JP2009234063A - 射出成形機及びそれを用いた射出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可塑化された成形材料を超高速・超高圧射出して得られる成形品の品質を向上させる。
【解決手段】成形材料を加熱する加熱筒１２と、加熱筒１２内に回転自在且つ軸方向に移動自在に収容されたスクリュー１３と、スクリュー１３を回転駆動させる回転駆動手段１４と、スクリュー１３を軸方向に移動させる軸方向移動手段１５とを備えたインラインスクリュー式の射出成形機において、加熱筒１２は、成形材料が供給される円筒状の本体部１７と、その本体部１７先端に繋げて設けられ、ノズル孔１９に向かい先細り形状に形成されたテーパー部２０とを有し、加熱筒１２のテーパー部２０のテーパー角度θが３°以上２０°以下となるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形機、殊に熱可塑性樹脂の射出成形に適したインラインスクリュー式の射出成形機及びそれを用いた射出成形方法に関する。

例えば、熱可塑性樹脂の射出成形に用いられる射出成形機として、成形材料（樹脂材料）を加熱する加熱筒と、その加熱筒内に回転自在且つ軸方向に移動自在に設けられたスクリューと、そのスクリューを回転駆動させる回転駆動手段と、スクリューを軸方向に移動させる軸方向移動手段とを備えたインラインスクリュー式の射出成形機が知られている（特許文献１〜８等参照）。

このインラインスクリュー式の射出成形機においては、スクリューを回転駆動手段で回転駆動させて、そのスクリューの回転により加熱筒の基端側から加熱筒内に供給される成形材料を可塑化させて加熱筒先端側に送り出し、上記スクリューを軸方向後方に移動させて、上記加熱筒の先端に所定量の可塑化溶融状態の成形材料を計量したならば、スクリューを軸方向移動手段で前進させて、可塑化された成形材料を上記加熱筒先端から射出して型締装置により型締めされた金型内に充填するようになっている。

従来のインラインスクリュー式の射出成形機においては、加熱筒は、成形材料が供給される円筒状の本体部と、その本体部先端に繋げて設けられ、ノズル孔に向かい先細り形状に形成されたテーパー部とを有し、加熱筒のテーパー部のテーパー角度が２０°を超えるように構成されている。

特開平０６−１６６０７０号公報 特開２００２−００１７８２号公報 特開２００１−２６９９７３号公報 特開２００５−３２９７２２号公報 特開平０７−１４８７８５号公報 特開平０９−０５７８０１号公報 特開平０６−０５５５９４号公報 特開平０７−２９４３４０号公報

熱可塑性樹脂の射出成形においては、可塑化された比較的高温（１５０℃〜４００℃）の成形材料が加熱筒先端から射出されて比較的低温（３０℃〜１２０℃）の金型のキャビティ内に充填され、充填された成形材料が金型のキャビティ内で冷却されて固化される。成形材料を射出して金型内に充填する際に加熱筒からの成形材料の射出速度（或いは金型への成形材料の充填速度）が遅いと、金型のキャビティへの充填途中に、金型のキャビティへと繋がる成形材料の流路（スプルー、ランナー、ゲート）の表面やキャビティの表面に接触した成形材料の固化が始まり、その成形材料の可塑度が低下する。このようにして可塑度が低下した成形材料を無理に圧力をかけて金型のキャビティ内へ充填すると、可塑度が低下した成形材料の混入により成形品の品質が低下するという問題があった。

そのため、熱可塑性樹脂の射出成形プロセスは、超高速射出により成形材料を瞬時に金型のキャビティ内に充填するのが理想的であるとされ、１９８０年代には、超高速射出可能で、更にその超高速射出を実現するために超高圧射出可能な、超高速・超高圧射出成形機の研究が盛んに行われた。

しかしながら、熱可塑性樹脂においては、この超高速・超高圧射出成形機で成形した成形品は、成形材料（樹脂）の局部的に異常高温となる局部発熱により成形品強度が大幅に低下するという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、可塑化された成形材料を超高速・超高圧射出して得られる成形品の品質を向上させることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、成形材料を加熱する加熱筒と、該加熱筒内に回転自在且つ軸方向に移動自在に収容されたスクリューと、該スクリューを回転駆動させる回転駆動手段と、上記スクリューを軸方向に移動させる軸方向移動手段とを備え、上記スクリューを上記回転駆動手段で回転駆動させて、そのスクリューの回転により上記加熱筒内に供給される成形材料を可塑化させて上記加熱筒先端側に送り出し、上記スクリューを軸方向後方に移動させて、上記加熱筒の先端に所定量の可塑化溶融状態の成形材料を計量したならば、上記スクリューを上記軸方向移動手段で軸方向前方に移動させて、可塑化された成形材料を上記加熱筒先端から射出するインラインスクリュー式の射出成形機において、上記加熱筒は、成形材料が供給される円筒状の本体部と、その本体部先端に繋げて設けられ、ノズル孔に向かい先細り形状に形成されたテーパー部とを有し、上記加熱筒のテーパー部のテーパー角度が３°以上２０°以下となるように構成したものである。

ここで、上記加熱筒のテーパー部内壁の表面温度が、そのテーパー部内に収容されて可塑化状態にある成形材料の実温度に比べて−５℃以上の温度に維持されても良い。

又、上記回転駆動手段及び上記軸方向移動手段を制御する制御手段を備え、該制御手段は、上記スクリューが軸方向後方に所定距離移動されてからそのスクリューを上記軸方向移動手段で軸方向前方に移動させるまでの時間が所定時間以内となるように制御するものであっても良い。

本発明によれば、インラインスクリュー式射出成形機による熱可塑性樹脂（成形材料）の射出成形において、超高速・超高圧射出成形を実行した際に成形材料が局部的に異常高温となる局部発熱を防止することが出来、現状の低・中速射出成形でのキャビティへの充填速度が遅いことにより発生する、可塑度が低下した成形材料の混入のない理想的な超高速・超高圧射出成形プロセスを実現させ、得られる成形品の品質性能を著しく向上させることが出来るという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが後退した状態を示す。図２は、図１の実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが前進した状態を示す。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る射出成形機１０は、インラインスクリュー式の射出成形機であり、ペレット状の成形材料（樹脂材料）を貯留するホッパー１１と、ホッパー１１から供給された成形材料を加熱・溶融する加熱筒（加熱シリンダ）１２と、加熱筒１２内に回転自在且つ軸方向に移動自在に設けられたスクリュー１３と、スクリュー１３を回転駆動させる回転駆動手段１４と、スクリュー１３を軸方向に移動させる軸方向移動手段１５と、これら回転駆動手段１４及び軸方向移動手段１５を制御する制御手段（コントローラ）１６とを備えている。

本実施形態に係る加熱筒１２は、ホッパー１１が接続され、ホッパー１１から成形材料が供給される円筒状の本体部１７と、本体部１７の先端に着脱自在に装着された射出ノズル部１８とから構成されている。射出ノズル部１８は、その先端に形成されたノズル孔１９と、本体部１７先端に繋げて設けられ、ノズル孔１９に向かい先細り形状に形成されたテーパー部２０とを有している。本実施形態では、加熱筒１２のテーパー部２０のテーパー角度（加熱筒先端角度）θが、３°以上２０°以下、より好ましくは３°以上１５°以下となるように構成される（図示例では、１２°）。加熱筒１２（本体部１７及び射出ノズル部１８）の外周には、ヒーター（カートリッジヒーターやバンドヒーター等）２１が装着されており、加熱筒１２がヒーター２１によって加熱される。

本実施形態に係るスクリュー１３は、螺旋状の螺旋溝２２を有するスクリュー本体２３と、スクリュー本体２３の先端に着脱自在に装着されるスクリューヘッド２４とから構成されている。スクリュー１３の回転により、加熱筒１２内に供給される成形材料を可塑化させて、可塑化された成形材料を加熱筒１２先端側に送り出すため、スクリュー本体２３に形成される螺旋溝２２は、その深さが基端側で最も深く、先端側に向かうにつれて適宜浅くなるように設定されている。スクリューヘッド２４は、その先端が円錐形状に形成されており、小径部には逆流防止リング（チェックリング）２５が装着されている。逆流防止リング２５は、スクリュー１３の回転中は可塑化された成形材料が加熱筒１２先端側へ送り出されることを許容し、スクリュー１３の前進時には可塑化されてテーパー部２０内及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に収容された成形材料が加熱筒１２後端側へ逆流することを抑制するものである。

制御手段（コントローラ）１６は、各種センサ（図示せず）からの入力信号に基づき、所定のプログラムに従って回転駆動手段（モータ等）１４及び軸方向移動手段（モータや油圧シリンダ等）１５等を制御するようになっている。

本実施形態に係る射出成形機１０の作動を説明する。

成形材料はホッパー１１により加熱筒１２の本体部１７内に供給され、加熱筒１２（本体部１７及び射出ノズル部１８）はヒーター２１により成形材料を溶融させるのに適した温度に加熱される。本実施形態では、加熱筒１２のテーパー部２０内壁及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内壁の表面温度（加熱筒内壁温度）が、テーパー部２０内及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に収容されて可塑化状態にある成形材料の実温度（計量樹脂実温度）に比べて−５℃以上の温度、好ましくは＋２０℃以下の範囲内の温度に維持される。

コントローラ１６が回転駆動手段１４でスクリュー１３を回転駆動させると、そのスクリュー１３の回転により、加熱筒１２の本体部１７内に供給された成形材料が本体部１７内で可塑化され、可塑化された成形材料が加熱筒１２先端側のテーパー部２０内に送り出される。又、コントローラ１６は、軸方向移動手段１５でスクリュー１３に所定の背圧をかけつつ、回転駆動手段１４でスクリュー１３を回転駆動させるようになっており、テーパー部２０内及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内部側に送り出されて、例えば油圧駆動のインラインスクリュー式射出成形機の場合、可塑化状態にある成形材料の圧力でスクリュー１３が後退される。

コントローラ１６は、スクリュー１３が所定距離だけ後退されて所定量の成形材料がテーパー部２０内に収容されたことを検知したならば、軸方向移動手段１５でスクリュー１３の位置を保持すると共に、回転駆動手段１４によるスクリュー１３の回転を停止する。しかる後、コントローラ１６が軸方向移動手段１５によってスクリュー１３を所定速度で前進させると、そのスクリュー１３の前進により、可塑化されてテーパー部２０内に収容された成形材料が加熱筒１２先端のノズル孔１９から射出され、可塑化された成形材料が型締装置により型締めされた金型内に充填されることとなる。

又、本実施形態では、コントローラ１６は、スクリュー１３が所定距離だけ後退されてからスクリュー１３を軸方向移動手段１５で前進させるまでの時間（計量樹脂貯留時間）が所定時間以内（例えば、５分以内、より好ましくは１０分以内）となるように制御する。

ここで、本発明者は、超高速・超高圧射出による成形品の強度低下の原因を研究し、本質的な原因をつきとめた。

詳しくは、本発明者は、加熱筒１２のテーパー部２０のテーパー角度θを２０°以下とした成形機においては、成形材料（樹脂）の局部的に異常高温となる局部発熱が抑制され、図３及び図４に示すように、可塑化された成形材料を超高速で射出しても成形品の大幅な強度低下はみられず、むしろ可塑化された成形材料を高速で射出するほど超高速・超高圧射出の効果が発揮されて、成形品の強度が向上することをつきとめた。

この理由は、可塑化されてテーパー部２０内に収容された成形材料（樹脂）は、スクリュー１３による押圧により加圧されて金型内へ送られる際に、テーパー部２０やノズル孔１９の内壁との摩擦抵抗によって圧力損失を生じ、その圧力損失によって成形材料自体が自己発熱（せん断発熱）するが、テーパー角度θが２０°以下である成形機においてはテーパー部２０全長とノズル孔１９の内面全体で均等に圧力損失を生じ、その結果射出方向に無理なく徐々に自己発熱するのに対し、テーパー角度が２５°以上である成形機では、可塑化された成形材料を高速で射出するほど、テーパー部２０の先端とノズル孔１９の内壁に集中して圧力損失を生じ、その結果成形材料自体の自己発熱（せん断発熱）も集中し、局部的に異常高温となる局部発熱を生じ、射出された成形材料の発熱が均一でなくなるのである。射出されて金型内に充填された成形材料の温度が均一でないと、局部的に異常高温になった成形材料が分解（低分子量化）し変質したり、成形材料の冷却による収縮が不均一になるので、成形品の強度が低下したり、成形品の寸法精度が著しく低下するのである。

そこで、本実施形態にあっては、加熱筒１２のテーパー部２０のテーパー角度θを、３°以上２０°以下、より好ましくは３°以上１５°以下となるように構成することにより、成形材料の局部的に異常高温となる局部発熱が抑制され、射出され金型内に充填された成形材料の温度が均一になるので、可塑化された成形材料を超高速・超高圧射出して得られる成形品の品質を向上させることが可能となる。

但し、ＧＦ（グラスファイバー）を含有する樹脂や融点の高いエンジニアリングプラスチック等、熱可塑性樹脂の中でも流動性の低い樹脂の場合、テーパー角度θを５°以下とすると、テーパー部２０での流動抵抗が高くなり、連続射出成形初期段階の１ショット目の射出成形までに時間がかかり、実用的でないので、成形する樹脂の流動性により３°から２０°の範囲から最適なテーパー角度θを選択することも有効である。

又、加熱筒１２のテーパー部２０のテーパー角度θを２０°以下とした成形機においては、テーパー角度θが２０°を超える従来の成形機による成形品に比べて、著しい成形品品質の向上が認められたが、図５に示すように、重量が軽い低強度成形品が時々発生した。この重量が軽い低強度成形品は、強度が平均重量の成形品の強度に比べて劣ることが判明した。

この重量が軽い低強度成形品は、加熱筒１２のテーパー部２０内壁及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内壁の表面温度が、テーパー部２０内及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に収容されて可塑化状態にある成形材料の実温度に比べて所定温度以上低い場合に発生することがわかった。

テーパー部２０内壁及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内壁の表面温度が、テーパー部２０内及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に収容されて可塑化状態にある成形材料（樹脂）の実温度に比べて所定温度以上低いと、そのテーパー部２０の内壁或いは円筒状の本体部１７の先端側部分の内壁に接触する成形材料の実温度が低下し、その結果、実温度が低下した成形材料の流動性が悪くなり、その成形材料はテーパー部２０内或いは円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に滞留する。テーパー部２０内或いは円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に滞留した成形材料は変質して可塑性が失われる。このテーパー部２０内或いは円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に滞留して変質した成形材料がテーパー部２０の内壁或いは円筒状の本体部１７の先端側部分の内壁から剥がれて混入すると、変質した成形材料が金型のキャビティへの充填途中に金型のキャビティへと繋がる成形材料の流路（スプルー、ランナー、ゲート）に詰まり、金型のキャビティへの成形材料の充填量が不足し、その結果、成形品重量が軽くなり、成形品強度が低下するのである。又、変質した成形材料が成形品に混入した場合には、例えば引張強度試験における破壊の起点となり、成形品強度が著しく低下するのである。

そこで、本実施形態にあっては、加熱筒１２のテーパー部２０内壁及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内壁の表面温度（加熱筒内壁温度）を、テーパー部２０内及び円筒状の本体部１７の先端側部分の内部に収容されて可塑化状態にある成形材料の実温度（計量樹脂実温度）に比べて−５℃以上とし、好ましくは＋２０℃以下の範囲内の温度に維持することにより、テーパー部２０内での成形材料の滞留を抑制することができ、さらに変質した成形材料の混入もなくなるので、図６に示すように、重量が軽い低強度成形品の発生を防止することが可能となる。加熱筒内壁温度と計量樹脂実温度との温度差（加熱筒内温度差）の上限を好ましくは＋２０℃とするのは、加熱筒内温度差を＋３０℃以上にすると、加熱筒１２先端に収容されて可塑化状態にある成形材料の熱分解による低分子量化が早まり、計量完了から射出開始までの許容時間が短くなり過ぎて、実用的でないためである。

又、加熱筒１２のテーパー部２０のテーパー角度θを２０°以下とした成形機においては、テーパー角度θが２０°を超える従来の成形機による成形品に比べて、著しい成形品品質の向上が認められたが、図５に示すように、重量が重い低強度成形品が時々発生した。この重量が重い低強度成形品は、強度が平均重量の成形品の強度に比べて劣ることが判明した。

この重量が重い低強度成形品は、スクリュー１３が所定距離だけ後退されてからスクリュー１３を軸方向移動手段１５で前進させるまでの時間が通常より長い場合に発生することがわかった。

スクリュー１３が所定距離だけ後退されてからスクリュー１３を軸方向移動手段１５で前進させるまでの時間が通常より長いと、テーパー部２０内に収容された成形材料（樹脂）がヒーター２１によって加熱又は高温を持続されて、加熱又は高温を持続された成形材料が低分子量化して流動性は向上し、金型のキャビティへの成形材料の充填量が過剰になり、その結果、成形品重量が重くなり、低分子量化した樹脂により成形品強度が低下するのである。

そこで、本実施形態にあっては、射出成形を行う際に、スクリュー１３が所定距離だけ後退されてからスクリュー１３を軸方向移動手段１５で前進させるまでの時間（計量樹脂貯留時間）が所定時間以内（例えば、５分以内、より好ましくは１０分以内）となるように制御することにより、樹脂の低分子量化を抑制することができ、図７に示すように、重量が重い低強度成形品の発生を防止することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、図８及び図９に示すように、テーパー部２０先端とノズル孔１９との間に、ノズル孔１９に向かい断面積がほぼ一定に形成された先端通路２６を形成しても良く、図１０及び図１１に示すように、テーパー部２０先端とノズル孔１９との間に、ノズル孔１９に向かい先細り形状に形成された先端通路２７を形成しても良い。

図１は、本発明の一実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが後退した状態を示す。 図２は、図１の実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが前進した状態を示す。 図３は、加熱筒先端角度（加熱筒のテーパー部のテーパー角度θ）と成形品引張強度との関係を示すグラフである。 図４は、射出速度と成形品引張強度との関係を加熱筒先端角度（加熱筒のテーパー部のテーパー角度θ）毎に示すグラフである。 図５は、成形品重量と成形品引張強度との関係を示すグラフである。 図６は、加熱筒内温度差と低強度成形品の発生率との関係を示すグラフである。 図７は、計量樹脂貯留時間と成形品引張強度との関係を示すグラフである。 図８は、他の実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが後退した状態を示す。 図９は、図８の実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが前進した状態を示す。 図１０は、他の実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが後退した状態を示す。 図１１は、図１０の実施形態に係る射出成形機の側断面図であって、スクリューが前進した状態を示す。

符号の説明

１０ 射出成形機
１２ 加熱筒
１３ スクリュー
１４ 回転駆動手段
１５ 軸方向移動手段
１６ コントローラ（制御手段）
１７ 本体部
１９ ノズル孔
２０ テーパー部

Claims (4)

1. 成形材料を加熱する加熱筒と、該加熱筒内に回転自在且つ軸方向に移動自在に収容されたスクリューと、該スクリューを回転駆動させる回転駆動手段と、上記スクリューを軸方向に移動させる軸方向移動手段とを備え、
   上記スクリューを上記回転駆動手段で回転駆動させて、そのスクリューの回転により上記加熱筒内に供給される成形材料を可塑化させて上記加熱筒先端側に送り出し、上記スクリューを軸方向後方に移動させて、上記加熱筒の先端に所定量の可塑化溶融状態の成形材料を計量したならば、上記スクリューを上記軸方向移動手段で軸方向前方に移動させて、可塑化された成形材料を上記加熱筒先端から射出するインラインスクリュー式の射出成形機において、
   上記加熱筒は、成形材料が供給される円筒状の本体部と、その本体部先端に繋げて設けられ、ノズル孔に向かい先細り形状に形成されたテーパー部とを有し、
   上記加熱筒のテーパー部のテーパー角度が３°以上２０°以下となるように構成したことを特徴とする射出成形機。
2. 上記加熱筒のテーパー部内壁の表面温度が、そのテーパー部内に収容されて可塑化状態にある成形材料の実温度に比べて−５℃以上の温度に維持される請求項１に記載の射出成形機。
3. 上記回転駆動手段及び上記軸方向移動手段を制御する制御手段を備え、
   該制御手段は、上記スクリューが軸方向後方に所定距離移動されてからそのスクリューを上記軸方向移動手段で軸方向前方に移動させるまでの時間が所定時間以内となるように制御するものである請求項１又は２に記載の射出成形機。
4. 請求項１又は２に記載の射出成形機により射出成形を行う際に、上記スクリューが軸方向後方に所定距離移動されてからそのスクリューを上記軸方向移動手段で軸方向前方に移動させるまでの時間が所定時間以内となるように制御することを特徴とする射出成形方法。

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