ガスアシスト射出成形とは？

ガスアシスト射出成形は、ガスを使用してプラスチック材料を型内に押し込むプロセスです。これにより、プロセスがより速く、効率的になり、より高品質な製品が得られます。

ガスアシスト射出成形（GRIM）は新しいタイプの射出成形プロセスであり、近年海外で広く使用され、中国でもますます使用されています。

ガスアシスト射出成形は、加圧ガスを使用して射出成形部品の冷却と硬化をより速くするプロセスです。

ガスアシスト成形は、加圧された窒素ガスを型内に注入し、溶融プラスチックを型の端部に押し込みながら、部品の厚い部分を中空化する低圧プラスチック射出成形プロセスです。

このブログ記事では、ガスアシスト射出成形とは何か、そしてその仕組みについて説明します！

ガスアシスト射出成形の原理

その原理は、従来の成形工程でキャビティ内の樹脂の一部を比較的低圧の不活性ガス（低コストで安全性が高く、クーラントの役割も果たす窒素が一般的で、圧力は0.5～300MPa）に置き換えて圧力を維持し、製品の成形性能を向上させるものである。

ガスアシスト射出成形の利点

ガスアシスト射出成形は、従来のプラスチック射出成形と発泡成形の制限を克服し、以下の利点があります：

部品の性能が良い

(1)肉厚の異なる部材の接合部に設けた鉄筋やタブに合理的にガス流路を開け、下面材注入後にガスを導入することで、気孔や窪みをなくす。

冷却過程での溶融物の収縮を補い、孔や窪みの発生を回避する。

この工程で考慮すべきは、従来の成形工程ではヒケが生じるような厚い形状を詰め出す能力である。

(2)内部応力と反り変形の低減部品の冷却過程において、ガスノズルから材料流の終端まで圧力損失なく連続したガス流路が形成され、空気圧が至る所で一定であるため、残留応力が低減され、部品の反り変形が防止される。

(3)部品の強度を高める 中空の補強材とタブを部品にデザインすることで、同様のソリッド部品よりも強度重量比が約5高くなり、部品の慣性モーメントが大幅に増加するため、部品の強度が高まる。

(4）設計の柔軟性を向上させるためにガスアシスト射出は、元の部品の組み立てを容易にするために、単一の成形を達成するために別々の成形品のいくつかの部分に分割する必要がありますので、不均一な肉厚の製品を形成するために使用することができます。

例えば、ある外資系企業は、GAI Mの技術とプラスチック合金材料の使用により、複雑な自動車ドアパネルの形状である本体として、もともと数十の金属部品を生産しており、単一の成形を実現している。

低コスト

(1) 原材料の節約 ガスアシスト射出成形により、製品の厚い部分に空洞を形成し、完成品の重量を最大10％から50％削減できます。

(2) 設備コストの削減 ガスアシスト射出成形は通常の射出成形よりも射出圧力と型締め力が少なくて済み（25％から50％の節約）、エネルギーも最大30％節約できます。

(3)コア材の厚い部分が除去され、冷却時間が最大50%短縮されるため、成形サイクルタイムが比較的短くなる。

このような利点から、ガスアシスト射出は、天板、ドア、ボードなどの大型平面製品、家電筐体、テレビ筐体、事務機器筐体などの大型キャビネット、ベース、自動車インストルメントパネル、バンパー、自動車ヘッドライトカバー、その他の自動車内外装部品などの構造部品の成形に適している。

ガスアシスト射出成形用材料の選択

理論的には、従来の射出成形法で使用可能なすべての熱可塑性プラスチックは、一部の充填樹脂や強化プラスチックを含め、ガスアシスト射出成形に適しています。

熱可塑性ポリウレタンのように流動性が非常によく、充填が困難なプラスチックは成形が難しい場合がある。高粘度の樹脂は高いガス圧を必要とし、技術的に困難である。ガラス繊維強化材は装置に対して研磨性がある。

ガスアシスト成形プロセスでは、成形品の肉厚や表面欠陥は原材料の性能によって大きく左右されるため、プロセスパラメータを変更しても大きな影響はなく、成形原材料の選択が非常に重要になる。

ポリカーボネート - ポリフェニレンオキシド - PPO（ノリル） - ポリブチレンテレフタレート - PBT（バロックス） - アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン - ABS。

PA（ポリアミド）とPBT（ポリブチレンテレフタレート）は独特の結晶安定性を持ち、ガスアシスト射出成形に特に適しています；

PA6、PA66、PPもガスアシスト成形によく使われる。一部の部分結晶性樹脂の場合、空気流路に近い成形品の内側は、冷却速度が比較的遅いため、明らかな非晶質境界層はないが、外側は金型壁が急速に冷却されるため、非晶質境界層が生じ、製品の品質に影響する。

ガラス繊維強化プラスチックの場合、金型壁面でわずかな分子配向が生じ、最大成形高強度部品は、材料流動方向に沿って金型壁面下の一定距離（製品外表面から1mm程度）に弾性率の高い樹脂を選択すればよく、実際の生産工程では、部品の要求や具体的な成形条件に応じて適切な樹脂材料を選択する必要がある。

ガスアシスト射出成形部品のガス流路設計

ガスチャネルの設計は、ガスアシスト成形技術において最も重要な設計要素の一つであり、製品の剛性だけでなく、加工挙動にも影響する。ガス流路はガスの流動状態をあらかじめ規定するため、射出初期段階における溶融物の流動にも影響を及ぼし、より高品質の製品を成形するためには合理的なガス流路の選択が不可欠です。

一般的なガス流路の形状

補強材付きの大型平板部品の場合、ガスアシスト射出成形では基材の厚さは一般的に3-6 mmとされ、ガス流距離が短いかサイズが小さい部品では1.5-2.5 mmに減らすことができます。

補強材の肉厚は、窪みを作ることなく、それが接続される部分の肉厚の100%～125%に達することができる。

ガス流路の形状は、ゲートに対して対称または一方向でなければならず、ガス流路は連続的でなければならず、体積は部品全体の体積の10%以下でなければならない。

部品の強度分析

従来の補強部品は、へこみ、ゆがみ、変形などが多い。ガスアシスト 射出成形 様々な断面形状を持つ補強部品の場合、製品の強度を確保するだけでなく、従来の射出成形の欠点を克服します。

通常、同じ基板厚さのもとでは、中空幅広T字型補強を施した部分の強度は、中空幅狭T字型補強を施した部分の強度よりも高く、同じ断面の中空半円型補強を施した部分の強度よりも高い。

製品の強度は、力の大きさやその形状によって大きく変化する。補強材を使用すれば製品の剛性を高めることはできるが、局所的な応力集中が加われば、製品の強度は大きく弱まる。

ガス流路の大きさ

ガス流路のサイズ設計は、充填ガスの流れ方向と密接な関係があり、充填ガスは常に流路内で最も抵抗の少ない方向に流れる。

ここで、μは流体粘度、Vは平均流量、Lは流体断面の長さ、Dは管の直径である。ガス全粘度は樹脂の0.1%以下と非常に小さく、長さ方向の圧力損失は無視できるので、樹脂の圧力損失によって発生する抵抗だけを考慮すればよい。

円管圧力損失式とニュートン流体形式の擬塑性流体の流れは似ているので、実際の流体とガスの条件を考慮せずに上記の式を使用すると、圧力損失ΔPの異なる方向の注水点付近のガスに基づいて比較（つまり、LとDの各セクションのサイズを比較）、定性的には、ガスの流れの好ましい方向であるガス朱充填方向ΔP小さい方向の問題を解決することができます。

流路の大きさを変えると、圧力損失が異なる方向に変化し、ガスの流れ方向が変わって成形品の品質に影響する。

ガスアシスト射出成形金型設計

内部ガスアシスト射出成形は比較的低い射出圧力と型締め力を使用するため、型は一般的な型鋼に加えて、亜鉛系合金、鍛造アルミニウム、その他の軽合金材料で作ることができます。

ガスアシスト射出成形プロセスの型設計は、通常のプラスチック射出成形と似ています。型と部品構造の設計による欠陥は、成形プロセスのパラメータ調整では補償できず、型と部品構造の設計を適時に修正する必要があります。

一般的なプラスチック射出成形で必要な設計原則は、ガスアシスト成形でも依然として適用可能です。 射出成形 プロセスで、設計のさまざまな部分で考慮すべき主な事項を以下に示す：

(1) インジェクション現象の回避 ガスインジェクションは薄肉製品や特殊形状のベンドを製造する傾向にあるが、従来のガスインジェクションは依然として大きなキャビティ容積の部品を製造するために使用されており、ゲートを通過する材料の流れは高いせん断応力を受け、インジェクションやクリープなどの溶融破断現象が発生しやすい。

この設計では、入口ゲートを適切に大きくし、薄い製品にゲートを設定することで状況を改善することができる。

(2）アンダーフィル、ガス注入圧力、時間、および一貫して制御することが困難な他のパラメータの量のガス注入に起因するキャビティの設計は、ガス注入は、一般的に製品の品質要件が高くなければならない場合は特に、金型キャビティが必要です。

実際の生産では、1つの鋳型に4つのキャビティがある例もあり、マルチキャビティ設計を使用する場合は、バランス注湯システム配置を使用する必要がある。

(3)ゲートの設計は、一般的に1つのゲートのみを使用し、その位置は、アンダーインジェクション部品の溶融物が金型キャビティに均一に充填され、噴流が発生しないように設定する。

ガスニードルがインジェクターノズルと注湯システムに設置されている場合、ゲートサイズは、ガス注入前に融液がここで凝縮するのを防ぐのに十分な大きさでなければならない。

ガスアシスト射出における最も一般的な問題のひとつは、ガスが意図されたガス流路を通って部品の微小な薄層に浸透し、表面に指のような、あるいは葉っぱのようなガスフィンガリングを形成することである。このような「フィンガープリント」はわずかなものであっても製品にとって致命的であり、絶対に避けるべきである。

調査によると、このような欠陥が発生する主な原因は、不適切なゲートサイズとガス遅延時間の設定にあり、この2つの要因はしばしば相互作用する。例えば、浅い口を小さくし、遅延時間を短くすると、このような悪影響が非常に発生しやすくなり、製品品質の外観に影響を与えるだけでなく、部品の強度を大幅に低下させる。

一般的には、ガス流路の長さを短くし、入口ゲートのサイズを大きくし、ガス圧を合理的に制御する方法で、この好ましくない状況を回避することができる。

(4)ランナーの形状は、ゲートに対して対称または一方向であり、ガスの流れ方向と溶融樹脂の流れ方向が同じでなければならない。

(5)理想的な中空流路を得るために、フローバランスを調整するためのオーバーフロー空間を金型内に設計する必要がある。

ガスアシスト射出成形の発展展望

近年、ガスアシスト技術は家電製品、自動車、ガスアシスト事務用品などの産業界で広く利用され、製品の寸法安定性を向上させる方向で発展している、 薄肉製品の製造 優れた表面特性、特殊形状のパイプの製造、自動車産業における金属部品の代替など。ガスインジェクション技術は、今後も工業生産において重要な役割を果たすと考えられている。