射出成形金型

残留応力

成形中、温度が溶融状態から室温まで劇的に下がるとプラスチックの密度が変化し、収縮が起こります。また、製品とその部分の収縮差によって内部残留応力が生じ、製品構造の靭性を圧倒したり、歪みや亀裂が発生したりすることがあります。が起こります。残留応力が発生する主な理由は、流れによるもの、熱によるもの、プロセスによるもの、およびキャビティ内によるものです。

 

1 流動誘起残留応力

成形工程では、ポリマーの分子鎖はせん断や延伸により流れ方向に沿って配向しますが、完全にバランスが取れないまま固化すると、製品中では配向が固定されてしまいます。この応力凍結状態は流れ誘起残留応力と呼ばれ、不均一な機構と流れ方向およびその垂直方向の収縮を引き起こします。

金型壁に近い部品が高いせん断応力と冷却速度にさらされると、以下の図に示すように、その表面の高い配向性が即座に固化します。そのため、製品を高温下に置くと応力が解放され、反りが発生します。凍結層は部品の中心をより高い温度に保ち、中心層の分子鎖が低レベルで配向する応力をより多く解放します。樹脂と金型壁の高温、長い充填時間、保圧の低下、流動距離の短縮など、せん断応力の原因となるいくつかの条件を制御して、流動誘発残留応力を低減できます。

高い冷却速度、高いせん断応力、高い配向性

低い冷却速度、低いせん断応力、および低い配向性

 

2 熱誘起残留応力

原因:

部品の温度は地層から自然レベルまで下がります。

凍結中、部品の表面から中心層までは、冷却時間や保圧など、さまざまな熱力や機械力を受けます。

密度と機構の変化により、圧力、温度、分子鎖の配向、繊維の配向が変化します。

射出成形の構造設計により、一部の方向の収縮が制限されます。

冷却の予備段階では、部品は冷却された金型鋼壁と接触し、表面層が収縮しますが、内部の溶融物は依然として自由に収縮します。中心温度が下がり、表面層が凍結すると、次の図に示すように、部分的な熱収縮により中心層に伸長応力が発生し、表面層に圧縮応力が発生します。

 

2 つの金型壁の冷却速度の差によっても、非対称の熱誘起残留応力が発生し、非対称に分布した伸び応力と圧縮応力によって曲げモーメントが発生し、反りが発生します。不均一な壁厚、部分領域の冷却不良、金型の不均一な冷却、金型構造の制限などの要因により、この種の残留応力はさらに複雑になります。

 

3 プロセス誘起残留応力およびキャビティ内残留応力

部品が射出成形ツールから出てくるとすぐに、バランスが取れるまで収縮し、反りがなくなります。このとき、部品内部にはプロセス誘起と呼ばれる応力（図左下）が残留しており、流動誘起残留応力と熱誘起残留応力が主に影響します。

部品が金型内に拘束されると、凍結した部分にキャビティ内残留応力と呼ばれる内部応力が蓄積され、これが突き出された後に部品の収縮と反りを引き起こします(図左上)。部品の壁は非対称な冷却に遭遇し、これにより非対称な残留応力が発生し、部品が歪みます (右下の図)。

では、熱誘起残留応力をどのように軽減すればよいのでしょうか?対称的な断面肉厚、適切な保圧と時間、すべての表面の対称的な冷却が条件です。

 

プラスチック射出成形時の体積収縮は最大 20% になる可能性があります。結晶質および半結晶質の材料をガラス転移温度まで冷却すると、分子が規則的に配列して結晶化し、熱収縮が起こりやすくなります。したがって、これらの材料の比体積は、PVT 図にあるように、アモルファス材料の比体積よりも大きな差があります。

注: プロセス状態 (A) から室温までの材料比容積 (△υ) の変化

過剰収縮には、ショット圧力の低さ、保圧と冷却時間の不足、溶融温度と金型温度の高さ、保圧圧力の低さなど、いくつかの理由があります。したがって、射出成形金型設計の収縮がいつ起こるかは重大な懸念事項であり、金型流動解析が役に立ちます。

 

反りとは、プラスチック部品の非対称的な収縮によって生じる、プラスチック部品の形状からの異常な曲がりまたはねじれのことです。収縮に影響を与え、反りを引き起こす原因は数多くあります。

プラスチック部品内の温度が非対称。

肉厚方向の圧力差と部品凍結時の冷却速度の差。

部品が完全に冷却される前に突き出し、またはエジェクタピンの変形、アンダーカットが深すぎる、および突き出し方法の欠陥。

肉厚の変化により冷却速度に差が生じます。

湾曲した非対称形状の部品。

添加物を入れるか入れないかによる違い。

流れ方向とそれに垂直な方向における繊維分子列の配向の違い。

パッキン圧の差。

 

プラスチック部品の設計、射出成形金型の設計、成形条件、材料の使用を適切に行うことで、収縮や反りを減少または制御できます。参考までにいくつかアドバイスがあります。

1 肉厚

肉厚の非対称を避けるため、または薄肉領域の肉厚の 3 倍の変化距離を設定するため。明らかな収縮、ヒケ、ボイドが発生する箇所がある場合は、対称的な薄肉とリブを組み合わせて作成してください。

2 バランス充填

適切な溶融フロー フロント速度での充填モードでは、溶融ポリマーの透過性が向上します。

3 保圧圧力

高い保圧は収縮の低減に役立ちますが、残留応力が増加し、高い機械クランプ力が必要になります。より良い設計では、適切な保圧圧力と時間を設定し、ゲートが凍結するとすぐに保圧を解除できる必要があります。一方、圧力は充填部品の体積収縮に対するポリマーの補償に十分です。

4 冷却システム

成形金型の適切な冷却システムを設計して、成形品とその断面方向が均一でバランスのとれた冷却が行われるようにします。

5 残留応力

残留応力と繊維配向を議論するには、溶融温度、金型壁温度、充填時間、金型キャビティの厚さを増加させるか、保圧圧力と流動距離などを減少させます。

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