高性能射出成形用途には、長繊維強化熱可塑性樹脂（LFRT）が使用されている。 LFRT技術は優れた強度、剛性、衝撃特性を提供しますが、この材料の加工は、最終部品がどのような性能を達成できるかを決定する上で重要な役割を果たします。
LFRTを成功裏に形作るためには、その独自の特徴のいくつかを理解する必要があります。 LFRTと従来の強化熱可塑性樹脂との違いを理解することは、LFRTの価値と可能性を最大限に引き出すための設備、設計、加工技術の開発を推進しています。
LFRTと従来の細断された短いガラス繊維強化複合材の違いは、繊維の長さにあります。 LFRTでは、繊維の長さはペレットの長さと同じです。 これは、ほとんどのLFRTが、薄い複合材料ではなくプルトルージョンによって製造されるためです。 LFRT製造では、ガラス繊維ロービングの連続トウをまずダイに引き込み、樹脂を含浸させる。 金型から出た後、補強プラスチックの連続ストリップを細断またはペレット化し、通常10〜12mmの長さに切断する。 対照的に、従来の短いガラス繊維複合体は、3~4mmの長さのチョップドストランドのみを含み、これは、剪断型押出機において2mm未満までさらに短縮される。
LFRTは、通常、プルトルージョン法、連続ガラス繊維束に樹脂を含浸させた後、長いペレットに切断することによって調製される。 ガラス繊維の長さは、ペレットの長さに等しい。
LFRTペレットの繊維長は、剛性を維持しながら、耐衝撃性または靱性を向上させたLFRTの機械的特性を改善するのに役立つ。 繊維が成形プロセス中にその長さを保持する限り、それらは優れた機械的特性を提供する「内部骨格」を形成する。 しかしながら、成形プロセスが不十分であると、長い繊維製品を短い繊維材料に変えることができる。 成形工程中に繊維の長さが損なわれると、必要な性能レベルを得ることができない。
射出成形部品の熱分解前後の図。 淡い色は、樹脂が燃え落ちた後の長繊維によって形成される内部骨格であり、骨格は部品の形状を保持する。 LFRT成形中に繊維長を維持するためには、考慮すべき3つの重要な側面があります。射出成形機、部品と金型の設計、加工条件です。
01装置の注意事項
LFRT処理に関するよくある質問は、既存の射出成形装置を使用してこれらの材料を成形することが可能かどうかです。 大部分の場合、ステープルファイバー複合材を形成するための装置を使用してLFRTを成形することもできる。 典型的なステープルファイバー成形装置は、ほとんどのLFRT部品および製品にとって満足のいくものですが、装置のいくつかの変更がファイバーの長さを維持するのに役立つ場合があります。
典型的な「フィード圧縮計量」セクションを備えたユニバーサルスクリューは理想的にはこのプロセスに適しており、計量セクションの圧縮比を下げることによって繊維の破壊的なせん断を減らすことができます。 計量セクションの圧縮比は約2：1がLFRT製品に最適です。 LFRTの磨耗が従来の細断ガラス繊維強化熱可塑性樹脂ほどではないため、特別な金属合金からのねじ、バレルその他の部品の製造は不要です。
設計レビューの恩恵を受ける可能性があるもう1つの装置はノズルチップです。 いくつかの熱可塑性樹脂は、材料が金型キャビティ内に射出される際に高い程度の剪断を生成する逆円錐形ノズルを用いて先端を作るのが容易である。 しかしながら、このノズルチップは、長繊維複合材の繊維長を著しく減少させる可能性がある。 したがって、ノズルを通して長繊維に簡単にアクセスできる100％の「フリーフロー」スロット付きノズルチップ/バルブアセンブリを使用することを推奨します。 さらに、ノズルおよびゲートホールの直径は、緩いサイズで5.5mm（0.250インチ）以上であり、鋭いエッジを持たないようにすべきである。 材料が射出成形装置を通ってどのように流れ、剪断が繊維を壊すかが決定される場所を理解することは重要である。
02部品・金型設計
良い部品と金型設計は、LFRTの繊維長を維持するのにも役立ちます。 リブ、ボス、およびその他のフィーチャーを含むエッジの一部の周りの鋭いコーナーを除去することで、成形部品の不必要な応力を防ぎ、ファイバーの摩耗を低減します。 部品は、均一な壁厚公称壁設計でなければなりません。 肉厚の変化が大きいと、充填が不均一になり、部品の不要な繊維配向が生じます。 より厚いまたはより薄い場合、繊維を損傷し、応力集中の原因となる高せん断領域の形成を避けるために、壁の厚さの急激な変化は避けるべきである。 通常、厚い壁にゲートを開けて、薄い部分に流れようとすると、薄い部分に充填の端が保持されます。 一般的なプラスチック設計ガイドラインによれば、肉厚を4mm（0.160インチ）以下に保つと、良好で均一な流れが促進され、くぼみやボイドが発生する可能性が低くなります。 LFRT複合体の場合、最適な壁厚は典型的には約3mm（0.120インチ）であり、最小厚さは2mm（0.080インチ）である。 肉厚が2mm未満であると、型に進入した後の繊維の破断確率が高くなる。
部品はデザインの一面に過ぎず、材料がどのように金型に入るかを検討することも重要です。 ランナーとゲートが材料をキャビティ内に導くと、適切な設計がなされていないと、これらの領域でかなりの量の繊維の破損が生じることがある。
LFRTコンパウンドの成形に使用されるモールドを設計する際には、フィレットランナーが最適で、最小直径は5.5mm（0.250インチ）です。 フルラウンドランナーに加えて、ランナーの他の形態は、鋭いコーナーを有するであろうし、成形プロセス中の応力を増加させてガラス繊維強化材を弱体化させる。 ランナーが開いているホットランナーシステムも使用できます。 ゲートの最小厚さは2mm（0.080インチ）にする必要があります。 可能であれば、キャビティへの材料の流れを妨げないエッジに沿ってゲートを配置します。 パーツ表面のスプルーは、繊維の破裂を防止し、機械的特性を低下させるために90°回転する必要があります。 最後に、溶接線の位置と、部品が使用されるときの荷重（または応力）の下での溶接線の位置にどのように影響するかに注意してください。 溶着線は、合理的なゲートのレイアウトによって応力レベルがより低くなると予想される領域に移動されるべきである。
コンピュータ充填分析は、これらの可融性リンクがどこに配置されるかを判断するのに役立ちます。 充填分析中に決定されるような構造的有限要素解析（FEA）を用いて、高応力の位置をコンフルエンスラインの位置と比較することができる。 これらのコンポーネントとモールドデザインは単なる提案に過ぎないことに注意してください。 薄い壁、様々な壁の厚さ、繊細なまたは細かいフィーチャを持ち、LFRT複合材で良好な性能を達成するコンポーネントの多くの例があります。 しかし、これらの提案から離れればするほど、長繊維技術の利点を十分に発揮するための時間と努力が増えます。
03処理設計
処理条件はLFRTの成功の鍵です。 正しい加工条件が使用されている限り、従来の射出成形機と、準備されたLFRT部品用の適切に準備された金型を使用することが可能です。 換言すれば、適切な装置および金型設計であっても、加工条件が悪いと繊維の長さが損なわれる可能性がある。 これは、成形プロセス中に繊維が遭遇する条件を理解し、繊維の過度のせん断を引き起こす領域を特定することを必要とする。
まず、背圧を監視します。 背圧が高いと材料に大きなせん断力がかかり、繊維長が短くなります。 ゼロバックプレッシャから出発して、スクリューが供給中に均等に後退することを可能にするためだけにそれを増加させることを考慮すると、一貫した供給を達成するには通常1.5~2.5バール（20~50psi）の背圧で十分である。
高いスクリュー速度にも悪影響があります。 スクリューが速く回転するほど、固体および未溶融材料がスクリューの圧縮部に入り、繊維損傷を引き起こす可能性が高くなります。 バックプレッシャーの推奨事項と同様に、スクリューを安定して満たすために必要な最低レベルで回転速度を維持してください。 LFRT複合体の形成において、30〜70r /分のスクリュー速度が一般的である。
射出成形の間に、溶融は2つの相互作用する要因、すなわちせん断および熱によって起こる。 目標は、せん断を減らすことによってLFRTの繊維の長さを保護することであるので、より多くの熱が必要になります。 樹脂系に依存して、LFRT複合材が処理される温度は、通常、従来の成形コンパウンドよりも10〜30℃高い。
ただし、シリンダ温度を完全に上げる前に、バレル温度分布の逆転に注意してください。 典型的には、物質がホッパーからノズルに移動するにつれてバレル温度が上昇するが、LFRTについては、ホッパーでより高い温度を有することが推奨される。 逆の温度分布は、高せん断スクリュー圧縮セクションに入る前にLFRTペレットを軟化させて溶融させ、それによって繊維の長さの保持を容易にする。
処理に関する最後の注記は、バックアップ資料の使用です。 成形された部品またはノズルを研削すると、通常、繊維の長さがより短くなるので、バックアップ材料の添加は繊維の全長に影響を及ぼす可能性があります。 機械的特性を著しく低下させないために、材料の最大量を5％に戻すことが推奨される。 リサイクルされた材料の量が多いほど、衝撃強度のような機械的性質に悪影響を与える。
