2005年以来、プラスチック射出成形金型製造

プラスチック射出成形における内部応力の原因分析

内容隠す

1. 内部応力の発生

2. ストレスに影響するプロセス要因

内部応力の発生

射出成形品では、場所によって局所的な応力状態が異なり、残留応力分布によって製品の変形の程度が決まる。製品が冷却された場合。温度勾配があるとこのような応力が発生するので、このような応力を「成形応力」ともいいます。

には2種類の内部応力がある。射出成形部品一つは射出成形品の成形応力であり、もう一つは温度残留応力である。溶融物が低い温度で金型に入ると、キャビティ壁面付近の溶融物は急速に冷えて固化するため、分子鎖セグメントは「凍結」する。

固化ポリマー層の残留熱応力伝導率が低いため、製品の厚み方向に大きな温度勾配が発生する。

製品の中心部が凝固するのはかなり遅いため、ゲートを閉めた時点では、製品の中心部の溶解ユニットはまだ凝固しておらず、そのため、ゲートを閉めた時点では、製品の中心部の溶解ユニットはまだ凝固していない。射出成形マシンは、この時点では冷却収縮を補正することができない。

従って、製品の内部収縮は硬い表皮層の作用とは逆方向であり、コアは静的張力状態にあるのに対し、表皮層は静的圧縮状態にある。

溶融充填の流れでは、応力による体積収縮効果に加えて、ランナーやゲート出口の膨張効果による応力がある。前者は溶融物の流れ方向に関係する応力を発生させ、後者は流出口の膨張効果により流れに垂直な方向に応力を発生させる。

ストレスに影響するプロセス要因

急冷条件下では、配向によってポリマーに応力が発生する。ポリマーメルトの粘度が高いため、内部応力を素早く緩和することができず、製品の物性や寸法安定性に影響を与える。

各パラメーターが配向応力に及ぼす影響

(1）溶融温度、高溶融温度、低粘度、せん断応力は配向性を低下させる。一方、溶融温度が高いため、応力緩和が促進され、配向性を強化する能力が促される。

(2) 射出成形機の圧力を変えない場合、金型キャビティ圧力が上昇し、強いせん断効果により配向応力が増加する。

(3) ノズルを閉じるまでの保持時間を長くすると、配向応力が増大する。

(4) 射出圧力または保持圧力を上げると、配向応力が増加する。

(5)高い金型温度は、製品がゆっくりと冷却されることを保証し、方向性を失う役割を果たすことができる。

(6)配向応力を減らすために製品の厚みを増す。厚肉の製品はゆっくりと冷却され、粘度が増加し、長い時間の応力緩和プロセスであるため、配向応力は小さい。

温度ストレスへの影響

(1)前述のように、充填時に融液と壁面との間に大きな温度勾配が発生する。射出成形金型その結果、外層には圧縮応力（収縮応力）が生じ、内層には引張応力（配向応力）が生じる。

(2)金型が充填され、保持圧の作用下で長時間継続すると、ポリマー溶融物が金型キャビティに添加されるため、金型キャビティに充填されたポリマー溶融物は、金型キャビティに充填されたポリマー溶融物から分離される。射出成形金型キャビティ内の圧力が上昇し、この圧力が温度ムラによる内部応力を変化させる。

しかし、保持時間が短くキャビティ圧力が低い場合、製品は冷却しても元の応力状態を維持する。

(3) 製品の冷却初期に金型キャビティ圧力が不足すると、凝固収縮により製品の外層に窪みが形成される。射出成形金型製品が低温の硬い層を形成した後の段階で空洞の圧力が不足すると、製品の内層が収縮によって分離したり、空洞が形成されたりする。

(4)ゲートを閉じる前にキャビティ圧力を維持すると、製品の密度を向上させ、冷却温度応力を除去するのに有益であるが、ゲート近傍に大きな応力集中が発生する。

(5) したがって、金型内の圧力が高いほど保持時間が長くなり、温度によって発生する収縮応力を減少させるのに役立ち、その逆は圧縮応力を増加させるようである。

内部応力と製品品質の関係

(1)製品に内部応力が存在すると、製品の機械的特性や性能に重大な影響を及ぼす。内部応力の存在や不均一な分布により、製品を使用する過程でクラックが発生する。

使用温度以下のガラス転移温度では、多くの場合、不規則な変形や反りが発生するだけでなく、製品の表面 "白"、曇り、光学特性の劣化を引き起こす。

(2) ゲートの温度を下げるようにし、徐冷時間を長くすることで、製品の残留応力ムラを改善し、製品の機械的特性を均一にする。

(3) 結晶性ポリマーでも非結晶性ポリマーでも、引張強さは異方性を示す。

非結晶性ポリマーの場合、ゲートの位置によって引張強さが異なる。ゲートが金型充填と同じ方向にある場合、溶融温度が上昇するにつれて引張強さは低下し、ゲートが金型充填と垂直方向にある場合、溶融温度が上昇するにつれて引張強さは低下する。射出成形金型充填方向では、溶融温度が高くなるにつれて引張強さが増加する。