品質工学による射出成形製品の充填性評価に関する研究

品質工学による射出成形製品の充填性評価に関する研究
-荷重押し込み曲線による解析日大生産工(院) ○水鳥 貴之
日大生産工 大澤 紘一
日大生産工 矢野 耕也
1.はじめに
プラスチック製品は身の回りに多く存在し，
その種類や用途は多種多様である。そしてそれ
らのプラスチック製品の殆どが射出成形という
技術によって造られているが、射出成形技術に
おいて，金型寸法と成形品が同じにならないと
いう問題がある。その原因の一つとして，金型
内に樹脂が均一に充填されないことがある。
ところで,プラスチック製品の充填性につい
て,成形品の寸法精度や透過性1)により評価した
例はあるが，樹脂の密度で評価した例はない。
樹脂の密度が硬さ試験機を用いた荷重-押し込
み曲線の押し込み深さと密接に関係すると考え，
この特性値による充填性の評価を試み，透過性1)
との比較も併せて行った。
2.実験方法
2.1.実験機器
本研究では耐久性や衝撃，そして温度変化の
耐性が必要とされる樹脂製品を想定し，それら
に対して強いといわれているポリカーボネート
を用いて，実際に射出成形機（図 1）を使用し，
S字型の金型（図 2）を用いて製品を成形した。
なお，実験条件は先行研究1)と同じとした。
図2
図1
S 字型金型
射出成形機
2.2.パラメータ設計
射出成形は多くのパラメータの組合せから得
られる最適条件で行うことが望ましい。
製品の成形条件には制御できる因子が多いが，
一つずつ条件選択を行なうと時間がかかるので，
直交表Ｌ18を用いて，4,374 通りの実験を 18 回
で済ませることを可能とするパラメータ設計 2)
という手法を用いた。
2.3.制御因子
制御因子とは技術者が選択できるパラメータ
のことであり，本研究では射出成形に最も深く
関わるとされる，A：スクリュー形状，B：金型
温度，C：加熱筒温度，D：スクリュー速度，E：
射出圧力，F：射出速度，G：取出し時間を用い
た。それらの実験条件を表 1 に示す。
表1
制御因子
2.4.誤差因子
誤差因子の割りつけとは，製品の使用環境や
使用条件を考慮して，意図的に制御が困難で悪
影響な条件を与えることで，ロバストな製品を
造るという考えである。本研究では成形後 1 分
間自然乾燥させたものを誤差因子Ｎ1，成形後 1
分間急冷したものを誤差因子Ｎ2とする。
2.5.計測特性
評価に用いた試験機は，工業界で最も多く使
用されているロックウェル試験機を使用した。
ロックウェル試験機とは，試料に対して圧子を
押し込むとき，押し込み深さの測定の基準点を
決めるための基準荷重Ｗ₂（深さ h₁）を負荷し，
一定時間保持した後（深さ h₂），再びＷ₁（深さ
h₃）に戻す過程をとり，図 3 のように示される。
本研究では荷重に対する押し込み深さの関係を
みるため，実際に得られた硬さの数値を押し込
A Study on Evaluation of Filling for Injection Molding Products by Quality Engineering
-Analysis by Load Indentation CurveTakayuki MIZUTORI, Kouichi OSAWA and Koya YANO
み深さ h（mm）に変換した。以下に押し込み深さ
h(mm)の変換式を示す。
HR（読み取られる硬さ）＝ 130 − 500h より
ｈ(mm) ＝
の場合に使う SN 比である。荷重-押し込み深さ
の入出力関係をみたとき，図 6 のように，ある
荷重値から急に曲線を描く場合がある。
( 130 − HR )
500
図6
図3
荷重-押し込み曲線
測定に関しては，図 4 に示した成形品を 2mm
（P1），3mm（P2），4mm（P3）部に切断し，その
寸法を計測した上で冷却速度の違いなどをあら
かじめ考慮して，測定位置を決めた。計測シー
トの上に成形品を乗せ，計測位置をチェックし
ておき，荷重-押し込み試験を行った。充填性の
違いをみるため，成形品の横軸方向を Q,縦軸方
向 を R と し ,Q1.R1 の ま わ り に 荷 重 を
60.70.80.90kg と変えた計測を行った。これを
Q1.R2，Q1.R3，Q2.R1，Q2.R2.Q2.R3 についても
同様に行った。計測位置を図 5 に示す。
押し込み抵抗による変位
これは材料における押し込み抵抗による影響
のために起こる現象である。そのため，曲線の
場合に用いる標準 SN 比を用いた解析を行った。
3.2.実験データの解析
表 2 に 2mm 部の実験 No.1 の押し込み深さのデ
ータを示す。
表2
2mm 部，実験 No.1 のデータ
Q1.R1 から Q2.R3 までの測定箇所ごとの荷重押し込み曲線のバラツキをみるために，SN 比η
と感度β₁，β₂を求めた。例として 2mm 部(P1)
実験 No.1 の Q1.R1 の算出式を以下に示す。
全 2 乗和ＳＴ＝0.166２＋0.150２＋0.145２＋0.154
２
＋・・・＋0.1076２
図4
成形品
Ｎ1，Ｎ2の平均
ｙ０１＝ 0 . 166
+ 0 . 167
2
ｙ０２，ｙ０３，ｙ０４も同様に求める。
有効除数
ｒ＝ｙ０１２＋ｙ０２２＋ｙ０３２＋ｙ０４２＝0.081
線形式Ｌ１＝ｙ０１×0.166＋ｙ０２×0.150・・・
＋ｙ０４×0.154＝0.087，Ｌ２＝0.074
比例項の変動
図5
計測位置
3.実験結果
3.1.標準 SN 比を用いた解析
標準 SN 比とは製品の機能を入力-出力関係で
考えた時，目的となる機能が直線ではなく曲線
Ｓβ＝
( L1 + L 2 )2
2 r
＝0.162
比例項の差の変動
＝
( 0 . 087 + 0 . 074 ) 2
2 × 0 . 081
ＳＮ×β＝
＝
4mm（P3）の Q1.R1 から Q2.R3 までの測定箇所ご
との SN 比の最適条件を表 3 に示す。
( L1 − L 2 )2
2 r
( 0 . 087 − 0 . 074 ) 2
2 × 0 . 081
＝0.001
表3
厚みと測定箇所の異なる SN 比の最適条件
誤差変動 Ｓe＝ＳＴ－Ｓβ－ＳＮ×β＝0.00017
誤差分散 Ｖe＝
Se
6
＝0.00016
プールした誤差分散
Ｖn＝
S N ×β＋Ｓ e
＝0.00029
7
SN 比
η＝ 10 log
( Sβ − Ve )
Vn
＝27.47(db)
２次項の線形式Ｌq1＝(ｙ０１×Ｍ1)＋(ｙ０２×Ｍ
2)＋(ｙ０３×Ｍ3)＋(ｙ０４×Ｍ4)＝41.74
比例項の係数
β１＝
Lq1
2( 60 2 + 70 2 + 80 2 + 90 2 )
＝0.00091
定数
1
4
Ｋ２＝ ( M 12 + M 2 2 + M 32 + M 4 2 )
1
4
＝ ( 60 2 + 70 2 + 80 2 + 90 2 ) ＝5750
1
4
Ｋ３＝ ( 60 3 + 70 3 + 80 3 + 90 3 ) ＝450000
２次項の係数
ω１＝ｙ０１－ (
K 3 × ｙ 01
K 2
)
表 3 の結果から，全体的にスクリュー形状は
Ａ2 のほうがいいと言える。Ａ2 の形状はＡ1 の
形状に比べ，ペレット（樹脂）をより細かく溶
融する形状となっているため妥当な結果である。
また，
図 8 に示すゲートとランナーの関係から，
冷却速度としては，2mm 部のほうが 4mm 部に比べ，
速く冷却してしまうことから,因子 G について
2mm 部は G3(取出し時間長い)，4mm 部は G1(取出
し時間短い)という結果も妥当であるといえる。
表 3 より，測定箇所によって最適条件の因子が
異なることもわかる。
同様にω2，ω3，ω4 を求める
２次項の線形式Ｌq2＝ω１×Ｍ１＋ω２×Ｍ２＋ω
３×Ｍ３＋ω４×Ｍ４ ＝-3260.731
２次項の変動
β２＝
Lq 2
ω１２ ω ２２ ω ３２ ω ４２
＝-6.61
Ｌ18 実験の SN 比とβ１，β２の算出データから
全ての厚みの測定箇所ごとに要因効果図を求め，
図 7 に 2mm 部，実験 No.1 の Q1.R1 についての要
因効果図を示す。
図 7 実験 NO.1,2mm 部,Q1.R1 の SN 比要因効果図
また,要因効果図から求めた 2mm（P1）3mm（P2）
図8
ゲートとランナー
ここで，制御因子 A～G のどの因子が Q と R の
影響で制御を難しくしているかを求めるために,
分散分析により制御因子 A～G と Q,R という二次
の交互作用および三次の交互作用を求めた。例
として 2mm 部の SN 比における結果を表 4 に示す。
また三次の交互作用の例として，交互作用の大
きい C×Q×R の SN 比の要因効果図を図 9 に示し,
比較するため,同様に交互作用の小さい G×Q×R
を図 10 に示す。
表 4 の結果から，B,C,D,E,F,G という主効果が
大きいのは当然として，二次及び三次の交互作
用をみると，特に C×Q×R の交互作用が大きい
ことがわかる。成形条件 C は加熱筒温度であり，
成形品の縦，横軸の両方向の充填性に悪影響を
及ぼし，調整が困難であることが考えられる。
表4
2mm 部
分散分析結果
用いた研究結果 1)との比較を行った。両者のSN
比の最適条件を表 6 に示す。
表6
SN 比の最適条件の比較
本研究の荷重－押し込みの関係と透過性を用
いた評価は,双方共に樹脂の充填性を評価した
ものである。因子の水準から,2mm 部に関しては
金型温度，射出速度が，3mm 部に関しては射出速
度，取出し時間の水準が一致している。また 4mm
部に関してはスクリュー形状，金型温度，スク
リュー速度の水準が一致している。また,この厚
みの相違による SN 比の利得は，荷重-押し込み
曲線を用いた解析の方が大きい。これは透過性
の 1 点のみの評価に対し，荷重と押し込み深さ
の動的な関係を考慮していることが理由と考え
られる。
図9
2mm 部の C×Q×R における SN 比要因効果図
図 10 2mm 部の G×Q×R における SN 比要因効果図
同様に 3mm，4mm 部の分散分析を行い，位置差
Q，R が大きい因子を表 5 に示した。
表5
位置差が大きい因子
2mm，3mm，4mm 部をそれぞれ比較すると，位置
差の影響が大きい 4mm 部の制御は最も困難であ
り，また成形品の厚み，縦，横軸方向ごとの位
置差の影響は異なるため，主効果の成形条件だ
けではバラツキ低減に限度があるといえる。
3.3.透過性による評価との比較
本研究と同様の実験環境で行われた透過性を
4.まとめ
今回は成形品を厚みごとに評価し，測定箇所
ごとに SN 比，感度を求めることで成形品のどの
部分が制御を困難にしているかを求めた。厚み
や成形品の測定箇所によって制御が困難である
因子は異なり，主効果である成形条件だけでの
制御は難しい。また，成形品の厚みごとに SN 比
を比較した結果，2mm 部が最も良く，3mm 部が最
も悪いという結果になった。一方，透過性の SN
比を比較すると同様の結果となっており，双方
ともに SN 比は 2mm 部が最も良く，3mm 部が悪い
という結果が得られた。SN 比の順位性に関して
は同様の結果となり,厚みについては同一の傾
向が得られたといえる。
5.今後の研究
今後の研究としては，比重（密度）の計測を
行い，SN 比・感度を求め，
①荷重-押し込み深さ，
②透過性，③比重（密度）の 3 点の特性値を比
較し，結果の違いを検討していきたい。
参考文献
1)櫻井 基樹他，
「MT ｼｽﾃﾑによる射出成形品の均
一充填性評価」
（平成 19 年度），日本大学生産
工学部学術講演会講演概要 p9～p12
2)田口 玄一他，
「オフライン品質工学」(2007)
日本規格協会 P28～p29