ホットランナ金型の設計 製作技術に関する研究 Research on design and production technology of hot-runner mold 太田和良, 中村佳史, 前田晃穂, 鈴木勝博 OHTA Kazuyoshi, NAKAMURA Yoshinobu, MAEDA Teruho, SUZUKI Katsuhiro 1. 緒言 21 世紀は 環境の世紀 とも言われ これに向け ISO14000 シリーズ取得企業が世界的に急増する等 地球環境保全 資源循環型社会を目指した対応が始まっている 日本では最近特に プラスチック製品等の焼却時の有害ガス発生や産業廃棄物処理での運営管理等がごく身近な問題としてクローズアップされて来ている このような環境下で 樹脂成形分野の環境保全の観点からも 樹脂製品のリサイクルと同時に成形時の廃棄物を減らすためホットランナシステムを導入する企業が増えることが予測される 射出成形金型はコールドランナとホットランナに大別され 一般的なコールドランナ金型ではスプル ランナ部が固化し不用な部分が成形されてしまう ホットランナ金型では スプル ランナ部をヒータで加熱制御して常に流動化状態にしておくことで不要部分を成形せず 成形品だけを連続的に取り出す方法で ランナレス金型とも呼ばれ 成形サイクルの短縮や樹脂材料の節約 不要部分のカットなどの後作業を軽減するといったコストダウンに繫がる利点がある ホットランナ金型の利点 材料の節約ができる 環境問題 廃プラスチック対策の一助になる 製品化能力が実質的に増大する スプルなどの切断 粉砕作業が無くなる 成形サイクルが短縮されるため 出来高が増えるホットランナ金型の欠点 温度制御が難しい 多品種少量生産金型には 原則として適さない 色替え 樹脂替えがスムーズにできないしかし 金型構造が特殊で特別なパーツも必要となり 温度制御もシビアなことから 金型費が高価になり 現在日本においてはあまり普及していない 当然 教材においても十分なものがなく 技術的に如何なる金型なのかという疑問がある 本研究では実際にホットランナ金型の設計ノウハウを研究し 教材としての活用を目的に金型製作を行うこととしたので報告する 2. 成形品設計本研究では成形する製品については 本校所有の成形機 住友重機 SE75D にて成形可能であることを条件に設計した また 金型完成後の成形実験で用いるため 成形後のそりが発生しやすい薄肉の箱型形状とした エラー! 図 1 ホットランナ金型 図 2 成形品形状 -86-
表 1 成形品寸法等 ふた 本体 サイズ 100 56 20mm 97 53 20mm 肉厚 1mm 抜き勾配 2 樹脂 PP: 収縮率約 2% 冷却時間 約 3.8sec( 取出温度 60 ) 流動停止時間 約 0.8sec( 停止温度 180 ) ホットランナ金型を用いることによる成形品 設計時の新たな技術的制約はほとんど無く コ ールドランナ金型と同様の検討を行った 3. 金型構想設計 本金型は ホットランナ形式とし その他は 成形機の仕様を満たす大きさ 構造とした また 成形品本体と蓋の同時成形を行い ス トリッパプレート突き出しによる離型構造とし た 図 3に金型全体図 表 2に金型構想設計計 算結果を示す 図 3 金型全体図 表 2 金型構想設計計算結果 成形品 成形機 型締力 約 493kN 730kN 射出容量 約 20.6cm 3 64cm 3 (10.3cm 3 2 個 ) 射出率 25.75cm 3 /s 246cm 3 /s 流動比 77.3 200~240(pp 標準 ) 以上から本校所有の成形機で成形可能である ホットランナを用いることにより型締力はもちろん 射出容量においてもスプルやランナ部分を検討から除外できる これは利点で述べた製品化能力の増大を示している 図 4 ホットランナノズル ( バルブゲート ) ノズル内部の構造はバルブピン用の穴と樹脂流路 樹脂加熱用のヒータが組み込まれ 図 5 ルブピン63.38 4. 金型詳細設計ホットランナ金型設計のポイントは 成形品冷却のため樹脂を固化させる部分と ランナ ゲート部など樹脂を溶融させておく部分とを有するため型の一部が高温となり 金型の断熱と部品の熱膨張を考慮することである また ホットランナノズルの組込み部とゲートの開閉をおこなうバルブピンの機構部を備える必要がある 今回はコスト面と 省スペース重視し 空気圧制御によるエアーシリンダ構造を選定した 4.1 ホットランナノズルホットランナノズルは ノズル先端が開放しているオープンゲート式と開閉機能のついたバルブゲート式がある バルブゲート方式はゲート開閉機構を伴うため金型が高額になるが ゲートの切れがよく ゲート部の温度設定もオープン式に比べ容易になる利点がある 今回は独 HEITEC 製バルブゲート式を用いる 外観は図 4 に示すとおりで バルブピンの上下動作で流路を開閉する バ47.0-87-
のような構造となっている ホットランナノズル A 加熱時に樹 脂をシール 金型 図 5 ノズル内部構造 樹脂の出口図 7 ノズル熱膨張 4.2 ホットランナノズル埋込部放熱を抑えるために金型に組み込む際は空気断熱層を設ける必要がある また樹脂漏れを防ぐ為にノズル寸法を精密に測定し ノズル埋め込み部の金型寸法 ( 公差 ) などが決まってくる 4.3 バルブピン動作構造バルブピンのストロークについては ゲートを閉じている場合は 製品面から 0.02mm 程度入ったところを目標にし ゲートオープン時には今回の場合 図 8のように最低でも 1mm 以上のストロークがないと充分に流路を確保できない このことから余裕を見て最大 6mm 程度のストロークを可能とするようにシリンダ設計を行った 閉じ位置 開き位置 図 6 ノズル埋め込み部形状 ホットランナノズルは 200 以上に加熱されるため その埋め込み部分はノズルの熱膨張を考慮する必要がある 図 7のA 部寸法は 常温時において隙間を設け 加熱時には熱膨張により完全シールするように以下のような計算を行っている 熱膨張量 : ノズル長 鋼熱膨張係数 温度差 = 47.02 (12 10-6 ) (220-20 )=0.113mm 締代 :0.03~0.04mm 常温時のすきま (A 部 ):0.113-0.04 0.07mm 図 8 バルブピンストローク ( 最小 ) ホットランナのバルブピンの動作は電動 空圧 油圧などさまざまなものが存在するが 今回は空圧式を選定し 固定側取付板にエアーシリンダを配置した また シリンダまでの空気配管を型板内に設け 2 つのシリンダの動作にアンバランスがないように等距離に配管を設計する必要がある また シリンダ自体の動作抵抗が極力変わらないように各シリンダは同じ精 -88-
度が求められる シリンダハウジングは図 9のような構造でシリンダ内へ空気の流路を確保している ゲート閉 金型への組込みは熱損失なども考慮して 600W のものを 2 本使用することとした 図 11 は今回使用するのカートリッジヒータである ゲート開 図 9 シリンダハウジング シリンダ動作は成形機の射出動作と連動させる必要があり 成形機に空圧オプションがなければ 成形機からの信号からシーケンスを組む必要がある 4.4 マニホールドマニホールドはスプルからホットランナノズルまでのランナ部分となる型板であり ホットランナノズルと同様に樹脂を固化させないために 200 以上に加熱される このため樹脂流路やバルブピン通し穴などの位置は 熱膨張を考慮する必要がある 図 11 カートリッジヒータ (600W) さらに温度測定のため マニホールドの樹脂流路付近まで穴を開けて熱電対を配置した ホットランナノズルのヒータ及び マニホールドのカートリッジヒータと熱電対を図 12 のようなコントローラに接続し 樹脂温を制御している マニホールド 図 12 温度コントローラ (4ch) 図 10 マニホールドマニホールドの加熱は一般にはカートリッジヒータを用いる カートリッジヒータの選定は 加熱時間 10 分でマニホールド温度を 220 まで加熱する場合に必要なワット数を計算すると 880Wとなり コントローラ各熱電対ホットランナノズル各 2 本 カートリッジヒータ 図 13 温度コントローラ接続 スプルーブシュから溶融樹脂を漏れなくマニホールドへ導くためにシールする必要がある -89-
数百度となる溶融樹脂に対して通常のOリングではもたない そこでホットランナ金型ではステンレスOリングを用いている このリングはパーツ間で潰すことで隙間を埋めることができる また 微少隙間は溶融樹脂が入り完全シールが可能となる ブシュについても熱伝達をおさえるため 型板との接触を避けている これらを考慮し さらにマニホールド付近の型板には冷却水管を通すのが望ましい 今回は固定側取付板とホットランナ埋込プレートに 2 本ずつの水管 (φ6) を通す構造とした 図 14 ステンレスOリング 4.5 断熱構造マニホールドやホットランナノズルは樹脂溶融のため 200 以上に加熱されている そのため熱膨張を考慮した設計を行っているが 他の型板は加熱されると型板の変形や製品への影響を生じるため 昇温を抑える必要がある 極力加熱部品との接触を避けての設計を行う 加熱部品との間に空気断熱層を設けることにより 伝熱を抑える構造とした 4.6 金型冷却ホットランナ金型の場合 ノズルやマニホールドを加熱するが 金型自体は熱によるひずみ抑制や成形後の冷却時間短縮のため強制冷却が必要で コールド金型と比較し十分に考慮検討する必要がある また 成形実験において温度分布による成形品のそり現象解析を行うため コア側 キャビ側にそれぞれ図 16 図 17 のような冷却水管を設計し 2 台の温調器からそれぞれ温度管理できるようにした 隙間あり 図 16 コア キャビティの金型冷却水管 溝を設け, 接触面積減 図 15 断熱構造 図 15 のような接触を必要とするスペーサ部分などは溝を設け 極力接触面積を減らす また 熱伝導率の小さい材料を用いるなどの検討が必要である 本課題では鋼材 (S50C) を用いた また マニホールドと連結されるスプルー 図 17 コア型のバッフル式冷却 -90-
5. 金型製作射出成形金型の製作は 3 次元 CAD/CAM を駆使し マシニングセンタ ワイヤ放電加工機 汎用工作機械 研削盤など多種の機械を用いた またエアーシリンダの高精度製作のためターニングセンタも用いている このような部分では生産技術科の学習の総仕上げとして理想の課題である 図 18 金型加工本金型はホットランナを組み込むため バルブやエアーシリンダのスペースが必要で どうしても金型が大きくなる 金型が大きくなれば必然的に加工できる機械も限られてきてしまう 今回は本校所有設備で段取りを工夫し 加工をおこなった 組立においても型板が大きく重いため クレーンによる作業となり作業時間を要した このため通常の機械加工には見られない危険な作業も含まれ 安全管理の充実を伴う作業である 図 19 ホットランナ金型組立 6. 考察本課題は ホットランナ金型の設計知識がない状態からの取組みで 客員教授から助言を頂きながらの着手であり 金型設計に多くに時間を要した ホットランナ金型設計には多くのノウハウがあり その一部を習得できたことは当大学校機械系として大変有意義な取組みであったと推察する 系コース制の導入により 今年度から専門課程において金型の専門コース モールドデザインコース が新設され 教材としての検討も行ってきたが 諸問題点が明確になった その1. 射出成形金型の設計未経験者には はじめの取組みとしては設計ノウハウが多く 限られた時間内での習得が難しい その 2. ホットランナ金型製作ではノズル長やエアーシリンダ配置の関係でどうしても金型が大きくなるため加工機の選定が限られ 部品点数が多く 高価な金型パーツが必要になるなど 通常の金型製作実習において取組むことは難しいと考える 今回の研究と製作により従来ホットランナ金型の構造がイラストだけのイメージ的なものから 実物の見える教材となり 金型構造の指導教材として活用することで 極めて有効な教育訓練効果ができる さらに 樹脂流動解析とリンクして 樹脂温度制御が可能な成形実験用金型として 研究や実用化実験への活用が見込まれる 今後は本金型を用いての各種成形実験と樹脂流動解析について取組んでいく 参考文献 1) 中村, 前田他 : プラスチック金型の設計 製作と射出成形技術,( 社 ) 実践教育訓練研究協会 2) 高分子学会 : プラスチック加工技術ハンドブック, 日刊工業新聞社 -91-