JP2014087986A - 繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置および射出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】折損しやすい繊維材料であっても長繊維材料を一定以上の割合で残存ささせることが可能であり、混練性にも優れた繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置および射出成形方法を提供する。
【解決手段】
樹脂材料の供給手段２７および繊維維材料の供給手段２３と第１の第１のスクリュ１９が備えられた第１の可塑化装置１２と、樹脂材料の供給手段３５および繊維維材料の供給手段３６と前記第１の第１のスクリュ１９よりもせん断応力が高い第２の第２のスクリュ２０が備えられた第２の可塑化装置１５とが設けられ、前記第１の可塑化装置１２で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料Ｒ１と前記第２の可塑化装置１５で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料Ｒ１を合流させてから金型６１，６３のキャビティ６５内に射出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置および射出成形方法に関する。

ガラス繊維や炭素繊維などの繊維材料を含む樹脂材料をスクリュが備えられた射出装置において可塑化し、射出を行うものとして、特許文献１ないし特許文献３に記載されたものが知られている。しかしこれらの特許文献に記載されるように、スクリュを用いて繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する際には繊維材料が切断されやすいという問題があった。この可塑化の際に繊維材料が切断されやすいという問題に対して、特許文献１では円すい形状のシリンダ内に溝深さが深いスクリュを配置してガラス繊維を含む樹脂材料を可塑化してプランジャ装置に供給し、プランジャ装置から射出を行うようにしている。

また特許文献２についても縦シリンダ内のスクリュにより溶融材料をプランジャ装置に送り、プランジャ装置から射出することにより、樹脂材料に混合された繊維の折損を防止することが記載されている。また特許文献３では、スクリュ噛み合い部のせん断力を低くした２本のスクリュによりプランジャに長繊維と熱可塑性樹脂を送り、プランジャから射出することが記載されている。また前記３件の特許文献以外に、市販の長繊維を含有した樹脂ペレットを使用することにより未溶融時の繊維材料の折損を抑える方法もあるが、樹脂ペレットが半溶融の状態では繊維材料の折損が発生する上に、長繊維を含有した樹脂ペレットは非常に高価であるという問題もある。

特開平８−２０７０９７号公報（請求項１、図１） 特開２０１２−５１１６８号公報（請求項１、図１） 特開平７−５２１８５号公報（請求項１、図１）

上記の特許文献１ないし特許文献３の方法では、繊維の折損を防止することに主眼が置かれていて樹脂材料と繊維材料の混練性が十分でない場合があり、繊維材料の最適な分散が望めないという問題があった。また樹脂材料と繊維材料の混練性を重視すると、残存させたい一定以上の長さの長繊維材料が折損されてしまい、長繊維材料が混合している比率が非常に低くなり、樹脂成形品の強度に影響が出るという問題ががあった。このように１本のスクリュまたは直列方向の可塑化経路によりプランジャへ繊維材料を含む樹脂材料を供給するものでは、樹脂材料と繊維材料の混練性と長繊維の残存という要素を両立させることは困難であった。

そこで本発明は、折損しやすい繊維材料であっても長繊維材料を一定以上の割合で残存ささせることが可能であり、混練性にも優れた繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置および射出成形方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の射出成形装置は、繊維材料と樹脂材料をスクリュにより混練して金型のキャビティ内に射出する繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置において、樹脂材料の供給手段および繊維維材料の供給手段と第１のスクリュが備えられた第１の可塑化装置と、樹脂材料の供給手段および繊維維材料の供給手段と、前記第１のスクリュよりもせん断応力が高い第２のスクリュが備えられた第２の可塑化装置とが設けられ、前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料を合流させてから金型のキャビティ内に射出されることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の射出成形装置は、請求項１において、前記第１の可塑化装置に備えられたスクリュは、圧縮比が１．４以下のスクリュ、または繊維材料供給口よりも前方の最浅部のスクリュの溝深さが３．０ｍｍ以上のスクリュであり、前記第２の可塑化装置に備えられたスクリュは、圧縮比が２．０以上のスクリュ、メインフライト以外のフライトを有するスクリュ、スクリュフライト以外にスクリュ軸に多数の凸部または凹部が形成されたミキシング部を設けたスクリュ、繊維材料供給口よりも前方の最浅部のスクリュの溝深さが２．０ｍｍ以下のスクリュの少なくとも一つの要素を備えたスクリュであることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の射出成形方法は、繊維材料と樹脂材料をスクリュにより混練して金型のキャビティ内に射出する繊維材料を含む樹脂材料の射出成形方法において、樹脂材料と繊維材料がそれぞれ供給された第１の可塑化装置の第１のスクリュと第２の可塑化装置の第２のスクリュがせん断応力に差がある状態で回転され、前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料を合流させてから金型のキャビティ内に射出することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の射出成形方法は、請求項３において、前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂は合流させてから射出プランジャ装置に貯留され、射出プランジャ装置から金型のキャビティ内に射出されることを特徴とする。

本発明の繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置は、繊維材料と樹脂材料をスクリュにより混練して金型のキャビティ内に射出する繊維材料を含む樹脂材料の射出装置において、繊維維材料の供給手段と同条件でスクリュを回転させた際にせん断応力に差があるスクリュとがそれぞれ備えられた第１の可塑化装置と第２の可塑化装置とが設けられ、前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂を合流させてから金型のキャビティ内に射出するするので、繊維混合成形品において樹脂材料と繊維材料の混練性と長繊維の残存という要素を両立させることができる。また本発明の繊維材料を含む樹脂材料の射出成形方法についても同じ効果を有する。

本実施形態の射出成形装置の概略説明図である。 別の実施形態の射出成形装置の概略説明図である。 更に別の実施形態の射出成形装置の概略説明図である。

本実施形態の射出成形装置ついて、図１を参照して説明する。射出成形装置１１は、射出装置１２と型締装置１３とを備えている。射出装置１２は、２本の可塑化装置１４，１５とプランジャ装置１６を備えたプリプラ（登録商標）式の射出装置１２である。２本の可塑化装置１４，１５は、それぞれ加熱筒１７，１８の内孔１７ａ，１８ａに、同条件（同じ樹脂材料を使用して同じ溶融樹脂温度で同じスクリュの回転速度）でスクリュを回転させた際にせん断応力に差がある第１のスクリュ１９と第２のスクリュ２０をそれぞれ備えている。

より具体的には第１の可塑化装置１４は、ヒータが設けられた加熱筒１７の内孔１７ａに、圧縮比が１．０で最浅部の溝深さが４．０ｍｍ、軸部１９ａの太さが後方から前方まで同一の第１のスクリュ１９を備えている。なお第１の可塑化装置１４に用いられる第１のスクリュ１９の圧縮比は、０．９〜１．４（１．４以下）であることが望ましい。また第１のスクリュ１９は、フライト１９ｂの外周部の直径にもよるが、繊維材料の供給口２１よりも前方の最浅部の溝深さｄ１が３．０ｍｍ〜８．０ｍｍ（３ｍｍ以上）であることが望ましい。なお繊維材料の供給口２１については、更に前方の加熱筒全体の前から１／３よ〜前から２／３に設けられる。

加熱筒１７の後方に固定されたハウジング部２６には上側に樹脂材料Ｒが供給される供給口２２が設けられている。そして供給口２２にはホッパ等からなる樹脂材料の供給手段２７が接続されている。また加熱筒１７の後部のハウジング部２６が取付けられる部分から前方側であって加熱筒１７の中間部分までの間には、繊維材料の供給口２１が設けられている。そして繊維材料の供給口２１には繊維材料の供給手段２３が接続可能に設けられている。繊維材料の供給手段２３は、連続した糸状の繊維Ｆ（ロービング）がリール２４から、繊維材料の供給口２１を介して加熱筒１７の内孔１７ａへ向けて供給されるようになっている。また第１のスクリュ１９のフライト１９ｂの間には繊維材料を軸部１９ａに巻取り切断する切断部２５が形成され、第１のスクリュ１９の回転とともに繊維材料Ｆが加熱筒１７内に引き込まれ切断されるようになっている。なお繊維材料Ｆは、予め所望の長さに切断したものでもよい。その場合、加熱筒１７の上部に切断装置を設けて切断してもよく、予め切断した繊維材料Ｆを押し込むものでもよい。

図１においては簡略化して記載されているが、第１の可塑化装置１４の第１のスクリュ１９には第１のスクリュ１９を回転駆動させる計量用サーボモータ２８が接続され、図示しない制御装置により第１のスクリュ１９の回転速度（単位時間当たりの回転数）が自在に制御可能となっている。また本実施形態において第１の可塑化装置１４は、第１のスクリュ１９を前後進させる射出装置を備えておらず、第１のスクリュ１９は常時、加熱筒１７内の一定位置で回転される。従って第１のスクリュ１９は逆流防止弁を備えていない。

なお第１の可塑化装置１４への繊維材料の供給手段２３は、上記に限定されず、別の機構を用いたものでもよい。一例として繊維材料の供給手段２３は、樹脂材料の供給口２２と同じ供給口から連続した連続した糸状の繊維材料Ｆを供給するものでもよく、所定長さ以上に切断した繊維材料を供給口２２から供給するものでもよい。

第２の可塑化装置１５は、ヒータが設けられた加熱筒１８の内孔１８ａに、同条件（同じ樹脂材料を使用して同じ溶融樹脂温度で同じスクリュの回転速度）で第２のスクリュ２０を回転させた際のせん断応力が第１の可塑化装置１４の第１のスクリュ１９よりも高い第２のスクリュ２０を備えている。具体的には第２のスクリュ２０は軸部２０ａが最も細くて一定の太さのフィードゾーン３１、軸部２０ａの直径がテーパー状に拡径されるコンプレッションゾーン３２、軸部２０ａの直径が最も太くて一定の太さのメタリングゾーン３３、およびその前方のミキシング部３４から構成される。そして少なくともコンプレッションゾーン３２のフライトは、連続したメインのフライト２０ｂ以外にサブフライト２０ｃが設けられることにより、フライト２０ｂ，２０ｃが２重に設けられている。また第２のスクリュ２０のフライト２０ｂ，２０ｃが設けられた部分の前方にはフライト以外にスクリュ軸に多数の凸部または凹部が形成されたミキシング部３４が２箇所に設けられている。ミキシング部３４は、軸部の直径が第２のスクリュ２０のフィードゾーン３１の軸部２０ａの直径よりも大きいことが望ましく、凹凸の形状は限定されない。またミキシング部３４は、その長さ方向の寸法、個数、設けられる位置も限定されない。ミキシング部３４は、樹脂材料Ｒと繊維材料Ｆの混練を良好にするために溶融樹脂に乱流を起こす目的で設けられるが、ミキシング部３４自体には樹脂材料Ｒと繊維材料Ｆを加熱筒１８の内孔１８ａにおいて前方へ送る機能は無いか僅かであり、螺旋状の第２のスクリュ２０のフライト２０ｂと併用される。

なお前記第２の可塑化装置１５に備えられた第２のスクリュ２０は、回転時のせん断応力と混練性を高くすることを目的として形成されたものであって、一般的なメインフライトのみからなるスクリュであっても圧縮比が２．０〜４．０（２．０以上）のスクリュでもよい。またはスクリュの圧縮比が２．０以下であっても、繊維材料の供給口２１よりも前方の最浅部であるメタリングゾーン３３の第２のスクリュ２０の溝深さｄ２が１．３〜２．５ｍｍ（２．５ｍｍ以下）のスクリュの場合は、せん断応力を所望の程度に高めることができる。または第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０は、連続したメインのフライト２０ｂ以外の部分的にサブフライト２０ｃが少なくとも１枚以上を設けられたスクリュでもよい。更には第２のスクリュ２０は、フライト２０ｂと共にスクリュフライト以外にスクリュ軸に多数の凸部または凹部が形成されたミキシング部を設けたスクリュであってもよい。または第２のスクリュ２０は、上記のスクリュの要素の少なくとも一つの要素を備えた第２のスクリュ２０（複数の要素を備えたものを含む）であってもよい。

本実施形態では、第２の可塑化装置１５の樹脂材料の供給手段３５と繊維材料の供給手段３６は、加熱筒１８に接続されるハウジング部３７の供給口３８に接続されている。前記供給口３８には、樹脂材料Ｒの供給用のフィードスクリュ３９と繊維材料の供給用のフィードスクリュ４０が取付けられている。そして樹脂材料の供給用のフィードスクリュ３９は、ホッパ４１に接続されている。また繊維材料の供給用のフィードスクリュ４０は繊維材料Ｆのホッパ４２に接続され、ホッパ４２の上方にはリール２４から送られる連続した糸状の繊維材料Ｆを所定長さに切断する裁断機４３が設けられている。

なお第２の可塑化装置１５の繊維材料の供給手段３６は、上記に限定されず、別の機構を用いたものでもよい。一例として繊維材料の供給手段３６は、ホッパ４１を設けずに切断した繊維材料Ｆを直接にフィードスクリュ４０または加熱筒１８内のメイン第２のスクリュ２０の溝部に供給するものでもよい。更に繊維材料の供給手段３６は、裁断機４３を使用せずに、連続した糸状の繊維材料Ｆを直接に供給口３８から加熱筒１８内のメイン第２のスクリュ２０の溝部の部分やフィードスクリュ４０に供給するようにしてもよく、その場合は第２のスクリュ２０のフライト２０ｂに一部工夫をすることも想定される。また繊維材料Ｆが供給される部分も加熱筒１８の前方から１／３の部分よりも後方に供給口を設けたものでもよい。その場合、第１の可塑化装置１４と同様に繊維材料Ｆは、予め切断されたものでもよく、加熱筒１８の上方の切断装置で切断されたものでもよい。

図１においては簡略化して記載されているが、第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０には第２のスクリュ２０を回転駆動させる計量用サーボモータ４４が接続され、図示しない制御装置により第２のスクリュ２０の回転速度（単位時間当たりの回転数）が自在に制御可能となっている。また本実施形態において第２の可塑化装置１５は、第２のスクリュ２０を前後進させる射出装置を備えておらず、第２のスクリュ２０は常時、加熱筒１８内の一定位置で回転される。従って第２のスクリュ２０は逆流防止弁を備えていない。また第２の可塑化装置１５は、加熱筒１８内にスクリュ２０が２本、平行に設けられたものでもよい。また本実施形態では第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５が設けられているが可塑化装置の数は３基以上であってもよい。

第１の可塑化装置１４の加熱筒１７の前側には、ヒータが設けられた溶融樹脂材料の供給用配管４５が接続されており、前記供給用配管４５の内孔は、プランジャ装置１６のノズル４６の内孔４６ａに接続されている。そして前記供給用配管４５にはロータリバルブ４７等の開閉手段が設けられている。また第２の可塑化装置１５の加熱筒１８の前側には、ヒータが設けられた溶融樹脂材料の供給用配管４８が接続されており、前記供給用配管４８の内孔は、プランジャ装置１６のノズル４６の内孔４６ａに接続されている。そして前記供給用配管４８にはロータリバルブ４９等の開閉手段が設けられている。

プランジャ装置１６はヒータが設けられた加熱筒５０（シリンダ筒）の内孔５０ａに、射出プランジャ５１が前後進可能に設けられている。そして射出用プランジャ５１は、簡略化して記載された射出装置の射出用サーボモータ５２とボールネジ機構により前後進駆動される。そしてプランジャ装置１６の加熱筒５０の前側にはノズル４６が接続され、ノズル４６の内孔４６ａの合流部４６ｂに前記したように第１の可塑化装置１４の溶融樹脂材料の供給用配管４５と第２の可塑化装置１５の溶融樹脂材料の供給用配管４８がそれぞれ接続されて、それぞれ送られてきた溶融樹脂がノズル４６の内孔４６ａの合流部４６ｂで合流するようになっている。なおプランジャ装置１６には第１の可塑化装置１５と第２の可塑化装置１５から送られてきた溶融樹脂材料Ｒ１の混合を良好にするため、振動を付与する装置や射出用プランジャを回転させる装置を設けてもよい。

ノズル４６の内孔４６ａの直径は、射出時の繊維材料Ｆの切断を抑えるために、これに限定されるものではないが、好適な例として２．０〜１０．０ｍｍとすることが望ましい。なお本実施形態ではノズル４６の合流部４６ｂよりも先端側にはロータリバルブ等の開閉手段が設けられていないが、開閉手段を設けるようにしてもよい。また第１の可塑化装置１４の溶融樹脂材料の供給用配管４５と第２の可塑化装置１５の溶融樹脂材料の供給用配管４８は、直接にプランジャ装置１６の加熱筒５０（シリンダ筒）に接続されるようにしてもよい。

射出成形装置１１の型締装置１３は一般的なものであり、固定金型６１が取付けられる固定盤６２と、可動金型６３が取付けらえる可動盤６４と、図示しない駆動手段を含む型開閉機構や型締機構を備えている。なおトグル機構を用いる場合は型開閉機構と型締機構は兼用される。また固定金型６１と可動金型６３からなる金型は、キャビティ６５までの通路にスプルブッシュ６６を備えており、ランナ等を用いる場合もある。

次に本実施形態の射出成形装置１１を用いた繊維材料Ｆを含む樹脂材料Ｒの射出成形方法について記載する。本実施形態に使用される繊維材料Ｆは、可塑化時に切断されることにより長繊維が残せないことが問題となる繊維材料であれば限定はされないが、一例として炭素繊維やガラス繊維が想定される。また本実施形態に使用される樹脂材料Ｒは限定されないが、熱可塑性樹脂が望ましく、一例としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネートなどがあげられる。

本実施形態では、第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５は同時に可塑化を行う。第１の可塑化装置１４にはハウジング部２６の供給口２２に接続される樹脂材料の供給手段２７から樹脂材料Ｒ（一例としてポリアミド）のペレットが供給される。また加熱筒１７ではフィードゾーンに相当する部分に設けられた供給口２１に接続される繊維材料の供給手段２３からは繊維材料Ｆ（一例として炭素繊維）が供給される。そして樹脂材料Ｒと繊維材料Ｆは、第１のスクリュ１９により巻き込まれながら、加熱筒１８の前方へ送られるが、第１のスクリュ１９の圧縮比が１．０であり圧縮を受けない点と、第１のスクリュ１９の溝深さｄ１が一定以上である点から、樹脂材料Ｒと繊維材料Ｆが受けるせん断応力は小さい。その結果、連続した糸状の繊維材料Ｆは切断はなされるが比較的長繊維の状態のまま前方へ送られる。

なお加熱筒１７は、繊維材料の供給口２１の部分において樹脂材料Ｒが溶融可能な温度にまで昇温されていることが、繊維材料Ｆの折損を最小限にするために望ましい。ただし樹脂材料Ｒの供給量を制限するなどして、供給口２１から溶融状態の溶融樹脂材料Ｒ１が漏出してこないようにする。そして第１の可塑化装置１４においては、樹脂材料Ｒは主に加熱筒１７のヒータからの熱により溶融され、長繊維の繊維材料Ｆが混合された溶融樹脂材料Ｒ１として、溶融樹脂材料の供給用配管４５の内孔、プランジャ装置１６のノズル４６の内孔４６ａを経て加熱筒５０内に供給される。

また第２の可塑化装置１５は、ハウジング部３７の供給口３８に向けてフィードスクリュ３９を備えた樹脂材料の供給手段３５から第１の可塑化装置１４と同じ樹脂材料（一例としてポリアミド）のペレットが供給される。またハウジング部３７の供給口３８に向けてフィードスクリュ４０を備えた繊維材料の供給手段３６から第１の可塑化装置１４と同じ繊維材料Ｆが供給される。繊維材料Ｆは、裁断機４３により所定の長さに切断して供給される。なお第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５にそれぞれ供給される繊維材料Ｆは、同じ種類の繊維材料を用いることが一般的であるが、同じ種類で長さ、断面積など形状が異なる繊維材料を用いてもよい。または異なる種類の樹脂材料を用いてもよい。

そして加熱筒１８内の樹脂材料Ｒと繊維材料Ｆは、第２のスクリュ２０により前方へ送られ、加熱筒１８のヒータからの伝熱とせん断発熱により樹脂材料Ｒは溶融が進行する。第２の可塑化装置１５についても、繊維材料Ｆの折損を防止するために加熱筒後部のフィードゾーン３１のヒータの温度を高くするほうが望ましい。しかしこの際に第２の可塑化装置１５では、圧縮比が一定値以上である第２のスクリュ２０を使用し、フライト２０ｂにはサブフライト２０ｃが設けられると共に前方にはミキシング部３４が設けられている点から、樹脂材料Ｒと繊維材料Ｆが受けるせん断応力は第１のスクリュ１９よりも大きい。その結果、裁断機４３で切断して供給した繊維材料Ｆは更に切断はされるが、溶融した樹脂材料Ｒとは高混練状態となって前方へ送られる。そして高混練状態の繊維材料Ｆと溶融した樹脂材料Ｒからなる溶融樹脂材料Ｒ１は、溶融樹脂材料の供給用配管４８の内孔、プランジャ装置１６のノズル４６の内孔４６ａを経てプランジャ装置１６の加熱筒５０の内孔５０ａに供給される。

この際に第１の可塑化装置１４から供給される溶融材料と第２の可塑化装置１５から供給される溶融材料は、ノズル４６の内孔４６ａの合流部４６ｂで混合されてプランジャ装置１６の加熱筒５０の内孔５０ａに貯留される。またこの際に射出プランジャ５１により、繊維材料Ｆに悪影響を与えない範囲で所定の背圧が加えられている。そして溶融材料の貯留量が増加とともに射出プランジャ５１が所定位置まで後退したことが検出されると、第１の可塑化装置１４の計量用サーボモータ２８の回転を停止させるとともにロータリバルブ４７を閉鎖する。また同時に第２の可塑化装置１５の計量用サーボモータ４４の回転を停止させるとともにロータリバルブ４９を閉鎖して可塑化工程が終了する。

なお第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５による可塑化工程において、第１のスクリュ１９と第２のスクリュ２０の回転駆動によるせん断応力は、樹脂材料の粘度とせん断速度によって決定される。従って第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５において同じ樹脂材料Ｒを使用した場合、加熱筒温度（特に最高部分の温度）もほぼ同じに設定されるので、せん断速度が問題となる。せん断速度は、第１のスクリュ１９、第２のスクリュ２０の直径と溝深さ等の流路断面積（流路形状）の他、第１のスクリュ１９、第２のスクリュ２０の回転速度によって決定される。

可塑化工程における第１の可塑化装置１４の第１のスクリュ１９と、第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０の回転速度は、それぞれのスクリュ１９，２０の特性と繊維材料の特性から、繊維材料の折損が許容される範囲と可塑化能力等を考慮して決定される。従って第１のスクリュ１９、第２のスクリュ２０の回転速度は、第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５で同一の場合もあれば別の場合もあり得る。しかしながら第１のスクリュ１９、第２のスクリュ２０の回転速度が異なるといっても、同じ樹脂材料Ｒを使用している場合は、樹脂の劣化などの問題から極端に異なる回転速度が採用されることは少ない。従って第１の可塑化装置１４の第１のスクリュ１９に流路断面積が広いか圧縮比が小さくてせん断応力が低くなるようなスクリュデザインを採用し、第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０に流路断面積が狭いか圧縮比が大きくて第１のスクリュ１９よりもせん断応力が高くなるようなスクリュデザインを採用した場合、通常の成形の範囲では第２の可塑化装置１５のほうがせん断応力が高くなる。

更に詳しくは第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５のそれぞれのスクリュ１９，２０の回転速度は、種々の決定方法があるが、次のようにして決定してもよい。まず１回の成形における第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５から供給が必要な繊維材料を含む溶融樹脂材料Ｒ１の供給量（可塑化量）がそれぞれ決定される。次に前記供給量（可塑化量）を成形サイクルから求めた所望の可塑化時間で除算することにより、単位時間あたりの供給量が決定され、供給量に見合ったスクリュの回転速度が決定される。または供給量（可塑化量）を、可塑化の際に繊維材料に悪影響を与えないスクリュの回転速度による時間当たりの可塑化能力で除算することにより、可塑化時間を決定するようにしてもよい。

いずれにしても射出成形装置１１の設計の段階から第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５がそれぞれ所定の回転速度以下でそれぞれ良好な可塑化を行った際の可塑化時間に大きな差が出ないように第１のスクリュ１９と第２のスクリュ２０の設計が行われている。そして第１の可塑化装置１４の第１のスクリュ１９の回転によるせん断応力よりも第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０の回転によるせん断応力のほうが高くなるように（差がある状態で）作動がなされる。なおこれらの第１のスクリュ１９、第２のスクリュ２０の回転速度は、それぞれのスクリュ１９，２０の直径によって大きく左右されるが、一例として３０〜２００ｒ．ｐ．ｍ．で計量を行うことが望ましい。

従って可塑化工程において第１の可塑化装置１４と第２の可塑化装置１５は、同時に作動開始して同時に作動終了されるものに限定されず、いずれか一方が先に作動開始したり先に作動終了するものでもよい。また少なくとも一方が断続的に作動するものや、交代に作動するものなど限定はされない。

そしてプランジャ装置１６に貯留された繊維材料Ｆと樹脂材料Ｒからなる溶融材料は、第１の可塑化装置１４から供給された溶融材料には長繊維が残留し、第２の可塑化装置１５から供給された溶融材料は繊維材料Ｆと樹脂材料Ｒが高混練状態であるので、長繊維の残存と混練性いう要素を両立させることができる。

次に型締装置１３側で固定金型６１と可動金型６３の型締が完了してキャビティ６５が形成されると、プランジャ装置１６の射出用サーボモータ５２を作動させて射出用プランジャ５１を前進させ、前記キャビティ６５内にプランジャ装置１６のノズル４６の内孔４６ａと金型のスプルブッシュ６６等を介して溶融材料を射出する射出充填工程と保圧工程を行う（両者を合わせて射出工程と呼ぶ）。この際にノズル４６の内孔４６ａおよびキャビティ６５までのスプルブッシュ６６等の流路は流動抵抗を所定以下にして射出工程のせん断応力を低くすることが望ましい。また射出速度は、成形品の形状等や樹脂の種類によっても左右されるが、溶融材料に含まれる繊維材料Ｆの切断に悪影響を及ぼさない速度に選定される。

そして射出工程の後の冷却工程で所定時間が経過して金型のキャビティ６５内で溶融材料が冷却固化すると可動盤６４と可動金型６３が型開され、繊維材料を含む樹脂成形品Ｗが取出される。また金型内で溶融材料が冷却固化されている冷却工程と並行して、射出装置１２では、第１の可塑化装置１４の第１のスクリュ１９と第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０を回転させて次の可塑化工程が行われる。

次に図２に示される別の実施形態の繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置７１について相違点を中心に説明する。別の実施形態の射出成形装置７１では、第１の可塑化装置７２は、加熱筒７３の内孔７３ａに回転自在に設けられた第１のスクリュ７４のＬ／Ｄが２０〜３５となっている。第１のスクリュ７４は、後方から順に、フィードゾーン７５、第１のコンプレッションゾーン７６、第１のメタリングゾーン７７、開放ゾーン７８、第２のコンプレッションゾーン７９、および第２のメタリングゾーン８０の順となっている。なお本実施形態で第１のメタリングゾーン７７の溝深さｄ２は一例として２．５ｍｍに設けられ、第２のメタリングゾーン８０の溝深さｄ３は４．０ｍｍに設けられている。なお図２の例においても繊維材料の供給部よりも前方の最浅部（第２のメタリングゾーン８０）の溝深さｄ３は、一例として好ましくは３．０ｍｍ〜８．０ｍｍ（３ｍｍ以上）に設けられる。

そして第１のスクリュ７４の開放ゾーン７８が設けられた部分に対応する加熱筒７３の部分には、繊維材料の供給口８１が設けられ、該供給口８１には、繊維材料の供給手段８２が取付けられている。図２において繊維材料の供給手段８２は、図１と同様であるが限定はされず他の方式でもよい。また第１の可塑化装置７２は、加熱筒７３の後方に固定されたハウジング部８３の供給口８４に樹脂材料の供給手段８５が接続されている。第１の可塑化装置７２は、計量用サーボモータ８６が設けられ、計量用サーボモータ８６により第１のスクリュ７４が回転駆動される。第２の可塑化装置１５とプランジャ装置１６、型締装置１３については、図１と同じものが取付けられている。従って先の図１の第２の可塑化装置１５とプランジャ装置１６の説明を援用する。なお第２の可塑化装置１５の第２のスクリュ２０については、種々の応用パターンがあることは前記した通りである。

次に別の実施形態の射出成形装置７１を用いた繊維材料を含む樹脂材料の射出成形方法について説明する。第１の可塑化装置７２の樹脂材料の供給手段８５から加熱筒７３内に供給された樹脂樹脂Ｒ（ペレット）は、第１のスクリュ７４の回転により前方に送られ、第１のコンプレッションゾーン７６と第１のメタリングゾーン７７を通過する際に、加熱筒７３からの熱とせん断発熱により溶融溶融樹脂材料Ｒ１となる。

そして開放ゾーン７８により一旦、溶融溶融樹脂材料Ｒ１の圧力が開放される。そして繊維材料の供給手段８２から供給口８１を介して繊維材料Ｆが加熱筒７３の内孔７３ａの開放ゾーン７８に供給される。この際に溶融溶融樹脂材料Ｒ１は圧力開放されているので、供給口８１から噴出することはない。また樹脂溶融樹脂材料Ｒ１は、既に溶融して粘度が低い状態にあるので、スクリュ回転により繊維材料Ｆが受けるストレスは少なく、繊維材料Ｆの切断が最小限に抑えられる。また第１の可塑化装置７２の第１のスクリュ７４は、Ｌ／Ｄが２０〜３５と長いので樹脂材料Ｒは十分に加熱筒７３からの熱を受けることができ、せん断発熱をそれほど必要としない。

次の図３に示される更に別の実施形態の繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置９１について相違点を中心に説明する。繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置９１は、同条件（同じ樹脂材料を使用して同じ溶融樹脂温度で同じスクリュの回転速度）でスクリュを回転させた際にせん断応力に差がある第１のスクリュ９６と第２のスクリュ９７がそれぞれ第１の可塑化装置９２と第２の可塑化装置９３とに備えられている点は、図１の実施形態と同じである。また第１の可塑化装置９２が繊維材料の供給手段９４と樹脂材料の供給手段８９を備え、第２の可塑化装置９３が繊維材料の供給手段９０と樹脂材料の供給手段９５を備えている点も同じである。最も大きい相違点は、射出成形装置９１では射出を専用に行うプランジャ装置１６が無く、第２の可塑化装置９３が射出機能も有している点である。

即ち第１の可塑化装置９２の加熱筒９９の前側に接続される溶融溶融樹脂材料Ｒ１の供給用配管１００は、第２の可塑化装置９３の加熱筒１０１の前側に接続されるノズル１０２の内孔１０２ａに接続されている。そして前記供給用配管１００には開閉手段であるロータリバルブ１０３が設けられている。また第２の可塑化装置９３のノズル１０２の内孔１０２ａの前記接続部分１０２ｂよりも前方（ノズル孔側）にも開閉手段であるロータリバルブ１０４が設けられている。なお図３の例についても供給用配管１００を第２の可塑化装置９３の加熱筒１０１の内孔１０１ａに直接接続してもよい。そして第１の可塑化装置９２は、可塑化機能しか有していないので、計量用サーボモータ１０５のみが設けられ、第１のスクリュ９６は同位置で回転され前後進はしない。また第２の可塑化装置９３は、計量用サーボモータ１０６により第２のスクリュ９７が回転されるとともに、射出用サーボモータ９８により前後進移動が可能となっている。また第２の可塑化装置９３の第２のスクリュ９７のみ、前側に逆流防止弁１０７が設けられている。

そして別の実施形態の実施形態繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置９１による射出成形方法は、第１の可塑化装置９２の第１のスクリュ９６と第２の可塑化装置９３の第２のスクリュ９７を同時に作動させると、第２の可塑化装置９３の第２のスクリュ９７の前方に第１の可塑化装置９２から送られてきた繊維材料Ｆを含む溶融溶融樹脂材料Ｒ１と第２の可塑化装置９３の後方のフライト間から送られる繊維材料Ｆを含む溶融溶融樹脂材料Ｒ１が合流して貯留される。

そして第２の可塑化装置９２の第２のスクリュ９７が計量完了位置まで後退したことが検出されると、第１の可塑化装置９２の第１のスクリュ９６の回転を停止するとともにロータリバルブ１０３を閉鎖する。また第２の可塑化装置９３の第２のスクリュ９７の回転を停止する。そして第２の可塑化装置９３のノズル１０２のロータリバルブ１０４を開放するとともに、射出用のサーボモータ９８を作動させ、第２のスクリュ９７を前進させて、型締されている金型６１，６３のキャビティ６５内に溶融溶融樹脂材料Ｒ１を射出充填し保圧を行う。

なお図３に示される射出成形装置９１において、回転時のせん断応力が低い第１のスクリュ９６が設けられた第１の可塑化装置９２の第１のスクリュ９６が前後進も可能であって射出機能を有しており、回転時のせん断応力が第１の可塑化装置９２の第１のスクリュ９６よりも高い第２の可塑化装置９３の第２のスクリュ９７が前後進不可能であって、射出機能を有さないものでもよい。

また図１ないし図３以外に、図示は省略するが、第１の可塑化装置と第２の可塑化装置が共に射出機能を有しており、同時に射出された繊維材料を含む溶融材料がノズルの部分で合流させてから金型のキャビティ内に射出充填されるものでもよい。その場合、第１の可塑化装置と第２の可塑化装置にそれぞれ供給される樹脂材料の種類を異ならせることにより、多層の繊維材料を含む成形品を成形することも可能である。

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。射出装置や型締装置の配置は縦方向でも横方向であってもよい。また射出装置の可塑化装置、プランジャ装置、型締装置ともに、駆動源は油圧を用いたものでも電動機によるものでもよい。更には本発明に用いられる樹脂材料は、第１の可塑化装置と第２の可塑化装置で異なる材質または異なる色のものを使用してもよい。また第１の可塑化装置と第２の可塑化装置ともに樹脂材料のペレットに繊維材料を含有させるものを除外するものではない。またプランジャ装置から開放された下型上に繊維材料を含む溶融材料を供給して後で上型を下降させてプレス成形を行うスタンピング成形についても、射出成形の一種として応用可能である。

１１ 射出成形装置
１２ 射出装置
１３ 型締装置
１４ 第１の可塑化装置
１５ 第２の可塑化装置
１６ プランジャ装置
１７，１８ 加熱筒
１９ 第１のスクリュ
２０ 第２のスクリュ
４６ ノズル
５１ 射出用プランジャ
６５ キャビティ

Claims (4)

1. 繊維材料と樹脂材料をスクリュにより混練して金型のキャビティ内に射出する繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置において、
   樹脂材料の供給手段および繊維維材料の供給手段と第１のスクリュが備えられた第１の可塑化装置と、
   樹脂材料の供給手段および繊維維材料の供給手段と、前記第１のスクリュよりもせん断応力が高い第２のスクリュが備えられた第２の可塑化装置とが設けられ、
   前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料を合流させてから金型のキャビティ内に射出されることを特徴とする繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置。
2. 前記第１の可塑化装置に備えられたスクリュは、圧縮比が１．４以下のスクリュ、または繊維材料供給口よりも前方の最浅部のスクリュの溝深さが３．０ｍｍ以上のスクリュであり、
   前記第２の可塑化装置に備えられたスクリュは、圧縮比が２．０以上のスクリュ、メインフライト以外のフライトを有するスクリュ、スクリュフライト以外にスクリュ軸に多数の凸部または凹部が形成されたミキシング部を有するスクリュ、繊維材料供給口よりも前方の最浅部のスクリュの溝深さが２．０ｍｍ以下のスクリュの少なくとも一つの要素を備えたスクリュであることを特徴とする請求項１に記載の繊維材料を含む樹脂材料の射出成形装置。
3. 繊維材料と樹脂材料をスクリュにより混練して金型のキャビティ内に射出する繊維材料を含む樹脂材料の射出成形方法において、
   樹脂材料と繊維材料がそれぞれ供給された第１の可塑化装置の第１のスクリュと第２の可塑化装置の第２のスクリュがせん断応力に差がある状態で回転され、
   前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料を合流させてから金型のキャビティ内に射出することを特徴とする繊維材料を含む樹脂材料の射出成形方法。
4. 前記第１の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料と前記第２の可塑化装置で可塑化された繊維材料を含む溶融樹脂材料は合流されてから射出プランジャ装置に貯留され、
   射出プランジャ装置から金型のキャビティ内に射出されることを特徴とする請求項３に記載の繊維材料を含む樹脂材料の射出成形方法。