茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告 第 48 号

金型表面処理工法によるプラスチックの成形性向上に関する試験研究事業
谷萩 雄一朗 *１. はじめに
近年，プラスチック製の小型部品や高精度部品が増える中で，量産化技術である射出成形においては，複雑形状や微細形状に対する寸法精度や転写性などが品質を決める重要な要素となっている。
プラスチックの射出成形においては，金型の形状が複雑な場合や表面に微細形状を有する場合，溶融樹脂が充填しきらないなどの成形不良が生じることがある。
それらの対策として，金型キャビティ面を誘導加熱やハロゲンランプなどで昇温する方式や金型内部に設けたヒーターなどで補助的に加熱する方式などが提案されている 1)。
本研究では，金型表面に処理層を設け，成形工程の熱移動を制御することにより，溶融樹脂の急激な冷却を緩和して流動性を保ち，成形性の向上を図ることを試みた。

青木 邦知 *

解析モデルでの金型表面に金型の厚さと比較して極めて薄い固体層を作製することになるが，一般にシミュレーションでは極端に厚さの異なる層を設けることは適切でない。そこで，表面処理による熱伝導性の変化を金型のマクロな材質と捉えることとして金型の材質を変更することにより，金型と溶融樹脂との熱伝導性が異なる状況を再現した。
図 1 にシミュレーションモデルを，図 2 にキャビティの寸法模式図を示す。図 1 は，後述する実験用金型から取付用プレートを除いた形状である。金型の材質は，表面処理により熱伝導率が変化することを再現するため，使用したソフトウェア Moldflow 2017（オートデスク株式会社）の収録データより，熱伝導率が最も低い M349 と，熱伝導率が高い代表格である Copperを選定した。表 1 にそれらの熱的物性値を示す。
射出成形時に調整可能な条件として代表的なものは，溶融樹脂に作用する圧力，樹脂温度および金型温度で２．目的ある。これらの条件による図 2 の薄板部の流動長を比これまでに，無電解ニッケルめっき中に樹脂やセラ較した。成形条件は，図 2 の樹脂溜まり部を流速 50
ミックスの粒子を分散させた粒子分散めっきを処理層mm/s で充填し，溶融樹脂先端が薄板部に至る直前に VPに用いて，成形工程における熱移動の制御を試みた 2-3)。 切替を行い，薄板部を保圧で充填した。保圧は 10，30
その結果，粒子の種類や大きさ，分散量によって，熱および 50MPa，樹脂温度は 200，230 および 260℃，金拡散を含めためっき皮膜の物性が変わることを確認で型温度は 20，40 および 60℃とそれぞれ 3 通りずつ変きた。しかしながら，金型表面に処理層を成膜するこ更した。保圧時間は 20 秒，冷却時間は 40 秒とした。とにより表面から内部への熱拡散が低下することは確
樹脂は PP とし，プライムポリプロ J-750HP（株式会社
認できたものの，成形工程における樹脂の流動長へのプライムポリマー）を使用した。
影響は限定的で，大きな向上には至らなかった。
図 3 に，金型材質 M349，樹脂温度 230℃，金型温度
そこで本年度は，金型表面処理による熱制御の効果
40℃，保圧 50MPa で成形した直後における金型パーテを明確にするため，より流動長の向上が図れる加工条ィング面の温度分布を示す。冷却水による温調のため件を検討するとともに，微細形状の転写性に対する効に金型温度がほぼ 40℃に保たれている。それに加え，果を確認することを目的とした。
溶融樹脂が射出されるゲート直下の温度が高い。薄板部はゲート近傍を除いてほぼ均一な温度分布となる。
３．内容
図 4 に，同条件における溶融樹脂の充填時間と充填位3.1 試験方法置の関係を示す。図 4 の薄板部における溶融樹脂先端初めに樹脂流動シミュレーションを活用して，流動までの距離を流動長とした。それぞれのシミュレーシ長の向上が図れる成形条件を検討した。その結果を基ョン結果より，射出終了時の充填割合を数値で求め，にして実験を行い，金型表面処理による効果を確認し
CAD モデルの体積に乗ずることにより薄板部の流動長た。さらに，金型表面に凹凸を有する構造を加工し，を求めた。図 5，6 に金型材質 M349，Copper の流動長
微細形状の転写性に対する効果を調べる実験を行った。 の結果をそれぞれ示す。
図 5，6 では樹脂温度と金型温度が高いほど流動長が3.2 シミュレーションによる熱制御効果の検討長い。保圧による影響は，圧力が高いほど流動長が伸熱可塑性樹脂の射出成形では，圧力や温度などの条び，樹脂温度と金型温度が高いほど圧力による伸び量件が成形性に影響する。本研究では，金型表面に処理が増加した。これらの理由は，金型内で溶融樹脂が固層を設けて熱制御を行うときの樹脂流動長を比較する化しにくく固化するまでに流れる長さが増加するためことを目的としている。そこで，表面処理によって生と考えられる。
図7 に，
樹脂温度230℃，金型温度20℃，じる金型の熱伝導度の変化を組み合わせた樹脂流動解
金型材質 M349 を対象とした圧力による射出流量の比析を行い，熱伝導度や成形条件の違いが樹脂の流れに較を示す。VP 切替（0.232 秒）後には圧力の影響が生与える影響を評価した。
じ，圧力が高いと流量が多い。図 8，表 2 に，金型材
シミュレーションにて処理層を忠実に再現するには， 質による流動長の比較を示す。比較した 9 条件のうち*高分子材料グループ

1 条件を除き，M349 の流動長はCopper を上回ったため，全般的には金型の熱伝導率が低いと流動長が増加する効果を確認できた。

300 mm

流動長[mm]茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告 第 48 号
160140120
100806040200

ゲート

金型20℃
金型40℃

金型60℃

010

流動長[mm]

冷却管２本
Φ8 mm

400 mm

金型40℃
金型60℃

10203040
圧力[MPa]5060

流動長[mm]M349，樹脂230℃

1601401201008060
40200

金型20℃
金型40℃
金型60℃

010203040
圧力[MPa]5060＜樹脂 260℃＞
M349，樹脂260℃
図5 流動長の比較（金型材質M349）

流動長[mm]

0.6 mm
樹脂溜まり部 薄板部
図 2 キャビティ寸法模式図

表 1 シミュレーションに用いた金型の熱的物性値
項目M349Copper3
密度 [kg/m ]
7,700
8,930
比熱 [J/(kg・℃)]
430
380
熱伝導率 [W/(m・℃)]
15388

金型20℃

＜樹脂 230℃＞

180 mm

ゲート部

60

M349，樹脂200℃

1601401201008060402000

図1 樹脂流動シミュレーションモデル

20.3 mm50＜樹脂 200℃＞

キャビティ
130mm

203040圧力[MPa]160140120
10080
6040
200

金型20℃
金型40℃

金型60℃

010203040
圧力[MPa]5060＜樹脂 200℃＞
流動長[mm][℃]

Copper，樹脂200℃

160140120100806040
200

金型20℃

金型40℃
金型60℃

010203040
圧力[MPa]5060

図3 金型のパーティング断面の温度分布（金型材質M349，樹脂温度230℃，金型温度40℃，圧力50MPa）
流動長

180

図4 充填時間（金型材質M349，樹脂温度230℃，金型温度40℃，圧力50 MPa）

流動長[mm]＜樹脂 230℃＞

Copper，樹脂230℃

160140120
100
80
60
40200

金型20℃
金型40℃
金型60℃

010203040
圧力[MPa]5060＜樹脂 260℃＞
Copper，樹脂260℃
図6 流動長の比較（金型材質Copper）

流量[cm3/s]

茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告 第 48 号

80706050403020100

圧力10MPa
圧力30MPa
圧力50MPa

00.10.20.3
時間[秒]0.40.50.6

図7 樹脂温度230℃，金型20℃，M349の射出流量
M349

流動長[mm]M349，樹脂200℃
M349，樹脂230℃
M349，樹脂260℃

Copper，樹脂200℃
Copper，樹脂230℃
Copper，樹脂260℃

16014012010080
6040
20002040
金型温度[℃]6080

図8 金型材質と樹脂温度による比較（圧力50MPa時）
圧力50MPa時の比較
表 2 流動長の比較
樹脂温度 金型温度[℃][℃]
202004060
202304060
202604060

流動長[mm]
M349
Copper
差86.1
85.7
0.36
90.2
89.4
0.82
95.4
95.7
-0.30
104.3
103.8
0.54
108.7
108.3
0.40
115.0
113.8
1.24
123.0
122.2
0.82
127.5
126.9
0.55
134.3
134.2
0.15

3.3 樹脂の流動長試験①処理層の構造と熱物性
3.2 では，金型材質によって流動長に差が生じる条件が分かった。これを確認するため，処理層を成膜して流動長を調べる試験を行った。処理層として，既報2, 3)で用いた PTFE 粒子分散めっきを用いた。処理層は二層構造であり，下地に無電解ニッケルめっきを 10μm，表層に PTFE 粒子分散めっき（粒子含有率 30～35％Vol）を 10μm，合わせて 20μm の厚さである。
処理層の熱物性として，熱拡散率 3.66 mm2/s である。
これは処理層と厚さ 0.5 mm の SUS304 基材を含めた値である。SUS304 基材のみの熱拡散率は 3.85 mm2/s であるため，処理層を成膜することにより熱拡散率が5％低減した。測定には LFA467 Hyperflash（ネッチ・ジャパン株式会社）を使用した。
②流動長成形試験

図 9 に試験用金型を示す。金型の材質は NAK80 であり，入れ子を交換可能なつくりとなっている 2, 3)。図10 にキャビティと入れ子の処理層面の位置関係を示す。入れ子の処理層面は，キャビティの薄板部に位置する。入れ子を交換して処理層による流動長を比較した。成形試験には，ROBOSHOT α-S100iA（ファナック株式会社）を使用した。
射出条件は，シミュレーションから求められた条件を基に，処理層の耐熱性や汎用的な成形条件を加味し，樹脂温度 230℃，金型温度 40℃とした。樹脂溜まりを流速 50 mm/s で充填し，VP 切替後，薄板部を保圧による圧力で充填した。表 3 にこれらの条件を示す。圧力の影響を比較するため，保圧は 10，50 MPa の 2 通りを設定した。図 11 に，処理層を成膜しない入れ子を用いて保圧50 MPaで成形した際の射出圧とスクリュ速度のグラフを示す。
図12に保圧50 MPaでの流動長試験片を，表4に流動長の比較結果を示す。流動長はSmart Scope ZIP 300（QVI社）にて測定した。流動長は処理層を成膜したことにより，74.3 mmから74.7 mmに0.4 mm増加した。保圧10 MPa
でも同様に，処理層を成膜したことにより18.1 mmから18.3 mmに0.2 mm増加した。これは，金型表面に処理層を設けたことにより，溶融樹脂が流れやすくなったことを示唆する。

入れ子

＜外観＞
＜可動側入れ子＞
図 9 試験用金型

入れ子の処理層面

0.6 mm

薄板部
ゲート部 樹脂溜まり部
図 10 キャビティと入れ子の処理層面の位置関係
表 3 射出成形条件
項目
樹脂温度
金型温度
保圧
冷却時間数値
230 ℃
40 ℃
10，50 MPa，20 秒
20 秒

表4 流動長の比較
保圧
流動長[mm][MPa]
処理層なし 処理層あり
1018.118.3
5074.374.7

差0.20.4茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告 第 48 号

射出圧スクリュ速度
0.0120100806040200

スクリュ速度[mm/s]

射出圧[MPa]

溝幅60504030201000.51.01.5
時間[秒]
図11 射出成形時の射出圧とスクリュ速度
0.6mm処理層なし，保圧50MPa（拡大）ピッチ

基材に溝を削る
図13 溝皮膜の模式図
30.3μm33.3μm
図 14 溝皮膜の断面マクロ観察
2 mm

A
A

処理層なし

成形試験片

74.3 mm
PTFE
粒子分散
めっき
処理層

樹脂皮膜を溝の上に成膜する< A-A断面 >図15 溝皮膜試験片の断面模式図

74.7 mmB

図12 流動長試験片の例（保圧50 MPa時）
3.4 転写性試験①使用処理層転写性試験のため，基材に溝を切削加工した。溝の寸法は幅 0.5 mm，ピッチ 0.5 mm，深さ 0.2 mm であり，その上にフッ素樹脂の一種である PFA 皮膜を 30μm 成膜した。図 13 に模式図を，図 14 にマイクロスコープ（KH-8700，株式会社ハイロックス）で観察した断面を示す。
この溝はキャビティの長手方向に加工したため，成形した試験片の薄板部は，図 15 のように長手方向に同一の断面を示す。
この処理層の熱物性は，厚さ 2.0 mmの SUS304 基材を含めて熱拡散率 3.23 mm2/s となり，SUS304 基材の熱拡散率 3.53 mm2/s と比較して 5％の低減効果が得られた。
②転写性試験
成形条件は保圧 10 MPa とし，樹脂温度を 170℃，230℃の２通りに変更することにより樹脂温度による転写性を調査した。得られた成形品に対し，樹脂溜まり部から 2 mm 距離の薄板部をミクロトーム（RX-860，
大和光機工業株式会社）で 100μm 程度の薄さに切り出し，マイクロスコープで観察した。図 16，17 に，樹脂温度 170℃，230℃の結果を示す。
一般に樹脂温度は，転写性に大きく影響する。樹脂温度が低いと粘性が高いため，微細形状部まで樹脂が充填しにくくなる。反対に樹脂温度が高い場合には，金型により冷却される際の収縮が大きく金型との隙間が生じやすくなる。図 16，17 では，ミクロトームで切り出した際のバリが散見されるものの，B および C 部
では，角部まで良好に充填することを確認できた。

約 540μm

図 16 断面形状（樹脂温度 170℃）
C
約 550μm
図 17 断面形状（樹脂温度 230℃）
４．まとめ①樹脂流動シミュレーションを活用し，金型表面処理層による熱制御の効果が得られやすい射出成形条件を求めた。
②粒子分散めっき処理層を用いて樹脂の流動性試験を実施した結果，処理層により流動長が向上する効果を確認できた。
③樹脂温度を変更して転写性試験を行った結果，樹脂温度によらず，角部にまで良好に充填することを確認できた。
５．参考文献等
1) 秋元，
http://www.cea.or.jp/dcument/z230803.pdf
2) 谷萩ら，茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告第 47 号
3) 谷萩ら，プラスチック成形加工学会第 26 回秋季大会 予稿集