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技術解説

サーバーファンフレーム金型：製作前に決めておくこと

サーバーファンフレームは、モーターを支え、インペラ周囲の隙間を決め、シャーシに固定される部品です。そのため、剛性、平面度、真円度を同時に満たす必要があります。問題の多くは、金型設計前に決める材料、軸受チューブのインサート、ゲート配置、検査方法にさかのぼります。購入側の視点から、それぞれを説明します。

東穎（Suzhou Dongying Electronic Technology Co., Ltd.）は、中国・蘇州で金型製作と射出成形を行っています。電子機器の冷却部品や自動車部品の金型・成形品を製作し、冷却ファンフレーム・ハウジング、インペラ、ファンベースも扱っています。

サーバーファンフレームに求められる役割

要点：フレームはファンの基準部品です。剛性、平面度、穴位置が、ファン全体の組み立てや運転状態を左右します。

サーバーファンフレームに求められる役割
フレームの形状役割金型で検討する点
軸受チューブまたはハブ座モーターと軸受をファンの軸線上に保持する金属インサートを使うことが多く、内周シュラウドに対する位置が重要
支持リブ（スポーク）ハブと外枠をつなぐ薄肉で荷重がかかるため、ウェルドラインと繊維配向を考慮する
ベンチュリ部（羽根外周の内側シュラウド）羽根先端の周囲を囲む真円度と同心度が翼端隙間を決める
取付フランジと穴ファンをシャーシやファントレイに固定する平面度と穴位置を考慮し、横方向の型抜き機構が必要な場合がある
配線溝とクリップリード線を案内し、保持する小さなアンダーカットがあり、通常はスライドや傾斜コアを使う

フレーム材料の選び方

要点：ガラス繊維強化 PBT、PA66、PPS が一般的な候補です。使用温度、吸湿による変化、製品に必要な難燃等級で選びます。

フレーム材料の選び方
一般的な傾向（グレードによって異なる）PBT-GFPA66-GFPPS-GF
高温での剛性良好良好非常に良好
吸湿による寸法への影響小さい明確に現れる。吸水により部品が膨張する非常に小さい
難燃性難燃（FR）グレードが必要難燃（FR）グレードが必要多くのグレードは材料自体に難燃性がある
金型温度中程度中程度十分に結晶化させるため高め
金型の摩耗中程度中程度ガラス繊維や無機充填材を含む場合は大きい
相対的な材料費低め低め〜中程度高め

これは一般的な傾向です。候補を絞ったら、使用するグレードのデータシートを確認してください。製品に UL 94 等級が必要な場合、UL は試験した厚さで材料を評価するため、そのグレードの試験厚さとフレームの最小肉厚を照合します（UL Solutions）。PA66 の吸湿と PBT の加水分解については、ファンインペラ材料の比較で詳しく説明しています。

軸受チューブのインサート成形

要点：金属製の軸受チューブをインサート成形すると、後からスリーブを圧入する場合よりも、通常はハブの強度と位置精度を得やすくなります。ただし、インサートの仕様と供給条件を正しく決める必要があります。

Solvay の Ryton PPS 設計ガイドでは、ハブや軸受のような比較的大きな部品には、しまりばめよりインサート成形を一般に推奨し、荷重が樹脂ではなく金属を通って伝わる設計を求めています（Solvay）。ファンフレームでは通常、ローレットや溝を付けた金属チューブを金型内の位置決めピンで保持します。

次の点を早い段階で合意しておきます。

  • インサートの供給者と、適用する図面・改訂番号。
  • 金型内での位置決め方法と、穴位置の測定基準。
  • 内径を成形後のまま使うか、後加工で仕上げるか。

インサート成形に必要な情報もご覧ください。

支持リブ、ウェルドライン、平面度

要点：ゲート位置によってウェルドラインの位置とガラス繊維の配向が決まり、支持リブの強度とフレームの反りに影響します。

溶融樹脂はハブと内周シュラウドの周りで分岐して再び合流するため、どこかにウェルドラインが生じます。Ryton ガイドによると、ガラス繊維が合流面を横断しないため、ウェルドラインは樹脂の割合が高くなり、強度が低下します。そのため、荷重の小さい場所に配置し、高速射出、十分な保圧、合流部の良好なガス抜きを考慮するよう推奨しています（Solvay）。同ガイドは、ガラス繊維強化 PPS の強度が流動直角方向より流動方向で高いことも説明しています。

実際の設計では、支持リブの根元や荷重のかかる取付穴にウェルドラインを置かず、可能な限りリブに沿って流し、四隅への充填を均等にして取付面の平面度を保ちます。金型鋼材の加工前に、実際のグレードを使った流動解析でゲート案を比較します。後から反りを修正するには、通常、成形条件の変更や金型修正が必要になります。

翼端隙間とベンチュリ部の真円度

要点：羽根先端と内周シュラウドの隙間は圧力と効率に影響します。そのため、内周の真円度と軸受チューブに対する位置を独立した検査項目にします。

軸流ファンの研究では、翼端隙間からの漏れ流れが渦を生んで効率を下げ、その影響はファンがより高い圧力に対抗して運転するほど大きくなることが示されています（ダルムシュタット工科大学 Pelz、Karstadt）。サーバーファンはこうした高圧の動作点で使われることが多くあります。内周シュラウドが楕円形だったり、軸受チューブに対して偏心していたりすると、接触を避けるために公称隙間を大きくする必要があります。

金型では、均一な肉厚、シュラウド周辺の均等な冷却、安定したコアの芯合わせが真円度を左右します。図面では、内周シュラウドと軸穴に共通のデータム体系を設定し、フレームとインペラを同じ基準で検査します。

ガラス繊維強化フレームの金型構造

要点：ガラス繊維強化材料は金型を摩耗させます。鋼材、交換式ゲートインサート、金型温度制御は、想定する生産寿命に合わせて選びます。

Solvay は、PPS 中のガラス繊維や無機充填材には摩耗作用があると説明し、長期生産用金型には焼入れ工具鋼を推奨しています。特にゲートで摩耗が大きいため、交換式ゲートブロックを使うことが多いとも述べています（Solvay）。同ガイドは、金型温度が PPS の結晶化度と寸法安定性に大きく影響する点も強調しています。ガラス繊維強化 PBT や PA66 も、長期生産ではゲートや流速の高い部分を摩耗させます。側面の穴や配線クリップにはスライドや傾斜コアが必要になり、内周シュラウドの周囲を均等に冷却すると真円度と平面度を保ちやすくなります。

見積依頼に必要な情報

要点：フレームの外形寸法だけでなく、形状、材料要件、検査方法を伝えてください。

  • 改訂番号付きの 3D モデルと図面。軸穴、内周シュラウド、取付穴のデータム体系を含めます。
  • 材料グレードまたは承認済みの代替材料、色、製品規格で必要な難燃等級。
  • 軸受チューブなどのインサート図面と供給者。
  • 重要形状：穴位置、内周シュラウドの真円度、取付面の平面度、取付穴の位置。
  • 測定条件。例えば PA66 を成形後の乾燥状態で測るか、調湿後に測るか。
  • 年間数量と想定する金型寿命。
  • 金型をお客様に引き渡すか、東穎に保管して成形品を供給するか。金型と供給範囲をご覧ください。

検査と承認、金型製作の進め方もご確認ください。

よくある質問

ファンフレーム金型とは何ですか？

軸流冷却ファンの樹脂ハウジングを成形する射出成形金型です。外枠、取付フランジ、支持リブ、内周シュラウド、ハブまたは軸受チューブ座を成形します。サーバーファン向けでは、金属軸受チューブのインサート成形、穴や配線クリップのための横方向の型抜き機構、ウェルドライン、反り、インペラ周囲の内周シュラウドの真円度を制御するゲート配置が含まれることが多くあります。

サーバーファンフレームにはどの材料が最適ですか？

すべてに最適な材料はありません。ガラス繊維強化 PBT は吸湿が少なく、コスト面でも選びやすい一般的な材料です。ガラス繊維強化 PA66 は靭性がありますが、吸水によって寸法が変わります。ガラス繊維強化 PPS はより高い温度でも剛性を保ち、吸水が非常に少なく、多くのグレードは材料自体に難燃性がありますが、材料費が高く、金型温度も高くする必要があります。使用温度、難燃等級、寸法要件に応じて選び、お客様の試験で確認してください。

軸受チューブはインサート成形と圧入のどちらがよいですか？

多くのサーバーファンフレームでは、金属軸受チューブのインサート成形のほうが高い強度を得やすい方法です。Solvay などの材料サプライヤーは、ハブや軸受ではしまりばめよりインサート成形を一般に推奨しています。後から圧入する方法も使えますが、工程が増え、穴周辺の樹脂に応力がかかる場合があります。どちらの場合も、インサート図面、供給者、位置の測定方法を決めておきます。

成形後にファンフレームが反るのはなぜですか？

通常は不均一な収縮が原因です。ガラス繊維は流動方向に配向するため、流動方向と直角方向で収縮量が異なります。四隅への充填が不均等なフレームはねじれやすくなります。冷却の不均一さやハブ付近の厚肉部も影響します。ゲート配置、均等な充填、均一な肉厚、均等な冷却が主な対策であり、金型鋼材の加工前に流動解析で確認します。

フレームはファン性能にどう影響しますか？

フレームは羽根先端と内周シュラウドの隙間を決めます。軸流ファンの研究では、この翼端隙間からの漏れ流れが効率を下げ、サーバーファンで多い高圧運転時には特に影響が大きいことが示されています。内周シュラウドが楕円形だったり、軸受チューブから偏心していたりすると、隙間を大きくする必要があります。フレームの剛性、取付面の平面度、支持リブの設計も、システム内でのファンの挙動に影響します。

ファンフレーム金型の相談には何を送ればよいですか？

改訂番号とデータムが入った 3D モデル・図面、希望または承認済みの材料グレード、製品に必要な難燃等級、インサート図面と供給者、穴位置や内周シュラウドの真円度などの重要形状、測定方法、年間数量、想定する金型寿命をお送りください。金型を引き渡すか、東穎に保管して成形品を供給するかもお知らせください。これらの情報を基に金型の進め方を検討できます。

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参考資料

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