射出成形は 6 工程である

OEM 担当者との打ち合わせで「射出成形で」と言うとき、両者の頭の中で 1 サイクルの中身が違います。標準化団体の定義では、射出成形は次の 6 工程に分解されます [1]。

1. 計量（plastication / metering）     溶融樹脂をスクリュー前端に送る
2. 射出（injection）                  溶融樹脂を金型キャビティに充填
3. 保圧（packing / holding）           キャビティ内の樹脂を圧縮し、収縮分を補給
4. 冷却（cooling）                    金型内で樹脂を固化
5. 取出（ejection）                   成形品を取り出す
6. 次サイクルの準備                  スクリュー後退・金型開閉など

この 6 工程の温度・圧力・時間・速度を、材料と金型に合わせてどう設定するかが、射出成形の核です。

国際 4 規格のカバー範囲

自動車 OEM との取引で一番困る「規格が複数ある問題」を、ISO / ASTM / JIS / GB の 4 体系で整理します。

規格正式名称適用範囲注記
ISO 294-1熱可塑性試験片の射出成形—第 1 部：一般原則と多目的試験片試験片作成多目的 ISO 3167 A1/B1 型試験片を規定 [2]
ISO 294-2同 第 2 部：小形引張試験片小形試験片C 型金型、ISO 20753 CW13 試験片 [3]
ISO 294-3同 第 3 部：小角板平板試験片D1/D2 型金型、60×60 mm 板
ISO 294-4同 第 4 部：成形収縮率収縮率測定平行/垂直方向を定義
ISO 294-5同 第 5 部：異方性研究用異方性F 型金型 80×120 mm [4]
ASTM D3641熱可塑性試験片の射出成形標準実施規程試験片作成ISO 294-1〜3 と等価を NOTE 1 で明記 [5]
JIS K 7100プラスチック—状態調節及び試験用標準ふん囲気試験環境23℃/50% RH が標準
GB/T 17037.1-2019熱塑性塑料注塑試样的制备 第 1 部分試験片作成ISO 294-1:2017 を修改採用 [6]
GB/T 17037.2-2020同 第 2 部分小形試験片ISO 294-2:2018 を修改採用
GB/T 17037.4-2003同 第 4 部分成形収縮率ISO 294-4:2001 を等同採用
GB/T 17037.5-2020同 第 5 部分異方性ISO 294-5:2017 を修改採用

実質的に、ASTM D3641 = ISO 294-1〜3 + JIS K 7100（状態調節） + ISO 20753（試験片寸法） で構成されます。GB/T 17037 は 2017-2020 年に ISO 整合を完了し、殆どの試験データは 4 体系で互換です [7]。

6 工程と各規格の要求

工程別に「規格が要求する測定項目」を整理します。

計量工程（plastication）

  • 計量精度：射出量の 0.1 g 単位
  • 樹脂温度（メルト温度）：±3℃ 以内（ASTM D3641 §6.1.1）
  • 背圧：0.5–2.0 MPa（PA66 など高粘度樹脂は 1.5 MPa 推奨）
  • ショット量：成形機最大能力の 20–80% を使用（残材滞留を避ける） [5]

射出工程（injection）

  • 射出速度：金型キャビティ容積とショット量から平均射出速度を算出
  • 射出圧：金型センサー圧が 2% 以内の精度で管理
  • スイッチオーバー点（V/P 切替）：速度制御から圧力制御へ移行するタイミング
  • キャビティ圧力曲線：ピークを出さない、CPK ≥ 1.33 が量産合格条件

ASTM D3641 §6.1.1 は、射出速度・射出圧・計量時間の許容偏差を ±0.1 s / ±2% / ±5% と厳格に定めています [5]。

保圧工程（holding/packing）

  • 保圧圧：射出圧の 50–80% に下げる
  • 保圧時間：ゲートシール時間 + 1 s が目安
  • 型内圧力推移：ピークを出さず、CPK 1.33 以上

ISO 294-4 は保圧圧を 20 / 40 / 60 / 80 / 100 MPa の 5 段階から選ぶ方式を規定しています [8]。

冷却工程（cooling）

  • 金型温度：材料ごとに推奨温度域（JIS K 7100 で 23℃/50% RH 状態調節が前提）
  • 冷却時間：肉厚 1 mm あたり 5–8 s が目安
  • 冷却不均一によるひずみ：異方性試験（ISO 294-5）で検出

取出工程（ejection）

  • 突き出しピン径：成形品外形 × 0.6–0.8%
  • 突き出し痕：金型 SPI-SPE A-3 以上（ASTM D3641 §6.2.4）
  • 離型勾配：1° 以下（多目的試験片の中央肩は 2° 以下）

次サイクル準備

  • 成形サイクルタイム：ゲートシールから次回のゲートシールまで
  • 標準化団体は直接規定しないが、IATF 16949（自動車 QMS）は CPK と能力を要求

自動車 OEM が要求する成形条件報告

トヨタ、ホンダ、フォルクスワーゲンの Tier 1 サプライヤーは、量産開始時に 成形条件報告書（IM Report: Injection Molding Report） の提出を要求します。以下の 13 項目は共通で、実装フォーマットは PPAP（Production Part Approval Process）でも同じです [9]。

  1. 成形機メーカー・型番・最大クランプ力
  2. ショット量（製品 + スパー + ランナー）
  3. 樹脂メーカー・銘柄・ロット番号
  4. 樹脂乾燥条件（温度・時間・露点）
  5. ホッパー温度
  6. バレル各部温度（後 / 中 / 前 / ノズル）
  7. メルト温度（実測値）
  8. 金型温度（実測、キャビティ / コア別）
  9. 射出時間 / 保圧時間 / 冷却時間 / サイクルタイム
  10. 射出圧 / 保圧圧（段数含む）
  11. 射出速度（V/P 切替位置または時間）
  12. 金型キャビティ圧（センサーチャンネル別）
  13. 成形品重量 / 寸法（代表 5 個）

OEM 監査で「成形条件報告と量産中の CPK が連動しているか」を見られるため、13 項目のうち少なくとも 8 項目は SPC（統計的工程管理）化しておくのが現実的なラインです [10]。

よくある失敗と規格の読み解き

「ショートショット」が頻発する

まず ISO 294-1 §6.2 の「キャビティ設計」を再確認。ゲート径がキャビティ厚の 2/3 以上、ゲート長さ 3 mm 以下が ASTM D3641 §6.2.3 の指針です [5]。金型が原因か材料が原因か切り分けるには、リブ入り試験片（ISO 294-5 F 型）で流動長を測るのが定石です。

「反り」が収まらない

異方性が原因のことが多い。ISO 294-5 の板試験片（80×120×2 mm）で機械的性質を MD（流動方向）と TD（直角方向）で測定。差が 30% を超える場合、GF 含有率・配向・残留応力のいずれかが支配因子です。GF 強化品では成形収縮率を 0.1% 刻みで測定（GB/T 17037.4）[6]。

「シルバー streak」が発生した

ASTM D3641 §6.1.1 のメルト温度管理（±3℃）から外れていないか、乾燥不足か、ベント不良の 3 つに原因が絞れます。1 次切り分けは、材料メーカーの推奨乾燥条件（例：PA66 は 85℃ × 4 時間）からの逸脱幅。

量産時のスペック公開

OEM から量産許可をもらう前に、ISO 準拠の試験片で物性表を出すのが業界の慣例です。手順は：

  1. ISO 3167 準拠の多目的試験片（A1 型）を作製（ISO 294-1）
  2. 23℃ / 50% RH で 88 時間状態調節（JIS K 7100）
  3. ASTM D638（引張）、D790（曲げ）、D256（アイゾット衝撃）、D648（HDT）、D955（成形収縮率）の 5 試験を実施
  4. 5 バッチ × 5 個体のデータで SPC 評価、CPK 1.33 以上を確認
  5. PPAP レベル 3 として OEM に提出

このデータがあれば、量産中の CPK 低下時にも「材料メーカー公表値」と比較して迅速に原因切り分けができます [11]。

まとめ

  • 射出成形は計量・射出・保圧・冷却・取出・次サイクルの 6 工程に分解できる
  • 国際 4 規格（ISO 294 / ASTM D3641 / JIS / GB/T 17037）はほぼ整合しており、ASTM D3641 = ISO 294-1〜3 + 状態調節規格の構成
  • 自動車 OEM 監査では 13 項目の成形条件報告が標準、量産中はその SPC 維持が要求される
  • トラブル時は規格該当条項を引いて原因切り分け、再発防止は PPAP データで固める

規格は「知っているか知らないか」で品質差が出る領域です。東莞工場で新規金型を立ち上げる際は、ISO 294-1 と ASTM D3641 の 2 つを PDF で開いてから条件出しに入るのが、社内ルールになっています。

参考文献

  1. ISO 294-1:2017, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 1: General principles, and moulding of multipurpose and bar test specimens, ISO
  2. ISO 3167:2014, Plastics — Preparation and use of multipurpose test specimens, ISO
  3. ISO 294-2:2018, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 2: Small tensile bars, ISO
  4. ISO 294-5:2017, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 5: Preparation of standard specimens for investigating anisotropy, ISO
  5. ASTM D3641-15, Standard Practice for Injection Molding Test Specimens of Thermoplastic Molding and Extrusion Materials, ASTM International
  6. GB/T 17037.1-2019, 塑料 热塑性塑料材料注塑试样的制备 第 1 部分：一般原理, 国家标准化管理委員会
  7. ISO 1043-1:2011, Plastics — Symbols and abbreviated terms, ISO
  8. ISO 294-4:2001, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 4: Determination of moulding shrinkage, ISO
  9. IATF 16949:2016, Quality management system requirements for automotive production and relevant service parts organisations, IATF
  10. AIAG PPAP 4th Edition (2006), Production Part Approval Process, Automotive Industry Action Group
  11. JIS K 7100:1999, プラスチック—状態調節及び試験用標準ふん囲気, 日本工業標準調査会
  12. GB/T 17037.5-2020, 塑料 热塑性塑料材料注塑试样的制备 第 5 部分：各向异性研究用标准试样的制备, 国家标准化管理委員会