射出成形材料選定ガイド：7つの重要な要素

適切な射出成形材料は、最終製品の品質、製造コスト、そして長期的な耐久性に直接影響を与えます。最適な材料を選ぶには、性能低下や不必要な資源の浪費を避けるために、複数の重要な影響要因を慎重に分析する必要があります。

材料の不一致を避けるために、 私たちの 射出成形材料選定ガイド7種類の重要な考慮事項を整理し、効率的で信頼性の高い選択を行うのに役立ちます。

収縮率

熱可塑性樹脂の成形収縮に影響を与える要因は以下のとおりです。

プラスチックタイプ

成形中、熱可塑性樹脂は結晶化により体積変化を起こし、高い内部応力、成形部品に固着した大きな残留応力、および強い分子配向が生じる。射出成形用熱硬化性材料熱可塑性樹脂は、収縮率が高く、収縮範囲が広く、方向性が明確です。さらに、成形、アニーリング、または湿度調整後の収縮は、一般的に、 熱硬化性樹脂材料。

成形部品の特性

溶融したプラスチックが金型キャビティ表面に接触すると、外側の層は急速に冷却されて低密度の固体シェルを形成する。一方、プラスチックは熱伝導率が低いため、内側の層はゆっくりと冷却され、収縮率の高い高密度の固体層を形成する。

したがって、肉厚の部品、冷却速度の遅い部品、および厚く高密度な層を持つ部品は、より大きな収縮を示す。さらに、インサートの有無、配置、および数量は、溶融金属の流れ方向、密度分布、および収縮抵抗に直接影響を与えるため、部品の特性は収縮の大きさおよび方向性を決定する主要な要因となる。

ゲートの種類、サイズ、配置

これらの要因は、溶融樹脂の流れ方向、密度分布、充填補正、および成形サイクル時間に直接影響を与えます。断面の大きい（特に厚い）直接ゲートは収縮を低減しますが、方向性を高めます。一方、幅が広く短いゲートは方向性を最小限に抑えます。

ゲート付近や溶融金属の流れ方向と平行な領域では、収縮率が高くなる。

成形条件

金型温度が高いと、溶融物の冷却が遅くなり、密度が増加し、収縮率が高まります。特に結晶性プラスチックでは、結晶化度が高いほど体積変化が大きくなり、収縮率も高くなります。金型温度の分布は、部品の内部および外部の冷却と密度の均一性に影響を与え、部品の各部分における収縮の大きさや方向性に直接影響を及ぼします。

さらに、保圧と保持時間も顕著な影響を与えます。圧力が高く、保持時間が長いほど収縮は減少しますが、方向性は高まります。射出圧力が高いほど溶融樹脂の粘度が低下し、層間せん断応力が低減し、離型後の弾性回復が増加するため、収縮は適度に減少します。溶融樹脂の温度が高いほど収縮は増加しますが、方向性は低下します。したがって、成形時の金型温度、圧力、射出速度、冷却時間を調整することで、部品の収縮を適切に制御できます。

金型を設計する際は、選択したプラスチックの収縮範囲、部品の肉厚、形状、ゲートの種類、サイズ、分布に基づいて、各部品セクションの収縮率を決定し、金型キャビティの寸法を計算します。高精度部品の場合、または収縮率の予測が難しい場合は、金型設計を以下の手順で行います。

1. 試作後の金型調整を可能にするため、部品の外径には小さめの収縮率を、内径には大きめの収縮率を採用する。
2. 金型試作を通して、ゲートシステムの種類、サイズ、および成形条件を決定する。
3. 後処理が必要な部品の寸法変化を測定する（測定は脱型後24時間経過してから行う）。
4. 実際の収縮データに基づいて金型を修正する。
5. 2回目の金型試作を行い、収縮率を微調整して部品の要求仕様を満たすように、プロセス条件をわずかに調整する。

流動性

流動性は重要な要素です の 射出成形材料の選択熱可塑性樹脂の流動性は、分子量、メルトフローインデックス（MFI）、アルキメデス螺旋流動長、見かけ粘度、流動比（流動長／部品壁厚）など、一連の指標によって評価できます。

流動性が高いほど、分子量が低く、分子量分布が広く、分子構造の規則性が低く、MFIが高く、らせん状の流れの長さが長く、見かけ粘度が低く、流動比が高いことが示されます。同じグレードのプラスチックの場合、必ず製品仕様書を参照して、その流動性が射出成形に適しているかどうかを確認してください。金型設計要件に基づいて、 一般 射出成形プラスチック材料流動性は大きく3つのカテゴリーに分類できる。

• 良好な流動性: PA、PE、PS、PP、CA、ポリメチルペンテン
• 中程度の流動性ポリスチレン系樹脂（例：ABS、AS）、PMMA、POM、ポリフェニレンオキシド
• 流動性が低い: PC、硬質PVC、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、フッ素樹脂

 

あらゆるプラスチックの流動性は成形条件によって変化し、主な影響要因は以下のとおりである。

• 温度溶融温度が高いほど流動性は高まりますが、その変化の程度はプラスチックの種類によって異なります。PS（特に耐衝撃性グレードやMFIが高いもの）、PP、PA、PMMA、変性ポリスチレン（ABS、ASなど）、PC、CAの流動性は温度変化に非常に敏感であるため、成形時の流動性を制御するには温度調整が好ましい方法です。一方、PEとPOMの流動性は温度の影響をほとんど受けません。
• プレッシャー射出圧力を高くすると、溶融樹脂へのせん断作用が強まり、流動性が向上します。この効果は特にPEとPOMで顕著であり、成形時の流動性を制御するには圧力調整が最適な方法となります。
• 金型構造ゲートシステムの設計（種類、サイズ、レイアウト）、冷却システムの設計、および溶融流動抵抗（例えば、金型表面仕上げ、ランナーの断面厚さ、キャビティ形状、およびベントシステム）は、キャビティ内の溶融物の実際の流動性に直接影響します。

溶融温度を低下させたり、流動抵抗を増加させたりする要因はすべて、流動性を低下させます。金型設計は、選択したプラスチックの流動性に基づいて適切な構造を採用する必要があります。成形時には、溶融温度、金型温度、射出圧力、射出速度を制御することで、溶融樹脂の充填を適切に調整し、成形要件を満たすことができます。

結晶性

熱可塑性樹脂は、凝固中に結晶化が起こるかどうかによって、結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの2種類に分類されます。結晶化とは、溶融状態では分子が自由に動き回っている無秩序な状態から、冷却時に分子の動きが止まり、分子が比較的固定された位置に落ち着き、規則的なパターンに配列する状態へと変化する過程を指します。

2種類のプラスチックを区別する視覚的な基準は、厚肉部品の透明度です。結晶性プラスチックは一般的に不透明または半透明（例：POM）であるのに対し、非晶性プラスチックは透明（例：PMMA）です。ただし、例外もあります。ポリメチルペンテンは透明度の高い結晶性プラスチックであり、ABSは不透明な非晶性プラスチックです。金型を設計し、射出成形機を選定する際には、結晶性プラスチックに対して以下の要件と考慮事項が適用されます。

• 溶融物を成形温度まで上昇させるにはより多くの熱が必要となるため、高い可塑化能力を持つ装置が必要となる。
• 冷却および結晶化の過程でかなりの熱が発生するため、適切な冷却が必要となる。
• 溶融状態と固体状態の密度差が大きいため、成形収縮率が高くなり、収縮空洞や気泡が発生しやすくなる。
• 急速冷却は、結晶化度の低下、収縮率の低下、および透明度の向上をもたらします。結晶化度は部品の肉厚に関係しており、肉厚が厚いほど冷却速度が遅くなり、結晶化度が高くなり、収縮率も大きくなり、機械的特性が向上します。したがって、結晶性プラスチックの場合、金型温度は必要に応じて厳密に制御する必要があります。
• 明らかな異方性と高い内部応力はよく見られる現象である。脱型後、未結晶分子は結晶化を続ける傾向があり、部品はエネルギー的に不均衡な状態となり、変形や反りが発生しやすくなる。
• 結晶化温度範囲が狭いと、プラスチックの溶融が不完全になったり、ランナーが詰まったりする可能性がある。

熱感受性と加水分解

熱感受性

熱感受性とは、特定のプラスチックが高温に長時間さらされたり、高いせん断応力が発生して溶融温度が上昇するような狭い断面を通過したりした際に、変色、劣化、または分解する性質を指します。このような性質を持つプラスチックは、硬質PVC、ポリ塩化ビニリデン、酢酸ビニル共重合体、POM、ポリクロロトリフルオロエチレンなど、熱感受性プラスチックと呼ばれます。

熱に弱いプラスチックの分解では、モノマー、ガス、固体などの副生成物が生成されます。これらの分解ガスの中には、人、設備、金型に対して刺激性、腐食性、または毒性を持つものがあります。したがって、金型設計、射出成形機の選定、 射出成形材料の選定、そして成形：

• スクリュー式射出成形機を使用してください。
• 断面積の大きいゲートシステムを採用する。
• 材料が滞留するデッドスポットを避けるため、クロムメッキされた金型とバレルを使用してください。
• 成形温度を厳密に管理してください。
• プラスチックに安定剤を添加することで、熱に対する感受性を低減できます。

加水分解感受性

一部のプラスチック（例えばポリカーボネート）は、微量の水分を含んでいても、高温高圧下では分解する性質を持つ。これは加水分解感受性と呼ばれる。

これらのプラスチックは、加工前に適切な方法と仕様に従って予熱および乾燥させる必要があり、使用中に水分が再吸収されないようにしなければならない。

応力割れと溶融破壊

応力亀裂

特定のプラスチックは応力に敏感で、成形中に内部応力が発生しやすく、脆くなってひび割れを起こしやすくなります。ひび割れは、部品が外部からの力にさらされたり、溶剤に接触したりすると発生する可能性があります。この問題に対処するには、次の対策が必要です。

• 原材料に耐亀裂添加剤を添加することで、耐亀裂性を向上させる。
• 原材料が適切に乾燥していることを確認してください。
• 内部応力を低減し、耐亀裂性を向上させるために、最適な成形条件を選択してください。
• 応力集中を最小限に抑えるため、部品は合理的な形状に設計し、不要な挿入物を避ける。
• 金型設計時に抜き勾配を大きくし、適切なゲートシステムと射出機構を選択してください。成形中は、溶融温度、金型温度、射出圧力、冷却時間を適切に調整し、部品が冷えすぎて脆い状態での離型を避けてください。成形後処理を行い、耐亀裂性を向上させ、内部応力を除去し、溶剤との接触を避けてください。

メルトフラクチャー

溶融破壊は、特定の溶融流量を持つポリマー溶融物が一定温度でノズルオリフィスを通過する際に、その流量が臨界値を超えると、溶融物表面に明らかな横方向の亀裂が生じる現象です。この欠陥は、成形品の外観と機械的特性を損ないます。溶融破壊を防止するには、以下の対策が必要です。

• 溶融流動性の高いポリマーの場合は、ノズル、ランナー、ゲートの断面積を大きくしてください。
• 噴射速度を下げてください。
• 融点を上げる。

熱特性と冷却速度

熱特性

プラスチックの種類によって、比熱容量、熱伝導率、熱変形温度などの熱特性は異なります。

• 比熱容量の高いプラスチックは可塑化に多くの熱を必要とするため、可塑化能力の高い射出成形機を選定する必要がある。
• 熱変形温度が高いプラスチックは、冷却時間を短縮して早期に脱型できるが、変形を防ぐために脱型後の冷却を制御する必要がある。
• 熱伝導率の低いプラスチックは冷却速度が遅いため（例えば、アイオノマーは冷却速度が非常に遅い）、金型冷却効率の向上が必要となる。
• ホットランナー金型は、比熱容量が低く熱伝導率が高いプラスチックに適しています。比熱容量が高く、熱伝導率が低く、熱変形温度が低く、冷却速度が遅いプラスチックは、高速成形には適していません。これらの材料には、適切な射出成形機を選定し、金型冷却システムを最適化する必要があります。

冷却速度制御

すべてのプラスチックにおいて、冷却速度は材料特性と成形品の形状に基づいて適切に制御する必要があります。金型には、必要に応じて安定した金型温度を維持するために、加熱および冷却システムが装備されていなければなりません。

• 溶融温度が上昇して金型温度が上昇した場合、脱型後の部品変形を防ぎ、成形サイクルを短縮し、結晶化度を低減するために冷却が必要となる。
• 溶融物の残留熱が金型の必要温度を維持するのに不十分な場合は、金型加熱システムを使用して冷却速度を制御し、溶融物の流動性を確保し、充填条件を改善し、または部品の緩やかな冷却を可能にして、肉厚部分の不均一な冷却を防ぎ、結晶化度を高める必要があります。流動性が高く、成形面積が大きく、溶融物の温度分布が不均一なプラスチックの場合、部品の成形条件に応じて、金型に加熱と冷却を交互に行うか、局所的に加熱/冷却する必要がある場合があります。金型には、これらのニーズを満たすための適切な冷却システムまたは加熱システムを装備する必要があります。

 

吸湿性

プラスチックは様々な添加剤の存在により、吸湿性のレベルが異なり、大きく分けて2種類に分類できます。すなわち、吸湿性プラスチック（水分を吸収・保持する）と非吸湿性プラスチック（水分を吸収せず、水分が付着しにくい）です。

プラスチック原料の水分含有量は、許容範囲内に管理する必要があります。過剰な水分は、成形時の高温高圧下で気化したり加水分解を引き起こしたりして、気泡、流動性の低下、表面仕上げの不良、機械的特性の劣化などの欠陥につながります。したがって、吸湿性プラスチックは、加工前に適切な方法と仕様に基づいて予熱および乾燥させる必要があり、保管中および使用中の水分再吸収を防ぐ必要があります。

結論

T彼 適切な 射出成形材料の選定部品の品質を安定させ、生産の一貫性を確保し、コスト効率を高めるためには、適切な材料選定が不可欠です。収縮率、流動性、結晶性、熱感受性、応力挙動、熱特性、冷却速度、吸湿性といった重要な要素を理解することで、設計要件と材料の適合性をより的確に把握することができます。

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