温度監視とプロセスの安定性による射出成形の安定した品質を実現

射出成形は、複雑なプラスチック部品を大量に製造するために広く使用されている製造プロセスです。このプロセスでは、プラスチック材料を溶融するまで加熱し、その後溶融したプラスチックを精密に設計された金型に高圧下で注入します。プラスチックが金型のキャビティ（空洞部）に入ると冷えて固まります。冷却後、金型が開き、完成した部品が取り出されます。

制御されていない不安定な射出成形プロセスは、生産工程において最も一般的なコスト要因です。寸法安定性の低下、反り、表面品質の悪化、バリの形成、ヒケ、不安定な部品品質、過度に長いサイクル時間など、部品関連の欠陥の大部分は、依然として工程中の熱処理の品質と設定に起因しています。

温度がプラスチック部品の製造において重要なパラメータであることはよく知られています。射出成形における安定した製品品質は、プロセス全体を通じて熱平衡が維持される場合にのみ達成できます。成形品に関連するすべての不良の約60 ～ 70%は、射出成形金型の焼き戻しに遡ることができます。寸法の問題や機械的性能の低下は、金型壁の過度の温度偏差によって発生します。多くの場合、非対称な冷却チャネルのレイアウト、不十分な熱放散、または冷却チャネルのブリッジングが原因で発生します。

成形品の反りも熱の問題です。反りは通常、金型全体にわたる不均一な温度分布の結果であり、不均一な冷却、不適切な熱放散、または不適切な冷却チャネル設計など、寸法の問題と同様の要因によって引き起こされます。光沢不良 や転写不良、フローマークなどの表面品質、ズレ等の成形欠陥は、特にインサート、エジェクタピン、マンドレル、リテーナ、リブ、開口部の周囲での金型内の温度のの不均一によって発生します。ホットランナーシステムの不適切な分離、管理されていない成形ロット、不十分な熱放散が一般的な原因です。

熱処理システムの不適切な構成、システム内での大幅な圧力損失、冷却チャネルの詰まりやメンテナンスの不十分な冷却装置による成形品のホットスポットが原因で、冷却時間とサイクル時間が過度に長くなる可能性があります。これらの問題は、冷却システムに未処理または処理が不十分な水を使用することによって悪化することがよくあります。

したがって、温度監視の主な目的は、熱的な欠陥とプロセスの変化が発生次第、即座に検出することです。利用可能な最も速く、最も効果的で正確な技術の一つが、赤外線サーモグラフィーカメラです。

インラインでの温度監視とソフトウェア統合による射出成形の最適化

射出成形プロセスの温度は部品や材料によって異なりますが、通常は 120 ～ 320℃の間になります。これらの温度はOptrisの近赤外線サーモグラフィーカメラには低過ぎるため、Xi400やXi640などの遠赤外線を利用したサーモグラフィーカメラの使用が必要です。ただし、キャビティはステンレス鋼やアルミニウムなどの反射率の高い材料でできているため、開いたときに赤外線サーモグラフィーカメラで金型を監視するのは理想的でないことがよくあります。反射、表面特徴、堆積物などにより、正しい測定が難しくなるためです。正確な温度測定のためのより効果的なアプローチは、金型から出る製品を監視し、各製品を個別に検査することです。産業用サーモグラフィーカメラは、機械からのトリガー信号を受けると、付属のPIX-Connectソフトウェアが熱画像を取得します。次に、取得した赤外線温度画像とリファレンスとして保存されていた画像を比較し、識別された温度差によって良否の判断が行われ、ハンドリングシステムにフィードバックされます。成形品上の重要な領域はPIX-Connectソフトウェアで事前に定義することができ、監視対象のエリアとして設定できます。定義されたエリアの温度が指定した閾値を超えるか下回った場合、アラーム信号を出力することができ、プロセス内で必要な操作に使用できます。例えば、問題のあるコンポーネントを検知した時に、不合格のスイッチを実行することができます。

赤外線サーモグラフィーカメラを採用したシステムを起動すれば離型温度と成形品温度分布が見えるようになるため、オペレーターは射出成形プロセスを開始するとすぐに「熱的に見る」ことを学びます。温度画像は、より複雑なソフトウェアソリューションを使用することで、さらなる処理も可能です。GTT Willi Steinko GmbH および Plexpert GmbH がプラスチック加工用に特別に開発したIR-ThermoControl または IR-ThermalSystemの品質管理システムと組み合わせることで、射出成形プロセスにおける温度不良の発生源を直接インラインで検出することがが可能になります。Optris社より提供される付属の専用ソフトウェアPIX-Connectは温度データをそれらソフトウェアソリューションに提供し、金型エンジニア、プロセス技術者、品質管理リーダーなどがサイクルタイムを最小限に抑えながら高品質の製品を迅速かつ安全、効率的に生産できるようにする中心的な役割を果たします。問題が発生した時に、適切な是正措置を実施するには、問題の根本原因を正確に特定することが不可欠です。これらのソリューションシステムは、生産中の僅かな温度上昇など散発的な事象も検出し、情報提供を行います。このシステムは、短時間であらゆる射出成形機に柔軟かつ簡単に設置し利用できます。

プロセス指向のユーザーガイダンスにより、制御の定義が容易になり、参照画像システムを使用して温度偏差を自動的に特定します。これにより、参照画像との不一致があればすぐに検出できます。IR-ThermoControlの品質検査モジュールは、良好な部品を参照画像として使用し、サイクル毎に成形部品の画像を取得します。製造された部品は基準画像と比較され、逸脱が検出されるとアラーム信号が出力されます。アラーム信号は、設定された上限と下限に基づいてシステムから出力されます。信号は、射出成形機またはハンドリングシステムに直接送信されます。これは2K（ツーショット）射出成形や発泡射出成形と小型射出成形の複合成形に使用されています。

このシステムを使用すると、成形品上の過剰射出や充填されていない領域も明らかになります。成形部品のヒケや詰まった冷却管を検出することも可能です。後者は、輪郭に近い個所の温度制御を行う場合に特に重要です。製造後のプラスチック部品の冷却挙動を経時的に監視することもできます。これにより、ホットスポット領域における考えられる反りの原因を特定できます。複数部品の金型の場合、最初の部品が十分に冷えたかどうか、または、追加の熱エネルギーが２番目の部品に導入されたかなど表面欠陥の要因となる温度管理をシステムによって行うことができます。

熱画像による金型温度制御と予知保全の強化

赤外線サーモグラフィーカメラを使用したアプローチは、ホットスポットの形成、金型の冷却や加熱時の流量と温度の変動、溶融温度または粘度の変化、半結晶材料の乾燥条件の変化などの外乱要因を特定するのに役立ちます。また、ホットランナー制御の中断や、工場ドアからの隙間風など生産環境における対流の変動を検出し、熱プロセスの安定性を達成するために必要な時間を評価することもできます。主な利点としては、金型温度を時間通りに調整することで、最終製品の品質向上、サイクルタイムの短縮れ、廃棄量の減少、不合格コストの削減などが挙げられます。また、このシステムはホットスポットを検出するとアラームを出力するため、予知メンテナンスが容易になり、高額なメンテナンスコストの削減にも役立ちます。

Optrisの赤外線サーモグラフィーカメラは、既存システムを改修せずに設置でき、有効的に利用いただけます。それに加えて、非常にコストパフォーマンスに優れています。Optrisの赤外線サーモグラフィーカメラは高速で撮影でき、射出成形のアプリケーションでは特に実用的です。PI640iは最大125Hzのフレームレートに対応しており、温度モニタリングのためにサイクルタイムを変更する必要はありません。付属のPIX-Connectソフトウェアには、トリガーによるスナップショット撮影とイベント発生時にスナップショットを取得して熱画像の比較が行えるイベントグラバーモードが備わっています。さらに、カメラ筐体は頑丈で産業用途に適した設計で、さまざまなインターフェイスにも対応しています。