JPH10156885A - 結晶性熱可塑性樹脂射出成形品の機械的強度予測方法 - Google Patents

結晶性熱可塑性樹脂射出成形品の機械的強度予測方法

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JPH10156885A
JPH10156885A JP31751596A JP31751596A JPH10156885A JP H10156885 A JPH10156885 A JP H10156885A JP 31751596 A JP31751596 A JP 31751596A JP 31751596 A JP31751596 A JP 31751596A JP H10156885 A JPH10156885 A JP H10156885A
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JP
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orientation
crystallinity
mechanical strength
molding
molded article
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Tatsuya Hayashi
林  達也
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Mitsubishi Plastics Inc
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Mitsubishi Plastics Inc
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C45/76Measuring, controlling or regulating
    • B29C45/7693Measuring, controlling or regulating using rheological models of the material in the mould, e.g. finite elements method

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】実際に射出成形により成形品を得ることなく、
設計段階で成形品の機械的強度を予測する。 【解決手段】 結晶性ポリオレフイン系樹脂の射出成形
品の結晶化度および配向度と機械的強度との重相関デー
タを実測によって作成しておき、成形条件、成形樹脂特
性などの成形諸元に基づく解析によって結晶化度と配向
度を求め、求められた結晶化度および配向度と、前記重
相関データとから射出成形品の機械的強度を予測する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明はポリオレフイン樹脂
などの射出成形品の製品あるいは金型形状を設計するに
あたって、最終成形品の機械的強度が要求を満足できる
ものか否かの評価を行うために有用な機械的強度予測方
法に関する。
【0002】
【従来の技術とその課題】射出成形用の金型あるいは製
品形状の設計に際して、金型内での樹脂の流動解析や金
型の構造解析などの解析を行うことにより評価を行うこ
とは従来から知られている(例えば特開平4−1021
79号公報)。しかしこのような解析により最終製品の
機械的強度の予測を行うまでには至っていないのが現状
である。
【0003】そのため、金型設計などはある程度試行錯
誤的に行われ、金型設計後に射出成形を行いその成形品
が要求の機械的強度に満たない場合にはコストの高い原
料を選定せざるを得なかったり、強度を向上させるため
金型を修正し厚肉にしたりしているのが現状である。
【0004】本発明の目的は、金型を製作したり、また
その金型を用いて実際に射出成形を行うことなく、設計
段階で最終成形品の物性値を予測することができる金型
設計、製品設計などのための評価方法を提供することに
ある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、ポリオレフイ
ン系樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂の射出成形における
金型設計、製品設計などに有用な機械的強度予測方法を
提供するものであって、その要旨は、成形品の結晶化度
および配向度と機械的強度との重相関データを実測によ
って作成しておき、成形条件、成形品形状および成形樹
脂特性を含む成形諸元に基づく解析によって結晶化度と
配向度を求め、求められた結晶化度および配向度と、前
記重相関データとから射出成形品の機械的強度を予測す
ることを特徴とする機械的強度予測方法にある。
【0006】
【作用】本発明によれば、成形諸元からの解析結果によ
って求められる成形品の結晶化度と配向度とを、実測し
て得たこれらの値の各機械的強度に関する重相関データ
に照合することで成形品の各部位の各機械的強度を予測
することができるものであり、金型設計、製品設計段階
において最終成形品の機械的強度が要求を満たすか否か
を判断でき、迅速な設計と設計修正が可能になる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施例に基
づいて詳細に説明する。図1は本発明の一つの実施例の
フローチャ−トである。図1に示す本発明予測方法の一
つの実施例は、次の4つのステップを含んでいる。
【0008】1)成形に使用する樹脂について多種類の
グレードを用いて射出成形を行い、機械的強度(曲げ強
度、曲げ弾性率、引張強度など)、結晶化度および配向
度を実測して、機械的強度に対する結晶化度および配向
度の重回帰分析を行って、重回帰式を求める。
【0009】2)成形条件、成形品形状および成形樹脂
特性を含む成形諸元に基づいて、樹脂の流動解析によっ
て、結晶化度および配向度の予測に必要な樹脂の状態、
すなわち金型内の温度、圧力、せん断速度などを位置お
よび時間の関数として求める。 3)上で求められた温度、圧力、せん断速度などから、
射出成形品における結晶化度および配向度を求める。
【0010】4)求められた結晶化度および配向度と、
前記重回帰式とから射出成形品の機械的強度を求める。
【0011】以下に、各ステップを説明する。 1)機械的強度に対する結晶化度および配向度の重回帰
分析:ここでは、信頼性の高い重回帰式を得るため、多
種類の樹脂グレードについて、射出成形条件を種々変更
して射出成形品を作成する。
【0012】本例では、1次構造が大きく異なるポリプ
ロピレン樹脂を用いて、27通りの成形条件で、300
mm×200mmの板状成形品(肉厚2、3、4mm)
を射出成形した。これらの成形品の中央から、JIS規
格に従って試験片を切り出して各種機械的強度の測定を
実施した。一方、同じ射出成形品の中央部より2cm角
程度の少量の試料を切り出し、結晶化度およぴ配向度を
測定した。
【0013】結晶化度は成形品の密度から算出した。配
向度は顕微フーリエ変換赤外分光光度計により、成形品
断面の表面から中心までのc軸配向関数fcの値を積分
することにより求めた。
【0014】得られた各機械的強度と、結晶化度および
配向度との関係を重回帰分析した結果、ホモポリマーと
ブロツクコポリマーの各々について、成形品の肉厚ごと
に、表1〜5に示す係数を持った下記重回帰式が得られ
た。
【0015】Y=A・X1 + B・X2 + C Y : 機械的強度 A : 配向度についての偏回帰係数 X1 : 配向度測定値 B : 結晶化度についての偏回帰係数 X2 : 結晶化度測定値
【表1】
【0016】
【表2】
【0017】
【表3】
【0018】
【表4】
【0019】
【表5】
【0020】そして、各重回帰式の分散分析を行い、重
回帰の検定をしたところ、多くの機械強度については危
険率1%で有意(表では**で表示した)、一部の機械
的強度についても危険率5%で有意(表では*で示し
た)との結果が得られた。これらの重回帰式が機械的強
度の予測に役立つことを示している。
【0021】また、重回帰式のあてはまりの良さを示す
重相関係数を算出したところ、各表に示すような高い重
相関係数が得られ、結晶化度およぴ配向度の2要因から
高精度で機械的強度を予測できることが明らかになっ
た。なお成形品厚さについては、現実に使用されている
射出成形品の大部分の厚さが2〜4mmの範囲にあるこ
とから、厚さ2、3、4mmの場合について重回帰分析
を行ったが、これらの中間の厚さについては線形補間等
による近似が可能である。
【0022】2)成形諸元に基づく樹脂の流動解析:こ
のステップでは、成形条件、成形品形状、成形樹脂特性
などの成形諸元に基づいて、樹脂の流動解析を行うこと
により金型内の樹脂状態をシミュレートして、次ステッ
プで結晶化度、配向度を求めるのに必要な温度、圧力、
応力、せん断速度などを求める。
【0023】すなわち、成形条件データ(金型温度、樹
脂温度、射出速度など)、成形品形状データ(使用され
る金型のキヤビテイ形状のデータであり、例えば微少な
有限の要素に分割することによって得る)、成形樹脂特
性データ(粘度、比熱、密度、熱伝導率、固化温度など
の物性データ)、さらには金型特性(熱伝導率、比熱な
ど)などの成形諸元を基に流動解析を行う。
【0024】流動の解析は例えば、次の運動方程式
(1)と、式(2)で与えられる連続の式と、式(3)
で与えられるエネルギー方程式により行なう。
【0025】
【数1】
【0026】
【数2】
【0027】
【数3】
【0028】これにより、成形樹脂の流れ場を位置およ
び時間の関数として求めることができるとともに、次の
結晶化度解析に必要な温度、圧力および応力、ならびに
次の配向度(残留応力)解析に必要なせん断速度、温度
を位置および時間の関数として求めることができる。
【0029】3)結晶化度、配向度の算出:次に、結晶
化度は流動解析によって得られた温度、圧力、応力を基
に結晶化度解析によって求める。結晶化度は例えば次の
ようにして求めることができる(成形加工、Vol.1
6、No.4、P.265(1994))。
【0030】結晶成長速度G、核形成速度Nを用いる
と、時間tにおける結晶化度Xcは次式(4)で示され
る。
【0031】
【数4】
【0032】核形成の形態には均一核形成と不均一核形
成という2つの形態がある。すなわち、前者は等温状態
で高分子の溶融体の非晶部中に時間と共に均一に核が生
じてくるもの、後者は等温状態で、結晶化開始時点で系
の中に不均一に活性点が存在するものである。均一核形
成はN1 、不均一核形成はN2 で与えられる。
【0033】高分子溶融体において結晶化の条件が変化
して行く過程では、不均一核形成数はN2 の変化量で与
えられるので、(4)式は、
【数5】
【0034】で表される。
【0035】ここで、結晶成長速度G、均一核形成速度
1 および不均一核形成速度N2 には温度依存性があ
り、これらの温度依存性は次の(6)式で示される。
【0036】
【数6】
【0037】この温度依存性を考慮することにより、精
度の高い予測を行うことができる。さらには上記モデル
において、結晶化過程での圧力の影響や、樹脂の流動に
よる配向の影響を考慮するのが好ましい。
【0038】圧力が結晶化過程に及ぼす影響は、融点T
mおよびガラス転移温度Tgの変化として現われ、圧力
の増加に伴いTm、Tgが上昇することが報告されてい
る(Journal of Applied Poly
mer Science、22,633(197
8))。この上昇率を考慮に入れて補正したTm、Tg
の値を(6)式に代入することにより、各々の圧力にお
けるG、N2 が計算できる。
【0039】一方、樹脂が溶融状態で流動することによ
る高分子鎖の配向の影響は、エントロピーを減少させ、
下記(7)式のように融点の上昇として現れる。
【0040】
【数7】
【0041】ここで、複屈折Δnと応力σの関係は応力
光学係数Cを用いて、
【数8】
【0042】で与えられる。
【0043】一方、溶融状態の分子鎖をガウス鎖と仮定
すると、流動による配向は、複屈折Δnをパラメーター
として、下記(9)式で示される。
【0044】
【数9】
【0045】これら(8)、(9)式の結果を用い、配
向によるエン卜ロピー変化ΔS0
【数10】
【0046】で求められる。
【0047】従って、成形過程での応力がわかれば、
(7)式により配向によるTmの上昇を評価し、これを
(6)式に代入することで、配向試料でのG、N2 が計
算できる。以上の手順により射出成形過程での結晶化度
の解析を行うことができる。
【0048】次に配向度についてであるが、配向度は複
屈折とほぼ等価と考えられるので、残留応力解析を行え
ばよい。流動に起因する残留応力は先の流動解析で計算
される樹脂の熱流動場に基づき計算される。(成形加
工、Vol.2,No.4,317(1990)) 残留応力解析では、応力の緩和現象をシミュレートする
ために粘弾性構成方程式が用いられる。溶融樹脂の粘弾
性挙動を表現する構成方程式としてはさまざまな式が提
案されているが、レオノフモデルがよく使用されてお
り、ここではこのモデルを例に説明する。
【0049】レオノフモデルの内、粘弾性応力τ、弾性
ひずみcおよびひずみ速度γの関係式(レオノフの応
力−ひずみ関係式)は、次式(11)に示すように粘性
応力項(右辺第1項)と弾性応力項(同第2項)から成
るが、熱流動場の計算における簡素化に伴い、ひずみ速
度γの成分としてγ zx,γ zyのみを考慮して
いる。
【数11】
【0050】流動解析で得られたひずみ速度γの経時
変化を用いて、レオノフのひずみ関係式を解くことによ
り弾性ひずみcが求められる。さらに、これらのひずみ
速度γおよび弾性ひずみcを上記(11)のレオノフ
の応力−ひずみ関係式に代入することにより、応力の緩
和を考慮した粘弾性応力τが計算される。
【0051】ここで流動解析で得られた温度Tの経時変
化は、緩和時間θk 、ηk などの温度に依存するパラメ
ータを参照するときに用いられる。
【0052】そして残留応力解析により、上記のように
応力の緩和を考慮して計算した残留応力分布に基づい
て、次式(12)の応力光学則を用いて複屈折Δnが算
出される。
【0053】
【数12】
【0054】4)求められた結晶化度および配向度から
の射出成形品の機械的強度の算出:以上のようにして得
た結晶化度と配向度(複屈折)を、予め算出した相関デ
ータ(重回帰式)に代入することにより、射出成形品の
各部位の機械的強度を算出する。
【0055】なお、重回帰式を求めるために実測される
結晶化度および配向度は、解析で求める結晶化度および
配向度と完全に同一定義のものである必要はなく、相互
に換算できるものであれば、測定の便宜などを考慮した
別定義のものであってもよい。
【0056】これにより、実際に金型を製作して射出成
形品の機械的強度を実測することなく、射出成形品の各
種機械的強度を予測することが可能になる。本発明方法
は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、これ
らの混合物、2種以上のオレフインの共重合樹脂、ポリ
オレフイン系エラストマーなどの結晶性ポリオレフイン
系樹脂の射出成形品の機械的強度を予測するのに特に有
用である。
【0057】
【発明の効果】本発明方法によれば、曲げ強度、曲げ弾
性率などの機械的強度と、結晶化度および配向度との相
関データを予め求めておき、成形条件、成形品形状およ
び成形樹脂特性を含む成形諸元に基づく解析により算出
される結晶化度および配向度をこれに代入することによ
り射出成形品の機械的強度を予測することができるの
で、金型の製作や射出成形試験を行わなくても機械的強
度の評価を行うことができる。従って、金型や射出成形
品の設計段階において、機械的強度が要求に合致しない
時には設計変更や原料変更を行って再評価することがで
き、大幅な時間短縮と原料の削減が可能とになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一つの実施例のフローチャ−ト

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶性熱可塑性樹脂射出成形品の機械的
    強度を予測する方法であって、成形品の結晶化度および
    配向度と機械的強度との重相関データを実測によって作
    成しておき、 成形条件、成形品形状および成形樹脂特性を含む成形諸
    元に基づく解析によって結晶化度と配向度を求め、 求められた結晶化度および配向度と、前記重相関データ
    とから射出成形品の機械的強度を予測することを特徴と
    する機械的強度予測方法。
  2. 【請求項2】 機械的強度が曲げ強度、曲げ弾性率、引
    張強度、引張破断伸びまたはアイゾツト衝撃強度である
    請求項1記載の機械的強度予測方法。
JP31751596A 1996-11-28 1996-11-28 結晶性熱可塑性樹脂射出成形品の機械的強度予測方法 Pending JPH10156885A (ja)

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