29 - 素形材センター

「金型内現象の可視化・みえる化」
射出成形金型におけるインプロセス計測技術
日本工業大学 村 田 泰 彦
プラスチック射出成形金型内における樹脂流動挙動および樹脂圧力・温度分布、金型歪のインプロセス計測事
例について紹介する。
2）
る 。しかし、その一方で、金型内における発泡現象の
1．はじめに
実証的な解明が遅れている。著者らは、モールベース
プラスチック射出成形は、電動式射出成形機の普及
1）
2）
内にプリズム石英ガラス窓を設けたガラスインサート
3）
や、超高速射出成形 および超臨界発泡射出成形 等
金型 を用いた可視化観察により、成形品厚さ方向に
の新しい成形技術の登場、さらに、金型の微細加工技
沿って生成される発泡層構造の形成機構の検討を行っ
術の進歩等により、レンズ、ディスク等の光学部品や、
ている 。
医療・電子デバイス等の精密製品の生産手段としてそ
写真 1 は、ガラスインサート金型が取り付けられた
の用途を広げつつある。しかし、新しい成形技術の実
超臨界発泡射出成形機 J 85 ELⅢ- 110 H - MuCell 型（㈱
用化や、新しい製品分野への用途拡大は、新たな成形
日本製鋼所 , 最大型締力 833 kN）を示している。写真
不良の発現につながり、成形技術者を悩ませ続けてい
2 は、耐衝撃性ポリスチレン HIPS を成形して得られ
る。成形不良の発生を抑止するためには、成形現象の
た厚さ 5 mm の発泡成形品の厚さ方向に沿った断面の
実証的な解明が必要不可欠と考えられる。特に、金型
SEM 観察写真を示している。成形品表層には、シル
4）
内における樹脂流動挙動および樹脂圧力・温度分布等
を詳細に計測して現象を解析し、その結果に基づき、
対策を行うことが重要と考えられている。
本稿では、著者らの研究グループが現在取り組んで
いる、射出成形金型内における樹脂流動挙動および樹
脂圧力・温度分布、金型歪の計測事例について紹介する。
具体的には、（1）可視化金型を用いた超臨界発泡射出
成形現象の解析、および強制ゲートシャット機構を用
いたショートショット法による型内樹脂充填パターン
計測、（2）触覚センサを用いたキャビティ面圧力分布
計測、（3）熱電対センサを用いた、フィルムインサー
写真 1 ガラスインサート金型が取り付けられた
超臨界発泡射出成形機 ト射出成形における樹脂温度計測、（4）金型歪計測に
よるバリ発生検知の各種事例について紹介したい。
2．金型内樹脂流動挙動の計測
2．1 可視化金型を用いた超臨界発泡射出成形現象
解析
成形品の軽量化およびひけ・そりの低減、成形機型
締力・射出圧力の低減等を目的とした超臨界発泡射出
成形が注目されており、応用製品の開発が行われてい
写真 2 成形品断面の SEM 観察（耐衝撃性ポリスチレン、
4）
成形品厚さ 5 mm、射出率 40. 2 cm3/s）
29
バーストリークの痕跡を留めた薄い層（スキン層Ⅰと
以上のように、可視化手法は、超臨界発泡射出成形
呼称する）、その内側には Cell の観察されない層（スキ
過程等の新しい成形プロセスの解明に対して極めて有
ン層Ⅱ）、また、スキン層Ⅱの内側には、比較的細か
効であり、今後の利用拡大が期待される。
い Cell が分布する層（コア層Ⅰ）と、さらにその内側
2．2 強制ゲートシャット機構を用いた樹脂充填パ
ターン計測
の大きな Cell が分布する層（コア層Ⅱ）の、合計 7 つ
の層構造が形成されている。
射出成形分野では、CAE 解析を用いた型内樹脂挙
7 層発泡層構造の形成機構を検討するために、ガラ
動の予測が行われている。しかし、ソフトウエアの
スインサート金型を用いて型内発泡状況の可視化観察
解析精度については、検証するための実験データが
を行った。汎用ポリスチレン GPPS を成形した場合に、
乏しく、例えば構造解析等に比べて不明な点が多い。
キャビティ内で計測された樹脂圧力の経時変化を図 1
CAE 解析における樹脂充填パターンの解析精度の検
に、また、図 1 中の①∼④の時点における可視化観察
証には、従来から、ショートショット法が用いられて
画像を写真 3 にそれぞれ示す。流動過程①では、フ
きた 。本手法は、型内への射出樹脂量を段階的に変
ローフロントにおいて破泡を繰り返し、シルバースト
化させながら成形を数回行い、得られたそれぞれの成
リークの痕跡を成形品表面に留めながら流動が進行す
形品を充填時間に沿って重ね合わせることにより、樹
る。さらに②では、微細な Cell がすでに生成され樹脂
脂充填パターンを推察するものである。本手法は、実
内層部を流動して行く。最高充填圧力時③では、微細
成形現場で簡単に樹脂充填パターンを計測できるもの
な Cell は一旦消失する。射出が完了して減圧過程④に
の、しかしその一方で、流動過程においてスプルー、
入ると、Cell の再生成および成長が行われる。これら
ランナ内で圧縮された樹脂が、射出完了後もなおキャ
観察結果に基づき、7 層構造の形成機構を以下に考察
ビティ内へと流入し、フローフロントが前進すること
する。まず、スキン層Ⅰは、
①で見られたように、フロー
により、ショートショット成形品が充填過程における
フロントに到達した Cell が、ファウンテンフローする
フロント形状を留めないことが問題となっていた 。
際に生成されるシルバーストリークの痕跡を留めた領
このような現状から、可視化金型を用いずに、簡易で
域である。スキン層Ⅱは、④で見られたように、圧縮
安価に、高精度の樹脂充填パターンが得られる計測手
過程において一旦消失した Cell が、その後の減圧過程
法として、強制ゲートシャット機構を用いたショート
において再び生成および成長を開始するものの、冷却
ショット法を提案した 。具体的には、ショートショッ
が最も促進される型壁面近傍に位置するために、樹脂
ト成形過程において、スクリュが停止した瞬間に、小
粘度が上昇し、Cell の再生成が起こらない間に固化を
型空圧シリンダを用いてゲート部で樹脂流動を強制的
完了する領域である。一方、厚さ中心部に向かうほど、
に閉止することで、射出完了後のキャビティ内への樹
冷却が促進され難くなるため、厚さ中心部において
脂の流れ込みを防ぎ、正確な型内樹脂充填パターンを
Cell の生成および成長も促進されて、Cell が多数存在
抽出する計測方法を提案した。図 2 に、強制ゲート
するコア層が生成されるものと推察される。
シャット機構が組み込まれた計測金型の基本構造を示
5）
6）
7）
す。図 2（2）に示すように、ゲー
ト部に設置されたゲートシャッ
30
トピンをゲート部内に突き出す
圧 力 (MPa) Pressure（MPa）
③
ことによって、キャビティへの
20
樹脂の流入を遮断する。
10
図 3 は、本手法を用いて得ら
④
れた、中央部に厚さ 2 mm の縦
②
0
0
①
20
リブを有する厚さ 1 mm の矩形
40
60
Elapsed
Time(s)
経過時間(s) 平板キャビティにおける樹脂充
填パターンと、PLANETS（㈱
図 1 キャビティ内における樹脂圧力
の経時変化 （汎用ポリスチレン、キャビティ
4）
厚さ 3 mm、射出率 4.0 cm3/s）
30｜素形材 2008 ．1
写真 3 型内発泡挙動の可視化観察画像
（汎用ポリスチレン、キャビティ
厚さ3 mm、射出 4.0 cm3/s、t : 射
4）
出開始からの経過時間）
プラメディア）を用いて 3 次元
解析した結果の比較事例を示し
ている。本成形条件では、実験
金型内現象の可視化・みえる化
圧力をキャビティ全域における面分布として詳細に同
時計測することを目的として、圧力伝達ピンアレイと
触覚センサから構成される新しいキャビティ面圧分布
8）
計測手法を提案した 。図 4 にキャビティ面圧力分布
の計測原理を示す。本手法は、キャビティ壁面に対し
て垂直方向に 2.54 mm 間隔に設置されたエジェクタピ
ン形状の圧力伝達ピンを介して、樹脂圧力をシート状
の触覚センサ I - SCAN 100（ニッタ㈱）に伝達して計測
するものである。
図 5 に示す中央部に障害ブロックが設けられた矩形
図 2 強制ゲートシャット機構が組み込まれた
7）
計測金型の基本構造（単位 : mm）
キャビティにおいて、汎用ポリスチレン GPPS を成形
して得られた、流動から冷却過程にかけての任意の時
間におけるキャビティ面圧力分布計測結果を図 6 に示
す。本キャビティでは、障害ピンの下流側にウェルド
ラインが生成され、ウェルドライン（以後ウェルドと
略記する）生成位置を図中に点線で併記した。①、②
の流動過程においては、障害ブロックによって 2 つに
図 3 強制ゲートシャット機構を用いたショートショッ
ト法によって得られた樹脂充填パターンと CAE 解
析結果の比較 （タルク入りポリプロピレン、射出率 2.7 cm3/s）
結果とシミュレーション結果とはよく一致している。
図 4 キャビティ面圧力分布の計測原理 8）
以上のように、本手法を用いることで、CAE 解析結
果との比較検討を行うことが可能となり、今後、CAE
解析の精度向上を支援するものとして期待される。
3．触覚センサを用いたキャビティ面圧力分布
計測
射出成形金型内の樹脂圧力は、これまで水晶圧電式
圧力センサ等をランナー・キャビティ内 2 ∼ 3 箇所に
設置して計測されてきた。射出圧縮成形や超臨界発泡
射出成形等のキャビティ内における樹脂圧力状態を能
動的に制御することで、成形品の品質向上を目指す成
形が広く用いられており、樹脂圧力を点ではなく、キャ
ビティ全域における面分布として詳細に計測すること
が重要と考えられている。このような現状から、樹脂
9）
図 5 キャビティ形状（単位 : mm）
31
11）
計測を試みている 。
図 7 は、キャビティ形状と熱電
対センサの設置方法を示している。
シース型熱電対である型内温度セン
サ Type 6193 A（日本キスラー ㈱）
を入れ子内に埋め込んで計測する方
法と、素線型熱電対である微小表面
温度センサ ST- 56（理化工業 ㈱）を
キャビティ壁面とフィルム表面と
に貼付して計測する方法の、2 通り
の検討を行っている。各センサの取
付け位置は、温度センサ T1 をフィ
ルムと金型キャビティ壁面との界面
に、センサ T2 をフィルムと樹脂と
図 6 障害ピンキャビティにおけるキャビティ面圧力分布
（汎用ポリスチレン、射出率 10.6 cm3/s、保持圧力 30 MPa、
9）
保圧時間 6 s、t : 射出開始からの経過時間）
の界面に設置した。
図 8 は、厚さ 0.40 mm の二軸延伸
ポリスチレンフィルム（サントクリ
分かれた流れがブロック後方で再び会合し、会合部に
ア FP、三菱化学 ㈱）を金型内にインサートして、耐衝
おいて遅れを伴ったまま、キャビティ末端部へと前進
撃性ポリスチレン HIPS（433、PS ジャパン㈱）を射出
して行く。③の保圧過程初期において、キャビティ面
した際に、2 種類のセンサによって計測された結果を
圧力は最高値を示す。この場合、ウェルド生成部付近
示している。なお、比較のために、フィルムを挿入し
の圧力がその周辺部に比べて低くなっていることが大
ない状態で、温度センサ T1 で計測された結果を T0 と
きな特徴と言える。その後、時間が経過し、④の保圧
して併記した。両センサ出力ともに、フィルムと樹脂
過程では、ゲートシールが完了し、キャビティ全域に
界面の T2 の出力が、キャビティ壁面の T1 および T0
おいて圧力が低下している。⑤、⑥の保圧過程後半で
に比べて高くなっている。また、射出率の増加に伴い、
は、ウェルド生成部から圧力が 0 になり、圧力 0 の領
樹脂のせん断発熱等の影響で、T0 と T2 の温度が上昇
域は、ウェルド生成部からキャビティ幅方向へと拡大
する傾向が現れている。図 9 は、フィルム厚さ 0.13 mm
していく。
の場合の計測結果を示している。厚さ 0.40 mm の場合
以上のように、本手法を用いることにより、キャビ
と比較すると、T2 の温度が低下しており、フィルム厚
ティ壁面に作用する樹脂圧力分布を詳細に計測するこ
さの減少に伴い、樹脂からキャビティ壁面へとフィル
とが可能となり、今後、成形プロセスや成形不良現象
ムを介して熱が移動しやすくなるという妥当な傾向が
の解析に役立てられるものと期待される。
4．熱電対センサを用いたフィルムインサート
射出成形における樹脂温度計測
加飾フィルムおよび機能性フィルム等を金型キャビ
ティ内に予め挿入して、その上に樹脂を射出すること
により、樹脂表面上にフィルムが貼付された成形品を
一体成形するフィルムインサート射出成形
10）
は、自動
車部品、雑貨品などの生産に広く用いられている。本
成形法では、接着強度に大きな影響を及ぼすものと考
えられるフィルムと樹脂界面温度の詳細な計測手法の
確立が望まれている。このような現状から、熱電対セ
ンサを用いて、上記成形過程における型内樹脂温度の
32｜素形材 2008 ．1
11）
図 7 キャビティ形状およびセンサ設置方法（単位：mm）
金型内現象の可視化・みえる化
図 8 フィルムインサート射出成形における温度計測結果
（フィルム厚さ 0.40 mm）11） 図 9 フィルムインサート射出成形に
おける温度計測結果 （フィルム厚さ 0.13 mm、
11）
射出率 79.6 cm3/s）
示されている。
て両板が曲げ変形を起こす際の微小な歪を捉え、バ
シース型熱電対センサ出力は、熱伝導誤差の影響と、
リ発生状況との相関関係の検討を試みた。キャビティ
応答性の低さにより、素線型の出力に比べて低くなっ
形状は、サイドゲートが設けられた長さ 85 ×幅 40 ×
ており、温度の絶対評価には使用が困難であるものの、
厚さ 2 mm の矩形平板である。型締力を 500 kN で一
しかし、温度変化の傾向が素線型と一致していること
定として保持圧力を段階的に増加させて行くことで
や、繰り返し計測が可能であることから、成形工程の
バリを発生させ、その際の歪を記録した。一例とし
モニター等には十分使用できるものと判断される。以
て、保持圧力 100 MPa において計測された歪の経時変
上のように、シース型と素線型熱電対センサのそれぞ
化を、図 11 に示す。保圧過程に入ると歪は大きく増
れの特徴も同時に確認することができた。
加を開始する（固定板歪は圧縮方向の歪を捉えてい
5．金型歪計測によるバリ検知方法の検討
るためにマイナス方向に増加している）。各保持圧力
条件において計測された歪のプロファイルから最大
射出成形における成形不良の一つにバリがある。バ
リは、（1）金型の加工精度が低いために金型分割面に
隙間ができること、（2）金型が高い樹脂圧力を受けて
変形すること、
（3）型締力よりも樹脂圧力が上まわり、
型が開くことなどの理由により、金型分割面の隙間に
樹脂が流れ込んで発生する。バリが発生すると生産効
率の低下を招くために、生産現場において大きな問題
となっている。このような現状から、金型歪とバリ生
成との相関関係を調査することにより、バリ発生をイ
12）
ンプロセスで検知する方法の検討を試みている 。
金 型 歪 の 計 測 に は、 水 晶 圧 電 式 の 歪 セ ン サ
Type 9232 A（日本キスラー ㈱）を用いた。センサの
計測金型への設置位置を図 10 に示す。本センサは、
金型受板裏面の中央部および固定板クランプ部にネ
ジで固定されている。そして、樹脂圧力上昇によっ
図 10 計測金型へのセンサ設置位置 12）
33
図 13 保持圧力と最大歪変化量の関係（ポリプロピレン、
射出率 26.5 cm3/s、保圧時間 5 s、型締力 500 kN）12）
図 11 歪の経時変化（ポリプロピレン、射出率 26.5 cm /s、
12）
保持圧力 100 MPa、保圧時間 5 s、型締力 500 kN）
3
近年、プラスチック成形加工分野では、地球環境への
配慮が強く求められている。そのため、バイオベース
ポリマーや低環境負荷成形技術の実用化が盛んに進め
られている。これら新成形材料や新成形技術の成形プ
ロセスの解明を行うために、また、生産効率の低下を
招く成形不良（無駄）を抑えるためにも、成形現象の
計測の重要性は、今後、益々高まるものと考えられる。
図 12 保持圧力と歪の最大値の関係（ポリプロピレン、
12）
射出率 26.5 cm3/s、保圧時間 5 s、型締力 500 kN）
値をそれぞれ抽出して、保持圧力との関係として整
理したものを図 12 に示す。図中にバリが発生する保
持圧力領域を記した。保持圧力の増加に伴い歪の最大
値が増加し、保持圧力が 95 MPa になるとバリの発生
が開始する。曲線状に歪の最大値が増加し、バリ発生
が開始する保持圧力値付近において歪の最大値の増加
が緩やかとなっている。バリ発生時の特異点を検討す
るために、図 12 から単位保持圧力増分△ Ph に対する
歪の最大値の変化量を求めて図 13 に示した。受板お
よび固定板ともに変化量は、保持圧力の増加に伴い概
ね一旦増加した後、減少している。そして減少開始点
（変曲点）、あるいは開始した後にバリの発生が始ま
る。これは、金型分割面に生じた隙間への樹脂の流れ
込みが開始し、さらに進行する挙動によって金型の変
形が緩和されることが原因の一つと考えられる。
以上のように、金型歪の変化とバリ発生との相関関
係を見出すことができた。本結果は、バリ発生のイン
プロセス検知の手がかりを与えるものと考えられ、今
後のさらなる検討が期待される。
6．おわりに
射出成形金型内における樹脂挙動および樹脂圧力・
温度分布、さらに金型歪の計測事例について紹介した。
34｜素形材 2008 ．1
参考文献
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吉原隆一：成形加工シンポジア' 07（2007）293
12）村田泰彦，日下田匡行，折田浩春：成形加工シンポジア
05（2005）185
日本工業大学 機械工学科
http://www.nit.ac.jp/
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