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

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. はじめにプラスチックは，日用品，衣類，食品の包装材料など身の回りのあらゆるところに用いられており，必要不可欠なものになっている1)。茨城県はプラスチック製造品出荷額が全国上位であり（都道府県及び政令市別第3位，平成29年度経済産業省工業統計調査），プラスチック産業は県内の重要な基幹産業の一つとなっている。近年では，軽量や低コストなどのプラスチック素材の特徴を活かし，自動車などへの採用が進んでいる2)。
プラスチック部品の多くは，大量生産に適した射出成形で製造される。射出成形は，プラスチック材料を加熱筒内で可塑化溶融させ，金型内に射出し冷却固化させる方法である。射出成形にて良品を得るには，金型の特性や材料，成形条件などを組み合わせた知識や技能が必要とされている3)。
２．目的
加熱筒で融解した溶融樹脂は，高温では粘性が低い状態であるが，冷たい金型の表面に触れると瞬時に金型表面と同じ温度まで冷却され，流動性を失う4)。そのため複雑形状や微細形状の射出成形では，金型内に樹脂が充填しきらない（流動性の不足），または金型表面の微細形状が成形品表面に形成されない（転写性の不良）などの成形不良が生じることがある。
金型表面に接触した溶融樹脂の急激な冷却を抑える方法として，型閉前に金型表面を加熱する方法や金型にヒーターを組み入れる方法などがあるが4)，本研究では付帯設備が不要な断熱金型に着目し，金型表面に処理層を設け溶融樹脂への熱の伝わり方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目標とした。
３．試験方法
金型表面の処理層として昨年度は，PTFE，ポリイミド及び PEEK の樹脂製皮膜を対象とした。しかし樹脂製皮膜は金型との接着性に課題があるため，今年度は金型表面との接着性を考慮して，無電解ニッケルめっき（ニッケルとリンの合金）に樹脂やセラミック粒子を分散させた複合めっき（粒子分散めっき）を処理層とした。分散粒子には，分散めっきとして一般に市販されている PTFE，SiC 及び BN の３種類を選定した。
処理層には断熱性の機能が求められ，溶融樹脂の冷却を緩和し流動性を保つ役割を果たす。そこで処理層を対象に熱の伝わりやすさを示す指標である熱拡散率を測定するとともに，溶融樹脂の流動性を調べるために金型を用いて流動長の比較試験を行った。
3.1 供試材
物性測定用の供試材は，縦 10 mm×横 10 mm×厚さ*

素材開発部門飯村 修志 *

0.5 mm の SUS304 基板に対し，無電解ニッケルめっきを下地として 10μm 成膜し，その上に処理層として粒子分散めっきを成膜した３層構造である。図 1 に断面の模式図を示す。分散粒子の含有率は，PTFE は 30～35％，SiC は 2～20％，BN は 5～10％である。

＜処理層＞粒子分散めっき 10 μm＜下地＞無電解ニッケルめっき 10 μm＜基材＞SUS304 0.5 mm
図 1 供試材の断面模式図
3.2 供試材の物性試験
処理層の成膜状況を確認し，熱拡散率を測定するため，供試材を用いた物性試験を行った。
①断面マクロ観察供試材を樹脂埋め，研磨し，処理層の厚さや粒子の分散状況の断面マクロ観察を行った。装置は株式会社
ハイロックス，KH-8700 を使用した。
②熱拡散率測定供試材をスプレーで黒体処理し，基材を含めたみなし一層として熱拡散率を測定した。装置はネッチ・ジ
ャパン株式会社，LFA467 Hyperflash を使用した。
3.3 流動長の比較試験
試験用金型を用いて，流動長の比較試験を行った。
本金型は一部が入れ子式で交換可能な構造になっており，試験では処理層の異なる４種類（基材のみ，PTFE，SiC，BN の粒子分散めっき）の入れ子を用いた。図 2に金型の写真を，図 3 にキャビティの模式図を示す。
射出成形機は ROBOSHOT α-S100iA（ファナック株式会社），樹脂ペレットはプライムポリプロ J-750HP（株式会社プライムポリマー）を使用した。表 1 に成形条件を示す。成形は流速制御で充填し，射出速度 10，50，100 mm/s とした。VP 切替は，いずれの射出速度でも圧力 80 MPa と統一した。図 4 に，基材のみの入れ子を用いて射出速度100 mm/sで成形した時の射出圧やスクリュー速度などの成形パラメータを記録したグラフを示す。成形品質の安定化を図るため，同じ条件で成形した 20 ショットを捨てショットとし，21 ショット目の流動長を測定した。測定には，Smart Scope ZIP 300（QVI 社，非接触三次元測定機）を用いた。

茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告第 47 号は熱が伝わりにくいと仮定し，解析モデルでは孔として除外した。孔の個数を変更することにより空隙率を調整し，空隙率 0％，25％及び 50％をモデル化した。
図 5 に，厚さ 10μm 処理層のモデルを示す。厚さ 30μm ではこれらを縦に３行分作成した。処理層の母材及び下地層の材質は，無電解ニッケルめっきとした。
また基材層の材質は SUS304 とした。表 2 にシミュレーションに用いた密度，比熱及び熱伝導率を示す。なお表 2 には，これらの物性値から式(1)により求めた熱拡散率を併せて示す。

入れ子

＜外観＞
＜可動側入れ子＞
図 2 試験用金型・・・(1)

流動長測定部
20.3mma：熱拡散率 [ mm2/s ]k：熱伝導率 [ W/(m・℃) ]ρ：密度 [ kg/m3 ]，c：比熱 [ J/(kg・℃) ]180 mm境界条件は，溶融樹脂が流動して熱が継続して供給されるため樹脂層の上端を 200℃とし，金型が一定温度で温調されるため基材層の下端を 40℃とした。初期
条件は樹脂層を 200℃，処理層，下地層及び基材層を40 ℃ と し た 。 解 析 に は Autodesk Simulation
Mechanical 2017（オートデスク株式会社，構造・伝熱解析ソフトウェア）を使用し，100 ms 間の時刻歴解析を行った。

0.6 mm
図 3 キャビティ模式図

射出圧
1201008060402000.0

スクリュー速度

境界温度 200 ℃
初期温度
200 ℃

スクリュー位置403530252015100.3

スクリュー位置[mm]射出圧[MPa]
スクリュー速度[mm/s]

表 1 成形条件
項目
数値
溶融樹脂温度
250 ℃
金型温度
40 ℃
射出速度
10，50，100 mm/s
最大射出圧力120 MPa
VP 切替
圧力 80 MPa
冷却時間
40 秒

0.1

0.2
時間[秒]

0.6mmなし（100mm/s，17871）
図4 成形状況グラフ

初期温度
40 ℃

樹脂層
（固体 PP）

100μm

処理層

10，30μm

下地層

5μm

基材層
（SUS304）

100μm

100μm

境界温度 40 ℃＜モデル寸法と境界条件＞
孔なし
空隙率 0％

3.4 粒子分散めっきの断熱効果の推定
金型に粒子分散めっきを用いた際の断熱効果を高めるため，伝熱シミュレーションを用いて処理層の厚さや含有率を検討した。図 5 に解析モデルを示す。樹脂層，処理層，下地層及び基材層の４層構造とし，簡易的に２次元解析とした。モデル幅は 100μm とし，厚さは樹脂層及び基材層を 100μm，処理層を 10，30μm，下地層を 5μm とした。樹脂層の物性値は固体のポリプロピレン（PP）とした。溶融樹脂が固化する際には，固液別の物性値や相変化のエンタルピーが必要となるが，本解析では無視した。処理層内の粒子を集合体とみなしΦ8μm の円として近似した。粒子に

Φ8 μm の孔を 5 列（20μm ピッチ）
空隙率 25％
Φ8 μm の孔を 10 列（10μm ピッチ）
空隙率 50％＜処理層のモデル化，10μm＞
図 5 解析モデル

茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告項目

表 2 解析に用いた物性値
無電解ニッ
固体 PP
ケルめっき

密度[kg/m3]
比熱[J/(kg・℃)]
熱伝導率[W/(m・℃)]（参考）
熱拡散率[mm2/s]

第 47 号

SUS304

929

7,900

8,000

3,100

460

500

0.15

4.4

16.2

0.052

1.21

4.05

４．研究結果と考察
4.1 供試材の物性試験①断面マクロ観察
図 6 にマイクロスコープの観察結果を示す。左から順に，基材層（SUS304），下地層（無電解ニッケルめっき），処理層（粒子分散めっき）である。処理層は含まれる粒子の種類により，設計値の 10μm に対して厚さ 6～13μm（4 割減～3 割増）とバラツキがある。
対して下地層は厚さ 9～11μm（1 割の増減）とバラツキが少ない。粒子分散めっきは，めっき工程における成膜時間による厚さの制御がしにくく，反対に無電解ニッケルめっきは厚さの制御がしやすいことが分かった。また PTFE は厚さ 6μm と薄いため，入れ子に成膜した処理層も薄い可能性がある。
基材層

下地層

供試材の熱拡散率も低く，分散粒子の熱拡散率の違いを確認できた。
表 3 熱拡散率測定結果（単位：mm2/s）
粒子の種類
熱拡散率
PTFE3.80
処理層
SiC
4.17ありBN3.87
基材のみ4.05
4.2 流動長の比較試験
図7に流動長試験片の例として，基材のみとPTFEの写真を，図8に４種類の入れ子を用いた試験での流動長の比較を示す。流動長は，すべての入れ子にて射出速度が速いほど長くなったが，これは射出速度が速いほど溶融樹脂が冷却されるまでの時間に流れる長さが増加するためである。入れ子の処理層による比較では，すべての射出速度にて基材のみが最も流動長が長い。従ってこの実験からは，処理層を施すことによる流動長の向上効果は得られなかった。これは処理層を成膜したことによりキャビティの厚さが薄くなること，及び処理層表面の面粗さにより溶融樹脂が流れる際に抵抗を受けることが原因と考えられる。３種類の分散粒子処理層を比較すると，PTFEの流動長が最も長い。表3より，PTFEの熱拡散率が最も低く溶融樹脂が冷却されにくいためと考えられる。またPTFEについては，断面マクロ観察の結果より膜厚が薄く十分な効果が得られていない可能性がある。

処理層

基材のみ
107.2 mmPTFE
107.0 mm＜PTFE＞＜SiC＞

図7 流動長試験片の例（基材のみ及びPTFE，射出速度100 mm/s時）
10 mm/s120＜BN＞
図6 供試材の断面マクロ観察②熱拡散率測定表 3 に，基材を含めたみなし一層の熱拡散率の結果を示す。熱拡散率は低い順に PTFE，BN，SiC となった。
処理層に含まれる分散粒子の熱拡散率はそれぞれ，PTFE は 0.10～0.11 mm2/s 5)，BN は 42 mm2/s 6，7)，SiC
は 77 mm2/s 8)であり，分散粒子の熱拡散率の低い順に流動長[mm]10080107.2
99.767.1

50 mm/s
107.098.864.9

100 mm/s

105.998.063.8105.697.863.96040200PTFESiC
BN
基材のみ
図8 ４種類の入れ子を用いた試験での流動長の比較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

4.3 粒子分散めっきの断熱効果の推定
図9に，処理層の厚さ10μm，空隙率0％の条件での樹脂層の時系列温度分布のシミュレーション結果を示す。
この結果より，溶融樹脂は処理層近傍から冷却されることが分かる。また，一般にPPの融点が125℃とされているため，シミュレーション結果における樹脂層の温度が125℃以下の領域を固化層とみなした。図10に処理層の厚さと空隙率の違いによる固化層の形成状況を示す。図10にて固化層の厚さが30μmに到達する時間を図11に示す。この結果を見ると空隙率が大きいほど到達時間は遅くなることが分かった。また処理層の厚いほうが到達時間が長い。これより空隙率や処理層厚の増加により固化層の形成が遅くなり，処理層の断熱性が高まることが分かった。空隙率の比較では，空隙率0％と空隙率25％は差がわずかであり，空隙率50％は空隙率0％との差が1ms以上生じる。従って空隙率により，
温度[℃]

17μm
処理層

処理層

処理層0μm

1 ms
5 ms
10 ms
図 9 時系列温度分布
10μm - 0%30μm - 0%

固化層の厚さ[μm]５．まとめ①金型との接着性に優れ，かつ熱の伝わり方を制御可能な処理層として粒子分散めっきを選定した。供試材の熱拡散率からは処理層を施すことにより断熱性が向上することが示唆された。
②粒子分散めっき処理層を作製した入れ子を用いて流動長の比較試験を行った。その結果，処理層を作製した入れ子では熱拡散率の最も低いPTFE処理層にて流動長が最も長くなったが，処理層を作製しない入れ子と比較して，流動長を向上させる効果は確認できなかった。

50μm
33μm

10μm - 25%
30μm - 25%

10μm - 50%
30μm - 50%

343332313029282726161820時間[ms]2224

図10 処理層の厚さと空隙率の違いによる
グラフ タイトル
固化層の形成状況

2322
到達時間[ms]

固化層の形成を遅くするためには分散粒子の割合が25～50％程度必要と推測される。本研究で用いた粒子
分散めっきに含まれる分散粒子の割合は最も高い
PTFE でも 30～35％であり，より高い効果を得るためにはさらに含有率を高めて成膜することが必要である。

10μm

21.930μm

2120191819.3

19.0

17.8

18.0

空隙率0%

空隙率25%

18.9

17160

空隙率50%

図11 固化層の厚さが30μmとなる到達時間の比較
グラフ タイトル

６．今後の課題
シミュレーション結果より，処理層により溶融樹脂の固化層の形成を遅らせるためには，粒子分散めっきの粒子割合を高めるか，処理層を厚くすることが効果的と示唆された。従ってそれらの対策を図る予定である。また流動長の比較試験では，固化層による流動長への影響を精度良く比較できるよう，成形条件の最適化を行う予定である。
７．参考文献等
1) プラスチック成形品の高次構造解析入門，一般社団
法人プラスチック成形加工学会
2) 日本プラスチック工業連盟 http://www.jpif.gr.
jp/2hello/conts/colum_c.htm
3) 図解入門 現場で役立つ射出成形の基本と仕組み，
株式会社秀和システム
4) 新成形技術 ウエルドレス・高転写成形技術と応用展開，秋元技術士事務所 秋元英郎 http://www.
cea.or.jp/dcument/z230803.pdf
5) 株式会社KDA，https://www.kda1969.com/
materials/pla_mate_ptfe2.htm
6) 日立化成株式会社，http://www.hitachi-chem.co.
jp/japanese/report/053/53.pdf
7) 黒崎播磨株式会社，https://krosaki-fc.com/
ceramics/machinable.html
8) アスザック株式会社，http://www.asuzacceramics.jp/material/material2.htm