プラスチックボトルの射出成形プロセス

射出成形プロセス：熱可塑性成形のコア技術

射出成形プロセスは、熱可塑性材料を金型を通して様々な製品に加工する効率的な成形技術です。高度な自動化、迅速な生産効率、高い製品精度といった利点から、現代のプラスチック加工において最も広く使用されているプロセスの一つとなっています。日用品のプラスチック製食器や携帯電話ケースから、精密自動車部品や医療機器に至るまで、高い適応性と柔軟性を備えた射出成形技術は、多くの産業における製品製造を支え、材料科学と工業生産においてかけがえのない地位を占めています。

1、プロセスの原則とコア要素

射出成形プロセスの核心原理は、溶融→流動→成形→凝固という循環プロセスです。固体プラスチック粒子が加熱・溶融されて流動する溶融体となり、加圧下で密閉された金型キャビティ内に射出されます。キャビティ内で冷却・凝固した後、溶融体は金型キャビティの形状に一致する製品を形成します。このプロセスは、原材料、射出成形装置、金型という3つのコア要素の相乗効果によって実現されます。

原材料特性の要件

射出成形プロセスでは、原材料（熱可塑性プラスチック）の性能に特定の要件があり、成形品質と効率に直接影響します。メルトフローレート（メーカー）は、プラスチック溶融体の流動性を反映する重要な指標です。MFRが高すぎると、製品の収縮が大きく、サイズが不安定になる可能性があります。一方、MFRが低すぎると流動性が低下し、材料不足や充填不足などの問題が発生する可能性があります。製品の複雑さに応じて適切なMFRプラスチックを選択する必要があります。例えば、精密部品には高流動性のPPやABS、構造部品には高強度のPCやPAを選択します。

プラスチックの熱安定性も同様に重要です。プラスチックは、材料バレルの加熱温度（通常150～350℃）に耐え、劣化しない必要があります。そうでないと、製品の変色や機械的特性の低下を引き起こします。そのため、加工前にプラスチックの熱分解温度を確認する必要があります。例えば、PVCは分解を防ぐために熱安定剤を添加する必要があります。また、プラスチックの収縮率（成形後の冷却収縮率）は、金型設計と一致させる必要があります。プラスチックによって収縮率に大きな違いがあり（PEの収縮率は1.5％～3％、PCの収縮率は0.5％～0.7％など）、製品の寸法精度を確保するために、金型は収縮余裕を確保する必要があります。

一般的な射出成形プラスチックには、一般プラスチック (PP、体育、ABS、追伸)、エンジニアリングプラスチック (パソコン、PA、ポム、PBT)、特殊プラスチック (ピーク、PI) があり、強度、耐熱性、耐薬品性の要件が異なるシナリオに適しています。

射出成形装置の構成

射出成形機は射出成形プロセスの中核設備であり、射出システム、型締システム、油圧伝達システム、電気制御システムの4つの部分で構成されています。射出システムは、プラスチックの溶融と射出を担い、ホッパー、バレル、スクリュー、ノズルで構成されています。ホッパーはプラスチック粒子を貯蔵し、重力によってバレルに落下させます。材料シリンダーの外側に加熱リングを巻き付け、プラスチックを溶融状態まで加熱します。スクリューは回転と軸方向の動きによってプラスチックの輸送、圧縮、可塑化（溶融混合）を行い、可塑化された溶融物はノズルから金型内に射出されます。

金型クランプシステムは、固定テンプレート、移動テンプレート、プルロッド、クランプシリンダーで構成され、金型の開閉とロックを実現します。金型が引き伸ばされて射出成形中にバリが発生するのを防ぐため、クランプ力は射出圧力と製品の投影面積に適合させる必要があります。クランプ力の計算式は、クランプ力（キロニュートン）＝製品の投影面積（cm²）×射出圧力（MPa）×安全係数（1.2～1.5）です。

油圧トランスミッションシステムは、射出成形と型締めに動力を供給し、各部品の移動速度と圧力を制御します。電気制御システム（PLC+タッチスクリーン）は、プロセスパラメータ（温度、圧力、時間）を正確に制御し、自動化生産を実現します。ハイエンド射出成形機にはサーボモーターも搭載されており、30%以上の省エネを実現しています。

金型設計のポイント

金型は製品の形状と品質を決定する鍵であり、キャビティ、コア、注湯システム、冷却システム、および排出システムで構成されています。キャビティとコアによって形成された製品の外面と内面は、主に金型鋼（P20、718Hなど）で作られており、表面の滑らかさと耐摩耗性を確保するために、焼入れと研磨が必要です。

注入システムは、ノズルから溶融材料を金型キャビティに導入するシステムであり、主流路、分流流路、およびスプルーから構成されています。主流路はノズルと分流流路を接続し、容易に型から外れるのを防ぐため、テーパー（2°～5°）を設計する必要があります。分流流路は溶融材料を複数のキャビティに分配します。スプルーは、溶融材料が金型キャビティに流入する最終流路であり、サイズが小さい（通常0.5～2mm）ため、溶融材料を切断して製品を分離するのに便利です。一般的なスプルーの種類には、サイドスプルー、ポイントスプルー、隠しスプルーなどがあり、製品の形状に応じて選択する必要があります。

冷却システムは循環水を通して溶融金属の熱を奪い、製品の凝固を促進します。均一な冷却を確保するため、冷却水路は金型キャビティ表面から15～25mm離して設置する必要があります。冷却時間は成形サイクルの50～70%を占め、生産効率に直接影響します。エジェクタシステム（エジェクタピン、トッププレート、エジェクタチューブ）は、冷却後に製品を金型から押し出すことで、変形や傷を防ぎます。

2、プロセスフローと主要パラメータ

射出成形プロセスは連続サイクルであり、各リンクのパラメータ制御は製品の品質に直接影響します。プロセス全体は、原材料の準備、射出成形、後処理の3つの段階で構成されています。

原材料準備段階

原材料は前処理と乾燥が必要です。前処理には、原料の均一性を確保するためのふるい分け（不純物の除去）と混合（カラーマスターバッチと添加剤を適切な量で加える）が含まれます。乾燥は吸湿性プラスチック（PA、パソコン、PBTなど）を対象としています。これらのプラスチックは空気中の水分を吸収しやすく、溶融時に気泡や銀線などの欠陥が発生する可能性があります。乾燥機（熱風乾燥または除湿乾燥）を使用して水分含有量を0.02％～0.05％以下に下げる必要があります。乾燥パラメータはプラスチックによって異なります（PCの乾燥温度は120℃で4～6時間、PA6の乾燥温度は80～90℃で4時間など）。

射出成形段階

これはプロセスの核心であり、可塑化、射出、保圧、冷却、金型開閉と取り出しの5つのステップで構成されています。可塑化：スクリューの回転によりプラスチック粒子が前方に搬送され、バレルの加熱とスクリューのせん断によって溶融し、均一な溶融物を形成します。可塑化の品質は、バレル温度、スクリュー回転速度、および背圧（スクリュー回転時の背圧）に依存します。背圧が高すぎると可塑化時間が長くなり、低すぎると可塑化が不均一になります。

射出：スクリューが高速で前進し、溶融金属を金型キャビティ内に高圧・高速で射出します。射出圧力は通常50～150MPa、射出速度は30～150mm/sです。製品の厚みや複雑さに応じて調整する必要があります。薄肉製品の場合は高圧・高速（溶融金属の冷却を抑えるため）が、厚肉製品の場合は低圧・低速（オーバーフローを防ぐため）が求められます。

保圧：溶融樹脂が金型キャビティに充填された後、スクリューは一定の圧力を維持し、キャビティ内に材料を補充することで、溶融樹脂の冷却収縮を補償します。保圧は通常、射出圧力の60%～80%で、保圧時間は製品の厚さに応じて決定されます（肉厚の厚い製品の場合は、保圧時間を長くする必要があります）。保圧が不十分な場合、製品にへこみが生じたり、サイズが小さくなったりする可能性があります。

冷却：保圧完了後、金型冷却システムが製品温度を熱変形温度以下に下げ、凝固・成形を促します。冷却時間の計算式は、冷却時間（秒）＝（製品の最大肉厚（んん））²×材料係数です。材料係数は、PE係数0.8、PC係数1.2など、材料によって異なります。

型開きと排出：冷却が完了すると、型閉じシステムが可動テンプレートを後退させて型開きを駆動します。排出システムは、製品の変形や白化を防ぐために、製品を金型からゆっくりと均一な速度で排出します。

後処理段階

一部の製品では、性能向上のために後処理が必要です。バリを除去してスプルーとパーティング面から余分な材料を取り除きます。アニーリング処理（PC製品を120℃のオーブンで2時間保持するなど）は、内部応力を除去して製品の割れを防止します。表面処理（スプレー塗装、電気メッキ、シルクスクリーン印刷）は、外観と機能性を高めます。食品グレードの製品の場合、油汚れや不純物を取り除くために洗浄と消毒が必要です。

3、品質管理とよくある問題

射出成形製品の品質は、外観、寸法、機械的特性という3つの側面から管理する必要があります。一般的な欠陥は、製造中のパラメータの最適化によって解決する必要があります。

品質検査指標

外観品質要件には、バリ、材料の欠落、気泡、銀線、収縮マーク、傷などの欠陥がないことが含まれます。これらは、目視または自動目視検査（精度0.01mm）で達成できます。寸法精度は図面許容差（±0.1mmなど）に準拠する必要があり、主要な寸法は座標測定器またはノギスを使用して測定する必要があります。機械的特性（引張強度、衝撃強度）は使用要件を満たす必要があり、原材料と完成品のサンプリングとテストを通じて性能基準が確保されます。

よくある欠陥と解決策

生産時の欠陥は、多くの場合、パラメータまたは金型の問題によって引き起こされ、それに応じて調整できます。バリ（製品の端にある余分な材料）は、型締め力が不十分であるか、射出圧力が高いため、増減する必要があります。溶融樹脂の流動性が悪いか、射出量が不十分なために材料が不足している（キャビティが充填されていない）場合は、材料シリンダーの温度を上げたり、射出圧力を上げたり、保持時間を長くしたりする必要があります。原材料の乾燥が不十分であるか、溶融樹脂に空気が含まれているため、気泡をさらに乾燥させるか、スクリュー速度を下げて（空気の巻き込みを減らすため）する必要があります。収縮マーク（表面の窪み）は、圧力が不十分であるか、冷却が不均一であるため、保持圧力を上げるか、冷却水路を最適化する必要があります。反り変形は、過度の内部応力によって引き起こされるため、金型の温度勾配を減らすか、ゲート位置を調整して溶融樹脂の均一な流れを確保する必要があります。

4、応用分野と開発動向

射出成形プロセスは、高効率と高精度の利点を備えており、さまざまな業界で広く使用されており、技術の進歩とともにインテリジェント化とグリーン化に向かっています。

主な応用分野

包装業界は、射出成形技術の最大の市場であり、ボトルキャップ、容器、ターンオーバーボックスなどを生産しています。たとえば、ミネラルウォーターのボトルキャップは、ねじ山成形によって密閉を確保するためにPP射出成形を使用しています。自動車業界では、射出成形を使用して内装部品（ダッシュボード、ドアパネル）、外装部品（バンパー）、機能部品（コネクタ）を製造し、エンジニアリングプラスチック（パソコン / ABSアロイ）を使用して金属を置き換えて軽量化しています。家電業界では、シェル（冷蔵庫の引き出し、洗濯機のインナーチューブ）と構造部品（ギア、ブラケット）を製造しており、ABSは着色しやすく強度が適度なため主流の材料になりつつあります。医療業界では、医療グレードのプラスチック（パソコン、PP）の射出成形を使用して、注射器、輸液セットのケース、医療機器部品を製造しており、クリーンな金型と無毒の原材料が必要です。 3C業界は、携帯電話の筐体、キーボード、コネクタなどの精密部品を生産しており、±0.02mmの寸法公差と高精度の射出成形機と金型が求められます。

技術開発の動向

インテリジェント化を核心とし、射出成形機にはセンサー（圧力、温度、変位）とAIアルゴリズムが搭載され、溶融状態と製品品質をリアルタイムで監視します。適応制御によりパラメータを自動調整し、手動介入を削減することで、不良率を0.5%以下に低減します。インダストリアルインターネットは、設備のネットワーク化、生産データとエネルギー消費の遠隔監視を可能にし、管理効率を向上させます。

グリーニングは省エネ、消費削減、循環利用に重点を置いており、サーボモーター射出成形機の普及率は80％を超え、エネルギー消費は30％削減されています。リサイクルプラスチックの射出成形技術は成熟しており、洗浄と改質により、リサイクルPPとABSは食品と接触しない製品に使用できます。バイオベースプラスチック（人民解放軍、PBAT）の射出成形の用途が拡大しており、化石資源への依存が低減しています。

精密特殊成形技術の進歩により、マイクロ射出成形では、重量が 0.1g 未満のマイクロ製品 (医療用マイクロ部品など) を ± 0.001mm の精度で製造できます。ガスアシスト射出成形では、窒素を注入して厚肉製品を中空にし、収縮マークと重量を削減します。2 色/多色射出成形では、複数の材料または複数の色の製品を一度に成形し、外観と機能の統合を強化します。

プラスチック加工の中核技術である射出成形プロセスは、その開発プロセスにおいて、材料、設備、金型の協働によるイノベーションを反映しています。日用品からハイエンドの工業部品に至るまで、射出成形技術はその効率性と柔軟性によって現代製造業の発展を支えています。インテリジェント化とグリーン化の進展に伴い、射出成形プロセスは精密生産と資源保全においてより大きな役割を果たし、製造業の高品質化を推進します。