射出成形金型は、プラスチック製品を製造するために使用される道具です。金型を設計する前に、プラスチックの特性を徹底的に理解し、習得することが不可欠です。プラスチックの成形プロセスを十分に理解することによってのみ、金型とプラスチック製品の寸法を正確に制御することができ、高品質な金型の設計が保証されます。.
1.1 プラスチックとその利点と欠点
1.1.1 プラスチックとは何か？
国家規格（GB/T2035-2008）によれば、プラスチックは、主に合成有機樹脂から構成される高分子人工材料であり、他の配合材料（添加剤）が添加されている場合と添加されていない場合がある。通常、熱と圧力を加えることで特定の形状の製品に成形でき、その形状は室温で変化しない。.
ポリエチレン、ポリスチレン、ナイロンなどの一部の樹脂は、そのままプラスチックとして使用できます。しかし、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリ塩化ビニルなどのほとんどの樹脂は、プラスチックとして使用する前に特定の添加剤を加える必要があります。.
プラスチックは幅広い用途があり、その製品は非常に多様です。プラスチックには多くの種類があり、それぞれ異なる特性を持っています。プラスチックは、ガラス状、弾性状、粘性流動性など様々な形態で存在します。一般的に金型を用いて成形され、射出成形、押出成形、ブロー成形、圧縮成形、トランスファー成形といった標準的な成形方法が用いられます。.
1.1.2 プラスチックの利点
プラスチックの利点には以下のようなものがあります。
1. 加工・成形が容易で、低コストでの全自動大量生産に適しています。
プラスチックは複雑な形状の製品にも成形でき、その生産効率は金属加工をはるかに凌駕する。特に射出成形プラスチック製品においては、非常に複雑な形状の製品でも一工程で製造することが可能である。.
加工が容易で、比較的低い設備コストで大量生産が可能であることから、プラスチック製品は費用対効果が高い。.
2. カスタマイズ可能なカラーと透明製品
プラスチックは簡単に着色でき、鮮やかでカラフルな製品や透明な製品を作ることができる。 異なるプラスチックを混合する, また、真珠光沢効果のある製品も製造でき、付加価値を大幅に高め、新鮮で明るい外観を与えることができます。.
3. 軽量かつ高比強度
ほとんどのプラスチックは、水と同程度の密度（約1.0 g/cm³）を持ち、金属やセラミックスに比べて軽量です。プラスチックの機械的強度は金属やセラミックスほど高くはありませんが、比強度（強度対密度比）が比較的高いため、軽量で高強度の製品を製造することが可能です。さらに、プラスチックにガラス繊維を充填することで、強度と耐摩耗性を大幅に向上させることができます。.
4. 防錆・耐腐食性
プラスチックは金属のように錆びたり、化学物質にさらされても腐食したりしません。酸、アルカリ、塩、油、化学物質、湿気、カビにも強く、様々な環境下で非常に耐久性に優れています。.
5. 低い熱伝導率と優れた断熱性
プラスチックは比熱容量が高く、熱伝導率が低いため、熱伝導性が低い。その結果、優れた断熱性と保温性を発揮する。.
6. 導電性および絶縁性用途に適しています
プラスチックは本来、優れた絶縁材料である。今日、プラスチックを使用していない電気部品は事実上存在しない。プラスチックに金属粉末や金属片を充填することで、優れた性能を持つ導電性製品も製造できる。.
7.優れた衝撃吸収性、騒音低減性、光透過性
プラスチックは優れた衝撃吸収性と遮音性を備えています。透明なプラスチック（例：PMMA、PS、PC）は、レンズ、看板、カバーなどの精密な製品の製造に適しています。.
1.1.3 プラスチックの欠点
プラスチックの欠点としては、以下のようなものがある。
1. 耐熱性と可燃性の低さ：プラスチックの最も大きな欠点。金属やセラミックに比べて耐熱性がはるかに低く、わずかに高い温度で変形し、燃えやすい。ほとんどのプラスチックは燃焼時に熱、煙、有毒ガスを発生させる。熱硬化性樹脂でさえ、200℃を超えると煙を出し、剥がれ始める。.
2.温度変化による特性の変化高温だけでなく低温でも、プラスチックのさまざまな特性が変化する可能性があります。.
3．低い機械的強度 同じ体積の金属と比較すると、プラスチックは機械的強度がはるかに低い。この違いは、特に薄肉のプラスチック製品で顕著である。.
4．特定の溶剤や化学物質による腐食を受けやすい 一般的に、プラスチックは化学物質によって容易に腐食されることはありません。しかし、PC（ポリカーボネート）、ABS、PS（ポリスチレン）などの一部のプラスチックは、特定の溶剤や化学物質によって容易に腐食され、耐性が弱いという特徴があります。一般的に、熱硬化性樹脂は性能が良く、腐食を受けにくい傾向があります。.
5．耐候性と経年劣化の悪さ プラスチックは強度、表面光沢、透明性において耐久性に欠け、荷重がかかるとクリープ現象を起こします。さらに、すべてのプラスチックは紫外線や日光にさらされやすく、光、酸素、熱、水、大気条件によって急速に劣化します。.
6．破損しやすく、ほこりや汚れが付着しやすい プラスチックは表面硬度が比較的低く、破損しやすい。さらに、絶縁体であるため静電気を帯びやすく、ほこりを引き寄せやすい。.
7．寸法安定性の低さ 金属と比較して、プラスチックは収縮率が高く、射出成形プロセスのパラメータの影響を受けやすい。そのため、制御が難しい大きな変動が生じ、成形プラスチック製品の寸法精度が低下する。さらに、プラスチック製品は使用中に水分を吸収し、温度変化が生じると、時間の経過とともに寸法が変化しやすい。.
1.2 プラスチックの組成
プラスチックの主成分は、ポリマーである様々な樹脂です。しかし、プラスチックとポリマーは同じものではありません。純粋なポリマーは、加工性、成形性、実用性といった要件を満たせないことが多く、通常は単独では使用されず、添加剤を配合することで初めて工業的な価値を持ちます。プラスチックは、合成樹脂を主成分とし、様々な添加剤（補助剤）を配合したものです。合成樹脂は、プラスチック製品の基本的な特性を決定づけるものであり、様々な添加剤を一体化させる役割を果たします。添加剤は、プラスチックの加工性や成形性の向上、最終製品の特性強化、あるいは製造コストの削減を目的として配合されます。.
プラスチック材料には、充填剤、可塑剤、着色剤、安定剤、硬化剤、酸化防止剤など、多くの添加剤が含まれています。樹脂はプラスチックの性能において決定的な役割を果たしますが、添加剤の貢献も無視できません。これらが一体となって、プラスチックに使用される完全な材料システムを形成します。.
1.2.1 樹脂樹脂は、加熱すると軟化し、外部からの力によって流動する性質を持つポリマーです。プラスチックの最も重要な構成要素であり、結合剤、すなわち接着剤として機能します。樹脂は、プラスチックの種類や基本的な特性（熱特性、物理特性、化学特性、機械特性、電気特性など）を決定づけます。.
1.2.2 添加物
（１）充填剤
充填剤（強化剤とも呼ばれる）は、プラスチックの重要な構成要素ですが、すべての種類のプラスチックに不可欠なわけではありません。一般的に、充填剤は不活性な粉末状物質です。充填剤は、成形性や加工性の向上、特定の製品特性の強化、新たな特性の付与、コスト削減のためにプラスチックに添加されます。.
例えば、フェノール樹脂系リレジンに木粉を添加すると、脆性が低減し、コストも削減できます。ポリエチレン樹脂やポリ塩化ビニル樹脂にカルシウム系充填剤を添加すると、剛性が高く耐熱性に優れた低コストのカルシウム系プラスチックが得られます。充填剤としてガラス繊維を使用すると、プラスチックの機械的特性が劇的に向上します。さらに、特定の充填剤を用いることで、導電性、磁性、熱伝導性など、リレジンにはない特性をプラスチックに付与することも可能です。.
充填剤は無機物と有機物に分類され、粉末状、繊維状、フレーク状の3つの形態で入手可能です。. パウダリー 充填剤には、木粉、パルプ、大理石、タルク、雲母、アスベスト、グラファイトなどがあります。繊維状充填剤には、綿、亜麻、ガラス繊維、アスベスト繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、金属ウィスカーなどがあります。薄片状充填剤には、紙、綿、麻、ガラスクロスなどがあります。充填剤は一般的に、プラスチック全体の組成の40%未満を占めます。.
球状または立方体状の充填剤は、一般的に成形性や加工性を向上させるものの、機械的強度は低下する。一方、フレーク状の充填剤は逆の効果をもたらす。充填剤の粒子が細かいほど、プラスチック製品の剛性、耐衝撃性、引張強度、安定性、および外観が向上する。.
（２）可塑剤
可塑剤は、樹脂と相溶性のある低揮発性・高沸点の有機化合物です。可塑剤を用いることで、樹脂の可塑性や柔軟性が向上し、成形性が改善されるとともに、剛性や脆性が低減されます。ポリマー分子間の相互作用を弱めることで、樹脂分子の可動性を高め、より低い温度でプラスチックの柔軟性と可塑性を向上させる効果があります。.
例えば、ポリ塩化ビニル樹脂にフタル酸ジブチルを添加すると、柔らかいゴム状のプラスチックに変化します。しかし、可塑剤はプラスチックの成形性や加工性を向上させる一方で、安定性、誘電特性、機械的強度といった特定の特性を低下させる可能性もあります。そのため、可塑剤の添加量は可能な限り最小限に抑えるべきであり、多くのプラスチックは可塑剤を必要としません。.
可塑剤に関する要件：
- ReResinLowとの相溶性が高く、揮発性が低いため、プラスチック製品からの溶出を防ぎます。.
- 無毒、無色、無臭。.
- 光や熱にさらされても安定している。.
- 吸湿性がない。.
一般的に使用される可塑剤には、フタル酸ジブチル（DBP）、フタル酸ジオクチル（DOP）、およびカンフルなどがある。.
（３）着色料
ほとんどの合成樹脂は、本来は白色で半透明、または無色透明です。工業生産の過程では、樹脂本来の色を変え、鮮やかで美しい製品を作るために、着色剤が添加されることがよくあります。また、着色剤の中には、プラスチックの耐光性や耐熱性を向上させるものもあります。例えば、天然のポリオキシメチレン樹脂をカーボンブラックで着色すると、光劣化を防ぐのに役立ちます。.
着色剤は主に顔料と染料に分けられます。顔料は一般的な溶剤には溶けないため、プラスチック中に均一に分散させて所望の着色効果を得るには、機械的な方法が必要です。顔料は有機顔料と無機顔料に分類できます。無機顔料は優れた耐熱性と耐光性を持ち、比較的安価ですが、着色力は低く、密度が高いという特徴があります（例：ナトリウムクリムゾン、硫黄インドリンイエロー、顔料ブルー、カーボンブラック）。.
有機顔料は、高い着色力、鮮やかな色、幅広い色域、低い密度といった利点があります。しかし、無機顔料（例：クロムイエロー、酸化クロム、鉛粉末）に比べて耐熱性、耐候性、不透明度が低いという欠点があります。染料は、ほとんどの溶剤に溶解する有機化合物で、プラスチックの着色に使用できます。低密度、高い着色力、良好な透明性といった利点がありますが、分子構造が小さいため、着色中にマイグレーションが発生することがよくあります（例：ソルベントブルー）。.
着色剤の要件：着色剤は、強い着色力、樹脂との良好な相溶性、およびプラスチック中の他の成分と反応しない化学的安定性を備えている必要があります。また、様々な温度や圧力下での成形中に劣化や変色を起こしにくく、プラスチック製品の長期使用を通して安定性を維持する必要があります。.
これらの要件を満たし、最適な発色を確保するために、, カラーマスターバッチマシン プラスチックの着色工程において、カラーマスターバッチマシンは極めて重要な役割を果たします。これらのマシンは顔料や染料を正確に計量し、均一に分散させることで、プラスチック製品に望ましい発色効果をもたらします。特に無機顔料などの不溶性顔料の場合、カラーマスターバッチマシンの効率的な混合システムは分散の課題を克服し、均一な着色を実現します。さらに、温度制御機能により、高温処理中の有機顔料や染料の劣化や変色を防ぎ、着色プラスチック製品の安定性と品質を維持します。.
（４）安定器
樹脂は加工や使用の過程で、劣化（老化とも呼ばれる）を起こすことがあります。劣化とは、熱、力、酸素、水、光、放射線などの影響を受けて、ポリマーの分子鎖が切断されたり、化学構造が悪影響を受けたりする反応を指します。ポリマーには、化学的性質を維持し、熱、光、酸素、カビなどの外部要因による劣化や架橋を防ぐために、安定剤が添加されます。.
安定剤は、その機能に基づいて、熱安定剤、光安定剤、酸化防止剤などに分類されます。
- 熱安定剤は、プラスチック成形時の熱分解を抑制し、スムーズな加工と高い製品品質を保証します。PVCプラスチックには、無毒ながら高価な有機スズ化合物が一般的に使用されています。.
- 光安定剤は、日光、人工光、または高エネルギー放射線によって引き起こされるプラスチックの劣化や性能低下を防ぎます。一般的な種類としては、紫外線吸収剤（例：安息香酸エステル）や遮光剤（例：カーボンブラック）などがあります。.
- 酸化防止剤：これらは高温下でのプラスチックの酸化や劣化を防ぎます。フェノール系およびアミン系の有機化合物が酸化防止剤としてよく用いられます。.
ほとんどのプラスチックには安定剤が必要であり、その量は材料全体の0.3%から0.5%を占めます。安定剤の要件：安定剤は樹脂との相溶性があり、ポリマーを効果的に安定化させ、水、油、化学腐食に耐性がある必要があります。また、成形中に劣化せず、揮発性が低く、プラスチックの色に影響を与えないことも必要です。.
（５）硬化剤
熱硬化性プラスチックの成形には、硬化剤、硬化促進剤、または架橋剤が使用されます。合成樹脂中の線状ポリマー構造は、架橋反応を経て三次元ポリマーネットワークへと変化し、硬化剤はこれらの反応を促進します。例えば、エチレンジアミンやトリエタノールアミンは、エポキシ樹脂によく添加されます。.
発泡剤、難燃剤、帯電防止剤、導電剤、磁性剤などの添加剤は、用途に応じてプラスチックに添加することができます。例えば、難燃剤はプラスチックの可燃性を低下させ、発泡剤は発泡プラスチックを生成し、帯電防止剤は適度な導電性を付与して静電気を除去します。添加剤の種類とその選択は、プラスチックの種類と、プラスチック製品の具体的な用途要件によって異なります。.
1.3.プラスチックの分類
プラスチックには多くの種類があり、現在、世界中で1万種類以上の加工可能なプラスチック材料（改質プラスチックを含む）が開発されており、そのうち300種類以上が一般的に使用されています。プラスチックはさまざまな方法で分類できますが、最も一般的な分類方法は次のとおりです。
（１）樹脂の分子構造と熱挙動に基づく分類
樹脂の分子構造と加熱時の挙動に基づいて、プラスチックは熱可塑性プラスチックと熱硬化性プラスチックの2つの主要なカテゴリーに分類できます。.
① 熱可塑性樹脂
熱可塑性樹脂の分子構造は、直線状または分岐状であり、一般に線状ポリマーと呼ばれます。加熱すると特定の形状に成形でき、冷却後もその形状を維持します。再加熱すると軟化して溶融し、新たな製品へと再成形することが可能です。このプロセスは複数回繰り返すことができ、可逆性を示します。成形中に化学変化は起こらず、物理的変化のみが生じます。熱可塑性樹脂の可逆性のおかげで、プラスチック加工中に発生するスクラップや廃棄物は、顆粒状に粉砕して原材料と混合することでリサイクルし、再利用することができます。.
熱可塑性樹脂は、結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの2種類にさらに分類できます。結晶性プラスチックは、分子鎖が規則正しく、安定して、コンパクトに配列されています。一方、非晶性プラスチックは、分子鎖が不規則で混沌とした配列になっています。そのため、一般的に結晶性プラスチックは耐熱性、不透明性、機械的強度に優れており、非晶性プラスチックはそれとは逆の特性を示します。代表的な結晶性プラスチックには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド（ナイロン）などがあります。. 一般的な非晶質プラスチックには、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（PVC）、ABS樹脂などがある。.
外観の観点から見ると、結晶性プラスチックは一般的に不透明または半透明であるのに対し、非晶質プラスチックは透明である。ただし、例外もあり、例えば、高い透明度を持つ結晶性プラスチックであるポリ（4-メチルペンテン-1）や、不透明な非晶質プラスチックであるABSなどが挙げられる。.
② 熱硬化性プラスチック
熱硬化性プラスチックは、最初は鎖状または分岐状の分子構造を持ち、可塑性と融解性の両方を備えているため、特定の形状に成形することができます。加熱を続けると、これらの分子構造の先頭鎖間に化学結合が形成され、架橋と呼ばれるプロセスを経て徐々にネットワーク構造が形成されます。.
温度が一定のレベルまで上昇すると、架橋反応がさらに進行し、分子は最終的に三次元構造を形成します。この硬化と呼ばれるプロセスにより、溶融も溶解もしない材料が生成されます。再加熱しても、分子鎖間の化学反応により、プラスチック製品の形状は固定されます。熱硬化性プラスチックは、高温でも可塑性を失い、再成形することができず、最終的には極めて高温で炭化または炭化します。このプロセスは不可逆であり、成形中に物理的および化学的変化が生じます。熱硬化性プラスチックはリサイクルまたは再利用できません。.
熱硬化性プラスチックは、熱可塑性プラスチックに比べて耐熱性に優れています。熱硬化性プラスチックの例としては、フェノール樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられます。.
熱可塑性樹脂は一般的に射出成形、押出成形、またはブロー成形によって成形される一方、熱硬化性樹脂は通常、圧縮成形やトランスファー成形に用いられるが、射出成形も使用可能である。.
プラスチックは主に高分子量のポリマーから構成されているため、その名称は使用されているポリマーに由来することが多い。しかし、プラスチックの名称は通常長く、話したり書いたりする際に不便である。そのため、国際的に認められた英語の略語が一般的に使用されている。熱硬化性プラスチックと熱可塑性プラスチックの略語と名称は付録1に記載されている。.
（２）プラスチックの特性と用途に基づく分類
プラスチックは、その特性と用途に基づいて、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック、特殊プラスチックに分類できる。.
①汎用プラスチック
汎用プラスチックは大量生産され、用途が広く、低コストで性能も優れています。一般的に非構造材料として使用されます。世界的に認知されている汎用プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、フェノール樹脂、アミノ樹脂の6種類です。これらのプラスチックは世界のプラスチック生産量全体の751トン以上を占め、プラスチック産業の基盤となっています。.
② エンジニアリングプラスチック
エンジニアリングプラスチックとは、一般的に機械部品や構造材料の製造に使用される工業用プラスチックを指します。これらのプラスチックは、高い機械的強度に加え、汎用プラスチックに比べて優れた耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、自己潤滑性、寸法安定性を備えています。また、金属特有の特性を持ち、機械製造、軽工業、電子機器、日用品、航空宇宙、ミサイル、原子力エネルギーなど幅広い分野で利用されており、特定の機械部品において金属の代替として用いられるケースが増えています。.
現在、一般的に使用されているエンジニアリングプラスチックには、ポリアミド（PA）、ポリオキシメチレン（POM）、ポリカーボネート（PC）、ABS、ポリスルホン（PSU）、ポリフェニレンオキシド（PPO）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などがある。最初の4つは最も急速に成長しており、国際的に主要な4つのエンジニアリングプラスチックとして認識されている。.
③ 特殊プラスチック（機能性プラスチック）
特殊プラスチックは特定の機能を持ち、特殊な用途に適しています。これには、医療用プラスチック、感光性プラスチック、磁性プラスチック、超伝導性プラスチック、耐放射線性プラスチック、耐高温性プラスチックなどが含まれます。これらのプラスチックの主成分は樹脂であり、特殊な合成法で製造されるか、汎用プラスチックやエンジニアリングプラスチックを処理または改質することで独自の特性を獲得します。これらのプラスチックは少量生産で、優れた性能を持ち、高価です。.
プラスチックの用途範囲が拡大するにつれ、エンジニアリングプラスチックと汎用プラスチックの境界はますます曖昧になってきている。例えば、汎用ポリ塩化ビニル（PVC）は、耐腐食性材料として化学機械に広く使用されている。.
（３）結晶形態に基づく分類
プラスチックは、その結晶構造に基づいて、一般的に結晶性プラスチックと非結晶性プラスチック（非晶質プラスチック）に分類される。.
結晶性プラスチックとは、適切な条件下で分子が幾何学的構造を形成できるプラスチック（例：PE、PP、PA、POM、PET、PBT）を指します。ほとんどの結晶性プラスチックは部分的に結晶性です。.
非結晶性プラスチックとは、分子の形状や配列が結晶構造を形成せず、無秩序な状態にあるプラスチックを指します（例：ABS、PC、PVC、PS、PMMA、EVA、AS）。非結晶性プラスチックは、アモルファスプラスチックとも呼ばれます。アモルファスプラスチックは等方性を示し、その機械的特性はあらゆる方向で均一です。.
結晶性プラスチック用射出成形機および金型の要件：
- エネルギー投入量の増加：結晶性プラスチックは、溶融時に結晶格子を破壊するためにより多くのエネルギーを必要とします。したがって、射出成形機はより高い可塑化能力を備えている必要があり、それに伴い定格射出量を増やす必要があります。.
- 融点範囲が狭い場合：温度低下に伴う結晶化やノズル詰まりを防ぐため、ノズル径を適切に拡大し、独立した温度制御機能を備えた発熱体を設置する必要があります。.
- 金型温度の均一性：金型温度は結晶化度に大きく影響するため、成形中の金型温度を均一に保つために、金型冷却システムにはできるだけ多くの水路を設けるべきです。.
- 高い収縮率：結晶性プラスチックは結晶化の過程で体積が大きく収縮するため、成形時の収縮率が高くなります。金型設計においては、この点を慎重に考慮する必要があります。.
- 異方性と内部応力：結晶性プラスチックは顕著な異方性を持つため、高い内部応力が発生します。金型設計においては、ゲートやリブの位置とサイズを考慮し、反りや変形を防ぐ必要があります。反りや変形は、後から工程調整で修正することが困難な場合があります。.
- 肉厚と結晶性：肉厚の厚いプラスチック部品は冷却速度が遅くなるため、結晶性が高くなり、収縮が大きくなり、ヒケやボイドが発生する可能性が高くなります。金型設計においては、プラスチック部品の肉厚を慎重に管理する必要があります。.
結晶性プラスチックの成形特性：
1. 結晶性プラスチックは熱を放出するため、高温成形時には完全に冷却し、冷却時間を慎重に制御する必要があります。.
2. 密度差が非常に大きいため、成形収縮も大きく、ヒケや空隙が発生しやすいので、保持プレスは適切に設定する必要があります。.
3． 金型温度 金型温度は結晶性に影響します。金型温度が低い場合、玩具の冷却が速く、結晶性が低く、収縮が少なく、透明度が高くなります。しかし、肉厚の玩具では冷却が遅く、結晶性が高く、収縮が大きく、物性も良好になります。したがって、金型温度は必要に応じて制御する必要があります。.
4. 成形後の結晶化特性。未結晶分子は脱型後に徐々に結晶化する傾向があります。この現象はエネルギーの不均衡を引き起こし、変形や反りにつながります。この問題を解決するには、材料と金型の温度を適切かつ適度に上昇させる必要があります。射出圧力と速度を適切に使用する必要があります。.
