水溶性コアを用いた中空射出成形品の製造

この論文の紹介は、MDPIによって発表された「A Water-Soluble Core for Manufacturing Hollow Injection-Molded Products」に基づいて作成されました。

1. 概要:

  • タイトル: 水溶性コアを用いた中空射出成形品の製造 (A Water-Soluble Core for Manufacturing Hollow Injection-Molded Products)
  • 著者: Chung-Chih Lin, Chao-Long Yang
  • 出版年: 2022年
  • 掲載ジャーナル/学会: Polymers
  • キーワード: 射出成形; 水溶性コア; インサート成形; Taguchi法

2. 概要または序論

概要：複雑な中空製品を組立て工程なしに製造することは、例えばプラスチック製インテークマニホールドの場合、従来の射出成形法では困難である。可溶コア技術は、犠牲コアとして低融点合金を用いるもので、この問題を解決するために開発された。しかし、樹脂タイプの選択肢が限られていることと、巨額の設備投資が必要なことから、この技術の普及は遅れている。本研究では、樹脂タイプの制限がなく、より低エネルギー消費プロセスで同様の製品を製造できる新しい方法を確立する。シェルと組み合わされた水溶性コアによって定義されるエンベロープドコアの概念を提案する。これは、射出成形プロセス中の圧力に耐えるための剛性と靭性の両方を提供する。エンベロープドコアの形状は、指定された製品の内部輪郭と等しい。インサート成形プロセスを導入して、エンベロープドコアをスキン層で覆った。エンベロープドコアの端を切り取り、水浴に浸す。シェル内部の水溶性コアが溶解すると、特殊な内部輪郭を持つ製品が完成する。提案された方法をどのように利用できるかを実証するために、T字ジョイントを提示する。コアの最適成分と加工パラメータは、Taguchi法によって決定される。その結果、提案された製品は、コアの圧縮強度が2MPaより大きい場合に成形に成功することが示された。さらに、最適サンプルの内部輪郭の偏心率測定値は56%の改善を示し、コア除去に必要な時間は154秒未満である。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

プラスチック製インテークマニホールドのような複雑な中空製品を、従来の射出成形法を用いて製造することは、非常に困難です。従来の方法では、製品を複数のサブコンポーネントに分割し、機械的締結や接着剤による接合などの組立工程を行う必要がありました。これらの組立工程は、製造コストを増加させ、寸法誤差を累積させ [5,6]、最終製品に脆弱な箇所を作り出し、高圧または重荷重下での破損につながる可能性があります。さらに、接合工程で使用される化学溶剤は、「環境を汚染する」可能性があります。

既存研究の現状:

中空製品を製造するための既存技術には、金属排気マニホールド鋳造用の砂型や [7]、樹脂トランスファー成形（RTM）用のポリオキシメチレン（POM）やポリスチレン（PS）フォームなどのポリマーコアなどの「除去可能または崩壊可能なコア技術」が含まれます。塩コアは、「水への良好な溶解性」[7-11] からも利用されています。しかし、「RTMプロセスによって誘起される圧力は、プラスチック射出成形プロセスにおける圧力よりもはるかに低い」ため、脆い塩コアは射出成形中の亀裂やコアのずれを起こしやすくなります。低融点合金を犠牲コアとして使用する「可溶コア技術」[12] は、これらの方法を改良したものですが、「樹脂タイプの選択肢が限られていることと、巨額の設備投資」という制約があります。「水溶性ポリビニルアルコール（PVOH）パターン」[13] を使用する別の方法も存在しますが、金型キャビティ内の支持機構が可溶コア技術とは異なります。

研究の必要性:

中空製品製造のための既存の方法にもかかわらず、特に射出成形において「特殊な中空製品」を製造するための改善の余地があります。可溶コア技術のような現在の方法は、樹脂の適合性とコストに制約があり、塩コアは脆さのために射出成形に直接使用することが困難です。したがって、これらの制約を克服し、射出成形による複雑な中空部品の効率的かつ汎用性の高い製造を可能にする新しい方法が必要です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本研究は、既存技術の限界に対処し、射出成形を用いて複雑な中空製品を製造するための新しい方法を確立することを目的としています。提案された方法は、「樹脂タイプの制限がなく、より低エネルギー消費プロセス」で製品を製造することを目的として、「シェルと組み合わされた水溶性コアによって定義されるエンベロープドコア」に焦点を当てています。この方法は、「射出成形プロセス中の圧力に耐えるための剛性と靭性の両方」を備えたコアを提供することを意図しています。

主要な研究課題:

主な研究課題は以下の通りです。

  1. NaCl（塩）とトレハロース糖（バインダー）からなる水溶性コア材料の開発と特性評価。
  2. 水溶性コアとプラスチックシェルを用いた「エンベロープドコア」システムの設計と実装。
  3. 適切なコア強度を達成するためのTaguchi法を用いた「コアの成分と加工パラメータ」の最適化。
  4. 複雑な内部輪郭を持つT字ジョイント製品を製造することにより、提案された方法の実現可能性を実証。
  5. 「バインダー含有量、印加圧力、加工温度、および加工時間が、コア強度、成形品の寸法精度、およびコア除去率に及ぼす影響」の評価。

研究仮説:

本研究では、以下の仮説を立てています。

  1. 水溶性コアとプラスチックシェルからなるエンベロープドコアは、裸の水溶性コアとは異なり、射出成形の圧力に耐えることができる。
  2. Taguchi法を用いて水溶性コアの組成（塩とバインダーの比率）と加工パラメータ（圧力、温度、時間）を最適化することで、射出成形に十分な圧縮強度を持つコアが得られる。
  3. 提案されたエンベロープドコア法は、T字ジョイントのような複雑な内部形状を持つ中空製品を、寸法精度と効率的なコア除去を向上させて製造することを可能にする。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、Taguchi法に基づく実験計画法を用いて、水溶性コアの配合と加工パラメータを最適化しました。この研究では、組成や加工条件を変えて水溶性コアを作製し、機械的試験と得られた成形品の評価を行いました。提案された方法の実証には、T字ジョイント製品を選択しました。

データ収集方法:

データは、以下の方法で収集されました。

  1. 圧縮試験: 水溶性コアの圧縮強度は、「HongTa試験機（HT-2402、台中、台湾）」を用いて、ASTM D695-15およびC473-15規格に従って測定しました。試験片は、「直径35mm×高さ35mm」の円柱形でした。
  2. 寸法測定: 成形されたT字ジョイント製品の幾何学的精度は、「三次元測定機（Brown & Sharpe Co., Ltd., Inspector classic, North Kingston, RI, USA）」を用いて評価しました。寸法精度を定量化するために、内部輪郭の偏心率を計算しました。
  3. コア除去率測定: コア除去率は、「導電率計（DFRobot SEN0244）」、「TDS（全溶解固形物）プローブ」、および「データ収集ボード（DFRduino UNO R3）」を用いて、塩コアが溶解するにつれて水浴の導電率変化を測定することにより決定しました。

分析方法:

収集されたデータは、以下を用いて分析されました。

  1. Taguchi法: 「L9(34)直交配列」を用いて実験を計画し、コア作製の最適パラメータを決定しました。「S/N比」と「ANOVA」を用いて結果を分析し、有意な因子を特定しました。
  2. 偏心率計算: 偏心率は、式（2）および（3）を用いて計算し、内部輪郭の真円からのずれを定量化しました。
  3. コア除去率計算: コア除去率は、導電率測定に基づいて、式（4）を用いて計算しました。

研究対象と範囲:

研究の焦点は以下の通りです。

  1. 材料: 「NaCl（塩）」と「トレハロース糖（バインダー）」からなる水溶性コア材料、およびシェルとスキン層用の「アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS、POLYLAC PA-757、CHIMEI Corp.、台北、台湾）」。
  2. 製品: 「図3」に示す特定の内部輪郭を持つT字ジョイント。
  3. プロセスパラメータ: コア作製のためのバインダー含有量、印加圧力、加工時間、および加工温度、および「表2」にリストされているシェルおよびスキン層射出成形のための成形パラメータ。

6. 主な研究成果:

主な研究成果:

  1. 最適コアパラメータ: Taguchi法により、水溶性コア作製の最適パラメータは「A3B3C2D3」であると特定されました。これは、バインダー含有量、印加圧力、加工時間、および加工温度の特定のレベルに対応します。
  2. 圧縮強度: 最適コアは「3.2 MPa」の圧縮強度を達成し、「表3にリストされているExp. No. 5の最大強度と比較して17.2%の改善」を示しました。提案された製品は、「コアの圧縮強度が2MPaより大きい場合に成形に成功する」ことができます。
  3. 寸法精度向上: 最適サンプルの内部輪郭の偏心率測定値は、最適でないパラメータで作製されたサンプルと比較して「56%の改善」を示しました。偏心率は「26.3%から11.5%」に減少しました。
  4. コア除去時間: 最適コアのコア除去に必要な時間は「154秒未満」でした。

提示されたデータの分析:

  • 図7 は、「設定パラメータに関する塩コアの圧縮応力-ひずみ曲線」を示しており、異なるパラメータの組み合わせで作製されたコアの圧縮強度を示しています。
  • 図9 は、「サンプルの内部輪郭の偏心率測定値」を示しており、最適サンプルと破壊されたサンプルの偏心率を5箇所で比較しています。最適サンプルは、ほとんどの場所でより低い偏心率値を示しています。
  • 図10 は、「(a) 最低強度グループのコア除去率と (b) 最高強度グループのコア除去率」を示しており、異なる圧縮強度を持つコアの溶解速度を示しています。強度が高いコアほど溶解に時間がかかります。

図のリスト:

Figure 2. Schematic illustration of design flow: (a) the designated product, (b) two halves of the shell model generated from the internal contour of the product, (c) the sketch of the core assembled into the shells, (d) the enveloped core, (e) the skin model covers the core entirely, and (f) cut out the support mechanism.
Figure 2. Schematic illustration of design flow: (a) the designated product, (b) two halves of the shell model generated from the internal contour of the product, (c) the sketch of the core assembled into the shells, (d) the enveloped core, (e) the skin model covers the core entirely, and (f) cut out the support mechanism.
Figure 3. Schematic drawing of the designated tee-joint (K0), the core (K1), the shell model (K2), and skin layer model (K3).
Figure 3. Schematic drawing of the designated tee-joint (K0), the core (K1), the shell model (K2), and skin layer model (K3).
Figure 4. (a) Sketch of the core and cavity inserts, and (b) the half side of the test mold.
Figure 4. (a) Sketch of the core and cavity inserts, and (b) the half side of the test mold.
Figure 5. (a) Eccentricity measurement of the molded product and (b) five locations defined for each sample measurement.
Figure 5. (a) Eccentricity measurement of the molded product and (b) five locations defined for each sample measurement.
Figure 6. The schematic illustration of the core removal rate measurement.
Figure 6. The schematic illustration of the core removal rate measurement.
Figure 7. Compressive-stress-and-strain curves for salt core with respect to setting parameters.
Figure 7. Compressive-stress-and-strain curves for salt core with respect to setting parameters.
Figure 8. Cont.
Figure 8. Cont.
Figure 8. Photo of (a) the designated product, tee-joint; (b) sectional view of the sample made by optimal parameters, A3B3C2D3 ; and (c) sectional view of the sample made by setting parameters, A2B1C2D3 .
Figure 8. Photo of (a) the designated product, tee-joint; (b) sectional view of the sample made by optimal parameters, A3B3C2D3 ; and (c) sectional view of the sample made by setting parameters, A2B1C2D3 .
Figure 9. The eccentricity measurement of internal contour of samples.
Figure 9. The eccentricity measurement of internal contour of samples.
Figure 10. (a) Core removal rate of the lowest strength group and (b) core removal rate of the highest strength group.
Figure 10. (a) Core removal rate of the lowest strength group and (b) core removal rate of the highest strength group.
  • 図 1. 水溶性コアと (a) シェル (b) を用いて中空製品を製造するための準備手順：シェル付き水溶性コアの準備； (c) エンベロープドコアは2つのコアシェルによって準備され、金型キャビティに配置される、(d) スキン層が成形される、(e) 製品が金型から取り出される、(f) エンベロープドコアの端が切り取られる、(g) 製品が水浴に浸され、コアが溶解する、(h) 最終製品が得られる。
  • 図 2. 設計フローの模式図: (a) 指定された製品、(b) 製品の内部輪郭から生成されたシェルモデルの2つの半分、(c) シェルに組み立てられたコアのスケッチ、(d) エンベロープドコア、(e) スキンモデルがコア全体を覆う、(f) サポート機構を切り取る。
  • 図 3. 指定されたT字ジョイント (K0)、コア (K1)、シェルモデル (K2)、およびスキン層モデル (K3) の模式図。
  • 図 4. (a) コアとキャビティインサートのスケッチ、および (b) 試験金型の半分の側面。
  • 図 5. (a) 成形品の偏心率測定と (b) 各サンプル測定に定義された5つの位置。
  • 図 6. コア除去率測定の模式図。
  • 図 7. 設定パラメータに関する塩コアの圧縮応力-ひずみ曲線。
  • 図 8. 続き。
  • 図 9. サンプルの内部輪郭の偏心率測定値。
  • 図 10. (a) 最低強度グループのコア除去率と (b) 最高強度グループのコア除去率。

7. 結論:

主な知見の要約:

本研究では、エンベロープド水溶性コアを用いた中空射出成形品を製造する新しい方法を実証することに成功しました。主な知見は以下の通りです。(1) 水溶性コアとシェルを組み合わせたエンベロープドコアの概念により、複雑な中空部品の射出成形が可能になります。(2) Taguchi法を用いた最適化により、コア作製の最適パラメータが特定され、圧縮強度が向上しました。(3) 提案された方法は、寸法精度を大幅に向上させ、偏心率を56%削減しました。(4) コア除去プロセスは効率的であり、最適コアの溶解時間は154秒未満です。

研究の学術的意義:

本研究は、エンベロープド水溶性コアの概念を導入し、検証することにより、射出成形分野に貢献しています。水溶性コアの適用範囲を低圧成形プロセスから高圧成形プロセスに拡大します。本研究は、射出成形用途に最適化された水溶性コアの材料組成と加工パラメータに関する貴重な洞察を提供します。コアの最適化にTaguchi法を使用し、寸法精度とコア除去率の詳細な評価を行うことは、研究の学術的厳密さと実用的な関連性を高めます。

実用的な意義:

提案された方法は、複雑な中空プラスチック部品を製造するための既存技術に代わる実用的な方法を提供します。樹脂タイプの制限や高額な設備投資など、可溶コアに関連する制約を克服します。コアに容易に入手可能で安価な材料（塩と砂糖）を使用し、エネルギー消費量を削減し、実装を容易にすることで、この方法は産業的に魅力的になります。インテークマニホールドのような特殊な内部輪郭を持つ製品を、費用対効果が高く、環境に配慮した方法で製造するために適用できます。効率的なコア除去プロセスは、その実用性をさらに高めます。

研究の限界と今後の研究分野:

論文の結論セクションでは、研究の限界や今後の研究分野について明示的に述べていません。しかし、研究に基づくと、潜在的な限界と今後の研究の方向性には、以下が含まれる可能性があります。

  1. シェルとスキン層に適用可能なポリマーの範囲に関するさらなる調査。本研究ではABSを使用しましたが、他のエンジニアリングプラスチックとの適合性を検討することで、本手法の適用範囲が広がります。
  2. 大量生産のためのプロセスのスケーラビリティの検討。現在の研究は実験室規模での実現可能性を示していますが、大量生産のためにプロセスを最適化するには、さらなる研究が必要です。
  3. 環境持続可能性をさらに高めるために、シェル材料の再利用とリサイクル、および廃液からの塩と砂糖の回収の可能性の調査。
  4. エンベロープドコア法の汎用性を十分に実証するために、T字ジョイントを超えたより複雑な製品形状の探求。
  5. 溶解時間と水消費量を削減するためのコア除去プロセスのさらなる最適化。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

  • この資料は、"Chung-Chih Lin and Chao-Long Yang"氏の論文：「A Water-Soluble Core for Manufacturing Hollow Injection-Molded Products」に基づいています。
  • 論文ソース: https://doi.org/10.3390/polym14112185

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