プラスチック射出ブロー成形プロセス
プラスチック射出成形は、射出成形とブロー成形を融合した一体型中空製品製造技術です。高精度、高密閉性、低エネルギー消費といった利点から、医薬品、食品、化粧品などのハイエンド包装分野における中核成形方法となっています。このプロセスは、射出成形プリフォームとブロー成形を連続的に行うことで、プラスチック粒子から完成した中空容器までを一括成形し、従来のブロー成形における精度不足やバリ発生といった問題を効果的に解決します。材料技術と設備のスマート化の進歩に伴い、射出成形技術はより高い効率、高精度、そして環境に優しい技術へと発展し、ハイエンド中空製品の大量生産を支えています。
1、射出ブロー成形プロセスのコア原理と技術的利点
プラスチック射出成形プロセスの核心原理は、射出成形プリフォーム＋ブロー成形成形という2段階成形法です。この方法では、プリフォーム射出成形と中空ブロー成形を同一設備で連続的に行うことで、従来のブロー成形プロセスにおけるプリフォーム輸送時の二次汚染や精度低下を回避します。そのプロセスの本質は、プラスチック溶融体の可塑性を利用し、まず射出成形によって一定の形状と肉厚を持つ管状のビレットを形成し、次に圧縮空気の圧力を利用して熱可塑性ビレットを金型内で膨張・成形し、最終的に金型キャビティと一致する中空製品を得ることです。
プロセスフローの中核段階
射出成形技術の全プロセスは、3つの重要な段階に分かれています。射出成形段階は基礎段階です。射出成形金型では、プラスチック粒子が材料シリンダーによって加熱溶融され、スクリューによって高圧下で成形金型のキャビティに注入され、一端が閉じられ他端が開いた管状の成形品（プリフォーム）が形成されます。成形品の肉厚と寸法精度は、最終製品の品質に直接影響します。この段階では、射出成形圧力（通常50～100MPa）と温度（材料に応じて調整、例えばPPは180～220℃）の精密な制御が必要です。ブロー成形段階は成形の鍵です。プリフォームは金型とともに回転または移動し、ブロー成形ステーションに移動します。ブロー成形金型が閉じられた後、高圧圧縮空気（圧力0.5～3MPa）がプリフォームの開口部から導入され、高温のプリフォームを放射状に膨張させ、ブロー成形金型の内壁に密着させます。同時に、金型冷却システムが急速に冷却し、製品を固化・成形します。ブロー成形圧力と保持時間は製品サイズに合わせて調整する必要があり、大型容器ではより高い圧力とより長い保持時間が必要です。脱型・取り出し段階は最終段階です。ブロー成形金型が開かれた後、完成品はエジェクタ機構を介して金型から取り出され、生産サイクルが完了します。ねじ山のある製品や複雑な構造を持つ製品の場合は、変形を防ぐため、専用の脱型機構を設計する必要があります。
伝統的な職人技と比較した技術的な利点
押出ブロー成形や射出ブロー成形（2段階方式）などの従来のプロセスと比較して、射出成形には大きな利点があります。最も顕著な特徴は、高い成形精度です。プリフォームの射出成形とブロー成形は同一設備で完了し、プリフォームの二次輸送はありません。特にボトル口にネジ山がある製品の場合、サイズ誤差は±0.1mm以内に制御できます。ネジ精度はGB / T 197のレベル6精度に達し、密閉を保証します。製品の品質は安定しており、ビレットの壁厚の均一性は良好です（偏差≤5％）。ブロー成形後の製品にはバリや明らかなモールドラインがなく、表面の平滑性が高く（Ra≤0.05μm）、後続のトリミング処理が不要です。生産効率が高く、マルチステーション回転設備を使用することで連続生産を実現できます。シングルモードキャビティの生産サイクルは10〜30秒で、マルチモードキャビティ装置（8キャビティ、12キャビティなど）の生産能力は1時間あたり数千個に達します。材料利用率が高く、廃棄物は発生せず、材料利用率は95％を超え、押し出しブロー成形（約85％）よりも高くなっています。優れた密閉性能、シームレスなワンピースのボトル口、精密なねじ設計を組み合わせることで、高い気密性を実現し、液体包装の漏れ防止要件を満たすことができます。
2、コア機器と重要システム
プラスチック射出成形プロセスの実施は、専用の射出成形機とサポートシステムに依存します。設備の性能は、プロセスの安定性と製品の品質を直接左右します。コア設備は、射出成形システム、ブロー成形システム、型締システム、インデックスシステム、制御システムで構成されています。
射出成形機の構造構成
射出成形システムは、プリフォーム成形の中核であり、ホッパー、スクリュー、バレル、ノズルなどで構成されています。ホッパーは乾燥したプラスチック粒子を貯蔵し、計量装置を通して正確に供給します。スクリューは段階的な圧縮比設計（圧縮比3～5：1）を採用し、プラスチックが完全に溶融して可塑化されることを保証します。また、速度を調整（50～150r/min）して可塑化品質を制御できます。材料バレルはセクション（通常3～5セクション）ごとに加熱され、供給セクションからノズルまで温度が徐々に上昇し、プラスチックの溶融プロセスに適応します。ノズルは金型の主流路に密接に接続され、溶融漏れを防止します。ノズル口径はビレットのサイズ（通常3～8mm）に合わせて設計されます。
ブロー成形システムは製品の成形を担い、ブロー成形金型、空気圧制御システム、冷却システムで構成されています。ブロー成形金型は高強度合金材料（718H金型鋼など）で作られ、金型キャビティは鏡面研磨されており、製品の表面が滑らかになっています。不規則な形状の製品の場合、気泡を避けるために排気溝を設計する必要があります。空気圧制御システムは、精密バルブを介してブロー成形圧力と保持時間を調整し、高い圧力安定性（変動≤±0.05MPa）を必要とします。冷却システムは、金型内の循環水路を通じて急速に冷却し、成形サイクルの40％〜60％を占めます。水路は金型キャビティの表面から15〜25mm離れており、均一な冷却を確保しています。
クランプ・シフトシステムはワークステーションの切り替えを実現し、クランプシステムはロック力（製品サイズに応じて通常50～300kN）を提供し、射出成形およびブロー成形時の金型膨張を防止します。転置システム（回転式または直線式）は、ビレットを射出成形ステーションからブロー成形ステーションに搬送します。回転転置精度は±0.05mmに達し、ビレットとブロー成形金型の正確なドッキングを保証します。転置時間は1～2秒以内に制御でき、ビレットの冷却効果を低減します。
制御システムはPLC（プログラマブルロジックコントローラ）とタッチスクリーンを組み合わせ、デジタルパラメータ設定とリアルタイムモニタリングを実現します。複数のプロセスパラメータセット（異なる製品用）を保存でき、リモート診断とデータトレースをサポートします。ハイエンド設備には視覚検査システムも搭載されており、オンラインで製品欠陥を検出し、不適合品を自動的に排除します。
3、原材料特性とプロセス適応の要件
射出成形プロセスでは、原材料の溶融性能、溶融強度、冷却・成形特性に関して特定の要件が求められます。すべてのプラスチックがこのプロセスに適しているわけではなく、製品の性能要件とプロセス特性に基づいて材料の選択を総合的に判断する必要があります。
主流の適用可能な材料と特性
ポリプロピレン（PP）は、射出成形プロセスで最も一般的に使用される材料であり、射出成形製品の総量の60%以上を占めています。PPは優れた溶融流動性と適度な溶融強度、射出成形ブランクの成形性、ブロー成形時の均一な膨張、速い冷却速度、短い成形サイクル（10～20秒）を備えています。食品グレードのPPは、FDAおよびGB 4806.7規格に準拠し、無毒・無臭で、食品包装ボトル（調味料ボトル、ハチミツボトルなど）、医薬品包装ボトル（経口薬ボトルなど）に適しています。また、耐薬品性と耐熱性（連続使用温度100℃）に優れ、洗剤ボトルなどの日用化学製品にも適しています。
ポリエチレン（PE）はHDPEとLDPEに分けられます。HDPEは結晶度が高く剛性に優れているため、大容量の射出ブロー成形容器（5～20Lの薬品ボトルなど）の製造に適しており、耐衝撃性と耐薬品性にも優れています。LDPEは柔軟性に優れ、溶融強度が高いため、薄肉で小容量の製品（化粧品サンプルボトルなど）に適していますが、PPよりも冷却速度が遅く、成形サイクルがPPよりわずかに長くなります。
ポリエチレンテレフタレート（PET）は、高級透明包装に適しています。PET射出ブロー成形品の光透過率は90%以上で、表面光沢が高く、機械的強度と耐薬品性に優れています。化粧品ボトル（エッセンスボトルなど）やヘルスケア製品ボトルに広く使用されています。しかし、PETは吸湿性が強く、加工前に厳格な乾燥（水分含有量≤0.005%）が必要です。射出成形温度は270～290℃に達するため、設備の温度制御には高精度が求められます。
ポリカーボネート（PC）は、優れた透明性と強い耐衝撃性を備えているため、高強度の透明容器（医療機器ボトルや哺乳瓶など）の製造に使用されています。PC射出成形品は120℃まで連続使用できますが、コストが高く、高温劣化を防ぐために加工時に酸化防止剤を添加する必要があります。
ポリアミド（PA）などの特殊材料は耐油性容器に適しており、ポリスチレン（PS）は使い捨ての医療用サンプルボトルに使用されます。これらの材料は、その特性に応じてプロセスパラメータを調整する必要があります。例えば、PAは射出成形温度（230～260℃）が高く、冷却時間も長くなります。
材料の主要性能指標の要件
射出成形プロセスでは、材料のメルトフローレート（MFR）に対して厳しい要件があり、通常は5〜25g / 10分（190℃ / 2.16kg）に制御されます。MFRが高すぎると、ビレットの強度が不十分になり、ブロー成形中に破損しやすくなります。MFRが低すぎると、溶融流動性が悪く、射出成形されたブランクに材料不足や溶接跡が発生しやすくなります。溶融強度は、ブロー成形段階における重要な指標であり、溶融物の伸張と膨張に抵抗する能力を指します。溶融強度が不十分な場合、ブロー成形中にビレットがネッキングまたは割れる可能性があります。PPとPEの溶融強度は中程度で、射出成形に適しています。ただし、PVC溶融物は強度が低いため、射出成形プロセスで使用する前に修正する必要があります。冷却および成形速度は生産効率に影響します。結晶性プラスチック（PP、PE）は冷却速度が速く、成形サイクルが短いです。非晶質プラスチック（PC、PET）の冷却速度は遅いため、冷却システムの設計を最適化する必要があります。
4、プロセスパラメータ制御と品質最適化
射出成形プロセスにおける品質管理の核心は、主要なパラメータを正確に制御し、製品欠陥を低減し、寸法精度と性能安定性を確保することです。パラメータ設定は、製品のサイズ、材料特性、金型構造に応じて動的に調整する必要があります。
主要なプロセスパラメータを調整するための原則
射出パラメータはビレットの品質に直接影響します。射出温度は材料の融点に応じて設定する必要があります。PPバレルの温度は、通常、前部で180〜200℃、中部で200〜220℃、ノズルで210〜230℃です。温度が高すぎると材料が劣化し（PETが黄ばむなど）、温度が低すぎると可塑化が不均一になり、ビレットにコールドスポットが発生します。射出圧力はプリフォームの複雑さに合わせて調整する必要があり、小型精密プリフォーム（医薬品ボトルなど）の場合は80〜100MPa、大型粗プリフォーム（化学薬品ボトルなど）の場合は50〜70MPaです。保持圧力は射出圧力の60％〜80％にすることで、プリフォームの緻密性と気泡のなさを確保します。射出速度は、溶融物の飛散を防ぐために最初は低速で、中間セクションでは金型キャビティを急速に充填し、最後のセクションでは内部応力を軽減するためにゆっくりと圧力を維持するというように、セクションごとに制御されます。
ブロー成形パラメータは製品成形の品質を決定します。ブロー成形圧力は、製品の容積と肉厚に応じて調整する必要があります。小容量の薄肉製品（100ml化粧品ボトルなど）の場合、圧力は1.5〜2.5MPa、大容量の厚肉製品（5L化学薬品ボトルなど）の場合、圧力は2.5〜3.5MPaです。圧力が不十分だと材料不足や製品表面の陥没につながる可能性があり、圧力が高すぎるとバリが発生しやすくなります。ブロー成形時間には、膨張時間と保持時間が含まれます。膨張時間は、ビレットが金型に完全に取り付けられることを保証する必要があり（通常0.5〜2秒）、保持時間は製品が冷却されて成形されるのに十分な時間である必要があります（通常2〜5秒）。保持時間が不十分だと、製品の収縮や変形を引き起こす可能性があります。ブロー成形における遅延時間（プリフォームがブロー成形ステーションに搬送されてから膨張開始までの時間）は、プリフォームが冷えて硬くなりすぎて膨張できなくなるのを防ぐため、可能な限り短くする必要があります。通常、1～3秒以内に制御されます。
冷却パラメータは生産効率と寸法精度に影響します。金型温度は材料の結晶化特性に応じて設定する必要があります。PP金型温度は40〜60℃（結晶化を促進するため）、PET金型温度は10〜30℃（急速冷却による透明性を維持するため）です。冷却水量は均一で、金型キャビティの各部の温度差が5℃以下であることを保証します。冷却時間は成形サイクルの50％〜70％を占めます。冷却水路の数を増やすか、水温を下げる（通常15〜25℃）ことで冷却時間を短縮できますが、急速冷却によって製品に過度の内部応力が生じないようにする必要があります。
一般的な品質欠陥とその解決策
生産時によく発生する欠陥は、パラメータ調整と金型の最適化によって解決できます。ビレット破損は、射出温度が低い、または射出速度が速すぎることが原因であることが多く、バレル温度を上げるか、射出速度を下げる必要があります。製品の壁厚が不均一なのは、プリフォームの壁厚が不均一であるか、ブロー成形圧力が不均一に分布しているためであり、射出成形圧力保持パラメータを調整するか、金型の排気溝を最適化する必要があります。ボトル口が変形するのは、通常、射出成形中にボトル口が十分に冷却されないことが原因であるため、ボトル口の冷却水回路を増やすか、対応する領域の射出成形温度を下げる必要があります。製品の表面の傷は、金型キャビティ内の不純物や脱型機構の摩耗によって引き起こされる可能性があり、金型を定期的に清掃するか、脱型部品を交換する必要があります。気泡やピンホールは、原料の乾燥が不十分であるか、射出成形中に空気が巻き込まれることで発生する可能性があります。原料の乾燥を強化する（PET乾燥温度120℃、4時間など）か、スクリュー回転数を下げて空気の巻き込みを減らす必要があります。
5、応用分野と技術開発動向
高精度と高密封性という利点を持つ射出ブロー成形プロセスは、高級包装材や特殊中空製品の分野で不可欠な地位を占めています。市場需要の向上と技術革新に伴い、その応用範囲とプロセス性能は拡大し続けています。
主な用途分野と代表的な製品
医薬品包装分野は、射出成形技術の中核市場です。医薬品ボトルは、密封性、清浄性、寸法精度など、厳格な要件が求められます。カプセルボトルや錠剤ボトルなどの経口固形薬ボトルは、射出成形によりボトル口のねじ山精度が高く、ブチルゴム栓で防湿密封が可能です。点眼薬ボトルは、射出ブロー成形技術を用いて一括成形され、ボトル口に継ぎ目がないため、薬剤の汚染を防ぎます。ワクチンや試薬ボトルは医療グレードのPPまたはPCで製造され、射出ブロー成形工程によりボトル本体に気泡や不純物が含まれず、滅菌要件を満たしています。
食品包装分野では、安全性と鮮度が重視されています。射出成形技術で製造される調味料ボトル（ソースボトルや酢ボトルなど）は、食品グレードのPP素材を使用し、ボトル口の密閉性を高めて液漏れを防止します。ハチミツやジャムのボトルは、射出成形技術により透明で内壁が滑らかに仕上げられており、内容物の注ぎやすさと洗浄性に優れています。乳幼児用食品ボトルは、BPAフリーのPETまたはPP素材を使用し、射出成形によりボトル本体に無臭性を確保し、食品安全基準を満たしています。
化粧品や日用化学品の分野では、外観の質感と精度の追求が行われています。射出成形とブロー成形のプロセスで生産されるエッセンスボトルとローションボトルは透明なPETまたはアクリルで作られ、表面は高い滑らかさを実現でき、電気メッキやシルクスクリーン印刷プロセスで向上させることができます。シャンプーとシャワージェルボトルは耐薬品性HDPEで作られ、射出成形されたボトルの口のねじ山はポンプヘッドと正確に一致し、漏れを防止します。旅行用サンプルボトルは、マルチキャビティ射出成形とブロー成形装置で大量生産されており、寸法の一貫性が高く、梱包と組み立てが簡単です。
工業・化学分野では耐腐食性と強度を重視しています。射出ブロー成形で製造される化学試薬ボトルは、酸・アルカリ腐食に強いHDPEまたはPP製で、ボトル口のねじシールも信頼性があります。潤滑油ボトルやインクボトルは、射出ブロー成形技術により優れた剛性と耐衝撃性を実現し、輸送中の破損を防止します。小型液体貯蔵タンクは強化PP製で、射出成形後も一定の内圧に耐えることができ、工業用液体貯蔵に適しています。
技術開発の動向とイノベーションの方向性
インテリジェント化は、射出成形技術の重要な発展方向です。本設備にはAI視覚検査システムが統合されており、高速カメラを通して製品の欠陥（傷、変形、黒点など）をリアルタイムで検出し、その精度は99.5%以上です。適応制御システムは、原材料の変動や環境変化に基づいて、センサーによるビレット温度の検知、ブロー成形圧力の動的最適化、手動介入の削減など、プロセスパラメータを自動調整します。インダストリアルインターネット技術は、マルチデバイスのデータネットワーク化、生産効率、エネルギー消費量、廃棄率の遠隔監視、管理精度の向上を実現します。
グリーン生産は業界のコンセンサスとなり、射出成形技術はリサイクル材料の応用を推進しています。物理的リサイクルによって得られたリサイクルPPとPEは、食品に接触しない製品（工業用ボトルなど）に使用できます。一方、化学的にリサイクルされたPETリサイクル材料は、原材料に近い特性を持ち、化粧品ボトルの製造に使用されています。軽量設計により、構造の最適化（ボトルの波形化や薄肉化など）により強度を確保しながら材料の消費量を削減します。あるブランドの500mlウォーターボトルが射出ブロー成形技術によって軽量化された後、ボトル1本あたりの重量が15％減少し、年間100トン以上の原材料を節約しました。省エネ設備はサーボモーターとヒートポンプ技術を採用しており、従来の設備に比べてエネルギー消費量を20％～30％削減します。
精密さと多機能の融合により、応用範囲が広がります。マイクロインジェクションブロー成形技術は、容積10ml以下のマイクロ容器（香水サンプルボトルなど）の製造を可能にし、寸法公差は±0.05mm以内に制御されています。2色インジェクションブロー成形プロセスは、ボトル本体の多色または多材質複合（PPとPEの複合など）を実現し、外観と機能性を向上させます。インモールドラベリングとブロー成形の統合技術は、ブロー成形段階でラベルをボトル本体に同期して接着するため、後続の加工工程が削減され、生産効率が向上します。
6、射出成形プロセスと他の中空成形プロセスの比較
射出ブロー成形プロセスは、押出ブロー成形、ストレッチブロー成形などの他のプロセスと比較して独自の利点があり、さまざまなシナリオに適しています。選択する際には、製品要件、生産量、コストを総合的に考慮する必要があります。
押出ブロー成形プロセスとの比較
押し出しブロー成形は、押出機を用いて管状のビレットを連続的に押し出し、成形後ブロー成形する。大型中空製品（50L以上の貯蔵タンクなど）の製造に適しているが、ビレットの寸法精度が低く、製品成形ラインが密閉されている。
