JP2008246819A - 超音波を用いた射出成形品の品質評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、射出成形品の成形時における成形収縮に伴う製品の安定性のバラツキを超音波センサで音速を求めることによってポアソン比分布を求め、射出ゲートからの位置によって成形収縮の程度を評価できる方法に関する発明である。
出来上がった製品を目視検査などの定性的な判断によって良／不良を選別していたものが本方法を利用することにより、不規則的に生じる不良品を抽出することが可能である。
また、単に不良品を抽出するだけでなく、製品のできばえを定量的に計測できる特徴を生かして、各種最適化手法と組み合わせることにより、射出条件の最適化を行うことが可能となる。
【解決手段】 射出成形された製品について、超音波センサを用いて、縦波速度と横波速度を計測し、所定の位置からの距離に対して、ポアソン比を算出する計測方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、射出成形後の成形品の品質評価に関する。

合成樹脂の射出成形品は硬化収縮などがあることは指摘されているが、不良品は冷却時に生じる「ひけ」や流動端において発生する「ウエルドライン」の有無で評価される目視検査によるものが一般的であった。

そして、従来の技術としては、超音波発信機により振動子から発振した超音波振動を、振動伝達ワイヤを介して、成形品空隙部（いわゆるキャビティ）内に樹脂材を充填し始める前の段階から成形型に伝達し、キャビティ内に樹脂材が充填されると、キャビティ内壁と樹脂材との界面に摩擦熱が発生し、その熱が周囲に伝搬して結果に樹脂全体が加熱され、樹脂材が充填し終わるまで超音波振動を与え、射出条件を良好に決定するためのものがあり、超音波振動を使用しているが、これは成形するときの品質を向上させ得ることは可能であるが、成形された品質を評価するものではなかった。

あるいは、従来の技術としては、合成樹脂注形体の構成組織（マトリックス）について、その物性を超音波エコー高さ及びデシベル値を用い非破壊的に検出し診断する方法があるが、射出後の製品を単一評価するだけで一つの製品全体の不安定性を評価するものではなかった。

このような公知技術として次の特許文献１及び特許文献２を挙げることが出来る。

特許公開2006-007620 射出成形装置及び射出成形方法 特許公開平8-285827 樹脂成形体の物性診断方法

上記のような先行技術では合成樹脂の射出条件を決め射出中の安定性を図り、合成樹脂の成型品の一つの製品全体の不安定性を評価するものではないという問題点がある。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、目視では判別不可能な合成樹脂の射出成形品の良／不良を、超音波を用い非破壊的に且つ定量的に一つの製品全体の不安定性を計測し評価する手法を見いだし、合成樹脂の射出成形された製品の良否を判定することを用いて、品質管理及び成形条件を最適化することを特徴とする評価方法を提供することである。

本発明の計測方法の評価方法を以下に示す。
（１）射出成形された製品について、所定位置から異なる複数の計測位置に超音波送受信装置を用いて、それぞれの前記計測位置毎の縦波速度と横波速度を計測し、それらの音速比からそれぞれに対応するポアソン比を算出しそれぞれ比較することを特徴とする計測方法を提供することにより、上記課題を解決する。即ち、前記所定位置を射出ゲート位置として、縦波音速と横波音速をそれぞれの超音波の送受信センサを用いて測定し、音速比からポアソン比を計算しそれぞれ比較することを特徴とする計測方法である。
（２）また、（１）記載の所定の位置から異なる複数の計測位置の中から特定の一箇所の計測位置を基準の計測位置とし、前記基準の計測位置の縦弾性率と横弾性率およびポアソン比の値と前記他の複数の計測位置の縦弾性率と横弾性率およびポアソン比の値とを互いに比較して射出成形された製品の良否の判定をすることを用いて品質管理することを特徴とする評価方法を提供することにより、上記課題を解決する。即ち、前記所定位置を射出ゲート位置とし、前記特定の一箇所の計測位置を基準の計測位置として射出ゲート位置から最も遠い位置とし、基準の計測位置のポアソン比が前記他の複数箇所の計測位置毎のポアソン比に比べて同等かそれ以上に高くなれば、その成形品の品質は良品と判定する。
（３）また、（２）記載の所定の位置から異なる複数の計測位置の中から特定の一箇所の計測位置を基準の計測位置とし、前記基準の計測位置の縦弾性率と横弾性率およびポアソン比の値と前記他の複数の計測位置の縦弾性率と横弾性率およびポアソン比の値とを互いに比較して射出成形された製品の良否の判定をすることを用いて成形条件を最適化することを特徴とする評価方法を提供することにより、上記課題を解決する。即ち、前記所定位置を射出ゲート位置とし、前記特定の一箇所の計測位置を基準の計測位置として射出ゲート位置から最も遠い位置とし、基準の計測位置のポアソン比が前記他の複数箇所の計測位置毎のポアソン比に比べて同等かそれ以上に高くなれば、その射出成形品の品質は良品と判定する。
（４）また、（１）記載の計測方法において、超音波送受信センサの支持する位置を微調整可能な保持具（ラチェットストップを有するマイクロメータヘッド）を有することを特徴とする計測方法及びそれを用いた計測治具。超音波送受信センサと射出成型品の計測部位を安定的に一定圧力で密着保持でき、バラツキの小さい精度の良い測定結果が得られることにより、上記課題を解決する。

本発明は合成樹脂の射出成形特有の冷却時に生じる「ひけ」特性に注目して目視では判別できない部位毎の差異を判別できることが特徴である。
これにより、抜き取り検査でも目視検査レベルでしかできなかったものが、定量的な判断基準を与えることができ、品質管理及び射出条件の最適化にも利用できる。

まず、合成樹脂の射出成形品のゲート位置の特定をし、射出成形方法によって金型内の空隙（キャビティ）内の溶融樹脂の二つ以上の流れが合流する部分に得られる樹脂成型品のウエルドライン位置を明示させる。そして、ウエルドライン位置と対象となる箇所を選び（1.射出ゲート位置からの所定の位置を測定ポイントに選ぶ。）、そして、評価したい製品のロット、あるいは固有の製品において超音波送受信装置で縦波速度と横波速度をそれぞれ計測する。（2.縦波音速と横波音速をそれぞれの超音波の送受信装置を用いて測定する。3.音速比からポアソン比を計算する。4.複数箇所の測定位置毎のポアソン比を調べ、基準位置（例えば、ゲート位置）から所定の位置（例えば、基準位置から最も遠い位置）のポアソン比が前記複数箇所の測定位置毎のポアソン比に比べて同等かそれ以上に高くなれば、その樹脂成形の品質は合格であると判断する。）

ＪＩＳ Ｒ １６０２に基づいて、次式［数1］で音速比からポアソン比を、次式［数２］で横弾性率を計算する。次式［数1］と次式［数２］の結果から次式［数３］で縦弾性率を計算する。

（数1）
ν＝０．５×（Ｖ_ｌ ^２−２Ｖ_ｔ ^２）／（Ｖ_ｌ ^２−Ｖ_ｔ ^２）
ν：ポアソン比、Ｖ_ｌ：縦波の速度（ｍ／ｓ）、Ｖ_ｔ：横波の速度（ｍ／ｓ）

（数２）
Ｇ＝ρＶ_ｔ ^２
Ｇ：横弾性率、ρ：密度

（数３）
Ｅ＝２（１＋ν）Ｇ
Ｅ：ヤング率（縦弾性率）

オリンパス株式会社製デジタル超音波探傷器Ｍｏｄｅｌ ＥＰＣＨ ４Ｂを使用する。感度最大110dB、レンジ1〜10000mm、屈折角設定機能、パルサーエネルギー100〜400V、ダンピング抵抗50〜400Ω、アナログ帯域幅0.05〜25MHzのうち、レンジ2mmでパルサーエネルギー100V、ダンピング抵抗50Ωなどに設定する。超音波探触子はオリンパス株式会社製V110-RMなどを用いる。試料の所定の厚さを測定した後、試料および超音波探触子はそれぞれ保持具で固定され、触媒（例えばグリセリン）を塗布した後、音速を測定する。

図４は、射出成形品の測定表面と超音波送受信センサとの接触圧を一定に保つ計測治具（超音波送受信センサ保持治具）の正面図である。

この超音波送受信センサ（超音波センサ）保持治具は、保持台、保持台の一方の端部に第１の支持部と保持アームを有する固定枠を設けている。保持台の他方に第２の支持部と略Ｌ字型の支持枠を前記固定枠に対向して固定ネジにより設けている。この支持枠は保持台との固定部に長穴を有しており固定するときに前記固定枠との間隔を調整できる。後述するように、製品を固定するときに保持台に長穴を用いて固定ネジにより取り付ける。前記固定枠と前記支持枠の間の保持台上面に超音波センサを載置する高さの異なるものに交換できる構造である凸状部（テーブル状）を固着してある。

前記保持アーム先端部にマイクロメータヘッドを有し、前記マイクロメータヘッドは前記超音波センサを載置する凸状部に向けて保持されている。

射出成形品（製品）は一方の端部を前記第１の支持部に、他方の端部を前記第２の支持部に支持された状態で設置する。

超音波センサを載置する凸状部上に超音波センサを置き、更にその上に計測する前記固定枠と前記支持枠に挟持させて、製品の裏面部を超音波センサ部に触媒を介して突き当てて、前記支持枠を長穴で調整しながら固定ネジにて取り付ける。

製品の表面にマイクロメータヘッドが突き当たるようにラチェットストップにより回転させて挟持する。この状態はマイクロメータヘッドを用いており、ラチェットストップにより超音波センサと製品の接触圧（測定圧）を一定にしてばらつきの小さい精度のよい計測結果が得られる。

射出成型品をポアソン比分布で評価した実施例を以下に示す。図１に評価を実施した射出成形品とゲート位置を示す。
図２は、試作段階における測定箇所毎のポアソン比分布（図中の1、2、3は試料の試作段階数）を示す。測定箇所は中間流動部である測定位置１及び測定位置３、最終充填部である測定位置４である。測定位置２は、平面部でないリブ部を所定位置として、測定していない箇所である。最終流動部のポアソン比に着目すると、試作段階１及び２では中間流動部の方が高いが、試作段階３では最終流動部が高くなり逆の傾向を示している。また、ポアソン比のばらつきに着目すると、試作段階１及び２に比べ、試作段階３がより均一に近づいていることが確認できる。実際の成型においても試作段階１及び２は不安定な成型となり、試作段階３では最も安定的に成型できたことから、この評価方法の妥当性が確認された。

図３は、量産時における測定箇所のポアソン比分布（TP番号は製品ロット番号）を示す。図２における試作段階３の成型条件を採用し量産条件としている。最終流動部のポアソン比に着目するとＴＰ１１のみ中間流動部が高くなっている。これは図２における試作段階での評価において、試作段階１及び２にみられた傾向と同じである。よってこのロットの製品は不良と判断できることから、量産品の品質管理への適用も期待できる。

最適化手法として品質工学を用いた場合の実施例を以下に示す。品質工学では、まず、最適化を行う対象となる変更可能なパラメータを制御因子と呼び、その制御因子の種類と水準（１、２、３）を設定する。射出成形条件の制御因子と水準の事例を図5に示す。一般的には、これらの制御因子と水準を組み合わせて合計１８パターンの射出条件で成形を行い、成形品のポアソン比分布を求める。
制御因子と水準の組み合わせ及びポアソン比分布の関係から、図６に示すような要因効果図が作成される。この要因効果図は、横軸に制御因子と水準、縦軸にばらつきにくさの指標であるＳＮ比をとった図である。制御因子ごとに連続した折れ線としてＳＮ比が表示されるが、その中で最も大きなＳＮ比となる水準が最もばらつきにくい、つまり最適な水準（例えば制御因子が射出速度の場合には水準１が最適）となっていることを表している。従って、すべての水準でそれぞれ最もＳＮ比が大きくなる水準を選択することで、ポアソン比のばらつきに対して最適な射出成形条件を見出すことができる。

目視評価でしかできなかった定性的な評価が工学的な物性値を用いて定量的に評価することが可能となるため、製品の競争力を高めることができ、企業価値が向上する。

射出成形品とゲート位置 試作段階における測定箇所のポアソン比分布（1、2、3は資料の試作段階数） 量産時における測定箇所のポアソン比分布（TP番号は製品ロット番号） 超音波送受信センサ保持治具の正面図を示す。 射出成形条件及び水準の例を示す。 要因効果図の例を示す。

Claims (4)

1. 射出成形品において、所定位置から異なる複数の計測位置に、それぞれの前記複数の計測位置に超音波送受信装置の超音波送受信センサを用いて、それぞれの前記計測位置毎の縦波速度と横波速度とを計測し、それらの音速比からそれぞれに対応するポアソン比の値を求め各々比較することを特徴とする計測方法。
2. 請求項１記載の複数の計測位置の中から特定の一箇所の計測位置を基準の計測位置とし、
   前記基準の計測位置のポアソン比の値と前記他の複数の計測位置のポアソン比の値とを相互に比較し前記射出成形品の良否の判定により品質管理をすることを特徴とする評価方法。
3. 請求項２記載の前記基準の計測位置のポアソン比の値と前記他の複数の計測位置のポアソン比の値とを相互に比較し前記射出成形品の良否を判定することを用いて成形条件を最適化することを特徴とする評価方法。
4. 請求項１記載の計測方法において、超音波送受信センサの支持する位置を微調整可能な保持具を有することを特徴とする計測方法及びそれを用いた計測治具。

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