収縮と反りの問題の原因

残留応力とは、成形品に凍結している加工誘起応力のことです。残留応力には流動誘起のものと熱誘起のものがあります。残留応力は、外部から加えられる応力と同様に部品に影響を与えます。残留応力が部品の構造的完全性に打ち勝つほど強い場合、外部からの使用荷重が加わると、部品は射出時に反ったり、後に割れたりします。残留応力は、部品の収縮と反りの主な原因です。キャビティ充填時のせん断応力を低減するプロセス条件や設計要素は、流動に起因する残留応力の低減に役立ちます。同様に、十分な充填と均一な金型冷却を促進する工程条件は、熱による残留応力を低減します。繊維充填材料の場合、均一な機械的特性を促進する工程条件は、熱による残留応力を低減します。 中国金型サプライヤー

流動誘起残留応力

応力のかかっていない長鎖ポリマー分子は、溶融温度より高い温度（すなわち溶融状態）では、平衡のランダムコイル状態になる傾向がある。加工中、ポリマーは剪断されて伸長するため、分子は流れ方向に配向する。ポリマー分子が平衡状態まで完全に弛緩する前に凝固が起こると、分子配向はポリマー分子内に固定される。
成形部品。この種の凍結応力状態は、しばしば流動誘起残留応力と呼ばれます。流動方向に分子配向が引き伸ばされるため、流動方向に平行な方向と垂直な方向で収縮率や機械的性質に異方性、不均一性が生じます。

凍りついた分子配向

高いせん断応力と金型壁に隣接する高い冷却速度の組み合わせにより、部品表面の直下に凍結した高配向層が存在する。これを図1に示す。高残留流動応力（または凍結した配向）を有する部品は、その後高温に曝されることにより、応力の一部が緩和される可能性があります。その結果、部品の収縮や反りが生じるのが一般的です。凍結層の断熱効果により、ホットコア内のポリマー溶融物はより高度に緩和することができ、低分子配向領域が形成される。 中国金型サプライヤー

図1. 充填・包装段階での分子配向の凍結による残留流動応力の発生。
(1) 高冷却、せん断、配向ゾーン (2) 低冷却、せん断、配向ゾーン

フローによる残留応力の低減

溶融物のせん断応力を低減するプロセス条件は、流動誘起残留応力のレベルを低減する。一般に、流動誘起残留応力は熱誘起残留応力よりも1桁小さい。 中国金型サプライヤー

• より高い溶融温度
• 金型壁温度の上昇
• 充填時間が長い（溶融速度が低い）
• パッキング圧の低下
• より短い流路。

 熱による残留応力

熱による残留応力は次のような理由で発生する：

• プロセス設定温度からプロセス完了時に到達する周囲条件まで温度が下がると、材料は収縮する。
• 材料が鋳型の壁から中心に向かって凝固する際、材料要素は異なる熱機械履歴（例えば、異なる冷却速度や充填圧力）を経験する。
• 圧力、温度、分子や繊維の配向が変化すると、密度や機械的特性が変化する。
• 特定の金型制約により、成形品は平面方向に収縮しない。

フリークエンチの例

射出成形中の材料の収縮は、温度が均一な部品が突然冷たい金型壁で挟まれるフリークエンチの例で簡便に示すことができる。外側の表面層が冷えて収縮し始める初期の冷却段階では、高温のコアのポリマーの大部分はまだ溶けており、自由に収縮することができます。しかし、内部コアが冷えるにつれて、局所的な熱収縮はすでに硬い外部層によって拘束される。その結果、下の図2に示すように、コアの張力と外層の圧縮が釣り合った典型的な応力分布状態になる。

図2. 成形品全体の冷却のばらつきと、温度履歴に対する材料の反応に起因する、「自由焼入れ」部品の残留熱応力の発生。