射出成形の収縮は、成形プラスチック部品の寸法精度を達成する上で最も重要な変数です。すべての熱可塑性材料は、キャビティ内の溶融状態から室温で固体部品に移行するときに収縮します。問題は、収縮が発生するかどうかではなく、どの方向にどの程度、どの程度予測どおりに収縮を金型設計で補正できるかです。収縮を理解し、制御することは、初めてのツーリングを成功させ、公差の厳しい部品を製造し、鋼材を切断した後のコストのかかる金型修正を排除するための基礎となります。
このガイドでは、収縮の物理学、計算方法、一般的な樹脂の材料固有の比率、線形収縮と体積収縮の重要な区別、冷却の役割、金型設計の補正戦略、寸法精度に対する下流の影響について説明します。
射出成形収縮率 成形プラスチック部品が金型から出た瞬間から室温で最終的に安定した状態になるまでに生じる寸法の減少です。これは、金型キャビティの寸法と対応する部品の寸法の差を金型キャビティの寸法で割った比率 (通常はミリメートル/ミリメートル (mm/mm)、または同等のパーセンテージ) として表されます。
収縮 arises from three overlapping physical mechanisms:
間の区別 成形収縮 （キャビティの圧力から突き出しまで、閉じた金型内で発生）および 成形後の収縮 (突き出し後の時間の経過とともに発生する) は実際上重要です。成形後の収縮は長期間続く可能性があります。 24～96時間 半結晶材料の場合は排出後、寸法検査のタイミングと公差の定義で考慮する必要があります。
標準 収縮計算 金型設計に使用される公式は次のとおりです。
S = (L 金型 − 大 部分 )/L 金型
どこで S は収縮率 (mm/mm または小数で表される)、 L 金型 はキャビティの寸法であり、 L 部分 は、標準条件 (通常、ISO 294-4 に従って、取り出し後 24 時間、23°C) で測定された部品の寸法です。
ターゲット部品の寸法から必要な金型キャビティの寸法を計算するには:
L 金型 =L 部分 / (1 − S)
作業例: PP パーツの仕上がり長さは 100.00 mm 必要です。材料データシートには、収縮率 1.5% (S = 0.015) が記載されています。キャビティの寸法は次のようにカットする必要があります。
L 金型 = 100.00 / (1 − 0.015) = 100.00 / 0.985 = 101.52mm
実際には、収縮は異方性です。 流れの方向 対 横方向 特にガラス繊維強化グレードや肉厚のばらつきが大きい部品で顕著です。したがって、厳密な金型設計では、方向別に区別された収縮値が適用されます。この値は、通常、データシートの平均値のみからではなく、金型フロー シミュレーション ソフトウェア (Mold流れ、Moldex3D、または同等のもの) から導出されます。
実効収縮値を公称データシートの数値から変化させる主な変数は次のとおりです。
収縮 can be expressed in two fundamentally different ways, and the distinction matters for both measurement practice and mold compensation strategy.
線形収縮 (ASTM D955 または ISO 294-4 では成形収縮とも呼ばれます) は、単一軸 (通常は標準化されたテストバーの流れ方向または横方向) に沿った寸法変化を測定します。これは材料データシートで公開され、キャビティ寸法の計算に直接使用される数値です。一般的な熱可塑性プラスチックの線収縮値の範囲は次のとおりです。 0.1% (PMMA、PC) オーバーする 3.0% (未充填 HDPE、POM) .
体積収縮 3 次元すべての収縮を同時に組み込んだ、溶融状態から固体状態への部品の体積の総減少を表します。これは、正確ではありませんが、等方性材料の線形収縮値の約 3 倍です。異方性材料 (ガラス充填、配向、または高度にゲートされた部品) の場合、流れ方向の収縮が横方向の収縮と 1 倍異なる可能性があるため、関係はより複雑になります。 2～4× .
体積収縮は、射出成形シミュレーション ソフトウェアによって予測される量であり、次のリスクを評価するために使用されます。 ヒケとボイド — どちらも、冷却中の体積減少を補うために十分な材料がコアに詰め込まれる前に、表面が固化するときに発生します。体積収縮差が次の値よりも大きい 6～8% 厚い部分の表面皮とコアの間の距離は、目に見える陥没や内部空隙の信頼できる予測因子となります。
ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) は非晶質熱可塑性プラスチックであり、半結晶性樹脂の高収縮を引き起こす結晶化メカニズムが欠けていることを意味します。の ABS収縮率 対応して低く、予測可能であり、通常は次の範囲にあります。 0.4～0.8% (0.004 ～ 0.008 mm/mm) 未充填グレードの場合。
ABS の収縮挙動の主な特徴:
ABS は一貫した低い収縮率を備えているため、大量生産における寸法再現性が不可欠な、公差の厳しい美観部品 (家電製品のハウジング、自動車の内装トリム、医療機器の筐体など) に適した材料となっています。
ポリプロピレン (PP) は半結晶性ポリマーであり、その収縮挙動は寸法変化に対する結晶化の強い影響を反映しています。の PP収縮率 未充填ホモポリマーのグレード範囲は以下のとおりです。 1.5～2.5% ABS の約 3 ～ 5 倍であり、一般的に使用されている汎用樹脂の中で最も収縮率が高いものの 1 つです。
PP 収縮管理における重要な要素:
ナイロン (ポリアミド) は、その寸法挙動が成形中の結晶化だけでなく、次のような影響を受けるため、独特で複雑な収縮プロファイルを示します。 排出後の吸湿 — 収縮を部分的に相殺する現象であり、湿気の多い環境や浸漬された環境で動作するナイロン部品の公差仕様に考慮する必要があります。
の ナイロンの収縮率 最も一般的なグレードの値は次のとおりです。
の moisture absorption effect is significant: dry-as-molded (DAM) PA6 absorbs up to 水分2.5～3.5重量％ 湿潤条件下では平衡状態にあり、寸法膨張を引き起こします。 0.5～0.9% 成形収縮を部分的に回復します。精密にフィットするナイロン部品を設計するエンジニアは、公差が DAM 条件、50% RH 平衡 (ISO 標準大気)、または完全飽和のいずれに適用されるかを定義する必要があり、それに応じて金型鋼を切断する必要があります。
冷却は射出成形サイクルの段階であり、収縮の大きさと分布、つまり完成品の寸法品質と反り挙動に最も大きな影響を与えます。 の effect of cooling on shrinkage は、プロセス エンジニアが同時に管理する必要があるいくつかのメカニズムを通じて動作します。
半結晶性ポリマーでは、冷却速度が達成される結晶化度を直接制御します。 冷却が遅い → より完全な結晶化 → 収縮が大きくなる 。 80°C に保たれた金型内で冷却された PP 部品は、他のすべてが同じ場合、20°C で冷却された同じ部品よりもかなり大きく収縮します。この関係は、金型冷却回路の設計に利用されます。最小限の収縮が必要な用途では、金型温度は意図的に低く保たれます。成形後の安定性と厚肉全体にわたる均一な結晶化度が優先される用途 (精密歯車など) では、公称収縮率が高くなっても、より高く制御された金型温度が好ましいです。
不均一な冷却回路レイアウト、肉厚の大幅なばらつき、または非対称な金型鋼の質量によって引き起こされる、成形品全体にわたる不均一な冷却により、次のような問題が発生します。 収縮差 : 部品の異なる領域は異なる量で収縮し、部品が平衡形状を目指すときに内部応力と反りが発生します。わずかな差収縮 0.1～0.2% 平らな部品のコア側とキャビティ側の間の距離は、200mm パネルに目に見える曲率を生成するのに十分です。
均一な距離で部品の輪郭に従う積層造形金型インサートによって生成されるコンフォーマル冷却チャネルは、冷却の均一性に対する最も効果的なエンジニアリング ソリューションであり、サイクル タイムを短縮します。 20～40% 従来のドリル加工されたチャネルと比較して、同等のマージンで反りを抑制します。
冷却時間が不十分であると、コア温度が材料の熱たわみ温度 (HDT) を下回る前に部品を突き出すと、まだ柔らかいコアがすでに固化したスキンに対して収縮し続けるため、突き出し後の変形が発生します。その結果、反り、沈み、またはその両方が発生します。一般的なルールとして、部品は温度が上昇するまで冷却する必要があります。 壁内の最も熱い点が HDT より少なくとも 20°C 低い温度に達している 突き出し力が加わる前。
収縮の低減、より正確には収縮のばらつきの低減には、材料の選択、金型設計、プロセス設定全体にわたって調整されたアプローチが必要です。次の戦略は、活用度の高い順にリストされています。
効果的 金型 design for shrinkage compensation まず、キャビティはターゲット部品の寸法に対して、予想される収縮量だけ意図的に大きくする必要があること、そして異方性を考慮してこのオーバーサイズは均一ではなく方向性を持たせて適用する必要があるという認識から始まります。
流れ方向、横方向、および厚さ方向のすべてのキャビティ寸法は、金型設計が機械加工用にリリースされる前に、適切な方向の収縮率によって上方にスケールされます。 PP ホモポリマーの流れ方向に 50 mm のフィーチャーを持つ部品の場合 (S flow = 2.0%)、キャビティ寸法は 50 / (1 − 0.020) = でカットされます。 51.02mm 。同じフィーチャーの横方向の寸法。ここで、S 横方向 = 1.5%、50 でカット / (1 − 0.015) = 50.76mm .
ゲートの設計は、充填効率、ひいては収縮に直接影響します。重要な原則:
プロセス条件に対する実効収縮の感度と、特定の形状の正確な値を予測する際の不確実性を考慮すると、経験豊富なツールメーカーは、 スチールセーフ戦略 : キャビティは、予想される収縮範囲の下限で意図的に切断されます (鋼材を除去することによって公差に合わせる必要がある、大きな部品が生成されます (つまり、キャビティを開く))。これは、キャビティが大きすぎて切断され、溶接によって鋼を追加する必要がある逆のシナリオよりもはるかにコストが低くなります。
モールド フロー シミュレーションは、鋼材を切断する前の収縮予測において重要な役割を果たします。最新のシミュレーション ツールは、内部の収縮を予測できます。 0.1～0.2% これにより、保守的な鋼安全許容値への依存が軽減され、より積極的なファーストカット精度目標が可能になります。
収縮 affects dimensional accuracy through three distinct failure modes, each requiring a different corrective approach:
キャビティ設計中に適用される収縮が製造時に達成される実際の収縮と異なる場合、すべての部品の寸法は系統的に一方向にシフトされます。これは最も単純な故障モードです。生産工程全体を通じて、部品のサイズが常に過大または過小になります。これは、製造試行によって検証されたプロセスウィンドウでの実際の有効収縮が確立された後、キャビティ寸法を調整（鋼の除去または追加）することによって修正されます。
壁厚の変化、非対称冷却、または高度に配向したガラス充填材料から生じる収縮差により、反りが生じます。異なる領域が異なる量だけ収縮するため、部品は面外に変形します。反りはキャビティのスケーリングでは修正できません。冷却回路の設計、ゲートの位置、部品の形状 (曲げに耐えるためのリブの追加)、または材料の選択を変更する必要があります。深刻な場合には、キャビティは予期される歪みとは逆の方向に意図的に事前に歪められます。このテクニックは、時々呼ばれます。 「変形前補正」 — 歪んだパーツがターゲットの平坦なジオメトリに戻るようにします。
キャビティが正しく補正されている場合でも、ショット間の収縮による寸法変動により、プロセス能力 (Cpk) が低下します。ショットごとの変動の原因には、保圧、溶融温度、冷却水温度、背圧の変動が含まれます。高精度の生産、特に医療機器、光学部品、および公差が厳しい機械アセンブリの場合、これらすべての変数にわたって厳密なプロセス制御が必要であり、保持圧力の再現性は次のとおりです。 ±0.5% 精密プレス選定の共通仕様以上となります。
| 材質 | タイプ | 収縮 Rate (unfilled) | 収縮 Rate (GF30) | 異方性リスク |
|---|---|---|---|---|
| ABS | アモルファス | 0.4～0.8% | 0.1～0.3% | 低い |
| PC | アモルファス | 0.5～0.7% | 0.1～0.3% | 低い |
| PP（ホモポリマー） | 半結晶質 | 1.5～2.5% | 0.4～0.8% | 中～高 |
| PA6(ナイロン6) | 半結晶質 | 0.8～1.5% | 0.3～0.5% | 高（GFグレード） |
| PA6.6(ナイロン6.6) | 半結晶質 | 1.0～2.0% | 0.3～0.6% | 高（GFグレード） |
| POM(アセタール) | 半結晶質 | 2.0～3.5% | 0.5～1.0% | 高（GFグレード） |
| HDPE | 半結晶質 | 2.0～4.0% | N/A (まれに GF) | 中等度 |
収縮 rates range from approximately 0.1% for rigid amorphous materials such as PMMA, up to 4.0% or more for unfilled semi-crystalline polymers such as HDPE and POM. Most common engineering resins fall in the range of 0.4–2.5%. Material datasheets always publish a nominal shrinkage range; the actual value achieved in production depends on wall thickness, mold temperature, holding pressure, and gate design.
半結晶性ポリマーは、分子鎖が規則的な結晶領域に組織化されるため、凝固中にさらなる体積減少を受けます。これは大幅な密度増加を伴う相転移です。非晶質ポリマーにはこの結晶化メカニズムが欠如しており、熱収縮によってのみ収縮するため、大幅に低く予測可能な収縮値が得られます。
保持段階では、部品が固化する際の体積減少を補うために、追加の溶融物が圧力下でキャビティ内に押し込まれます。保持圧力が高くなると、同じキャビティ容積により多くの材料が詰め込まれ、キャビティ サイズと最終部品サイズの間の寸法ギャップが直接減少します。保持圧力は、収縮の大きさを制御するための最も効果的な単一プロセス パラメータです。
収縮 is the uniform reduction in size of a part as it cools. Warpage is distortion — out-of-plane bending or twisting — caused by differential shrinkage at different locations within the same part. Shrinkage is corrected by scaling the mold cavity; warpage requires changes to cooling circuit design, gate location, wall thickness uniformity, or material selection, and cannot be corrected by cavity scaling alone.
ISO 294-4 に基づく業界標準の実践では、23°C、相対湿度 50% で射出後 16 ～ 24 時間の収縮を測定します。成形後の結晶化が顕著な半結晶性材料 (PP、PA、POM) の場合、48 ～ 72 時間が最終的な安定した寸法をよりよく表します。使用中に湿気を吸収するナイロン部品は、使用環境全体の寸法範囲全体を理解するために、成形時乾燥 (DAM) 状態と湿気調整後の両方で測定する必要があります。
著作権 © Suzhou Huanxin Precision Molding Co.、Ltd。 無断転載を禁じます。
