射出成形シミュレーション用
溶融樹脂粘度測定装置の開発
広島県⽴総合技術研究所
⻄部工業技術センター 材料技術研究部
部⻑ 田平 公孝
2023年11月30日
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従来技術とその問題点
既に実用化されているものには、キャピラリー式測定法等の粘度測定がある。
ガラス繊維等含有樹脂の場合、実際の射出成形ではガラス繊維切断が起きるが、キャピラリー法では正確な切断再現ができない問題があった。

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せん断速度 Q
プランジャー

シリンダー

圧力センサー
試料

圧力 ΔP

ノズル

温度 Ｔ

高さ ｈ 5～25mm
穴径Φ0.5～3ｍｍ
図１ キャピラリレオメータ
3

本法におけるメリット

スクリュ形状や各構成要素の磨耗等により、せん断発熱や繊維破断の度合いは各成形機毎に異なり、当然そこから射出される樹脂の粘度も異なる。

繊維破断の少ない
スクリュ

繊維破断の多い
スクリュ

長繊維

短繊維

粘度高粘度低・繊維破断時の樹脂粘度が測定できる。
・可塑化条件の違いによる樹脂粘度への影響が測定できる。

図２ 繊維せん断イメージ
4新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、ガラス繊維の切断の影響を反映することに成功した。
• 従来は細径シリンダで樹脂を溶融していたが、射出成形機を利用することにより、繊維切断の影響を反映することが可能となった。
• 本技術の適用により、CAE精度が向上し⾦型設計・開発のコスト削減に期待できる。
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１．背景
その１

業界
プラスチック製品における成形の困難増加
・大型化・複雑化（モジュール化など）
・薄肉化（軽量化のため）競争はグローバル化激化

要求増加
・開発期間の短縮・開発費用の削減がこれまで以上に求められている。

従来
カンと経験により金型形状を設計 ⇒ 金型試作・成形実験⇒ 不具合の抽出 ⇒ 金型の修正・再試作繰り返しによる最適化により量産開始。

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その２

従来
カン・経験による設計＆金型試作
トライ&エラーの繰り返し
シミュレーションが高精度化できれば、金型修正・再試作は削減できる！

シミュレーション

ニーズ
射出成形シミュレーションに寸法精度よる金型修正・試作回数の削減。

＝ 開発期間短縮開発コスト削減

現状
現在、シミュレーション結果と実成形品には許容し難い差異が生じている。

実成形品

射出状態の樹脂粘度と通常測定の差？

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粘度について（基礎知識）
ニュートン流体

例えば、水や空気など

せん断応⼒ τ

せん断応⼒τとせん断速度ɤが⽐例関係
粘度μは、せん断速度ɤが変わっても一定

せん断速度 ɤ非ニュートン流体 例えば、溶融樹脂など
低粘度

⾼粘度

水

水飴

μ = τ / ɤ

せん断応⼒ τμ：粘度
τ：せん断応⼒ɤ ：せん断速度(dv/dy)

せん断応⼒τとせん断速度ɤが⽐例関係ではない
粘度μは、せん断速度ɤが変わると変化

せん断速度 ɤ8

２．樹脂粘度測定ユニットの開発（ハード）

入れ子
温度センサ

射出成形機
圧力センサ
圧力センサ

圧力

樹
脂
圧力・温度
計測装置

流量
計測装置

樹脂温度
樹脂流量

図３ 粘度測定ユニット概要
9ほぼ水平流路・粘度測定金型モデル

金型を下から見上げた構図

図４ 樹脂粘度測定金型①10縦流路式－樹脂粘度測定金型

図５ 樹脂粘度測定金型②中央付近の縦筋が実際の流路
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＜ 矩形流路の樹脂粘度計算式） ＞

樹脂粘度

ΔＰＢＨ3
η＝12ＬＱ・
剪断速度 ɤ＝6Q
BＨ2

η︓樹脂粘度（Pa･s)・ɤ︓せん断速度（1/s)
ΔP︓圧⼒差（Pa）
Q︓樹脂流量（ｃｍ3/ｓ）･･･ 式(1)･･･ 式(2)B︓流路幅(mm)
H︓流路⾼さ（ｍｍ）
L︓圧⼒センサ間距離（ｍm）

12温度測定手法
熱電対による直接測定法①

センサーが太いとシース部の影響が大きく樹脂温が測れない。
（＝温度変化が無い。）

図７ 一般シース熱電対13温度測定手法
熱電対による直接測定法②

そこで、センサーを極細にしてみると、、、。

樹脂流動により細いセンサが折れ曲がり金型に接触して上手く測れない。

図８ 極細熱電対14温度測定手法

裸の熱電対(自作)

細径シース露出型(自作)

接点むき出し式熱電対（メーカー製）

熱電対が測定毎に切れる。

これで測れるようになったと思った。

こちらの方が温度上昇に敏感。

図９ 実際の熱電対設置例15樹脂粘度測定
樹脂温度
圧力
樹脂流量

接点むき出し式熱電対

樹脂粘度が測定可能に！

圧力センサ
計量差による複数回測定
P

計量50ｍ1

図１０ 接点むき出し式熱電対

Pt

計量100ｍ2t

P

ｍ2-ｍ1t1
図１１ 圧力波形t2t

流量 ｍ -ｍ1
Ｑ＝ 2(t2-t1 )･ρ(cm3/sec）

図１２ 計量差による樹脂流量計算
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点を数式化し、近似線で表示する。
樹脂粘度(η)測定結果
6

樹脂粘度(η)5●●

4●●
3フィッティング
●
●

1●
●

2345

6

せん断速度(logτ)2フィッティング結果●●
1定数の算出0プロット例

01132234455
せん断速度(logτ)66

生データは、ただの点なので、このままではシミュレーションソフトに使えない。

Cross - WLF 式 （シミュレーション用定数計算式）・s）

シミュレーション用の定数

図１３ 実データとフィッテイング
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３．フィッティングソフトの開発（ソフト）

図１４ フィッティングソフト画面
18４．シミュレーションと実成形の検証
10000

10000
開発法(200℃)
キャピラリー法(200℃)

開発法(200℃)
キャピラリー法(200℃)
1000

樹脂粘度（Pa*se c)

樹脂粘度（Pa*se c)

1000

100

1001010111101001000

10000

樹脂剪断速度(1/ sec )図１５ＰＰのみの樹脂粘度

100000110100100010000

100000樹脂剪断速度(1/ sec )図１６ 短繊維ＧＦ含有ＰＰの粘度

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100000
開発法(200℃)
キャピラリー法(200℃)

樹脂粘度（Pa*sec)

10000

1000

100101110100100010000100000

樹脂剪断速度(1/sec)

図１７

長繊維ＧＦ含有ＰＰの樹脂粘度20従来法データによる結果（長繊維）実際の射出成形結果（長繊維）

射出条件
成形機
J７５-EⅡ
シリンダ温度 ２００℃
金型温度４０℃
射出速度９７mm/sec
使用樹脂
LR２３C
開発法データによる結果（長繊維）

図１８ シミュレーションによる比較 （長繊維）21想定される用途• 本技術の特徴を生かすためには、ガラス繊維含有樹脂の成形における⾦型設計に適用することで精度向上・コスト削減のメリットが大きいと考えられる。
• また、達成された粘度測定法に着目すると、ゴムや熱硬化性樹脂の成形などの分野に展開することも可能と思われる。
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実用化に向けた課題• 現在、耐熱性300℃の圧⼒センサーを使用することで樹脂粘度が測定可能となった。
しかし、それでも耐熱性に不⾜があり⻑時間の使用に耐えられない点が未解決である。
• 今後、他の圧⼒センサーについて実験データを取得し、耐熱性向上の検討を⾏っていく。

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企業への期待• まだ開発途中ではありますが、本測定法とＣＡＥ解析･実成形比較を共同で取り組んでいただける企業を探しております。
・射出成形業
・樹脂メーカー・樹脂/フィラー混錬業
・ゴム等その他成形業 など
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本技術に関する知的財産権①発明の名称︓樹脂粘度測定⽅法及び樹脂粘度測定装置
出願番号 ︓特願2010-25819
特許番号 ︓特許第5678432号
出願人
︓広島県
発明者
︓佐々⽊憲吾 田平公孝
②発明の名称︓演算装置、演算処理プロ グラム、および演算⽅法
出願番号 ︓特願2020-13797
特許番号 ︓特許第7297215号
出願人
︓広島県
発明者
︓田平公孝 佐々⽊憲吾 後藤孝文
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お問い合わせ先○技術に関することについて
広島県⽴総合技術研究所 ⻄部⼯業技術センター
技術支援部
TEL 0823-74-0050
FAX 0823-74-1131
e-mail wkcgijutsu@pref.hiroshima.lg.jp○契約に関することについて
広島県⽴総合技術研究所 企画部
TEL 082-223-1200
FAX 050-3156-3479
e-mail sgkkikaku@pref.hiroshima.lg.jp
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