[解析事例] 成形プロセスおよび金型構造がASA製品表面の白点に与える影響に関する研究

自動車部品の射出成形において、ゲート近傍に色むらのある白点がしばしば発生し、製品の外観に影響を与えます。白点の発生は射出パラメーターと金型構造に関連しています。本研究では、射出成形プロセスのシミュレーションに Moldex3D を採用し、実践的な実験を統合することで、フォンミーゼス応力と製品表面の白点との関係を示しました。この研究の目的は、シミュレーションを通じて射出パラメータと金型構造を最適化し、白点発生のリスクを最小化することです。

色ムラはゲート付近の溝下流部で発生することが多く、その原因は複雑で難しい問題です。射出成形の複雑な要因の中で、白点が発生する理由と改善方法をシミュレーションで解明します。光沢度と成形パラメーターの関係を作成し、成形パラメーターを最適化します。

Moldex3Dは、ASA研究モデルの射出成形プロセスのシミュレーションに使用されました。溶融温度、射出速度、金型温度、ゲート厚さなどの異なる射出パラメータと金型構造をシミュレートし、白点発生の原因と改善策を検討します。本研究では、得られた関係の正しさを実用的な実験を通じて検証し、ASA試験モデルの表面における白点の発生を改善するための推奨事項を提案します。

様々な射出パラメーターの中から、ASA試験モデルの表面に白点が発生する主な影響因子を見つけます。実用的な実験の正しい方向性を指摘し、実験の作業負担を軽減します。また、今後の実験で白点問題を回避し、製品開発の効率を向上させます。

自動車用ASA部品の白点発生を調査し、予測方法を開発するために、簡易金型を設計しました。図1に示すように ASAはエッジゲートから充填され、深さ1mm、幅5mm、ゲートからの距離20mmの溝を通過し、溶融物は均一な厚さの板に入ります。4つの異なる射出速度と4つの異なる溶融温度による16のプロセス条件が選択され、実験製品はさまざまな程度の白点を示しました。

図1. 白点試験用金型と簡略図

色むらは布で拭いても取れないことから、白点はプラスチック添加剤の放出に起因するものではないと考えられます。図2に示すように、サーバーの白点が最も多い製品と最も少ない製品のシミュレーション結果を比較すると、溝の下流部で明らかに高いフォンミーゼス応力があり、白点のひどい製品では、最も少ない製品よりもフォンミーゼス応力がはるかに高くなっていることが分かります。

図2. フォンミーゼス応力
（a）激しい白点 （b）少ない白点

溝の下流域には7つのセンサーノードを設置しました。センサノード1が溝に最も近く、センサノード7が最も遠い点です。他の5つのセンサーノードは図3に示すように等間隔に配置されています。16のプロセス条件の結果は、ゲートとセンサーノード間の距離が長くなるにつれて、フォンミーゼス応力が急激に増加し、その後ゆっくりと減少することを示しています。フォンミーゼス応力が最大になるのは、通常、溝に最も近いセンサーノード1ではなく、溝から5mmの距離にあるセンサーノード2で見られます。

図3. 異なる位置におけるフォンミーゼス応力

フォンミーゼス応力に加え、図4に示すように、厚み方向の速度もセンサーノードと同様の傾向を示しています。厚さ方向の速度は、センサーノードが溝から離れるにつれて大きく異なります。 すぐに増加し、ゆっくりと減少します。溝付近の流れ場は不安定であり、センサーノード2で最大速度が現れています。シミュレーション結果は、厚さ方向の流速とフォンミーゼス応力を用いてホワイトスポットの問題を特定できることを示しています。

図4. センサーノードの違いによる厚み方向の応力と速度

白点発生の主要因を探るため、ゲート厚さ、溶融温度、射出速度、キャビティ厚さの4つの射出パラメータを選択し、製品表面の光沢度を調べました。実験データの直交分析結果から、ゲート厚みと表面光沢の関係は、他の3因子と比較してあまり大きな影響はありませんでした。キャビティ厚さ、射出速度、溶融温度が表面光沢の重要な因子であり、射出速度、キャビティ厚さ、射出速度の順に影響がありました。各因子と表面光沢の関係を図5に示します。

図5. 制御因子と光沢の傾向曲線
（a）キャビティ厚さ（b）溶融温度（c）射出速度

図6に示すように、シミュレーション結果のフォンミーゼス応力と実験結果の光沢を比較します。相関分析から、表面光沢とフォンミーゼス応力は大きく関係していることが分かります。したがって、成形シミュレーションからフォンミーゼス応力を予測することにより、白点のリスクを見積もることは、合理的で実行可能な方法であると考えられます。

図6. フォンミーゼス応力と光沢の相関

各要因の傾向と光沢への影響を分析した結果、回帰分析により所定の範囲内で最適な射出パラメータが得られました（キャビティ厚さ3mm、溶融温度280℃、射出速度15mm/sec、ゲート厚さ2.5mm）。最適化された射出パラメータのシミュレーション結果は、図7に示すように、ホワイトスポットの激しい元の射出パラメーターと比較して、厚さ方向のフォンミーゼス応力と速度が明らかに減少しています。さらに、最適化された射出パラメーターにより、ホワイトスポットは解消されました。

図7. 最適化前と最適化後の射出パラメータの比較

本研究は、残留応力と板厚方向の速度を予測することで、ホワイトスポットのリスクを推定するツールとして機能することを実証しました。実験計画法を用いて、各射出パラメータと白点の相関関係を明らかにしました。それにより、金型設計と射出工程条件を最適化し、白点の発生を防止することに成功しました。