射出成形用スクリューとバレル – 設計とヒント

射出成形スクリューとバレルは一体化した部品です。射出成形スクリューとバレルは連携して、溶融プラスチックを可塑化し、金型に注入します。スクリューはバレル内で回転し、プラスチック材料を混合して加熱し、溶融状態になるまで続けます。プラスチックが十分に可塑化されると、スクリューが前進し、溶融プラスチックをノズルから金型キャビティに押し込みます。

スクリューを収容するバレルは、可塑化プロセスのための制御された環境を提供し、材料の温度と圧力を一定に保ちます。この記事では、射出成形スクリューとバレルの詳細な概要と、設計のヒントについて説明します。

射出成形におけるスクリューとバレルの役割

スクリューの主な機能は、熱と機械的圧力を加えることでプラスチック材料を溶かし、バレルを通して輸送することです。供給ゾーン、圧縮ゾーン、計量ゾーンがあります。各ゾーンは、射出前にプラスチックを固体状態から均質な溶融状態に処理する特定の役割を担っています。

バレルはスクリューを覆い、加熱ゾーンを通して温度制御を維持します。これにより、スクリューによって搬送される材料の溶融が一定に保たれます。バレルに摩耗や損傷があると、材料の劣化、加熱の不均一、部品の品質低下につながる可能性があります。

射出成形スクリューの設計上の考慮事項

スクリューの設計は、処理する材料と特定の用途に基づいてカスタマイズする必要があります。適切なスクリュー設計により、溶融の均一性、スループット、および全体的なプロセス効率が大幅に向上します。設計上の重要な考慮事項は次のとおりです。

ネジのサイズと寸法

スクリューの直径 (D) は射出量と密接な関係があります。この関係は次のように定義されます。

噴射量（V）＝1/4π×D²×（噴射ストローク）×0.85

一般的に、スクリュー直径の二乗 (D²) は最大射出圧力に反比例します。スクリュー直径が大きいほど押し出し速度が上がり、次のように表すことができます。

押し出し速度（Q）＝1.29 × D² × Hm × Nr × 60 / 1000（kg/時）

どこ：

• Nr スクリューの速度です。
• D ネジの直径は
• Hm 飛行深度は

L/D 比 (長さ対直径比)

L/D 比は、スクリューの作業長さと直径の比です。L/D 比が高いほど、混合と溶融に長い時間をかけられるため、一般的に可塑性が向上します。PC や POM などの熱安定性材料の場合、L/D 比は 22:1 ～ 24:1 が推奨されます。熱に弱い材料の場合、L/D 比を短くすると (14:1 ～ 18:1)、過度の加熱や材料の劣化を防ぐことができます。

圧縮比

圧縮比とは、供給ゾーンのスクリュー チャネルの深さと計量ゾーンのスクリュー チャネルの深さの比率を指します。圧縮比が高いほど、材料の密度が高まり、溶融品質が向上するとともに、閉じ込められた空気の排出にも役立ちます。

非結晶性プラスチックの場合、材料の体積が十分に収縮しない可能性があるため、詰まりを防ぐために、より長い圧縮ゾーンが必要です。通常、スクリューの長さの約 25% を占める結晶性プラスチックの場合、ナイロンなどの特定の材料では、約 15% のより短い圧縮ゾーンが必要です。高粘性の難燃性材料の場合、このゾーンはスクリューの長さの 40～50% まで拡張できます。

運用パラメータの最適化

スクリューの設計に加えて、射出成形プロセスの動作パラメータは可塑化と最終製品の品質に大きく影響します。考慮すべき重要なパラメータは次のとおりです。

スクリュー速度

スクリューの回転速度は、スクリュー チャネル内のプラスチックに作用するせん断力に影響し、その結果、可塑化に影響します。小さいスクリューの場合、速度を上げると可塑化効率が高まりますが、大きいスクリューの場合、速度が速すぎると不均一な溶融や過度の摩擦熱が生じる可能性があります。通常、スクリュー速度は 100 ～ 150 rpm に維持されます。PVC などの熱に敏感な材料の場合、劣化を防ぐために表面速度を 0.5 m/s 未満に維持する必要があります。

背圧

計量中の背圧は、溶融プラスチックの密度と均一性を高め、未溶融粒子の除去に役立ちます。ただし、背圧が高すぎると熱に弱いプラスチックが劣化する可能性があり、背圧が不十分だと最終製品に気泡が生じる可能性があります。溶融品質を最適化し、スムーズな射出を確実にするために、背圧は材料に応じて調整する必要があります。

加熱温度

スクリューとバレルの加熱温度は、 プラスチックが溶ける 状態。過熱を防ぐために、温度設定は通常、プラスチックの融点よりわずかに低くする必要があります。PE や PP などの結晶性材料の場合、セグメント化された温度制御により、スクリューのさまざまなゾーンが適切に加熱されますが、PVC などの熱に敏感な材料の場合は、分解を防ぐためにより正確な制御が必要です。

結晶性プラスチックの温度制御:

プラスチックタイプ	バレル温度 (°C)	ノズル温度 (°C)	射出圧力（Kg/cm²）
PP	200 – 270	210 – 280	400 – 1,000
HDPE	210（180まで冷却）	200 – 220	500 – 1,500
アセタール	220 – 270	230 – 280	400 – 1,000
PA6 / 66	260 – 280	270 – 310	600 – 1,500
デルリン	180 – 200	190 – 220	800 – 1,100
PA6	225 – 280	240 – 280	700 – 1,000

非結晶性プラスチックの温度制御：

プラスチックタイプ	バレル温度 (°C)	ノズル温度 (°C)	射出圧力（Kg/cm²）
ABS	200 – 230	200 – 240	800 – 1,500
PC	260 – 310	280 – 320	800 – 1,500
修正PPO	240 – 280	250 – 300	850 – 1,400
PMMA	180 – 220	200 – 230	700 – 1,500
PS	180 – 240	190 – 260	400 – 1,300
硬質PVC	165 – 185	175 – 195	1,000 – 1,500

L/D比の影響

L/D 比が高いほど材料の供給が均一になりますが、プラスチックの過熱につながる可能性もあります。熱安定性に優れたプラスチックの場合は、長いスクリューを使用して燃焼のリスクなしに混合を強化できます。逆に、熱に弱いプラスチックの場合は、短いスクリューまたは端にねじ山のないスクリュー設計をお勧めします。

材料タイプ	L / D比	特徴/効果
熱硬化性プラスチック	14-16	劣化のリスクを最小限に抑えながら、熱に敏感な材料を処理するのに適しています。
硬質PVC、高粘度PU	17-18	熱に敏感な材料に推奨され、過熱することなく適切な可塑化を保証します。
一般プラスチック	18-22	混合と溶融の効率をバランスさせ、幅広いプラスチックに最適です。
高温安定性プラスチック（PC、POM）	22-24	熱安定性に優れたプラスチックに適しており、材料劣化のリスクなしに混合を強化します。
着色済みペレット（色混合）	12-16	あらかじめ着色されたペレットの成形中に色の変化を最小限に抑えます。
カラーマスターバッチ混合	16-18	フィードゾーン内でカラーマスターバッチを混合するのに適しており、一貫した品質と色のばらつきの低減を実現します。
高分散・混合（カラー）	20-24	供給ゾーンでの着色剤の均一な分散を保証し、最終製品の物理的特性を維持します。

バレルの設計と材料の考慮

バレルは、摩耗や腐食に耐えながら高温や高圧に耐えられる耐久性のある材料で作られている必要があります。

材料組成

射出成形スクリューとバレルは、通常、成形プロセスに伴う高温と高圧に耐えられる高性能材料で作られています。一般的な材料には、38CrMoAlA、42CrMo、SKD61、および Fe ベース、Ni ベース、タングステン カーバイドなどのバイメタル組成があります。これらの材料は、耐摩耗性、耐腐食性、高硬度を備えており、長い耐用年数と一貫したパフォーマンスを保証します。

バレルの内径は、スクリューの外径と正確に一致して、しっかりとフィットし、材料の漏れを防ぐ必要があります。バレルは複数のゾーンに分割されており、各ゾーンにはバレル内を移動する材料の温度を制御するための独自の加熱要素があります。

窒化とクロムメッキ

スクリューとバレルの耐久性をさらに高めるために、 表面処理 窒化処理やクロムメッキなどの処理がよく施されます。窒化処理は表面層の硬度を高め、通常、ケースの深さは 0.45 ～ 0.7 mm に達します。一方、クロムメッキは 0.025 ～ 0.10 mm の保護層を提供します。これらの処理により、耐摩耗性と耐腐食性が大幅に向上し、部品の寿命が延びます。

射出成形スクリューとバレルのメンテナンスと検査

射出成形スクリューとバレルの定期的なメンテナンスと検査は、早期摩耗を防ぎ、一貫したパフォーマンスを確保するために不可欠です。主なメンテナンス作業は次のとおりです。

• クリーニング: スクリューとバレルを定期的に清掃し、溶融品質に影響を与える可能性のある残留プラスチックや汚染物質を除去します。
• 検査: スクリューとバレルに摩耗、ひび割れ、腐食の兆候がないか検査します。ダウンタイムや製品品質の問題を回避するために、摩耗したコンポーネントをすぐに交換してください。
• 潤滑: 摩擦と摩耗を減らすために、スクリューとバレルが適切に潤滑されていることを確認してください。

まとめ

射出成形スクリューとバレルは、 射出成形 射出成形プロセス、およびその設計とメンテナンスは、一貫した製品品質の実現とダウンタイムの削減に不可欠です。材料の組成、表面処理、スクリューの設計、バレルの設計を理解し、メンテナンス、温度制御、材料の取り扱いに関する実用的なヒントに従うことで、メーカーは射出成形機のパフォーマンスを最適化し、高品質のプラスチック製品を製造できます。