軟質グリップのハンドルを硬質本体に接合する二色成形部品を設計した直後に、サプライヤーから材料に相溶性がないと告げられたとします。試験中に接合が破壊し、熱サイクルを2回実施しただけで層間剥離が現れ、設計を一からやり直すことになります。二色成形における材料相溶性は、後で対処できる細部ではありません。部品が一体性を保つか、ばらばらになるかを決める唯一の判断であり、金型鋼材の加工を始める前に決定する必要があります。
- 二色成形の接着には、化学的または機械的に接着可能な基材が必要です。
- ABSまたはPCへのTPE成形は、最も一般的で信頼性の高い二色成形の組み合わせです。
- 良好な接着を得るには、ショット間の溶融温度差を30～40°C以内に保つ必要があります。
- 相性の悪い材料の組み合わせは、応力下で層間剝離、反り、接着不良を引き起こします。
- 金型設計を開始する前に材料選定を確定する必要があります。後からの変更は極めて高額です。
内容
- 二色成形とは何か、なぜ材料適合性が重要なのか？
- 二色成形では材料はどのように接合しますか？
- 最も相性の良い二色成形材料の組み合わせは？
- 二色成形で接着に失敗する材料の組み合わせは？
- 二色成形の材料選定を左右する温度規則とは？
- プロジェクトに適した材料の組み合わせをどう選ぶべきですか？
- 材料の不適合を示す不良とは？
- よくある質問
二色成形とは何か、なぜ材料適合性が重要なのか？
二材成形（二色射出成形[1]またはダブルショット成形とも呼ばれる）は、一回の製造サイクルで同じ金型に異なる二種類の材料を射出します。一次成形で通常は剛性のある構造部品となる基材を形成し、二次成形で別の材料、一般には軟質エラストマーや対照色の材料をその上に重ねます。その結果、組み立て不要の多材料部品が得られます。
材料の適合性は、成否を左右する決定的な要因です。2種類の樹脂が化学的または機械的に接合しなければ、荷重、温度サイクル、さらには通常の取り扱いだけでも部品が層間剥離します。20年以上にわたる二色成形の生産経験では、接着データを事前に確認せず、PC-ABSに対してTPE-TPVを選定したため、プロジェクトが数週間遅れた事例がありました。その時点ですでに金型は完成していました。非常に高くつく教訓です。
これが非常に重要な理由は、機械的なかみ合わせだけで対応できる場合もあるオーバーモールド[2]とは異なり、二材成形ではまだ温かい一次成形品の上へ二次材料を射出するため、化学接合への依存度が高いからです。強固な接合が得られる条件範囲は狭く、材料の組み合わせが適切でなければ急速に失われます。
二色成形では材料はどのように接合しますか？
二材成形における材料接合には、化学接着と機械的かみ合わせという二つのメカニズムがあります。最も望ましいのは化学接着です。二次材料が一次成形品のまだ半溶融状態にある表面を部分的に溶かし、分子レベルで相互拡散することで生じます。これにより、多くの場合、各材料単体と同程度に強い接合が形成されます。
化学接着を機能させるには、3つの条件を揃える必要があります：
- 極性が近いこと：両材料の表面エネルギーには相溶性が必要です。ポリアミドなどの極性材料は、他の極性材料と良好に接合します。ポリオレフィンなどの非極性材料は、非極性材料同士で接着します。接合不良の大半は、極性材料と非極性材料を組み合わせたときに発生します。
- 溶融温度が重なること：二次材料は、一次成形品を劣化させず、かつ相互拡散を促すのに十分な温度で加工できなければなりません。二つの材料の加工温度差は30～40°Cが最適です。
- 化学的な相溶性：ABSとASA、PA6とPA66のように同じポリマー系統に属する材料は、分子構造が相互拡散できるほど似ているため、容易に接合します。
メカニカルインターロックは代替手段です。化学結合が弱い場合、設計者は基材にアンダーカット、穴、またはシボ面を設け、第2材料を物理的にかみ合わせます。この方法は有効で、ソフトグリップが構造荷重を負担しない民生製品にも採用してきましたが、特に熱サイクル下では、真の化学結合ほどの信頼性はありません。
最も相性の良い二色成形材料の組み合わせは？
最も信頼性の高い二色成形の組み合わせは、化学的相溶性があり、加工可能範囲が重なっています。実際のプロジェクトでの登場頻度順に、量産で一貫して機能している組み合わせを示します。
| 基材（第1ショット） | オーバーレイ（第2ショット） | 接合品質 | 代表的なアプリケーション |
|---|---|---|---|
| ABS | TPE（スチレン系） | 素晴らしい | ソフトグリップ工具、家電製品 |
| PC | TPE（スチレン系） | 素晴らしい | 医療機器、電動工具ハウジング |
| ISO 10993: | TPE（スチレン系） | 素晴らしい | 自動車内装トリム |
| PA6 / PA66（ナイロン） | TPE（ポリアミド系） | 良好～優秀 | 自動車エンジンルーム用コネクター |
| PP | TPE（オレフィン系／TPV） | グッド | 自動車用シール、消費者向け包装 |
| POM（アセタール） | TPE（改質） | 普通（機械的固定が必要） | 歯車アセンブリ、ロック機構 |
| ABS | ASA | 優秀（同系統） | 屋外機器、二色成形部品 |
| PMMA | ABS | グッド | ステップ2: 基板から始めます。 |
ABS＋TPEの組み合わせは二色成形の主力であり、当社が扱う二色成形案件のおそらく60％はこの組み合わせのいずれかを使用しています。スチレン系TPE（SEBS系コンパウンドなど）は、どちらもスチレン系ポリマーであるためABSと化学的に接着します。接着は安定し、成形条件の許容範囲が広く、両材料とも競争力のある価格で広く入手できます。
自動車用途では、PA6またはPA66とポリアミド系TPEの組み合わせが標準です。ナイロン基材は熱と薬品への耐性を担い、TPEのオーバーモールド層はシール性またはグリップ性を付与します。重要なのは、TPEの化学組成をナイロンに適合させることです。汎用スチレン系TPEはナイロンに十分接着しません。ポリアミド接着用に特別配合されたTPEが必要で、主要サプライヤーの多く（Kraiburg、GLS、Teknor Apex）が専用グレードとして提供しています。
上海工場では、90Tから1850Tまでの射出成形機45台を稼働させており、2024年に導入した専用2色成形機3台も含まれます。400種を超える材料を在庫し、平均10年以上の経験を持つシニアエンジニア8名が在籍しているため、通常は量産金型の製作を確定する前にテストショットで材料の接着性を検証します。これにより、最も一般的で、しかも最も高くつく適合性の失敗を回避できます。
二色成形で接着に失敗する材料の組み合わせは？
すべての材料の組み合わせが有効とは限りません。加工条件にかかわらず、一貫して不具合が生じる組み合わせもあります。これらは避けるべき組み合わせであり、少なくとも機械的かみ合わせと広範な検証試験を計画する必要があります。
エンジニアリング熱可塑性樹脂の上にポリオレフィンを成形する組み合わせ（ABS、PC、PAの上にPP）：当社が最もよく目にする誤りです。ポリプロピレンは非極性で、表面エネルギーが非常に低いため、極性を持つエンジニアリング樹脂を濡らすことも接合することもできません。ABS用に設計されたTPEをPP基材に重ねる指定では、接合は必ず失敗します。唯一の回避策は大規模な機械的かみ合わせですが、それでも妥協策にすぎません。
POM（アセタール）と大半のTPEの組み合わせ：アセタールは、あらゆる材料との接合が難しいことで知られています。表面エネルギーが低く結晶構造を持つため、化学接着が妨げられます。POMを基材として使用しなければならない場合は、金型設計に十分な機械的かみ合わせ形状を盛り込み、検証期間も余分に確保してください。
二次材料に高温材料を使用する場合：二次材料の加工温度が280°Cを超え、一次成形品がABSのような低温樹脂（約220～240°Cで加工）である場合、二次成形によって基材が変形したり、部分的に再溶融したりする可能性があります。その結果、寸法が歪み、接合部が弱くなります。
半結晶性材料の上に非晶性材料を成形する組み合わせ：PA6（半結晶性）の上にPC（非晶性）を成形するような組み合わせは可能ですが、収縮率の差によって界面に内部応力が生じます。半結晶性材料は冷却時の収縮が非晶性材料より大きく（1.5～2.5％対0.4～0.7％）、接合線にせん断応力がかかります。設計で対処できますが、開発後期に発生する反りの一般的な原因です。
「ABSとスチレン系TPEの組み合わせは、最も信頼性の高い二色成形用材料ペアです。」True
両材料はスチレン系化学構造を共有し、接着促進剤なしで強い化学接着が可能です。加工温度もよく重なり（ABSは220～250°C、スチレン系TPEは190～230°C）、十分な接合温度範囲が得られます。
"どのような2種類の熱可塑性樹脂でも、二色成形で接合できる。"False
化学的相溶性が不可欠です。例えばPPとABSはいずれも熱可塑性樹脂ですが、表面エネルギーと極性が根本的に異なり、化学結合を形成しません。材料の組み合わせを選ぶには、極性、溶融温度範囲の重なり、化学系統の相溶性を確認する必要があります。
二色成形の材料選定を左右する温度規則とは？
温度の適合性は、各材料の加工温度と両者の温度差という二つの数値で決まります。以下は当社工場で使用している実践的な判断基準です。
ルール1：温度差を40°C未満に抑える。二次材料の溶融温度が一次材料の加工温度より40°Cを超えて高いと、基材が変形するおそれがあります。40°Cを超えて低い場合は、二次材料の熱エネルギーが不足し、一次成形品の表面との相互拡散を促せない可能性があります。
ルール2：一次成形品が形状を保持できること。二つの成形工程の間に金型が回転するか、コアが二つ目のキャビティへ移動します。基材には、この移動中に変形しないだけの構造的な強度が必要です。これは冷却または材料特性によって確保します。大半の材料では、二次材料を射出する前に、基材の表面温度をガラス転移温度（Tg）または荷重たわみ温度（HDT）より少なくとも20°C低くする必要があります。
ルール3：金型温度は溶融温度と同じくらい重要。高温の金型表面（エンジニアリング樹脂では80～100°C）は、一次成形品の表面を接合に十分な温度に保ちます。低温の金型（30～40°C）は表面を急速に冷却し、接着力を低下させます。そのため、二材成形金型ではキャビティごとに異なる温度ゾーンを使用することがよくあります。
| 基板材料 | 溶融温度（°C） | 適合するオーバーレイ | オーバーレイ樹脂温度（°C） | 温度差（℃） |
|---|---|---|---|---|
| ABS | 220–250 | スチレン系TPE | 190–230 | 10–30 |
| PC | 280–310 | スチレン系TPE | 200–240 | 60–80* |
| PA6 | 240–270 | PA系TPE | 220–250 | 10–30 |
| PP | 200–230 | オレフィン系TPE／TPV | 180–220 | 10–20 |
| PC/ABS | 250–280 | スチレン系TPE | 200–240 | 30–50 |
*PC + スチレン系TPEでは、温度差が40°Cを超えます。TPEは緩やかに劣化するため成形自体は可能ですが、サイクルタイムの長期化と、より厳密な工程管理が必要です。当社の二色成形機ではこの組み合わせで生産実績がありますが、ABS/TPEの組み合わせより多くの検証ショットが必要です。
「金型温度は、溶融温度と同程度に二色成形の接合へ影響します。」True
温かい金型表面（80–100°C）により、一次材との界面がTgを上回る状態を十分長く維持し、二次材を相互拡散させます。両材料に相溶性があっても、金型温度が低すぎると化学的接着が発現する前に接着面が急冷されます。
「第2ショットの溶融温度を高くすれば、常に接着性が向上する。」False
第2ショットの温度が高すぎると、第1ショットの表面が劣化し、ガス溜まり、変色、寸法変形が発生する可能性があります。最適温度は、相互拡散を実現するために必要な最低温度であり、通常は被覆材料の融点より20–30°C高い温度です。それ以上に上げる必要はありません。
プロジェクトに適した材料の組み合わせをどう選ぶべきですか？
二色成形の材料ペア選定は、最も強固な接着を選ぶことではなく、部品の機能要件に接着特性を合わせることです。以下は、当社がすべてのお客様と検討する判断の枠組みです。
ステップ1：接合部に求める機能を定義する。表層は色のコントラストだけを目的とした外観部品でしょうか。水密性が必要なシールでしょうか。繰り返し握られるソフトタッチ面でしょうか。それとも、二つの材料間で荷重を伝える構造部でしょうか。これらの用途では、必要な接合強度に一桁もの差があります。
ステップ2：基材から検討を始める。通常、基材は部品に求められる構造、耐熱性、耐薬品性の要件によって決まります。耐熱性が必要ならPCまたはPA、耐薬品性が必要ならPPが候補になります。基材が決まると、表層材の選択肢は大幅に絞られます。
ステップ3：表層材の化学特性を基材に合わせる。多くのプロジェクトが失敗するのはこの段階です。簡便な目安として、ABS、PC、PC-ABS基材にはスチレン系TPE、ナイロン基材にはポリアミド系TPE、PP基材にはオレフィン系TPEまたはTPVを使用します。不明な場合は、材料サプライヤーに二材成形の相溶性表を求めてください。主要なTPEメーカーはすべて公開しています。
ステップ4：テストショットで検証する。この工程は絶対に省略しないでください。基材の平板試験片を成形し、その表面の半分に表層材をオーバーモールドします。引張試験とテープ試験を行い、表層材が界面からきれいに剥がれるなら接着不良です。接合部より先に表層材自体が破断する凝集破壊なら、接合は強固です。
実務的なヒントを一つ挙げます。設計で上記の「標準」組み合わせ以外の材料ペアを指定する場合は、検証のための追加時間と費用を見込んでください。非標準ペアも不可能ではありません。当社では航空宇宙分野の顧客向けに、PEEKオーバーレイをPPS基材へ接合した実績があります。ただし、工程開発により多くの時間を要し、立ち上げ時の廃棄率が高くなり、リードタイムも長くなります。
化学接合が得られないプロジェクトでは、インサート成形[3]または金型設計に設ける機械的かみ合わせ形状が安全策になります。表層材が物理的に食い付くよう、基材形状にアンダーカット、貫通穴、テクスチャ面を設計します。化学接合ほど洗練された方法ではありませんが、適切に設計すれば確実です。
材料の不適合を示す不良とは？
すでに金型を製作し、初回ショットが成形機から出ている場合は、次の点を確認してください。これらの不良が必ずしも材料の組み合わせが不適切であることを意味するわけではなく、加工条件も影響しますが、有力な兆候となります。
界面での層間剥離：最も分かりやすい兆候です。中程度の力で表層材を基材から剥がせる場合や、標準的な引張試験中に分離する場合は、化学接合が成立していません。まず材料相溶性表を確認し、次に金型温度と射出速度を調査してください。
冷却後の反り：基材と表層材の収縮率が大きく異なる場合（差が1％を超える場合）、冷却が不均一になり部品が反ります。非晶性材料を半結晶性材料の上に成形する組み合わせでよく見られます。ゲート位置や冷却時間の調整で改善できますが、収縮率差が大きすぎる場合は、根本的な材料選定を見直す必要があります。
接合線の表面不良：二つの材料の界面に沿って生じるスプレーマーク、銀条、変色は通常、二次材料の溶融温度が高すぎて基材が局所的に劣化していることを示します。二次材料の温度を10～15°C下げ、不良が改善するか確認してください。
表層材のコールドスラグまたは充填不足：表層材が二つ目のキャビティを完全に満たさない場合、接合面の温度が化学接着に必要な下限を下回っている可能性があります。これは材料ではなく、金型温度が低すぎる、または成形間隔が長すぎるという工程上の問題ですが、接合が弱いという同じ機能不良を引き起こします。
当社の経験では、二色成形の接合不良の約70%は、成形条件ではなく材料選定に起因します。残りの30%は成形条件に関連し、通常は金型温度または射出速度が原因です。材料の組み合わせに適合性があることを確認しても層間剥離が発生する場合は、材料を変更する前に次の成形条件を確認してください：
- 両キャビティの金型温度（エンジニアリング樹脂では80～100°Cを目標）
- 第1ショットと第2ショットの間隔（短いほど接着に有利）
- 第2ショットの射出速度（高速充填によりキャビティー充填前の冷却を抑制）
- 第2ショットの保圧（接合界面の接触圧力を維持）
120+名の生産スタッフと6段階の品質管理工程（IQC → 工程内抜取検査 → 工程検査 → 包装検査 → FQC → OQC）により、接着不良を量産に入る前の抜取検査段階で検出します。30+名の英語対応可能なプロジェクトマネージャーが、接着問題を検出した場合、24時間以内にエンジニアリングチームへのフィードバックループを完結させます。
よくある質問
二色成形で同じ材料の異なる2色を使用できるか？
はい。同一材料による二色成形（例：黒色 ABS と白色 ABS）は、化学組成が同じため優れた接合を実現します。これは二色射出成形の最も単純な形式であり、色のコントラストだけが必要な消費者製品の筐体、ボタン、ブランド部品に広く使用されます。
二色成形部品に必要な最低接合強度はどのくらいですか？
単一の標準値はなく、用途によって異なります。外観オーバーレイなら通常1～2 N/mmの剥離強度で十分です。繰返し使用される機能シールやソフトグリップ面では3～5 N/mm、機械荷重を伝える構造接合では5 N/mm以上を目標にします。引張付着強度はISO 4624またはASTM D4541に従って試験してください。
二色成形はオーバーモールドより高コストですか？
二色成形金型は、回転機構と2基の射出ユニットにより標準金型より30～50％高価です。ただし、2回の別工程ではなく1サイクルで複数材料の完成部品が得られ、サイクルが速いため、部品単価はしばしば低くなります。10,000個を超えると通常、二色成形はオーバーモールドより経済的です。
TPUは二色成形に使用できますか？
はい。TPUはPC、ABS、PAなどの極性基材に良好に接着します。生体適合性と耐摩耗性を備えているため、ウェアラブル機器や医療機器で広く採用されています。加工温度は190～230°Cで、ほとんどのエンジニアリング熱可塑性樹脂の加工温度域とよく重なります。主な欠点はサイクルタイムが長くなることで、TPUはスチレン系TPEより長い冷却時間を要します。
金型製作前に材料の適合性をどのように試験しますか？
金型製作前の最も信頼性の高い試験は、試験金型を用いて両方の材料の平板を順番に成形し、剥離試験（ASTM D903）とクロスカット付着性試験（ASTM D3359）を行うことです。ほとんどのTPEサプライヤーは、一般的な基材に対する剥離強度の測定値を示す接着データシートも提供しています。材料選定を確定する前に入手してください。
2色成形に再生材料を使用できますか？
基材側のショットでは可能です。標準的な再生粉砕材の配合率（通常15～30%）で使用できます。ただし、オーバーレイ側のショットでは、再生粉砕材によって表面化学特性や溶融粘度が変化し、接着性に直接影響するため、リスクが高まります。再生材を使用する必要がある場合は、量産前に実際の再生粉砕材配合で接着性を検証してください。
第2ショットの前に第1ショットが冷えすぎるとどうなりますか？
接合強度は大幅に低下します。基材の表面温度がTgを下回ると、界面での分子運動性が低下し、第2材料が相互拡散できなくなります。その結果、化学結合ではなく機械的なかみ合わせに依存する弱い接着になります。このため、ショット間のサイクルタイム管理が極めて重要です。
二色成形の材料選定でお困りですか？
多色・多材質成形に適した材料の組み合わせは、金型完成後に選定を誤っていたと判明するような事態を避ける必要があります。ZetarMoldは上海での創業初期から二色成形を手がけており、専用の二色成形機を含む45台の成形機と、試験用に常備する400種類以上の材料を備えています。量産金型に投資する前に、当社のエンジニアが試作ショットで材料の組み合わせを検証できます。
無料技術評価を受ける → 詳しくは射出成形金型完全ガイド[4]をご覧ください。射出成形完全ガイドにも詳しい情報を掲載しています。
