射出成形品の変形
変形は、反り変形の正確な予測を必要とし、さまざまな材料や形状の射出成形部品の反り変形法則が大きく異なるため、薄肉プラスチック パーツの射出成形における一般的な欠陥の 1 つです。 反り量が許容誤差を超えると、成形不良となり、製品の組み立てに影響を及ぼします。
ますます薄肉化される多数の部品 (肉厚 2mm 未満) の反り変形を正確に予測することは、反り欠陥を効果的に制御するための前提条件です。 反り変形解析は主に定性解析を採用し、製品設計、金型設計、射出成形工程条件から大きな反り変形を極力回避する対策を講じています。
原因分析
型
射出成形ゲートのゲートの位置、形状、および数は、金型キャビティ内のプラスチックの充填状態に影響を与え、プラスチック部品の変形を引き起こします。
流動距離が長いほど、凍結層と中央流動層の間の流れと供給によって引き起こされる内部応力が大きくなります。 逆に、流動距離が短いほど、ゲートから成形品の流動末端までの流動時間が短くなり、充填時に金型が固化します。層の厚さが薄くなり、内部応力が減少し、反りが減少します。変形も大幅に軽減。 センター ゲートまたはサイド 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、プラスチック成形品が変形します。 代わりに複数のポイント ゲートを使用すると、反りや変形を効果的に防ぐことができます。
スポットキャスティングで成形する場合も、樹脂収縮の異方性により、ゲートの位置や数が樹脂部品の変形量に大きく影響します。 30% ガラス繊維強化 PA6 を使用しているため、得られる重量は 4.95kg の大型射出成形部品であり、周囲の壁の流れ方向に沿って多くの補強リブがあり、各ゲートのバランスが完全にとれています。
さらに、複数のゲートを使用すると、プラスチック フロー比 (L/t) を短縮することもできるため、金型キャビティ内の材料密度がより均一になり、収縮がより均一になります。 同時に、小さな射出圧力でプラスチック成形品全体を充填できます。 射出圧力が低いと、プラスチックの分子配向傾向が減少し、内部応力が減少するため、プラスチック部品の変形が減少します。
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金型温度: 金型温度は、製品の内部性能と見た目の品質に大きな影響を与えます。 金型の温度は、プラスチックの結晶化度の有無、製品のサイズと構造、必要な性能、およびその他のプロセス条件 (溶融温度、射出速度と射出圧力、成形サイクルなど) によって異なります。
圧力制御：射出成形プロセスの圧力には、可塑化圧力と射出圧力が含まれ、プラスチックの可塑化と製品の品質に直接影響します
プラスチック製品の反りを研究するための実験的手法の使用は、主に、製品の反りに対する材料特性、製品の形状とサイズ、および射出成形プロセス条件の影響の研究に反映されています。 製品の最終サイズに対するゲート形状、保圧パラメータ (保持圧力と保持時間)、および金型の弾性の影響を得るために、多数の実験が計画されました。
PET をポリマー ベースとして使用し、さまざまな材料とさまざまな壁の厚さのパネルの反り特性を調べました。 33% ガラス強化繊維 PA66 射出成形ディスクの強化率、線熱膨張係数の異方性、製品の厚さと反りの関係を実験的に研究し、反り指数の概念を初めて提案しました。 . 反り特性、反り指数、反りと繊維配向状態の関係、降伏と反り指数の関係を調べた。
反り変形を研究するための実験的方法は、多くの場合、特定の幾何学的形状、特定の材料、およびプロセス条件に限定されており、反り変形に対する多くの要因の影響を十分に考慮することができず、製品設計段階で反りの可能性を予測することはできません。 変形のサイズ。 実際の使用では、経験式の限界も明らかであり、実験条件の影響を受けるだけでなく、実験データの処理方法や経験式の適用条件、経験式などの多くの要因に関連しています。実験条件にのみ適しています。 制作過程に迫る。
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収縮/反り
反り変形は不均一な収縮に関連しているため、収縮と製品の反りの関係は、さまざまなプロセス条件下でのさまざまなプラスチックの収縮挙動を研究することによって分析されます。 射出成形フロー、保圧および冷却シミュレーションに基づいて、実験および線形回帰法により、射出成形製品の収縮を予測するためのモデルが提案されます。 収縮予測に基づいて、製品の変形は構造解析シミュレーション プログラムによって計算されます。
収縮率の高い素材では、寸法精度の高い製品を得ることは困難です。 高精度を追求するためには、非晶性樹脂や全方向収縮量が一定の樹脂を極力使用する必要があります。 多くの材料について、流量、保圧、保圧時間、金型温度、充填時間、製品の厚みなどのパラメータを変化させて、製品の収縮を測定します。
テスト結果によると、製品の収縮は、体積収縮、分子配向による不均一な収縮、および不均衡な冷却による不均一な収縮の 3 つの部分に分けられます。 体積収縮、結晶含有量、金型拘束、塑性配向などの収縮予測方法では、流動解析と冷却解析の結果を使用して収縮ひずみを予測します。
冷却システムの設計
射出プロセス中、プラスチック部品の不均一な冷却速度は、プラスチック部品の不均一な収縮も引き起こします。 この収縮差が、プラスチック部品の曲げモーメントや反りの発生につながります。
平らなプラスチック部品の射出成形に使用される金型キャビティとコアの間の温度差が大きすぎる場合、冷たい金型キャビティの表面に近い溶融物は急速に冷却されますが、熱い金型キャビティの表面に近い材料層は急速に冷却されます。収縮し続けると、不均一な収縮がプラスチック部品をゆがめます。 したがって、射出成形金型の冷却では、キャビティとコアの温度バランス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。
プラスチック成形品の内面と外面の温度はバランスが取れている傾向があることに加えて、プラスチック成形品の両側の温度も一定であると見なす必要があります。キャビティとコアの温度を全体的に均一に保ち、プラスチック部品の冷却速度のバランスを取り、収縮がどこでもより均一になり、効果的に変形を防ぎます。 したがって、金型の冷却水穴の配置は非常に重要です。 パイプの壁からキャビティの表面までの距離が決定された後、キャビティの壁の温度が均一になるように、冷却水穴間の距離をできるだけ小さくする必要があります。
同時に、冷却水路の長さの増加に伴って冷却媒体の温度が上昇するため、金型のキャビティとコアは水路に沿って温度差が生じます。 したがって、各冷却回路の水路長は 2m 未満である必要があります。 大きな金型には複数の冷却回路を設定する必要があり、一方の回路の入口は他方の回路の出口の近くに配置します。 長いプラスチック部品の場合、冷却回路を使用して冷却回路の長さを短くする、つまり、金型の温度差を減らして、プラスチック部品を均一に冷却する必要があります。
排出システムの設計も、プラスチック部品の変形に直接影響します。 突出しシステムのレイアウトがアンバランスであると、突出力のバランスが崩れ、プラスチック部品が変形します。 したがって、排出システムを設計するときは、脱型抵抗とのバランスを取るように努める必要があります。
さらに、エジェクター ロッドの断面積が小さすぎて、単位面積あたりの過度の力によってプラスチック部品が変形するのを防ぐ必要があります (特に離型温度が高すぎる場合)。 エジェクタ ピンは、離型抵抗が最も大きい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（使用要件、寸法精度、外観などを含む）に影響を与えないという前提の下で、プラスチック部品の全体的な変形を減らすために、できるだけ多くのエジェクタピンを取り付ける必要があります。
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軟質プラスチックを使用して大規模な深いキャビティと薄肉のプラスチック部品を製造する場合、高い離型抵抗と軟質材料のために、単一の機械的排出方法を完全に採用すると、プラスチック部品が変形したり、押し出されたりすることさえあります。 もしくは折り曲げによりプラスチック部分が廃盤となります。 多成分の組み合わせ、またはガス（油圧）圧力と機械的排出の組み合わせを使用することをお勧めします。
製品の反り変形に及ぼす残留熱応力の影響
射出成形工程において、残留熱応力は反りや変形を引き起こす重要な要因であり、射出成形品の品質に大きな影響を与えます。 製品の反りに対する残留熱応力の影響は非常に複雑であるため、金型設計者は射出成形 CAE ソフトウェアを使用して解析および予測することができます。
プラスチック溶融物の成形プロセス中、不均一な配向と収縮により、内部応力が不均一になるため、製品が金型から解放された後、不均一な内部応力の作用で反り変形します。 したがって、多くの学者は、力学の観点から製品の内部応力と反りを分析および計算します。 一部の海外文献では、反りは不均一な収縮によって生じる残留応力によって引き起こされると考えられています。
射出成形の冷却段階では、温度がガラス転移温度より高い場合、プラスチックは粘弾性流体であり、応力緩和を伴います。温度がガラス転移温度より低い場合、プラスチックは固体になります。 この液固相転移と冷却中のプラスチックの応力緩和は、製品の残留応力と残留変形の正確な予測に大きな影響を与えます。
冷却段階における液体から固体へのプラスチックの相転移と応力緩和挙動。 未硬化領域では、プラスチックは粘性流体モデルによって記述される粘性挙動を示します。 硬化領域では、プラスチックは粘弾性挙動を示します。これは、粘弾性相転移モデルと 2 次元有限要素法を使用して熱残留応力と対応する反り変形を予測する、標準的な線形固体モデルによって記述されます。
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製品の反り変形に及ぼす可塑化段階の影響
可塑化段階では、ガラス粒子が粘性流体状態に変化し、金型への充填に必要な溶融物が提供されます。 このプロセスでは、樹脂の軸方向と半径方向 (スクリューに対して) の温度差により、プラスチックに応力が発生します。 さらに、射出機の射出圧力、速度、およびその他のパラメータは、充填中の分子配向の程度に大きく影響します。 、反り変形の原因となります。
射出の開始時には低速、金型キャビティの充填時には高速、充填の終盤では低速射出を使用します。 射出速度の制御と調整により、バリ、スプレーマーク、シルバーバー、焼けマークなどのさまざまな望ましくない現象を防止および改善できます。
多段階射出制御プログラムは、ランナーの構造、ゲートの形状、および射出成形部品の構造に応じて、多段階の射出圧力、射出速度、保持圧力、および溶融方法を合理的に設定できます。可塑化効果を高め、製品の品質を向上させ、不良率を減らし、金型/機械の寿命を延ばします。
マルチレベルプログラムを通じて射出成形機の油圧、スクリュー位置、スクリュー速度を制御することで、成形部品の外観を改善し、対応する収縮、反り、バリ対策を改善し、各金型の各射出成形品の寸法バラツキ。 .
マルチレベルプログラムを通じて射出成形機の油圧、スクリュー位置、スクリュー速度を制御することにより、成形部品の外観を改善し、収縮、反り、バリの対応する対策を改善し、凹凸を減らすことができます。各金型の各射出成形部品のサイズ。 .
製品の反りに対する金型の充填および冷却段階の影響
射出圧力の作用下で、溶融プラスチックが金型キャビティに充填され、キャビティ内で冷却および固化されます。これは、射出成形の重要なリンクです。 このプロセスでは、温度、圧力、および速度が相互に組み合わされており、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ます。
圧力と流速が高くなるとせん断速度が高くなり、流れの方向に平行または垂直な分子の配向に違いが生じ、「凍結効果」が生じます。 「凍結効果」により凍結応力が発生し、プラスチック部品の内部応力が形成されます。 反り変形に対する温度の影響は、次の側面に反映されます。
A. プラスチック部品の上面と下面の温度差は、熱応力と熱変形を引き起こします。
B. プラスチック部品の異なる領域間の温度差により、異なる領域間で不均一な収縮が発生します。
C. 異なる温度状態は、プラスチック部品の収縮に影響します。
製品の反り変形に対する脱型段階の影響
プラスチック パーツは、キャビティから出て室温に冷却されるまでの間、ほとんどがガラス質のポリマーです。 離型力のアンバランス、取り出し機構の不安定な動き、または離型の不適切な取り出し領域は、製品を容易に変形させる可能性があります。 同時に、充填および冷却段階でプラスチック パーツ内に凍結した応力は、外部拘束の喪失により変形の形で解放され、反り変形が発生します。
残留応力と最終形状 (収縮と反り) を計算する真の 3D アプローチ。 充填段階の影響を考慮し、製品を 3 層に分割し、残留応力と変形を 3 次元メッシュで解析しました。 では、保圧段階後の誘導残留応力と変形の数値シミュレーション モデルが提案されています。
残留応力の計算には、熱粘弾性モデル（体積緩和を含む）が使用されます。 採用する有限要素法は、複雑な形状の薄肉射出成形品に適した平面要素で構成されるシェル理論に基づいています。
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射出成形品の収縮が反り変形に与える影響の解決
射出成形品の反りの直接の原因は、プラスチック部品の不均一な収縮です。 金型の設計段階で充填工程での収縮の影響を考慮しないと、製品の幾何学的形状が設計要件と大きく異なり、変形が激しいと製品が廃棄されます。 充填段階による変形に加えて、金型の上壁と下壁の温度差によっても、プラスチック部品の上面と下面の収縮差が生じ、反り変形が発生します。
反り解析では、収縮自体は重要ではありませんが、収縮の違いは重要です。 射出成形プロセスでは、溶融プラスチックの射出成形段階でポリマー分子が流動方向に沿って配置されるため、流動方向のプラスチックの収縮率が垂直方向の収縮率よりも大きくなり、反り変形が発生します。射出成形部品の。 一般に、均一な収縮はプラスチック部品の体積の変化のみを引き起こし、不均一な収縮のみが反り変形を引き起こす可能性があります。
結晶性プラスチックは、流動方向と垂直方向の収縮率の差が非晶性プラスチックよりも大きく、収縮率も非晶性プラスチックより大きくなります。 結晶性プラスチックの大きな収縮率と収縮の異方性の重ね合わせにより、結晶性プラスチックは非晶性プラスチックよりもはるかに反る傾向があります。
製品の幾何学的形状の分析に基づいて選択された多段階射出成形プロセス: 製品のキャビティが深く、壁が薄いため、金型キャビティが細長い流路を形成し、溶融物が流れなければなりません。そうしないと、冷却固化しやすく、金型キャビティが充填される危険性があるため、ここで高速射出を設定する必要があります。
ただし、高速射出は溶融物に多くの運動エネルギーをもたらします。 溶融物が底に流れると、大きな慣性衝撃が発生し、エネルギー損失とオーバーフローが発生します。 このとき、溶融速度を遅くし、充填圧力を下げる必要があります。 ゲートが固化する前に、いわゆる保持圧力 (二次圧力、フォローアップ圧力) を維持して、溶融物が金型キャビティへの溶融物の収縮を補うようにします。成形プロセス。
残留熱応力による製品の反り・変形の解決
流体表面の速度は一定でなければなりません。 高速射出は、射出プロセス中に溶融樹脂が凍結するのを防ぐために使用する必要があります。 ショット速度の設定は、重要な領域 (ランナーなど) での高速充填を可能にし、水の入口で減速できるようにする必要があります。 射出速度は、金型キャビティが確実に充填され、すぐに停止して、過充填、バリ、および残留応力を防止する必要があります。
