一口に樹脂成形の加工といっても、「射出成形」「押出成形」「移送成形」「圧縮成形」などその方法はさまざまです。そして成形時に起こる不良の種類や原因も多様なため、それぞれの原因や対策方法を把握していないと大幅な手間とコストがかかってしまいます。しかし人材不足が慢性化している今、原因や対策を知っていたとしても、対応できないケースも少なくありません。
そこでおすすめなのがAIを活用した品質管理です。今回は成形不良の主な種類や対策を見たうえで、対応の手間を最小限に抑えるAIによる品質管理についてお伝えします。
成形不良とは
成形不良の主な種類や対策を知るうえで、まずは成形不良が何かを知る必要があります。成形不良とは、樹脂成形を行った際、成形品に外観上または性能面において不良や不具合が発生することを指します。
樹脂成形品とは
樹脂成型品とは、樹脂（プラスチック）を溶かして金型に入れ、冷却して固めることで成形された品です。冒頭でも触れたように、成形方法はさまざまですが、もっともよく使われるのは大量生産に適した射出成形でしょう。溶けた樹脂を、注射器を射すような形で注入するため射出成形と呼ばれています。
樹脂成形や射出成形、そのほかの成形方法を詳しく知りたい方は、「樹脂成型品の種類や加工方法は？よくある加工不良と効率的な検査法まで解説！」をご覧ください。
主な成形不良の種類と原因・対策
成形不良にはさまざまな種類がありますが、主な種類とその原因、そして対策方法は次のとおりです。
バリ
バリとは、成形を行う際、樹脂がはみ出してしまい、不要な部分が成形品に残ってしまう状態を指します。はみ出す隙間が空いてしまう原因として、「樹脂を注入する金型の締め付けが緩い」「金型の合わせ面の精度が低い」「樹脂の温度が高い」「射出速度が速すぎる」などが多いと推測できます。
そのため、「締め付けの圧力を高める」「金型の合わせ面部分の精度を上げる」「樹脂温度を下げる」「射出速度を調整する」といった対策を打つ必要があります。
糸引き
糸引きとは、樹脂を注入した金型を開いた際、しっかりと固まっていない部分が糸状に伸びてしまう状態を指します。多くの場合、成形を行う機械のノズル部分の温度が高く、樹脂が固まりきらないことが発生の原因です。
対策としては、「ノズル部分の温度を下げる」「冷却時間を長くする」などが考えられるでしょう。ただし、温度を下げ過ぎてしまうと成形が悪くなる場合があるので要注意です。
シルバーストリーク
シルバーストリークとは、成形品の表面に樹脂が流れる方向に合わせて銀白状の筋が残ってしまう状態を指します。原因としては、「材料の乾燥不足」「成形機のシリンダー部分と金型とで温度差がある」「射出速度が速すぎる・空気を巻き込んでしまう」などが考えられます。
対策としてもっとも重要なのは、樹脂を十分に乾燥させてから成形を行うことです。シルバーストリークは、乾燥不足や温度差などで起こる水分の発生が主な原因となるため、「樹脂をしっかりと乾燥させる」「成形機のシリンダー部分と金型の温度調整を行う」などして、水分の発生を防ぐ必要があります。
フローマーク
フローマークとは、溶融した樹脂が流れた跡が、成形品の表面に年輪状の波模様として残ってしまう状態を指します。「樹脂の温度が低い」「射出速度が遅い」といった環境で、金型内で樹脂が流動している最中に冷却されてしまうことが主な原因だと考えられます。
成形途中で樹脂が固まらず流動性を良くする必要があるため、対策としては「樹脂の温度を高める」「射出速度を速くする」などが考えられます。また射出する際の圧力を高めに設定しても効果があります。
ショートモールド
ショートモールドとは、ショートショットとも呼ばれる成形不良で、金型の特定の部分に樹脂が充填されないまま冷却されてしまう状態を指します。その結果、金型を開いた際、ショートモールドが起きた部分だけが欠けてしまいます。
原因は、「樹脂が不足している」「樹脂の流動性が悪い」「金型の温度が低い」「射出の圧力が不足している」などがあげられるでしょう。
対策としては、「注入する樹脂の量を増やす」「金型の温度を上げる」「射出圧力を高める」などが効果的です。また、樹脂の流動性が悪くなる原因として、成形機の性能が不十分である可能性もあるため、成形機の変更が必要な場合もあります。
ボイド
ボイドとは気泡のことです。厚みがある・厚みが不均一な形に加工をする際、厚い部分の表面だけが先に固まってしまい、あとから内部が収縮して固まることで真空気泡が発生した状態を指します。
原因としては、「金型の温度が低い」「射出の温度が高い」「樹脂を注入する位置が適切ではない」「樹脂の乾燥が不十分」などにより、薄い部分と厚い部分で冷却にかかる時間が均等ではなくなってしまう点があげられます。
対策としては、「金型の温度を上げる」「射出の温度を下げる」「樹脂の注入を行う位置を厚い部分に直角に射出できるよう設定する」「樹脂の乾燥を十分に行う」など、薄い部分と厚い部分の冷却時間が均一になるような工夫が必要です。
ソリ
ソリとは、成形品の一部が反ってしまう状態を指します。充填された樹脂の収縮が場所によって均等になっていない場合に起こります。その原因は、「冷却時間が短い」「金型温度が高い」「射出や保圧にかかる時間が短い」「射出圧力が低い」「射出速度が遅い」などです。
対策としては、場所によって収縮が不均等になってしまう状態を解消するために、「冷却時間を長めに取る」「金型の温度を下げる」「射出や保圧にかかる時間を長めに取る」「射出圧力を高めたうえで射出速度を速くする」などが考えられます。
ウェルドライン
ウェルドラインとは、注入された樹脂が金型のなかで一旦分岐して再度合流する際、うまく合流できずに線状の跡が発生する状態を指します。原因としては、分岐した樹脂が合流する地点での温度が低く、合流前に固まってしまうことがあげられます。また金型内の流動抵抗が大きく、樹脂がスムーズに流れないのもウェルドラインが起きてしまう原因の一つです。
対策としては、樹脂を射出する際の速度や圧量を高めるのが効果的です。また、早い段階で樹脂が固まってしまわないよう、樹脂の温度を高めておく必要もあります。
さらに金型で樹脂が流れる部分の面積を大きくする、短くする、表面を滑らかに仕上げるなど、できるだけ流動抵抗を小さく抑えることも重要です。
クラック
クラックとは、成形品の一部が欠けていたり、細いヒビが入っていたりする状態を指します。ヒビは、クラックではなくクレージングと呼ぶ場合もあります。
クラックは、外部から力を受けた金型の内部に発生する内部応力によって起こります。その原因は、「射出・保持圧力が高い」「射出速度が速い」「金型温度が低い」「冷却時間が短い」などです。また金型から外す際の力が強過ぎることもクラックが起きる原因となります。
対策としては、「射出・保持圧力を下げる」「射出速度を遅くする」「金型温度を高める」「冷却時間を長くする」などです。また金型から外す際の速度を遅め、強い力を与えないようにするのも効果的な対策となります。
ドローリング
ドローリングとは、「たれ落ち」「鼻たれ」とも呼ばれる現象で、成形機の先端から樹脂が漏れ出てきてしまう状態を指します。通常、成形機は毎回決まった量の樹脂を射出するため、樹脂が漏れた状態を放置しておくと、十分な量の射出ができなくなります。その結果、次の金型に十分な樹脂を射出できずにショートモールドを起こす原因にもなってしまいます。
ドローリングが起きる原因は、「射出速度が遅い」「射出圧力が低い」などがあげられます。そのため、「射出速度を速くする」「射出圧力を高める」といった対策が必要です。ただし射出速度を速め過ぎてしまうと周りの空気を巻き込み、シルバーストリークの原因になるため、適切な速度設定が求められます。
ジェッティング
ジェッティングとは、成形品の表面に蛇が這ったようなくねくねした跡が残ってしまう状態を指します。主な原因は、先に成形機から射出された樹脂と後から入ってきた樹脂がうまく融合しないまま固まってしまうことです。
主に射出速度が速い場合に起こる現象で、先に射出された樹脂が成形品の底面に強く当たり、温度が下がった状態で戻ってきたところに後からきた高温の樹脂が衝突。その温度差もあって中途半端に固まり、蛇行したような跡が残ってしまうのです。
対策としては射出速度を下げたうえで、中途半端に固まらないよう金型の温度を上げるのがよいでしょう。
コールドスラグ
コールドスラグとは、成形機で樹脂が射出されるノズルの先端部分が金型に触れることで樹脂の温度が下がり、固まってしまった状態を指します。これにより、金型にうまく樹脂が流れずにショートモールドを起こしたり、低い温度の樹脂が金型に流れフローマークになってしまったりするリスクがあります。
対策としては、金型側でコールドスラグが起きた際にその樹脂の溜まり場となるコールドスラグウェルを設置するのが効果的です。温度の低い樹脂をこちらに流れさせれば、成形品への流入は避けられるでしょう。
また、金型の温度を上げたうえで、射出速度を速めることでもコールドスラグの発生を防止できます。さらにノズルタッチ時間を短くし、金型に接触する時間を減らせば、樹脂の温度低下を避けられ、コールドスラグも起きにくくなります。
ヤケ
ヤケとは、金型に樹脂が射出されている際に過剰に加熱され、成形品が変色してしまう状態を指します。原因としては、成形品に樹脂の流れが悪い箇所があり、その部分に金型内の空気や成形材料から発生するガスが滞留・圧縮され、樹脂が高温になってしまうケースが考えられます。また成形機のシリンダーやノズルが高温になっていることや、滞留時間が長過ぎることなどもヤケが起こる原因です。
対策として、射出速度や圧力を下げたうえで、空気やガスを排気させるベントを設置します。また、成形温度を下げたり、滞留時間が長い場合は成形サイクルを見直し、適切なサイズの成形機に変更するのも効果的です。
成形品の外観検査の課題と解決策
前項では、さまざまな成形不良の種類と原因、そして対策方法について見てきました。これらを把握しておけば、不良が起きても原因がすぐに分かり適切な対応が可能になります。
しかし、まずはこれらの成形不良が実際に起きているかどうかを見極める外観検査が必要です。問題は、その検査をこれまで全て目視で行っていた点にあります。
少子高齢化の影響もあり、現在では多くの職種で人材不足が深刻な問題となっていますが、それは製造業も同様です。そのなかで樹脂成形品の外観検査を目視でやらなければならないとなれば、その分ほかの業務時間が削られ、社員にかかる負担は増大してしまいます。
また、大量に生産される樹脂成形品のなかから成形不良を見つけ出すには経験や勘が重要なため、目視検査はどうしても属人化しがちです。そのため人員を補充しようとすると育成にかなりの時間やコストがかかってしまいますいます。
そこでおすすめなのが、検査の属人化を防ぎ、目視に頼らず正確かつ迅速に外観検査を行うことができる画像処理システムの活用です。
画像処理システムは、周囲の濃淡レベルで成形品の比較を行い、目視だけでは難しい細かな傷や汚れも見落とすことなく不良・欠陥を迅速に検出します。また、細かなカスタマイズも可能なため、どこまでを不良とするかの判断基準も柔軟に設定できます。これにより製品の形状や印字といった一定以上の面積は欠陥として検知せずに微細な汚れのみを抽出することも可能です。
まとめ
成形不良と一口にいってもさまざまな種類があり、製品の品質を担保するためにはあらゆる不良を検出できる検査がが必要不可欠です。品質管理の基本を把握することはもちろん、そのうえで最新のテクノロジーの理解が求められます。
品質管理の基本や、最新のAIを活用した検知などについてまとめた資料もありますので、品質管理に課題をお持ちの方はぜひご覧ください。
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