樹脂流動解析で成形不良の原因を探る——当たる問い・外れる問いと、頼むときに渡すもの

成形不良の原因を樹脂流動解析で探りたいとき → 相談する

この記事のポイント（結論先出し）

樹脂流動解析（射出成形 CAE）は、金型の中で樹脂がどう流れ、どこで合流し、どう冷えるかを計算で示す道具で、ショートショット・ウェルドライン・そりの原因を探る手がかりになる。ただし、当たりやすい問いと外れやすい問いがある。公設試験研究機関の比較では、充填の様子やウェルドラインの位置は実測とおおむね一致した一方、ウェルドライン近くの繊維の向き、金型温度の絶対値、ガス抜きの不足によるショートショットは合わなかった^[5]^[7]。精度を左右するのは材料データで、固化温度付近の粘度や結晶化度による変化を入れると予測が良くなったという報告がある^[3]^[8]。外に頼むときは、何を決めたいのかと、比べる実物のデータ（ショートショット品、そりの実測値）をそろえて渡す。

解析で答えが出やすい問い、出にくい問い

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流動解析を頼むときにいちばん大事なのは、「何を決めるために解析するのか」をはっきりさせることである。問いの種類によって、解析の結果がどこまで実物と合うかが違う。公設試験研究機関が実際の成形と解析を比べた報告から、当たりやすさの目安を整理する。

知りたいこと	実測との比較で報告されたこと	使い方の目安
充填の順番、ウェルドラインの位置	炭素繊維入り樹脂で、ウェルドラインの発生箇所と充填のパターンが一致した^[5]	ゲート位置の比較など、相対的な検討に向く
型内の圧力・温度の時間変化	経時変化はおおむね一致、温度はよく一致したが、圧力のピーク値には差があった^[5]	傾向は使えるが、ピーク圧力の値をそのまま設計に使わない
ウェルド部の繊維の向きと強さ	ウェルドライン近くの配向に差があった^[5]。別の報告でもウェルド部は観察と異なる結果だった^[6]	強さの判断は実物の試験で確かめる
金型の温度分布	分布の傾向は合ったが、絶対値に大きな差があり、冷却を過大に評価した^[7]	冷却の検討は実測で補う
最終充填位置（ショートショット）	解析と実物で最終充填位置が違った。解析はガス抜きが完全な前提で計算していた^[7]	ガス抜きの不足は解析で見えない

岐阜県の研究機関の報告は、流動解析が現場で活用されにくい理由を、シミュレーションが比較的単純な法則や仮定の組合せでできていて、扱いたい現象がその範囲に収まるかを課題ごとに実験と比べて判断しなければならず、結果の妥当性の判断に労力が要るためだ、と述べている^[5]。広島県の研究機関も、可塑化の条件（スクリュー回転数や背圧）や成形機まわりの温度・湿度のように、いまの射出成形 CAE では計算に入らない要因があり、実際の成形を完全に予測するのは難しいとしている^[9]。解析は答えそのものではなく、実物と照らして使う比較の道具だと考えておくと、頼み方を誤らない。

不良の種類ごとに、解析で何を見るか

言葉がずれると、解析で見る項目もずれる。JIS K 6900（プラスチック用語）は、ウェルドラインを「共に流れているプラスチックの二つ又はそれ以上の流体の融合によって形成される成形プラスチックの表面のこん（痕）跡」、ひけマークを成形品の表面のくぼみで、しばしば肉厚にかなりの変化がある部分で材料が金型から引っ込んで生じるもの、と定義している^[1]。成形収縮は、金型と成形品をともに標準室温で測ったときの成形品と金型キャビティの寸法の差、あと収縮は成形後の処理・保管・使用の間の収縮である^[1]。

ショートショット（充填不足）では、流動の末端がどこか、そこに至るまでの圧力損失がどれだけか、途中で樹脂が冷えて固まりかけていないかを見る。ただし上の表のとおり、ガス抜きが足りずに空気が残る場合は解析に現れない^[7]。解析で充填できているのに実物が欠けるなら、ガス抜きを疑う。

ウェルドラインでは、合流する位置と、合流するときの樹脂の温度・圧力を見る。位置は当たりやすいが^[5]、合流部の強さは繊維の向きや融着の度合いで決まり、解析と観察が合わなかった例がある^[6]。見た目と強さを分けた受入の決め方はヒケ・ウェルドラインの受入基準で扱っている。

そりでは、充填・保圧・冷却の結果から残る収縮の差を計算する。広島県の報告の例では、樹脂の圧力が零になり、かつ樹脂温度が固化温度になった時点から離型までの収縮を初期ひずみとしてそりを計算していた^[7]。どの時点からの収縮を数えるかという前提は、解析の会社に確かめておく項目になる。

精度は材料データで決まる

解析の結果は、入れた材料のデータ以上にはならない。広島県の報告では、実生産で使うポリプロピレンについて、メーカーから次のような物性データを入手し、解析ソフトの近似式に合わせて入力していた^[7]。

データ	報告で使われた水準	何に効くか
PVT データ（圧力・比容積・温度）	温度 45 水準 × 圧力 6 水準	保圧中の収縮、ひけ、そり
粘度データ	温度 3 水準 × せん断速度 9 水準	充填の順番、圧力、ショートショット
ポアソン比・比熱・線膨張係数	それぞれ温度 3 水準	冷却、そり
熱伝導率	温度 2 水準	冷却時間、固化の進み方
密度・ヤング率・固化温度・ノーフロー温度	単一の値	そりの計算、流動の止まる点

このうち、とくに予測を左右すると報告されているのが粘度である。広島県の別の研究は、樹脂が冷えて固化温度に近づくと粘度が急に高くなり、成形温度付近と比べて 100 倍を超える高粘度になることを計測し、成形温度付近の粘度だけから作った従来の粘度の式ではこの上昇が表せず、ショートショットを再現できなかったと報告している^[8]。固化温度付近の粘度を反映した式を使うと、ショートショットの予測精度が上がった^[8]。

結晶性の樹脂では、結晶化の進み方も効く。ポリプロピレンの射出成形で、結晶化度を計算しながら熱伝導率と粘度を時間ごとに更新する方法を試した論文は、保圧中の金型内圧力の急な低下が実験とよく一致し、粘度の結晶化度依存性と、正しい状態方程式（PVT の関係）を入れることが精度向上にいちばん大事だったと結論している^[3]。

繊維で強化した樹脂では、さらに繊維の向きが加わる。成形と構造の連成解析を扱った論文は、一般的な連成解析では任意の試験片で得た物性から材料モデルを作るため、部位ごとに配向の角度を考えても配向の度合いは一定とし、板厚方向の分布も一定として扱っていると指摘している^[4]。三重県の報告では、炭素繊維入りのポリプロピレンに合う物性が分からず、ソフトに登録されたガラス短繊維入りの値を流用して解析していた。その結果、ウェルド部の配向は観察と異なり、著者らは入力物性やメッシュの分け方を検討する必要があるとしている^[6]。

発注する側として押さえておきたいのは、同じ樹脂名でもグレードが違えば別の材料データになること、そして手元のデータベースに使う材料が無い場合、似た材料で代用されていることがある点である。代用したかどうかは、結果を受け取るときに必ず確かめる。

カタログの収縮率を、そのまま設計に使わない

そりや寸法の検討で、材料メーカーの資料に載っている成形収縮率を使いたくなる。その値の多くは、試験片で測った値である。JIS K 7152-4 は、射出成形した試験片で流れ方向と直角方向の成形収縮率を求める方法を定めた規格だが、序文で「この方法は，部品設計のための計算に用いる基礎データを意図したものではない」と書いている^[2]。材料どうしの比較や、精密な寸法の成形品に向く材料かを確かめるのには有効とし、そこで定義する成形収縮率は金型内で冷却板の拘束を受けない自由収縮なので、拘束された収縮の最大値と考えてよい、としている^[2]。

実際の成形品の収縮は、金型の構造、ゲートの大きさ、肉厚、保圧の大きさと時間、金型温度などで変わる、と同じ規格の序文が並べている^[2]。解析に入れる収縮の扱いと、自社の成形品で収縮率を測る方法は成形収縮率の測り方で扱う。

解析と実物をどう突き合わせるか

解析が当たっているかは、実物と比べないと分からない。比べ方として報告で使われていたのは、次のようなものである。

ショートショットの段階成形は、射出量を少しずつ増やして成形し、樹脂の先端の形を並べる方法で、解析の充填パターンと直接比べられる。広島県の報告もこの方法で最終充填位置を確かめ、解析との違いからガス抜きの不足に気づいている^[7]。金型内の圧力・温度センサは、岐阜県の報告で使われていた方法で、樹脂の到達時刻や圧力の経時変化を解析と比べられる^[5]。金型表面の温度は、型開き直後に接触式温度計で測って解析と比べた例がある^[7]。

解析では再現しにくい要因が残る場合、成形の実測データを集めて統計で条件を探す方法もある。広島県の報告は、同じ箱形の成形品に出る 2 種類のそりについて、重回帰で予測式を作り、そりの起こり方の違いに合わせて式を分けたところ、予測精度が決定係数 0.77 から 0.93 に上がり、2 種類のそりをほぼ同時に解消する成形条件を導けたとしている^[9]。ただし、少なくともその研究の実験環境においては、と範囲を限って結論しており、データを足しながら学び直すことが前提である^[9]。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

流動解析は、成形の会社、金型の会社、解析の専門の会社のどこにでも頼めるが、どこに頼むにしても、渡すものと受け取るものを最初にそろえておくと、結果を判断に使える形で受け取れる。一般的な解析の依頼の進め方はCFD解析を外部に頼むときも参考になる。

渡すもの	中身と注意	受け取るもの
解析で決めたいこと	「ゲートを A と B のどちらにするか」「そりの原因が保圧か冷却か」など、一文で書く	問いに対する比較の結果
製品と金型の 3D データ	ランナー・ゲート・冷却回路を含める。省略した部分は報告に書いてもらう	使ったモデルと省略の一覧
樹脂のメーカーとグレード	着色・強化材の有無まで。可能なら材料データの出どころを指定する	使った材料データの出典と、代用した場合はその旨
成形条件	樹脂温度、金型温度（固定側・可動側）、射出速度、保圧と時間、冷却時間	入力した条件の一覧
比べる実物のデータ	ショートショット品、ウェルドの位置、そりの実測値、不良の写真と発生率	実物との比較と、合わない点についての考察

結果を受け取るときは、きれいな色の図より、前提として置いた仮定（ガス抜き、冷却、材料データの代用、モデルの省略）と、実物と合わなかった点が書かれているかを見る。広島県の報告も、解析ソフトは多くの近似や仮定のもとで計算しているので、解析者が評価のときにそれを考慮しておく必要があるとしている^[7]。

解析を頼む相手探しと、実物との突き合わせの段取りから、ご相談ください。

よくある質問

金型を作る前に解析すれば、試作の修正はなくなりますか

なくなるとは言えない。可塑化の条件や成形機まわりの温度・湿度のように計算に入らない要因があり、実際の成形を完全に予測するのは難しいと報告されている^[9]。解析は修正の回数を減らすための比較の道具として使い、試打ちでの確認は残しておく。

強化材入りの樹脂で、ウェルド部の強さを解析で判断してよいですか

位置の予測は当たっても、ウェルド近くの繊維の向きは観察と合わなかった報告がある^[5]^[6]。強さが問題になる部位は、実物から試験片を取って確かめる。

解析したそりや繊維の向きを、強度の解析に引き継げますか

流動解析の結果を構造解析に渡す成形-構造の連成解析がある。ただし一般的な連成解析では、部位ごとの配向の角度を考えても配向の度合いは一定、板厚方向の分布も一定として扱っていると指摘されている^[4]。複数の現象を組み合わせる解析の考え方はマルチフィジックス解析で扱う。

まとめ

樹脂流動解析は、充填の順番やウェルドの位置のように当たりやすい問いと、ウェルド部の繊維の向き、金型温度の絶対値、ガス抜き不足によるショートショットのように外れやすい問いがある。精度は材料データ、とくに固化温度付近の粘度、結晶化度の影響、正しい PVT の関係で決まる。カタログの収縮率はそのまま設計に使わず、解析は実物のショートショット品やそりの実測と突き合わせて使う。頼むときは問いと比べる実物のデータをそろえ、前提の仮定と合わなかった点まで報告に書いてもらう。

出典・参考資料

JIS K 6900:1994 プラスチック－用語（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／ISO 472:1988 に対応）
JIS K 7152-4:2005 プラスチック－熱可塑性プラスチック材料の射出成形試験片－第4部：成形収縮率の求め方（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／ISO 294-4:2001 に対応）
材料物性データベースが結晶化度依存性を持つ射出成形シミュレーション（伊藤浩志ほか／成形加工 8 巻 10 号・プラスチック成形加工学会／1996 年）
射出成形複合材の板厚方向の繊維配向不均質性を考慮した成形-構造連成解析手法の検討（河村力ほか／材料 72 巻 9 号・日本材料学会／2023 年）
生産性向上に資する射出成形スマート金型の開発－樹脂流動解析シミュレーション技術に関する研究－（坂東直行ほか／岐阜県情報技術研究所研究報告第 15 号）
炭素繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品の引張強度と耐候性の評価（森澤諭・齋藤猛・田中雅夫／三重県工業研究所研究報告 No.37／2013 年）
樹脂流動解析による射出成形用金型開発の支援（第2報）シロッコファン用金型開発への樹脂流動解析の適用（松永尚徳ほか／広島県立総合技術研究所西部工業技術センター研究報告）
樹脂の固化温度付近における粘度計測（広島県立総合技術研究所西部工業技術センター／研究期間令和 4 年度）
デジタルものづくりによる不良レス射出成形技術の開発（第3報）予測式によるそり変形のコントロール（松永尚徳ほか／広島県立総合技術研究所西部工業技術センター研究報告 No.68／2025 年）

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