射出成形の不良と対策

この記事では、プラスチック成形工程に基づいて、プラスチック成形部品に生じる一般的な射出成形不良の原因を分析し、射出成形工程に応じた不良対策を提示します。

クラッキング

割れはプラスチック製品で比較的よく見られる不良で、主な原因は応力による変形です。残留応力、外部応力、外部環境による応力変形に大別されます。

A. 残留応力による割れ 残留応力の主な原因は、過充填、離型、金属インサートの3つです。

過充填の場合のクラッキングのように、解決策は主に以下の点にある。

(1)ストレートゲートの圧力損失が最も小さいので、ストレートゲート近傍で主に亀裂が発生する場合は、多点分配ポイントゲート、サイドゲート、シャンクゲートの使用を検討する。

(2)樹脂が分解劣化しないことを前提に、樹脂温度を適切に上昇させることで、溶融粘度を下げ、流動性を向上させ、射出圧力を下げて応力を下げることができる。

(3)一般に金型温度が低いと応力が発生しやすく、適当に温度を上げる必要がある。しかし、射出速度が速い場合は、金型温度が低くても応力の発生を抑えることができる。

(4) 射出時間と保圧時間が長い場合も応力が生じるため、適切に短縮するか、時間に基づく保圧切替を行うとよいでしょう。

(5) AS樹脂、ABS樹脂、PMMA樹脂などの非結晶性樹脂は、ポリエチレン、ポリホルムアルデヒドなどの結晶性樹脂に比べて残留応力が発生しやすいので注意が必要です。

離型して押し出す際、離型勾配が小さい、金型型ゴム、金型粗さが凸のため、押し出す力が大きすぎて応力がかかり、時にはロッドの白化や破裂現象周辺の押し出しにもつながります。ロックの亀裂箇所を注意深く観察することで原因を特定することができます。

B. 外部応力による割れ ここでいう外部応力は、主に不合理な設計と応力集中によって生じます。特に鋭角部には十分な注意が必要です。

C. 外部環境による割れ 化学薬品、吸湿による加水分解、再生材の過剰使用は、物性を低下させて割れを引き起こす可能性があります。

過少申告

充填不足の主な原因は次のとおりです。 (1) シリンダー、ノズル、金型の温度が低い

(2) 充填量不足

(3)樽の中の材料が多すぎる。

(4) 射出圧力が小さすぎる

(5) 射出速度が遅すぎる

(6)ランナーとゲートのサイズが小さすぎる、ゲートの数が足りない、カッティングゲートの位置が適切でない。

(7) キャビティの排気不良

(8) 注入時間が短すぎる

(9) 注入システムの遮断

(10) プラスチックの流動性が悪すぎる。

改善策として、主に次の点から取り組めます。 (1) 成形サイクルが短すぎてゲートが固化する前に樹脂が逆流し、キャビティへの充填が難しくなるのを防ぐため、射出時間を延ばします。

(2) 射出速度を上げる

(3) 金型温度を上げる

(4) 樹脂温度を上げる

(5) 噴射圧力を上げる

(6) ゲートのサイズを大きくする。一般的に、ゲートの高さは製品の肉厚の1/2～1/3程度にする。

(7) ゲートを製品の最大肉厚に設定する。

(8) 排気溝（平均深さ0.03mm、幅3～5mm）または排気ロッドを設定します。小さいワークの場合はより重要です。

(9) スクリューと射出ノズルの間に一定（SMM程度）の緩衝距離をとる。

(10) 低粘度グレードの材料を使用する

(11) 潤滑油を加える

粘着性の金型

射出成形の生産工程において、型への付着現象は頻繁に発生すると言え、この問題の解決は比較的厄介です。

ひとたびこのような事態が起きると、製品を金型から取り出すために多くの人手と材料が必要になるだけでなく、通常の生産効率にも影響を及ぼし、必ずコストアップにつながる。

一般的に、ベタベタしたカビの問題は、事前に予防する方法を主体として、ベタベタしたカビの発生を防ぎます。

金型への張り付きに関する一般的な原因分析 (1) 研磨不良。例えば前型への張り付きは、後型の方が前型より良好に研磨されており、試作・生産時に成形品がそのまま前型へ張り付くことが主な原因です。

(2）離型勾配の不合理な設計、理論的には前金型の離型勾配は後金型よりも大きく、離型勾配は逆に置くと、前金型が製品に粘着する可能性もある。

(3)金型が開くと真空状態になり、製品が前または後ろの金型に直接吸い込まれ、正常に離型できない。

(4)金型作動開始時の金型温度が低すぎ、金型への製品のクランプ力が大きすぎる。

原因に応じて金型への張り付きを防ぐ有効な予防策を講じることができます。主な予防策は次のとおりです。

(1)研磨不良による金型のベタつきを防ぐため、金型の内膜を再研磨する。

(2)裏型に粘着性のある型が多い製品は、離型の勾配を大きくするが、製品の加工による。

(3)金型を開いたときに前金型に真空がある場合は、真空の影響をなくすために前金型を排気する。

(4)製品の構造上、金型温度が必要な場合は、金型トライを開始するときに金型温度を上げ、金型の初期温度が低すぎることによる製品パッケージのベストエフォートへの影響を軽減する。

収縮ピット

製品にヒケが生じる主な原因は次のとおりです。 (1）材料の供給量不足

(2）材料温度が高すぎる

(3）製品の肉厚との差が大きすぎる。

(4）射出・保圧時間が短すぎる。

(5）射出圧力が小さすぎる

(6）射出速度が速すぎる

(7）不適切なゲート位置

改善策として、主に次の点から取り組めます。 ヒケの原因は充填不足と同様であり、原理上は過充填で解消できますが、応力が生じるリスクがあります。設計では肉厚を均一にし、補強リブやボスなどの肉厚をできるだけ薄くする必要があります。

オーバーフローエッジ

(1) バレル、ノズル、金型の温度が高すぎる。

(2) 射出圧力が大きすぎ、クランプ力が小さすぎる。

(3)金型がしっかりはまっていない、破片がある、またはテンプレートが変形している。

(4) キャビティの排気不良

(5) 塑性流動が良すぎる

(6) 材料の添加量が多すぎる。

オーバーフロー側の処理では、主に金型の改善に焦点を当てるべきである。

また、成形条件においては、流動性を下げることから始めることができる。具体的には以下のような方法がある。

(1) 噴射圧力を下げる

(2) 樹脂温度を下げる

(3) 高粘度グレードの材料の使用

(4) 金型温度を下げる

(5) オーバーフローした金型表面を研磨する。

(6) より硬い金型鋼を使用する

(7) クランプ力の向上

(8)金型の接着面やその他の部品を正確に調整する。

(9)金型の支柱を大きくして剛性を上げる。

(10) 素材の違いによる排気口の大きさの違い

バーンズ

さまざまな機械的条件、金型条件、成形条件によって引き起こされる火傷によって、さまざまな解決策がとられる。

(1) 機械的要因。例えば異常によりシリンダーが過熱し、樹脂が高温で分解して成形品へ射出される場合があります。また、ノズル、スクリューネジ部、逆止弁などで樹脂が滞留すると、分解・変色した樹脂が成形品へ混入し、暗褐色の焼け跡が生じます。

この場合、ノズル、スクリュー、バレルを洗浄することが解決策となる。

(2) 金型側の主因は、排気不良です。

この種の熱傷は通常、決まった場所に発生するため、最初のケースとの区別は容易である。

この場合の解決策は、排気口に排気ロッドを追加するなどの対策に注意を払うことだ。

(3) 成形条件では、背圧が300 MPaを超えるとシリンダー部が過熱し、焼けが生じます。

スクリューの回転数が高すぎると、オーバーヒートも発生するので、一般的には40～90r/minの範囲が良い。

排気タンクがない場合、あるいは排気タンクが小さい場合、高い噴射速度はオーバーヒートによるガス焼けを引き起こす。

銀線

製品表面にシルバーストリークや波紋が生じる主な原因は次のとおりです。 (1) プラスチックに水分や揮発分が含まれている

(2) 材料温度が高すぎるか低すぎる。

(3) 射出圧力が小さすぎる

(4) ランナーとゲートのサイズが大きすぎる。

(5) インサートが予熱されておらず、温度が低すぎる。

(6) 製品の内部応力が大きすぎる。

改善には次の項目を参考にできます。 シルバーストリークは主にプラスチック材料の吸湿によって生じます。そのため一般には、樹脂の熱変形温度より10～15℃低い条件で乾燥します。より厳しい管理が必要なPMMA樹脂系では、約75℃で4～6h乾燥する必要があります。

特に自動乾燥ホッパーを使用する場合は、成形サイクル（成形量）と乾燥時間に応じて適切な容量を選択する必要があり、また射出開始の数時間前から材料のベーキングを開始する必要がある。

ウェルドラインとは、2つの樹脂流が合流することで生じる表面不良です。原因：成形品に穴やインサートがある場合、マルチゲート射出成形を用いる場合、または部品の肉厚が不均一な場合に、ウェルドラインが生じることがあります。

ヒケとは、肉厚部の表面がくぼむ現象です。

原因：(1) 射出圧力または保圧が低すぎる (2) 保圧時間または冷却時間が短すぎる (3) 溶融温度または金型温度が高すぎる (4) 部品構造の設計が不適切である。

また、材料の滞留時間が長すぎてもシルバーラインが発生する。ポリスチレンとABS樹脂、AS樹脂、ポリプロピレン、ポリスチレンなど、異なる種類の材料を混合する場合は適さない。

フローライン

射出成形の工程では、成形品表面に波状の現象が発生することがあり、これは一般にフローラインと呼ばれます。

フローラインの形成は主に肉充填に起因し、溶融物の高温は金型キャビティ壁の低温と出会い、シェル層が溶融流動力の作用を受けると硬いシェルを形成し、金型キャビティの表面から分離し、一貫性のない冷却を引き起こすため、フローラインが現れる。

フローマーク（流れ模様）が生じる主な原因 (1) プラスチックの流動性が低い

(2) 材料温度低下、金型温度低下、ノズル温度低下、射出速度低下、金型充填率低下、材料供給不足

(3) 射出圧力が小さく、ゲートの局所温度が低い。

(4）長い注ぎシステムプロセス、小さな断面、入口の小さなサイズ、曲がりくねった流路、狭いと不適切な冷たい材料の空洞は、冷たい材料があるので、溶融材料の流動抵抗、高速冷却

(5) プラスチック部品の薄肉、大面積、複雑形状

対策 (1) 流動性の良い材料を適切に選ぶ

純粋な金型材料であれば、流動性を向上させるために処理温度を適切に上昇させることができる（また、いくつかの潤滑分散剤を添加することができる）。

フィリングが含まれている場合、溶融物の流動性を向上させるために潤滑分散剤やその他の添加剤を加えることができる。

(2) 金型とノズルの温度を適切に上昇させ、射出速度と金型充填率を調整する。

(3) 射出圧力と保持時間を上げ、交差点にヒーターを設置して交差点の局所温度を上げる。

(4)適切なゲートの拡張とエリアへの滞在、交差点の位置の変更、冷たい材料の空洞を増やすなど、フローパターンの発生を回避するための措置。

反りと変形

(1) 金型温度が高すぎる、冷却時間が足りない。

(2) 製品間の厚さの違い

(3) ゲートの位置が不適切である。

(4) 不適切な場所と不均等な力

(5) 塑性分子配向が大きすぎる。

射出成形品の反りや変形は非常に難しい問題である。主な問題は金型設計から解決しなければならないが、成形条件の調整効果は非常に限られている。

(1)成形条件による残留応力による変形は、射出圧力を下げる、金型を高くして金型温度を均一にする、樹脂温度を上げる、アニールするなどの方法で解消できます。

(2)離型不良による応力変形の場合は、押湯の数や面積を増やしたり、離型勾配を設定することで解決できる。

(3)冷却方法が適切でなく、冷却が不均一であったり、冷却時間が十分でない場合は、冷却方法を調整し、冷却時間を延長することができる。例えば、冷却回路をできるだけ変形部に近づける。

(4) 成形収縮による変形に対しては、金型の設計を修正する必要がある。その中でも、製品の肉厚を一定にすることが最も重要である。

最後の手段として、製品の変形を測定し、反対方向に金型をトリミングすることによって変形を修正する必要がある場合もある。

収縮率の大きい樹脂、一般に結晶性樹脂（ポリホルムアルデヒド、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、PET樹脂など）は、非結晶性樹脂（PMMA樹脂、PVC、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂など）に比べて変形が大きい。

また、ガラス繊維強化樹脂の変形は、繊維の配列によるところも大きい。

泡

成形品に気泡が生じる主な原因は次のとおりです。 (1) プラスチックの乾燥が不十分で、水分を含んでいる

(2)プラスチックは脱脂組成物である。

(3) 射出速度が速すぎる

(4) 射出圧力が小さすぎる

(5) トラブルの温度が低すぎて、金型が充填されない。

(6) 金型の排気不良

(7) エアーは充電端から送り込まれる。

(1)製品の肉厚が大きい場合、外周部の冷却速度が中央部の冷却速度より速いため、冷却が進むと中央部の樹脂が収縮すると同時に表面へ膨張し、中央部が充填不足となる。この状態を真空バブルという。

主な対策は次のとおりです。 A：肉厚に応じて適切なゲートおよびスプルー寸法を決めます。一般にゲート高さは製品肉厚の50%～60%とします。

B：ゲートが閉まるまで、一定量の補助注入材を残す。

C: 射出時間は、ゲートシール時間より少し長くする。

D: 射出速度を下げ、射出圧力を上げる。

E: 溶融粘度の高いグレードの材料を使用する。

(2)揮発性ガスの発生による気泡、解決策は主に以下の通り：

A: 十分な予備乾燥

B: 分解ガスの発生を避けるため、樹脂の高い溶融温度を下げる。

(3)流動性不良による気泡は、樹脂と金型の温度を上げ、射出速度を上げることで解決できる。

ストレスマーク

射出成形品を金型から取り出す際、エジェクタピンで突き出すと、プラスチック部品に深浅さまざまなピン跡が残ることがあります。

これらの痕跡が深すぎると、いわゆる白濁現象が発生し、深刻な場合は、トップ爆発と呼ばれる状況のプラスチック部分を介してトップが発生する。

プラスチック射出成形品にストレスマークが現れる主な原因は、製品が金型に張り付く力と、エジェクタ部でエジェクタピンが突き出す位置に白化跡が生じることです。

具体的な原因と改善方法は次のとおりです。 (1) 金型温度が低すぎる、または高すぎる場合：適切な金型温度に調整します。

(2)排出速度が速すぎる：排出速度を遅くする。

(3)金型に面取りがある：金型を修理する（研磨）。

(4)完成品の排出バランスが悪い（エジェクタープレートスプリングの破損）：金型を修理する（エジェクターのバランスを取る）。

(5)エジェクターピンの数が足りない、または位置が不適切：エジェクターピンの数を増やすか、エジェクターピンの位置を変える。

(6)成形中の金型内の真空現象：エジェクター穴の汚れを清掃し、空気吸入効果を向上させる。

(7)完成品（後方）の粗骨位置と柱位置：各骨位置と柱位置を研磨する。

(8) 射出圧力または保圧圧力が大きすぎる。

(9) 完成品の離型勾配が小さすぎる：離型勾配を大きくする。

(10)サイドスライダーのタイミングや位置が悪い：金型を修理する（コア抜き動作を正常にする）。

(11) エジェクターエリアが小さすぎるか、エジェクタースピードが速すぎる：エジェクターエリアを大きくするか、エジェクタースピードを遅くする。

(12) 最終セクションの射出速度が速すぎる（バリ）：最終セクションの射出速度を遅くする。

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