プラスチック射出成形金型の一部非鉄金属化に関する研究

群馬県立産業技術センター研究報告（２０１２）
プラスチック射出成形金型の一部非鉄金属化に関する研究
岩沢知幸・福島祥夫・黒岩広樹・鏑木哲志*
Study on the application of nonferrous metal for plastic injection mold
Tomoyuki IWASAWA, Yoshio FUKUSHIMA, Hiroki KUROIWA
and Tetsushi KABURAGI
プラスチック射出成形金型の加工時間及びコスト低減のため、金型の一部分をアルミ合金とした成形
実験を行い、型内における圧力及び温度測定、ウエルドラインを評価した。その結果、一部非鉄金属金
型の適用可能性を確認した。
キーワード：アルミ合金金型、型内圧力及び温度測定、ウエルドライン
To reduce machining time and cost of plastic injection molding, we conducted a molding
experiment with a part of the aluminum alloy mold. Then we evaluated the pressure and
temperature inside the mold and the weldline. As a result, we confirmed the possibility of
application of nonferrous metal for plastiv injection mold.
Keywords： aluminum alloy mold, pressure and temperature measurement inside the mold ,
weldline
１
はじめに
よるウエルドラインの比較を行い、アルミニウ
ム合金金型がウエルドラインに及ぼす影響を調
プラスチック射出成形品は自動車部品から
べた。
家電部品、生活用品まで様々な分野にて使用
されており、日常生活において非常に身近な
２
実験方法
ものである。プラスチック射出成形は複雑な
形状の製品を大量生産するのに適している一
２．１
試作金型と成形品
方、試作段階の数個から数百個というわずか
今回の成形実験で用いた金型の全景を図 1 に
な生産個数には適していない。それは金型加
示す。使用した金型には金型用鋼材 NAK80 を
工にかかる時間とコストがかかり、金型費の
用い、コア側の入れ子にはアルミ合金 A7075 を
償却が困難なためである。近年では加工時間
使用した。尚、従来の入れ子部分の材質 NAK80
を短縮し、コストを下げる目的で金型の入れ
と比較できるようにするため、入れ子部分を交
子部分を非鉄金属に代替えするという研究が
行われているが、成形時における成形特性に
関する報告は少ない。そこで本研究では金型
の入れ子部分にアルミニウム合金を適用した
ときの、成形時における金型内の温度及び圧
力の製品成形特性を調査した。また、金型入
れ子部分の鉄鋼とアルミニウム合金の違いに
生産システム係 * 技術支援係
図1
-1-
試作金型
換できるような金型構造とした。射出成形金
表1
成形条件
型の一部非鉄金属化に関し、本研究ではコア
側の入れ子のみアルミ合金 A7075 とし、キャ
ビ側の入れ子は従来の NAK80 としている。
非鉄金属材料としてアルミ合金 A7075 を採用
した理由はアルミ合金のなかで強度があり、
加工性の良い材料であるためである。
本研究で試作した成形品の形状を図 2 に示
す。ウエルドラインを意図的に形成させるた
２．３
測定方法
め、成形品形状を 2 点ゲートとし、且つ入れ
入れ子の材質違いで成形時における金型内部
子部分にピンを設け、中心に穴ができるよう
の圧力及び温度の変化を確認するため、入れ子
な形状とした。本形状から製品の中心穴付近
部分に圧力・温度センサを設置可能な構造とし
にウエルドラインが生じると予測することが
た。圧力・温度センサ（キスラー製 p-T センサ
できる。
6190CA）を入れ子に設置した様子を図 4 に示す。
尚、本センサは一つのセンサで圧力及び温度測
定の機能を備えている。計測箇所は 2 ヶ所であ
り、一つはランナーから製品部に樹脂が流入す
るゲート付近（以下、ゲート側）、二つ目はその
まま樹脂が流れてピンに到達する直前の位置
（以下、ピン側）とする。圧力・温度のデータ
収集にはデータロガー（キーエンス製 NR-600）
図2
２．２
成形品形状
を用い、サンプリング速度を 50ms とした。
成形条件
ピン側 p-Tセンサ
図 3 に本研究で使用した油圧式射出成形機
ゲート側 p-Tセンサ
（ 日 精 樹 脂 工 業 製 型 式 FS80S12ASE 最 大
型締め力 750kN）を示す。また、成形条件を
表 1 に示す。成形樹脂をプライムポリマー製
プライムポリプロ（以下、PP）とし、金型温
度を 30℃及び 70℃にて成形実験を行った。
図4
金型内部に p-T センサを設置した様子
３
３．１
実験結果
型内における圧力・温度測定
図 5 に金型温度 30℃及び 70℃におけるゲート
側及びピン側位置における圧力・温度測定結果
図3
射出成形機
を示す。まず温度に着目する。金型温度 30℃及
び 70℃のいずれの場合においてもアルミ合金
また、1 サイクルの成形時間は射出から保圧
の方が鋼材よりも温度が低く、およそ 10℃弱低
完了まで 10s、冷却時間を 10s とした。
いことがわかる。アルミ合金の方が低いのは鋼
材との熱伝導率の違いによるものと考えられる。
アルミ合金と鋼材と熱伝導率を比較した場合、
鋼材はおよそ 40（W/(m・K)）、アルミ合金はお
よそ 130（W/(m・K)）であり、アルミ合金は鋼
-2-
材のおよそ 3 倍以上であり、金型内で溶融樹
コープの測定機能を用い、各条件におけるウエ
脂が流れている間に樹脂の熱が奪われてしま
ルドラインの長さを測定した結果を図 8 に示す。
い、樹脂温度が低下してしまうことが原因で
金型温度 30℃及び 70℃のいずれの場合におい
あると考えられる。次に圧力について考察す
てもアルミ合金の方が鋼材よりもウエルドライ
る。本実験では図中のおよそ 13 秒付近から保
ンは長いことがわかった。ウエルドラインの発
圧から冷却に切り替わるため圧力が低下する
生原因は溶融樹脂同士が合流した時、溶融樹脂
が、金型温度 30℃の場合、アルミ合金及び鋼
が十分に混合しないうちに樹脂が冷えて固まっ
材いずれもピン側の圧力波形が 10 秒付近か
てしまうことにある。よって熱伝導率の大きい
ら急激に低下している。これは金型温度が
アルミ合金の方が鋼材よりも溶融樹脂温度が低
30℃と低いため、ゲート側から徐々に溶融樹
く、凝固までの時間が短いためにウエルドライ
脂が固化し始めてしまい、ピン側のセンサ位
ンが長く形成されると考えられる。
置まで保圧が伝わりきらなかったためだと考
えられる。入れ子の材質違いによる圧力波形
NAK80_圧力-ゲート側
NAK80_圧力-ピン側
A7075_圧力-ゲート側
A7075_圧力-ピン側
NAK80_温度-ゲート側
NAK80_温度-ピン側
A7075_温度-ゲート側
A7075_温度-ピン側
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
ウエルド長さ
Temperature 【℃】
Pressure 【MPa】
の大きな差異は見られなかった。
図6
A7075_金型温度30℃
A7075_金型温度70℃
NAK80_金型温度30℃
NAK80_金型温度70℃
-10
0
5
10
15
Time 【sec】
20
25
30
（ⅰ）金型温度 30℃
NAK80_圧力-ゲート側
NAK80_圧力-ピン側
A7075_圧力-ゲート側
A7075_圧力-ピン側
NAK80_温度-ゲート側
NAK80_温度-ピン側
A7075_温度-ゲート側
A7075_温度-ピン側
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
図7
図8
-10
0
5
10
15
Time 【sec】
20
25
ウエルドライン長さ測定結果
30
４
（ⅱ）金型温度 70℃
図5
各条件によるウエルドライン拡大写真
Temperature 【℃】
Pressure 【MPa】
ウエルドライン長さ測定
結
言
各金型温度における金型内の圧力・温度波形
成形金型の一部を鉄鋼からアルミ合金にし、
３．２
ウエルドライン長さ
マイクロスコープ（キーエンス製
各種評価を行ったところ以下のことを確認した。
(1)
VHX-500）にて図 6 のようにウエルドライン
を観察し、当該機器の測定機能を用いること
融樹脂温度は鋼材の場合よりも低い。
(2)
でウエルドラインの長さを簡易的に測定する
こととした。
入れ子をアルミ合金にした場合、型内の溶
ウエ ル ド ライ ン の長 さ はア ル ミ合 金 のほ
うが鋼材よりも長い。
(3)
入れ子をアルミ合金にした時、100 ショッ
図 7 に各条件におけるウエルドラインを倍
ト程度成形したところ、製品にバリなどは
率 20 倍で撮影した拡大写真を示す。金型温度
なく、入れ子にも大きな変形はなかった。
が同じときのアルミ合金及び鋼材で比較した
現時点においてアルミ金型の場合、ウエルド
場合、目視においてもウエルドラインの長さ
ラインは長いが低コストで加工できるため、試
の違いを確認することができる。マイクロス
作段階では使用可能であることを見出した。
-3-