多段階射出成形の理論-
注射中溶融プラスチックを金型キャビティに注入すると、溶融物は複雑な熱力学および流体力学的な力を受けます。図に示すように、4 つの異なる射出速度でのメルト フロー特性が示されています。図 (a) は、高速射出成形中に発生する蛇行パターンまたは「ジェッティング」現象を示しています。図(b)は、中程度の高い射出速度における流動状態を示しています。ここでは、ゲートでの「噴射」現象が減少し、本質的に「拡散流動」状態に近づいています。図(c)は、中低速の射出速度での流動状態を示しています。この場合、溶融物は一般に「噴射」現象を生じず、溶融物は低速で安定した「拡散流」で金型を充填できます。-図 (d) は低速射出成形を示しています。充填速度が遅すぎるため、金型への充填が困難になったり、失敗したりする可能性があります。
通常、伸長流モデルに基づくポリマー溶融体の伸長流も 3 つの段階で進行します。初期段階では、メルト フロントがゲートを通過する際に放射状の流れを示します。中間段階では、射出圧力の作用によりメルト フロントが円弧状になります。-そして、粘弾性溶融物が先端として機能する均一な流れの最終段階です。
初期段階における溶湯の流動特性は、ゲートから流出する溶湯が射出圧力と射出速度の作用により一定の運動エネルギーを持っていることです。この運動エネルギーの大きさ (この時点では、運動エネルギーは金型キャビティに入ったばかりで、流動抵抗の影響を受けません) は、半径方向の流動特性とメルト フロントの拡散量に影響を与えます。この力が特に強い場合、「ジェッティング」現象が発生することがあります。この力の運動エネルギーが適切であれば、溶融物はソースから全方向に均一に流れ、その結果、より良い拡散状態が得られます。
初期段階が進むにつれて、溶融物は急速に広がり、金型キャビティ壁と接触すると 2 つの現象が発生します。a) 金型キャビティ壁によって及ぼされる力により流れの方向が変更されます。 b) 金型キャビティ壁の冷却効果と摩擦効果により流動抵抗が発生し、その結果、異なる点での溶融物の流れに速度差が生じます。この流動特性は、溶融物の異なる点での不均一な流速として現れ、溶融物の中心部での流速が最も高く、先端材料の流れは円弧形状を示します。同時に、各点の流れによって不均等な抗力と拘束が生じ、流れの距離が増加するにつれて流れの抵抗が増加する傾向があります。
第 3 段階では、粘弾性溶融物がフロー フロントとして機能し、溶融材料が金型キャビティに急速に流れ込みます。射出成形の第 2 段階と第 3 段階では、射出圧力と射出速度によって生成される運動エネルギーが金型の充填特性に影響を与える主な要因となります。図は膨張の流れの過程と速度分布を示しています。射出成形部品にはさまざまな形状がありますが、図では 1 つのモデルのみを示しています。流動特性、金型充填プロセス中のエネルギー損失、および製品の形状は密接に関係しており、プラスチックが異なれば流動特性も異なります。
1. 低温金型-。 2. 冷えて固まったプラスチックの層-。 3. 溶融物の流れ方向。 4. 低温金型における速度分布。-
金型キャビティ内の溶融材料の理想的な流動状態
上で述べたように、均一な膨張流の特性とゲートからのプラスチック溶融物の流動の初期段階は、「噴射」または噴射特性に類似した現象を示すべきではありません。これには、溶融物がゲートへの流れの初期段階で過度に高い運動エネルギーを持たないことが必要です (過度の運動エネルギーは、噴射や蛇行パターンを引き起こす可能性があります)。金型充填の中間段階では、膨張する流れは流れ抵抗を克服して均一な膨張状態を達成するのに十分な運動エネルギーを持っている必要があります。金型充填の最終段階では、粘弾性溶融物を金型に迅速に充填し、流動距離の増加に伴う流動抵抗の増大を克服して、所定の均一で安定した流量を達成する必要があります。レオロジー原理に基づいて、この理想的な流動状態により、優れた物理的および機械的特性を備えた射出成形品が得られます。-製品の内部応力と配向が除去され、ヒケや表面の流動線が除去され、製品の表面光沢の均一性が向上します。
多段階の注入プロセスの実装-
多段階射出成形では基本的に、プラスチック溶融物が金型キャビティに充填される瞬間にさまざまな射出速度を制御し、充填プロセス中にプラスチック溶融物を理想に近い状態に近づけることができます。-この理想的な充填プロセスでは、プラスチック製品に品質欠陥が生じず、応力や配向力も発生しません。一般に、射出成形プロセスは数秒から数十秒以内に完了します。多段階の射出成形プロセスでは、充填プロセスを、この短い時間枠内で射出速度を変えることによって制御される異なる充填状態の連続シーケンスに変換する必要があります。
実際の多段階射出プロセスの 5 つの段階要件に従って、さまざまな射出量が実装され、溶融物の運動エネルギーは射出成形機によって提供される必要があります。-現在の射出成形機は、図に示すように、セグメント化された射出制御、さらにはマルチセグメントの射出制御をすでに実現できています。-
上の図に示すように、各セグメントが異なる噴射量を持つ 5 つのセグメント噴射制御を実現できます。-ストロークによって制御される噴射量は次のとおりです。
- ここでΩ自然対数は注入量です。
- Lnは射出ストロークです。
- D は射出成形機のスクリューの直径です。
- p はプラスチックの密度です。
したがって、この段階で溶融材料の所望の運動エネルギーを達成するために、各セグメントで異なる射出速度と圧力を使用できます。各セグメントは、金型キャビティ内の特定のゾーン (n- ゾーン) に対応します。流れの運動エネルギーはゲート システムの影響により変化しますが、体積流量の変動は最小限に抑える必要があります。
実際の生産では、多段射出を実現する射出成形機の射出速度を多段階に制御します。{0}通常、図に示すように、射出プロセスは 3 つまたは 4 つのゾーンに分割でき、各ゾーンに独自の適切な射出速度を設定して、多段階の射出成形を実現できます。-現在、一部の射出成形機には、多段階の予備可塑化機能と多段階の保圧機能も備えています。-
多段階の射出成形プロセス曲線-
多段階の射出成形では、金型充填中の溶融材料の状態が記述されますが、その制御は射出成形機によって実装されます。射出成形機の制御原理から見ると、射出速度（射出圧力）とスクリューの送りストロークとの関係が利用できます。この図は、多段階の射出成形プロセスの一般的な曲線を示しています。ここでは、射出プロセス中にさまざまな射出圧力と射出速度がさまざまな量の材料に適用されます。
1 ～ 5 - 5 個の異なる射出速度
多段階射出成形の利点-
射出成形では、高速射出と低速射出にはそれぞれ長所と短所があります。{0}{1}経験によれば、高速射出には一般に次の利点があります。射出時間の短縮。流動距離の増加。製品の表面仕上げが改善されました。ウェルドラインの強度の増加。冷却変形を防止します。一方、低速射出には一般に次の利点があります。バリを効果的に防止します。フローマークの防止。カビの通気の問題を防止します。空気の閉じ込めの防止。分子配向の変形を防止します。
多段階射出成形では、高速射出と低速射出の利点を組み合わせて、ますます複雑になるプラスチック製品の形状や金型ランナーとキャビティの断面の大幅な変化の要件を満たします。{{3}また、成形プロセス中の射出痕、収縮、気泡、ウェルドライン、焼け跡などの欠陥を効果的に除去できます。
多段階射出成形プロセスは、従来の射出および保圧方法を打ち破り、高速射出プロセスと低速射出プロセスの利点を有機的に組み合わせています。-射出プロセス中に多段階制御を実装することで、射出成形部品の多くの欠陥を克服できます。たとえば、図は、射出プロセスの開始時に低速射出を使用し、金型キャビティの充填中に高速射出を使用し、その後、充填の終了近くで再び低速射出を使用する方法を示しています。{{8}射出速度の制御・調整により、バリ、射出痕、シルバーストリーク、焼け等の様々な現象を防止、改善することができます。
a-d: 4 つの異なる射出速度
実際の経験から、射出成形機の油圧、射出速度、スクリュー位置、スクリュー速度をマルチレベルのプログラム制御で制御すると、収縮、反り、バリなどの射出成形品の外観欠陥を大幅に改善できることがわかっています。{0}{1}