射出成形加工におけるボイドとは? | 主な発生要因とそれぞれの対策

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ボイドとは

射出成形加工におけるボイドとは、成形不良の一つで、成形品の肉厚部に空洞ができている状態です。金型内に充填された樹脂は、冷却と共に収縮します。 この時、成形品の金型に接する面(スキン層)が冷却不足により収縮し凹むことを、ヒケと言います。 逆に、スキン層は固化しているが、内部に収縮し真空の空洞ができる事を、ボイドと呼びます。   ボイドが不良事象になる理由は、大きく2つです。

  • 外観不良:外観が良くない。
  • 機能不良:ボイド部の強度不足。

嵌合した時に隠れてしまうボイドは、外観的には問題はありませんが、表に出てきてしまうと、とても目立ちますので対策が必要です。一般的に、ボイドが発生するのは肉厚部です。 強度を持たせたい機能部分であり、ここに発生するボイドは強度不足に繋がるため、管理ポイントになります。

ボイド発生の要因

射出成形加工において、基本的に、ボイドは成形品の肉厚部に発生します。 ボイドの発生要因は下記の通りです。

成形品の肉厚が不均等

成形品は基本的に、同じ肉厚が望ましいですが、様々な理由で、肉厚にせざるを得ない事情がでてきます。 この肉厚部に、ボイドが発生します。 成形品の肉厚が不均等になる要因は下記の通りです。

  • 機能強化したい
  • 立体的なデザイン

保圧力が低い

ボイドは、保圧力が低いことが要因の1つです。 充填・保圧工程において、肉厚部に十分に圧力がかかっていないと、収縮分を補充できていないため、内側に収縮してボイドが発生します。

冷却時間が短い

冷却時間が短いと、表面のスキン層が固化する前に収縮が始まり表面はヒケます。 また、内側にもボイドが発生することがあります。

金型水管の詰まり

金型内部の水管が詰まることで、部分的に冷却不足になり、収縮が強くなります。 収縮が大きいとボイドが発生する可能性があります。

ボイド発生防止対策の基本

上記のように様々な要因でボイドは発生します。ボイド発生に対しての具体的な対策方法には以下のようなものが挙げられます。

金型構造(リブ、ボス、ガス抜け)に関連する対策

基本的に、ボイドは金型の肉厚部に発生します。 デザイン、機能を満たすためにやむを得ず、肉厚になっているため、その肉厚を減らすわけにはいきません。 対策として、肉厚部金型を放熱の良い金属に置き換える。又は、冷却水路を追加することで改善します。 ただし、金型改造は高額な費用と工期がかかりますので、成形条件・設備条件など変更のしやすい対策をした上で、改善できなかった時の最終手段になります。

成形条件(冷却時間・保圧力)に関する対策

肉厚部に発生するボイドには、保圧力を上げる、又は冷却時間を伸ばすことで、肉厚部の収縮量を減らし、ボイドが改善します。 ただし、副作用として、保圧力は製品の他の部分にもかかるため重量が大きくなり、冷却時間が伸びることで収縮しづらくなり、寸法が大きくなります。

設備(金型温度調節機)に関する対策

ボイド発生部の金型水管回路を独立にすることで、熱交換効率が上がり、収縮しづらくなります。 また、成形中に突如ボイドが発生した時は、金型内水管詰まりが原因の可能性があります。 診断方法は、成形を一旦中止し、即座に当該箇所を手で触り、熱くなっているか確認しましょう。触れないほど熱くなっていれば、金型内部の水管が詰まっています。詰まった水管のホースにエアーを繋ぎ、水管に詰まったゴミを取り除きます。(エアーパージ) この時、IN側・OUT側の両側から順にエアーパージすることで、より効果的に水管内のゴミを除去できます。 再稼働する際は、数ショット成形後、一旦成形停止し、当該箇所を触診し、水管内のゴミが除去できたかの確認を行いましょう。

保全(金型メンテナンス)に関する対策

十分な保圧がかかっていないことが、ボイド発生原因の1つです。ガス逃げが悪くなると、十分に充填されません。日常のPLのガス清掃だけでは、金型内部に蓄積したガス汚れは除去しきれないので注意が必要です。対策として、数万〜数十万ショット毎に定期オーバーホールが有効です。

ボイド発生を的確に検知するために

ここまでで、ボイド発生の主な要因とそれぞれへの発生対策について触れました。しかし、どれだけ対策を行っても完全にボイド発生をゼロにするのは難しいものです。ボイド発生を的確に検知するために、以下の各タイミングで特に注意しましょう。

初期検査

立ち上げ時は、品質規格に合格しているかしっかり初期検査することが重要です。 ボイドの発生箇所は限定的です。確認箇所を中心にしっかりと基準サンプルや、不良限度サンプルと見比べましょう。 もし判断が難しいようであれば、一旦品質管理部門に判断を委ね、合格を待った上での立ち上げが望ましいです。

タイムサンプルの検査

ボイドは、基本的に金型の累積ショットに比例して事象がひどくなります。 ガスベントが詰まってしまい、事象がひどくなるためです。また、金型水管内部のゴミ詰まりにより、突発することもあります。この場合は、以降毎ショット不良が出続けます。 タイムサンプルを採取し、定時で品質確認が重要です。

まとめ

ボイドについて、特に射出成形工場における不良対策・生産性の改善を考える際に注意しておきたいポイントをまとめました。 ボイドは、肉厚部において内側に収縮し真空の空洞ができる不良事象です。

発生要因を抑え、ボイドを見逃すことがないよう、流出対策をし、より高い成形加工技術の確立を目指しましょう。