
5 つの重要なパラメータを制御することで、安定した再現性のあるシリコーン射出成形プロセスと、高いスクラップ率を生み出すプロセスとの違いが決まります。 各パラメータは他のパラメータと相互作用するため、プロセス開発中に慎重なバランスをとる必要があります。
- 金型温度 (160 ～ 220 ℃): 温度が高いと硬化が促進されますが、薄い部分の材料が焦げてしまうリスクが高くなります。温度が低いと硬化時間が長くなり、スループットが低下します。医療コンポーネントの場合、摂氏 180 度が最も一般的なターゲットです。
- コールド ランナー内の材料温度 (摂氏 5 ～ 15 度): 材料がキャビティを満たす前の早期ゲル化を防ぐために重要です。迅速な硬化を目的として設計された一部の LSR 配合では、コールド ランナーの温度を摂氏 10 度未満にする必要があります。
- 射出圧力（5～30MPa）： 材料の粘度、部品の形状、キャビティの数によって決まります。低すぎるとショートショットが発生します。高すぎるとバリや金型の摩耗が発生します。
- 射出速度: 充填の均一性と空気閉じ込めのリスクのバランスを保つように制御されます。複雑な形状の部品には、多段階射出プロファイル (早い初期充填と遅い最終充填) が使用されます。
- 硬化時間: 成形品の肉厚、金型温度、LSR 配合の反応性から導き出されます。経験則: 180 ℃で壁厚 0.1 mm あたり 1 秒の硬化時間ですが、実際の値は材料グレードによって異なります。
6. LSR と HCR: どの材料にどのマシンが必要か
LSR と HCR はどちらもシリコーン ベースのエラストマーですが、粘度、加工装置、サイクル タイム、達成可能な部品の複雑さが根本的に異なります。 機械に間違った材料を選択したり、材料に合わせて間違った機械を選択したりすると、生産性と品質が大幅に低下します。
- LSR 粘度は約 50 ～ 1,000 Pa・s (水の 0.001 Pa・s と比較) であるため、複雑な多数個取りの金型に射出するのに十分な流動性を備えています。硬化が速く、サイクル時間は 15 秒と短く、コールド ランナー システムの使用時にバリがほとんどまたはまったく発生しません。医療機器、ベビーケア製品、精密電子シールに最適です。
- HCR 堅い生地に似た粘稠度を持ち、粘度がはるかに高く、通常は圧縮またはトランスファー成形が必要です。より高い圧力と温度で処理されるため、より長い硬化時間 (通常 2 ～ 10 分) が必要になります。 HCR は、大型部品、押出成形品、および高温 (摂氏 250 度以上の連続使用) で非常に高い機械的強度が必要とされる用途に使用されます。
7. シリコーン射出成形機の産業用途
シリコーン射出成形機は、医療と自動車を含む 7 つの主要産業にサービスを提供しており、最も生産量が多く、最も厳しい品質要件が求められています。
- 医療およびヘルスケア: カテーテル、弁膜、注射器ストッパー、呼吸マスク、補聴器イヤーチップ、埋め込み型コンポーネント。医療グレードの LSR は、ISO 10993 生体適合性規格に準拠する必要があります。生産量は、金型ツールごとに年間数百万個に達することがあります。
- 自動車: スパークプラグブーツ、グロメットシール、センサーカプセル化、ターボチャージャーホース、LEDヘッドライトシール。シリコーンは摂氏マイナス 60 度からプラス 230 度までの温度に対する耐性を備えているため、ボンネット内の用途には欠かせないものとなっています。
- 乳児と乳児の世話: おしゃぶり、哺乳瓶の乳首、おしゃぶり、授乳口。これらの部品は食品との接触に関する適合性 (FDA 21 CFR 177.2600 または EU 規則 10/2011) を必要とし、安全性と機能を確保するために非常に厳しい寸法公差を満たす必要があります。
- 家庭用電化製品: キーボード カバー、スマートウォッチ バンド、防水ガスケット、ケーブル オーバーモールド、ボタン メンブレン。家庭用電化製品では、機能的パフォーマンスとともに、一貫したカラーマッチングと高い美的品質が求められます。
- 工業用シーリング: Oリング、ガスケット、流体制御用ダイヤフラム、耐薬品性シール。産業用途では、機械的強度と耐熱性が高い HCR が好まれることがよくあります。
- 食べ物と飲み物: 焼き型、スパチュラ、製氷皿、ボトルシール。射出成形機で製造される食品グレードのシリコーン部品は、非粘着性、化学的不活性性、およびオートクレーブ滅菌可能性で高く評価されています。
- ウェアラブル技術: 持続血糖モニター (CGM) ハウジング、フィットネス トラッカー ストラップ、生体認証センサー エンクロージャ。これは最も急成長しているアプリケーション セグメントの 1 つであり、小型 LSR 成形機能の需要が高まっています。
8. 適切なシリコーン射出成形機の選び方
適切なシリコーン射出成形機は、材料の種類、部品のサイズとショット重量、型締力の要件、生産量、規制環境という 5 つのコア選択基準によって決まります。
ステップ 1: マテリアルを定義する
アプリケーションに LSR または HCR が必要かどうかを確認します。医療、エレクトロニクス、またはベビーケア市場をターゲットにしている場合、ほとんどの場合、LSR がその答えとなります。大型部品や摂氏 230 度を超える極端な耐熱性が必要な場合は、HCR が適切な場合があります。
ステップ 2: 必要なクランプ力を計算する
必要な型締力 (トン) は、すべてのキャビティの投影面積 (平方センチメートル) に射出圧力 (MPa 単位) を掛けて 10 で割った値に等しくなります。たとえば、15 MPa で各キャビティが 25 cm2 突出している 4 キャビティ金型の場合、(4 x 25 x 15) / 10 = 150 トンの最小型締力が必要です。プロセスの変動を考慮して、計算された最小値より少なくとも 15 ～ 20% 高い定格の機械を常に選択してください。
ステップ 3: ショット重量と注入量を確認する
ショットの総重量 (パーツの重量とランナーの重量を加えたもの) は、マシンの最大ショット容量の 20 ～ 80% 以内でなければなりません。 20% 未満で動作させると、ショット量が不安定になります。 80% を超えて操作すると、充填が不完全になる危険があります。キャビティあたり 1 グラム未満のマイクロコンポーネントの場合、ショット容量が 5 ～ 50 グラムの特殊なマイクロ成形機が必要です。
ステップ 4: 自動化要件を評価する
大量生産 (ツールごとに年間 500,000 個を超える部品) では、通常、ロボットによる部品取り外し、自動画像検査、コンベアベースのハンドリング システムの統合が正当化されます。マシンには、周辺オートメーションと通信するための適切な制御インターフェイス (通常は LSR マシンの場合は EUROMAP 67) が必要です。これらのインターフェイスのないマシンは、後でアップグレードするのが困難です。
ステップ 5: 規制遵守を確認する
FDA 21 CFR Part 820 または ISO 13485 要件に基づいて業務を行う医療機器メーカーは、包括的なプロセス データ ロギング、検証済みの制御システム、および文書化された認定プロトコル (IQ/OQ/PQ) を備えた機械を必要としています。購入前に、機械メーカーが必要な文書サポートを提供できるかどうかを確認してください。
9. 比較表
次の表は、メーカーがより迅速に、より多くの情報に基づいた意思決定を行えるようにするために、主な違いをまとめたものです。
| パラメータ | LSR（液状シリコーンゴム） | HCR（高粘度ゴム） |
| 物質の状態 | 二液性液体、ポンプ使用可能 | 固形ガム、手詰め |
| 典型的な粘度 | 50～1,000Pa・s | 非常に高い（硬い生地のような） |
| 加工方法 | 射出成形（コールドランナー） | 圧縮・移送・射出 |
| 一般的な金型温度 | 160～220℃ | 150～200℃ |
| サイクルタイム | 15～120秒 | 2～10分 |
| フラッシュの生成 | 最小限 (コールド ランナー = 廃棄物ゼロ) | 中～高 (手動トリミングが必要な場合が多い) |
| 自動化の可能性 | 高（全自動ラインも可能） | 低から中程度 |
| 推奨されるアプリケーション | 医療、電子機器、ベビーケア | 工業用シール、大型部品 |
| 機械費用（概算） | 80,000～500,000米ドル | 40,000～200,000ドル |
表 1: LSR と HCR 処理の比較 - 材料特性、機械要件、生産特性における主な違い。
| マシンタイプ | クランプ方向 | 一般的なクランプ力 | ベストユースケース | インサート成形 |
| 横型LSRマシン | 水平 | 50～1,000トン | 大容量マルチキャビティ | 可能だが難しい |
| 縦型LSRマシン | 垂直 | 30～400トン | インサート成形、コネクター | 好ましい |
| マイクロLSRマシン | 水平 or vertical | 10～100トン | マイクロメディカル、ウェアラブル | 可能 |
| HCRトランスファープレス | 垂直 | 50～500トン | 工業用シール、大型部品 | はい |
表 2: シリコーン射出成形機のタイプを構成、能力、用途の適合性で比較します。
| 産業 | 代表的な部品 | 材質グレード | 主要な要件 | 年間取引量 (通常) |
| 医療 | バルブ、カテーテル、シール | 医療-grade LSR | ISO 10993 / FDA 準拠 | 1M～50M単位 |
| 自動車 | スパークプラグブーツ、ガスケット | 高温LSR/HCR | IATF16949認証 | 50万～1,000万台 |
| ベビーケア | おしゃぶり、乳首 | 食品グレードのLSR | FDA/EUの食品接触 | 2M～20M単位 |
| エレクトロニクス | ガスケット、キーパッド、ケーブルシール | 標準 / 導電性 LSR | IP等級、寸法精度 | 50万～5Mユニット |
| ウェアラブル | センサーハウジング、ストラップ | 生体適合性LSR | 微小精度、皮膚に安全 | 10万～2Mユニット |
表 3: 材料グレードと生産量のベンチマークを含む、主要業界にわたるシリコーン射出成形のアプリケーション固有の要件。
10. よくある質問
概要: シリコーン射出成形機について覚えておくべきこと
- 冷間射出、熱間硬化: シリコーン加工は熱可塑性プラスチック成形の温度の逆であり、材料は冷たく保たれ、金型は加熱されます。
- LSR は精密アプリケーションを支配します。 医療、エレクトロニクス、ベビーケアでは、その迅速なサイクルタイム、フラッシュのない出力、生体適合性により LSR が利用されています。
- 計測精度は非常に重要です。 A/B 比の偏差が 2% を超えると、硬化が不完全になり部品の不良が発生します。
- クランプ力は推定ではなく計算する必要があります。 投影面積の計算式を使用し、15 ～ 20% のマージンを追加します。
- 大量生産には自動化の準備が重要です。 マシンは、ロボット統合のために EUROMAP 67 インターフェイスをサポートする必要があります。
- 医療生産には文書化された機械が必要です。 IQ/OQ/PQ 機能と完全なデータ ロギングは、規制対象アプリケーションでは交渉の余地がありません。
- 縦型機械はインサート成形に適しています: 重力により、荷重中にインサートが所定の位置に保持されます。これは、水平構成よりも実際的な利点です。
