JP7711566B2 - 樹脂成形品及び該樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂成形品及び該樹脂成形品の製造方法に係り、更に詳細には、射出成形された樹脂成形品及び該樹脂成形品の製造方法に関する。

射出成形法は、大型の成形品や、複雑な形状の成形品を作製可能であるのに加えて、工程数が比較的少ないので、低コスト化が可能であり、幅広い分野で用いられている。

例えば、自動車のバンパーやインストルメントパネルなど、大型部品は射出成形法で作製されることが多く、このような大型部品には、その剛性や強度を向上させるためにフィラーを添加した射出材が用いられる。

大型部品を射出成形する際には、射出材が金型内を流れる長さを短くするために複数のゲートから射出材を射出することが多く、また、成形品が開口部のある形状であると、射出材が２方向から合流するので、樹脂成形品中に射出材の合流界面が形成される。

キャビティ内に射出された射出材は、その先端でファウンテンフローに沿ってキャビティの中央の流動層から金型側に向かって噴き出すように流れるので、フィラーが針状や板状であると、上記合流界面でフィラーが樹脂成形品の厚さ方向に立って配向する。

そして、射出材の冷却・固化に伴って、溶融した熱可塑性樹脂が体積収縮したとしても、射出材中のフィラーは元々固体であるので体積収縮はほとんど生じない。

したがって、部品の厚さ方向に立って配向したフィラーが存在すると、その部分だけが厚さ方向への収縮が妨げられ、合流界面の近傍が盛り上がる外観上の欠陥（２次ウェルドライン）が生じてしまう。

特許文献１には、キャビティ内の樹脂合流部において、射出材が接触する金型要素の金型表面の一部をその場で回転させることにより、射出材に外力を加えてフィラーの配向を力学的に変え、２次ウェルドラインを抑えることが開示されている。

特開２０１４－１７２２５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、金型の表面を回転させて射出材に外力を加えるため、金型の回転部分が平面でなければならず、樹脂成形品の曲面部分に生じる２次ウェルドラインを抑制することは困難であるのに加えて、金型が複雑化してコストが上昇してしまう。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外観形状の制約を受けずに２次ウェルドラインの発生を抑止できる樹脂成形品、及び樹脂成形品の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、樹脂成形品の一部を薄肉化して板厚が徐々に変化する徐変部を設けることにより、上記徐変部を挟んで射出材の冷却速度に差が生じ、フィラーが面内方向に配向することを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の樹脂成形品は、熱可塑性樹脂と、針状及び／又は板状のフィラーと、を含有する。
そして、厚さが徐々に変化する徐変部を有し、上記徐変部の近傍に表面の１次ウェルドラインが延在しており、上記１次ウェルドラインから延びる熱可塑性樹脂の合流界面が、厚さ方向中央部で厚さの厚い方から薄い方に向けて貫入しており、上記合流界面のフィラーは、その長手方向が上記樹脂成形品の厚さ方向と交差する方向に配向していることを特徴とする。

また、本発明の樹脂成形品の製造方法は、上記樹脂成形品を製造する樹脂成形品の製造方法であり、金型を作製する工程と、該金型内に射出材を射出する成形工程とを有する。
そして、上記金型を作製する工程が、
樹脂成形品のメッシュモデルから金型内での射出材の流動を解析し、１次ウェルドラインの発生位置と、該１次ウェルドラインに対する２次ウェルドラインの発生方向と、を確認するステップと、
上記樹脂成形品のメッシュモデルを、上記１次ウェルドラインの発生位置に基づき、厚さが徐々に変化する徐変部と、該徐変部に繋がる薄肉部を形成したメッシュモデルに変更するステップと、
変更したメッシュモデルから金型内での射出材の流動を解析し、上記徐変部に１次ウェルドラインが発生するか否かを確認するステップと、を有し、
上記メッシュモデルを変更するステップと、上記徐変部に１次ウェルドラインが発生するか否かを確認するステップと、を繰り返して行い、徐変部に１次ウェルドラインが発生するメッシュモデルに基づいて金型を作製する処理を含むことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂成形品の一部を薄肉化して厚さが徐々に変化する徐変部を設け、上記徐変部を挟んで射出材の冷却速度に差を生じさせて、フィラーを面内方向に配向させることとしたため、外観形状の制約を受けずに２次ウェルドラインの発生を抑止した樹脂成形品、及び樹脂成形品の製造方法を提供することができる。

本発明の樹脂成形品の一例を示す要部断面図である。 厚さが一定である樹脂成形品の合流界面を説明する要部断面斜視図である。 本発明の樹脂成形品の合流界面にかかる圧力の状態を説明する断面図である。 本発明の樹脂成形品の徐変部の固化部分と流動層の状態を説明する要部断面図である。 本発明の樹脂成形品の合流界面の貫入状態とフィラーの配向状態を説明する要部断面図である。 金型作製のフローチャートである。 合流界面の貫入状態とフィラーの配向状態の例を示す要部断面図である。 実施例と比較例の厚肉部の厚さと２次ウェルドラインの盛り上がり高さとの関係を示すグラフである。 実施例と比較例の合流界面近傍に存在するフィラーの配向状態を示す模式図である。

本発明の樹脂成形品について詳細に説明する。
本発明の樹脂成形品は、熱可塑性樹脂と、針状及び／又は板状のフィラーと、を含有する。そして、図１に示すように、厚さが徐々に変化する徐変部を有し、該徐変部を挟んで厚肉部と薄肉部とを有する。

上記徐変部は、射出成型時に射出材が合流する箇所の近傍に設けられる。したがって、徐変部の近傍で射出材が合流するので、樹脂成形品の徐変部近傍の表面には、１次ウェルドラインが上記徐変部に沿って延在している。

また、上記樹脂成形品は、必要に応じて、上記薄肉部の徐変部側とは反対側に、さらに徐変部を設け、これに繋がる厚肉部を形成してもよい。

この任意に設けられる徐変部は、上記薄肉部を形成したことによる樹脂成形品の強度バランスなどの観点から設けられるものであって、２次ウェルドラインの発生防止のために設けられるものでないので、樹脂成形品のすべての徐変部の近傍に１次ウェルドラインが延在している必要はない。

本発明において、「徐変部の近傍」とは、徐変部の全体と、厚肉部と徐変部の境界から厚肉部側に１０ｍｍまでの範囲と、薄肉部と徐変部の境界から薄肉部側に１０ｍｍまでの範囲とを合わせた範囲をいう。

ここで、厚さが一定である一般的な樹脂成形品は、合流した射出材のフローフロント同士の冷却速度が同じであるので、合流した射出材は、ほぼ同時に流れが停止する。
そして、合流界面にかかる圧力が不均衡であると、図２中、点線で示すように、弓なり形状の合流界面が形成され、合流界面近傍のフィラーが樹脂成形品の厚さ方向に立って配向し、１次ウェルドラインからずれた位置に２次ウェルドラインが形成される。

本発明の樹脂成形品は、徐変部を挟んで厚さが異なっているので、樹脂成形品の面内方向から徐変部近傍で合流した射出材が、厚さが薄い方の射出材が先に冷却されて流れが停止し、厚さが厚い方の射出材は未だ流動性を有する。

したがって、保圧工程における合流界面には、図３中、矢印の大きさで示すように、圧力差が生じ、厚さが厚い方の射出材から厚さが薄い方の射出材に向けて圧力がかかる。

また、樹脂成形品の面外方向についてみると、射出材は金型に接することで冷却されるので、図４に示すように、金型側の射出材が固化しても中央部の射出材は流動性を有している。

そして、合流界面では、上記のように厚さが厚い方から薄い方に圧力がかかっているので、図５に示すように、板厚方向中央部において、射出材が板厚の厚い方から薄い方に貫入し、貫入先端が鋭角に屈曲した合流界面が形成される。

この合流界面近傍のフィラーは、上記鋭角に屈曲した合流界面に沿って配向するので、その長手方向が上記樹脂成形品の板厚方向と交差する方向に配向している。

したがって、合流界面の厚さ方向に占めるフィラーの割り合いが少なくなり、熱可塑性樹脂の体積収縮に伴う、合流界面の近傍と他の部分との収縮の差が小さくなって、射出材全体が均一に収縮するので、２次ウェルドラインの発生が防止される。

上記合流界面の近傍のフィラーは、その長手方向と樹脂成形品の厚さ方向とのなす角度が３０°未満の立った方向に配向したフィラーが少ないことが好ましく、上記立ったフィラーが存在する領域の厚さは、０．７ｍｍ以下であることが好ましい。

上記合流界面の近傍に存在するフィラーは、樹脂成形品の断面像を観察すること確認できる。本発明においては、合流界面近傍に存在するフィラーを観察し、上記立ったフィラーが存在する領域の厚さを測定した。

上記合流界面の貫入長さ、すなわち、板厚方向中央部で合流界面の曲率が急激に変化する根元から貫入先端までの長さは、２ｍｍ以上であることが好ましい。

そして、樹脂成形品の表面側を平滑にし、裏面側のみを傾斜させて上記徐変部を形成することで、徐変部を形成することによる外観上の変化が生じず、２次ウェルドラインによる外観上の欠陥を防止できる。

さらに、本発明の樹脂成形品は、合流界面が屈曲しているので、合流界面の付近に応力が加わったとしてもこの応力が屈曲した合流界面で分散されるので、合流界面が平面状である場合に比して合流界面付近の強度低下が防止される。

なお、本発明において、「フィラーの長手方向が上記樹脂成形品の板厚方向と交差する方向に配向している」とは、２次ウェルドラインの発生を防止できる程度に合流界面のフィラーが板厚方向に対して傾斜していれば足り、貫入先端において、板厚方向を向いたフィラーが全く存在しないことまでを意味するものではない。また、本明細書の断面図では、樹脂成形品の表面近傍及び合流界面近傍のフィラーのみを示している。

上記徐変部は、樹脂成形品の厚さにもよるが、例えば、樹脂成形品の厚さが１．５～５ｍｍである場合は、厚さの変化量が０．５ｍｍ～１．５ｍｍであることが好ましく、また、厚さが変化する方向の長さは、３０ｍｍ以上であることが好ましい。

樹脂成形品の厚さが急激に変化するのではなく徐々に変化することで、射出材が固化する過程において、厚さ方向中央部の流動性を有する部分が楔形に残るので、合流界面が厚さの薄い方に向けて深く貫入し、その先端が鋭角になる。

したがって、合流界面近傍のフィラーは、その長手方向が厚さ方向と略直交する方向に寝た状態で配向するため、２次ウェルドラインによる外観上の欠陥を防止できる。

上記熱可塑性樹脂としては、射出成形に用いられている従来公知の樹脂を使用することができ、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂などを挙げることができる。

また、上記フィラーとしては、タルク、マイカ、グラファイト、ウォラストナイト、ガラスフレーク、硫酸バリウム、炭酸カルシウムなどの針状・板状フィラーの他、ＰＡＮ系やピッチ系等の炭素繊維、ガラス繊維などを使用でき、樹脂成形品中のフィラーの含有量は、１０～３０質量％であることが好ましい。

次に、２次ウェルドライン発生を防止できる樹脂成形品の製造方法について説明する。
上記のように、徐変部の近傍に合流界面が形成されていることで、２次ウェルドラインの発生を防止できるので、本発明では、射出成形時に合流界面が形成される位置の近傍に徐変部を形成した金型を用いる。金型の作製手順を図６に示す。

具体的には、所望の形状の樹脂成形品のＣＡＤ形状データから、有限要素法や有限体積法などによって射出材の流動解析が可能なメッシュモデルを作成する。

このメッシュモデルと、射出圧やゲートの位置などの射出成形条件や、射出材の物性データなどから、金型内における射出材の流動を解析し、解析データから１次ウェルドラインの発生位置、及び、該１次ウェルドラインに対する２次ウェルドラインの発生方向と、を確認する。

そして、上記１次ウェルドラインの発生位置、及び２次ウェルドラインの発生方向に基づき、上記メッシュモデルを上記１次ウェルドラインの発生位置の近傍に徐変部を設けたメッシュモデルに変更する。

このとき、２次ウェルドラインが発生する側に、徐変部に繋がる薄肉部が形成されるように徐変部の位置を設定することで、薄肉部側の射出材が先に流動性を失うようになるので、徐変部の近傍に合流界面が形成され易くなる。

なお、ゲート位置や樹脂製品の形状によっては、薄肉部側からの圧力が厚肉部側よりも高くなる場合があり、２次ウェルドラインが発生する側とは反対側に、徐変部に繋がる薄肉部が形成されるように徐変部の位置を設定することもできる。

そして、上記徐変部を有する変更したメッシュモデルに基づいて、同様に、金型内における射出材の流動を解析し、上記徐変部に１次ウェルドラインが生じるか否かを確認する。

１次ウェルドラインが設定した徐変部に発生しないときは、再度、徐変部の位置や長さ、薄肉部の厚さを変えたメッシュモデルに変更して射出材の流動を解析し、上記徐変部に１次ウェルドラインが生じるまで、繰り返しメッシュモデルを変更する。

そして、上記徐変部に１次ウェルドラインが生じたら、この１次ウェルドラインが徐変部に発生するメッシュモデルに基づいて、金型を作製する。

この作製した金型を用いて、上記流動解析を行った射出成形の条件で射出成形することで、徐変部の近傍に１次ウェルドラインが形成され、合流界面のフィラーが厚さ方向と交差する方向に配向した本発明の樹脂成形品を得ることができる。
樹脂成形品の合流界面の近傍に形成される合流界面の先端形状の例を図７に示す。

なお、射出材の流動解析は、メッシュモデルを用いて射出材の流動をシミュレーションしており、実際に樹脂成形品を作製する際の射出材の流動状態と完全には一致しない。
したがって、メッシュモデルで徐変部に１次ウェルドラインが生じることをもって、徐変部内に１次ウェルドラインが形成された樹脂成形品が得られることを意味せず、樹脂成形品においては、徐変部の近傍に１次ウェルドラインが形成される。

このような、樹脂成形品の製造方法によれば、金型内に可動子やバルブゲートを設ける必要がないので、金型を低コスト化することでき、成形中にこれらの可動機構を制御する必要がないので、成形条件が簡素化され、ロバスト性が向上する。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例］
長さ３２０ｍｍ、幅８０ｍｍのキャビティの中央部に厚さ１．５ｍｍの薄肉部、この薄肉部の一方側に長さが６０ｍｍの徐変部、他方側に長さが３０ｍｍの徐変部を設け、これら徐変部の厚さの変化量が１．０ｍｍになるように厚さが２．５ｍｍの厚肉部が両端に形成されるようにキャビティを設定した。

このキャビティの両端から、板状のタルクを２０質量％含有するポリプロピレン樹脂を射出し、長さが６０ｍｍの徐変部の中央で合流させて板状の樹脂成形品を得た。

また、徐変部の厚さの変化量を１．０ｍｍに固定し、薄肉部の厚さと厚肉部の厚さを変化させて板状の樹脂成形品を得た。

［比較例］
徐変部を設けずに、厚さが１．５ｍｍで一定であるキャビティを設定する他は実施例１と同様にして板状の樹脂成形品を得た。
また、同様に、徐変部を設けずに厚さ厚さを変化させて板状の樹脂成形品を得た。

実施例と比較例の樹脂成形品の断面を観察した。
実施例の樹脂成形品は、合流界面近傍のフィラーが板厚方向と交差する方向に配向していたが、比較例の樹脂成形品は、合流界面近傍のフィラーが板厚方向に立って配向していた。

実施例と比較例との板厚と２次ウェルドラインの盛り上がり量との関係を図８、また、実施例と比較例の徐変部近傍のフィラーの配向状態の模式図を図９に示す。

板厚が２．５ｍｍのとき、合流界面近傍に存在するフィラーの長手方向と樹脂成形品の厚さ方向とのなす角度が３０°未満であるフィラーが存在する領域の厚さ（Ｌ）は、実施例の樹脂成形品は０．２ｍｍであり、比較例の樹脂成形品は１．６ｍｍであった。
また、板厚を振った実施例はすべて０．７ｍｍ以下であったが、比較例は０．７ｍｍを超えていた。

図８から本発明の樹脂成形品は、２次ウェルドラインの盛り上がり量が、比較例の樹脂成形品の１／３程度に抑えられており、２次ウェルドラインに起因する外観上の欠陥の発生を防止できることがわかる。

１ 樹脂成形品
２ 徐変部
３ 薄肉部
４ 厚肉部
５ 合流界面
５１ 貫入部
６ １次ウェルドライン
７ ２次ウェルドライン
８ フィラー
９ 固化部
１０ 流動層

Claims (7)

1. 熱可塑性樹脂と、針状及び／又は板状のフィラーと、を含有する樹脂成形品であって、
   厚さが徐々に変化する徐変部を有し、
   上記徐変部の近傍に表面の１次ウェルドラインが延在しており、
   上記１次ウェルドラインから延びる熱可塑性樹脂の合流界面が、厚さ方向中央部で厚さの厚い方から薄い方に向けて貫入しており、
   上記合流界面のフィラーは、その長手方向が上記樹脂成形品の厚さ方向と交差する方向に配向していることを特徴とする樹脂成形品。
2. 上記合流界面近傍に存在するフィラーが、その長手方向と樹脂成形品の厚さ方向とのなす角度が３０°未満であるフィラーが存在する領域の厚さが０．７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂成形品。
3. 上記徐変部における厚さの変化量が、０．５ｍｍ～１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂成形品。
4. 上記徐変部の厚さが変化する方向の長さが、３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の樹脂成形品。
5. 上記徐変部に繋がる厚肉部の厚さが、１．５～５ｍｍであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つの項に記載の樹脂成形品。
6. 上記請求項１～５のいずれか１つの項に記載の樹脂成形品を製造する樹脂成形品の製造方法であって、
   金型を作製する工程と、該金型内に射出材を射出する成形工程とを有し、
   上記金型を作製する工程が、
   樹脂成形品のメッシュモデルから金型内での射出材の流動を解析し、１次ウェルドラインの発生位置と、該１次ウェルドラインに対する２次ウェルドラインの発生方向と、を確認するステップと、
   上記樹脂成形品のメッシュモデルを、上記１次ウェルドラインの発生位置に基づき、厚さが徐々に変化する徐変部と、該徐変部に繋がる薄肉部を形成したメッシュモデルに変更するステップと、
   変更したメッシュモデルから金型内での射出材の流動を解析し、上記徐変部に１次ウェルドラインが発生するか否かを確認するステップと、を有し、
   上記メッシュモデルを変更するステップと、上記徐変部に１次ウェルドラインが発生するか否かを確認するステップと、を繰り返して行い、徐変部に１次ウェルドラインが発生するメッシュモデルに基づいて金型を作製する処理を含むことを特徴とする、樹脂成形品の製造方法。
7. 上記メッシュモデルを変更するステップが、２次ウェルドラインが発生する側に薄肉部を形成する処理を含むことを特徴とする請求項６に記載の樹脂成形品の製造方法。