JP2016175240A - 樹脂の成形加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリュ表面の流動状態を定点観察する。
【解決手段】成形加工機１は、長手軸Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２に収容された、シリンダ２と同軸のスクリュ３と、を有している。シリンダ２はスクリュ３の側面と対向するスクリュ対向部４を有し、スクリュ対向部４の少なくとも一部は透明である。スクリュ対向部４は長手軸Ｃの周りを回転可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は樹脂の成形加工機に関する。

樹脂製品の成形加工、例えば押出成形においては、円筒状のシリンダにスクリュが挿入された押出機が使用される。押出機を回転することで固体樹脂が溶融可塑化され、その後必要に応じて樹脂を混練することで、所望の品質を有する溶融樹脂が吐出される。所定の形状のスクリュにおける樹脂の溶融可塑化状態あるいは樹脂の混練状態を把握・評価するためには、吐出された樹脂の品質評価を行うことが一般的である。一方、シリンダ内の樹脂の挙動を直接把握することが望まれる場合もある。その場合、シリンダの内部は目視確認が行えないため、目視確認を可能とする何らかの構成が必要となる。

非特許文献１には、上下二分割が可能なシリンダを有する押出機が開示されている。運転時に押出機を急停止し、上半のシリンダを取り外すことで、シリンダ内の樹脂の溶融可塑化状態を観察することができる。この装置では、押出機の実際の運転状態、すなわちスクリュが回転しながら樹脂が可塑化していく状態を動的に観察することができない。

非特許文献２には、サイドガラスを設けた二軸押出機が開示されている。シリンダの側壁に透明なガラスが設けられている。押出機内でスクリュが回転する際に樹脂が可塑化され、混練される挙動を、サイドガラスを通して動的に観察することができる。

非特許文献３には、透明なアクリル樹脂からなるシリンダを備えた、二軸スクリュ方式の混練機が開示されている。この混練機ではスクリュの全周を観察することができる。

溝口光明、「押出機中の樹脂の溶融挙動」、日本製鋼所技報、１９７２年３月、第３２号、ｐ．３−８ 酒井忠基、「押出成形技術の歴史と今後の展望」、成形加工、２００５年４月、第１７巻、第４号、ｐ．２１６−２２３ 酒井忠基、「二軸スクリューミキシングエレメント部における流れ挙動の観察」、高分子論文集、１９８１年４月、第３８巻、第４号、ｐ．２７９−２８４

非特許文献１〜３に記載されている成形加工機によれば、スクリュが停止した直後の、またはスクリュが回転する際のシリンダ内部の樹脂の流動状態を知ることができる。しかし、回転するスクリュの表面の流動状態の評価、あるいはスクリュの特異的な形状、部位がシリンダ内部の流動状態にどのような影響を与えているかについての詳細な流動メカニズムの評価を行うことは困難である。それはスクリュが回転することが前提の成形加工機においては、スクリュ表面の樹脂の流動状態を定点観察することができないためである。

本発明は、スクリュ表面の流動状態を定点観察することが可能な樹脂の成形加工機を提供することを目的とする。

本発明の樹脂の成形加工機は、長手軸を有するシリンダと、シリンダに収容された、シリンダと同軸のスクリュと、を有している。シリンダはスクリュの側面と対向するスクリュ対向部を有し、スクリュ対向部の少なくとも一部は透明である。スクリュ対向部は長手軸の周りを回転可能である。

本発明では、シリンダのスクリュ対向部は長手軸の周りを回転可能である。シリンダ内部の流動状態はシリンダが回転することで模擬される。シリンダが回転しているとき、スクリュは停止することができ、または低速で回転することができるため、スクリュ対向部の透明な部分を通してスクリュを定点観測することが容易である。

本発明によれば、スクリュ表面の流動状態を定点観察することが可能な樹脂の成形加工機を提供することができる。

本発明の成形加工機の全体を示す概略図である。 本発明の成形加工機の固定部を示す断面図である。 本発明の成形加工機の制御の流れを示す概略図である。 本発明の成形加工機における定点観測の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の樹脂の成形加工機の実施形態を説明する。以下の実施形態は試験用の押出機を対象とするが、本発明は実機の押出機に適用することも可能であり、さらにはシリンダとスクリュを有する樹脂の成形加工機に広く適用することができる。図１（ａ）は、単軸スクリュ型の押出機の上面図、図１（ｂ）は側面図を示している。

成形加工機１は、長手軸Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２に収容された、シリンダ２と同軸の一軸のスクリュ３と、を有している。シリンダ２は架台６の上に設置されている。シリンダ２は、長手軸Ｃの側方ないしスクリュ３の側面３ａでスクリュ３と対向するスクリュ対向部４と、長手軸Ｃと平行な長手方向Ｌにおけるスクリュ対向部４の両端部と対向する２つの固定部（以下、第１の固定部５ａ、第２の固定部５ｂという）と、を有している。スクリュ対向部４は長手軸Ｃの周りを回転可能である。第１及び第２の固定部５ａ，５ｂは長手軸Ｃの周りの回転が固定されており、回転することができない。

本実施形態では、スクリュ３のほぼ全域は、混練部に対応した混練エレメントで形成されている。他の実施形態では、スクリュ３は実機と同様、輸送部、ゲート部に対応する形状をさらに備えることができる。図４に示すように、混練エレメントは所定の溝を有している。

シリンダ２のスクリュ対向部４はアクリルなどの透明な材料で形成されている。スクリュ対向部４は全面が透明であり、シリンダ２の内部とスクリュ３をシリンダ２の全周から透視することができる。スクリュ対向部４の一部にアクリル、ガラスなどの透明な窓を設け、シリンダ２の内部とスクリュ３を透視できるようにしてもよい。さらに定点観測のためにスクリュ対向部４にカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置を取り付けてもよい。

成形加工機１は、スクリュ３を回転させるスクリュ用モータ８と、シリンダ２のスクリュ対向部４を回転させるシリンダ用モータ９と、を有している。これらのモータ８，９は架台６の上に設置されている。スクリュ用モータ８はカップリング１０を介してスクリュ３に連結されている。シリンダ用モータ９はギア１０，１１（詳細は図２参照）を介してスクリュ対向部４に連結されている。第１及び第２の固定部５ａ，５ｂはシリンダ用モータ９に連結されておらず、シリンダ用モータ９が回転するときに回転しない。本実施形態では、シリンダ２が停止した状態でスクリュ３を回転することはもとより、スクリュ３が停止した状態で、シリンダ２のスクリュ対向部４をスクリュ３の回転方向と同方向または逆方向に回転させることができる。スクリュ３が回転した状態で、シリンダ２のスクリュ対向部４をスクリュ３の回転方向と同方向または逆方向に回転させることもできる。

シリンダ２の内部には、常温で液体状態のシリコンオイルが供給される。シリコンオイルは溶融状態の樹脂を模擬している。実機ではスクリュ３が回転することで溶融樹脂が混練され、一方向に押し出される。本実施形態ではスクリュ対向部４は、スクリュ３の回転方向と逆方向に回転することが可能である。シリンダ２のスクリュ対向部４が逆方向に回転することで、溶融樹脂を模擬したシリコンオイルが、スクリュ３が回転した場合と同じ方向に押し出される。スクリュ３が回転する場合と、シリンダ２がスクリュ３の回転方向と反対方向に回転する場合とでは、溶融樹脂ないしシリコンオイルを搬送し、吐出させるメカニズムが実質的に同一である。このため、スクリュ３が停止した状態で流動するシリコンオイルを観察することは、実際のプロセスとほぼ同一の挙動を捉えていることになる。スクリュ３が停止した状態でシリンダ２を回転させることによって、スクリュ３の表面を移動する流体の挙動が観測できるため、実際にスクリュ３が回転しながら混練が促進されていく様子を定点で動的に観察できる。

第２の固定部５ｂはシリンダ２からシリコンオイルを回収する液体回収口１３を有し、第１の固定部５ａは液体回収口１３から回収されたシリコンオイルをシリンダ２に循環させる液体循環口１２を有している。これらの液体循環口１２と液体回収口１３は循環流路１４で接続されている。スクリュ３は一般的に、回転することで、液体を軸方向に搬送する推進力を発生させる。その推進力によって押し出されたシリコンオイルは、液体回収口１３を出て、循環流路１４を通り、再び液体循環口１２からシリンダ２の内部に供給される。これによって、連続的な流体の循環状態が観察可能となり、実際のプロセスで樹脂が連続的に供給され、混練され押し出される様子を模擬することができる。循環流路１４には開閉バルブ１５が設けられている。何らかの意図でシリコンオイルを循環させずにシリンダ２の内部を観察する場合には、開閉バルブ１５を閉じることでそのような観察が可能となる。第１の固定部５ａには、シリコンオイルをシリンダ２に供給するための液体供給口１６が設けられている。

図示は省略するが、架台６にはスクリュ用モータ８とシリンダ用モータ９の起動ボタン、各モータ８，９の回転方向設定ボタン、各モータ８，９の回転数を設定するためのインバータ、各モータ８，９の回転時間を設定するタイマー、非常停止ボタンなどが設置されている。シリンダ２及びスクリュ３の駆動、停止などの動作は、成形加工機１の制御部を構成するシーケンサ（制御回路）によって、任意に設定した条件で制御することができる。

図２（ａ）は、図１のＡ部（第１の固定部５ａの近傍）の拡大図を、図２（ｂ）は、図１のＢ部（第２の固定部５ｂの近傍）の拡大図を示している。便宜上、図２（ａ）には液体循環口１２と液体供給口１６を図示している。

図２（ａ）を参照すると、第１の固定部５ａはスクリュ３の端部近傍の側面を覆うハウジングないしカバーの形態を有している。第１の固定部５ａの長手軸Ｃと直交する端面１７ａに、スクリュ３が貫通する第１の貫通孔１８が形成されている。第１の貫通孔１８に隣接して第２の軸受２２が設けられ、スクリュ３は第２の軸受２２の内周面で回転可能に支持されている。図２（ａ）には図示しないが、スクリュ３の端部はカップリング１０を介して、スクリュ用モータ８に連結されている。

第１の固定部５ａの側面には円周溝２５が設けられ、第１の軸受２１が装着されている。シリンダ２のスクリュ対向部４は第１の軸受２１の内周面で回転可能に支持されている。スクリュ対向部４の外側側面には第１のギア１０が取り付けられている。第１のギア１０はシリンダ用モータ９の出力軸２０に連結された第２のギア１１と噛み合っており、シリンダ用モータ９の回転駆動力は第２のギア１１、第１のギア１０を介してシリンダ２のスクリュ対向部４に伝達される。シリンダ用モータ９の出力軸２０はシリンダ２の長手軸Ｃと平行に設けられている。

シリンダ２のスクリュ対向部４の外径は端部で若干小さくされており（図２（ａ）のＣ部）スクリュ対向部４の外面には段差が設けられている。第１のギア１０は段差と当接しており、第１のギア１０の段差の反対側の面は、第１の固定部５ａに隣接するブッシュ２６で長手方向Ｌに拘束されている。ブッシュ２６は第１のギア１０が長手方向Ｌに動くことを防止するとともに、シリンダ用モータ９から第１のギア１０を介して伝達される駆動力をシリンダ２のスクリュ対向部４に確実に伝達する。シリンダ２の回転時には、シリンダ２のスクリュ対向部４とブッシュ２６が、第１のギア１０とともに回転する。第１の軸受２１のブッシュ２６と対向する側にはＯリング２７が設けられており、シリンダ２内のシリコンオイルがシリンダ２外に漏えいすることが防止される。

図２（ｂ）を参照すると、第２の固定部５ｂはスクリュ３の端部近傍の側面を覆うハウジングないしカバーの形態を有している。第２の固定部５ｂの長手軸Ｃと直交する端面１７ｂには、スクリュ３が貫通する第２の貫通孔１９が形成されている。第２の貫通孔１９に隣接して第４の軸受２４が設けられ、スクリュ３は第４の軸受２４の内周面で回転可能に支持されている。

第２の固定部５ｂの側面には凹部２８が設けられ、第３の軸受２３が装着されている。シリンダ２のスクリュ対向部４は第３の軸受２３の内周面で回転可能に支持されている。シリンダ２のスクリュ対向部４は第１の軸受２１と第３の軸受２３で両端を回転可能に支持され、同様にスクリュ３は第２の軸受２２と第４の軸受２４で両端を回転可能に支持されている。これにより、スクリュ対向部４とスクリュ３の回転時の軸振れが抑制される。

図３に、上述した各種設定ボタンの操作方法と成形加工機１の制御方法をフローチャートで示す。シリンダ２の回転数と回転時間、スクリュ３の回転数と回転時間などの制御は、設定ボタンとシーケンサを備える制御部によって実行される。

まず、スクリュ回転設定ボタンでスクリュ３の回転方向を設定する（ステップＳ１）。回転方向は、通常は実機の樹脂の押出方向と一致する方向に設定されるが、逆方向に設定することもできる。次に、シリンダ回転設定ボタンでシリンダ２の回転方向を設定する（ステップＳ２）。通常は、スクリュ２の回転方向と逆方向の回転方向に設定される。次に、連続運転か、タイマー運転かを選択し（ステップＳ３）、タイマー運転を選択した場合、スクリュ用モータ８とシリンダ用モータ９の稼働時間（回転時間）をそれぞれ設定する（ステップＳ４，Ｓ５）。連続運転を設定した場合、スクリュ用モータ８のインバータでスクリュ３の回転速度を、シリンダ用モータ９のインバータでシリンダ２の回転速度をそれぞれ設定する（ステップＳ６，Ｓ７）。

次にモータ切り替えスイッチで、スクリュ３のみを回転させるか、シリンダ２のみを回転させるかを選択する（ステップＳ８）。スクリュ３のみを回転させることを選択した場合、シリンダ用モータ９のインバータの信号を遮断し（ステップＳ９）、シリンダ２のみを回転させることを選択した場合、スクリュ用モータ８のインバータの信号を遮断する（ステップＳ１０）。スクリュ３とシリンダ２を同時に回転させることもできる。その後、成形加工機１を起動する（ステップＳ１１）。なんらかの非常事態が生じた場合、非常停止ボタンを押して（ステップＳ１２）、成形加工機１を停止させることができる（ステップＳ１３）。

ボタン類の選択や設定は全て図３の手順に従う必要はない。例えば、起動ボタンを押しスクリュ３やシリンダ２が回転しているときに、シーケンサで各種設定を変更し、変更された設定条件を即座に成形加工機１の運転に反映させることが可能である。スクリュ用モータ８とシリンダ用モータ９のタイマーは起動時間と停止時間を設定することが可能であり、モータ８，９の間欠運転を連続的に行うことも可能である。このため、スクリュ３とシリンダ２が同時回転するようにモータ切り替えスイッチを設定した状態で、スクリュ３とシリンダ２が交互に起動するように設定することで、シリンダ２だけを一定時間回転させた後に、スクリュ３だけを一定時間回転させることが可能である。

次に実施例について説明する。図１の領域Ｂからスクリュ３を構成する混練エレメントを挿入し、スクリュ３上をどのように液体が流れ、混連が促進されるかを観察した。粘度１×１０^−３Ｐａ・Ｓ（１０００ｃＰ）のシリコンオイルをシリンダ２内に完全に充填し、さらに粒子径０．２ｍｍのプラスチックパウダーをシリンダ２内に投入した。シリンダ２が停止した状態でスクリュ３だけを６２回転／分の回転速度で回転させ、三脚で固定されたビデオカメラで定点撮影を行った。ビデオカメラの映像を画像解析し、混練エレメントの入口から出口までプラスチックパウダーが流動した軌跡を一枚の画像上にプロットした。図４には、このようにして得られたプラスチックパウダーの軌跡を示している。図中の線２９がプラスチックパウダーの軌跡である。スクリュ３の混練エレメントを通過する流体は、混練エレメントの表面に形成された溝３０の内部をらせん状に循環しながら長手方向Ｌへ流れ、溝３０と溝３０の間の境界部（溝３０と溝３０の間の突起）とシリンダ２の内壁との間の狭小な間隙を高い剪断速度で通過していく様子が確認できた（図中Ｄ部）。本実施例では、これまで数値流動解析でのみ予測されていたスクリュ周辺の液体の流動が可視化された。これは、スクリュが停止した状態でシリンダを回転させる本発明の成形加工機を適用したことではじめて明らかとなった事象である。

１ 成形加工機
２ シリンダ
３ スクリュ
４ スクリュ対向部
５ａ 第１の固定部
５ｂ 第２の固定部
８ スクリュ用モータ
９ シリンダ用モータ
１０ 第１のギア
１１ 第２のギア
１２ 液体循環口
１３ 液体回収口
１４ 循環流路
１５ 開閉バルブ
１６ 液体供給口
２１ 第１の軸受
２２ 第２の軸受
２３ 第３の軸受
２４ 第４の軸受
Ｃ 長手軸

次に実施例について説明する。図１の領域Ｂからスクリュ３を構成する混練エレメントを挿入し、スクリュ３上をどのように液体が流れ、混連が促進されるかを観察した。粘度１×１０^-3Ｐａ・Ｓ（１０００ｃＰ）のシリコンオイルをシリンダ２内に完全に充填し、さらに粒子径０．２ｍｍのプラスチックパウダーをシリンダ２内に投入した。スクリュ３が停止した状態でシリンダ２だけを６２回転／分の回転速度で回転させ、三脚で固定されたビデオカメラで定点撮影を行った。ビデオカメラの映像を画像解析し、混練エレメントの入口から出口までプラスチックパウダーが流動した軌跡を一枚の画像上にプロットした。図４には、このようにして得られたプラスチックパウダーの軌跡を示している。図中の線２９がプラスチックパウダーの軌跡である。スクリュ３の混練エレメントを通過する流体は、混練エレメントの表面に形成された溝３０の内部をらせん状に循環しながら長手方向Ｌへ流れ、溝３０と溝３０の間の境界部（溝３０と溝３０の間の突起）とシリンダ２の内壁との間の狭小な間隙を高い剪断速度で通過していく様子が確認できた（図中Ｄ部）。本実施例では、これまで数値流動解析でのみ予測されていたスクリュ周辺の液体の流動が可視化された。これは、スクリュが停止した状態でシリンダを回転させる本発明の成形加工機を適用したことではじめて明らかとなった事象である。

Claims (7)

1. 長手軸を有するシリンダと、前記シリンダに収容された、前記シリンダと同軸のスクリュと、を有し、
   前記シリンダは前記スクリュの側面と対向するスクリュ対向部を有し、前記スクリュ対向部の少なくとも一部は透明であり、
   前記スクリュ対向部は前記長手軸の周りを回転可能である、樹脂の成形加工機。
2. 前記スクリュ対向部は、前記スクリュが停止しているとき回転可能である、請求項１に記載の樹脂の成形加工機。
3. 前記スクリュは少なくとも一方向に回転可能であり、前記スクリュ対向部は、前記一方向のスクリュの回転方向と逆方向に回転可能である、請求項１または２に記載の樹脂の成形加工機。
4. 前記シリンダは、前記長手軸の方向における前記スクリュ対向部の両端部と対向し回転不能な２つの固定部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の樹脂の成形加工機。
5. 前記固定部の一方は前記シリンダから液体を回収する液体回収口を有し、他方は前記シリンダに前記液体を循環させる液体循環口を有し、
   前記液体循環口と前記液体回収口とを接続する循環流路を有している、請求項４に記載の樹脂の成形加工機。
6. 前記固定部は、前記長手軸の方向における前記固定部の側面で前記スクリュ対向部を回転可能に支持する第１の軸受と、前記長手軸の方向における前記固定部の端面で前記スクリュを回転可能に支持する第２の軸受と、を有している、請求項４または５に記載の樹脂の成形加工機。
7. 前記シリンダの回転数及び回転時間、並びに前記スクリュの回転数及び回転時間を制御可能な制御部を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の樹脂の成形加工機。

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