品質工学による射出成形製品の充填性評価に関する研究 -荷重押し込み曲線による解析-
日大生産工(院) ○水鳥 貴之 日大生産工 大澤 紘一 日大生産工 矢野 耕也
1.はじめに
プラスチック製品は身の回りに多く存在し，
その種類や用途は多種多様である。そしてそれ らのプラスチック製品の殆どが射出成形という 技術によって造られているが、射出成形技術に おいて，金型寸法と成形品が同じにならないと いう問題がある。その原因の一つとして，金型 内に樹脂が均一に充填されないことがある。
ところで,プラスチック製品の充填性につい て,成形品の寸法精度や透過性1)により評価した 例はあるが，樹脂の密度で評価した例はない。
樹脂の密度が硬さ試験機を用いた荷重-押し込 み曲線の押し込み深さと密接に関係すると考え，
この特性値による充填性の評価を試み，透過性1) との比較も併せて行った。
2.実験方法 2.1.実験機器
本研究では耐久性や衝撃，そして温度変化の 耐性が必要とされる樹脂製品を想定し，それら に対して強いといわれているポリカーボネート を用いて，実際に射出成形機（図 1）を使用し，
S字型の金型（図 2）を用いて製品を成形した。
なお，実験条件は先行研究1)と同じとした。
用されているロックウェル試験機を使用した。
ロックウェル試験機とは，試料に対して圧子を 押し込むとき，押し込み深さの測定の基準点を 決めるための基準荷重Ｗ₂（深さ h₁）を負荷し，
図 2 S 字型金型
図 1 射出成形機 2.2.パラメータ設計
射出成形は多くのパラメータの組合せから得 られる最適条件で行うことが望ましい。
製品の成形条件には制御できる因子が多いが，
一つずつ条件選択を行なうと時間がかかるので，
直交表Ｌ18を用いて，4,374 通りの実験を 18 回 で済ませることを可能とするパラメータ設計2) という手法を用いた。
2.3.制御因子
制御因子とは技術者が選択できるパラメータ のことであり，本研究では射出成形に最も深く 関わるとされる，A：スクリュー形状，B：金型 温度，C：加熱筒温度，D：スクリュー速度，E：
射出圧力，F：射出速度，G：取出し時間を用い た。それらの実験条件を表 1 に示す。
表 1 制御因子
2.4.誤差因子
誤差因子の割りつけとは，製品の使用環境や 使用条件を考慮して，意図的に制御が困難で悪 影響な条件を与えることで，ロバストな製品を 造るという考えである。本研究では成形後 1 分 間自然乾燥させたものを誤差因子Ｎ1，成形後 1 分間急冷したものを誤差因子Ｎ2とする。
2.5.計測特性
評価に用いた試験機は，工業界で最も多く使
一定時間保持した後（深さ h₂），再びＷ₁（深さ h₃）に戻す過程をとり，図 3 のように示される。
本研究では荷重に対する押し込み深さの関係を みるため，実際に得られた硬さの数値を押し込 A Study on Evaluation of Filling for Injection Molding Products by Quality Engineering
-Analysis by Load Indentation Curve-
Takayuki MIZUTORI, Kouichi OSAWA and Koya YANO
み深さ h（mm）に変換した。以下に押し込み深さ h(mm)の変換式を示す。
HR（読み取られる硬さ）＝130−500hより ｈ(mm) ＝
500 ) HR 130
( −
図 3 荷重-押し込み曲線
測定に関しては，図 4 に示した成形品を 2mm
（P1），3mm（P2），4mm（P3）部に切断し，その 寸法を計測した上で冷却速度の違いなどをあら かじめ考慮して，測定位置を決めた。計測シー トの上に成形品を乗せ，計測位置をチェックし ておき，荷重-押し込み試験を行った。充填性の 違いをみるため，成形品の横軸方向を Q,縦軸方 向 を R と し ,Q1.R1 の ま わ り に 荷 重 を 60.70.80.90kg と変えた計測を行った。これを Q1.R2，Q1.R3，Q2.R1，Q2.R2.Q2.R3 についても 同様に行った。計測位置を図 5 に示す。
図 4 成形品
図 5 計測位置 3.実験結果
3.1.標準 SN 比を用いた解析
標準 SN 比とは製品の機能を入力-出力関係で 考えた時，目的となる機能が直線ではなく曲線
の場合に使う SN 比である。荷重-押し込み深さ の入出力関係をみたとき，図 6 のように，ある 荷重値から急に曲線を描く場合がある。
図 6 押し込み抵抗による変位
これは材料における押し込み抵抗による影響 のために起こる現象である。そのため，曲線の 場合に用いる標準 SN 比を用いた解析を行った。
3.2.実験データの解析
表 2 に 2mm 部の実験 No.1 の押し込み深さのデ ータを示す。
表 2 2mm 部，実験 No.1 のデータ
Q1.R1 から Q2.R3 までの測定箇所ごとの荷重- 押し込み曲線のバラツキをみるために，SN 比η と感度β₁，β₂を求めた。例として 2mm 部(P1) 実験 No.1 の Q1.R1 の算出式を以下に示す。
全 2 乗和ＳＴ＝0.166２＋0.150２＋0.145２＋0.154
２＋・・・＋0.1076２ Ｎ1，Ｎ2の平均 ｙ０１＝
2 167 . 0 166 .
0 +
ｙ０２，ｙ０３，ｙ０４も同様に求める。
有効除数
ｒ＝ｙ０１２＋ｙ０２２＋ｙ０３２＋ｙ０４２＝0.081 線形式Ｌ１＝ｙ０１×0.166＋ｙ０２×0.150・・・
＋ｙ０４×0.154＝0.087，Ｌ２＝0.074 比例項の変動
Ｓβ＝
r 2
) L L
( 1 + 2 2 ＝
081 . 0 2
) 074 . 0 087 . 0
( 2
× +
＝0.162
比例項の差の変動
ＳＮ×β＝
r 2
) L L
( 1 − 2 2
＝
081 . 0 2
) 074 . 0 087 . 0
( 2
×
− ＝0.001 誤差変動 Ｓe＝ＳＴ－Ｓβ－ＳＮ×β＝0.00017 誤差分散 Ｖe＝
6
Se ＝0.00016 プールした誤差分散
Ｖn＝ 7 SN×β＋Ｓ e
＝0.00029 SN 比 η＝
Vn ) Ve S log (
10 β −
＝27.47(db) ２次項の線形式Ｌq1＝(ｙ０１×Ｍ1)＋(ｙ０２×Ｍ
2)＋(ｙ０３×Ｍ3)＋(ｙ０４×Ｍ4)＝41.74 比例項の係数
β１＝
) 90 80 70 60 ( 2
Lq
2 2 2 2
1 + +
+ ＝0.00091 定数
Ｋ２＝ (M1 M2 M3 M4 ) 4
1 2+ 2+ 2+ 2
＝ (60 70 80 90 ) 4
1 2+ 2+ 2+ 2 ＝5750 Ｋ３＝ (60 70 80 90 )
4
1 3+ 3+ 3+ 3 ＝450000 ２次項の係数
ω１＝ｙ０１－ )
K ( K
2
3 ×ｙ01
同様にω2，ω3，ω4を求める
２次項の線形式Ｌq2＝ω１×Ｍ１＋ω２×Ｍ２＋ω
３×Ｍ３＋ω４×Ｍ４ ＝-3260.731 ２次項の変動
β２＝ ２
２ ４ ２ ３ ２ ２
１ ω ω ω ω
Lq 2
＝-6.61
Ｌ18実験の SN 比とβ１，β２の算出データから 全ての厚みの測定箇所ごとに要因効果図を求め，
図 7 に 2mm 部，実験 No.1 の Q1.R1 についての要 因効果図を示す。
図 7 実験 NO.1,2mm 部,Q1.R1 の SN 比要因効果図 また,要因効果図から求めた 2mm（P1）3mm（P2）
4mm（P3）の Q1.R1 から Q2.R3 までの測定箇所ご との SN 比の最適条件を表 3 に示す。
表 3 厚みと測定箇所の異なる SN 比の最適条件
表 3 の結果から，全体的にスクリュー形状は Ａ2 のほうがいいと言える。Ａ2 の形状はＡ1 の 形状に比べ，ペレット（樹脂）をより細かく溶 融する形状となっているため妥当な結果である。
また，図 8 に示すゲートとランナーの関係から，
冷却速度としては，2mm 部のほうが 4mm 部に比べ，
速く冷却してしまうことから,因子 G について 2mm 部は G3(取出し時間長い)，4mm 部は G1(取出 し時間短い)という結果も妥当であるといえる。
表 3 より，測定箇所によって最適条件の因子が 異なることもわかる。
図 8 ゲートとランナー
ここで，制御因子 A～G のどの因子が Q と R の 影響で制御を難しくしているかを求めるために, 分散分析により制御因子 A～G と Q,R という二次 の交互作用および三次の交互作用を求めた。例 として 2mm 部の SN 比における結果を表 4 に示す。
また三次の交互作用の例として，交互作用の大 きい C×Q×R の SN 比の要因効果図を図 9 に示し, 比較するため,同様に交互作用の小さい G×Q×R を図 10 に示す。
表 4 の結果から，B,C,D,E,F,G という主効果が 大きいのは当然として，二次及び三次の交互作 用をみると，特に C×Q×R の交互作用が大きい ことがわかる。成形条件 C は加熱筒温度であり，
成形品の縦，横軸の両方向の充填性に悪影響を
及ぼし，調整が困難であることが考えられる。
表 4 2mm 部 分散分析結果
図 9 2mm 部の C×Q×R における SN 比要因効果図
図 10 2mm 部の G×Q×R における SN 比要因効果図 同様に 3mm，4mm 部の分散分析を行い，位置差 Q，R が大きい因子を表 5 に示した。
表 5 位置差が大きい因子
2mm，3mm，4mm 部をそれぞれ比較すると，位置 差の影響が大きい 4mm 部の制御は最も困難であ り，また成形品の厚み，縦，横軸方向ごとの位 置差の影響は異なるため，主効果の成形条件だ けではバラツキ低減に限度があるといえる。
3.3.透過性による評価との比較
本研究と同様の実験環境で行われた透過性を
用いた研究結果1)との比較を行った。両者のSN 比の最適条件を表 6 に示す。
表 6 SN 比の最適条件の比較
本研究の荷重－押し込みの関係と透過性を用 いた評価は,双方共に樹脂の充填性を評価した ものである。因子の水準から,2mm 部に関しては 金型温度，射出速度が，3mm 部に関しては射出速 度，取出し時間の水準が一致している。また 4mm 部に関してはスクリュー形状，金型温度，スク リュー速度の水準が一致している。また,この厚 みの相違による SN 比の利得は，荷重-押し込み 曲線を用いた解析の方が大きい。これは透過性 の 1 点のみの評価に対し，荷重と押し込み深さ の動的な関係を考慮していることが理由と考え られる。
4.まとめ
今回は成形品を厚みごとに評価し，測定箇所 ごとに SN 比，感度を求めることで成形品のどの 部分が制御を困難にしているかを求めた。厚み や成形品の測定箇所によって制御が困難である 因子は異なり，主効果である成形条件だけでの 制御は難しい。また，成形品の厚みごとに SN 比 を比較した結果，2mm 部が最も良く，3mm 部が最 も悪いという結果になった。一方，透過性の SN 比を比較すると同様の結果となっており，双方 ともに SN 比は 2mm 部が最も良く，3mm 部が悪い という結果が得られた。SN 比の順位性に関して は同様の結果となり,厚みについては同一の傾 向が得られたといえる。
5.今後の研究
今後の研究としては，比重（密度）の計測を 行い，SN 比・感度を求め，①荷重-押し込み深さ，
②透過性，③比重（密度）の 3 点の特性値を比 較し，結果の違いを検討していきたい。
参考文献
1)櫻井 基樹他，「MT ｼｽﾃﾑによる射出成形品の均 一充填性評価」（平成 19 年度），日本大学生産 工学部学術講演会講演概要 p9～p12
2)田口 玄一他，「オフライン品質工学」(2007) 日本規格協会 P28～p29
