私たちの身の回りにある工業製品の多くは、「金型」を使って大量生産されています。スマートフォンの筐体、自動車部品、家電製品、日用品に至るまで、その多くが金型によって形づくられています。しかし、製造業に関わり始めたばかりの方にとっては、「金型とは何か」「どんな種類があるのか」「設計はどのように行われるのか」が分かりにくい分野でもあります。
金型の基本概念から代表的な成形法、さらに3D CAD・CAE・DFMといった設計支援ソフトを活用した金型設計の流れまで、初心者向けにわかりやすく解説します。
金型とは？
金型とは、材料を特定の形状に成形するための「型」のことです。主に金属で作られ、溶かした樹脂や金属を流し込んだり、板材を押し当てたりすることで、同じ形状の製品を繰り返し作ることができます。一度金型を作れば、寸法や形状が揃った製品を大量かつ安定して生産できる点が、金型の最大の特徴です。
金型は単なる「型」ではなく、品質・コスト・生産性を左右する重要な要素です。例えば、金型設計が適切であれば、成形不良が減り、材料ロスや手直し工数を抑えることができます。逆に、設計段階での検討が不十分だと、量産開始後に不具合が多発し、大きな損失につながることもあります。金型は、「モノづくりの成否を決める中核技術」と言える存在なのです。
様々な金型の種類と成形法
射出成形金型
射出成形金型は、溶かした樹脂を金型内に高圧で注入し、冷却・固化させて製品を作る方式です。プラスチック製品の多くは、この射出成形によって作られています。複雑な形状を一体成形でき、量産性にも優れているため、家電部品や自動車内装部品など幅広い分野で利用されています。一方で、ゲート位置や冷却構造など、金型設計の良し悪しが品質に大きく影響します。
ダイカスト金型
ダイカスト金型は、アルミや亜鉛などの溶融金属を高速・高圧で金型に注入する成形法です。金属でありながら高い寸法精度と滑らかな表面品質を実現できる点が特徴です。自動車部品や産業機械部品など、強度と量産性が求められる分野で多く使われています。金型には高い耐久性が求められ、冷却や離型を考慮した設計が重要になります。
プレス金型
プレス金型は、金属板を打ち抜いたり、曲げたり、絞ったりして成形するための金型です。自動車のボディ部品や電気部品などで広く使用されています。単工程の金型だけでなく、複数工程を連続して行う順送金型などもあり、生産効率を大きく左右します。板厚や材料特性を考慮した設計が不可欠です。
ソフトウェアを活用した金型設計
CAD：金型設計の基盤
金型設計では、CADソフトを用いて金型の各部品を3Dで設計します。例えば「ZW3D」は、製品モデルから金型構造まで一貫して扱える3D CADソフトの一つです。製品形状を基に、パーティングラインの検討やキャビ・コアの作成、スライド構造の設計などを3Dで確認できます。金型構造を立体的に把握できるため、干渉や組み立て性を設計段階で確認しやすい点が特徴です。
ZW3Dを使った金型設計は、製品モデルの確認 → 型割り → キャビ・コア作成 → 構造設計 → 図面化という流れで進めていくことができます。例えば、射出成形金型の場合、一般的には次のような手順で設計を進めます。
1.製品3Dモデルの確認と成形性検討
まず製品3Dモデルを確認し、抜き勾配・アンダーカット・肉厚の偏りなどをチェックして成形性を検討します。初期段階で問題点を把握しておくことで、後工程での手戻りを防ぐことができます。
2.パーティングラインの検討
次に、金型の開閉方向や固定側・可動側の分割位置を検討し、パーティングラインを設定します。3Dモデル上で形状を確認しながら検討できるため、複雑形状でも判断しやすくなります。
3.キャビ・コアの作成
パーティングラインが決まったら、製品形状を基にキャビ（凹）とコア（凸）を作成します。収縮率の考慮やオフセット処理などを行い、型内形状を仕上げていきます。
4.スライド・入子構造の設計
アンダーカットなどがある場合は、スライドや入子を追加します。3D上で干渉や動作方向を確認しながら設計することで、組立後の不具合を防止できます。
5.金型全体の構造設計
プレート構成、エジェクターピン、ガイドピン、ボルトなどを配置し、金型全体の構造を組み上げます。アセンブリ機能により、各部品の関係性を把握しながら設計できます。
6.図面作成と製造データ出力
完成した3Dモデルから図面を作成し、必要に応じて加工用のNCデータを出力します。
ZW3Dで金型設計をしている様子
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CAE：事前に問題を見つける
CAE（Computer Aided Engineering）は、成形シミュレーションや構造解析を行うためのツールです。射出成形であれば、樹脂の流れや充填状態、反り・ヒケの予測などを事前に確認できます。これにより、金型を作る前に問題点を洗い出し、設計を修正することが可能になります。結果として、試作回数の削減や立ち上げ期間の短縮につながります。
DFM：そもそも作れるかをチェック
DFM（Design for Manufacturing：製造性考慮設計）は、「その設計が製造に適しているか」を確認する考え方です。DFMツールを使えば、肉厚の偏りやアンダーカットの有無、抜き勾配不足などを自動でチェックできます。金型設計に入る前の段階で問題点を把握できるため、後戻りの少ない設計が可能になります。
ZW3Dで抜き勾配をチェックしている画面例
金型設計に関するよくある質問
金型設計は製品設計と何が違うのですか？
製品設計は「使うための形」を考えるのに対し、金型設計は「作るための形」を考える点が大きな違いです。成形方法や量産条件を踏まえた視点が求められます。
初心者が金型設計を学ぶには何から始めれば良いですか？
まずは成形法の基礎知識と、簡単な製品形状を使ったCAD操作から始めるのがおすすめです。3Dで構造を理解することが近道になります。
まとめ
金型は、製造業における品質・コスト・生産性を支える重要な技術です。射出成形、ダイカスト、プレスなど成形法ごとに金型の役割や設計ポイントは異なりますが、共通して言えるのは「設計段階での検討が極めて重要」であるという点です。
近年は、CAD・CAE・DFMといったツールを活用することで、経験だけに頼らない合理的な金型設計が可能になっています。ZW3Dのような統合型CADを活用しながら、製品設計と金型設計をつなぐ視点を持つことが、これからのモノづくりには欠かせません。ZW3Dでは、CAM機能を使用して設計した金型を切削するための加工プログラムを作成することもできます。
ZW3DのCAM操作画面例
重要なのは、単に形を作るのではなく、「どう作り、どう量産するか」を常に意識することです。ZW3Dの3D環境を活用することで、金型設計の考え方を視覚的に理解しやすくなり、設計品質の向上につながります。
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筆者プロフィール（小原照記 おばらてるき）
いわてデジタルエンジニア育成センターのセンター長、3次元設計能力検定協会の理事長も務める。3D CADを中心とした講習会を小学生から大人まで幅広い世代の人に行い、3Dデータを活用できる人材を増やす活動や企業へ技術的なサポート支援もしている。WEBブログやSNS、YouTubeを「テルえもん」という名前で情報発信中。