射出成形で作られた製品の残留ストレスの分析

射出成形で作られた製品の内部応力の生成

射出成形で作られた製品では、局所的な応力状態はさまざまな部分で異なり、製品の変形の程度は応力の分布に依存します。 冷却中に温度勾配があると、この種の応力が発生するため、この種の応力は「形成応力」とも呼ばれます。

射出成形で作られた製品の内部応力には、2つのタイプがあります。1つは応力を形成し、もう1つは温度応力です。

溶融物がより冷たい金型に入ると、金型キャビティ壁近くの溶融物が急速に固化し、分子鎖セグメントを凍結します。 固化したポリマー層の熱伝導率が低いため、製品の厚さ方向に大きな温度勾配が形成されます。 製品の中心は非常にゆっくりと固化するため、ゲートを閉じても、製品の中心にある溶融ユニットは固化していません。そして射出成形機は冷却収縮を補充することができません。 したがって、射出成形された製品の内部収縮は、硬い肌の効果とは逆です。中心が静的に伸びている間、表面は静的に圧縮されています。

溶融物の充填および流れ中の体積収縮効果によって引き起こされる応力に加えて、ランナーおよびゲート出口の膨張効果によって引き起こされる応力もある。 前者の効果は溶融物の流れ方向に関連する応力を引き起こし、後者は出口の膨張により流れ方向に垂直な応力を引き起こす。

射出成形で作られた製品の配向応力に影響を与えるプロセス要因

急速冷却の条件下では、配向応力の影響がポリマーの内部応力の形成を引き起こす可能性があります。 ポリマー溶融物の粘度が高いため、内部応力は急速に緩和することができず、これは製品の物理的特性およびサイズ安定性に影響を及ぼす。

配向応力に対するさまざまなパラメータの影響

• 溶融温度: 溶融温度が高いと粘度が低くなり、せん断応力が減少すると配向度が低下します。 一方、高い溶融温度は、応力緩和をより速くし、配向を緩和する能力を促進することができる。しかし、射出成形機の圧力が変化しない場合、キャビティ圧力が増加し、強いせん断力が配向応力の増加を引き起こす。

• ノズルが閉じられる前に保持圧力時間を遅らせることは、配向応力を増加させる。
  

• 射出圧力または保持圧力を増加させると、配向応力が増加する。
  

• 金型温度が高いと、射出成形品の冷却が遅くなり、配向応力の緩和に役割を果たします。
  

• 厚い壁の製品がゆっくりと冷え、粘度がゆっくりと増加し、応力の緩和プロセスが長いため、製品の厚さを増やして配向応力を減らします。したがって、配向応力は小さい。
  

温度ストレスへの影響

前述のように、充填中の溶融物と金型壁の間の温度勾配が大きいため、固化した溶融物の外層が内層の収縮をブロックし、その結果、外層に圧縮応力 (収縮応力) が発生し、内層に引張応力 (配向応力) が発生します。

充填後に金型キャビティ圧力が長期間保持されると、ポリマー溶融物が金型キャビティを補充し、金型キャビティ圧力を増加させ、温度不均一によって引き起こされる内部応力を変化させる。 しかし、保持時間が短く、空洞圧力が低い場合、射出成形品の内部応力は冷却中と同じままである。

製品の初期冷却中に金型キャビティ圧力が不十分な場合、製品の外層は固化と収縮のためにくぼみを形成します。一方、製品の冷たくて硬い層が形成された後、金型キャビティの圧力が不十分な場合は、 製品の内層は収縮のために分離するか、ボイドを形成します。 ゲートを閉じる前に金型キャビティ圧力を維持すると、製品密度を向上させ、冷却温度応力を排除することが有益ですが、ゲート付近の応力集中が大きくなります。

したがって、金型キャビティ圧力が高く、保持時間が長いほど、温度による収縮応力を低減することがより有益であり、逆に圧縮応力が増加する。

内部応力と射出成形で作られた製品の品質との関係

製品内の内部応力の存在は、射出成形品の機械的特性および性能に深刻な影響を及ぼします。製品内の内部応力の不均一な分布のために、使用中に亀裂が発生します。 ガラス転移温度以下で使用すると、不規則な変形や反りが発生し、製品表面が「白く」なり、曇り、光学特性が低下する場合があります。

ゲートの温度を下げ、冷却時間を増やす努力は、製品の不均一な応力を改善し、製品の機械的特性を均一にするのに有益です。

結晶性ポリマーであろうとアモルファスポリマーであろうと、引張強度は異方性特性を示します。 アモルファスポリマーの引張強度は、ゲートの位置によって異なります。ゲートが充填方向に合わせられると、溶融温度の上昇とともに引張強度が低下します。ゲートが充填方向に垂直であるとき、引張強度は溶融温度の増加と共に増加する。

溶融温度の上昇は配向応力の緩和を強化し、配向応力の弱化は引張強度を低下させるため、配向は流れ方向を通るゲートの配向によって影響を受ける可能性があります。アモルファスポリマーの異方性は結晶性ポリマーの異方性よりも重要であるため、 流れに垂直な方向の引張強度は、結晶性ポリマーよりもアモルファスポリマーの方が大きくなります。 低温射出成形は、高温射出成形よりも機械的異方性が高い。 注入温度が高い場合、流れ方向に対する垂直方向の強度比は1.7であり、注入温度が低い場合、比は2である。

したがって、溶融温度の上昇は、結晶性ポリマーとアモルファスポリマーの両方の引張強度の低下を引き起こしますが、メカニズムは異なります。 前者は、引張強度を低下させる配向の影響によるものです。