PPの射出成形｜収縮・反りを抑える設計と条件

PPの成形条件と収縮率の確認

PPの溶融樹脂温度と金型温度は、使用品番の技術資料に示された推奨範囲を基に設定します。次の表は、成形条件の設定と金型寸法の検討に使う情報を整理したものです。初期条件を決めた際は、使用品番と参照した資料を成形記録に残します。

乾燥の指定がある品番を使う場合は、その資料に示された温度・時間と、対象となる乾燥機の方式を確認します。使用する品番の乾燥要否に合わせ、乾燥指定がある場合にその条件を適用します。

成形収縮率は、測定した方向と試験条件を記録し、製品で重要な寸法の方向に対応する値を検討します。常温で測った金型の寸法をM、同じ方向で測った成形品の寸法をmとすると、成形収縮率（％）は（M－m）÷M×100で求めます。流れに平行な方向と直交する方向は、それぞれの寸法から計算します。金型と成形品の測定位置、測定時の温度、成形から測定までの時間を記録して比較します。金型寸法の設計では、使用するグレードの収縮率と測定方向を確認し、試作で得た寸法から補正を検討します。

PPのグレードと成形収縮

PP（ポリプロピレン）は、軽量で耐薬品性に優れ、容器や家電部品などに使われる樹脂です。PPは結晶性樹脂で、温度が下がることに加え、分子が規則的に並ぶ結晶化によっても体積が減ります。

成形品は金型内の形状より小さくなるため、金型の寸法には収縮する分を見込みます。収縮率は、使うグレード、製品形状、流れの方向、成形条件によって変わります。金型設計では、材料メーカーが示す成形収縮率と、その測定方向・試験条件を確認します。試作品の寸法を測り、金型寸法の補正が必要か検討します。

ホモPP・ランダムPP・ブロックPPの特徴

PPには、組成や構造の異なるホモPP、ランダムPP、ブロックPPがあります。ホモPPは剛性や耐熱性、ランダムPPは透明性、ブロックPPは耐衝撃性を重視するときの候補になります。代表的な違いは次のとおりです。

ホモPPを低温で使う部品では、その温度での衝撃に耐えられるか確認します。同じ種類でも、流れやすさ、剛性、衝撃強さなどはグレードによって異なります。物性表に記載された数値は、特定の試験条件で測定した代表値です。製品の使用温度や荷重の下で、必要な剛性や耐衝撃性を満たすか評価します。

ガラス繊維やタルクなどを配合し、特性を調整したPPもあります。これらの配合材料では、樹脂の種類に加えて、充填材の種類や量による収縮の変化も検討します。

PPの反りを生む肉厚差・配向・冷却差

成形品のすべての部分が全方向に同じ割合で縮むと、形を保ったまま小さくなります。部位や方向で収縮が異なると、平らな面が曲がる、角がねじれるなどの変形が生じます。反りを調べるときは、変形した位置と向きを、肉厚、樹脂の流れ、冷え方と結び付けて考えます。

リブ・ボス周辺の肉厚と冷え方

厚い部分は薄い部分より内部が冷えにくく、冷却の速さや結晶化の進み方に違いが出ます。その結果、部位ごとの収縮量に差が生じ、反りの原因になります。金型の表裏や場所によって冷え方が異なる場合も、収縮の偏りを調べます。

リブやボスは、部品の剛性や取り付けに必要な形状ですが、付け根が局所的に厚くなると周囲との冷却・収縮の差が生じます。補強用のリブを増やした場合も、厚さや配置によっては反りが増えることがあります。形状を見直す際は、必要な剛性や取り付け寸法を保ちながら、厚さの急な変化や局所的に厚くなる部分を減らします。

ガラス繊維入りPPの配向と反り

ガラス繊維入りPPは、剛性や強度を高めたい部品に使われます。一方、繊維の向きによって収縮のしやすさが変わるため、方向別の収縮差も検討する必要があります。樹脂の流れ方は繊維配向に影響し、成形品の表面側と内部で繊維の向きが異なることもあります。

ゲート位置を変えると、樹脂の流れと繊維の向きが変わり、反りにも影響します。重要な寸法の方向と反りが生じる位置を確認し、CAE解析による変形の予測と試作品の測定結果を比較して、ゲート位置を検討します。ガラス繊維を含まないPPでも、流れによる分子配向や冷却の偏りによって、方向ごとの収縮差が生じます。

PPの反りを抑える製品設計・金型設計・成形条件

製品形状を変えられる場合は、厚肉部やリブ・ボスの付け根を見直し、冷却と収縮の偏りを減らします。ゲートを設計するときは、樹脂が製品内をどの方向へ流れ、厚い部分まで圧力が伝わるかを検討します。ゲートの位置と大きさは、流れ方と、冷却中に樹脂を補える時間の両方に関係します。

充填後に圧力をかける保圧では、樹脂が冷えて体積を減らす間に追加の樹脂を送り込み、収縮を補います。ゲート内の樹脂が固まると流入できなくなるため、保圧時間を延ばす効果があるのは、樹脂を補える間です。圧力の伝わり方やゲートの固まる時点を確認し、保圧の圧力と時間を調整します。保圧時間を変えて試作する場合は、樹脂温度・金型温度・保圧の圧力など、比較対象以外の条件をそろえて寸法と反りを測ります。保圧時間の変更と寸法の変化を記録し、バリやゲート付近の過度な充填も観察します。圧力を高めた場合は、ゲート付近の過度な充填やバリの発生も確認します。

冷却では、金型表面の温度分布と冷却回路の配置・流れを調べ、部位や表裏の冷え方の差を減らします。温調機の設定値と、成形中に樹脂から熱を受ける金型の実際の温度は区別します。取り出すときに成形品が曲がる場合は、変形せず取り出せるまでの冷却時間と、突き出す位置や力の偏りを見直します。

樹脂温度や金型温度、射出速度、保圧を変えると、樹脂の流れや冷え方も変わります。使用グレードの推奨条件を基に、反りが発生する理由に応じて変更する条件を選びます。成形条件で調整しても局所的な冷却差や方向別の収縮差が残る場合は、製品形状やゲート・冷却回路の変更を検討します。

試作品の寸法・反り・外観を評価する

変更前後の寸法と反りは、同じ基準面・測定位置・方向で測ります。たとえば箱形部品なら、底面を基準にした反りと、長手・幅方向の寸法を別々に記録して比べます。これは測定対象を分ける検討例で、特定の製品で反りが改善した実績ではありません。PP成形品は取り出した後も寸法が変わる場合があるため、測定時の温度と、成形から測定までの時間をそろえて比較します。使用環境での寸法が重要な製品は、その温度や使用条件で要求を満たすかも評価します。

形状、金型、成形条件の変更内容と測定結果を組にして記録すると、どの変更が変形に影響したかを検討できます。外観はヒケやバリを観察し、組立品では相手部品とのはめ合いや浮きを確かめます。冷却時間を変えた場合は成形サイクルも測り、品質と生産時間への影響を比べます。

CAE解析では、使用するPPの材料データ、製品形状、金型の情報、温度・圧力などの成形条件を入力します。流動解析で樹脂の流れやガラス繊維入りPPの繊維配向を調べ、そり解析で成形品の変形を予測します。予測した反りと試作品の測定結果を、同じ基準面・位置・方向で比較し、対策を検討します。