長繊維強化熱可塑性プラスチック (LFRT) は、高い機械的特性を備えた射出成形用途に使用されています。 LFRT 技術は優れた強度、剛性、衝撃特性を提供できますが、この材料の加工方法は、最終部品でどのような特性を達成できるかを決定する上で重要な役割を果たします。


LFRT の成形を成功させるには、LFRT の固有の特性のいくつかを理解する必要があります。 LFRT と従来の強化熱可塑性プラスチックの違いを理解することで、LFRT の価値と可能性を最大化するための装置、設計、および加工技術の開発が推進されました。[6]
LFRT と従来のショートカット、 短ガラス繊維強化コンパウンド
の違いは、繊維の長さです。 LFRT では、繊維の長さはペレットの長さと同じです。これは、ほとんどの LFRT が剪断型配合ではなく、引抜成形プロセスによって製造されるという事実によるものです [11]。

LFRT の製造では、まずガラス繊維の無撚ロービングの連続ストランドをダイに引き込んでコーティングと樹脂の含浸を行い、ダイを出た後、強化プラスチックのこの連続ストリップを通常 10 ～ 12 の長さに短く切断するか、ペレット化します。 mm。対照的に、従来の短ガラス繊維コンパウンドには長さ 3 ～ 4 mm の短繊維のみが含まれており、せん断タイプの押出機では通常 2 mm 未満にさらに縮小されます。
LFRT ペレットの繊維長は、剛性を維持しながら、LFRT の機械的特性 (耐衝撃性や靭性の向上) を改善するのに役立ちます。繊維が成形プロセス中にその長さを維持している限り、繊維は優れた機械的特性を提供する「内部骨格」を形成します。しかし、成形プロセスが不十分だと、長繊維製品が短繊維材料になってしまう可能性があります。成形プロセス中に繊維の長さが損なわれると、望ましいレベルの性能を達成することができなくなります。

LFRT 成形プロセス中に繊維の長さを維持するには、射出成形機、部品と金型の設計、加工条件という 3 つの重要な側面を考慮する必要があります。

私。装備に関する考慮事項

LFRT 加工に関してよくある質問は、これらの材料を成形するために既存の射出成形装置を使用できるかどうかです。ほとんどの場合、短繊維コンパウンドの成形に使用される装置は LFRT の成形にも使用できます。一般的な短繊維成形装置はほとんどの LFRT 部品および製品に適していますが、繊維長をより適切に維持するために装置にいくつかの変更を加えることができます。 .


典型的な「供給-圧縮-計量」セクションを備えた汎用スクリューはこのプロセスに適しており、計量セクションの圧縮率を下げることにより、破壊的な繊維のせん断を減らすことができます。 LFRT 製品には、約 2:1 の計量セクション圧縮率が最適です。 LFRT は従来のショートカット ガラス繊維強化熱可塑性プラスチックほど摩耗しないため、ネジ、バレル、その他の部品を特殊な合金で作る必要はありません。[40]。
設計の見直しから恩恵を受ける可能性のあるもう 1 つの機器は、ノズル チップです。一部の熱可塑性樹脂材料は、材料が金型キャビティに射出されるときに高度のせん断を発生させる逆テーパー ノズル チップを使用すると加工が容易になります。ただし、このノズルチップは長繊維複合材料の繊維長を大幅に短縮できます。したがって、100%「フリーフロー」設計のスロット付きノズルチップ/バルブアセンブリを使用することをお勧めします。これにより、長い繊維がノズルを容易に通過して部品に入ることができます。

さらに、ノズルとゲートの穴は直径が 5.5 mm (0.250 インチ) 以上の十分な大きさで、鋭いエッジがあってはなりません。材料が射出成形装置内をどのように流れるかを理解し、せん断によって繊維が破壊される場所を判断することが重要です。

Ⅱ．部品および金型の設計

優れた部品と金型の設計は、LFRT の繊維長を維持するのにも非常に有益です。一部のエッジ (リブ ライン、タブ、その他の特徴を含む) の周囲の鋭い角を排除することで、成形部品内の不要な応力が回避され、繊維の摩耗が軽減されます。

部品は、均一な肉厚を持つ公称壁設計を持つ必要があります。肉厚に大きなばらつきがあると、充填が不均一になったり、成形品内で望ましくない繊維配向が発生したりする可能性があります。より厚いまたはより薄い部品が必要な場合は、繊維に損傷を与え、応力集中の原因となる可能性のある高せん断領域の形成を避けるために、肉厚の急激な変化を避けてください。通常は、厚い壁のゲートを開いて薄い部分に流れ、充填された端を薄い部分に保持しようとします。


一般的な優れたプラスチックの設計原則では、壁の厚さを 4 mm (0.160 インチ) 以下に保つことで均一な流れが促進され、ピットやボイドの可能性が低減されることが示唆されています。 LFRT コンパウンドの場合、最適な壁の厚さは通常約 3 mm (0.120 インチ) で、最小の厚さは 2 mm (0.080 インチ) です。壁の厚さが 2 mm 未満の場合、材料は金型に入った後に繊維が破損する可能性が高くなります。[62]。
コンポーネントは設計の 1 つの側面にすぎず、材料がどのように金型に入るかを考慮することが重要です。ランナーとゲートが材料をキャビティに導く際、正しく設計されていないと、これらの領域で多くの繊維損傷が発生する可能性があります。

LFRT コンパウンドを成形するための金型を設計する場合、最小直径 5.5 mm (0.250 インチ) の完全に丸いランナーが最適です。完全に丸いコーナー ランナー以外の形状のランナーには鋭いコーナーがあり、成形プロセス中の応力が増大し、ガラス繊維補強材が破壊されます。ゲートが開いているホット ランナー システムは許容されます。

ゲートの厚さは少なくとも 2mm (0.080 インチ) である必要があります。可能であれば、キャビティへの材料の流れを妨げないエッジに沿ってゲートを配置します。機械的特性を低下させる可能性のある繊維の破損を防ぐために、成形品の表面のゲートを 90° 回転する必要があります。

最後に、融着線の位置に注意を払い、使用中に部品に負荷がかかる (または応力がかかる) 領域に融着線がどのような影響を与えるかを知ることが重要です。適切なゲート配置により、応力レベルが低いと予想される領域に融合ラインを移動する必要があります。

コンピュータによる金型充填解析は、これらの融着ラインがどこに配置されるかを決定するのに役立ちます。構造有限要素解析 (FEA) を使用すると、高応力の位置と金型充填解析で特定された融着線の位置を比較できます。


これらの部品と金型の設計は推奨にすぎないことに注意してください。 LFRT 複合体を使用して良好な性能を達成した、薄肉、肉厚のばらつき、繊細または微細な形状を備えた部品の例は数多くあります。しかし、これらの推奨事項から逸脱すればするほど、LFRT の利点を最大限に実現するには、より多くの時間と労力が必要になります。[80]

Ⅲ．加工条件

処理条件は、LFRT の成功にとって重要です。適切な加工条件があれば、汎用射出成形機と適切に設計された金型を使用して、優れた LFRT 部品を製造することができます。言い換えれば、適切な装置と金型設計を行ったとしても、加工条件が悪ければ、繊維の長さが損なわれる可能性があります。これには、成形プロセス中に繊維が何に遭遇するかを理解し、過度の繊維せん断を引き起こす領域を特定する必要があります。

まず、背圧を監視します。高い背圧により、材料に大きなせん断力が生じ、繊維の長さが短くなります。背圧をゼロから開始し、供給中にスクリューが均一に戻るのに十分なだけ増加させることを検討してください。通常は、一貫した送りを得るには 1.5 ～ 2.5 bar (20 ～ 50 psi) の背圧を使用するだけで十分です。

高いスクリュー速度も悪影響を及ぼします。スクリューの回転が速いほど、固形物や未溶融材料がスクリュー圧縮セクションに入り、繊維の損傷を引き起こす可能性が高くなります。背圧に関する推奨事項と同様に、速度は充填スクリューを安定させるために必要な最小レベルまで可能な限り低く保つ必要があります。 LFRT コンパウンドを成形する場合、スクリュー速度は 30 ～ 70 r/min が一般的です。


射出成形プロセスでは、せん断と熱という 2 つの要因が連動して溶解が発生します。目的はせん断を低減することで LFRT の繊維の長さを維持することであるため、より多くの熱が必要になります。樹脂システムに応じて、LFRT コンパウンドの加工温度は通常、従来の成形コンパウンドよりも 10 ～ 30 °C 高くなります。
しかし、単純にバレル温度を全面的に上昇させる前に、バレル温度分布の逆に注意することが重要です。通常、バレルの温度は、材料がホッパーからノズルに移動するにつれて上昇します。ただし、LFRT の場合、ホッパーでの推奨温度はより高くなります。温度分布を逆転させると、LFRT ペレットが高せん断スクリューの圧縮セクションに入る前に軟化し、溶融するため、繊維長の保持が容易になります。

加工に関する最後の注意事項には、再利用素材の使用が含まれます。成形部品やスプルーを研削すると通常、繊維の長さが短くなるため、再利用材料の追加は繊維全体の長さに影響を与える可能性があります。機械的特性を大幅に低下させないために、推奨される再利用材料の最大量は 5% です。再利用材料の量が増えると、衝撃強度などの機械的特性に悪影響を及ぼす可能性があります。