ガラス繊維強化樹脂の射出成形｜金型摩耗・反り・外観不良の対策

ガラス繊維の配向と強度・反り

ガラス繊維強化樹脂は、樹脂にガラス繊維を配合して、強度や変形しにくさを高めた材料です。ガラス繊維はGFと略され、成形材料の品番や物性表に含有率が示されています。

含有率に加え、基材樹脂と成形後の繊維の長さも確認します。ガラス繊維はスクリューでの混練やゲートの通過で折れることがあり、成形品に残る繊維の長さも強度に関わります。

射出成形では、溶けた樹脂の流れによって繊維の向きが変わります。この向きのそろい方を配向と呼びます。配向によって力に対する強さや成形時の収縮量に方向差が生じるため、製品に力が加わる方向と樹脂が流れる方向を考えた設計が必要です。

強度や剛性は、繊維が多く向いている方向と、その直角方向で異なります。GF強化ナイロンでは、繊維の配向方向で収縮が小さく、直角方向で大きくなる傾向が示されています。部位ごとに繊維の向きが変わると、収縮の差によって反りが生じることがあります。

ゲートの位置を変えると樹脂の流れと配向が変わるため、反りや強度を改善できる場合があります。CAE解析では、ゲート案ごとの樹脂の流れや繊維配向を流動解析で、成形品の変形をそり解析で調べます。各案の解析結果を基に、ゲート位置や肉厚、リブの配置を検討します。反りの原因を調べるときは、繊維の向きに加えて、肉厚による収縮差や冷却不足も確認します。

成形品の表面付近と内部で、繊維の向きが異なる場合もあります。製品の強度は、実際の形状と荷重方向で評価してください。材料の試験片と製品では、繊維の向きやウェルドの位置が異なります。

ガラス繊維入り樹脂による金型摩耗

ガラス繊維を含む樹脂が金型の表面をこすると、摩耗が進むことがあります。特に、樹脂の流速が高くなるゲートや、流れの向きが急に変わる部分では摩耗に注意が必要です。

金型摩耗への対策として、耐摩耗性を考慮した鋼材と硬さ、窒化やコーティングなどの表面処理を検討します。ガラス繊維を40・50・60％含むMXD6系のPAと、40％含むPPSを用いた金型材の摩耗試験では、鋼材の硬さや繊維含有率、表面処理の状態によって摩耗量が変わっています。これは特定の樹脂と鋼材を用いた試験で、すべてのGF強化樹脂の摩耗量を表すものではありません。

コーティングは、母材への密着が悪く膜が剥がれると、十分な耐摩耗性を保てない場合があります。使用する鋼材と成形材料に適した表面処理の条件を確認してください。

摩耗が集中する部分を交換できる入れ子構造にすることも、金型の補修を考えるうえで有効です。ゲートや流路の寸法と表面を点検し、初期状態からどこが変化したかを確認します。点検の間隔は、使用材料や実際の摩耗の進み方に応じて検討します。

成形機の摩耗も別に確認する

金型に加え、樹脂と接触するスクリューやシリンダーも摩耗の検討対象です。例えば、ガラス繊維強化PPSの成形では、耐摩耗性を考慮した部材が必要とされ、逆流防止用のチェックリングの摩耗は計量の不安定さにつながります。使用材料に対応した仕様か、成形機の部材と点検方法を確認してください。

繊維浮きと外観不良

繊維浮きは、成形品の表面にガラス繊維が目立ち、筋やまだらな光沢、ざらつきなどが見られる現象です。外観を確認するときは、穴の後ろや流れが曲がる部分、樹脂が合流する部分で繊維の見え方を観察します。

GF強化ナイロンの成形ガイドでは、繊維浮きの原因として、金型温度や樹脂温度、射出速度が低いこと、肉厚の急な変化などが挙げられています。以下はGF強化ナイロンで、原因が該当する場合の対策例です。

温度や速度は、材料メーカーが示す成形条件を基に調整します。

ナイロン6にガラス繊維を15％配合した一つのグレードでは、溶融樹脂の実際の温度は260～280℃、金型温度は60～90℃が指定されています。シリンダー各部とノズルの設定温度は270℃の例で、実際の樹脂温度とは区別します。予備乾燥は除湿乾燥機を推奨し、熱風乾燥機の場合は110℃で約4時間です。これらは一つのグレードの成形条件で、別の母材やガラス繊維含有率へそのまま適用する条件ではありません。

同じグレードの成形収縮率は、ASTM D955による流動方向0.7％・直角方向1.1％と示されています。公表ページには試験片の厚さや成形時の金型温度・保圧の詳細がないため、実際の部品では肉厚・ゲート・成形条件を記録し、各方向の寸法を測定します。

外観不良の種類によって調整内容も異なります。このグレードのガイドでは、艶ムラが発生した場合に金型温度を低めに設定し、高速充填を試す説明もあります。繊維浮きか艶ムラかを成形品で確かめ、原因に対応する条件を調整してください。

GF強化材の成形条件を確認するための情報

次の表は、使用品番の資料で読む情報と、試作で残す情報を整理したものです。

資料の収縮率を使う際は、測定方法、試験片の形状・厚さ、測定方向を記録します。試作品の寸法を測る際は、その試作で使った樹脂温度、金型温度、射出圧力・速度を、測定結果と組にして残します。

流れ方向と直角方向の差は、金型寸法や反りを検討する際の目安になります。実際の部品では肉厚やゲート、保圧によって収縮が変わるため、試作品の各方向の寸法を測って確認します。

外観が改善しても、反りや必要な強度が許容範囲に収まるかを試作品で確かめてください。材料を選定できる場合は、表面外観を改善したグレードも候補になります。

ウェルドラインは外観と強度を評価する

ウェルドラインは、樹脂の流れが合流した部分に生じる線状の跡です。合流部では樹脂の融着状態や繊維の向きによって強度が低下することもあります。

ゲート位置や肉厚を変えて合流位置を移す方法や、合流部のガス抜きを改善する方法を検討します。線が目立たなくなった場合も、荷重がかかる部位では必要な強度を満たすか確認します。

ガラス繊維強化樹脂の評価｜流動解析・そり解析と実物の確認

CAE解析では、流動解析で樹脂の流れと繊維配向を調べ、そり解析で成形品の変形を予測します。使用グレードの材料データ、製品形状、ゲートや冷却回路などの金型情報、想定する成形条件を設定します。予測した配向や反りをそれぞれ試作品の観察・測定結果と比べ、解析と実物の差を確かめます。

たとえば平板状のカバーなら、取り付け面を基準に、四隅や穴の周囲など測定する位置を決めます。同じ材料でゲート位置の案を比べるときは、同じ位置の反りを測り、ウェルドが生じる部位に使用時の荷重を加えて強度を評価します。これは試作の評価案で、実施済みの改善事例ではありません。

X線CTでは、内部の繊維の位置や向きを立体的に調べられます。装置の分解能や対象品の寸法に応じて測定条件を選ぶ必要があり、試料の切り出しを伴う場合もあります。

外観は、製品で目立つ面や許容できる繊維浮き・ウェルドラインの程度を具体化して判定します。限度見本を使う場合は、見本と試作品を同じ照明と見る方向で確認してください。

解析と試作で反りや強度の傾向が異なるときは、材料データ、ゲートからの流れ、実際の成形条件を確認します。確認した差に応じて形状や条件を修正し、製品に必要な性能を再評価します。