日本語
プラスチック射出成形プロセス
作成日 01.04
射出成形プロセスフロー
射出成形プロセスは、主に、型締め、充填、保圧、冷却、型開き、離型の6つの工程で構成されます。この6つの工程が製品の成形品質を直接決定し、完全で連続的なプロセスを形成します。本章では、充填、保圧、冷却、離型の各工程に焦点を当てます。
充填工程
充填は、金型が閉じた瞬間から金型キャビティが約95%充填されるまで続く、射出成形サイクルの最初の段階を構成します。理論的には、充填時間が短いほど成形効率は高くなりますが、実際の生産では、成形時間（または射出速度）は多くの制約を受けます。
高速充填。高速充填時、せん断速度が上昇し、プラスチックはせん断減粘により粘度が低下するため、全体の流動抵抗が低減します。局所的な粘性加熱効果も、固化層の薄化に寄与します。したがって、流動制御段階では、充填される体積によって充填挙動が決まることがよくあります。つまり、この段階では、高速充填中の溶融物の顕著なせん断減粘効果が、薄肉部への冷却影響を通常上回り、速度効果が優位になります。
低速充填。熱伝導制御による低速充填では、せん断速度が低く、局所的な粘度が高く、流動抵抗が大きくなります。溶融プラスチックの補給速度が遅いため、流動は徐々に進行し、熱伝導効果が顕著になります。冷たい金型壁によって熱は急速に放散されます。粘性加熱が最小限であることに加えて、厚い固化層は薄肉部材の流動抵抗をさらに増加させます。
噴流の流体力学的な挙動により、プラスチック溶融物中のポリマー鎖は流動前面にほぼ平行に配向します。その結果、2つの溶融プラスチック流が合流すると、その界面のポリマー鎖は互いに平行になります。2つの溶融物の特性の違い（金型キャビティ内の滞留時間、温度、圧力の違い）が重なり、これにより合流部で微細構造的な弱さが生じます。部品を適切な角度で光にかざして肉眼で観察すると、はっきりとしたウェルドラインが視認できます。これがウェルドラインの形成メカニズムです。ウェルドラインはプラスチック部品の外観を損なうだけでなく、応力集中を起こしやすい緩やかな微細構造を示します。その結果、この部分の強度が低下し、破損につながる可能性があります。
一般的に、高温ゾーンで形成されるウェルドラインは、より優れた強度を示します。これは、ポリマー鎖が高温でより大きな可動性を示すため、それらが相互に浸透し、絡み合うことができるからです。さらに、高温領域では、2つの溶融流の温度が近くなり、メルトの熱特性がほぼ同一になるため、溶接領域の強度が向上します。逆に、低温ゾーンではウェルド強度は低下します。
保圧ステージ
保圧段階の目的は、圧力を継続的に印加し、溶融物を圧縮してプラスチックの密度を高める（高密度化）ことで、材料の収縮挙動を補償することです。保圧中、金型キャビティはすでにプラスチックで満たされているため、背圧は比較的高いです。保圧圧縮プロセス全体を通して、射出成形機のスクリューはわずかな増分でゆっくりとしか前進できず、プラスチックの流速も比較的遅くなります。この流れを保圧流と呼びます。保圧段階中、プラスチックは金型壁に対して急速に冷却・固化し、溶融粘度を急激に上昇させます。その結果、金型キャビティ内に大きな抵抗が生じます。保圧の後半に向けて、材料密度は増加し続け、部品は徐々に形状を成形します。保圧段階は、ゲートが固化してシールされるまで持続する必要があります。この時点で、保圧段階中のキャビティ圧は最大値に達します。
保圧段階では、比較的高い圧力のため、プラスチックは部分的な圧縮性を示します。圧力の高い領域では、プラスチックは密度が増加してより高密度になり、逆に圧力の低い領域では、密度が低下してより多孔質になります。その結果、密度分布は位置と時間の両方によって変化します。この段階を通して、プラスチックの流動速度は非常に低く、流動ダイナミクスはもはや支配的な要因ではなくなり、圧力が保圧プロセスに影響を与える主要な決定要因となります。この段階までに、プラスチックは金型キャビティを満たしています。徐々に固化する溶融物が、圧力伝達の媒体として機能します。キャビティ内の圧力は、プラスチックを介して金型壁面に伝達され、金型を膨張させようとする傾向を生じさせます。したがって、金型を固定するために十分な型締め力が必要です。通常の条件下では、金型膨張力は金型をわずかに広げ、ベントを助けます。しかし、過度の膨張力は、フラッシュ、スピル、さらには金型の分離を引き起こす可能性があります。したがって、射出成形機を選択する際には、金型の膨張を防ぎ、効果的な保圧を確保するために、十分な型締め力を備えた機械を選択する必要があります。
新しい射出成形環境条件下では、ガスアシスト成形、水アシスト成形、発泡射出成形などの新しい射出成形プロセスを検討する必要があります。
冷却工程
射出成形において、冷却システムの設計は極めて重要です。これは、成形されたプラスチック部品が、外部からの力による変形を防ぐために、取り出し前に一定の剛性まで冷却・固化させる必要があるためです。冷却時間は成形サイクル全体の約70%から80%を占めるため、適切に設計された冷却システムは、成形時間を大幅に短縮し、射出成形生産性を向上させ、コストを削減することができます。不適切に設計された冷却システムは、成形時間を延長させ、コストを増加させます。不均一な冷却は、プラスチック製品の反りや変形をさらに悪化させます。
実験によると、溶融物から金型に流入する熱は、主に2つの方法で放散されます。約5%は放射と対流によって大気に伝達され、残りの95%は溶融物から金型へ伝導されます。金型内では、プラスチック製品の熱は、キャビティ内のプラスチックから金型ベースを経て冷却水管まで熱伝導によって伝達され、そこで冷却流体によって対流によって運び去られます。冷却水によって除去されなかった少量の熱は、金型内で伝導を続け、最終的に外部環境との接触時に周囲の空気に放散されます。
射出成形における成形サイクルは、型締め時間、充填時間、保圧時間、冷却時間、突き出し時間から構成されます。この中で、冷却時間が最も大きな割合を占め、約70%から80%に達します。したがって、冷却時間はプラスチック製品の成形サイクル時間と生産量に直接影響します。型開き段階では、残留応力による緩和や、型開き時の外力による反り・変形を防ぐために、プラスチック製品の温度を耐熱変形温度以下に冷却する必要があります。
製品の冷却速度に影響を与える要因は次のとおりです。
プラスチック製品の設計において、肉厚は最も重要な考慮事項です。製品の厚みが大きいほど、冷却時間は長くなります。一般的に、冷却時間は製品の厚さの2乗、または最大ランナー径の1.6乗に比例します。つまり、製品の厚さを2倍にすると、冷却時間は4倍になります。
金型材料と冷却方法。金型コア、キャビティ、金型ベースに使用される材料は、冷却速度に大きく影響します。金型材料の熱伝導率が高いほど、単位時間あたりのプラスチックからの熱伝達が向上し、冷却時間が短縮されます。
冷却水管の構成。冷却水管が金型キャビティに近いほど、直径が大きいほど、本数が多いほど、冷却効果が高まり、冷却時間が短縮されます。
クーラント流量。冷却水の流量が大きいほど（一般的に乱流に達することが最適です）、冷却水は熱伝達によってより効果的に熱を除去します。
クーラントの特性。クーラントの粘度と熱伝導率係数も、金型の熱伝達効率に影響を与えます。クーラントの粘度が低いほど、熱伝導率が高くなり、温度が低くなり、冷却性能が向上します。
プラスチックの選定。これは、プラスチックが熱い領域から冷たい領域へ熱を伝導する能力を指します。熱伝導率が高いほど、熱伝達効率が向上します。あるいは、比熱容量が低いほど、プラスチックの温度はより容易に変動し、放熱を促進するため、冷却時間を短縮してより良い熱性能を達成できます。
プロセスパラメータ設定。材料温度が高い、金型温度が高い、突き出し温度が低いほど、冷却時間は長くなります。
冷却システムの設計原則：
冷却チャネルは、均一かつ迅速な冷却を確保するように設計する必要があります。
冷却システムの設計目的は、金型の適切な冷却と効率的な冷却を維持することです。冷却穴は、加工と組み立てを容易にするために標準的な寸法を採用する必要があります。
冷却システムを設計する際、金型設計者は、プラスチック部品の肉厚と体積に基づいて、以下の設計パラメータを決定する必要があります。冷却穴の位置と寸法、穴の長さ、穴の種類、穴の配置と接続、および冷却材の流量と熱伝達特性です。
離型工程
離型は射出成形サイクルの最終段階を構成します。製品はすでに冷却・固化していますが、離型プロセスは製品の品質に大きく影響します。不適切な離型方法では、取り外し時の力の分布が不均一になり、変形やその他の欠陥を引き起こす可能性があります。離型アプローチは主に2つあり、エジェクターピンによる離型とエジェクタープレートによる離型です。金型設計時には、品質を確保するために、製品の構造的特性に基づいて適切な離型方法を選択する必要があります。
エジェクターピンを使用する金型の場合、これらは可能な限り均一に配置し、離型抵抗が最も大きい場所、および部品が最大の強度と剛性を示す場所に配置する必要があります。これにより、プラスチック部品の変形や損傷を防ぎます。
エジェクタープレートは、通常、エジェクターピンの跡が許容されない深いキャビティ、薄肉の容器、および透明な製品に使用されます。この機構は、大きくて均一なエジェクト力をもたらし、スムーズに動作し、目に見える痕跡を残しません。
お問い合わせ
情報を残していただければ、こちらからご連絡いたします。