金型は熱交換器！射出成形の金型温度調節機選定の考え方

成形不良

2021.11.25

金型は熱交換器

射出成形の金型は、製品そのものを形作る「型」そのものであると共に、良品としての成形品を得るための熱交換器でもあります。

金型加工業者様の取り組み

金型作成時においては良品を得るために必要な熱交換媒体の流量を確保する水管設計を金型加工業者様は行います。また、成形試作の際には、金型へ放出される単位時間当たりの樹脂の熱量を計算し、適切に熱交換することができる金型温度調節機が求められます。

射出成形加工業者様の選定事情

その一方で、一般的に射出成形加工業者様が金型温度調節機を選定する際は、成形機のタイバー間隔から、搭載できる金型のおおよその大きさを基準に選定されるケースが多いのではないでしょうか？

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金型温度調節機に対する考え方のギャップ

金型が出来上がり、試作段階において、金型加工業者様と射出成形加工業者様が分業されている場合、金型加工業者様の考える搭載金型の熱交換の考え方と、射出成形加工業者様の考える搭載金型の大きさの考え方に齟齬が生じ、思うように試作段階から量産段階へ進まないケースがあることをお聞きすることがあります。

また、製品の3次元化や成形のハイサイクル化に伴い、金型の大きさとは関係なく、必要熱交換量が大きくなり、「現有設備の金型温度調節機では対応できない場合が発生する」といったこともお聞きしたりします。

知っておきたい金型の熱交換の考え方

金型温度調節機の設定温度では下記２点の視点が必要です。

熱交換により金型へ単位時間当たり放出される熱量
金型から単位時間当たり奪う熱量

上記２点が均衡し、かつ、成形品の品質を保てる温度の値を設定する必要があります。そのためには、事前にこれらの条件を確認し、あらかじめ金型温度調節機の設定温度の予測値を計算し、保有する金型温度調節機の熱交換能力を確認しておくことをお勧めします。

金型へ単位時間当たり放出される熱量の計算要素（例）

成形サイクル
１サイクル当りの樹脂の射出量
樹脂温度と樹脂比熱・熱伝達率・熱伝導率
金型素材の比熱・熱伝達率・熱伝導率

金型から単位時間当たり奪う熱量の計算要素（例）

金型のサイズ
金型の温度調節水管の総面積
単位時間当たりの媒体流量（乱流状態にて計算）
金型素材の比熱
熱伝達率・熱伝導率

「金型温度調節機の温度設定」のこれまでと今

かつては、金型温度調節機の温度設定は、成形試作を進める中で、徐々に温度を調整していく勘と経験にもとづく手法であったため、成形試作に時間がかかったり、複数回の金型修正が必要であったりしました。

最近では、あらかじめ金型温度調節機の設定温度の予測値を計算しておくことにより、試作から量産へのスムースな対応と、時間短縮が可能となりました。
また、現有の金型温度調節機の熱交換能力を知っておくことで、取引業者や金型加工業者との事前打合せなども、スムースに行われている射出成形加工業者様が増えてきています。

金型熱交換の均衡を保つ重要性

成形中の金型へ放熱される熱量と、奪われる熱量の乖離は、製品の品質に大きな影響を与えます。

金型へ放出される熱量と、奪う熱量が不均衡な場合

不均衡な場合、ウェルドラインや転写不足、ヒケや寸法不良といった成形品の不良発生原因となります。
このような成形品の不良を最小限に留め、成形品質を一定に保つためには、熱交換能力を一定に保つ必要があります。

媒体流量と温度変化は、常に監視

成形中の金型温度調節機の媒体流量と温度変化は、常に監視する事が望ましいと考えられます。また、金型メンテナンスの不備による水管内へのスケールの付着による流量変化や、作業者による温度設定のヒューマンエラーなどによる温度変化など、成形現場においてなかなか気付きにくい要因による、成形品の不良を未然に防ぐことも考えておく必要があります。