真空鋳造とは？プロセス、設計、および応用

真空鋳造工程の仕組み

真空鋳造とは何か、そしてそれはどのように機能するのか？

真空鋳造は、真空環境下でシリコーン型を使用して精密なプラスチックおよびゴム部品を製造する方法です。まず、製造業者は通常、3DプリントまたはCNC加工によってプロトタイプを作成し、これを液体シリコーンに浸して柔軟な金型を形成します。シリコーンが適切に硬化したら、この金型を真空 chamber内に設置し、負圧をかけながらポリウレタン樹脂を注入します。この手法により混合物に閉じ込められた気泡が効果的に除去され、大量生産で一般的に使用される射出成形と同等の寸法精度と滑らかな表面を持つ部品が得られます。

ステップバイステップガイド：マスターパターンから最終鋳造品まで

1. マスターパターンの作成 ：マスターパターンは、3DプリントまたはCNC加工によって作成されます
2. シリコーン型の準備 ：パターンをフレーム内に吊り下げ、液体シリコーンで覆い、40°C（104°F）で16時間加熱硬化させる
3. 型の分離 ：硬化した型を慎重に切断してマスターパターンを取り出し、キャビティの細部を保持する
4. 樹脂鋳造 ：2成分ポリウレタンを混合・脱気し、0.1バールの真空下で型へ流し込む
5. 硬化および脱型 ：成形品は2～4時間で硬化後、手作業で取り出される

A 2023年プロセス調査 従来の金型技術と比較して、最適化されたワークフローによりリードタイムを35%短縮できることが明らかになった。

気孔率の低減と表面品質の向上における負圧の役割

真空下（残存圧力 ≤1 mbar）で作業することで、樹脂注入中にガス泡が崩壊し、気孔率を0.5％未満に抑えることができる。この圧力差により、材料が金型の微細なテクスチャーまで確実に流入し、20 µm以下の形状も一貫して再現される。自動車メーカーの報告によると、大気中での鋳造技術と比較して、表面欠陥が最大90％削減される。

シリコーン金型の製造および予想耐用寿命

高温加硫（HTV）シリコーン金型は、通常±0.15 mmの公差を維持したまま25～50回の成形サイクル持続する。白金系硬化型シリコーンは、ABS様ポリウレタンなどの収縮率の低い樹脂と併用することで、80回以上の成形に耐久性を延ばすことができる。22°C、湿度30%の環境で適切に保管すれば、硬化が早期に進行することを防ぎ、生産間の休止期間を6～8週間保つことが可能である。

真空鋳造で最適な結果を得るための設計原則

主要な設計ガイドライン：肉厚、リブ、ボス、均一性

反りを防ぎ、均一な硬化を確保するため、2～4 mmの範囲で壁厚を均一に保ってください。リブやボスは高さと厚さの比率を1:3にすることで、応力集中を回避できます。2023年の研究によると、均一な壁厚を持つ設計は、不均一な設計に比べて欠陥が62%少ない結果となっています。

アンダーカット、押し出し模様の取り扱いおよび金型離型に関する考慮事項

• 押し出しロゴの脱型を容易にするために、1～3°のドラフト角を適用してください
• 複雑なアンダーカットはモジュール式金型インサートを使用して分離してください
• 金型の完全性を保護し、30回以上の使用を可能にするため、シリコーン対応の離型剤を使用してください

材料の収縮および硬化挙動への対応

ポリウレタン樹脂は硬化時に5～8%収縮します。これに対処するため、設計者はマスターパターンを1.05～1.08倍に拡大します。ゲートの戦略的配置および60°Cでの4～6時間の後硬化処理により、寸法を±0.15 mm以内に安定させることができます。

狭い公差および高品質な表面仕上げの実現

真空鋳造では50mm未満の寸法に対して±0.1mmの公差を達成でき、20µmよりも細かい表面テクスチャを再現します。最適化されたエア抜きにより研磨時間は40%短縮され、「2024 Design Efficiency Report」によると、仕上げ面粗さ（Ra値）は0.8～1.6µmの範囲で維持されます。 2024年デザイン効率レポート .

よくある欠陥と気孔、反り、充填不足の防止方法

二段階の真空サイクル（30³ Hg、0.8 bar）を適用することで、気孔率は12%から2%まで大幅に低減します。反りを最小限に抑えるためには以下の対策を講じてください：

1. 金型温度を40±5°Cに保つ
2. 薄肉部にはガラス充填樹脂を使用する
3. 200mmを超える部品には順次流し込みを行う

適切なエア抜きと制御された樹脂の流れによって、充填不足は回避できます。

真空鋳造における材料と用途

多様な特性に対応するポリウレタン樹脂およびその他の材料オプション

真空鋳造プロセスは主にポリウレタン樹脂に依存しており、これらはABS、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどの一般的なエンジニアリング熱可塑性プラスチックの代替品として特別に開発されています。これらの樹脂が特に有用なのは、硬質タイプで通常60から75ショアDの範囲内で硬度を調整できる能力にあります。また、UL94-V0規格に適合する内蔵型難燃性を持ち、量産時にも色調の一貫性を維持するため、試作テスト用および実際の製品部品の両方において非常に適している理由となっています。柔らかい素材が必要な用途には、シール製造で使用されるゴム材料と同様の性質を持つタイプもあります。強度が最も重要な場合には、従来の構造用プラスチックに近いガラス充填材が採用されます。2023年初頭の材料適合性データによると、真空鋳造技術で製造された自動車部品の約8割がこうした多機能なポリウレタンを使用していることが明らかになっており、これは成形時の細部再現性と耐久性の両立という点で最適なバランスを提供しているためです。

特殊なニーズに対応する柔軟性、透明性、耐高温性樹脂

樹脂タイプ	基本 特徴	共通用途
柔軟性（ショアA 40-90）	引き裂きに強く、振動を吸収	ガスケット、人間工学に基づいたハンドル
光学的透明性	光透過率92%以上	レンズのプロトタイプ、導光部品
耐高温（150°C以上）	熱変形が最小限	エンジンルーム部品、HVAC

これらの特殊材料により、二次仕上げ工程なしで医療用グレードのシールや透明なコンシューマー電子機器のハウジングを製造できます。

材料特性と最終用途の要件とのマッチング

自動車エンジニアは、エンジンルーム内センサー向けに耐熱性樹脂を選択する一方、電子機器メーカーは充電器のハウジングに対してUL認証済み難燃性グレードを好んで使用します。産業用機器のプロトタイプでは、射出成形ナイロンの剛性をそのコストの三分の一で再現できるため、ガラス充填ウレタンがよく使用されます。

生体適合性キャスト材料を用いた医療機器開発

真空鋳造法は、手術器具や義肢に使用されるISO 10993認証済みウレタンに対応しています。2022年の研究によると、カスタムオーソペディックガイドの78%が生体適合性材料において±0.15 mmの精度を維持できる能力から、真空鋳造によって製造されています。

少量部品の航空宇宙および機能試験用途

航空宇宙業界では、狭い公差（±0.1 mm）を必要とする風洞モデルやドローンハウジングの製造に真空鋳造が使用されています。 最近の進展 高衝撃性樹脂の進化により、1つの金型で50個以上の飛行可能な部品を製造可能になり、CNC加工と比較して認定までの期間を40%短縮できます。

試作および小ロット生産における真空鋳造の利点

射出成形と比較した迅速な納期とコストメリット

真空鋳造は、機能的なプロトタイプを 5～10営業日 短期間で提供し、射出成形の金型制作サイクルと比較してリードタイムを75%短縮します。簡素化されたシリコン金型工程により、高価な金属金型の修正が不要になります。500単位未満のバッチでは、部品単価を30～60%削減でき、反復的な設計検証に最適です。

小規模生産向けの低コスト金型投資とスケーラビリティ

シリコン金型の費用は $800–$2,500初期費用が大幅に抑えられ、鋼製インジェクション成形用金型の$15,000以上と比べて安価です。各金型は通常、経済的に15～25個の同一部品を生産します。複数の金型を並行して製作することで生産量を拡大でき、ロット間の品質を一貫して維持することが可能です。これは、医療分野のスタートアップが規制承認前に50～300ユニットの小ロット生産を行う場合に特に有利です。

複雑な幾何学形状および表面テクスチャの高精細再現

±0.15 mmの公差と1.6 µm Ra以下の表面粗さにより、真空鋳造は以下のような精密な特徴においてもインジェクション成形と同等の品質を実現します。

• マイクロテクスチャ加工されたグリップ（0.1～0.5 mmのパターン）
• 0.2 mm未満のクリアランスを持つスナップフィット接合部
• 光学グレードの透明レンズ（光透過率92％）

少量生産における廃棄物削減による持続可能性の利点

CNC加工と比較して、真空鋳造は複雑な形状において68％少ない廃棄物を発生させ、再利用可能な金型によりスクラップが削減されます。現代のポリウレタン樹脂は引張強度を50MPa以上維持しつつ、25～40％のバイオベース成分を含有しており、自動車業界における環境適合性の高い量産前試作品への需要に応えています。

真空鋳造と他の製造方法の比較：いつ、どの方法を選ぶべきか

真空鋳造と射出成形の比較：コスト、生産量、および納期

開始時の費用に関して言えば、真空鋳造は射出成形に比べてはるかに初期コストが安価です。金型1個あたり約800ドルから2,500ドル程度なのに対し、射出成形用の金型は15,000ドルから50,000ドルの価格がつきます。また、真空鋳造のセットアップには通常7～14日しかかかりませんが、射出成形用の金型作成には6～12週間が必要です。500個未満の小規模生産では、真空鋳造によりメーカーは1個あたり60％から80％のコスト削減が実際に可能です。ただし、注意点もあります。生産数量が約1万個を超えると、1個あたりのコストが2ドルを下回るため、射出成形の方が経済的に有利になります。昨年の業界レポートによると、現在でもプロトタイプや短期間の生産ニーズに対しては真空鋳造が主流ですが、大量生産を行う大手メーカーは依然として射出成形に大きく依存しています。

プロトタイプにおける真空鋳造と3Dプリント、CNC加工の比較

3Dプリントは24～72時間でコンセプトモデルを製造できますが、機能的な材料性能と精密な表面仕上げに欠けています。CNCマシニングは金属部品において優れた精度（±0.025 mm）を実現しますが、形状が複雑になるほどコストが高くなります。真空鋳造はこれらのギャップを埋め、以下のような利点を提供します。

• 材料の多様性 ：ABS、PP、耐熱性熱可塑性樹脂などを再現できる80種類以上のポリウレタン樹脂
• ディテール忠実度 ：ほとんどのFDM／SLAプリントを上回る25 µmの分解能
• ロット生産の効率性 ：1サイクルあたり10～15個の部品を生産可能

精度、ロットサイズ、納期に基づいた最適なプロセスの選定

意思決定要素	掃除用鋳造	3D印刷	CNC加工
最適なロットサイズ	10～500個	1～50個	1～200個
公差 (mm)	±0.1–0.3	±0.1–0.5	±0.025–0.05
材料強度	成形品の85％を射出成形	等方性40–60％	完全密度金属

A プロセス選定ガイド 機能的なプロトタイプ10～300個で射出成形に類似した特性が必要な場合は、真空キャスティングを推奨します。高精度の金属部品にはCNC加工を、形状の迅速な検証には3Dプリントを使用してください。