射出成形の保圧、どう決める？ 保圧時間と保圧力、重量と寸法の見方

なぜ保圧時間と保圧力を分けて試すのか

Fitzgeraldらは、医療機器用の樹脂部品を別の成形機でも安定して製造するため、新しい成形機に合わせて成形条件を決める研究を行いました。従来使っていたArburg 221MからArburg 375 Vへ成形機を替え、Scientific Mouldingを用いて保圧時間や保圧力などの条件を検討しました。あわせてサイクルタイムも見直しました［2］。Scientific Mouldingは、射出速度、保圧時間、保圧力、温度などの工程データを測定しながら、成形条件を決めていく方法です。

研究では、材料の流れ方、ゲートが固化する時間、金型内の充填バランス、圧力損失などを個別に確認しました。保圧時間は0.5 sから始め、0.5 sずつ延ばしました。各設定で成形品重量の平均値と重量範囲を記録し、時間を延ばしても重量がほとんど変わらなくなるところまで確認しました。この試験がGate Seal Study（ゲートシール試験）です。

その後、Gate Seal Studyで定めた保圧時間を固定し、保圧力だけを変えて成形品重量を測るHold Pressure Study（保圧力試験）を行いました。時間の試験と圧力の試験を分けることで、保圧時間を変えたときの重量変化と、保圧力を変えたときの重量変化を別々に確認しています。

成形条件を決めた後は、32ショットを連続成形し、成形品重量と寸法を測りました。これにより、同じ条件で安定した結果が続くかを確認しました。研究全体では、元の工程よりサイクルタイムを12.05 s短縮し、44.15 sのサイクルタイムを得ています［2］。この研究では、保圧時間と保圧力を分けて確認した後、重量だけでなく寸法も測って成形条件を確認しています。

BASFのエンジニアリングプラスチック向け技術資料でも、ひけやボイドの原因候補として、冷却時の収縮を保圧で十分に補えていないことを挙げています。また、保圧力、保圧時間、ゲートが開いている時間、成形品形状、ゲート、圧力損失などを確認項目として示しています［1］。

これらの文献では、保圧時間と保圧力を分けて試し、各条件で重量や寸法がどう変わるかを確認しています。この記事では、この考え方を重量、寸法A、外観を同じ試行で記録する形に整理して説明します。

例として、成形後に確認する結果を、成形品重量、寸法A、指定位置の外観とします。寸法Aの目標値は30.00 mm、許容差は±0.05 mmとします。したがって、目標範囲は29.95〜30.05 mmです。

文献で用いられた考え方に沿って、試行は次の順で行います。

1. 重量、寸法A、外観など、確認する結果を決める。
2. 保圧力を固定し、保圧時間だけを変える。
3. 各試行の成形品重量、寸法A、外観を同じ方法で測って記録する。
4. 保圧時間を一つに固定し、保圧力だけを変える。
5. 圧力を変えた各試行でも、成形品重量、寸法A、外観を同じ方法で測って記録する。
6. 寸法Aの目標範囲と実測値、重量の変化、外観を見て、次に試す1条件を決める。
7. 6で選んだ条件で実際に成形し、測定結果を試行表へ追加する。

ここでは保圧時間を変える試行をT1〜T5、保圧力を変える試行をP1〜P4と呼びます。 Tは時間を変える系列、Pは圧力を変える系列です。

保圧力を一つに固定
↓
保圧時間を変える T1〜T5
↓
保圧時間を一つに固定
↓
保圧力を変える P1〜P4
↓
寸法Aの目標範囲と実測値、重量、外観を確認
↓
次に試す1条件を決める
↓
実際に成形して結果を表などへ追加

T2とT3では、保圧力は同じで、変えたのは保圧時間だけです。 そのため、この2試行を比べると、保圧時間を変えたときに重量や寸法Aがどう変わったかを確認できます。

P系列では逆に、保圧時間を同じ設定にして、保圧力だけを変えます。 時間を変えた試行と圧力を変えた試行を分けておくと、どの設定を変えたときに重量や寸法がどう変わったかを試行表で確認できます。

T系列とP系列の違いを表にすると、次のようになります。

T2とT3を見ると、保圧力はどちらも50 MPaで、保圧時間だけが1.0 sから1.5 sへ変わっています。一方、P2とP3では保圧時間はどちらも2.0 sで、保圧力だけが50 MPaから60 MPaへ変わっています。このように並べると、どの条件を固定し、どの条件を変えたときに重量や寸法がどう変化したかを確認できます。

保圧工程で確認するもの

充填後の保圧工程には、圧力をかけ続ける時間と、そのときに設定する圧力があります。 前者が保圧時間、後者が保圧力です。

溶融した樹脂が成形品側へ流れ込む入口をゲートと呼びます。 ゲート付近の樹脂が固まるまでの間、保圧条件を変えると成形品重量などの測定結果が変わる場合があります。

BASFのエンジニアリングプラスチック向け技術資料では、ひけやボイドの原因候補として、冷却時の体積収縮を保圧で十分に補えていない状態を挙げています。 同資料には、保圧力と保圧時間の見直しに加え、成形品形状、ゲート、圧力損失などの確認項目も示されています［1］。

ひけ、ボイド、寸法不良などの成形トラブルでは、保圧に加えて材料、製品形状、ゲート、金型温度なども原因候補になります。保圧条件を調べるときは、ほかの条件を同じ設定にそろえて試行結果を比べます。

保圧条件を見るときも、一つの設定値だけで判断せず、対象成形品の重量、寸法A、外観の実測結果を一緒に確認します。

時間系列（T系列）と圧力系列（P系列）

T系列とP系列では、変更する保圧条件を次のように分けます。

50 MPaと2.0 sは説明用の架空値です。 この表を見ると、T系列では保圧時間だけ、P系列では保圧力だけを変えることが分かります。

T系列では、同じ材料ロットを使い、射出速度、V/P切替位置、樹脂温度、金型温度、冷却時間の設定値を記録します。 試行ごとの設定を記録しておくと、後から条件の違いを確認しやすくなります。 寸法は毎回同じ指定位置を測り、重量も同じ計量方法で記録します。

再生材の材料ロットが変わったときの確認方法は、再生材のロットが変わった。射出成形品の何を確認する？材料ロット変更時の比較と成形条件の見直しでも扱っています。

P系列でも、材料ロット、射出速度、樹脂温度、金型温度などの設定値と測定方法を同じように記録します。 変更した保圧条件と、それ以外の設定を一緒に残しておけば、試行ごとの条件の違いを後から確認しやすくなります。

保圧力を50 MPaに固定し、保圧時間だけを変えたT系列を見ます。 下表の数値はすべて説明用の架空値です。

T1からT4までは、保圧時間を延ばすにつれて成形品重量が11.72 gから11.96 gへ増えています。 T4とT5では、保圧時間が0.5 s違っても重量はどちらも11.96 gです。

注目するのは、同じ保圧力で時間だけを変えたときの重量変化です。 保圧時間と成形品重量を一組ずつ記録すると、時間を延ばしても重量がほとんど変わらなくなる領域を確認できます。

ゲートが固化する時間を重量から見る

保圧時間を段階的に変えて成形品重量を測る方法は、ゲートが固化する時間を確認するGate Seal Study（ゲートシール試験）などで使われています。Gate freeze-off（ゲートフリーズ）とは、ゲートが固まり、それ以降は保圧をかけても成形品へ樹脂がほとんど入らなくなる状態です。 ゲートが固化すると、保圧時間をさらに延ばしても、成形品重量が増えにくくなることがあります［2］［3］。

Fitzgeraldらは、新しい成形機で使う条件を決める際、保圧時間を0.5 sずつ増やし、各条件の平均成形品重量と重量範囲を記録しました。 その試験で定めた保圧時間を固定した後は、保圧力を変えて成形品重量を測っています［2］。

HorváthとKovácsは、成形品を金型から取り出して計量する前に、その重量を推定する方法を検討しました［3］。成形サイクル中に品質を確認するため、金型内圧から成形品重量を予測することを目的とした研究です。型内圧の積分値だけを使う従来の線形モデルに対し、保圧力も使って重量を予測するモデルを検討しました。

実験ではABSとPPを使い、保圧力と保圧時間を複数段階で変えました。金型温度は40 ℃、溶融温度はABSで245 ℃、PPで235 ℃とし、各条件で型内圧と成形品重量を測定しています。これにより、同じ保圧力で保圧時間を延ばしたとき、重量がどのように変わるかも確認しました。

ABSでは4 s、PPでは7 sでゲートフリーズが起こり、それ以降は同じ保圧力で保圧時間を延ばしても成形品重量は増えませんでした。また、ゲートフリーズまでの範囲では、保圧時間が長くなるにつれて、保圧力ごとの重量差が大きくなりました［3］。

研究者らはさらに、成形サイクル中の型内圧を時間方向に積み上げた値（積分値）と保圧力を使い、成形品重量を予測する飽和曲線モデルを作りました。型内圧の積分値だけでは重量を十分に予測できず、保圧力も使うことで、製品を取り出す前に重量を推定する方法を示しています［3］。

重量が変わりにくくなった後の確認

T4とT5の成形品重量は、どちらも11.96 gです。 ただし、重量だけではT4とT5のどちらを残すか決まりません。

寸法Aの目標値は30.00 mm、許容差は±0.05 mmなので、目標範囲は29.95〜30.05 mmです。 T3の29.97 mmはこの範囲に入っていますが、外観には軽微なひけが残っているとします。 T4は29.99 mm、T5は30.00 mmで、どちらも寸法目標を満たし、外観も「目立つひけなし」とします。

この三つの測定項目だけなら、T4とT5はどちらも候補として残ります。 一方に絞るには、保圧時間を短くしたい、別の寸法も満たしたいなど、追加の評価基準が要ります。 この例ではその基準を設定していないため、T4とT5の優劣までは決められません。

次のP系列では、保圧力を変えたときの違いを見るため、保圧時間を2.0 sに固定します。

重量は、保圧時間の変化を見る一つの測定結果です。 同じ試行の寸法Aと外観も横に並べることで、重量が変わりにくくなった後に残っている差を確認できます。

T系列では保圧時間を変えました。次のP系列では、保圧時間を2.0 sに固定し、保圧力だけを変えます。 下表の2.0 sと40〜70 MPaも説明用の架空値です。

P1からP4では、保圧時間を2.0 sに固定し、保圧力だけを40〜70 MPaで変えています。 そのため、保圧力と成形品重量、寸法A、外観所見を同じ行で確認できます。

寸法Aの目標範囲29.95〜30.05 mmと実測値を比べると、P1の29.94 mmは0.01 mm小さく、P2の29.99 mmとP3の30.03 mmは範囲内です。 P4の30.07 mmは上限を0.02 mm超えています。

この記事の例では成形品重量に目標値を設定していないため、重量だけで合否を判断するのではなく、寸法Aが目標範囲に入っているか、外観に問題がないかもあわせて確認します。

保圧力を変えた研究

Fitzgeraldらは、ゲートシール試験で定めた保圧時間を固定し、保圧力を変えて成形品重量を測るhold pressure study（保圧力試験）を行っています［2］。 時間の試験と圧力の試験を分け、圧力を変えた各条件で重量を測定した研究例です。

Zhil’tsovaらは、人工股関節用のHDPE製カップ（acetabular cup）について、射出成形条件の違いによって、寸法安定性、重量、外観がどのように変化するかを調べました［4］。射出速度、保圧力、保圧時間、ホットノズル温度の4条件のうち、どれが寸法や重量に強く影響するかを確認した研究です。

研究では、射出速度、保圧力、保圧時間、ホットノズル温度をそれぞれ変え、成形後の複数箇所の寸法、成形品重量、外観を確認しました。さらに、Moldflow Plastics Insight 6.1を使って成形サイクル全体を数値解析し、サイクル時間も検討しています。

結果として、検討した条件の中では、保圧力が寸法と重量に最も大きく影響していることが分かりました。保圧力を30 barから70 barへ上げた条件において、容積収縮率は11.75%から8.69%へ低下しました［4］。一方、射出速度を上げると、重量と多くの寸法は小さくなる方向に変化しました。ホットノズル温度と保圧時間の影響は、この研究で調べた範囲では小さいとされています。

この研究では、検討した4条件の中で、保圧力がHDPE製カップの寸法と重量に最も大きく影響しました。また、保圧力を変えた各条件で、重量だけでなく複数箇所の寸法も測定しています。この記事のP系列と同じように、保圧力と複数の測定結果を一緒に確認した研究例です。

一つの圧力系列で複数の結果を見る

P2の寸法Aは29.99 mm、P3は30.03 mmです。 どちらも目標範囲に入り、外観も「目立つひけなし」なので、この2条件は候補として残ります。

P4は外観だけなら「目立つひけなし」ですが、寸法Aは30.07 mmです。 寸法目標の上限30.05 mmを0.02 mm超えているため、この寸法を合否基準にする限り、P4は候補から外れます。

同じ試行の重量、寸法、外観を並べておくと、1項目だけでは見えない違いを確認できます。 どの品質項目を合否判定に使うかは、対象製品で設定した要求に合わせます。

各試行では、保圧条件と、そのときに測定した重量、寸法A、外観を同じ行に記録します。T系列もP系列も一試行を一行にそろえることで、条件と測定結果を見比べやすくなります。

P2を例にすると、最低限の記録は次の形になります。 金型温度40 ℃と材料ロットM-01も説明用の架空値です。

P2の一行を見れば、保圧時間2.0 s、保圧力50 MPaという条件と、重量11.96 g、寸法A 29.99 mm、外観所見を同時に確認できます。

寸法Aは、毎回同じ位置を同じ方法で測ります。 重量も同じ計量方法で記録します。 金型温度や材料ロットを変更した場合は、その設定値やロットIDを同じ行へ残します。 V/P切替位置、射出速度、樹脂温度、冷却時間なども、試行間の条件差を後から確認したい場合は列に加えます。

記録する項目は、品質を確認するために見る項目と、試行ごとの条件の違いを確認するための項目に絞ります。

条件表と測定表を分けない

保圧条件だけの表と、寸法や重量だけの表を別々に作ると、後から同じ試行を探して結び付ける作業が増えます。 一つの試行を一行にすれば、P2の条件とP2の測定結果を同じ場所で確認できます。

T系列とP系列を同じ列構成で残しておけば、時間を変えた試行と圧力を変えた試行を同じ形式で確認できます。 次に試す条件を決めるときも、過去に実測した条件と結果を同じ表の中で見比べられます。

P2、P3、P4の寸法Aを、目標範囲29.95〜30.05 mmともう一度比べます。

P2とP3は目標範囲に入り、P4は上限を0.02 mm超えています。 この例では、P2とP3の間で寸法Aがどう変わるかをもう一段細かく見るため、55 MPaをP5として追加します。

P5で変えるのは保圧力だけです。 保圧時間は2.0 sのままにし、材料ロットはP2、P3と同じものを使い、金型温度なども同じ設定にします。

実際にP5で成形した後、その実測値を新しい一行として試行表へ追加します。 P2、P3、P4と並べてから、P5を候補として残すか、別の圧力を試すかを判断します。

実際に成形して測定した結果を見ながら、次に試す条件を決め、保圧条件を絞っていきます。

射出成形の条件出し全体の進め方は、射出成形の条件出し、どう進める？成形条件の決め方とデータの残し方で扱っています。