射出成形プロセスの制御と射出速度の選択

射出成形工程の制御は、最終製品の品質と生産の経済効率に直接的な影響を与えます。最大限の利益と最適な製品品質を実現するためには、工程パラメータを徹底的に検討する必要があります。家電製品の継続的な高度化に伴い、製品設計はますます複雑化し、射出成形部品の内部および外部品質に対する要求は高まり続けています。これは、射出成形企業にとって、金型製造だけでなく、工程の調整と制御においても、より高い要求を突きつけるものとなっています。

金型加工技術と精度の継続的な向上により、複雑な製品設計が可能になりました。同時に、射出成形機の電気制御システムの継続的な強化により、複雑な金型を用いた高品質部品の安定生産が実現しています。しかし、高度な設備と高品質の金型だけでは十分ではありません。機械、金型、製品の完璧な統合を実現するには、効果的なプロセス制御が不可欠です。

射出成形において最も重要な加工条件は、温度、圧力、速度、そして可塑化、流動、冷却に影響を与える時間的要因です。これらのパラメータは相互に関連し、互いに制約し合います。例えば、溶融温度と金型温度を上げると、射出圧力と速度の要件を下げることができ、その逆もまた然りです。すべての加工条件の中で、最も重要な要素は材料粘度の変化であり、これは射出時のパラメータの選択とそれらの相互作用を決定する上で重要な役割を果たします。

射出成形時のポリマー溶融物の流れと変形挙動に関するより詳細な研究が進むにつれて、射出速度の選択が製品品質の向上に不可欠であることがますます明らかになってきている。

高速噴射速度と低速噴射速度の特性

高速噴射の利点：

1. 射出時間を短縮し、成形サイクルを短縮します。
2. 流路長を改善し、薄肉部品に有効です。
3. 製品の表面光沢を高めます
4. 溶接線の強度を高め、目立ちにくくします。
5. 冷却による変形を防ぐ

低速噴射の利点：

1. 閃光の発生を防ぐ
2. 噴射や流れ跡を軽減します
3. 焦げ跡を防ぐ
4. 空気の閉じ込めを最小限に抑えます
5. 分子配向の変形を防ぐ

高速の利点は低速の欠点に対応し、その逆もまた然りです。したがって、噴射時に高速と低速を組み合わせることで、両方の利点を活用しつつ欠点を回避することができます。これは一般的に、 多段式射出成形技術 これは、現代の射出成形機で広く使用されています。

現在、中型および大型射出成形機のほとんどは、5～6段階の射出圧力および速度制御に加え、3～4段階の保圧制御を備えています。（保圧段階ではキャビティは既に充填されているため、保圧速度の影響は最小限です。）

噴射速度を選択するための原則

プラスチック製品は複雑な形状をしているため、スプルー、ランナー、ゲート、キャビティを通過する溶融樹脂の流れと変形は非常に複雑です。レオロジー研究とCAE解析に基づき、内部応力の低い高品質な部品を実現するには、均一で安定した溶融樹脂の流れ場を維持することが最も重要な条件であると結論付けられました。

言い換えれば、溶融前線の速度は、注入中の異なる時点で異なる断面を通過する際に一定に保たれるはずである。 線速度は一定に保たれる（V＝一定）。 。

これにより、以下のことが保証されます。

• 高い製品品質
• 沈み跡やショートショットのリスクを軽減
• キャビティ内の均一な流れ場
• 適切な分子配向
• 表面仕上げの改善

しかし、金型内の断面積と流動抵抗が変化するため、流量は $Q = V × S$ （ここでSは断面積）が変数となる。その結果、流量と噴射圧力はともに時間依存関数となる。

製品の品質と経済効率（サイクルタイムの短縮）のバランスを取るために、 多段階注入 必要である。

注入速度の合理的な配分

噴射速度は通常、5つの段階に分けられます。

1. スプルーとランナーの段階
   表面欠陥を避けることを前提として、サイクルタイムを短縮するためには高速加工が推奨されます。
2. ゲートとゲートエリア
   通常は低速で、特にPC、PMMA、ABSなどの高粘度樹脂の場合、噴射不良やゲートの白化を防ぐためである。
   低粘度材料（PP、PA、PBT）や、それほど重要でない表面積の場合は、高速回転を使用することができます。
3. 主充填段階（約70～80％）
   高速は以下の目的で使用されます。
   • サイクルタイムを短縮する
   • 粘度変動を最小限に抑える
   • 表面の光沢を向上させる
   • 変形を低減し、溶接線の強度を向上させる
4. 移行期（約85～90％）
   中速で充填することで、最終充填へのスムーズな移行を実現し、バリや厚みのムラを防ぎます。
5. 最終充填段階
   低速は以下の目的で使用されます。
   • フラッシュや焼け跡を防ぐ
   • 寸法安定性と重量安定性を向上させる
   • クランプ力要件を低減する

噴射速度曲線の設定と調整

注入速度の設定：
2つの重要な要素：

1. 噴射速度の大きさ
2. 注射位置

一般的な方法は 「ゼロ注入方式」 :

• 第2段の速度と圧力をゼロに設定する
• ネジの位置を調整し、部品の形状を確認する。
• 目標位置と比較する
• 各段階を段階的に定義する

表面品質を損なわないように、通常は低速から高速へと段階的に速度を上げていく。

噴射速度の調整：
調整は逆の順序で行われます。

• まず速度を調整してください
• 次に遷移位置を確認します。

なぜなら、速度を変えると、同じ位置での充填動作に影響が出るからである。

噴射圧力と速度の関係

噴射圧力と噴射速度は相互に関連している。

• 充填時間の短縮＋流路の長さ → 高速化 → より高い圧力が必要
• 低速 → 冷却時間が長くなる → 凍結層が厚くなる → 粘度が高くなる → より高い圧力が必要になる

そのため、射出圧力は通常やや高めに設定され、各工程における射出速度を調整することで製品の欠陥を抑制する。

欠陥の原因と解決策

ゲートでのフローマーク：

• ジェット噴射によって引き起こされる
• 解決策：ゲート角度を調整し、初期速度を下げ、その後第2段の速度を上げる。

溶接線欠陥：

• 溶融前線間の温度差とせん断によって引き起こされる
• 解決策：
  • ゲート設計の変更（例：ファンゲート）
  • 速度プロファイルの最適化（低速→高速→低速）
  • せん断力と温度差を低減する

結論

1. 射出速度を調整することで、不良品を効果的に減らし、製品の品質と経済効率を向上させることができます。
2. 射出速度曲線は、製品設計、材料の種類、およびゲートシステムに合わせて調整する必要があります。
3. 「ゼロインジェクション方式」は、速度プロファイルを設定するのに効果的です。
4. 注入速度は多くの要因に影響されるため、プロセスを十分に理解した上で調整する必要がある。