はじめに 射出成形は、プラスチック材料を金型に注入し、加熱・冷却することで材料を変形させ、最終的に成形する一般的な製造工程である。しかし、射出成形の過程で、製品の品質や生産効率に影響する「反り」が発生することがあります。反り変形が発生する原因は様々であり、工程パラメーターだけに頼って解決することは困難な場合が多い。

関連情報と実際の仕事の経験を組み合わせて、以下はプラスチックの反りの原因と解決策を分析したものである。 射出成形 反り。

ワーピングとは何か？

これは射出成形品の形状が金型キャビティの形状と異なることを意味し、プラスチック製品の一般的な欠陥の一つである。

射出成形における反りの原因

射出成形における反りには多くの理由があるが、そのうちのいくつかは一般的な理由である：

金型の構造

金型に関しては、プラスチック部品の変形に影響を与える要因として、主に注湯システム、冷却システム、射出システムが挙げられる。

ゲートシステム

射出成形用金型のゲートの位置、形、数は、プラスチックが金型キャビティにどのように充填されるかに影響し、プラスチック部品の反りの原因となる。

流動距離が長いほど、凍結層と中心流動層との間の流動と収縮補償によって生じる内部応力が大きくなる。

逆に、流動距離が短いほど、ゲートから部品の流動終了までの流動時間が短くなり、金型充填時の凍結層の厚みが薄くなり、内部応力が小さくなり、反り変形が大幅に減少する。

平らなプラスチック部品の場合、中央のゲートを1つだけ使用すると、直径方向の収縮率が円周方向の収縮率よりも大きいため、成形後にプラスチック部品が歪んでしまうものがある。代わりに複数のポイントゲートやフィルムゲートを使用すれば、反り変形を効果的に防止できる。

成形にエッジゲートを使用する場合、プラスチックの収縮率は全方向で同じではないため、ゲートの位置や数量もプラスチック部品の反り具合に大きく影響する。

また、複数のゲートを使用することで、プラスチック流動比（L/t）を短くすることができ、金型キャビティ内の溶融密度をより均一にし、収縮率をより均一に変化させることができる。同時に、より低い射出圧力でプラスチック部品全体を充填することができる。また、射出圧力が低いと、プラスチックの分子や繊維の配向傾向が弱まり、内部応力が低下するため、プラスチック部品の変形を抑えることができる。

冷却システム

プラスチックを注入すると、部品が不均一に冷える。そのため、部品は不均一に収縮します。不均一な収縮は部品を曲げます。曲がることで部品は反る。

もし、金型キャビティと金型に使用するコアの温度差が 射出成形 平らなプラスチック部品（携帯電話のバッテリーシェルなど）の収縮が大きすぎると、冷たい金型キャビティ面に近い溶融物は急速に冷えるが、熱い金型キャビティ面に近い材料層は収縮し続ける。この不均一な収縮は、プラスチックの反りの原因となります。

したがって、射出成形金型の冷却は、キャビティとコアの温度がバランスする傾向にあることに注意を払う必要があり、両者の温度差が大きすぎないようにする必要があります（このとき、2つの金型温度コントローラを考慮することができます）。

プラスチック部品の内外の温度バランスを考えるとき、プラスチック部品の各面の温度バランスも考える必要がある。つまり、金型が冷えるとき、キャビティとコアの温度をできるだけ同じにしたい。そうすれば、プラスチック部品の各部分が同じ速度で冷えるので、各部分が同じ速度で収縮し、反りが生じなくなります。

金型上の冷却水孔の配置は非常に重要です。管壁からキャビティ表面までの距離が決まったら、キャビティ壁の温度を均一にするために、冷却水孔の間隔をできるだけ小さくする必要があります。

また、冷却水路の長さが長くなると冷却媒体の温度が上昇するため、水路に沿って金型キャビティとコアの間に温度差が生じる。従って、各冷却回路の水路の長さは2m以下が望ましい。

大型の金型では、冷却回路を複数設け、ある回路の入口を別の回路の出口の近くにする。長いプラスチック部品には、直通の水路を使用する。(そして、私たちの金型のほとんどはS字型の回路を使用しています。循環には不利ですが、サイクルも長くなります。)。

エジェクターシステム

エジェクターシステムの設計もプラスチック部品の変形に直接影響する。エジェクターシステムのバランスが悪いと、排出力のバランスが崩れ、プラスチック部品が変形してしまいます。

従って、エジェクターシステムを設計する際には、脱型抵抗とのバランスに努める必要がある。また、エジェクターロッドの断面積は、単位面積当たりの力が大きすぎてプラスチック部品が変形しないように（特に脱型温度が高すぎる場合）、小さすぎないことが望ましい。

エジェクターロッドは、金型から取り外すのに最も抵抗のある部品のできるだけ近くに配置する必要があります。プラスチック部品の品質（用途、寸法精度、外観など）に影響を与えない範囲で、できるだけ多くのエジェクターピンを使用し、プラスチック部品全体の変形を抑える必要があります（エジェクターピンがエジェクターブロックに置き換えられるのはこのためです）。

軟質プラスチック（TPUなど）を使って深い空洞の薄肉プラスチック部品を作る場合、脱型抵抗が大きく、材質が軟らかいため、メカニカルエジェクションの方法1つだけでは、プラスチック部品が変形し、貫通したり折れたりして、プラスチック部品がスクラップになってしまうことさえある。複数の部品、またはガス（液体）圧力と機械的排出を組み合わせて使用すると、効果はより良くなります（後で使用します）。

可塑化段階

可塑化の段階は、ガラス状の粒子がネバネバした溶融物に変わる時である（研修で原料の可塑化の3つの状態について話した）。この段階では、ポリマーの軸方向と半径方向（スクリューに対して）の温度差がプラスチックにストレスを与えます。また、射出機の射出圧力、射出速度、その他のパラメーターが、金型に充填されたときに分子がどのように並ぶかに大きく影響し、反りが生じます。

充填・冷却段階

溶けたプラスチックは、射出圧力で金型に注入され、金型内で冷却固化される。この工程が 射出成形.この工程では、温度、圧力、速度が相互に関連しており、プラスチック部品の品質と生産効率に大きな影響を与える。

圧力と流量が高ければ高い剪断速度が生じ、流れ方向に平行な分子配向と流れ方向に垂直な分子配向に差が生じ、「凍結効果」が生じる。凍結効果」は凍結応力を発生させ、プラスチック部品の内部応力を形成する。

温度は以下のように反りに影響する：

プラスチック部品の上面と下面の温度差は、熱応力と変形を引き起こす。プラスチック部品の異なる領域間の温度差は、不均一な収縮を引き起こす。異なる温度条件は、充填材や繊維強化材に影響を与える。

射出成形品の収縮率

射出成形品が反る主な原因は、プラスチック部品の収縮にムラがあるためです。金型設計の段階で充填時の収縮の影響を考慮しないと、実際の製品形状が設計要求と大きく異なり、激しい変形で廃却となる（つまり収縮率の問題）。

充填による変形以外にも、金型の上壁と下壁の温度差によって、プラスチック部品の上面と下面の収縮率に差が生じ、反りが発生する。反り解析では、収縮そのものは重要ではないが、収縮の差によって生じる内部応力が重要である。

射出成形でプラスチック部品を作ると、プラスチック分子はプラスチックが流れる方向に並びます。そのため、プラスチックは上下方向よりも流れる方向に収縮する。そのため、プラスチック部品は反ってしまいます（これを異方性といいます）。

通常、均一な収縮はプラスチック部品の体積変化を引き起こすだけであり、不均一な収縮のみが反りの原因となる。結晶性材料の流れ方向と垂直方向の収縮率の差は、非結晶性プラスチックよりも大きく、その収縮率も非結晶性プラスチックよりも大きい。

結晶性プラスチックの収縮率の大きさと収縮率の異方性が重なり、その結果、結晶性プラスチック部品の反りには、非結晶性プラスチックよりもはるかに大きな影響を与える傾向がある。

残留熱応力

で何かを作るとき 射出成形その過程で生じる熱によって、素材がゆがむことがあるんだ。その熱は原料を良くないものにしてしまうからだ。熱はさまざまな反り方をさせるが、今はその話をするつもりはない。

射出成形部品の反り改善対策

金型設計の影響

金型設計に関して言えば、プラスチック部品がどのように変形するかに影響するのは、主に注湯システム、冷却システム、排出システムなどである。

ゲートシステム

a) 射出成形の金型ゲートの位置、形、数は、プラスチックが金型キャビティにどのように充填されるかに影響し、プラスチック部品の反りの原因となります。プラスチックが流動する距離が長ければ長いほど、凍結層とセンターフロー層の間を流動して収縮する際に、部品内部で生じる応力が大きくなります。

一方、プラスチックがゲートから部品の端まで流れる距離が短ければ短いほど、金型充填時の凍結層が薄くなり、部品内部の応力が小さくなり、反りが少なくなる。

b)平らなプラスチック部品の場合、中央のゲートを1つだけ使用すると、直径方向の収縮率が円周方向の収縮率よりも大きくなり、成形後にプラスチック部品が歪んでしまうものがある。代わりに複数のポイントゲートやフィルムゲートを使えば、効果的に反りを防止できる。

c)長尺の帯状のプラスチック部品では、ゲートを端部に配置し、溶融材料を長さ方向に沿って流すことで、途中のゲート設計による変形を抑えることができる。

d)成形にポイントゲートを使用する場合、プラスチック収縮の異方性により、ゲートの位置と数がプラスチック部品の変形の程度に大きく影響する。また、複数のゲートを使用することで、プラスチックの流動比（L/t）を小さくすることができ、金型キャビティ内の溶融密度がより均一になり、収縮がより均一になる。

e)リング状製品の場合、最終製品の真円度はゲート形状の違いにも影響され、より小さい射出圧力で充填することができる。射出キャビティ圧力が小さいほど、プラスチックの分子配向傾向を減少させ、内部応力を減少させ、プラスチック部分の変形を減少させることができる。

冷却システム

a) 射出成形品の溶融と冷却の特性が不均一になると、プラスチック部品は不均一に収縮する。この収縮率の差が曲げモーメントを生み、プラスチック部品に反りを生じさせる。

平らなプラスチック部品（携帯電話のバッテリーシェルのような）を射出成形するために使用される金型キャビティとコアの温度差が大きすぎると、冷たい金型キャビティ表面付近の溶融物は急速に冷えるが、熱い金型キャビティ表面付近の材料は収縮し続ける。

この不均一な収縮は、プラスチック部品の反りの原因となる。したがって、射出成形金型を冷却する際には、キャビティとコアの温度がバランスよくなるように注意し、両者の温度差が大きくなりすぎないようにします（このとき、金型温度調節器を2台使用することも検討できます）。

b) 射出成形品の両側の温度を同じにする。金型が冷えるとき、キャビティとコアの温度をできるだけ同じにする。そうすれば、プラスチック部品はどこでも同じスピードで冷えるので、均等に収縮し、ゆがむこともない。

c) 金型上の冷却水孔の配置が重要である。これには、冷却水孔の直径、水孔の間隔b、管壁からキャビティ表面までの距離、製品の肉厚が含まれる。

管壁からキャビティ表面までの距離が決まったら、キャビティ壁の温度を均一にするため、冷却水孔間の距離をできるだけ小さくする。

d)冷却水孔の直径を決めるときの注意点。金型がどんなに大きくても、水穴の直径は14mm以上でないと、冷却水の乱流が起こりにくくなります。一般的に、水穴の直径は製品の平均肉厚に応じて決めることができます。

平均肉厚が2mmの場合、水穴の直径は8～10mm、平均肉厚が2～4mmの場合、水穴の直径は10～12mm、平均肉厚が4～6mmの場合、水穴の直径は10～14mmである。

e) 冷却水路の長さが長くなると冷却媒体の温度が上昇するため、水路に沿って金型のキャビティとコアの間に温度差が生じる。従って、各冷却回路水路の長さは2m以下とする。

f) 四角いプラスチック部品の場合、金型の四隅に銅を埋め込むことで冷却効果を高める。四隅は熱がたまりやすいので、部品の変形が改善される。

9)大きな金型には冷却回路をたくさん配置し、ある回路の入口を別の回路の出口の近くに置くべきである。長いプラスチック部品には、直通の水路を使うべきである。

エジェクターシステム

a) エジェクターシステムの設計もプラスチック部品の変形に直接影響する。エジェクターシステムがアンバランスであれば、エジェクター力はアンバランスになり、射出成形されたプラスチックはゆがんで変形します。したがって、エジェクターシステムを設計する場合、脱型正力とのバランスをとる必要があります。

b) プラスチック部品の脱型不良による変化を改善するために、脱型効果を最適化する（エジェクターピンを肋骨／骨の位置に設定する）。

c) エジェクターロッドの断面積は、単位面積当たりの力が大きすぎてプラスチック部品が変形するのを防ぐため、小さすぎない方がよい（特に脱型温度が高い場合）。

d) エジェクターロッドを、金型から取り出すのに最も抵抗のある部品のできるだけ近くに配置する。

e) プラスチック部品の品質（使用条件、寸法精度、外観など）に影響を与えない範囲で、できるだけ多くのエジェクターロッドをセットし、プラスチック部品全体の変形を抑える。必要に応じて、エジェクターロッドをエジェクターブロックに交換する。

f) 軟質プラスチック（TPUなど）を使って深いキャビティ壁を持つプラスチック部品を作る場合、脱型に対する抵抗が大きく、軟質繊維強化材料の繊維のため、機械的射出方法1つだけを使うと、プラスチック部品は変形し、貫通したり折れたりして、捨てなければならなくなる。複数の部品を組み合わせたり、空気（液体）圧とメカニカル・エジェクションを使えば、うまくいくだろう。

9)キャビティが深い金型の場合、真空吸引の変形を良くするために、前後の金型に吸気装置を追加する。

可塑化段階

多段射出制御は、ランナーの構造、ゲートの形状、射出成形品の構造に応じて、多段射出圧力、射出速度、保圧、ゾル方法を合理的に設定することができます。反り変形防止に有効です。

金型冷却

プラスチックは異なる速度で冷却されるため、不均一に収縮する。この不均一な収縮が曲げの力を生み、プラスチック部分を歪ませる。

例えば、平らなプラスチック部品を射出成形する場合、金型キャビティとコアの温度差が大きすぎると、冷たい金型キャビティ表面付近のプラスチックは急速に冷えるが、熱い金型キャビティ表面付近の材料は収縮し続ける。

この不均一な収縮は、プラスチック部品の反りの原因となる。そのため、射出成形金型を冷却する際には、キャビティとコアの温度がバランスよく保たれ、両者の温度差があまり大きくならないようにする必要があります。

金型上の冷却水孔の配置も非常に重要である。管壁からキャビティ表面までの距離が決まったら、キャビティ壁の温度が均一になるように、冷却水孔の間隔はできるだけ小さくする。

同時に、冷却水路の長さが長くなるにつれて冷却媒体の温度が上昇するため、金型キャビティとコアは水路に沿って温度差を持つことになる。

そのため、各冷却回路の水路の長さは2m以下にする必要がある。複数の冷却回路を大きな金型に設置し、ある回路の入口を別の回路の出口の近くに配置する。

長いプラスチック部品の場合、冷却回路の長さを短くする、つまり金型の温度差を小さくすることで、プラスチック部品の均一な冷却を確保する。

製品収縮

通常、均一な収縮はプラスチックの体積にのみ影響し、不均一な収縮のみが反りの原因となる。結晶性プラスチックは非結晶性プラスチックに比べ、流れ方向と垂直方向で収縮差が生じる。

製品の幾何学的形状の分析に基づいて選択された多段射出プロセスでは、製品の薄肉と長い流動長比のために、溶融物は素早く流れなければならない、

でないと冷却固化しやすいので、高速射出を設定する。しかし、高速射出は、溶融物に多くの運動エネルギーをもたらし、溶融物が底部に流れるとき、多くの慣性衝撃を生じ、エネルギー損失とオーバーフローを生じる。この時、溶融物は流速を落とし、充填圧力を下げなければならない。

そして、ゲートが凝固する前に金型キャビティ内の溶融物の収縮を補うことができるように、いわゆる保圧を維持する。このため、多段射出速度と射出圧力の要件は、以下のようになる。 射出成形 プロセスだ。

残留熱応力

プラスチックが成形されるとき、均一に冷却されないので、不均一に収縮する。つまり、内部で不均一な応力がかかっているのです。だから金型から取り出すと、不均一な応力のために反ってしまう。

冷却段階におけるプラスチックの液体から固体への相変態と応力緩和挙動。未硬化領域では、プラスチックは粘性流体のように作用し、これは粘性流体モデルで記述される。硬化領域では、プラスチックは粘弾性材料のように作用し、これは標準的な線形固体モデルで記述される。

したがって、金型メーカーや製品開発者は、粘弾性相変態モデルと2次元有限要素法を使用して、熱残留応力とそれに対応する反りを予測することができます。

結論

金型の設計、使用しているプラスチック材料の収縮の種類、成形機の運転方法など、プラスチック部品が反る原因にはさまざまなものがあります。ですから、ゆがんだ部品を直したいのであれば、これらのことをすべて考えなければなりません。