JP2010538877A - 射出成形機の監視、データの記録及び／又は制御方法並びにその装置 - Google Patents

Abstract

溶融物を注入する射出成形金型１を有する射出成形機Ｐの監視、データの記録及び／又は制御する方法であって、金型１内の溶融物の粘性が直接に算定されることを特徴としている。

Description

本発明は、溶融物を注入する射出成形金型を有する射出成形機の監視、データの記録及び／又は制御する方法に関する。

塑性材料、ペースト状物質、エマルジョン及び流体は、せん断速度から算定された粘性に基づいて絶えず制御される。粘性は、流体又はペースト状物質の内部摩擦に起因する動的なせん断応力を意味する。粘性の定義は、せん断応力がせん断速度に比例するとのニュートンの式に基づいている。この場合の比例定数が、粘性（せん断粘性）と呼ばれる。せん断応力及びせん断速度は、ある境界面では静止し且つせん断力の作用により他の境界面において速度ｖで動いている流体膜の厚さｄの例により説明される。せん断応力は単位面積当たりのせん断力に相当し、せん断速度はｖ／ｄに相当し、従ってある境界面から他の境界面への変位速度の変化を２つの限界面の距離で割ることにより得られる値に相当する。

それぞれの粘性のせん断速度及びせん断応力の間の関係を算定するには、異なったせん断速度に対する粘性の測定を行う必要がある。粘性は、毛細管を通して流体又は物質を加圧して流すハーゲン−ポアズイユの方法により測定できる。流量、加圧力、毛細管に沿った圧力変化及び毛細管の断面から、せん断応力及びせん断速度、従って粘性が決定できる。せん断速度は、加圧力並びに毛細管の径に依存するので、これらに値を変化させることにより、異なったせん断速度の測定値が得られる。

例えば、米国特許第ＧＳ３４３８１５８号明細書には、非ニュートン流体の流動応力及び粘性の測定について開示されている。ここでは、流体が所定の径の管内を所定の速度で圧送される。異なった条件下で管に沿った圧力差又は圧力損失の測定を繰り返すことにより、上記流動パラメータが決定できる。

独国特許出願公開第１０ ２００５ ０３２ ３６７ Ａ１号明細書には、射出成形機のキャビティへの溶融物の監視及び／又は制御方法が開示されている。この開示によれば、サイクル毎の溶融物の充填時間の差異を分析することにより、材料又は粘性の変動が間接的に測定、監視、制御ができる。真の粘性の推移をパスカル／秒（Ｐａ／ｓ）の物理単位で得ることはできないが、この方法により粘性の差異が認識でき且つ場合によっては補正ができる。しかし、粘性の変動を量的に認識するには、真の物理単位での値を得る必要がある。

従来の流動測定では、通常は研究室において物質を同定するために、せん断応力とせん断速度の商として粘性が算定されていた。このため、粘性を算定するために、ノズル及び正確に規定された溝を有するいわゆるレオメータが、射出成型とは異なって等温下で用いられている。すなわち、金属製のノズル及び溶融物が同じ温度を有している。

レオメータでは、所定の距離を隔てて配置された２つの（金型用ではなく）溶融物用の圧力センサが備えられ、この距離間の圧力差が測定される。例えば、孔又は矩形断面など溝の形状及び圧力差によりせん断応力が算定される。その場合、溶融物はノズルを通して異なった速度で射出されるか又は異なった圧力下で絞り出（押し出）されて、それぞれに異なった圧力差（Δｐ）が得られる。圧力差に応じて固有のせん断応力が得られ、粘性曲線が得られる。

同時に、溝の形状及び溶融物が第１の圧力センサから第２の圧力センサに達するまでの時間により、せん断速度が算定される。

それに対して、１つの圧力センサを用いた簡単に粘性を算定する方法がある。この方法では、センサの圧力が１気圧の常圧になるまで測定する。しかし、この方法では、流出圧力損失を補償するために測定値を補正（いわゆるＢａｇｌｅｙ補正）する必要がある。

本発明の課題は、射出成形プロセスを実地に則して監視及び場合によっては制御することである。

上記課題は、射出成形金型内の溶融物の粘性を直接に測定することにより解決される。

そのために、キャビティ内に溶融物を注入する間に、圧力差、キャビティの形状及び／又は溶融物の流入速度に基づいたせん断応力とせん断速度の商により粘性が算定される。

本発明に係る射出成形機の模式的側面図 第一の実施例による圧力センサ、温度センサなどのセンサを備えた射出成形金型のキャビティの原理的な構成図 キャビティ内の圧力及び温度センサの配置並びに圧力及び温度の経時変化のグラフを示す摸式図 図２に示す構成により測定された圧力及び温度の経時変化を示すグラフ 第二の実施例による温度センサのみを備えた射出成形金型のキャビティの構成図 第三の実施例による２つの圧力センサを備えた射出成形金型のキャビティの構成図 図５に示す構成により測定された圧力の経時変化を示すグラフ

第一の実施例によれば、少なくとも１つの金型内圧センサ及び少なくも１つの金型壁温度センサに基づいて、粘性を算定することにより本発明の方法は簡単に具現化される。溶融物がそれぞれのセンサに到達すると金型内圧及び金型壁温度が測定される。圧力損失は、温度上昇が顕著な時点の圧力値に相当するので、第２の圧力値は必要ではなく、常圧との圧力差が用いられる。せん断応力を算定するのに、溶融物が２つのセンサ間を通過するのに要する時間が用いられる。

そのために、金型内圧センサはキャビティのゲートの近くに配置され、金型壁温度センサは溶融物の流路か又は流路の近くに配置される。例えば、金型壁温度センサを流路の近くに配置すると、いわゆる保圧への切換えにも用いることができるが、金型壁温度センサを溶融物の流れの何処に配置するかに応じてよりよく機能する。

本発明においては、金型壁温度センサ又は金型内圧センサはキャビティの内壁又はキャビティの表面近くに配置する。すなわち最初の配置（内壁）では、センサが溶融物と直接接触し、第二の配置（キャビティの表面近く）では溶融物とセンサは薄い金型部分により隔てられている。当然のことながら、圧力差及び溶融物の温度を測定するのに別のセンサを用いてもよい。

第二の実施例では、キャビティの溶融物の流路に配置された少なくとも１つの金型壁温度センサにより粘性が測定され、せん断応力の算定には射出成形機の注入ノズルにおける圧力差が用いられ、せん断速度の算定にはキャビティの溶融物の流入口から金型壁温度センサまでの距離が用いられる。注入ノズルにおける圧力差の代りに、射出成形機の油圧系又はホットランナーにおける圧力差を用いてもよい。ここでは、溶融物の圧力は、換算する必要のない真の圧力値に相当する。一方、油圧系の圧力差は、油圧ピストンの断面及び押出機の断面に基づいて真の圧力値に換算する必要がある。

油圧系の圧力測定は、ノズル又はホットランナーにおいての溶融物の圧力測定のように追加のセンサを必要としないので、経済的な方法である。その代わり、この方法は圧力損失に基づいているので、必ずしも正確ではない。

第三の実施例では、射出成形機の金型のキャビティ内に隔てて配置された２つの金型内圧力センサに基づいてレオメータと同様に粘性が算定される。

従来の油圧式に比し、省エネルギーのため普及が増大している電気式射出成形機では、溶融物の注入時の動力を測定することにより圧力損失を算定することも可能である。この場合、圧力ではなく、動力が測定されるので、注入時の圧力損失は、動力の測定から間接的に算定される。動力の測定では、第二の実施例と同様に、ゲートから金型内壁温度センサへ溶融物が到達する時間を測定して分析することにより、せん断速度の算定が行なわれる。

射出成形機を監視、データの記録及び又は制御するのに適した、金型のキャビティ内の溶融物の粘性を測定する装置は、金型のキャビティ内に少なくとも１つのセンサを備え、溶融物をキャビティ内に注入する間にセンサにより得られる圧力差及び流入速度並びにキャビティの形状に基づいて算定されるせん断応力とせん断速度の商から算出できる装値である。

改めて述べるが、本発明は、レオメータの代わりとなるものではない。レオメータは粘性の測定に用いるのに対し、本発明は射出成形工程を常時監視することにある。粘性が監視され、その値が変化すると、例えば、粘性が元の値に戻るように操作される。

以下、図面を用いて、本発明による実施例の詳細を説明する。

図１には、キャビティ１．１を備えた射出成形金型１及びキャビティ１．１内に溶融物を注入するノズル２を含んで構成される射出成形機Ｐが示されている。ノズル２は、樹脂ペレットのホッパー４を備えた押出機３に連結している。

矢印５は、金型壁の温度、正確にはキャビティ内壁の温度の測定位置を示し、また矢印６は、ノズル域における溶融物の圧力を測定する位置を示す。更に、矢印７は、油圧系の圧力を測定する位置を示す。

図２には、第一の実施例の原理的な構成が示され、キャビティ９は高さがＨで幅がＷの矩形の断面を有する。ゲート１９の近くに、圧力センサ１０が備えられ、そのセンサから距離Ｓ（９）の位置に温度センサ１１が備えられている。１２は金型壁を示し、キャビティ９に溶融物が充填されると“冷たい”金型壁１２が“熱く”なる。

図３は、図２に示されるキャビティ９に備えられたセンサによる測定データの経時変化を示すグラフである。この図において、横軸は時間ｔ_ｓを秒単位で示し、左縦軸は圧力Ｐ、右縦軸は温度Ｔ（概念的）、曲線１３は金型内の圧力の経時変化、曲線１４は金型壁の温度の経時変化を示している。矢印１５で示す曲線１３と曲線１４の交点は、温度が上昇する時点の圧力値を示す。すなわち、圧力差ΔＰに基づいてせん断応力が自動的に算出される。せん断速度は、時間差Δｔに基づいて算出される。

図４に示す第二の実施例のキャビティ１７では、溶融物の流入口（ゲート１９）から距離Ｓ（１７）の位置に温度センサ１８のみが備えられている。

図５に示す第三の実施例のキャビティ２０には、距離Ｓ（２０）隔てて配置された２つの圧力センサ２１及び２２が配置されている。図６のグラフ２３には、本実施例の２つのセンサによって測定された２つの圧力の経時変化曲線が示されている。

射出成形機を監視、データの記録及び／又は制御するため、金型のキャビティ内の溶融物の粘性の算出は次のように行なわれる。

図２の第一の実施例では、射出成形機Ｐのノズル２を介してキャビティ９に溶融物を注入している間に、キャビティ９内の圧力差及び寸法（Ｈ×Ｗ×全体の長さ）に基づいて算定されたせん断応力とせん断速度の商から溶融物の粘性が決定される。図２の実施例では、溶融物の流入口に近い圧力センサ１０が、圧力を測定する。溶融物が温度センサ１１に到達時点でも圧力を測定し、図３の温度上昇が際立った時点の圧力値に相当する圧力差を算定する。この温度上昇点の圧力値と大気圧（１バール）との差を用いるので、第２の圧力値は必要ではない。この方法の利点は、温度センサ１１が保圧工程への自動切換えにも使用できることである。それ以外に、温度センサ１１を、溶融物の流れの何処かに設置してもよい。このことは、図２ａに明瞭に示されている。図２ａには、圧力センサ１０及び温度センサ１１の３つの実施例のそれぞれの配置が示されている。また図２ａには、センサ配置に対応して図３と似たグラフが併せて示されている。圧力センサ１０又は温度センサ１１の配置位置に関係なく、溶融物が温度センサ１１に到達するとせん断応力ΔＰ及びせん断速度Δｔが算出され、それに基づいて粘性値が算出される。この値を予め設定した値か又はその近辺に保てば、射出成形方法を変更する必要はない。しかし、この値を変更して、所望の粘性値が得られるように、溶融物の温度及び／又は圧力などのパラメータを変更してもよい。

第一の実施例と較べて、図４に示す第二の実施例は、単に温度センサ１８のみが溶融物の流路の途中に配置された単純化された例である。射出成形機Ｐのホットランナー系及び／又はノズル６における圧力差及び／又は油圧系の圧力差を用いて、せん断応力が算定される。金型のゲート１９から金型壁の温度センサ１８までの距離Ｓ（１７）に基づいて、せん断速度が算定される。

ホットランナー及びノズル内の溶融物の圧力はそのまま真の圧力とし、油圧ピストン及び押出機の圧力の場合には、真の圧力に換算する必要がある。しかし、成形機を制御するために常に油圧が測定されており、ノズル又はホットランナーにおける溶融物の圧力測定とは異なってセンサを取付ける必要が無いので、油圧からの算定は低コストの方法である。しかし、この方法は摩擦損失並びに不正確さの基となる。

図５及び６に示す第三の実施例では、距離Ｓ（２０）隔てられて配置された２つの圧力センサ２１及び２２の圧力差が測定される。図では矩形で示されるキャビティ２０の形状及び圧力差により、せん断応力が算定される。同時にキャビティ２０の寸法及び溶融物がセンサ２１からセンサ２２へ到達する時間により、せん断速度が算定される。

せん断応力及びせん断速度から粘性の推移が得られる。

特に第一の実施例が実用的であることが実証された。これに関連して、粘性は上述のように算定されて周知の方法により監視されると同時に、算定された粘性の推移が記録され且つ制御される。

基本的には、粘性が異なると部品の特性が異なってくるので好ましくない。操業条件が異なるか又は原料の特性が異なる（装入の振れ）と、粘性が異なってくる。そのため、材料の受入れ検査に、本発明による方法及び装置を用いることも可能である。

１ 射出成形金型
１．１ キャビティ
２ ノズル
３ 押出機
４ ホッパー
５ 金型壁温度の測定位置
６ 溶融物の圧力測定位置
７ 油圧系の圧力測定位置
９ キャビティ
１０ 圧力センサ
１１ 温度センサ
１２ 金型壁
１３ （金型内の）圧力経時変化曲線
１４ （金型内の）温度経時変化曲線
１５ （曲線１３と曲線１４の）交点を示す矢印
１７ キャビティ
１８ 温度センサ
１９ ゲート
２０ キャビティ
２１ 圧力センサ
２２ 圧力センサ
Ｐ 射出成形機
Ｈ （キャビティの）高さ
Ｗ （キャビティの）幅
Ｓ 距離

Claims (17)

1. 溶融物を注入する射出成形金型（１）を有する射出成形機（Ｐ）の監視、データの記録及び／又は制御する方法であって、
   金型（１）内の溶融物の粘性が直接に算定されることを特徴とする方法。
2. 前記粘性は、圧力差（ΔＰ）、キャビティ（１．１、９、１７、２０）の形状及び溶融物の流れ速度（Δｔ）に基づいたせん断応力とせん断速度の商により算定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記粘性は、少なくとも１つの金型内圧力センサ（１０）及び／又は少なくとも１つの金型壁温度センサ（１１）により算定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記せん断応力に対しては溶融物が金型内圧力センサ（１０）に到達した際の圧力と金型壁温度センサ（１１）到達した際の圧力との圧力差（Δｐ）が用いられ、前記流れ速度に対しては溶融物が金型内圧センサ（１０）から金型壁温度センサ（１１）に到達するのに要する時間（Δｔ）が用いられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記粘性は、キャビティ（１７）の溶融物の流路に備えられた少なくとも１つの金型壁温度センサ（１８）に基づいて算定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. せん断応力を決定するのに射出成形機（Ｐ）の注入ノズル（６）における圧力差（Δｐ）が用いられ、せん断速度（Δｔ）を決定するのにキャビティ（１７）の溶融物の流入口（ゲート１９）から金型壁温度センサ（１８）の位置まで距離又は所要時間が用いられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 注入ノズル（６）における圧力差の代りに、射出成形機（Ｐ）の油圧系（７）及び／又はホットランナーにおける圧力差（Δｐ）が用いられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記粘性は、射出成形機（Ｐ）の金型（１）のキャビティ（２０）内に隔てられて配置された少なくとも２つの金型内圧力センサ（２１、２２）に基づいて、レオメータと同様な方法により算定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. ２つの金型内圧力センサ（２１、２２）の圧力差（Δｐ）からせん断応力が算定され、溶融物が２つのセンサ（２１、２２）間を流れるのに要する時間（Δｔ）及びキャビティ（２０）の形状からせん断速度が算定されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 溶融物の注入時の圧力差（Δｐ）は、溶融物を射出するのに必要なキャビティ内に備えられた機構による動力の測定により算定されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 監視、データの記録及び／又は制御する装置であって、
    溶融物の粘性を算定するために、射出成形機（Ｐ）の金型（１）の少なくとも１つのキャビティ（１．１、９、１７、２０）内に少なくとも１つの金型内圧力センサ（１０、２１、２２）及び／又は金型壁温度センサ（１１、１８）が備えられ、
    溶融物をキャビティ（１．１、９、１７、２０）に注入する間に測定される圧力差及びキャビティ（１．１、９、１７、２０）の形状により算定されるせん断応力とせん断速度の商から前記粘性が算定されることを特徴とする装置。
12. 少なくとも１つの金型内圧力センサ（１０）及び／又は金型壁温度センサ（１１）が１つのキャビティ（９）に備えられていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 金型内圧力センサ（１０）はキャビティ（９）の溶融物流入口（ゲート１９）近くに備えられ、金型壁温度センサ（１１）は前記流入口に続く流路（Ｓ９）に備えられていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 金型壁温度センサ（１１）は溶融物の流路の近くに備えられていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の装置。
15. 溶融物の流入口（ゲート１９）から所定の距離（Ｓ１７）のキャビティの壁に金型壁温度センサ（１８）が備えられ、圧力センサが射出成形機（Ｐ）の注入ノズル（６）に備えられていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. 射出成形機（Ｐ）の油圧系及び／又はホットランナーに圧力センサが備えられていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
17. 前記粘性は、射出成形機（Ｐ）の金型（１）のキャビティ（２０）内に所定の距離（Ｓ２０）隔てられて配置された少なくとも２つの金型内圧力センサ（２１、２２）に基づいて、レオメータと同様な方法により算定されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

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