JP2016043623A - 射出成形機のスクリュ - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化プラスチック成形品の成形に好適なスクリュを提供する。
【解決手段】供給部２、圧縮部３及び計量部４におけるフライトピッチをそれぞれｐ１、ｐ２、ｐ３としたとき、ｐ１＝ｐ２＝ｐ３とする。また、供給部２、圧縮部３及び計量部４におけるフライト５間の溝深さをそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３としたとき、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３とする。さらに、供給部２、圧縮部３及び計量部４におけるフライト５間の溝幅をそれぞれｓ１、ｓ２、ｓ３としたとき、ｓ１＞ｓ２＞ｓ３とすると共に、圧縮部３におけるフライト５間の溝幅ｓ２については、供給部２におけるフライト５間の溝幅ｓ１から計量部４におけるフライト５間の溝幅ｓ３まで滑らかに連続するように、供給部２側から計量部４側に至るに従って順次小さくなるように形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形機のスクリュに係り、特に、繊維強化プラスチック材料の可塑化及び混練に適したスクリュの構造に関する。

射出成形機のスクリュは、周面にフライト（ねじ山）が形成された棒状の部材であって、加熱シリンダ内で回転駆動することにより、成形材料の可塑化及び混練を行うものである。なお、スクリュを用いて成形材料の可塑化及び混練と金型内への溶融樹脂の射出とを行うスクリュ式射出成形機においては、スクリュが加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収納され、スクリュを用いて成形材料の可塑化及び混練のみを行い、金型内への溶融樹脂の射出を別機構にて行うプリプラ式射出成形機においては、スクリュが加熱シリンダ内に回転可能にのみ収納される。なお、スクリュ式射出成形機及びプリプラ式射出成形機の全体的な構成については、公知に属する事項でありかつ本発明の要旨でもないので説明を省略する。

図３に示すように、従来知られている標準的なスクリュ１００は、フライト１０１の形成領域が原料樹脂の受け入れ側から順に供給部１０２、圧縮部１０３及び計量部１０４に分割されている。供給部１０２は、外部から供給される原料樹脂を加熱しながら前方に移送する領域であり、圧縮部１０３は、供給部１０２から移送されてくる原料樹脂に圧縮力を付与し、原料樹脂を加熱シリンダから与えられる熱、並びに、スクリュの回転に伴って発生する剪断熱及び摩擦熱により可塑化する領域である。また、計量部１０４は、圧縮部１０３から移送されてくる溶融樹脂を、加熱シリンダの先端に設けられた射出ノズルより金型のキャビティ内に射出可能な状態にまで可塑化及び混練する領域である。

供給部１０２、圧縮部１０３及び計量部１０４は、各部におけるフライト１０１のリードピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、溝深さｄ１、ｄ２、ｄ３、及び溝幅ｓ１、ｓ２、ｓ３を調整することにより形成される。図３のスクリュ１００は、供給部１０２におけるフライトピッチｐ１と、圧縮部１０３におけるフライトピッチｐ２と、計量部１０４におけるフライトピッチｐ３が等しく形成されている（ｐ１＝ｐ２＝ｐ３）。また、このスクリュ１００は、供給部１０２におけるフライト１０１間の溝幅ｓ１と、圧縮部１０３におけるフライト１０１間の溝幅ｓ２と、計量部１０４におけるフライト１０１間の溝幅ｓ３が等しく形成されている（ｓ１＝ｓ２＝ｓ３）。そして、本例のスクリュ１００は、供給部１０２におけるフライト１０１間の溝深さｄ１を、圧縮部１０３及び計量部１０４におけるフライト１０１間の溝深さｄ２、ｄ３よりも大きくすると共に、供給部１０２内における各フライト１０１間の溝深さｄ１については一定にしている。また、計量部１０４におけるフライト１０１間の溝深さｄ３については、供給部１０２及び圧縮部１０３におけるフライト１０１間の溝深さｄ１、ｄ２よりも小さくすると共に、計量部１０４内における各フライト１０１間の溝深さｄ３については一定にしている。さらに、圧縮部１０３におけるフライト１０１間の溝深さｄ２については、供給部１０２におけるフライト１０１間の溝深さｄ１から計量部１０４におけるフライト１０１間の溝深さｄ３まで滑らかに連続するように、供給部１０２側から計量部１０４側に至るに従って順次小さくなるように形成されている（特許文献１の図２参照。）。

図３のスクリュ１００は、供給部１０２におけるフライト１０１間の溝深さｄ１が大きく形成されているので、外部から供給される原料樹脂を容易かつ確実に受け入れることができる。また、圧縮部１０３においては、供給部１０２側から計量部１０４側に至るに従って順次フライト１０１間の溝深さｄ２が小さくなっているので、該部を通過する間に供給部１０２から送られてくる原料に徐々に圧縮力が付与され、スクリュ１００の回転に伴う原料樹脂の剪断発熱及び摩擦発熱が増加して、原料樹脂の溶融が促進される。さらに、計量部１０４においては、フライト１０１間の溝深さｄ３が小さくなっているので、該部を通過する間に圧縮部１０３から送られてくる溶融樹脂が、射出可能な程度まで十分に可塑化及び混練される。

ところで、樹脂材料中にガラス繊維、カーボン繊維、天然繊維等の繊維材料を混練した繊維強化プラスチック材料の射出成形においては、図４に示すように、成形品中に含まれる繊維材料の繊維長が長いほど、成形品の弾性率、引張強度及び衝撃強度が高まる。また、成形品中で繊維材料が一方向に配向せず、各方向に均一に分散しているほど、成形品の均質性が高まる。このため、成形品中に繊維長が大きい繊維材料を均一に分散させるべく、長さ方向に繊維材料が配列された円柱形の樹脂ペレットを原料樹脂として加熱シリンダ内に供給する技術や、リールから引き出された長尺の繊維材料を加熱シリンダ内に連続的に供給する技術が従来提案されている（特許文献２のＦｉｇ．１参照。）。

特開平１１−１８８７６４号公報 米国特許出願公開第２０１０／０３１７７６９Ａ１号明細書

しかしながら、従来のスクリュは、先端側に至るほど溝深さを小さくすることによって加熱シリンダ内を流れる原料に圧縮力を付与する構成であるので、溝深さが小さい部分を流れる原料に大きな剪断力や摩擦力が作用する。このため、従来の射出成形機においては、加熱シリンダ中に繊維長が大きい繊維材料を供給したとしても、可塑化及び混練中に原料中の繊維材料が剪断力や摩擦力により破断されて短くなりやすい。また、樹脂材料中で繊維材料が一方向に配向されやすいので、成形品中に長い繊維材料を均一に分散させることが困難で、高強度かつ均質な繊維強化プラスチック成形品を成形し難い。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、繊維強化プラスチック成形品を成形する射出成形機に好適なスクリュを提供することにある。

本発明は、このような技術的課題を解決するため、周面に形成されたフライトにより、原料樹脂の受け入れ側から先端に至る間に供給部、圧縮部及び計量部がこの順に形成された射出成形機用のスクリュにおいて、前記供給部の始端から前記計量部の終端に至るまで、前記フライトのリードピッチ及び前記フライト間の溝深さは一定であり、かつ前記供給部、前記圧縮部及び前記計量部の夫々で前記フライト間の溝幅が変化していることを特徴とする。

本構成のスクリュは、先端側に至るほど溝幅を小さくすることによって加熱シリンダ内を流れる原料に圧縮力を付与する構成であるので、先端側においても大きな溝深さを確保できる。よって、加熱シリンダ内の原料層が薄くならず、樹脂材料中の繊維材料に過大な剪断力や摩擦力が作用することを防止できるので、加熱シリンダ内での繊維材料の破断を抑制できる。また、加熱シリンダ内の原料層が薄くならないことから、原料層内における繊維材料の多方向への分散性を高めることができる。このようなことから、本構成のスクリュを備えた射出成形機は、高強度かつ均質な繊維強化プラスチック成形品を成形することができる。

また本発明は、前記構成のスクリュにおいて、前記供給部における前記フライト間の溝幅は、前記圧縮部及び前記計量部における前記フライト間の溝幅よりも大きくかつ一定であり、前記計量部における前記フライト間の溝幅は、前記供給部及び前記圧縮部における前記フライト間の溝幅よりも小さくかつ一定であり、前記圧縮部における前記フライト間の溝幅は、前記供給部側から前記計量部側に至るに従って順次小さくなることを特徴とする。

本構成のスクリュは、供給部におけるフライト間の溝幅を他の部分におけるフライト間の溝幅よりも大きくかつ一定にしたので、外部からのペレット状の原料の受け入れと圧縮部側への移送を容易かつ確実に行うことができる。また、本構成のスクリュは、圧縮部におけるフライト間の溝幅を供給部側から計量部側に至るに従って順次小さくするので、該部を通過する間に原料に順次圧縮力を付与することができて、原料を可塑化することができる。さらに、本構成のスクリュは、計量部におけるフライト間の溝幅を他の部分におけるフライト間の溝幅よりも小さくかつ一定にしたので、圧縮部から移送される溶融原料をさらに可塑化して、十分に可塑化及び混練することができる。

また本発明は、前記構成のスクリュにおいて、前記圧縮部の始端から終端に至るまでの体積圧縮率が１．５〜３となるように、前記圧縮部における前記フライト間の溝幅を調整したことを特徴とする。

従来知られている標準的なスクリュは、圧縮部の始端から終端に至るまでの体積圧縮率が２〜３となるように、圧縮部におけるフライトが形成されている。これに対して、本構成のスクリュは、圧縮部における体積圧縮率が１．５〜３であり、従来知られている標準的なスクリュに比べて体積圧縮率が低めになっている。よって、原料中の繊維材料に作用する剪断力や摩擦力を低減することができ、混練中における繊維材料の破断を抑制できて、繊維長が大きな繊維材料を樹脂材料中に分散させることができる。

本発明のスクリュは、原料樹脂の受け入れ側から先端側まで、フライトのリードピッチ及びフライト間の溝深さが一定で、フライト間の溝幅のみが変化するので、可塑化・混練中の原料に過大な剪断力や摩擦力が作用せず、かつ樹脂材料中における繊維材料の分散性を高めることができる。よって、高強度かつ均質な繊維強化プラスチック成形品を成形することができる。

実施形態に係るスクリュの要部側面図である。 実施形態に係るスクリュの効果を従来知られている標準的なスクリュと比較して示す表図である。 従来知られている標準的なスクリュの要部側面図である。 繊維強化プラスチック成形品中に含まれる繊維材料の繊維長と繊維強化プラスチック成形品の弾性率、引張強度及び衝撃強度との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明に係る射出成形機用のスクリュの実施の形態について説明する。

実施の形態に係るスクリュ１は、図１に示すように、従来知られている標準的なスクリュ１００（図３参照）と同様に、原料樹脂の受け入れ側から順に供給部２、圧縮部３及び計量部４が形成されている。各部の機能は、従来知られている標準的なスクリュ１００と同じである。

実施の形態に係るスクリュ１は、従来知られている標準的なスクリュ１００が、フライト１０１間の溝深さｄを調整することによって、供給部１０２、圧縮部１０３及び計量部１０４を形成しているのに対して、フライト５間の溝幅を調整することによって、供給部２、圧縮部３及び計量部４を形成している。

即ち、実施の形態に係るスクリュ１は、供給部２におけるフライトピッチｐ１と、圧縮部３におけるフライトピッチｐ２と、計量部４におけるフライトピッチｐ３が等しく形成されている（ｐ１＝ｐ２＝ｐ３）。また、このスクリュ１は、供給部２におけるフライト５間の溝深さｄ１と、圧縮部３におけるフライト５間の溝深さｄ２と、計量部４におけるフライト５間の溝深さｄ３が等しく形成されている（ｄ１＝ｄ２＝ｄ３）。そして、このスクリュ１は、供給部２におけるフライト５間の溝幅ｓ１を、圧縮部３及び計量部４におけるフライト５間の溝幅ｓ２、ｓ３よりも大きくすると共に、供給部２内における各フライト５間の溝幅ｓ１については一定にしている。また、計量部４におけるフライト５間の溝幅ｓ３については、供給部２及び圧縮部３におけるフライト５間の溝幅ｓ１、ｓ２よりも小さくすると共に、計量部４内における各フライト５間の溝幅ｓ３については一定にしている。さらに、圧縮部３におけるフライト５間の溝幅ｓ２については、供給部２におけるフライト５間の溝幅ｓ１から計量部４におけるフライト５間の溝幅ｓ３まで滑らかに連続するように、供給部２側から計量部４側に至るに従って順次小さくなるように形成されている。

また、実施の形態に係るスクリュ１は、圧縮部３の始端から終端に至るまでの体積圧縮率が１．５〜３となるように、圧縮部３におけるフライト間の溝幅ｓ２が調整されている。従来知られている標準的なスクリュでは、圧縮部における体積圧縮率が２〜３に調整されるので、実施の形態に係るスクリュ１は、従来知られている標準的なスクリュに比べて、原料樹脂中の繊維材料に作用する剪断力及び摩擦力を低減できて、成形品中に繊維長が大きな繊維材料を残すことが可能になる。

さらに、実施の形態に係るスクリュ１は、供給部２と圧縮部３と計量部４の山数比を、従来知られている標準的なスクリュと同等の５：３：２に調整した。実験によると、供給部２と圧縮部３と計量部４の山数比をこの比率にすることにより、繊維強化プラスチック製品の良品を効率よく成形できた。

実施の形態に係るスクリュ１は、供給部２におけるフライト５間の溝幅ｓ１を他の部分よりも大きく形成したので、外部からの原料樹脂の受け入れが容易かつ確実に行われる。また、圧縮部３においては、供給部２側から計量部４側に至るに従って順次フライト５間の溝幅ｓ２を小さくしたので、該部を通過する間に供給部２から送られてくる原料に徐々に圧縮力が付与され、スクリュ１の回転に伴う原料樹脂の剪断発熱及び摩擦発熱が増加して、原料樹脂の溶融が促進される。さらに、計量部４においては、フライト５間の溝幅ｓ３が他の部分よりも小さくしたので、該部を通過する間に圧縮部３から送られてくる溶融樹脂が、射出可能な程度まで十分に可塑化及び混練される。

実施の形態に係るスクリュ１は、上述したように、先端側に至るほど溝幅を小さくすることによって加熱シリンダ内を流れる原料に圧縮力を付与する構成であるので、先端側においても大きな溝深さを確保できる。よって、加熱シリンダ内の原料層が薄くならず、樹脂材料中の繊維材料に過大な剪断力や摩擦力が作用することを防止できるので、加熱シリンダ内での繊維材料の破断を抑制できる。また、加熱シリンダ内の原料層が薄くならないことから、原料層内における繊維材料の分散性を高めることができる。このようなことから、本構成のスクリュを備えた射出成形機は、高強度かつ均質な繊維強化プラスチック成形品を成形することが可能になる。

図２に、実施の形態に係るスクリュ１を備えたスクリュ式射出成形機で作製した繊維強化プラスチック成形品Ａと、従来知られている標準的なスクリュ１００を備えたスクリュ式射出成形機で作製した繊維強化プラスチック成形品Ｂについて、各成形品中に含まれる繊維材料の平均繊維長と、各成形品中における繊維材料の分散度とを比較して示す。試料の作成に際しては、原料として、ガラス繊維の束にポリプロピレン樹脂を均一に含浸させ１０ｍｍの長さに切断した長繊維複合ペレットを用い、直径が１５ｍｍで厚さが５ｍｍの円板形の試料を作製した。試料作成時の加熱シリンダの加熱条件及びスクリュの回転条件については、定法に従った。

図２から明らかなように、従来知られている標準的なスクリュ１００を備えたスクリュ式射出成形機で作製した繊維強化プラスチック成形品Ｂは、それに含まれる繊維材料の平均繊維長が２．３ｍｍであるのに対して、実施の形態に係るスクリュ１を備えたスクリュ式射出成形機で作製した繊維強化プラスチック成形品Ａは、それに含まれる繊維材料の平均繊維長が５．８ｍｍであった。このことから、繊維強化プラスチック成形品Ａは、繊維強化プラスチック成形品Ｂに比べて、成形品の弾性率、引張強度及び衝撃強度が格段に改善されているものと推定される（図４参照）。また、目視によって繊維強化プラスチック成形品Ａ中における繊維材料の分散度と、繊維強化プラスチック成形品Ｂ中における繊維材料の分散度とを比較したところ、繊維強化プラスチック成形品Ａ中には、繊維材料がほぼ均一に分散しており、良（○）と判定されたのに対し、繊維強化プラスチック成形品Ｂ中には、繊維材料の分散にやや偏りが見られ、やや不可（△）と判定された。

本発明は、スクリュ式射出成形機及びプリプラ式射出成形機の双方に適用できる。

１ スクリュ
２ 供給部
３ 圧縮部
４ 計量部
５ フライト
ｐ１ 供給部のフライトピッチ
ｐ２ 圧縮部のフライトピッチ
ｐ３ 計量部のフライトピッチ
ｄ１ 供給部の溝深さ
ｄ２ 圧縮部の溝深さ
ｄ３ 計量部の溝深さ
ｓ１ 供給部の溝幅
ｓ２ 圧縮部の溝幅
ｓ３ 計量部の溝幅

Claims (3)

1. 周面に形成されたフライトにより、原料樹脂の受け入れ側から先端に至る間に供給部、圧縮部及び計量部がこの順に形成された射出成形機用のスクリュにおいて、
   前記供給部の始端から前記計量部の終端に至るまで、前記フライトのリードピッチ及び前記フライト間の溝深さは一定であり、かつ前記供給部、前記圧縮部及び前記計量部の夫々で前記フライト間の溝幅が変化していることを特徴とするスクリュ。
2. 前記供給部における前記フライト間の溝幅は、前記圧縮部及び前記計量部における前記フライト間の溝幅よりも大きくかつ一定であり、
   前記計量部における前記フライト間の溝幅は、前記供給部及び前記圧縮部における前記フライト間の溝幅よりも小さくかつ一定であり、
   前記圧縮部における前記フライト間の溝幅は、前記供給部側から前記計量部側に至るに従って順次小さくなることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ。
3. 前記圧縮部の始端から終端に至るまでの体積圧縮率が１．５〜３となるように、前記圧縮部における前記フライト間の溝幅を調整したことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載のスクリュ。