第1巻-プラスチック射出成形金型の设计-基础编1

第１巻プラスチック射出成形金型の設計基礎編１No.1１－１プラスチックとはⅠ．「プラスチック」とは「十分な可塑性を有する人工の高分子化合物」特性から分類すると次の二つの種類にわけられる。Ａ）熱硬化性プラスチック・・・熱を加えると硬くなる。Ｂ）熱可塑性プラスチック・・・熱を加えると軟らかくなり、冷却すると硬くなる。Ａ）熱硬化性プラスチックの材料としてフェノール（ＰＦ）、ユリア（ＵＦ）、メラミン（ＭＦ）、ポリエステル（ＵＰ）、エポキシ（ＥＰ）Ｂ）熱可塑性プラスチックの材料としてポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリカボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）第１章プラスチックと射出成形法No.2※可塑性・・・成形するときは自由に形を変え、使うときは固まって安定な物質になる性質。表１．熱可塑性プラスチックの特性と用途（注）熱変形温度は18.5kg/cm2の時、（）内数値は融点No.3Ⅱ．性能向上の複合化プラスチックは工業材料として無くてはならない存在。しかし、産業製品の要求品質は多種多様で全てのものに対応が不可能。※一般的に異質、異形の２種以上の材料の組み合わせそこで開発されたのが

複合化技術代表例としてＡ）熱硬化性プラスチック・・・ＦＲＰ（FiberReinforcePlastic＝繊維強化プラスチック） 不飽和ポリエステルとガラス繊維の構造材料 比強度（強度／比重）ＦＲＰ＞金属Ｂ）熱可塑性プラスチック・・・ＦＲＴＰ（FiberReinforceTermoPlastic＝繊維強化熱可塑性プラスチック）No.4特に、工業材料として大きな欠点機械的強さ（剛性値）Ⅲ．ポリマーアロイとはポリマーアロイ・・・２種以上のプラスチックを混合したブレンドポリマーのことプラスチックのアロイは、混合したプラスチックの性質がそれぞれ混合割合に応じて改善される。ポリマーブレンドアロイは要求特性に対応したポリマー設計が可能。グラフよりＡ℃より高い温度の材料にはならない。Ｂ℃より低い温度の材料にはならない。結果、Ｂ℃の材料は荷重たわみ温度の改善。Ａ℃の材料は荷重たわみ温度が下がるが他の特性が改善される。※（それぞれの物性を上回ることではない。）耐薬品性低そり、寸法安定性ＰＢＴＰＣＰＣＰＢＴ耐熱性、耐衝撃性成形性ＰＣＡＢＳ樹脂ＡＢＳ樹脂ＰＣ左側の材料で向上する特性組み合わせ材料表２．アロイによる特性改善010050501000配合比率（％）図１．ポリマーブレンドアロイの特性No.5１－２成形法Ａ）熱硬化性プラスチック・・・圧縮成形法トランスファ成形法射出成形法ｅｔｃ．Ｂ）熱可塑性プラスチック・・・射出成形法ブロー成形法シート成形法ｅｔｃ．表３．プラスチック（成形材料）の成形加工法No.6プラスチック成形法の代表的なもので、最も合理的で生産性も高く、高品質な成形品の生産が可能な方法。１－３射出成形法とは

射出成形法・・・プラスチックペレットを加熱して軟化させ、閉じられた金型のキャビティ内に高圧で押し込み（射出）、冷却して固化したプラスチック（成形品）を金型から取り出す。図３．射出成形モデル図No.7図２．射出成形機

この一連の行程を成形サイクルという。成形サイクルで個々の作業をどのように配分し、一サイクルをいかに短くしていくかが、精度の高い成形品を能率よく生産するうえでのポイントNo.8図４．成形サイクル１－４射出成形機の能力

射出成形機の能力を示すものとして①型締力（ton）②射出容量（cm3/shot）③可塑化能力（kg/hr）上記の①～③によって成形機の使用を決定表４．射出成形機の仕様書No.9１－４－１型締力とは①型締力・・・金型を締め付ける最大値（トン数）

成形品を金型の開閉方向（成形品の抜き方向）に直角な面に投影した面積を投影面積と言い、型締力との関係は以下のようになる。

成形機の型締力 Ｆ（kgf）

成形品の投影面積 Ａ（cm2）

平均射出圧力 Ｐ（kgf/cm2）

Ｆ（kgf）＝Ａ（cm2）×Ｐ（kgf/cm2） ＝Ａ・Ｐ（kgf）Ａ・Ｐよりも成形機の型締力の方が大きくないと、金型が開いてバリなどが発生。即ちＦ＞Ａ・Ｐでなければならない。

また、キャビティ内の平均圧力Ｐはプラスチックの種類、成形品の形状、成形品の厚さによっても異なるが、実際の設計では、350kg/cm2～500kg/cm2の値を使用。※20％程度の安全率をもたせることで成形条件の幅が広くなる。400kg/cm2

一般500kg/cm2・流れる距離の長いもの・薄肉成形品・高精度成形品350kg/cm2

流れやすいもの平均射出圧力値表５．要件・仕様別の平均射出圧力の参考値図５．投影面積No.10１－４－２射出容量とは

②射出容量・・・成形機の１回の射出容量（cm3/shot）

射出容量が成形品及びすべてのスプル、ランナの容量よりも大きいことが成形の条件射出容量＞成形品容量＋スプル、ランナ容量※成形品とスプル、ランナの合計容量が→成形機の最大容量の20～80％の範囲にあることが望ましい。１－４－３可塑化能力とは

③可塑化能力・・・加熱シリンダが１時間あたりの樹脂を可塑化（溶融）することができる重量（kgf/h）成形機のスクリューを最高回転数で連続運転した時のプラスチックペレット溶融量※可塑化するのは成形サイクルのなかの冷却間だけ→実際に可塑化できる量はずっと少ない。重量の大きい成形品・高速成形の場合、→可塑化能力によって成形サイクルが決まることもあるので、検討が必要。No.11図６．スプル、ランナ１－４－４金型の成形機への取付け１－４－５タイバー間隔と金型の大きさ

金型の成形機への取付けは、成形機の取付け盤に加工してあるタップ穴を利用して、ボルトで締め付けるか、クランプを用いる。

タイバー・・・型盤を支えて金型開閉動作のガイド役

成形機の取付け方向の自由度を上げる為、→水平方向、垂直方向のタイバー間隔が等しい。※金型の幅は、タイバーの間隔より小さい。No.12図７．金型取付け用クランプ図８．金型取付け関係図１－４－６金型の厚さとストローク

成形機の型締装置として、①直圧式②トグル式に分けられる。No.13図９．直圧式図１０．トグル式１－５成形品の取り数

１回の成形で成形品を何個成形するかによって ①１個取り・・・１個成形 ②多数個取り・・・同じ成形品を複数個成形 ③ファミリーモールド・・・異なった成形品を同時に成形（例：組立プラモデル）

上記を選定する要素として１．成形機の能力２．予想される生産数量３．金型の価格４．成形品の精度注意点取り数が多くなればなるほど、金型のキャビティごとの精度、成形条件のバラツキなどで、成形品の精度は低下する。 →精度が要求される成形品については 取り数をあまり多くとらない。図１１．取り数とトータルコスト関係図No.14２－１パーティングライン（以後、Ｐ．Ｌと表記）第２章成形品のデザインと金型

Ｐ．Ｌ・・・金型の固定側型板（キャビティ）と 可動側型板（コア）との分割位置にできる 成形品にある細い線のこと。 金型の分割面のこともＰ．Ｌと呼ぶ。（キャビティ）（コア）図１２．パーティングライン位置

金型設計の第１段階として、Ｐ．Ｌ位置を決める（製品設計、デザインの意図を尊重）※Ｐ．Ｌは射出圧力によって、キャビティ内の空気・プラスチックから発生するガスを逃がす通路でもある。 →バリが発生することも少なくない。

Ｐ．Ｌの決定には、以下の点について検討が必要 ①目立たない位置に設け、形状はできる限り単純にする。 ②アンダーカットとならない所を選ぶ。 ③成形品の後仕上げが容易な位置にする。 ④ゲートの位置及び形状を考慮する。 ⑤突き出し方法との関連を考慮する。

※バリとは・・・成形材料が金型の分割面から流れ出て固まった、余計な部分のこと。No.15２－２抜き勾配・アンダーカット・金型から成形品を取り出す際に離型をよくすることが重要。そのためにＰ．Ｌより金型の開閉方向（抜き方向）に対して製品面、リブ及びボス類にはすべて抜き勾配が必要。

抜き勾配θは普通１～２°が適当とされるが実用最小限度は０．５°。また成形品表面にシボがある場合、４～６°程度の抜き勾配をつけるのが一般的。

（プラスチックの種類や成形品の大きさ、肉厚によっても異なり、また金型の構造、仕上げ面の状態によっても変わる。）※アンダーカットとは・・・成形品を型から取り出すときに、支障となる型または成形品の凸凹部をいう。図１３．抜き勾配図１４．アンダーカットNo.16２－３リブ・ボス・リブは成形品の強度補強のために設ける。 →成形品の肉厚を増すより効果が得られる。 １．成形品とリブとを同じ肉厚にすると、局部的に 肉厚が大きくなってヒケが発生。 ２．ｔ／Ｔが小さい程、ヒケが出にくい。 （ｔ／Ｔが０．６以下なら問題ないとされている。） ３．リブの厚さを大きくできない時は、リブの数を増やす。 （リブの側面には抜き勾配をつけ、接続部のコーナーＲも付ける。）リブを設ける際の注意点

ヒケとは・・・プラスチックの成形収縮によるもので、成形品の表面に出る凹みのこと。・ボスは成形品を他の部品に取り付けるために設ける。※リブと同様、ヒケを生じさせることがある為、必要最小限の肉厚にし、強度不足はリブを設ける。図１５．リブ断面図No.17図１６．ボスの補強２－４成形品の肉厚・成形品の肉厚が厚いと冷却時間が長くなり、生産性が低下成形費ＵＰ →必要最小限の強度を持つ肉厚にする。

また肉厚は均一であることが望ましい。 →不均一であると、成形品の収縮も不均一となり、ヒケが生じる。極端な厚肉部は、肉抜きにしたり、徐々に厚くする。表６．一般に使用される肉厚の範囲（単位：mm）No.18２－５成形品の変形防止・成形品の変形、即ち曲り、そり、ひねりなどを成形技術で防止することは困難。成形品設計が重要

①コーナー部には必ず丸みを付ける。荷重が加わると内部応力が集中的に発生し変形の原因。コーナーＲを付けることで応力集中を減少させる。

変形防止の成形品設計の要点として、

②端末にはフランジを設ける。箱状の成形品では、端末にフランジを設けて強度を増す｡図１７．コーナー部のＲNo.19図１８．端末補強変形防止効果小大③平面部にはわん曲・波状の凹凸を付ける。平板を変形なしに成形することは極めて困難。そのため平面部をわん曲させたり、波状の凹凸を付けることで内部応力を分散させる。No.20図２０．底部の補強図１９．平板の補強３－１成形収縮率第３章成形品の寸法と金型・射出成形法は、プラスチックを加熱溶融して、金型キャビティに圧入、冷却、固化させるのでキャビティ寸法よりも小さいものができる。図２１．成形収縮率

金型の彫込寸法（Ｍ）、成形品の寸法（ｍ）成形収縮率（Ｓ）とした場合、Ｓ＝Ｍ－ｍＭ・・・①金型の彫込寸法（Ｍ）は式①からＭ＝＝＝≒ｍ（１＋Ｓ）ｍ１－Ｓｍ（１＋Ｓ）（１－Ｓ）（１＋Ｓ）ｍ（１＋Ｓ）１－Ｓ２表７．主なプラスチックの成形収縮率No.21※熱可塑性プラスチック非結晶性プラスチック・・・分子が不規則に絡み合った状態。透明性のプラスチック。結晶性プラスチック・・・分子が規則的に並んだ部分と、不規則に並んだ部分が混在。不透明のプラスチック。耐薬品性が非結晶性より優れている。成形収縮率が非結晶性のプラスチックより大きい。成形条件で結晶化度が変わる。その為、特性も変わるので注意が必要。３－２プラスチックの流れ・溶融したプラスチックのキャビティへの流れ方、必要とする圧力の検討。（特に流動距離の長い成形品、薄肉成形品etc.）コンピューターによる流動解析流動比による考え方（目安的考え）現在便宜的手法

※流動比とは・・・ゲートから成形品の端末（最長距離）までの距離をＬ、 成形品の厚さをｔとした時の比率を言う。（Ｌ／ｔ）表８．Ｌ／ｔと射出圧力との関係

例として材質ポリプロピレン

Ｌ＝３６０ｍｍ、Ｌ／ｔを２００とした場合の板厚検討２００＝３６０／ｔより ｔ＝１．８ｍｍ図２２．流動比の考え方No.22３－３金型によって直接定まる寸法と定まらない寸法・金型には固定型（キャビティ）と可動型（コア）、アンダーカットのあるものにはスライドコアがある。成形品寸法固定型又は可動型だけで定まる寸法固定型と可動型、スライドコアなどの両方にまたがる寸法前者を金型によって直接定まる寸法、後者を直接定まらない寸法要因金型の加工誤差、固定型と可動型との型ズレショット毎のバラツキが大きくなる。成形品の寸法精度が要求される場合は、 直接定まる寸法で設計を行う。No.23No.24図２３．金型によって直接定まる寸法と定まらない寸法４－１金型各部の機能第４章金型の基本構造①キャビティ部成形品を形作る機能をもち、固定型（キャビティ）、可動型（コア）、スライドコアで囲まれた部分②スプル、ランナ、ゲート部溶融したプラスチックの通路となる部分③エジェクタ装置キャビティに充填され、冷え固まった成形品を金型から外す装置④温度調節部安定した成形をするためには、金型温度を一定に保持しなければならず、このために必要な冷却水の通路、加熱油の通路⑤成形機への取付け部ボルト、爪などで成形機へ取付けるための部分及び成形機のノズルとスプルの中心とを合わせるためのロケートリングなど⑥モールドベース以上の①～⑤を保持するもので、オモ型とも呼ぶ

※キャビティ部以外の部分については、標準化されている。No.25４－２金型構造による分類

・金型を構造によって分類すると、①ツープレート金型（二枚板構成金型）②スリープレート金型（三枚板構成金型）③ランナレス金型に分けられる。４－２－１ツープレート金型・最も簡単な構造の金型で、固定側と可動側との２つに分かれ、成形品とランナ・ゲートとを同じ取り出し面から取り出す構造。No.26①構造が簡単、取扱いが容易、故障少なく、寿命も長い。②自動落下成形に適し、成形サイクルも早くできる。③ゲートの形状を比較的任意にとれる。また、ゲート位置も任意にとれるが、ダイレクトゲート以外は、成形品の端に限られる。④サブマリンゲート以外は、成形後に成形品とゲートを切断しなければならない。⑤金型代が安価。図２４．ツープレート金型４－２－２スリープレート金型

・成形品の取り出し面とは別にスプル、ランナ