設計・成形時の注意点

LGFは優れた特性を持つ一方で、その性能を最大限に引き出すためには、材料の特性を深く理解した上での設計および成形技術が不可欠です。特に繊維長が長いことに起因する特有の現象があり、これらを考慮しないと期待した性能が得られないばかりか、思わぬ不具合に繋がる可能性もあります。

繊維配向による異方性

LGFの最も注意すべき点の一つが、成形品内での繊維配向によって生じる物性の異方性です。射出成形時、溶融したLGF樹脂は金型キャビティ内を流動しますが、その際、ガラス繊維は主に樹脂の流れ方向に沿って配向する傾向があります。その結果、成形品の部位によって、また方向によって機械的強度が大きく異なる「異方性」が生じます。

⓵ 強度異方性: 繊維の配向方向（流れ方向）の強度は高くなりますが、それと直角の方向（クロスフロー方向）の強度は相対的に低くなります。この強度差は、短繊維強化樹脂よりも顕著に現れる傾向があります。

② 反り・変形: 繊維配向の不均一さや、流れ方向と直角方向での冷却収縮率の違いが、製品の反りや変形の大きな原因となります。特に薄肉品や大型品、非対称形状品ではこの問題が顕在化しやすくなります。

③ 寸法精度: 異方的な収縮により、設計通りの寸法を出すことが難しくなる場合があります。

④ 製品設計: 可能な限り肉厚を均一にし、急激な肉厚変化を避ける。リブを設ける際は、その向きと繊維配向を考慮し、反りを抑制する方向に配置する。あるいは、リブの配置によって意図的に繊維配向をコントロールすることも検討する。強度が必要な箇所に、繊維が効果的に配向するような形状・流動経路を設計する。

⑤ 金型設計: ゲート位置と数は、キャビティ内の最終的な繊維配向パターンに最も大きな影響を与える要素の一つです。製品形状や要求特性に応じて、最適なゲート方式（サイドゲート、ピンポイントゲート、ファンゲート、フィルムゲートなど）を選定し、配置を工夫します。多点ゲートにする場合は、ウェルドラインの発生位置とその影響を十分に考慮する必要があります。繊維の折損を最小限に抑え、スムーズな充填を促すために、ランナー径を太くし、急な曲がりを避けるなど、せん断の少ない設計が求められます。良好な充填と繊維配向を促すために、適切なガス抜き設計が重要です。

繊維のせん断破断リスク

LGFのメリットは長い繊維長にありますが、成形プロセス中に過度なせん断力がかかると繊維が折損し、短繊維化してしまいます。これではLGF本来の性能を発揮できません。

機械的強度、特に衝撃強度の著しく低下します。

⓵ 成形機選定: LGF専用に設計された低圧縮比・低せん断タイプのスクリューを使用することが強く推奨されます。汎用スクリューでは繊維破断が著しく促進される可能性があります。ノズル径も比較的大きく、ストレート構造のものが望ましいです。

② 成形条件の最適化: 一般的に、繊維破断を抑制するためには低～中速の射出が推奨されますが、製品形状やゲート設計によっては、ある程度の速度が必要な場合もあります。充填パターンと繊維長維持のバランスを見極めることが重要です。可塑化時のせん断を低減するため、スクリュー回転数は低めに、背圧も必要最小限に設定します。樹脂温度を適切に設定し、溶融粘度を低く保つことで、流動時のせん断抵抗を軽減します。ただし、上げすぎると樹脂の熱劣化や繊維の露出といった問題も生じるため注意が必要です。

溶着線（ウェルドライン）の強度低下

複数のゲートを用いたり、製品形状に孔や障害物があったりする場合、溶融樹脂の合流部にウェルドラインが発生します。LGFの場合、このウェルドライン部では繊維が製品表面に対して垂直方向に配向しにくく、また繊維密度も低下しやすいため、母材樹脂のみに近い状態となり、強度が著しく低下する傾向があります。

ウェルドライン部が製品のウィークポイントとなり、そこから破壊が始まる可能性があります。特に衝撃荷重や繰り返し荷重に対して脆弱になります。製品設計・金型設計に関しては、可能な限り、ウェルドラインが大きな応力のかからない部位、または外観上目立たない部位に発生するようにゲート位置を設計する。ウェルドラインの発生が避けられない場合は、その部分の肉厚を増す、リブで補強するなどの対策を検討する。CAE解析などを活用し、ウェルドライン部でも繊維が効果的に絡み合うような流動パターンを意図的に作り出す金型設計・成形条件設定を試みることもあります。

当社における課題解決アプローチ

当社では、これらのLGF特有の課題に対して、単一の要素だけでなく、「樹脂材料」、「金型」、「成形条件」の三位一体での最適化提案を基本としています。お客様の製品図面や要求仕様に基づき、必要時応じてCAE流動解析を行い、繊維配向やウェルドライン位置を予測し、最適なゲート設計や肉厚設計を支援します。さらに、試作成形を通じて実際の反りや寸法、強度を確認し、金型修正や成形条件の微調整を行うことで、量産時の安定品質を追求します。

特に、前編でも触れた特定の半芳香族PA系LGF材においては、その優れた特性ゆえに、一般的なLGF材とは異なる特有の反り挙動やウェルドラインの挙動を示すことがあります。これらの材料は、そのポテンシャルを最大限に引き出すためには、材料特性を深く熟知した上でのきめ細やかな設計・成形ノウハウが不可欠であり、カタログスペックだけを頼りに扱うと、期待した性能が得られないどころか、反りや強度不足といった問題に直面する可能性が高まります。当社は、このような扱いが難しいとされる高機能LGF材についても、豊富な知見に基づき、設計段階からの最適化をサポートいたします。

当社の対応力と独自の技術体制

LGFを用いた金属代替は、大きな可能性を秘めている一方で、その実現には高度な専門知識と技術力が求められます。当社は、LGF材料の特性を最大限に引き出し、お客様の製品開発を成功に導くための独自の対応力と技術体制を構築しています。

成形、材料に関する豊富な知見

当社は、様々な種類のLGF材料の知見を有しています。特に、

– LGF PA66: 高強度・高剛性・耐熱性のバランスに優れ、構造部品に多用されます。

– LGF PP: 軽量性・耐薬品性・コストパフォーマンスに優れ、幅広い用途で活用されます。

– LGF 半芳香族PA: PA66を上回る耐熱性、低吸水性、寸法安定性を持ち、より過酷な環境下での金属代替を実現します。
これらの代表的なLGF材料をはじめとして、その他特殊なLGF材料についても深い知見と取り扱い実績を有しています。これらの実績は、単に「成形できる」というレベルではなく、材料のポテンシャルを最大限に引き出すためのノウハウの蓄積に繋がっています。

成形トライに基づいた実践的な評価ノウハウ

LGF成形品において特に課題となりやすい「反り」や「寸法安定性」については、理論やシミュレーションだけに頼るのではなく、実際の成形トライアルを重視しています。

– 試作成形と精密測定: 試作金型や量産を見据えた金型を用いて実際に成形を行い、三次元測定機などを用いて製品の反り量や各部寸法を精密に測定します。

– データ蓄積と傾向分析: 得られた測定データを蓄積し、材料種、製品形状、ゲート設計、成形条件といった各パラメータが、反りや寸法にどのように影響するかを分析します。これにより、類似案件への迅速な対応や、新規案件における問題予測の精度向上に繋げています。

– CAE解析との連携: CAE流動解析や反り解析の結果と、実際の試作成形結果を比較検証することで、解析モデルの精度を高め、より信頼性の高い事前検討を可能にしています。

高機能グレードへの対応力

市場には、一般には広く流通していないものの、特定の用途において極めて優れた性能を発揮する特殊グレードが存在します。これらは、材料メーカーとの緊密な連携があって初めて取り扱うことが可能となるものです。
当社は、こうしたグレードについても、選定から加工条件の確立までを一貫して対応できる体制を整えています。これにより、お客様の「あと少し、この特性が欲しい」「既存の材料ではどうしても達成できない」といった高度な要求にも応えることが可能です。これらは、特定の耐薬品性、極低温下での靭性、特殊な摺動特性など、ニッチながらも重要なニーズに対応するための切り札となり得ます。

顧客の要求に応じた最適な「材料×成形」ソリューションの提案

当社の最大の強みは、お客様の製品が持つべき「構造」と「機能」の要件を深く理解した上で、多数存在するLGF材料の選択肢と、それに最適な成形条件、さらには金型設計までを総合的に考慮し、「最高の組み合わせ」を提案できることにあります。
単なる材料紹介だけではなく、「この製品のこの部分にはこのLGFグレードを使い、このようなゲート設計と成形条件で生産することで、目標とする強度と寸法精度を最も効率的に達成できます」といった、具体的なソリューションとして提示します。このプロセスには、

– 詳細なヒアリングによる要求仕様の明確化

– 過去の実績と最新の材料情報に基づく材料候補の選定

– CAE解析を援用した事前検討とリスク評価

– 試作成形による実物検証とフィードバック

– 量産化に向けた生産技術の確立
といったステップが含まれ、お客様と二人三脚で課題解決に取り組みます。

カタログに掲載されるグレード名だけでは、その材料が持つ真のポテンシャルや、特定の用途における適性を判断することは困難です。当社は、材料メーカーのホームページに記載されていないグレードも含め、長年培ってきた独自の選定基準と評価軸に基づき、お客様の製品にとって本当に価値のある高性能・高信頼なLGFソリューションを提供することで、金属代替のその先にある新たな製品価値の創造を強力にサポートします。

まとめ

ガラス長繊維強化樹脂（LGF）は、その優れた機械的強度、特に高い衝撃吸収性、そして良好な長期耐久性により、従来の短繊維強化樹脂では難しかった領域での樹脂化を可能にする画期的な材料です。軽量化、コストダウン、設計自由度の向上といった樹脂化のメリットを享受しつつ、金属に匹敵するようなタフネスが求められる用途において、LGFは「金属代替材料の新たな定番」として、その地位を確固たるものにしつつあります。

産業機器、配管・流体制御機器、電気・制御機器などの分野においても、LGFはそのポテンシャルを遺憾なく発揮し、製品の高性能化、高付加価値化に大きく貢献しています。

しかしながら、本コラムで詳述したように、LGFの真価を引き出すためには、繊維配向による異方性、せん断による繊維破断リスク、ウェルドラインの強度低下といった特有の課題を克服する必要があります。これには、材料の特性を深く理解することはもちろん、金型設計の最適化、そして成形条件の精密なコントロールといった、高度な専門知識と技術が不可欠です。つまり、LGFは「誰でも簡単に扱える材料」ではなく、その性能を最大限に引き出すには、材料・金型・成形条件のすべてに精通したパートナーの存在が鍵となります。

当社は、LGF PA66、LGF PP、そして高機能なLGF 半芳香族PAをはじめとする多種多様なLGF材料に関する豊富な知見を有しています。成形トライアルに基づく実践的な評価ノウハウ、さらには一般には開示されていない高機能グレードへの対応力、そして何よりも、お客様の製品要求に真摯に向き合い、最適な「材料×金型×成形」のソリューションを提案する独自の技術体制が、当社の強みです。

金属部品の軽量化、コストダウン、あるいは性能向上といった課題をお持ちでしたら、ぜひ一度、LGFの可能性をご検討ください。そして、その際には、LGFのポテンシャルを最大限に引き出し、お客様の製品開発を成功へと導くパートナーとして、当社にご相談いただけますと幸いです。私たちは、独自の技術ノウハウと提案力で、お客様の金属代替への挑戦を強力に支援いたします。

本コラムの内容は、執筆時点での情報に基づいております。当社は本コラムの内容の正確性、完全性について保証するものではなく、本コラムの利用によって生じたいかなる損害についても責任を負いかねます。読者の皆様におかれましては、具体的な材料選定に際しては当社までお問合せをお願い致します。

＞＞お問い合わせはこちら