内部ストレスを理解する：原因と予防法

1.内部応力の発生

1.内部応力の発生

射出成形品では、応力状態が局所的に変化し、製品の変形パターンに大きな影響を与えます。成形応力」と呼ばれるこれらの応力は、主に冷却過程における温度勾配から発生します。

射出成形品の内部応力は、成形応力と熱応力の2種類に大別されます。

溶融ポリマーが冷却された金型キャビティに射出されると、キャビティの壁面界面で急激な凝固が起こります。この急激な冷却により、ポリマー鎖が非平衡状態で「凍結」し、熱伝導率が悪くなり、製品の厚み全体に急な温度勾配が生じる。製品のコアの凝固はより遅くなり、コアが完全に凝固する前にゲートが凝固するというシナリオがしばしば発生する。この現象は、射出成形機が冷却による収縮を補正することを妨げる。

その結果、製品内部に複雑な応力分布が生じる。内部は引張応力を受け、表面層は圧縮応力を受ける。この応力分布は、硬い表皮層の挙動に対抗する内部収縮パターンを作り出す。

充填段階での応力発生は、体積収縮効果だけに起因するものではない。ランナーシステムとゲート領域の膨張も大きく寄与する。収縮に起因する応力は溶融物の流れ方向に沿うのに対し、膨張に関連する応力は流れに垂直に作用し、ゲート出口での局所的な膨張に起因します。

2.ストレスに影響するプロセス要因

(1) 方向応力の影響

急冷条件下では、配向によってポリマー材料に内部応力が発生することがある。ポリマーメルトの粘度が高いため、内部応力はすぐに緩和されず、製品の物性や寸法安定性に影響を及ぼす。

パラメータがオリエンテーション・ストレスに及ぼす影響：

• 溶融温度：

溶融温度が高いと粘度が低くなり、せん断応力が低下するため、配向性が低下する。しかし、高温は応力緩和を促進し、配向放出を促進する。射出成形機の圧力を調整しないと、キャビティ圧力が上昇し、せん断効果が強くなり、配向応力が増加する。

• ノズルが閉じるまでの保持時間：

ノズルを閉じるまでの保持時間を長くすると、配向応力が増加する。

• 射出圧力と保持圧力：

射出圧力または保持圧力を上げると、配向応力が増加する。

• 金型温度：

高い金型温度は、製品がゆっくりと冷却されることを保証し、デオリエンテーションの役割を果たす。

• 製品の厚さ：

製品の厚みを増すと配向応力が小さくなるのは、厚肉の製品は冷却が遅いため、粘度の上昇が遅く、応力緩和過程が長くなり、その結果、配向応力が小さくなるからである。

(2) 温度ストレスへの影響

前述したように、鋳型充填時に融液と鋳型壁との間に大きな温度勾配が生じるため、外層には圧縮応力（収縮応力）が、内層には引張応力（配向応力）が生じる。

保圧の影響を受けて金型に充填される時間が長くなると、ポリマーメルトがキャビティに再充填され、キャビティ圧力が上昇し、温度ムラによる内部応力が変化する。しかし、保持時間が短くキャビティ圧力が低ければ、冷却中も製品は元の応力状態を維持する。

製品の冷却初期にキャビティ圧が不足すると、凝固収縮により製品の外層が窪む。製品が冷えた硬い層を形成した後期にキャビティ圧が不足すると、製品の内層が収縮により分離したり、空洞を形成したりする。

ゲートを閉じる前にキャビティ圧力を維持することは、製品の密度を高め、冷却温度のストレスをなくすのに役立つが、ゲート近傍に応力が集中する原因にもなる。

したがって、熱可塑性ポリマーを成形する場合、金型内の圧力を高くし、保持時間を長くすることで、温度による収縮応力を低減し、圧縮応力を増加させることができる。

3.内部応力と製品品質の関係

製品の内部応力は、その機械的特性と全体的な性能に大きく影響します。不均一な応力分布は、製品の使用中に亀裂の形成につながり、構造的完全性と寿命を損なう可能性があります。

ガラス転移温度以下で使用すると、製品に不規則な変形や反りが生じることがある。さらに、表面の "白化 "や "曇り "が生じ、光学的特性や美観が損なわれることがある。これらの現象は、加工中に材料内に閉じ込められた残留応力の現れであることが多い。

不均一な応力分布を緩和し、機械的特性の均一性を高めるために、いくつかの戦略を採用することができる：

1. ゲート温度を下げる：初期冷却速度を遅くし、より均一な応力緩和を可能にする。
2. 徐冷時間の延長制御された長時間の冷却は、部品全体の応力均一化を促進します。
3. 金型設計の最適化適切なゲート配置と冷却チャネルのレイアウトにより、応力集中を最小限に抑えることができます。

結晶性ポリマーも非晶性ポリマーも、異方的な引張強さを示すが、この特性は加工中の分子配向と密接に結びついている。引張強さと加工パラメータの関係は、ポリマーの種類とゲート配向によって異なる：

非結晶性ポリマーの場合：

• ゲートは充填方向と一致している：溶融温度が上昇すると引張強さは低下する。
• 充填方向に垂直なゲート：引張強さは溶融温度の上昇とともに増加する。

この挙動は、配向効果と脱配向効果の相互作用に起因する。溶融温度が高いほど分子の移動度が高まり、配向解除が促進され、配向による強度向上が減少する。ゲートの配向は流動パターンに影響を与え、それによって分子の配列に影響を与える。

アモルファスポリマーは通常、結晶性ポリマーに比べて強い異方性を示し、その結果、流れ方向に対して垂直方向の引張強度が高くなる。機械的異方性の程度は温度に依存する：

• 低温注入：強度比（流れに垂直／流れに平行）≒2
• 高温注入：強度比≈1.7

この温度感受性の高さは、望ましい機械的特性を達成するための精密なプロセス制御の重要性を強調している。

要約すると、溶融温度を上げると、結晶性ポリマーでも非晶性ポリマーでも一般的に引張強さが低下する。しかし、その根本的なメカニズムは異なる：

• 結晶性ポリマー結晶性と配向性の低下
• 非晶質ポリマー：分子配向の減少