射出成形は、高温に熱したプラスチック原料を、高圧で金型に充填する加工方法です。
金型内の水管を冷却水が循環し、熱交換がされます。
充填された樹脂が持つ力を、残留応力と呼びます。
この残留応力が大きいと、変形や寸法逸脱など様々な不良が起こります。
そんな品質に大きく関係がある残留応力について、言葉の意味から、注意ポイントまで詳しく解説していきます。
残留応力とは
力を表す物理量として、「応力（おうりょく）」という言葉があります。
応力とは、物体が外から力を受けた時に、物体の内部に発生する力のことを言います。
応力とは、物体に外から力が加わったときに、その内部で発生する「抵抗する力」のことです。
例えば、固い木の棒を両端から引っ張ると、外からは引っ張る力が加わりますが、棒の内部では元に戻ろうとする力（応力）が働くため、簡単には伸びません。通常は外からの力をやめると応力も消えますが、場合によっては内部に力が残ることがあります。
これを残留応力といいます。
薄い板を曲げて手を離したとき、元に戻れば応力は残りませんが、戻らずに変形が残る場合は、内部に応力が残った状態になっています。
プラスチック成形品における残留応力
金属と同様に、プラスチックにおいても残留応力を考えることが重要です。
プラスチック製品（成形品）を製造する射出成形では、溶解した樹脂原料を高圧で金型内に射出して充填します。その後、金型を冷却したのち、金型から成形品を取り出しますが、成形品には残留応力がある状態です。
この残留応力によって反りや変形、収縮します。
成形品の品質を上げるためには、残留応力を緩和することが重要です。
残留応力が発生する原因
成形品に残留応力が発生してしまう原因には、以下のものが挙げられます。
温度
樹脂は、温度が高いと収縮力が強まります。射出成形後は金型の温度が下がっていきますが、成形品の内部や厚みのある部分では温度が下がりにくいため、冷却時間の差によって不均一な収縮が起こります。これが、成形品における残留応力が発生する原因となります。
圧力
一般的に、樹脂は圧力が高いと収縮率が小さくなります。これは、高圧がかかっている箇所の密度が高くなるからです。成形時は外側の圧力が大きく、また、厚みによっても圧力が生じます。この圧力の不均一性も残留応力の原因となります。
繊維の配向
プラスチック成形では、ガラス繊維や炭素繊維などのフィラー（添加剤）を加えることがあります。これらの繊維は、成形時の樹脂の流れが繊維の向き（配向）になります。樹脂は、繊維の配向によって収縮率が異なるため、この不均一性によって残留応力が発生することがあります。
残留応力を取り除くアニール処理
様々な原因で発生してしまう残留応力は、成形品の品質低下につながります。プラスチック成形では、「アニール処理」を行うことで、残留応力を取り除き、成形品の品質を向上させることができます。
アニール処理は、アニーリングなどとも言い、材料や成形品に熱を加えることによって、残留応力を取り除く方法です。アニール処理を行うことで、寸法精度を安定させたり、成形品の反りや変形、収縮を抑えたりすることができます。
アニール処理では、成形品を均一に加熱してからゆっくりと冷却します。加熱には熱風乾燥機や電気炉を使用します。
アニール処理では樹脂原料によって温度が異なりますが、結晶性のプラスチックではガラス転移点よりも高い温度、非結晶性プラスチックではガラス転移点よりも20~30℃ほど低い温度で加熱します。
アニール処理は、成形直後の段階で行う場合もあれば、次工程の切削加工後に行う場合もあります。コストの問題もあることから、アニール処理をどの段階で行うかについては、製品の生産計画に合わせて決定する必要があります。
まとめ
このように、プラスチックの射出成形では、成形品の残留応力を考慮した製造が必要です。樹脂原料の種類や成形品の形状などによって、残留応力の生じ方は様々です。残留応力の除去には手間や時間、コストもかかることから、自社に合わせた対応が必要となります。
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