TPU射出成形金型のトラブルシューティング

TPU射出成形品の成形条件は、可塑化の流れや冷却に影響する温度、圧力、時間などが不可欠です。

TPUの特性、特にその加工温度の変動幅は特に狭く、射出成形機には正確な温度調節と制御システムが必要です。そうでなければ、さまざまな要因で製品不良を引き起こすことになる。

TPUの製品不良を引き起こす要因は、原料、金型、射出成形機、射出条件の4つです。

似たような問題の原因を素早く見つけ、原材料、金型、機械のわずかな調整で問題を解決できるように、ルールと経験をまとめたクイックチェックリストを作りました。

この記事は、スクリュー射出成形機でTPU製品を製造した場合のものであり、同じ条件の方に適しています。

製品に凹みがある

TPU製品表面のへこみは、完成品の品質や強度を低下させ、製品の外観にも影響します。へこみの原因は、原材料の収縮率、射出圧力、金型設計、冷却装置など、使用する原材料、成形技術、金型設計に関連します。

原因	ソリューション
金型の供給不足	給餌量を増やす
高い溶融温度	溶融温度が低い
短い射出時間	射出時間の増加
射出圧力が低い	射出圧力を上げる
クランプ圧が不足している	クランプ圧を適切に上げる
金型温度不適当	適温に調整する
ゲーティングの非対称性	金型の入り口サイズや位置の調整
凹んだ部分の通気性が悪い	凹部への通気孔
金型の冷却時間不足	冷却時間の延長
ねじ止め式襟巻き	リプレースメント
製品の厚みにムラがある	射出圧力を上げる

製品に泡がある

射出成形工程では、時々製品に気泡が多く発生し、強度や機械的性質に影響し、製品の外観も著しく低下する。通常、厚みムラや金型による結果はリブが目立ち、金型内の材料の冷却速度が異なるため、収縮が不均一で気泡ができやすいので、金型設計には特に注意が必要です。

また、原料の乾燥が不十分で、溶けた材料にまだ水分が残っていることもあります。熱で分解して気体になると、金型のキャビティに入りやすくなり、気泡が形成されます。そのため、製品に気泡が発生した場合は、以下の要因を確認し、対処することができます。

原因	ソリューション
ウェット原料	徹底的なロースト
材料投入量不足	温度、射出圧力、射出時間の確認
注入速度が速すぎる	射出速度の低下
原料の温度が高い	溶融温度が低い
背圧が低い	背圧を適切な値まで上げる
完成したセクション、リブ、コラムが厚すぎる	完成品のデザインまたは流出口の位置の変更
スプルーオーバーフローが小さすぎる	水路とエントランスの拡大
金型温度ムラ	金型温度を均一になるように調整する
スクリューバックの速度が速すぎる	スクリューの後退速度の低減

製品にクラックがある

クラックはTPU製品の致命的な現象で、通常、製品表面に髪の毛のようなひび割れとして表れます。製品に鋭いエッジがある場合、この部分には明らかな薄いクラックがないことが多く、これは製品にとって非常に深刻な問題です。製造工程で発生するクラッシュの主な原因は、以下の通りです。

1. 脱型が困難なこと。
2. 過充填。
3. 金型温度が低い。
4. 製品の構造設計が悪い

脱型不良によるクラックを防ぐには、金型のキャビティに十分な脱型勾配をつけること、エジェクターの大きさ、位置、形状が適切であることが必要です。エジェクションの際、完成品の各部の離型抵抗が均一であることが必要です。

過充填は、過剰な射出圧力や過剰な材料計量により、製品の内部応力が大きくなりすぎて、離型時にクラックが発生することで、この状態では成形品のバラツキも大きくなり、離型が困難になるので、射出圧力を下げて過充填を防ぐ必要があります。

射出成形のゲート部は、過大な内部応力が残留しやすく、ゲート付近は脆化しやすく、特にダイレクトゲートの部分は内圧で破断しやすくなっています。

原因	ソリューション
高い射出圧力	射出圧力と射出速度を下げる
過度な梱包	原材料の測定値の削減
メルティングバレル温度が低すぎる	メルトバレル温度の上昇
リリーススロープ不足	レリーズスロープの調整
不適切な射出方法	金型の検査・修理
金属包埋部品関連	金型の調整・改造
金型温度が低すぎる	金型温度を上げる
ゲートが小さすぎる、または形状が不適切	モディフィケーション
ドラフトの一部だけでは不十分	金型の検査・修理
レリーズチャンファー付き	金型のチェックと修理
脱型による製品のバランス調整ができない	金型のチェックと修理
脱型時に金型内を真空にする	脱型時や排出時に速度を落とし、吸気装置を追加する。

製品の反りや変形

TPU射出成形品の反りや変形の原因は、冷却・成形時間が短すぎること、金型温度が高すぎること、不均一であること、ランナーシステムの非対称性などです。したがって、金型設計においては、以下のような要素を避ける必要があります。

1. 同じプラスチック部品で厚みの差が大きすぎること。
2. 過度な鋭角が存在すること。
3. バッファゾーンが浅すぎるため、厚いターンと薄いターンの差が大きくなりすぎること。

また、エジェクターピンの数を適切に設定することや、金型キャビティの冷却流路を適切に設計することにも注意を払う必要があります。

原因	ソリューション
脱型時に製品が冷やされない	冷却時間の延長
製品の形状や厚みが左右非対称であること	成形設計の変更、補強リブの追加。
過度な梱包	射出圧力、射出速度、射出時間、射出材料の削減。
ゲート送りムラ	ゲートを変更する、またはゲートの数を増やす
エジェクターシステムのアンバランス	エジェクター位置の調整
金型温度ムラ	金型温度を均等になるように調整する
原料の過度のバッファリング	原料バッファー削減

焦げたような斑点や黒い縞模様がある製品

焦げ目や黒スジが発生する主な原因は、原料の熱分解による原料の熱安定性の低さです。

焦げや黒スジの発生を防ぐには、バレル内の原料の温度が上がり過ぎないようにすることと、射出速度を遅くすることが効果的である。バレルやスクリューの内壁に傷や欠けがあると、原料の一部が捕捉され、過熱による熱分解が発生するためです。また、逆流防止弁も原料の滞留による熱分解を起こすことがあります。したがって、粘度の高い原料や分解しやすい原料を使用する場合は、焦げや黒い線が発生しないように特に注意する必要があります。

原因	ソリューション
原料の温度が高い	溶融温度が低い
射出圧力が高すぎる	噴射圧を下げる
スクリューの回転数が速すぎる	スクリューの回転数を遅くする
スクリューと材料管の偏心について	復帰
摩擦熱	機械の点検・修理
ノズル穴が小さすぎる、または温度が高すぎる	オリフィスや温度の再調整
黒く焼けた材料が入った加熱材料管（高温焼入れ部）	材料管の点検・交換
ミックス成分	原料の再濾過・代替
不適切なモールドエキゾースト	空気抜きを適切に増やす

エッジが生々しい製品

TPU製品では、バリが発生することがよくあります。金型キャビティ内の原料の圧力が大きすぎる場合、その結果、離型力が型締力よりも大きくなり、金型が強制的に開いて原料が溢れ出し、バリが形成されます。バリが発生する原因としては、原料の問題、射出成形機の問題、調整不良、あるいは金型自体の問題など様々な可能性が考えられます。そのため、バリの原因を特定する際には、簡単なものから難しいものへと進めていく必要があります。

原料が十分に焙煎されているか、ごみが混ざっていないか、異種の原料を組み合わせていないか、原料の粘度が影響していないかなどを確認する。

射出成形機の圧力制御システムの正しい調整と射出速度の調整は、使用するクランプ力に合わせる必要がある。

1. 原料が十分に焙煎されているか、破片が混じっているか、異なる種類の原料が混じっているか、原料の粘度の影響を確認すること。
2. 射出成形機の圧力制御システムの正しい調整と射出速度の調整は、使用する型締力に合わせること。
3. 金型の特定の部品が摩耗していないか、排気孔が塞がれていないか、流路の設計が合理的かどうか。
4. 射出成形機のテンプレート間の平行度にずれがないか、テンプレートタイの力分布は均一か、スクリューストップリングとメルトバレルが摩耗していないか。

原因	ソリューション
ウェット原料	徹底的なロースト
原材料の汚染	原材料や不純物をチェックし、汚染源を突き止める
原料の粘度が高すぎる、または低すぎる	原料の粘度や射出成形機の運転条件を確認してください。
型締力が低すぎる	圧力値の確認と調整
射出圧力と保持圧力が高すぎる	設定値の確認と調整
射出圧の切り替えが遅すぎる	切換圧力の位置を確認し、切換が早い場合は再調整を行う
射出速度が速すぎる、または遅すぎる	流量調整弁の点検・調整
温度が高すぎる、または低すぎる	電気ヒーターとスクリューの回転数を確認する
孔版の剛性不足	クランプ力の確認と調整
メルトバレル、スクリュー、ノン・リターン・リングの摩耗	修理・交換
バックプレッシャーバルブの摩耗	修理・交換
クランプ力にムラがある	タイロッドにかかる力を確認する
テンプレートが平行でない	訂正
モールドベントの閉塞	クリアランス
モールドウェア	金型の使用回数や型締力を確認し、修理・交換する。
金型のパーティングが合わない。	金型の相対位置がずれていないか確認し、再調整する
モールドランナーのアンバランス	チェックの設計・修正
金型温度が低い、加熱ムラがある	電気暖房システムの点検と修理

製品に粘着性のあるモールドがある（脱型が難しい）。

射出成形製品の粘着金型のTPUは、考慮すべき最初の事は、射出または圧力保持の圧力が高すぎるかどうかです。射出圧力は、原料が他の空隙を埋めるように製品の過度の飽和を引き起こし、製品が金型キャビティで立ち往生し、離脱の難しさの原因となるので、第二に、溶融バレル温度が高すぎる場合、それは熱劣化の原料分解、脱型プロセスで破損または破壊し、結果として粘着金型を作ることになります。金型の問題としては、このような不均衡な入口として、製品の冷却速度は、また、粘着性の金型現象の脱型に製品を引き起こす、一貫していない。

原因	ソリューション
高い射出圧力またはメルトシリンダー温度	射出圧力やメルトバレル温度の低下
保持時間が長すぎる	圧力保持時間の短縮
冷却不足	冷却サイクルタイムの延長
金型温度が高すぎる、または低すぎる	両側の金型温度と相対温度の調整
金型内の離型面取り	面取りをするための工具の修理
モールドインレットのアンバランス	メルトフローをできるだけメインランナーの近くで制限する。
金型の排気設計が悪い	合理的なエアベントを設定する
キャビティーのズレ	キャビティーの調整
金型表面が平滑すぎる	金型表面の改善
離型剤の不足	二次加工に影響がない場合は、離型剤を使用する

製品強度が低下する

靭性とは、材料を破断させるために必要なエネルギーのことです。靭性が低下する主な要因は、原材料、リサイクル材料、温度、金型などです。靭性が低下すると、製品の強度や機械的性質に直接影響します。

原因について	ソリューション
ウェット原料	素材を徹底的に焙煎
リサイクル素材の割合が大きすぎる	リサイクル材を組み込んだ比率を減らす
溶融温度が高すぎる、または低すぎる	溶融温度の調整
モールドゲートの幅が狭い	ゲートサイズを大きくする
金型内の長いゲート接合部	ゲート接合部の長さを短くする
金型温度が低すぎる	金型温度を上げる

製品の充填不足

TPU製品のアンダーフィルとは、溶融した材料が最終的にキャビティの隅々まで流れきらない現象のことをいいます。充填不足の原因は、成形条件の設定ミス、金型設計の不備、成形品の肉厚の薄さなどです。成形条件の対策としては、材料や金型の温度を上げる、射出圧力や射出速度を上げる、金属の流れを良くするなどがあります。金型はスプルーやランナーを大きくしたり、ゲートの位置や大きさ、数を調整することで、溶融した材料をスムーズに流すことができます。さらに、ガス抜きをスムーズにするために、空気抜き孔を適所に設けることもできます。

原因	ソリューション
材料の供給不足	給餌量を増やす
製品の硬化を早める	金型温度を上げる
メルティングバレル温度が低すぎる	メルトバレル温度の上昇
射出圧力が低い	射出圧力を上げる
射出速度が遅い	射出速度を上げる
短い射出時間	射出時間の増加
金型温度が低い、または不均一	金型温度の調整
ノズルまたはファンネルが詰まる	分解・洗浄
ゲーティング位置が適切でない	アジャストメントの変更
小型ランナー	拡大されたランナー
小さなスプルーまたはオーバーフロー	スプルーまたはオーバーフローを拡大する
ねじ止め式襟巻き	リプレースメント
成形空間からガスが排出されない	適切な位置に空気抜き穴を追加する

製品にボンディングラインがある

結合線とは、溶融した材料が2つ以上合流してできる細い線のことで、通常、溶接線と呼ばれる。結合線は、製品の外観に影響を与えるだけでなく、製品の強度にも悪影響を及ぼします。結合線が発生する主な理由は以下の通りです。

1. 製品の形状（金型形状）が材料の流れに起因している。
2. 溶融した材料の合流が悪い。
3. 溶融材料の流れに空気や揮発性物質、耐火物などが混入している。

材料と金型の温度を上げ、合流線の程度を小さくする。同時に、ゲートの位置や数を変えてボンディングラインを別の場所に移動させる、溶融部にエアベントを設けてこの部分の空気や揮発物を素早く排出する、溶融部の近くに材料のオーバーフロープールを設けてボンディングラインをオーバーフロープールに移動させてから取り除くなどの対策もボンディングラインをなくすために有効です。

原因について	ソリューション
射出圧力と射出時間が不足している	射出圧力と射出時間を上げる
射出速度が遅すぎる	射出速度を上げる
低い溶融温度	メルトバレル温度の上昇
背圧が低い、スクリュー回転数が遅い	背圧、スクリュー回転数を上げる
ゲート位置が悪い、ゲートが小さすぎる、ランナー	ゲート位置の変更、金型入口サイズの調整
金型温度が低すぎる	金型温度を上げる
材料の硬化が早すぎる	材料の硬化速度の低下
マテリアルフローが悪い	メルトバレル温度を上げ、材料の流れを良くする
素材は吸湿性がある	素材の品質を管理するための空気抜き穴の追加
モールドの通気性が悪い	空気の通り道を増やすか、空気の通り道が詰まっていないか確認する
原材料が汚れている、または他の材料と混ざっている	原材料の確認
発売元が多すぎる	離型剤の使用量を少なくするか、使用しないようにする

製品表面に光沢がない

TPU製品の表面で、素材本来の光沢が失われ、膜のような層ができたり、ぼやけた状態になったりすることを、表面光沢と呼ぶことがあります。

製品の表面光沢は、主に金型成形の表面研磨に起因します。成形空間の表面状態が良好であれば、材料と金型の温度を上げることで、製品表面の光沢を高めることができます。また、耐火物が多すぎたり、油分の多い耐火物は、表面光沢を悪くする原因です。同時に、材料が水分を吸収したり、揮発性物質を含んでいたり、異物が混入して汚染されていることも、製品の表面光沢を低下させる原因です。したがって、金型と材料の要因には特に注意を払う必要があります。

原因	ソリューション
射出圧力と射出速度が低すぎる	適切な調整
金型温度が低すぎる	金型温度を上げる
金型形成空間表面の水や油の汚れ	拭き掃除
金型成形スペースの表面研磨不足	金型研磨
異なる素材や異物が混在している	バレルの洗浄と素材の濾過
原材料に揮発性物質が含まれている	溶融温度を上げる
吸湿性のある素材である	原料の予熱時間をコントロールし、しっかり乾燥させる。
原材料の不足	射出圧力、射出速度、射出時間、射出原料の増加

製品にフローマークがある

フローマークとは、溶融した材料が流れた跡のことで、ゲートを中心に縞模様のように見える。

フローマークは、金型キャビティに流入した材料が急速に冷却され、その後に流れる材料との間に境界ができるために発生します。材料温度を上げ、流れや射出速度を改善することで、フローマークを防止することができます。

ノズル前面に残った冷たい材料が金型キャビティに入ると、フローマークの原因になります。そこで、スプルーとランナーの合流部やランナーとマニホールドの交差部に十分な滞留部を設けることで、フローマークを効果的に防止することができます。また、ゲートサイズを大きくすることでも、フローマークを防ぐことができます。

原因	ソリューション
原料の溶融不良	溶融温度、背圧を上げ、スクリューの回転数を速める
原料が汚れていたり、不純物が混じっていたり、乾燥が不十分である。	原材料を確認し、十分に乾燥させる
金型温度が低すぎる	金型温度を上げる
ゲート付近の温度が低すぎる	温度上昇
ゲートが小さすぎる、または不適切な位置にある	ゲートを大きくする、または位置を変更する
短い圧力保持時間	圧力保持時間の延長
射出圧力や射出速度が適切でない	適切に調整する
仕上がり部分の厚みに差がありすぎる	完成品のデザイン変更

射出成形機のスクリューが滑る（フィードできない）。

原因	ソリューション
素材パイプの後方部の温度が高すぎる件	素材パイプの後段部分の温度を下げるために、冷却装置を確認する
原料の乾燥が不十分な場合	原料の徹底した焙煎と適切な潤滑油の供給
材料チューブ、スクリューの摩耗	修理・交換
ホッパー供給部故障	供給部品のトラブルシューティング
スクリューの後退が早すぎる	スクリューの後退速度の低減
バレルが汚れている	クリーニングバレル
原料粒子の過大化	粒子径を小さくする

射出成形機のスクリューが回らない

原因	ソリューション
低い溶融温度	溶融温度を上げる
高い背圧	背圧の低減
ネジの潤滑不足	潤滑油の適切な添加

射出成形機の射出ノズルの漏れについて

原因	ソリューション
材料管の温度が高すぎること	材料管の温度、特に射出ノズル部の温度を下げる。
背圧の調整が不適切	背圧やスクリュー回転数の適切な低減。
メイン流路のコールドマテリアルのブレークオフタイムを早める	冷間材ブレイクオフタイムの遅延
緩み・後退が不十分な場合	リリース時間の延長とノズルヘッドの設計変更

溶解していない材料

原因	ソリューション
低い溶融温度	溶融温度を上げる
背圧が低い	背圧を上げる
ホッパー下部のサブクール化	下部ホッパー冷却装置を停止させる
短い成形サイクル	成形サイクルタイムの向上
材料乾燥不足	素材の徹底的な乾燥

TPUプラスチック射出成形の一般的な不具合とその対処法を列挙しました。金型や射出成形条件のデバッグは、金型設計・製作から量産に至るまで、必ず通る道である。その工程を短縮し、問題解決の難易度を下げるためには、やはり金型設計の段階からすべてを計画する必要があります。

このような回り道を減らし、TPU射出成形を成功させるための一助となればと思い、「TPU射出成形ガイド」を作成しました。