射出成形の品質は「充填」で決まると思われがちですが、それは誤りです。特に、寸法精度とヒケの防止は、金型キャビティが樹脂で満たされた直後の保圧工程で決まります。設計者が図面に指定する厳しい寸法公差や外観部品で許されないヒケを量産で安定してクリアできるかどうかは、成形会社が保圧をいかに深く理解し、コントロールできるかにかかっています。
射出成形において、溶融した樹脂は金型内で冷却・固化する際、必ず収縮します。この物理現象は避けられません。特に、PPやPOM系はその収縮率が大きく、対策なしでは設計通りの寸法には到底なりません。この収縮を補うために存在するのが保圧です。保圧の役割は下記の二つです。
樹脂が充填された後、キャビティ内の樹脂は金型に触れた表面から冷え固まり始めます。しかし、製品の内部はまだ溶融状態です。内部が冷えて収縮しようとすると、まだ固まっていない樹脂が内部に向かって引っ張られます。このとき、表面のスキン層が耐えきれずに引き込まれる現象がヒケです。また、表面が固化して変形できない場合、内部にボイドが発生します。保圧工程は、この収縮しようとする力に対し、ゲートから追加の樹脂を“無理やり押し込み続ける”工程です。この圧力によって収縮分が補填され、ヒケやボイドのない、密度の高い成形品が生まれます。
保圧のもう一つの重要な役割は、冷え固まりつつある樹脂を金型キャビティの隅々にまで強く押し付け、金型形状を精密に転写させることです。設計者が指定する寸法公差は、金型がどれだけ精密に転写されたかの指標です。保圧が低すぎれば、樹脂は金型の内壁に十分に密着する前に収縮してしまい、狙った寸法よりも小さく仕上がります。逆に言えば、成形品寸法は保圧でコントロールできるのです。量産立ち上げ時、試作トライの中で、金型寸法と成形収縮率を見比べながら、この保圧をコンマ数MPa、コンマ数秒単位で調整し、公差のど真ん中を狙いに行きます。
では、ヒケをなくし寸法を出すために、保圧は高ければ高いほど良いのでしょうか。答えは否です。
保圧を必要以上に高く設定し、樹脂を過剰に押し込むことを過充填と呼びます。特にゲート近辺で発生しやすいこの現象は、樹脂が無理やり引き伸ばされた状態で冷やし固められることを意味します。これが残留応力の最大の原因です。残留応力は、成形品が金型から突き出され、解放された瞬間に反りや変形となって現れます。
保圧が型締め力を局所的に上回った場合、金型のパーティングラインやスライドの隙間から樹脂が溢れ出し、バリが発生します。これは金型を傷める原因にもなり、絶対に避けねばなりません。
どれだけ高度な保圧コントロール技術を持っていても、製品設計そのものが保圧の適用を困難にしているケースが非常に多いのです。量産品質を安定させるため、設計段階で重要な２つのポイントをご紹介します。
設計上、ボスやリブを立てる必要がなければ、立てない。
薄い部分の寸法を出すために保圧をかけると、まだ固まっていない厚い部分には圧力が集中し、過充填になります。 逆に、厚い部分のヒケを消すために保圧時間を長く設定すると、先に固まった薄い部分はとっくにゲートから切り離されており、圧力が全く届きません。結果として、反り・ヒケ・寸法不良のいずれかを許容せざるを得ない、非常に不安定な量産となります。
保圧は、ゲートを通じてキャビティに伝達されます。 しかし、そのゲートが非常に小さい場合、あるいは製品の薄い部分にある場合、キャビティ内部が完全に固まるよりも先に、ゲート自身が冷えて固まってしまいます。この現象をゲートシールと呼びます。一度ゲートシールが起これば、その後に成形機がどれだけ高い保圧をかけ続けても、キャビティ内部には一切圧力は届きません。ゲート跡を目立たせたくないという理由で極小のゲートを選定した結果、肝心の肉厚部のヒケが消える前にゲートシールが起こり、品質不良が多発します。製品に求められる品質に対し、それを担保できるだけの保圧をかけ続ける時間を確保できるゲート径とゲート位置の選定が、金型設計のキモとなります。
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