24キャビティPETプリフォーム金型における「高効率」と「安定性」の両立方法

―あるブランド向け1.5Lミネラルウォーター用プリフォームの大規模量産プロジェクトに関する報告書

先月、当社は中国東部地区の大型飲料包装会社に24キャビティPETプリフォーム金型を納入し、当社の高速射出成形機と組み合わせました。現在、1日あたり100万個以上のプリフォームを安定的に量産しています。本プロジェクトは典型的なものであり、遭遇した課題およびその解決策の一部は、議論・共有する価値があります。

I. 顧客のコアニーズ：単なる「複数キャビティ」ではなく、「各キャビティが完全に同一であること」

顧客のニーズは非常に明確でした。

1. 極めて高い生産性：ピークシーズンにおける1.5Lペットボトル入り飲料水の巨大な需要に対応するため、金型あたりの成形サイクル数（出力）を増加させることが不可欠です。

2. 絶対的な安定性：24キャビティ構成において、重量・寸法・結晶性などのわずかなばらつきでも、ブロー成形工程での歩留まり低下や、オンライン検出装置による頻繁なアラーム発報を招き、これは生産ラインにとって到底許容できません。

3. コストのコントロール：上記2つの要件を満たす前提で、メンテナンスの容易性と金型寿命の長期化を実現しなければなりません。

要するに、顧客が求めていたのは単に「24キャビティが稼働すること」ではなく、「24個の『同一』キャビティが同期的かつ安定的に稼働すること」でした。

II. 当社のソリューション：すべてのディテールにおいて「バランス」を実現

24キャビティによる流動長の差異が大きく、熱分布が不均一になるという古典的な課題に直面し、当社は金型メーカーと連携して、以下の主要な設計決定を最終的に確定しました：

1. ホットランナーシステム：選定とレイアウトが生命線

• 「マルチポイントバルブピン＋ホットノズルの同時開口」方式を採用。これは極めて重要な判断であった。シングルポイントバルブピンと比較して、溶融樹脂がすべてのキャビティに同時に充填され、より均一な圧力および温度で成形されるため、充填順序の違いに起因する差異を根本的に低減できる。

• 層別・ゾーン別による高精度温度制御。ホットランナープレートを独立した温度制御ゾーンに分割し、主入口から離れた「弱い」ランナーに対して温度補償を行うことで、各ノズル先端における溶融状態の一貫性を確保する。

2. 冷却システム：「コンフォーマル冷却」と効率的なレイアウト

• 冷却はプリフォーム金型の核となる要素です。当社では、高熱伝導性材料で作られた金型コアを採用し、内部にらせん状乱流冷却チャンネルを設計することで、各プリフォームが迅速かつ均一に冷却されることを保証しています。不均一な冷却は、プリフォームの収縮率および結晶化度のばらつきを直接引き起こします。

• 金型フロー解析を繰り返し行い、水路配置を最適化することで、24個の成形穴における冷却効率のばらつきを5％以内に制御しています。

3. 金型構造および精度：剛性と微調整の保証

• 超高剛性を実現する大型金型プレート設計。24個の成形穴によって生じる大きな射出圧力に対応するため、金型プレートには極めて高い変形抵抗性が求められ、これは長期的な安定性の基盤となります。

• 主要部品（例：金型コアおよび成形穴）は、輸入の高硬度鋼材を用いて製造され、すべて温度管理された作業場内で高精度機械加工されています。これにより、成形穴間の一貫性が確保されます。

• シンプルな微調整機構が備わっています。試作成形段階において、個別のホットランナーのシムを微調整することで充填バランスを取ることができ、これは多腔金型の最終的なキャリブレーションにおいて極めて重要です。

III. 射出成形機との連携：「良馬には良鞍が必要」 金型の設計がいかに優れていても、最終的には成形機上で稼働する必要があります。当社の高速射出成形機は、以下のような重要な役割を果たしました：

• 極めて高い射出速度および応答性：PET溶融樹脂を最適な状態で迅速に充填し、せん断熱による過熱や早期冷却によって引き起こされる材料劣化および性能ばらつきを回避します。

• 安定したクローズドループ制御：成形機による射出圧および保圧の高精度制御は、金型内の微細な差異に対処する最後の防衛ラインであり、各金型における工程パラメーターを狭く最適な範囲内に厳密に制御することを可能にします。

• 短い成形サイクル時間：高効率冷却金型と組み合わせることで、金型の開閉時間および射出時間（エジェクション時間）が極限まで最適化され、24個の成形穴を活かした安定したサイクル時間11秒未満を実現しました。

IV. プロジェクト成果および顧客価値　試作成形およびパラメーター最適化を3週間実施した結果、本プロジェクトは目標を達成しました：

• 生産効率：サイクル時間が10.8秒で安定し、理論上の1日あたり生産能力は110万個を超えることから、顧客要件を十分に満たしています。

• 製品の一貫性：任意の成形穴からランダムに選定されたプリフォームの重量公差は±0.15グラム以内で安定しており、口部寸法および結晶度もすべて規格を満たしています。

• 生産の安定性：72時間にわたる連続生産検証において、金型由来のダウンタイムや品質変動は一切発生せず、ブロー成形ラインの歩留まり率は99.7％を超えています。

V. 学びと振り返り　本プロジェクトは、再び一つの原則を確認しました。多腔型金型における競争力は「数量」ではなく、「均一性」にあります。これは、ホットランナーの選定、冷却設計、機械加工精度、射出成形プロセスに至るまでの体系的な統合能力を試すものです。どの工程においても一点の弱みが存在すれば、それが24という数字によって指数関数的に拡大されてしまいます。

当社にとって、納品の成功はゴールではありません。本金型は現在、当社のリモート監視システムに統合されており、その継続的な安定運転こそが、当社とお客様との間で共有される価値の真の体現です。