[解析事例] 電子部品のアンバランスな流動、ウェルドライン、エアートラップの問題を一挙に解決

本事例でのT3Cタクトスイッチのサイズは3mm×2mm×0.6mmで、金型は8つのキャビティがある設計となります（図1）。内部キャビティの平均厚さは0.06〜0.09mmで、一般的な製品よりも難易度が高い加工技術が求められます。

図1　本事例製品の元の設計

Moldex3Dのシミュレーションから、アンバランスな流動が発生しているという問題が確認されました。フィッシュボーン形状のランナー設計により、内側の樹脂の流動速度が外側よりも速くなるという現象が発生していました（図2）。

図2　サブランナー部でのアンバランスな流動

また、ランナー部の最大冷却時間が長すぎるために、成形サイクルも7〜8秒と長くなっています（図3）。

図3　冷却時間が長すぎることを示すシミュレーション結果

さらに詳しく観察してみると、ウェルドライン（図4の赤い線で示す部分）が製品背面の凹穴部分に集中しており、これによって流体が浸透しやすくなり、製品の導通不良を引き起こしていることが確認できました。

図4　潜在的なウェルドラインの位置

このほか、最大せん断応力（図5）が約6MPaと高すぎるために、プラスチックに亀裂や過剰な残留応力が発生しています。

図5　製品の高すぎるせん断応力

シミュレーション結果と実験から、アンバランスな流動に影響を与える主な原因はランナー設計であることが明らかになりました。そこで、Moldex3D解析と複数回にわたる実験検証の結果に基づき、元の設計に代わる新しいランナーを検討し、アンバランスな流動の改善策として、ディプトロニクスチームでは最終的にS字型ランナーの採用を決定しました（図6）。

図6　S字型の新しいランナー設計

マルチキャビティがバランスの取れたランナーとなることで、各キャビティの充填と保圧が同時に行われるようになります。キャビティの追加によって生産能力を向上させることができるため、マルチキャビティの金型では、バランスの取れたランナーが非常に重要となります。ディプトロニクスチームは、Moldex3Dを使用して新しいランナー設計を評価したところ、アンバランスな流動（図7）、高せん断応力、長すぎる成形サイクルといったこれまでの問題がすべて解決されていることを確認しました。

図7　アンバランスな流動の問題が大幅に改善

S字型ランナーへ変更したことにより、せん断応力は7MPaから3MPaへと低下し（図8a）、最大冷却時間も8秒から5秒に短縮されました（図8b）。

図8　(a)せん断応力の低減に成功、(b)成形サイクルの短縮に成功

さらに、S字型ランナーシステムでは材料を11%節約することができ、製造コストの削減を実現しました（図9）。

図9　元の設計（左）と最適化された設計（右）のランナー重量比較

ですが、ランナーシステムの変更だけではウェルドラインやエアートラップの問題解決には至らず、背面にある深さ0.03〜0.05mmの凹穴（図10a）やウェルドライン、エアートラップの問題を解決するために、外観を4つの外部エジェクターピン（図10b）に変更する必要がありました。

図10　背面の凹穴なし(a)、4つの外部エジェクターピン(b)に変更された最終的な最適化設計

実際に製造された成形品が示すように、ウェルドラインの位置が成形品上部に移動しており（図11赤丸で示す部分）、元の設計から大幅に改善され、実際の検証後もシミュレーション結果とほぼ一致していることが確認できます。

図11　シミュレーションされたメルトフロントと実験結果がほぼ一致

さらに詳しく観察してみると、凹穴のある元の設計ではウェルドラインがはっきりと確認できる（図12赤丸で示す部分）のに対し、凹穴をなくし、エジェクターピンの設計を変更した新しい設計では、製造上の品質要件を満たしていることが確認できます。

図12　元の設計（左）と最適化された設計（右）のウェルドライン比較