内部応力の発生
各射出成形品では局所的な応力状態が場所ごとに異なり、製品の変形量は残留応力の分布によって決まります。製品の冷却時に温度勾配があると、この応力が発達するため、「成形応力」とも呼ばれます。
成形工程で生じる射出成形部品の内部応力には、射出成形品の成形応力と温度残留応力の2種類があります。比較的低温の溶融樹脂が金型に入ると、キャビティ壁面付近の樹脂が急速に冷却・固化し、分子鎖セグメントが「凍結」されます。
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。
製品中心部は比較的ゆっくり固化するため、ゲートが閉じた時点でも製品中心部の溶融部はまだ固化しておらず、この時点では射出成形機で冷却収縮を補償できません。
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) 前述のとおり、射出成形金型への充填時には溶融樹脂と壁面の温度勾配が大きいため、先に固化する溶融樹脂の外層が、後で固化する内側の薄い表面層の収縮を抑える必要があります。その結果、外層には圧縮応力（収縮応力）が、内層には引張応力（配向応力）が生じます。
（2）金型への充填後、保圧の作用下で長時間継続すると、ポリマー溶融樹脂が金型キャビティに補充されるため、キャビティ内の射出成形圧力が上昇し、この圧力は不均一な温度によって内部応力を変化させます。
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）製品冷却の初期段階でキャビティ圧力が不足すると、製品の外層に凝固収縮によるくぼみが生じます。一方、製品に冷却固化層が形成された後期段階で射出成形金型のキャビティ圧力が不足すると、収縮によって製品の内層が剥離したり、空洞が形成されたりします。
(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。
非晶性ポリマーの引張強度はゲート位置によって変化します。ゲートの向きが金型充填方向と同じ場合、樹脂温度が上昇するほど引張強度は低下します。一方、ゲートが射出成形金型の充填方向に対して垂直な場合、樹脂温度が上昇するほど引張強度は増加します。
(4) 溶融温度の上昇は再配向効果の強化につながり、配向効果の弱化は引張強度を低下させる。
ゲートの配向は、材料の流れ方向に影響を与え、非結晶性ポリマーの異方性は結晶性ポリマーの異方性よりも強いため、流れ方向に垂直な方向の引張強さは、前者の方が後者よりも大きくなる。
低温射出成形は、高温射出より機械的異方性が大きくなります。例えば、流動方向に対する垂直方向の強度比は、射出温度が高い場合は1.7、低い場合は2です。
(5) このように、結晶性ポリマーでも非結晶性ポリマーでも、溶融温度の上昇は引張強さの低下につながるようだが、そのメカニズムは異なっている。
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