プラスチックの収縮が射出成形部品の品質に与える影響

射出成形は、射出成形またはインジェクション モールディングとも呼ばれ、熱可塑性材料と熱硬化性材料の両方から部品を製造する製造プロセスです。主に、高精度で単位あたりのコストが低いプラスチック部品の大量生産に使用されます。ただし、このプロセスではプラスチックの収縮が一般的な問題であり、最終製品の品質と寸法精度に大きな影響を与える可能性があります。

プラスチックの収縮を理解する

プラスチック収縮とは、プラスチック部品を成形して冷却した後に寸法が小さくなる現象を指します。この現象は、次のようなさまざまな欠陥を引き起こす可能性があります。 反り, ヒケ、寸法の不正確さなど、さまざまな問題があります。収縮は、溶融プラスチックと凝固プラスチックの密度の差によって発生します。プラスチックが冷却されると、液体から固体への相転移が起こり、体積が減少します。通常、収縮はこれらの変数に応じて 0.5% ～ 2% の範囲になります。

射出成形における収縮の種類

1. 冷却収縮

冷却収縮は、射出成形プロセス中に発生する収縮の主な形態です。これは、溶融材料が固体状態に移行し、室温まで冷却されるときに発生します。冷却速度は、部品の厚さや金型の熱伝導率などの要因によって大きく異なります。厚い部分は冷却が遅くなるため、薄い部分に比べて収縮が大きくなり、寸法の不一致が生じることがあります。

2. 結晶収縮

半結晶性ポリマーの場合、結晶収縮は部品の品質に重要な役割を果たします。このタイプの収縮は結晶化プロセス中に発生し、材料が冷却されるにつれてポリマー鎖の配置が変わります。結晶化度は寸法安定性に影響し、ばらつきによって収縮が不均一になり、完成品に反りが生じる可能性があります。

3. 後処理収縮

成形プロセス後、部品は吸湿や温度の変動などの環境要因により収縮し続ける場合があります。この後処理収縮は、時間の経過とともに成形部品の最終的な寸法と特性に影響を与える可能性があります。たとえば、湿気にさらされると膨張し、その後乾燥したり熱にさらされたりするとさらに収縮する可能性があります。

プラスチックの収縮の原因

射出成形プロセスを最適化し、高品質の部品を生産することを目指すメーカーにとって、プラスチックの収縮の原因を理解することは不可欠です。プラスチックの収縮に寄与する主な要因は次のとおりです。

冷却速度

金型キャビティ内のプラスチックの冷却速度は重要な要素です。冷却速度が速すぎると、プラスチックが急速に固まり、内部応力と残留熱によって材料が不均一に収縮して収縮を引き起こします。逆に、冷却速度が遅すぎると、プラスチックの緩和時間は長くなりますが、熱に長時間さらされることで反りや変形が生じる可能性もあります。

熱収縮

溶融プラスチックが金型に注入されると、冷却が始まります。温度が下がると熱収縮が起こり、収縮が起こります。冷却速度は成形部品のセクションによって大きく異なる場合があり、その結果、収縮が不均一になり、反りが生じる可能性があります。

成形圧力

射出成形では、圧力をかけて溶融プラスチックを金型のキャビティに押し込みます。成形圧力が不十分だと、金型への充填が不完全になり、空隙が生じて収縮する可能性があります。逆に、圧力が高すぎると、プラスチックに応力と歪みが生じ、冷却中に収縮する可能性もあります。

材料特性

使用されるプラスチックの種類、メルトフローインデックス (MFI)、結晶化の程度はすべて収縮挙動に影響します。たとえば、結晶化によって体積が減少するため、結晶性の高いプラスチックは非晶質プラスチックよりも収縮する傾向があります。

金型設計

ゲート サイズ、ランナー レイアウト、キャビティ壁の厚さなどの金型設計は、収縮に大きく影響します。ゲート サイズやランナー設計が適切でないと、プラスチックの流れが制限され、充填が不完全になり、収縮が発生します。同様に、金型壁の厚さにばらつきがあると、冷却が不均一になり、収縮が起こります。

処理パラメータ

射出速度、保持圧力、射出温度などの要因はすべて収縮に影響します。射出速度はプラスチックの流動挙動に影響し、保持圧力は金型キャビティが完全に充填されることを保証し、冷却中の材料の収縮を補正します。射出温度が高すぎるとプラスチックが劣化する可能性があり、低すぎると完全に溶融せず、不完全な充填と収縮につながる可能性があります。

プラスチックの収縮が部品の品質に与える影響

プラスチックの収縮の影響は、用途や必要な許容範囲によって異なります。一般的な影響は次のとおりです。

• 寸法の不正確さ: 部品が設計仕様を満たさない可能性があり、組み立ての問題が発生し、生産コストが増加する可能性があります。
• 反りと変形: 収縮が不均一になると部品が歪んで、機能性や美観に影響を及ぼす可能性があります。
• 表面欠陥: 収縮によりヒケなどの表面欠陥が発生し、部品の外観や性能が損なわれる可能性があります。

プラスチックの収縮を最小限に抑える戦略

高品質の射出成形部品を確保するには、収縮の影響を軽減するためのいくつかの戦略を実施できます。

材料の選択

収縮率が低い材料や寸法安定性に優れた材料を選択すると、収縮の問題を軽減できます。さまざまなポリマーの特定の収縮特性を理解することが重要です。

参考までに、射出成形プラスチック材料の一般的な収縮率 10 種類を以下に示します。

材料	収縮率（％）
ポリエチレン（PE）	1.5 – 2.5
ポリプロピレン（PP）	1.0 – 1.5
ポリスチレン（PS）	0.5 – 1.0
アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）	0.5 – 0.8
ナイロン（PA）	1.5 – 2.5
ポリカーボネート（PC）	0.5 – 0.7
ポリ塩化ビニル（PVC）	0.4 – 0.6
ポリエチレンテレフタレート（PET）	0.3 – 0.5
熱可塑性エラストマー（TPE）	0.8 – 1.5
アセタール（POM）	1.0 – 2.0

最適化された金型設計

金型自体の設計は、収縮を管理する上で重要な役割を果たします。効果的な方法の 1.5 つは、金型全体で冷却が均一になるように冷却チャネルを設計することです。一般的なガイドラインは、冷却チャネル間の距離を部品の厚さの約 5 倍に維持することです。たとえば、部品の厚さが XNUMX mm の場合、温度分布が均一になるように冷却チャネルの間隔を適切に設定する必要があります。

さらに、メンテナンス 金型温度 20°C ～ 40°C の温度に維持することで、冷却効率が向上し、収縮のばらつきが軽減されます。ファン ゲートやタブ ゲートなどの特定のゲート設計を組み込むことで、流動性が向上し、厚い部分での問題が最小限に抑えられ、一貫した充填と冷却が保証されます。

プロセスパラメータ制御

収縮の影響を軽減するには、プロセス パラメータを微調整することが重要です。射出速度の調整は重要な要素の 30 つです。充填中のせん断応力を最小限に抑えるには、通常、50 ～ 700 cm/s の中程度の射出速度が推奨されます。適切な射出圧力 (通常は 1400 ～ XNUMX bar) を維持することで、金型が完全に充填されます。これは、複雑なデザインの部品には不可欠です。

さらに、壁の厚さに基づいて冷却時間を最適化することも重要です。一般的な目安としては、壁の厚さ 1.5 mm ごとに約 3 ～ 10 分の冷却時間を割り当てることです。厚さ 5 mm の部品の場合、これは約 45 秒～ 1.5 分の冷却時間に相当し、部品が冷却されるにつれて寸法安定性が向上します。

シミュレーションツール

Autodesk MoldFlow などの高度なシミュレーション ツールを利用することは、収縮を予測して管理するための積極的な戦略です。シミュレーションを実行することで、エンジニアはさまざまな処理条件と材料特性を評価し、実際の生産を開始する前に情報に基づいた調整を行うことができます。シミュレーション パラメータを実際の条件に合わせて設定することは、収縮挙動を正確に予測するために不可欠です。

品質管理

ノギスやゲージなどのツールを使用した定期的な寸法検査 座標測定機 (CMM) は、部品が指定された許容範囲を満たしていることを確認します。たとえば、重要な寸法には ±0.1 mm の許容範囲が必要になる場合があります。さらに、サンプルに対して引張強度テストなどの性能テストを実施することで、部品が材料仕様を満たしているか、それを上回っていることを確認します。ABS の最小引張強度 40 MPa などのベンチマークを確立すると、完成品が美観要件だけでなく、機能的および機械的基準も満たしていることを確認できます。

まとめ

プラスチックの収縮は、 射出成形 収縮は、成形部品の品質と寸法精度に大きな影響を与える可能性があります。収縮の原因を理解し、効果的な緩和戦略を実施することで、メーカーは射出成形プロセスを最適化し、欠陥を最小限に抑えた高品質の部品を生産できます。プロセスパラメータを慎重に制御し、適切な材料を選択し、製造用に設計することで、射出成形で一貫性のある予測可能な結果を​​達成できます。