射出成形過程における成形品板厚方向の可視化実験 −樹脂流動によるせん断応力と分子配向度の関係− Visualization Experiment through the Thickness direction of during Injection Molding (金沢工大 院) ○（学）佐藤和人,（金沢工大）熊谷吉郎， （金沢工大 院）和田卓也 （金沢工大） （正）瀬戸雅宏，(金沢工大) （正）山部 昌 Key Words: Visualization / Resin flow / Molecular orientation ratio / Shear strain energy 出率を 3 水準（6.2，18.6，31.0cm3/s）にて行っ １．緒言 筆者らははこれまで射出成形 CAE のそり解析 た．なお，供試材料は PS（日本ポリスチレン製 精度を目的とした，線膨張係数予測手法を検討 G690N）を用いる． するため，分子配向度と線膨張係数比の関係， 2-2 樹脂流速測定方法 3) せん断ひずみエネルギーを算出し，分子配向度 これまでの検討では種々の制約から実成形時 0.5 との関係を明らかにしてきた 1)． Area of observation の射出率と比較し，約 1/10 程度での射出率での 100 検討であった．そこで，前報にて金型構造の改 良や高速度カメラの仕様変更により，高射出率 液境界面は表層にシフトすることを確認した 3 50 本研究では前報に引き続き，種々の射出率で の可視化実験より，せん断ひずみエネルギーを Center of thickness 10 での可視化を可能とし，高射出率に伴い，固− 2)． Layer1 Layer2 Layer3 Layer4 Layer5 1.5 さらにはキャビティー内部の樹脂流動観察から 35 35 For Molecular Orientation Unit:mm Fig. 1 Size of Injection Molded plate and Specimen 算出し，分子配向度との関係を検討した． ２．実験方法 樹脂流速測定は光切断法および PIV 法を用い 2-1 可視化装置並びに成形条件 て行う．キャビティー部にアクリルブロックを 樹脂流動観察は高速度カメラ MEMRECAM 用いたインサート金型を使用し，成形品板厚方 ci-Expo(ナックイメージテクノロジー製)を用い 向からシート状の光を流動している樹脂に照射 た．なお，本カメラは１秒間に 500 コマの撮影 する．その際，平均粒径 150μm の銅粉を混入 が可能である． し，2 コマ以上の瞬間映像を撮影する．得られた 成形は型締力 50t のプリプラ式射出成形機 映像は画像処理により 2 次元的な粒子の異動量 （Sodic 製 TR50S2）を用い，成形温度 250℃， を測定することで流速分布を求める． 金型温度 30℃，保圧 19.6MPa を一定とし，射 2-3 分子配向度測定方法 Kazuhito SATOH*, Yoshiro KUMAGAI, Takuya Wada, Masahiro SETO, Masashi YAMABE: 分子配向度はマイクロ波を照射し，透過マイ クロ波強度からその配向度を求める高精度型分 Department of Material Design Engineering, 子配向計(王子計測機器製 MOA-3012)を用いた． Kanazawa Institute of Technology, 試験片は成形板中央部より 35×35mm に採取後， *3-1 Yatsukaho, Mattou, 924-0838, Japan, 5 層にスライスする．さらに各層を研磨機（ﾏﾙﾄ Tel. 076-274-9258, ｰ製 ML-150P）を用い，0.3mm に仕上げる． Fax. 076-274-9251 E-mail： [email protected] なお，スライス時や研磨時，摩擦熱による物性 τ = γ& ⋅ η(T , γ& ) ・・・(1) 値への影響を避けるため，流水により十分冷却 P = τ ⋅ γ& ・・・(2) しながら研磨を行う． E= ３．結果および考察 2.0 図 2 に各射出率における配向度測定結果を示 す．縦軸の MOR-c は分子配向度を表し，1 であ 射出率が高くなるにつれ，配向度のピークは t1 P(t )dt ・・・(3) 1.5 MOR_C 配向が大きいことを表す． t2 5.88cm3/s 17.64cm3/s 29.40cm3/s 3-1 分子配向度測定結果 れば無配向（等方性），数値が大きくなるに従い z 1.0 表層にシフトすることが分かった．射出率が高 くなることで固−液境界面が表層に移動するた めと考えられる． 1.6 5.88cm3/s 17.64cm3/s 29.40cm3/s MOR-c 1.4 0.0 0 1 2 3 4 5 6 Shear strain energy[106J/m3] Fig.3 Relationship between Shear strain energy and Molecular Orientation ratio での時間を積分範囲とする 4)． 図 3 に各射出率におけるせん断ひずみエネル ギーと配向度の関係を示す．若干，ばらつきは 1.2 あるものの，せん断ひずみエネルギーが大きく なることで分子配向度は大きくなることがわか った．このことから，高射出率においてもせん 1.0 断ひずみエネルギーから分子配向度の予測が可 0.0 1 2 3 4 5 Layer Fig.2 The measurement result of MOR-c 3-2 せん断ひずみエネルギー算出 分子鎖の配向には外部からのエネルギーが必 要になり，このエネルギーは樹脂流速差により 生じるせん断応力とせん断応力が作用している 時間によって求めることが出来る．そこで，せ ん断ひずみエネルギーを算出し，分子配向度と 比較・検討する． 樹脂の粘度 η，流速分布から得られるせん断 能であることが分かった． ４．結言 本研究では種々の射出率による，可視化実験 より，せん断ひずみエネルギーを算出し，分子 配向度との関係を検討した結果，以下のことを 明らかにした． 1)射出率の増加に伴い，分子配向度のピークも 表層に移行する 2)高射出率条件においても分子配向度とせん 断ひずみエネルギーに相関関係が得られる 謝辞 ・ ひずみ速度γから(1)式を用いてせん断応力を算 出する．さらに(2)式より単位時間・単位体積当 たりの仕事率を求める．この仕事率は時間によ って変化することから，さらに(3)式を用い，せ ん断ひずみエネルギーを算出した． 可視化実験が定点観測であることから，エネ ルギーが作用している全時間範囲で積分した場 合，分子配向度測定箇所とのずれを生じる．そ こで，時間と仕事率との関係より上層が固化し てから（仕事率０） ，評価したい層が固化するま 本研究を遂行するに当たり，東京大学 秀俊教授，並びに東京工業大学 ･ 佐藤 横井 勲教授 にご助言を頂きました．ここに感謝致します． 参考文献 1) 瀬戸雅宏他：成形加工，15,5,363(2003) 2) 熊谷吉郎他：成形加工ｼﾝﾎﾟｼﾞｱ’03，299(2003) 3) 横井秀俊他：成形加工,143(1990) 4) 瀬戸雅宏他：成形加工’03，43(2003)
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