インサート成形は、金属端子、ピン、バスバー、ブッシング、センサー、電子部品、その他のインサートをプラスチック部品に直接組み込むために広く用いられています。シンプルな用途では、金属インサートを金型に配置し、単一の射出成形サイクルで封入することができます。

しかし、多くの高精度インサート成形用途では、より制御された2段階プロセスが必要となる。

1. 初回成形（プレモールディングとも呼ばれる）
2. セカンドショット成形（オーバーモールディングとも呼ばれる）

最初の射出成形により、金属インサートの選択された領域の周囲に安定したプレモールドインサートまたはサブコンポーネントが形成されます。次に、プレモールドされたコンポーネントは別の金型に移され、そこで2番目のプラスチック材料が射出成形されて最終的な形状が完成します。

この追加工程によって、工具や工程の複雑さは増すものの、寸法安定性、絶縁性能、シール信頼性、インサート位置決め精度、成形一貫性が大幅に向上することが多い。

この記事では、初回成形前の予備成形がなぜ重要なのか、どのような場合に必要となるのか、そしてそれが最終的なオーバーモールド部品の品質をどのように向上させるのかを説明します。

初回成形とは何ですか？

ファーストショットプレモールディングとは、最終的なオーバーモールディング工程の前に、金属インサートを部分的に包み込み、支持し、位置決めし、絶縁し、または機械的に固定するために使用される最初の射出成形プロセスです。

初回成形部品には以下が含まれる場合がある。

• 金属端子
• コネクタピン
• リードフレーム
• バスバー
• プレス加工された金属部品
• センサー素子
• ねじ込みインサート
• 導電性部品
• 電子サブアセンブリ

最初の射出成形では、インサートの特定の領域のみにプラスチックが成形されます。こうしてできたプレモールドインサートは、より安定性が高く、形状も正確に定義された部品となり、2回目の射出成形用の金型にセットすることができます。

次に、2回目のオーバーモールディング工程によって、最終的なハウジング、シーリング構造、コネクタ本体、取り付け部、または外部形状が成形されます。

技術的な観点から言えば、一連の流れは次のように説明できます。

金属インサート → 1回目の予備成形 → 予備成形済みインサート → 2回目のオーバーモールディング → 完成部品

このプロセスは、自動車用コネクタ、パワーエレクトロニクス、産業用センサー、医療機器、モーター部品、防水コネクタなど、高い寸法精度と機能的信頼性が求められる用途で一般的に用いられています。

インサート成形において、事前成形は必ず必要ですか？

いいえ。すべてのインサート成形プロジェクトに、別途初回成形前の工程が必要なわけではありません。

次のような場合には、直接的な一段階インサート成形プロセスで十分な場合があります。

• 金属製のインサートは剛性が高く、構造的に安定している。
• インサートは金型によって正確に位置決めできる。
• インサートは射出圧力によって容易にずれることはない。
• 最終的な形状は比較的単純である。
• 金属インサート周辺のバリは許容範囲内、または容易に制御できる。
• この製品は、複雑な密閉構造や電気絶縁を必要としません。
• ピン数または端子数には制限があります。
• 寸法公差はそれほど厳しくありません。

しかし、製品に複数の細い端子、長い支持されていないピン、繊細なリードフレーム、複雑なシール経路、厳しいピン位置公差、薄いプラスチック壁、または複数の機能性材料が含まれる場合、初回成形時の予備成形ははるかに重要になります。

したがって、この決定は、DFM（製造性設計）、金型設計、Moldflow解析、インサート公差解析、およびプロセスリスク評価の段階で行うべきである。

なぜ最初のショットがそれほど重要なのか？

1. 金属インサートを安定させ、位置決めします。

インサート成形における最大の課題の一つは、射出成形時に金属インサートの正確な位置を維持することである。

溶融プラスチックは高速かつ高圧でキャビティに流入します。細い端子、長いピン、プレス加工部品、繊細なリードフレームなどは、充填中に曲がったり、振動したり、ずれたり、浮き上がったりする可能性があります。

わずかなずれでも、以下のような問題を引き起こす可能性があります。

• ピンピッチが間違っています
• 端子の位置合わせ不良
• プラスチック壁の厚さが均一ではない
• 電気的な接触不良
• アセンブリ干渉
• 漏れ
• ショートショット
• 露出した金属
• 終端変形

最初に成形されるプラスチックは、剛性の高い支持構造として機能します。複数のピンや端子をしっかりと固定し、柔軟な金属インサートを安定した成形済みアセンブリへと変換します。

これは、ピンの間隔が狭いコネクタの場合に特に重要です。2回目の成形時に各ピンを個別に制御する代わりに、2番目の金型はより剛性の高い成形済みの本体の位置を特定します。

その結果、セカンドショットオーバーモールディング工程の再現性が向上し、インサートのばらつきに対する感度も低下する。

2. 高圧オーバーモールディング時のインサートの動きを低減します。

射出圧力は、露出した金属表面に大きな力を加える可能性がある。

実際の力は以下に依存します。

• 溶融圧力
• 投影挿入領域
• ゲート位置
• 流れの方向
• 充填速度
• 材料の粘度
• ジオメトリを挿入
• 金型支持条件

金属インサートが支えられていない場合、ポリマーの流れによって本来の位置から押し出されてしまう可能性があります。

初回成形用のプレモールドは、追加のサポートを提供し、より大きく安定した位置決め面を作り出します。2回目の成形用モールドは、細い金属ピンだけに頼るのではなく、プレモールドされたプラスチックをクランプして位置決めすることができます。

これにより、以下のリスクが軽減されます。

• フローティングを挿入
• シフトを挿入
• 端部曲げ
• ピンの変形
• 回転を挿入
• 不均一なカプセル化
• 次元不安定性

キャビティ数の多い生産用金型では、この安定性が不可欠です。なぜなら、すべてのキャビティにおいて、インサートを数百万回の成形サイクルにわたって一貫して配置する必要があるからです。

3. ピンピッチと端子位置合わせを改善します

電気コネクタにおいては、すべての端子の位置は規定の許容範囲内に収まっていなければならない。

コネクタに10本、20本、30本、あるいはそれ以上のピンがある場合、各端子を個別に制御することは困難になります。プレス加工の公差、キャリアの変形、取り扱い、切断、搬送、成形時の圧力など、あらゆる要因が最終的なピンの位置に影響を与える可能性があります。

最初のショットによって、最終的な筐体が成形される前に、端子間の重要な関係を確立することができる。

制御できる機能：

• ピン間ピッチ
• 終端高さ
• 共面性
• 垂直性
• 終端露光時間
• 電気的絶縁距離
• 基準フィーチャに対する位置

成形済みのインサートは、自動搬送、カメラ検査、および2回目の成形時の金型装填のためのプラスチック製の基準面としても機能する。

これにより、生産工程全体が自動化に適したものとなる。

4. 信頼性の高い電気絶縁を実現します

多くのインサート成形製品には導電性の金属端子が含まれており、これらの端子は互いに電気的に絶縁されている必要がある。

最初に成形されるプラスチックは、隣接する端子間に制御された絶縁バリアを形成するように設計することができる。

これらの障壁は、以下の維持に役立ちます。

• 沿面距離
• クリアランス距離
• 誘電強度
• 絶縁抵抗
• 端末分離
• 電気追跡に対する保護

予備成形工程がない場合、2回目の射出成形で得られた溶融樹脂が、近接した端子間の非常に狭い隙間に確実に流れ込まない可能性があります。その結果、気泡の発生、ウェルドライン、ショートショット、または薄い断熱壁が生じる可能性があります。

専用の初回成形型を使用すれば、これらの重要な断熱部分をより管理された条件下で充填できる。

これは特に以下の人にとって重要です。

• 電源コネクタ
• 自動車用高電圧部品
• バスバーアセンブリ
• パワーモジュールハウジング
• バッテリーシステム
• 産業用制御コンポーネント
• モーター端子
• インバーターの構成部品

したがって、最初の発射は、単なる機械的な機能だけでなく、電気的な機能も果たす可能性がある。

5. 端子周辺のフラッシュを抑制するのに役立ちます

バリは、インサート成形における最も一般的な品質上の課題の一つです。

金属端子が金型のパーティング面を通過する際、金型は金属に直接密着してシールされなければなりません。端子の厚み、平面度、コーティング、バリの高さ、または位置にわずかなばらつきがあると、小さな隙間が生じる可能性があります。

射出圧力によって、溶融したプラスチックがこの隙間に入り込み、バリが発生することがある。

ターミナルフラッシュは、以下のような深刻な問題を引き起こす可能性があります。

• 電気的な接触不良
• アセンブリ干渉
• コネクタ嵌合不良
• 外観上の欠陥
• 漏洩経路
• 手動トリミングの要件
• 機能表面の汚染

初回成形時の予備成形工程において、制御された金型条件下で重要なシール部を形成することができる。これにより、予備成形されたプラスチックは、2回目の成形において、より安定した均一な遮断面を提供することができる。

複数の薄い金属端子に直接シールするのと比較して、寸法精度が管理されたプラスチック製のプリフォームにシールする方が、多くの場合、より信頼性が高い。

これにより、二次的な閃光のリスクを大幅に低減できます。

6. 2回目の撮影時に繊細なインサートを保護します

一部のインサートは、2回目の射出成形時の圧力と温度に直接さらされるには脆弱すぎる。

例としては以下のようなものがあります。

• 薄型プレス加工端子
• 細字フレーム
• 小型センサー素子
• 柔軟な導電性部品
• 小型電子アセンブリ
• コーティングされた端子
• メッキされた金属部品
• 電線またはケーブルの終端処理

最初の注射によって、より大量の2回目の注射剤が注入される前に、脆弱な部分を包み込んで保護することができる。

また、ポリマーの流れが重要な表面に直接衝突するのを防ぐ可能性もある。

初回成形ゲートの位置を制御することで、エンジニアは溶融樹脂の流れをより強度のあるインサート領域に誘導することができます。保護された成形済み部品は、2回目のオーバーモールディング工程に安全に耐えることができます。

7. 機械的な連動機能を生み出す

オーバーモールディング工程を成功させるには、1回目の射出成形部品と2回目の射出成形材料との分離を防ぐ必要がある。

初回成形プリフォームには、以下のような特別に設計された機械的インターロック機構を含めることができる。

• アンダーカット
• 貫通穴
• 溝
• リブ
• ローレット状の表面
• アンカーポケット
• アリ溝構造
• フロー窓

2回目のオーバーモールディングでは、溶融したプラスチックがこれらの構造体の中または周囲に流れ込み、機械的なロックを形成する。

これは特に次のような場合に重要です。

• これら2種類のプラスチック材料は、化学的適合性が限られている。
• 最初のショット面は完全に冷却された。
• 当該部品は振動または熱サイクルを受ける。
• この製品には高い引抜き強度が求められる。
• 界面は湿気や化学物質にさらされる。
• オーバーモールドされた部分は、曲げまたはねじれを受ける。

強力な機械的インターロックにより、化学的接着のみに依存する度合いが低減される。

8．密閉性と漏れ防止性能が向上します

防水コネクタ、センサーハウジング、流体制御部品、および自動車用途においては、金属とプラスチックの接合面において、水、油、空気、ガス、その他の流体の侵入を防ぐ必要がある。

金属インサートには、しばしば微細な表面の凹凸が存在する。メッキのばらつき、刻印痕、バリ、寸法のばらつきなどが、漏洩経路となる可能性がある。

制御された初回成形プロセスにより、最終的なハウジングが形成される前に、最も重要な金属とプラスチックの接合界面を封止することができる。

2回目のショットで、あらかじめ成形された構造体が包み込まれ、追加のシーリング層が形成される。

この2段階構造により、以下のことが可能になります。

• より長い漏洩経路
• 複数のシーリングインターフェース
• 金属封止の改善
• プラスチック壁厚の制御性の向上
• 空洞化のリスクが軽減
• 湿気の浸透に対する保護性能が向上しました。

しかしながら、漏れ性能は、製品の形状、金属表面の状態、樹脂の選択、金型の通気、ゲート設計、プロセス条件、および熱膨張率の違いに依然として依存する。

プレモールドはシール性能を向上させるが、適切な設計と検証と組み合わせる必要がある。

9. 異なる材料が異なる機能を果たすことを可能にする

1回目の撮影と2回目の撮影に使用する素材は、必ずしも同一である必要はありません。

2段階のインサート成形プロセスにより、エンジニアはさまざまな機能要件に応じて材料を選択することができる。

例えば、最初の撮影素材は以下のような場合に選ばれることがあります。

• 高流量
• 小さな端子の周囲への精密な充填
• 強力な金属接着力
• 高い絶縁耐力
• 高温耐性
• 寸法安定性
• 低収縮

2回目の撮影素材は、以下の目的で選択される可能性があります。

• 耐衝撃性
• 耐薬品性
• 外観
• シール性能
• 構造強度
• 難燃性
• コスト効率
• 環境耐久性

使用可能な工学材料には以下が含まれます。

• PBT
• PA66
• PA6
• PPA
• PPS
• LCP
• PEI
• PEEK
• TPE
• TPU
• Silicone or LSR in suitable applications

材料の適合性は慎重に評価する必要がある。設計チームは、加工温度、収縮率、接着挙動、吸湿性、熱膨張率、化学的適合性、および長期経年劣化を考慮する必要がある。

10．重要な成形機能を分離する

一度に多くの難しい作業を行うには、単発成形金型が必要になる場合があります。

• 複数の端末を配置する
• 金属表面の周囲を密閉する
• 薄い断熱壁を埋める
• 外部ハウジングを形成する
• 端末の移動を防止する
• 溶接線を避ける
• 反りの制御
• 化粧品の品質を維持する
• 漏れ防止を実現する

製品をファーストショット成形とセカンドショット成形の段階に分けることで、それぞれの金型がより特定の機能に集中できるようになる。

初回成形金型は、以下の点に重点を置くことができます。

• 挿入位置
• 端子絶縁
• 重要な金属シール
• ピンの位置合わせ
• 小さな精密な特徴

2回目のショット成形では、以下の点に重点を置くことができます。

• 最終的なハウジング形状
• 構造的特徴
• 取り付けインターフェース
• 外部シーリング
• 化粧面
• アセンブリ機能

この分離により、工程最適化が容易になり、単一の金型内における相反する成形要件の数を減らすことができる。

ファーストショットプレモールディングがセカンドショットオーバーモールディングを改善する方法

適切に設計されたプレモールドインサートは、2回目のショット成形用金型に安定した再現性のある入力部品を提供する。

セカンドショットプロセスには以下の利点があります。

したがって、最初のショットは、単なる未完成のプラスチック部品としてではなく、機能的な精密部品として捉えるべきである。

初回成形における主要な設計上の考慮事項

挿入位置決めおよび成形基準戦略

プレモールドは、明確で再現性のある基準点を確立する必要がある。

設計では以下を明確にする必要があります。

• 主要な位置決め面
• 二次位置決め面
• 端末サポートポイント
• 回転防止機能
• 挿入方向
• 金型締め付け方向
• 2枚目のショットの転送用参考資料

金属インサートは、特にプレス加工や機械加工の公差が大きい場合には、過度に拘束してはいけません。過度の拘束は、装填困難、変形、または金型損傷の原因となる可能性があります。

プラスチック製遮断設計

金属インサート周辺の遮断領域は、慎重に設計する必要がある。

重要な要素は以下のとおりです。

• 終端厚さ公差
• 金属バリの方向
• メッキ厚さ
• 平面を挿入
• 金型鋼の接触圧力
• 遮断角度
• 耐摩耗性
• 挿入時の繰り返し精度

重要な遮断面には、硬化処理された金型鋼、交換可能なインサート、および高精度な機械加工が必要となる場合があります。

ゲートの位置と流れの方向

最初のショットゲートは、インサートの動きを最小限に抑えるように配置する必要があります。

可能な限り、溶融物の流れは以下のようになるべきである。

• インサートを支えのある面に向かって押し込んでください。
• 薄い端子に直接衝撃を与えないでください。
• 凍結する前に、重要な断熱箇所に断熱材を充填してください。
• シール部分の溶接線を減らす。
• 隣接する端子間に空気が閉じ込められないようにしてください。
• 多キャビティ金型では、充填バランスを適切に保つ。

モールドフロー解析は、圧力分布、流量バランス、エアトラップ、ウェルドライン、およびインサートの潜在的なずれを評価するのに役立ちます。

しかし、実際の挙動はインサートの剛性、金型支持構造、表面状態、およびプロセス設定にも左右されるため、実物を用いた金型試験は依然として必要である。

ファーストショットとセカンドショットのインターフェースデザイン

1回目の成形材料と2回目の成形材料の界面は、成形性と長期的な製品性能の両方を支えるものでなければならない。

設計にあたっては、以下の点を考慮する必要があります。

• 機械的インターロック
• 材料適合性
• 表面汚染
• プリフォームの保管時間
• 吸湿性
• 予熱要件
• 界面温度
• 収縮率の違い
• 熱膨張
• 長期的な剥離リスク

強力な化学結合が保証できない場合は、機械的なロック機構を設ける必要がある。

次元補正

1回目の成形で得られた部品は、成形後に収縮します。その後、2回目の成形工程で再加熱され、さらなる応力や寸法変化が生じる可能性があります。

したがって、エンジニアは以下の点を考慮しなければならない。

• 初回撮影時の収縮率
• 2回目の再加熱
• 収縮率の差
• 熱膨張を挿入する
• 残留応力
• 最終冷却後の反り
• 空洞ごとのばらつき

最終的な金型寸法は、標準的な樹脂収縮率を適用するだけでは必ずしも決定できるとは限りません。多くの場合、試作品の製作と寸法の相関関係の検証が必要となります。

最初のショットの設計が不十分な場合によく発生する問題

不安定または不正確な初回ショット部品は、その欠陥を2回目のショット工程に直接引き継ぐ可能性がある。

典型的な問題点としては、以下のようなものがあります。

成形前のバリ

1回目の成形時に部品にバリが発生すると、2回目の成形時にキャビティに適切に嵌合しない場合があります。これにより、金型干渉、寸法不良、バリの増加、または金型損傷が発生する可能性があります。

成形前の反り

成形前のインサートが反っている場合、2番目の金型が閉じる際にインサートを無理やり所定の位置に押し込む可能性があります。これにより応力が発生し、成形後に端部のずれ、ひび割れ、または寸法回復が生じる可能性があります。

端子の位置が間違っています

2回目の射撃では、1回目の射撃時に既に誤った位置に取り付けられていた端末を確実に修正することはできません。

汚染された接合面

油、埃、離型剤、酸化、湿気、および取り扱い時の汚染は、1回目のショットと2回目のショットの材料間の接着性を低下させる可能性がある。

機械的なロック機構が不十分です

適切な嵌合機構がない場合、熱サイクル、振動、または機械的負荷の際に、二次成形材料が成形済み部品から分離する可能性がある。

不適切な初回撮影時の素材選択

1回目のショット成形に使用される材料は、2回目のショット成形工程の温度と圧力に耐えなければなりません。耐熱性が不十分な場合、軟化、変形、または寸法精度の低下が生じる可能性があります。

1回目と2回目の撮影間の品質管理

2段階プロセスの大きな利点の1つは、最終的なオーバーモールディングの前に、成形前のインサートを検査できることである。

検査項目としては、以下のようなものが考えられます。

• 端末位置
• ピンピッチ
• 終端高さ
• 共面性
• 挿入方向
• プラスチックフラッシュ
• ショートショット
• ひび割れ
• 汚染
• 重要なプレモールド寸法
• 電気的連続性
• 絶縁抵抗
• ビジョンシステム検査

2回目の射出成形前に不良なプレモールドを除外することで、不適合部品に余分な材料、機械時間、および加工コストが加算されるのを防ぐことができます。

自動生産においては、キャビティの識別とトレーサビリティを初回成形部品に組み込むことも可能です。

2段階インサート成形プロセスを検討すべきなのはどのような場合か？

製品に以下の条件の1つ以上が含まれる場合、1回目の予備成形に続いて2回目のオーバーモールディングを行う方法を評価する必要があります。

• 複数の高精度端末
• 長いピンや変形しやすいピン
• ピン位置の公差が非常に厳しい
• 高圧オーバーモールディング
• 薄い断熱壁
• 複雑な電気的絶縁要件
• 防水性または漏水防止構造
• 高電圧沿面距離および空間距離の要件
• 繊細なセンサーや電子部品
• 複雑な金属-プラスチック界面
• さまざまな機能性プラスチック材料
• 自動挿入処理
• 大量生産
• 自動車業界または産業業界における厳格な品質要件
• 複数の挿入物間の重要な寸法関係

最終的な決定は、金型コストだけでなく、製造リスク全体に基づいて行うべきである。

ワンショット成形ツールは、当初は安価に見えるかもしれません。しかし、インサートの位置決めが不安定になったり、端子にバリが発生したり、漏れが生じたり、変形したり、不良率が高くなったりすると、総生産コストが大幅に上昇する可能性があります。

ワンショットインサート成形 vs. プレモールディングおよびオーバーモールディング

2段階プロセスは、すべての製品にとって必ずしも優れているわけではありません。追加の金型や製造工程を正当化できるほど、技術的なリスクを低減し、再現性を向上させる場合に、その価値が発揮されます。

結論：最初のショットが最終的なオーバーモールド製品の安定性を決定づける

高度なインサート成形においては、最終部品の品質は、多くの場合、最初のショットの成形前工程の品質に左右される。

最初のショットは、いくつかの重要な機能を果たす。

• 金属インサートを正確に位置決めし、支持します。
• 2回目の注射時にピンが動くのを防ぎます。
• 端子の位置合わせと寸法精度が向上します。
• それは制御された電気絶縁を作り出す。
• 金属端子周辺のフラッシュを低減します。
• 繊細なインサートを保護します。
• 機械的な連動機能を備えている。
• 密閉性と漏れ防止性能が向上します。
• 自動搬送および検査に対応しています。
• これにより、2回目のオーバーモールディングのための安定した基盤が構築されます。

コネクタ、センサー、バスバー、パワーエレクトロニクス、自動車部品、その他高信頼性が求められる製品においては、初回成形前のプレモールド工程は、不要な追加工程とみなすべきではない。

これは、柔軟性のある、あるいは寸法的に不安定な金属インサートを、一貫性があり、成形可能で、生産準備が整ったサブアセンブリに変換する上で、しばしば最も重要なステップとなる。

明力精密では、初回成形金型、二次成形金型、金属インサート、材料選定、成形パラメータ、自動化、品質管理戦略を、統合された製造システムとして評価しています。

Ming-Liは、精密金型設計とインサート成形生産の両方を理解することで、DFM（設計製造性）や金型製作から量産、最終検査に至るまで、顧客が安定した拡張性のあるオーバーモールディングソリューションを開発できるよう支援します。