はじめに：射出成形は化粧品包装材料の主要なプロセスです。最初のプロセスは多くの場合射出成形であり、製品の品質と生産性を直接決定します。射出成形プロセスの設定では、収縮、流動性、結晶性、熱に弱いプラスチックと加水分解しやすいプラスチック、応力割れと溶融破壊、熱性能と冷却速度、吸湿性などの7つの要素を考慮する必要があります。この記事は、上海レインボーパッケージYoupinのサプライチェーンに関わる友人たちの参考になるよう、これら7つの要素に関する関連コンテンツを共有してください。
射出成形
射出成形は、射出と成形を組み合わせた成形方法です。射出成形の利点は、生産速度が速く、効率が高く、操作を自動化でき、色の種類が豊富で、形状は単純なものから複雑なものまで、サイズは大小さまざまで、製品の寸法精度が高く、製品の更新が容易で、複雑な形状に成形できることです。部品と射出成形は、複雑な形状の製品などの大量生産や成形加工分野に適しています。一定の温度で完全に溶融したプラスチック材料をスクリューで攪拌し、高圧で金型キャビティに射出し、冷却して固化させて成形品を得ます。この方法は、複雑な形状の部品の大量生産に適しており、重要な加工方法の1つです。
01
収縮
熱可塑性樹脂成形品の収縮に影響を与える要因は以下のとおりです。
1) プラスチックの種類：熱可塑性プラスチックの成形プロセスでは、結晶化による体積変化、強い内部応力、プラスチック部品に固着した大きな残留応力、強い分子配向などの要因が生じるため、熱硬化性プラスチックと比較して収縮率が大きく、収縮範囲が広く、方向性が明確です。さらに、成形後、焼鈍後、または湿度調整後の収縮は、一般的に熱硬化性プラスチックよりも大きくなります。
2) プラスチック部品の特性。溶融材料がキャビティの表面に接触すると、外層はすぐに冷却されて低密度の固体シェルを形成します。プラスチックの熱伝導率が低いため、プラスチック部品の内層はゆっくりと冷却されて、収縮率の高い高密度の固体層を形成します。したがって、壁厚、冷却速度、高密度層の厚さが収縮率に大きく影響します。
さらに、インサートの有無、配置、および数量は、材料の流れの方向、密度分布、および収縮抵抗に直接影響を与えます。したがって、プラスチック部品の特性は、収縮と方向性に大きな影響を与えます。
3) 供給口の形状、サイズ、配置などの要因は、材料の流れの方向、密度分布、圧力保持および収縮効果、成形時間に直接影響します。直接供給口や断面積の大きい供給口（特に肉厚の広い供給口）は収縮が少なく、方向性が高くなります。一方、幅と長さが短い供給口は方向性が低くなります。供給口に近い、または材料の流れの方向に平行な供給口は、より大きく収縮します。
4) 成形条件 金型温度が高いほど、溶融材料の冷却速度が遅くなり、密度が高くなり、収縮率が大きくなります。特に結晶性材料の場合、結晶化度が高く体積変化が大きいため、収縮率がさらに大きくなります。金型温度分布は、成形品の内部および外部冷却と密度の均一性にも関係しており、各成形品の収縮の大きさや方向に直接影響します。
さらに、保持圧力と保持時間も収縮に大きな影響を与え、圧力が高く保持時間が長いほど収縮は小さくなるが、方向性は大きくなる。射出圧力が高いと、溶融粘度差が小さくなり、層間せん断応力が小さくなり、離型後の弾性反発が大きくなるため、収縮を適切な量だけ低減することもできる。材料温度が高いと、収縮は大きくなるが、方向性は小さくなる。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、プラスチック部品の収縮を適切に変化させることができる。
金型を設計する際には、各種プラスチックの収縮範囲、プラスチック部品の肉厚と形状、入口形状のサイズと分布、プラスチック部品の各部分の収縮率を経験に基づいて決定し、その後、キャビティサイズを計算します。
高精度なプラスチック部品で、収縮率を把握するのが難しい場合は、一般的に以下の方法で金型を設計する必要があります。
プラスチック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設定することで、試作後の修正の余地を残しておく。
試作金型によって、ゲートシステムの形状、サイズ、成形条件が決定されます。
後処理を行うプラスチック部品は、サイズ変化を測定するために後処理を受ける（測定は脱型後24時間経過後に行う必要がある）。
実際の収縮率に合わせて型を修正してください。
金型を再調整し、プロセス条件を適切に変更して収縮値をわずかに修正し、プラスチック部品の要求仕様を満たすようにします。
02
流動性
1) 熱可塑性樹脂の流動性は、一般的に分子量、メルトインデックス、アルキメデス螺旋流動長、見かけ粘度、流動比（プロセス長さ／プラスチック部品の壁厚）などの一連の指標から分析できます。
分子量が小さく、分子量分布が広く、分子構造の規則性が低く、メルトインデックスが高く、らせん状の流れの長さが長く、見かけ粘度が低く、フロー比が高く、流動性が良い。同じ製品名のプラスチックは、その流動性が射出成形に適しているかどうかを判断するために、指示書を確認する必要があります。
金型設計の要件に基づくと、一般的に使用されるプラスチックの流動性は、おおよそ次の3つのカテゴリーに分類できます。
流動性に優れたPA、PE、PS、PP、CA、ポリ（4）メチルペンテン。
中程度の流動性を持つポリスチレン系樹脂（ABS、ASなど）、PMMA、POM、ポリフェニレンエーテル。
流動性の低いポリカーボネート、硬質ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、フッ素樹脂。
2) 各種プラスチックの流動性は、成形時の様々な要因によっても変化します。主な影響要因は以下のとおりです。
①材料温度が高いほど流動性は高まりますが、PS（特に耐衝撃性とMFR値が高いもの）、PP、PA、PMMA、改質ポリスチレン（ABS、ASなど）、PC、CAなどのプラスチックは、温度によって流動性が大きく変化します。PEやPOMは、温度の上昇や下降が流動性にほとんど影響を与えません。したがって、前者は成形時に温度を調整して流動性を制御する必要があります。
②射出成形時の圧力を上げると、溶融材料はより大きなせん断効果を受け、流動性も増加します。特にPEやPOMはより敏感なので、成形中の流動性を制御するために射出圧力を調整する必要があります。
③金型構造の形状、サイズ、レイアウト、冷却システム設計、溶融材料の流動抵抗（表面仕上げ、流路断面の厚さ、キャビティの形状、排気システムなど）などの要因は、キャビティ内の溶融材料の実際の流動性に直接影響します。溶融材料の温度を下げ、流動抵抗を増加させると、流動性は低下します。金型を設計する際には、使用するプラスチックの流動性に応じて、適切な構造を選択する必要があります。
成形時には、材料温度、金型温度、射出圧力、射出速度などの要素を制御することで、成形ニーズに合わせて充填条件を適切に調整することも可能です。
03
結晶性
熱可塑性樹脂は、凝縮過程における結晶化の有無によって、結晶性プラスチックと非結晶性（アモルファスとも呼ばれる）プラスチックに分類される。
いわゆる結晶化現象とは、プラスチックが溶融状態から凝縮状態に変化する際に、分子が独立して動き、完全に無秩序な状態になる現象を指します。分子は自由に動くのをやめ、わずかに固定された位置に押し付けられ、分子配列を規則的なモデルにしようとする傾向があります。
これら2種類のプラスチックの外観を判断する基準は、肉厚プラスチック部品の透明度によって決定できます。一般的に、結晶性材料は不透明または半透明（POMなど）、非晶質材料は透明（PMMAなど）です。ただし、例外もあります。例えば、ポリ（4）メチルペンテンは結晶性プラスチックですが透明度が高く、ABSは非晶質材料ですが透明ではありません。
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関する以下の要件と注意事項に注意してください。
材料の温度を成形温度まで上げるには大量の熱が必要であり、そのため大きな可塑化能力を持つ装置が必要となる。
冷却および再変換の過程で大量の熱が放出されるため、十分に冷却する必要がある。
溶融状態と固体状態の比重差が大きいため、成形収縮が大きく、収縮や気孔が発生しやすい。
急速冷却、低結晶化度、低収縮率、高透明度。結晶化度はプラスチック部品の肉厚に関係しており、肉厚が厚いほど冷却が遅く、結晶化度が高く、収縮率も大きいが、物性は良好である。したがって、結晶性材料の金型温度は、要求に応じて制御する必要がある。
異方性は顕著であり、内部応力も大きい。脱型後も結晶化していない分子は、結晶化が継続する傾向があり、エネルギー不均衡状態にあり、変形や反りを起こしやすい。
結晶化温度範囲が狭いため、未溶融材料が金型に注入されたり、供給口を塞いだりしやすい。
04
熱に弱いプラスチックおよび加水分解されやすいプラスチック
1) 熱感受性とは、一部のプラスチックが熱に対して非常に敏感であることを意味します。高温で長時間加熱されたり、供給口の開口部が小さすぎたりすると、せん断効果が大きくなった際に材料温度が上昇しやすく、変色、劣化、分解を引き起こします。このような特性を持つプラスチックは、熱感受性プラスチックと呼ばれます。
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、熱に弱いプラスチックは、分解時にモノマー、ガス、固体、その他の副生成物を生成します。特に、一部の分解ガスは、人体、設備、金型に対して刺激性、腐食性、または毒性のある影響を及ぼします。
したがって、金型設計、射出成形機の選定、成形には十分な注意を払う必要があります。スクリュー式射出成形機を使用し、注湯口の断面は大きくする必要があります。金型とバレルはクロムメッキを施し、熱感受性を弱めるために安定剤を添加してください。
2) 一部のプラスチック（例えばPC）は、少量の水分を含んでいる場合でも、高温高圧下では分解します。この性質は易加水分解性と呼ばれ、事前に加熱乾燥する必要があります。
05
応力亀裂と溶融破壊
1) 一部のプラスチックは応力に敏感です。成形時に内部応力が発生しやすく、脆く割れやすい性質があります。プラスチック部品は、外部からの力や溶剤の作用によって割れることがあります。
このため、耐亀裂性を向上させるために原材料に添加剤を加えることに加えて、原材料の乾燥に注意を払い、内部応力を低減して耐亀裂性を高めるために成形条件を適切に選択する必要があります。また、応力集中を最小限に抑えるために、プラスチック部品の形状を適切に選択し、インサートを取り付けるなどの対策を講じる必要があります。
金型を設計する際には、離型角度を大きくし、適切な供給口と排出機構を選択する必要があります。成形中は、材料温度、金型温度、射出圧力、冷却時間を適切に調整し、成形品が冷えすぎて脆くなっている状態での離型は避けるようにしてください。成形後、成形品は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るため、後処理を施す必要があります。
2) 一定の温度で一定のメルトフローレートを持つポリマー溶融物がノズル穴を通過する際、そのフローレートが一定値を超えると、溶融物の表面に明らかな横方向の亀裂が生じます。これをメルトフラクチャーと呼び、プラスチック部品の外観や物性を損なう原因となります。したがって、メルトフローレートの高いポリマーを選択する場合は、射出速度を下げて材料温度を上げるために、ノズル、ランナー、および供給口の断面積を大きくする必要があります。
06
熱性能と冷却速度
1) 各種プラスチックは、比熱、熱伝導率、熱変形温度など、それぞれ異なる熱特性を持っています。比熱の高いプラスチックを可塑化するには大量の熱が必要となるため、可塑化能力の高い射出成形機を使用する必要があります。熱変形温度の高いプラスチックは冷却時間を短縮でき、早期に離型できますが、離型後の冷却変形を防ぐ必要があります。
熱伝導率の低いプラスチック（イオン性ポリマーなど）は冷却速度が遅いため、金型の冷却効果を高めるために十分に冷却する必要があります。ホットランナー金型は、比熱が低く熱伝導率の高いプラスチックに適しています。比熱が大きく、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。適切な射出成形機と強化された金型冷却を選択する必要があります。
2) 各種プラスチックは、その種類、特性、成形品の形状に応じて適切な冷却速度を維持する必要があります。そのため、金型には成形要件に応じた加熱・冷却システムを備え、一定の金型温度を維持しなければなりません。材料温度が上昇して金型温度が上昇した場合は、脱型後の成形品の変形を防ぎ、成形サイクルを短縮し、結晶化度を低減するために冷却する必要があります。
プラスチックの廃熱だけでは金型を一定温度に保つのに不十分な場合は、金型に加熱システムを装備して、金型を一定温度に保ち、冷却速度を制御し、流動性を確保し、充填条件を改善したり、プラスチック部品をゆっくり冷却したりする必要があります。これにより、肉厚プラスチック部品の内外の冷却ムラを防ぎ、結晶化度を高めることができます。
流動性が高く、成形面積が大きく、材料温度が均一でない場合、プラスチック部品の成形条件によっては、交互に加熱または冷却したり、部分的に加熱・冷却したりする必要がある場合があります。そのため、金型には適切な冷却または加熱システムを装備する必要があります。
07
吸湿性
プラスチックには様々な添加剤が含まれており、それによって吸湿性が異なるため、プラスチックは大きく分けて吸湿性、吸湿付着性、非吸湿性・非付着性の2種類に分類できます。材料中の水分含有量は許容範囲内に制御する必要があります。そうでなければ、高温高圧下で水分が気化したり加水分解したりして、樹脂が発泡したり、流動性が低下したり、外観や機械的特性が悪化したりします。
したがって、吸湿性プラスチックは、使用中に水分を再吸収するのを防ぐために、必要に応じて適切な加熱方法と仕様に従って予熱する必要がある。
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投稿日時：2021年9月27日