JP2006181818A - 内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法、それを用いた設計方法及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 実製品を作成して所定の温度サイクル条件で繰り返し処理してその破壊の有無を確認する必要のない、内部歪の小さな樹脂成形品の短時間で可能な選定方法を提供する。
【解決手段】 インサート成形品において、インサート部品周辺の樹脂残留歪をγ₀とし、これに使用温度領域下限における線膨張率γ'（即ち、γ'＝（下限温度と室温との温度差）×両材料の線膨張係数の差）を加えた歪みをγ（即ち、γ＝γ₀＋γ'）として、同一樹脂により成形したダンベル型試験片により求めた、使用温度領域下限における寿命（ｘ軸）−歪み（ｙ軸）曲線のｙ軸との切片（歪みである）をa（単位：％）、同曲線の傾きをｂ（単位：無次元）とした場合、
C=exp((a-γ)/b) 式（Ｉ）
として、基準となる樹脂材料のC1より対象となる樹脂材料のC2が大きくなるa、b、γを有する樹脂材料を使用する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、金属、セラミックス又は硬質樹脂等の硬質材料が樹脂で覆われた成形品において、実際に成形して熱衝撃寿命を試験することなく、効率的に樹脂材料の優劣を判定する方法、それを用いた内部歪の小さい、即ち耐衝撃性に優れた樹脂成形品の設計方法及び製造方法に関するものである。

従来、耐熱衝撃性の要求される樹脂成形品においては、ゴム成分の配合や、ゴム成分の粒径や分散などを規定する技術が知られている。

しかし、樹脂製品の熱衝撃寿命は、実際に製品を作成して熱衝撃試験を行って求められているが、これを推定により求める方法はなかった。
例えば、高温１時間と低温１時間とのサイクルを2000サイクル繰り返す場合、少なくとも167日を要することになる。さらに、この評価で満足の行く評価が得られなければ、材料的あるいは形状的に変更し、変更品を改めて作成して評価することになり、変更点が多くなれば、評価にさらに時間がかかる。この結果、製品の開発期間が長くなるという問題があった。

上述のように、従来の評価は実製品を所定の温度サイクル条件で繰り返し処理してその破壊の有無を確認していたため膨大な時間を要していた。
本発明の目的は、内部歪の小さな樹脂成形品の選定方法を提供することにある。

本発明者は、かかる課題に対して鋭意検討を重ねた結果、硬質材料が、該硬質材料よりも軟らかい樹脂で覆われた成形品について、内部歪の小さな樹脂成形品の選定方法を見出だし、熱衝撃寿命の評価時間を事実上２日程度に短縮できることを確認し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第１は、硬質材料が、該硬質材料よりも軟らかい樹脂で覆われた成形品において、硬質材料周辺の樹脂残留歪をγ₀とし、これに使用温度領域下限における線膨張・収縮率γ'（即ち、γ'＝（下限温度と室温との温度差）×両材料の線膨張係数の差）を加えた歪みをγ（即ち、γ＝γ₀＋γ'）として、
同一樹脂により成形したダンベル型試験片により求めた、使用温度領域下限における寿命（ｘ軸）−歪み（ｙ軸）曲線のｙ軸との切片（歪みである）をa（単位：％）、同曲線の傾きをｂ（単位：無次元）とした場合、
C=exp((a-γ)/b) 式（Ｉ）
とし、基準となる樹脂材料のC1より対象となる樹脂材料のC2がC2>C1を満たす特性a、b、γを有する樹脂材料を使用することを特徴とする内部歪の小さな樹脂成形品の選定方法を提供する。
本発明の第２は、γが、インサート部品を内部にインサートして成形後、
（ｉ）インサートを除去することで計測される残留歪、または
（ii）成形後に加熱処理して放冷した後の室温における残存歪
であることを特徴とする本発明の第１に記載の内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法を提供する。
本発明の第３は、製品形状による歪の集中に合わせて、式（Ｉ）においてγの代りに、γを歪の集中度合いｃを加味した値γ×ｃを使用することを特徴とする本発明の第１又は２記載の内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法を提供する。
本発明の第４は、ウェルドのない試験片と、ウェルドを有する試験片の、それぞれの寿命−歪み曲線を取得し、両者の平均値を使用することを特徴とする本発明の第１〜３のいずれかに記載の内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法を提供する。
本発明の第５は、本発明の第１〜４のいずれかに記載の選定方法を使用した内部歪の小さい樹脂成形品の設計方法を提供する。
本発明の第６は、本発明の第１〜４のいずれかに記載の選定方法を使用した内部歪の小さい樹脂成形品の製造方法を提供する。

本発明によれば、硬質材料が、該硬質材料よりも軟らかい樹脂で覆われた成形品の熱衝撃寿命を極めて短時間で推定する方法が提供され、耐熱衝撃性に優れる、即ち内部歪みが少ない樹脂成形品の選定方法、設計方法、製造方法が提供される。

以下、本発明の詳細を説明する。
本発明に係る成形品は、金属、セラミックス、硬質の樹脂、或いはこれに類する硬質の材料（これらを硬質材料という）を、該硬質材料よりも軟らかい樹脂でインサート成形、アウトサート成形、貼合わせ成形等して得られた樹脂成形品である。例えば、硬質材料としては、一般的にはその用途から金属製バスバーやカラーのようなインサート等が挙げられる。

１．硬質材料が樹脂で覆われた成形品のＣ値の求め方
本発明では、上記成形品において、硬質材料周辺の樹脂の残留歪をγ₀とし、これに使用温度領域下限における線膨張・収縮率γ'（即ち、γ'＝（下限温度と室温との温度差）×線膨張係数）を加えた歪みをγ（即ち、γ＝γ₀＋γ'）として、同一樹脂により成形したダンベル型試験片により求めた、使用温度領域下限における寿命（ｘ軸）−歪み（ｙ軸）曲線の切片（歪みである）をa（単位：％）、同曲線の傾きをb（単位：無次元）とした場合、下記式（Ｉ）：
C=exp((a-γ)/b) 式（Ｉ）
で、内部歪みによる寿命を評価する。
式（Ｉ）は指数関数であるから、ｘ軸を対数目盛りとすると、直線表示される。
上記式を用い、従来から材料としてのデータが蓄積されている基準となる材料のC1より、対象となる材料のC2がC2>C1を満たす特性a、b、γを有する樹脂材料を使用すれば、寿命（寿命は内部歪みによる。）が長い成形品が得られる。

硬質材料周辺の樹脂残留歪γ₀
（ｉ）インサートを除去して残存歪を計測する場合
樹脂残留歪γ₀は、簡易的には、例えば、次のように求められる。
φ20程度の円筒状樹脂成形品で、成形時にその内径に接するよう、外径（Do）の金属をインサートして成形し、放冷後に治具等を使用して金属を除去し、樹脂部の内径（Di）を測定する。
金属インサートの外径（Do）から樹脂成形品内径（Di）の寸法を差し引き、これを金属インサートの外径（Do）で除した値をγ₀とする。
γ₀＝（Do−Di）／Do 式（II）

（ii）成形後に加熱処理して放冷した後の室温における残存歪を計測する場合
γ₀は（ｉ）の方法に限定されるものではなく、他の方法として、例えばインサート成形品に歪ゲージを取りつけて歪み（γ₁）をゼロ点補正し、その後インサートを除去してその歪（γ₂）の変化を測定してもよい。
γ₀＝γ₁−γ₂

実際の製品では寸法を安定させる目的で、加熱処理を数時間行うことは一般的であり、これに伴い内部歪も成形直後とは変化するため、加熱処理後の成形歪を測定することが望ましい。

（形状による補正）
形状の複雑なものについては先の円筒によって求めたγ₀に対し、円筒と当該形状の歪の差を力学的に計算して求めた値で補正してもかまわない。
製品形状により、歪が集中する場合には、前記γの代わりに、歪の集中度合い（ｃ）を加味した値γ₀×ｃを使用する。
具体的には、前記円筒試験片による残留ひずみγ₀を求めた後、円筒試験片と実製品のインサート部形状において所定の樹脂の収縮を与えた際の歪を材料力学的あるいはこれを元にした有限要素法などで求める。

硬質材料（即ちインサート部品）が該硬質材料よりも軟らかい樹脂で覆われた成形品（即ちインサート成形品）の保持する歪みがγ₀である。
インサート成形品が熱衝撃サイクルを受ける時に、樹脂とインサート部品が各々線膨張または線収縮を生じる。この場合、例えば高温ではγ₀は線膨張の分だけ減少し、低温では逆に増加する。
低温になると、樹脂は、インサート部品よりも大きく収縮するため、樹脂には室温に較べて大きな歪みが加わる。この温度変化により余分に加わる歪みをγ’とする。
即ち、インサート部品の線膨張係数をα₁、軟らかい樹脂の線膨張係数をα₂とすると、低温ではγ’は次のようになる。
γ'＝（下限温度と室温との温度差）×両材料の線膨張係数の差（α₂−α₁）
即ち、低温では、インサート成形品には歪みγ＝γ₀＋γ'が加わることになる。

寿命−歪み曲線
（ウェルドがない場合）
式（Ｉ）のa、bを求めるために、寿命−歪み曲線が必要である。
ISO規格527-1,2で提示されるダンベル試験片を用い、スパン７０ｍｍで３点曲げモードで繰り返し一定変形を与え、破壊までのサイクルを測定した。これを種々の変形量で実施して変形量を歪に換算して寿命−歪み曲線を得た。
測定例を図２（ａ）に示す。
図２（ａ）において、ｙ軸との切片（歪みである）がa（単位：％）であり、同曲線の傾きがｂ（単位：％／付加回数）である。
曲げモードとしたのは試験精度の都合であり、精度よく変位を与えられれば引張りモードでもかまわない。

（ウェルドがある場合）
成形品では、インサート部に流動した樹脂が会合して形成されるウェルドがある場合があり、この部分の強度は比較的弱いことが多い。
ウェルドがある場合の寿命−歪み曲線を求めるには、ダンベル片の両端から樹脂を充填して、中央部にウェルドを設けた試験片を用いて、前項と同様にして疲労−寿命を測定する。測定例を図２（ｂ）に示す。

実際の製品では、ウェルドが無い場合と有る場合の２種類の寿命−歪み曲線から得られたａ、ｂの両者の平均値を用いる。例を図２（ｃ）に示す。

しかし、ウェルドの形成状態が正確に把握できればそれを再現できる試験片での寿命−歪み曲線を得た後にa、bを規定してもよい。例えば、成形品より試験片を切り出して、そのウェルド部の強さを測定して、ウェルドの無い部分の最大値と対比する。但し、破断歪みを伸びとした考えである。

基準となる材料について、γ、ａ、ｂが求められ、C1の値が決定される。
選定する材料のC2がC2＞C1を満たすようにする。この際、原則的に同等形状で比較する必要があるが、発生歪が同等であれば同等形状でなくてもよい。

本発明でいう硬質材料とは、金属、セラミックス、硬質の樹脂、或いはこれに類する硬質の材料のことである。
硬質の樹脂としては、被覆する樹脂よりも相対的に硬い樹脂であればよく、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。

本発明において使用される前記硬質材料よりも軟らかい樹脂は、射出成形される樹脂を対象とするため特に熱可塑性樹脂が好ましい。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ABS樹脂、ポリ(メタ)アクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、弗素樹脂、熱可塑性エラストマー、及びこれらのポリマーアロイ等が挙げられる。
上記樹脂には、各種の樹脂添加剤、充填剤、熱衝撃改質剤等が入っていてもよい。
なお、硬質の樹脂とは、相対的な表現であり、硬質材料がポリカーボネート（ロックウェル硬度１２６）で、被覆する樹脂がポリエチレン（ロックウェル硬度８０）などの組み合わせでもよい。

この方法によれば、目的樹脂材料及び比較参照の樹脂材料を含めて、短時日で必要な物性を取得でき、その優劣が把握できる。従来、数十日ないし数百日を要していた熱衝撃寿命の優劣の判定が簡易に実施できる。

（実施例）
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
樹脂材質
ジュラネックス^TM３３００：ポリブチレンテレフタレート樹脂(ポリプラスチックス(株)製、ガラス繊維30重量％含有)
ジュラネックス^TM５３１ＨＳ：ポリブチレンテレフタレート樹脂(ポリプラスチックス(株)製)
ジュラネックス^TM９３０ＨＬ：ポリブチレンテレフタレート樹脂(ポリプラスチックス(株)製)
円筒形金属インサート部品：ＳＵＳ製円環状、外径２４ｍｍ、高さ２０ｍｍ
角形金属インサート部品：ＳＵＳ製四角柱状、辺長さ１０ｍｍ、高さ２０ｍｍ

（参考例１）
図１（ａ）に示す形状の円筒状インサート成形品を、ジュラネックス^TM３３００を用いて成形した。成形後、150℃、2時間、加熱処理し、室温で放冷後、インサート部を除去した（図１（ｂ）参照）。除去後の樹脂成形品の内径を計測し、式（II）よりγを算出した。結果を表１に示す。

寿命−歪み曲線の測定
（ウェルドがない場合）
ISOダンベル試験片：標線間80mm、幅10mm、厚み2mm
雰囲気温度:−30℃
3点接触部R5
変位速度：５０mm/min
スパン：７５mmで中央を３点曲げ一定変形量を与え、３点曲げの歪の式：
ε＝６×厚み×変形量／（スパンの２乗）
を用いて歪（ε）を算出した。
得られた、寿命−歪み曲線を図２（ａ）（△印の線）に示す。
（ウェルドがある場合）
上記試験片で両端から充填された樹脂が中央の位置で会合して、ウェルドを設けた試験片を作成し、上記ウェルドがない場合と同様に、３点曲げ試験を行った。
得られた、寿命−歪み曲線を図２（ｂ）（△印の線）に示す。
ウェルドが無い場合と有る場合の曲線より、それぞれａとｂを求め、両者の平均をそれぞれ〈ａ〉、〈ｂ〉とした。結果を図２（ｃ）（△印の線）に示す。
このようにして、得られたＣの値を表１に示す。

（実施例１）
樹脂としてジュラネックス^TM３３００の代りに、５３１ＨＳを用いた以外は参考例１と同様に行った。得られた、寿命−歪み曲線を図２（ｃ）（小黒丸印の線）に示す。γ及び図２（ａ）（小黒丸印の線）から得られた〈ａ〉、〈ｂ〉、それらを基に計算されたＣの値を表１に示す。

（実施例２）
樹脂としてジュラネックス^TM３３００の代りに、９３０ＨＬを用いた以外は参考例１と同様に行った。得られた、寿命−歪み曲線を図２（ｃ）（大黒丸印の線）に示す。
γ及び各図から得られた〈ａ〉、〈ｂ〉、それらを基に計算されたＣの値を表１に示す。

（参考例２）
図３に示す形状の角インサート成形品を、辺長さ１０ｍｍの角形インサートを用いて成形した以外は、参考例１と同様に行った。
なお、樹脂充填口は通常のサイドゲートであり、ウェルドはその反対側に線状に生じる。
式（II）よりγを算出し、CAE解析で求めた円筒と四角インサートの形状差による歪の集中度合い0.55でγを除した値を用いた。結果を表２に示す。

（実施例３、４）
樹脂としてジュラネックス^TM３３００の代りに、５３１ＨＳ（実施例３）、９３０ＨＬ（実施例４）を用いた以外は参考例２と同様に行った。結果を表２に示す。

（ａ）円筒状インサート成形品の斜視図である。（ｂ）円筒状インサート成形品からインサートを除去した状態の図である。（ｃ）円筒状成形品（インサート無し）の斜視図である。 （ａ）ウェルドが無い場合の、各種試験片による寿命−歪み曲線の測定結果を示す図である。（ｂ）ウェルドが有る場合の、各種試験片による寿命−歪み曲線の測定結果を示す図である。（ｃ）（ａ）と（ｂ）の平均値を表す図である。 角型インサート成形品の上面図である。

符号の説明

１ 樹脂
２ インサート部品

Claims (6)

1. 硬質材料が、該硬質材料よりも軟らかい樹脂で覆われた成形品において、硬質材料周辺の樹脂残留歪をγ₀とし、これに使用温度領域下限における線膨張・収縮率γ'（即ち、γ'＝（下限温度と室温との温度差）×両材料の線膨張係数の差）を加えた歪みをγ（即ち、γ＝γ₀＋γ'）として、
   同一樹脂により成形したダンベル型試験片により求めた、使用温度領域下限における寿命（ｘ軸）−歪み（ｙ軸）曲線のｙ軸との切片（歪みである）をa（単位：％）、同曲線の傾きをｂ（単位：無次元）とした場合、
   C=exp((a-γ)/b) 式（Ｉ）
   とし、基準となる樹脂材料のC1より対象となる樹脂材料のC2がC2>C1を満たす特性a、b、γを有する樹脂材料を使用することを特徴とする内部歪の小さな樹脂成形品の選定方法。
2. γが、インサート部品を内部にインサートして成形後、
   （ｉ）インサートを除去することで計測される残留歪、または
   （ii）成形後に加熱処理して放冷した後の室温における残存歪
   であることを特徴とする請求項１記載の内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法。
3. 製品形状による歪の集中に合わせて、式（Ｉ）においてγの代りに、γを歪の集中度合いｃを加味した値γ×ｃを使用することを特徴とする請求項１又は２記載の内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法。
4. ウェルドのない試験片と、ウェルドを有する試験片の、それぞれの寿命−歪み曲線を取得し、両者の平均値を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内部歪の小さい樹脂成形品の選定方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の選定方法を使用した内部歪の小さい樹脂成形品の設計方法。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の選定方法を使用した内部歪の小さい樹脂成形品の製造方法。