JP2020032558A - 樹脂成形金型及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融樹脂の粘度をレスポンス良く容易に調整できるようにすること。【解決手段】樹脂成形金型（１０）は、溶融樹脂（Ｍ）が充填されるキャビティ空間（１２）を形成する固定型（１１）及び可動型（１３）を備えている。樹脂成形金型は、キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を測定するための圧力センサ（２２）及び温度センサ（２３）を含む粘度測定部（３１）と、キャビティ空間に注入前の溶融樹脂を温度調整するヒータ（２１）を含む温度調整部（３２）とを備えている。キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を樹脂成形金型において測定でき、その測定結果に応じて溶融樹脂をキャビティ空間に注入される直前で温度調整して溶融樹脂の粘度を一定に保つことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、キャビティ空間内に充填した樹脂を固化して樹脂成形品を成形することができる樹脂成形金型及び成形方法に関する。

樹脂成形においては、金型と樹脂材料の熱交換により、金型に注入した樹脂材料を固化して取り出すことが一般的である。樹脂材料は、ベースとなる樹脂に対して充填剤や添加剤等、複数の材料を混合してあるので、それらの配合比の誤差によって粘度にばらつきが生じる。そして、樹脂材料の粘度がばらつくと、成形時の樹脂材料の流れ方が変化し、樹脂材料の未充填や過充填に起因する成形不良を引き起こす場合がある。

ここで、特許文献１では、射出シリンダ内に設けられるスクリューを回転させて樹脂材料を送出し、該樹脂材料を射出シリンダ先端部のノズルから金型内に充填する成形方法を開示している。特許文献１の成形方法では、射出シリンダやスクリューに圧力センサを設け、その測定結果から樹脂材料の粘度を計算し、射出速度や射出成形圧力等の成形条件の制御を行っている。

特開平１１−１０６９４号公報

上記特許文献１にあっては、射出シリンダにおける樹脂材料の収容容量が大きくなる傾向がある。このため、成形条件を制御しても、樹脂材料を所望の粘度に調整する時間が長くなってレスポンスが低くなる、という問題がある。また、樹脂材料においては、射出シリンダのノズルから金型のスプール等の流路を通過してキャビティ空間に注入されるので、その通過中に温度等の各種条件の変化の影響を受け易くなる。このため、樹脂材料の注入後の粘度を一定に保つことが困難となり、熟練した技術を有する作業者によって調整することが必要になる、という問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、キャビティ空間に注入される溶融樹脂の粘度をレスポンス良く容易に調整することができる樹脂成形金型及び成形方法を提供することを目的とする。

本発明における一態様の樹脂成形金型は、溶融樹脂が充填されるキャビティ空間を形成するキャビティ形成体を備えた樹脂成形金型であって、前記キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を測定するための粘度測定部と、前記キャビティ空間に注入前の溶融樹脂を温度調整する温度調整部とを備えていることを特徴とする。

この構成によれば、キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を樹脂成形金型において測定でき、その測定結果に応じて溶融樹脂をキャビティ空間に注入される直前で温度調整することができる。これにより、樹脂成形金型に溶融樹脂を充填する射出シリンダ等で粘度を調整する従来技術に比べ、金型内の小さい容積で粘度調整を行うことができ、一定の粘度に保つためのレスポンスを高めることができる。また、キャビティ空間に近い位置で所定粘度に調整できるので、キャビティ空間内に注入される間に粘度が変化することを防止することができる。その結果、射出シリンダから金型に充填するまでの種々の条件を考慮しつつ微調整を繰り返すことを回避でき、熟練した技術を不要として簡単に粘度を調整することができる。

本発明における一態様の成形方法は、樹脂成形金型のキャビティ空間に溶融樹脂を注入する準備注入工程と、前記準備注入工程で前記樹脂成形金型に注入され前記キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を測定する測定工程と、前記準備注入工程で注入された溶融樹脂によって成形された成形品を取り出す準備品取出工程と、前記キャビティ空間に溶融樹脂を再度注入しつつ該溶融樹脂を前記測定工程で測定した粘度に応じて温度調整する温調注入工程と、前記温調注入工程で注入された溶融樹脂によって成形された成形品を取り出す完成品取出工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、キャビティ空間に注入する直前の溶融樹脂の粘度を測定して温度調整するので、溶融樹脂の粘度をレスポンス良く容易に調整することができる。

実施の形態に係る樹脂成形金型の概略構成図である。 上記樹脂成形金型の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。なお、以下の実施の形態では、熱可塑性の樹脂を用いた成形品を成形するための樹脂成形金型及び成形方法について説明するが、成形用の樹脂は熱可塑性に限定されるものでない。

図１は、実施の形態に係る樹脂成形金型の概略構成図である。図１に示すように、樹脂成形金型（以下、単に「金型」とする）１０は、固定型１１と、この固定型１１との間にキャビティ空間１２を形成する可動型１３とを備えている。従って、固定型１１及び可動型１３によってキャビティ形成体が構成され、それらの相対面によってキャビティ空間１２の表面が形成される。固定型１１及び可動型１３は、射出成形機（図示省略）に搭載され、当該射出成形機から熱可塑性の溶融樹脂Ｍがスプール１５及びランナー１６を通じてキャビティ空間１２内に充填される。従って、スプール１５及びランナー１６は、キャビティ空間１２に溶融樹脂Ｍを注入するために形成される。

スプール１５は、固定型１１に形成されてランナー１６に連通する流路とされる。また、スプール１５は、射出成形機のノズル（図示省略）が接続されて金型１０に溶融樹脂Ｍが最初に流れ込む流路となる。本実施の形態では、スプール１５は、固定型１１を上下に貫通するように形成されている。

ランナー１６は、固定型１１と可動型１３との間にて、キャビティ空間１２の端部（図１では右端部）に連通するように形成されている。また、ランナー１６は、スプール１５の下端に連通しており、１体の金型１０に複数のキャビティ空間１２が形成される場合には、スプール１５に流れ込んだ溶融樹脂Ｍがランナー１６で分岐するようになる。

可動型１３には、エジェクタピン１８が設けられる。エジェクタピン１８は、エジェクタプレート１９を介して図示された位置から上方に変位し、キャビティ空間１２の形成面から突出するよう設けられる。従って、キャビティ空間１２に充填した溶融樹脂Ｍが固化して可動型１３を固定型１１から離れる方向に駆動した後、エジェクタピン１８を上方変位することで、固化した成形品がキャビティ空間１２の形成面から押し出されて離型される。

ここで、本発明の特徴的な構成として、金型１０においては、スプール１５を囲む位置に設けられたヒータ２１と、スプール１５の経路上に設けられて粘度測定部を構成する圧力センサ２２及び温度センサ２３とを更に備えている。

ヒータ２１は、スプール１５に対する加熱量を調整することで、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの温度を調整可能に設けられる。言い換えると、ヒータ２１は、金型１０の一部となるスプール１５に充填した後であってキャビティ空間１２に注入する前の溶融樹脂Ｍを温度調整可能とされる。なお、ヒータ２１、スプール１５及び後述する温度センサ２３にあっては、それらが一体化されたいわゆるホットスプールを用いてもよい。

圧力センサ２２及び温度センサ２３は、固定型１１の側面から挿入され、検出部分がスプール１５に達するように設けられる。圧力センサ２２及び温度センサ２３は、スプール１５の経路上にて、圧力センサ２２が相対的に上流側に、温度センサ２３が相対的に下流側に配置されている。

図２は、樹脂成形金型の構成を示すブロック図である。図２に示すように、金型１０は、粘度測定部３１、温度調整部３２及び制御部３３を備えている。

粘度測定部３１は、圧力センサ２２及び温度センサ２３（図１参照）を含んで構成される。圧力センサ２２は、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの圧力を検出し得るものであれば、特に限定されるものでなく、例えば、ひずみゲージ式圧力センサが利用される。温度センサ２３は、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの温度を測定し得るものであれば、特に限定されるものでなく、例えば、熱電対等が利用される。また、圧力センサ２２及び温度センサ２３の検出結果に応じて後述する演算を制御部３３で行うことで、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの粘度が測定される。

温度調整部３２は、ヒータ２１（図１参照）を含んで構成される。ヒータ２１は、制御部３３によって、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍを所定粘度に設定するための加熱量が制御される。ヒータ２１としては、電気ヒータ、誘導加熱コイルの他、流路を形成して内部に熱水、蒸気、油を流す構成などを単独または組み合わせて用いてもよい。

制御部３３は、中央処理装置（ＣＰＵ）等からなり、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの粘度等を制御する。制御部３３は、粘度測定部３１から入力される検出信号に基づき、キャピラリーレオメータ等で利用される一般的な式で溶融樹脂Ｍの粘度を演算する。
具体的には、以下に述べる式を用いて演算する。

以下の式（１）−（３）において、溶融樹脂Ｍの粘度をη（Ｐａ・ｓｅｃ）、せん断応力をτ（Ｐａ）、せん断速度γ（１／ｓｅｃ）とする。また、圧力センサ２２により検出した溶融樹脂Ｍの圧力をＰ（Ｐａ）、スプール１５の半径寸法をｒ（ｍｍ）、圧力センサ２２と温度センサ２３との距離をＬ（ｍｍ）とする。
η＝τ／γ ・・・（１）
τ＝（Ｐ・ｒ）／（４・Ｌ） ・・・（２）
γ＝（３２・Ｑ）／（π・ｒ^３） ・・・（３）

上記式（３）にて、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの流量をＱ（ｍｍ^３／ｓｅｃ）としており、流量Ｑは、以下の式（４）を用いて演算する。
Ｑ＝（π・ｒ^２・Ｌ）／Δｔ ・・・（４）

式（４）にて、圧力センサ２２と温度センサ２３との検出時間差をΔｔ（ｓｅｃ）としており、検出時間差Δｔは、圧力センサ２２で圧力上昇を検出した時間から、温度センサ２３で温度上昇を検出した時間までの時間値として制御部３３で求める。なお、制御部３３は適宜なメモリ等の記憶手段を備え、該記憶手段を介して上記半径寸法ｒ、距離Ｌが予め記憶される。

制御部３３は、上記の演算結果に基づき、温度調整部３２におけるヒータ２１の加熱量を制御し、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの温度を調整することで、溶融樹脂Ｍの粘度が一定となるように制御する。

かかる制御の具体例を挙げると、先ず、上記演算で求めた溶融樹脂Ｍの粘度と、かかる溶融樹脂Ｍによる成形にて正常範囲となる粘度とを比較する。この比較の結果、溶融樹脂Ｍの粘度が正常範囲内であれば、ヒータ２１の温度を維持して溶融樹脂Ｍの粘度を保つようにする。一方、溶融樹脂Ｍの粘度が正常範囲外の場合、溶融樹脂Ｍの粘度が低ければヒータ２１の加熱量を上げ、溶融樹脂Ｍの粘度が高ければヒータ２１の加熱量を下げる制御を行う。この制御を行うため、スプール１５での溶融樹脂Ｍの粘度と、該粘度から良好に成形が実施される粘度にするための温度調整部３２の加熱量との対応関係をテーブルや、データベース、数式として予め求めて制御部３３が有する記憶手段に記憶しておく。そして、制御部３３にて、記憶済みのテーブル等と、演算される溶融樹脂Ｍの粘度とから、温度調整部３２の加熱量を求め、該加熱量に応じて温度調整部３２への出力を制御する。

続いて、本実施の形態における金型１０を用いた成形品の成形方法について説明する。

先ず、射出成形機（図示省略）にてベースとなる樹脂に対して充填剤や添加剤等を混合しつつ溶融し、溶融樹脂Ｍとして金型１０に充填し得る状態にする。その後、第１注入工程として、射出成形機のノズルから金型１０のスプール１５に向かって溶融樹脂Ｍを注入する。この第１注入工程中、測定工程として、金型１０に注入されてキャビティ空間１２に注入される前の溶融樹脂Ｍ、すなわちスプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの粘度を測定する。上述したように、溶融樹脂Ｍの粘度は、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍについての圧力センサ２２及び温度センサ２３の測定結果及び測定時間に基づき測定される。そして、測定された溶融樹脂Ｍの粘度から、良好に成形を行うべく一定の粘度とするため、ヒータ２１の加熱量を求める。

キャビティ空間１２に溶融樹脂Ｍを注入した後、第１取出工程として、所定の冷却時間が経過して注入した溶融樹脂Ｍが固化した後、型開きして成形品を取り出す。かかる成形品は、成形時の溶融樹脂Ｍの粘度調整が実施される前のものであるので、完成品ではなく品質等が保証されない準備品として処理される。

第１取出工程後、金型１０を閉型し、第２注入工程として、キャビティ空間１２に溶融樹脂Ｍを再度注入しつつ該溶融樹脂Ｍを測定工程で測定した粘度に応じて温度調整する。言い換えると、第２注入工程では、上記のように求めたヒータ２１の加熱量に応じてヒータ２１を制御し、一定の粘度を維持するよう、スプール１５を流れる溶融樹脂Ｍを温度調整（加熱）する。

その後、第２取出工程として、所定の冷却時間が経過して注入した溶融樹脂Ｍが固化した後、型開きして成形品を取り出す。かかる成形品は、第２注入工程にてスプール１５での溶融樹脂Ｍの粘度調整が実施されているので、良好な品質として保証し得る完成品される。

以上のように、上記実施の形態によれば、粘度測定部３１で溶融樹脂Ｍの粘度を測定し、この粘度に応じてスプール１５を流れる溶融樹脂Ｍの温度を調整して溶融樹脂Ｍの粘度の一定化を図っている。ここで、溶融樹脂の粘度を射出成形機で調整する従来技術にあっては、射出シリンダにおける樹脂材料の収容容量が大きくなるので、所望の粘度に調整しようとすると温度調整時間が長くなる。この点、本実施の形態では、溶融樹脂Ｍの温度をスプール１５内で調整するので、従来技術に比べて溶融樹脂Ｍを小さい容積で粘度調整することができ、溶融樹脂Ｍを一定の粘度にレスポンス良く設定することができる。これにより、成形品を成形する時間の短縮化を図ることができ、製造効率の向上を達成することが可能となる。

更に、キャビティ空間１２に近い位置となるスプール１５で溶融樹脂Ｍの粘度を調整できるので、溶融樹脂Ｍがキャビティ空間１２に達するまでの過程で温度変化等の影響を受け難くなり、調整した溶融樹脂Ｍの粘度が変化することを防止することができる。これにより、射出成形機を用いた従来技術では、粘度変化に応じてシリンダ温度や充填速度、最大射出圧力等の成形条件を熟練者によって調整していたが、本実施の形態では、熟練した技術を不要として一定の粘度に容易に維持することができる。この結果、成形時の溶融樹脂Ｍの流れ方を安定させて溶融樹脂Ｍの未充填や過充填に起因する成形不良を回避でき、成形された完成品の精度や品質を良好に保つことができる。

また、粘度測定部３１が温度センサ２３を有する構成とした場合には、ヒータ２１と共に汎用品のホットスプールを用いることができ、金型１０製作の簡略化、コスト低減を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、スプール１５に温度調整部３２となるヒータ２１や粘度測定部３１となる圧力センサ２２や温度センサ２３を設けたが、キャビティ空間１２に注入前の溶融樹脂Ｍが流れる流路であれば、ランナー１６に設ける等変更してもよい。

また、粘度測定部３１において、圧力センサ２２より下流側に温度センサ２３を配置した場合を説明したが、圧力センサ２２で圧力上昇を検出した時間から検出値が変化した時間を出力し得るセンサであれば、到達センサ等の他のセンサに変更してもよい。

また、上記実施の形態の成形方法では、第１成形工程、第１取出工程で準備品を成形した場合を説明したが、準備品に代えて完成品を成形してもよい。この場合、該成形での測定工程での測定粘度に応じて所定の粘度となるよう溶融樹脂Ｍを温度調整して第２成形工程が行われる。

１０ 金型（樹脂成形金型）
１１ 固定型（キャビティ形成体）
１２ キャビティ空間
１３ 可動型（キャビティ形成体）
１５ スプール
２２ 圧力センサ
２３ 温度センサ
３１ 粘度測定部
３２ 温度調整部
Ｍ 溶融樹脂

Claims (5)

1. 溶融樹脂が充填されるキャビティ空間を形成するキャビティ形成体を備えた樹脂成形金型であって、
   前記キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を測定するための粘度測定部と、前記キャビティ空間に注入前の溶融樹脂を温度調整する温度調整部とを備えていることを特徴とする樹脂成形金型。
2. 前記キャビティ形成体に形成されて前記キャビティ空間に溶融樹脂を注入するためのスプールを更に備え、
   前記温度調整部は、前記スプールを流れる溶融樹脂を温度調整し、
   前記粘度測定部は、前記スプールを流れる溶融樹脂の粘度を測定することを特徴とする請求項１に記載の樹脂成形金型。
3. 前記粘度測定部は、前記スプールの経路上にて相対的に上流側に配置された圧力センサ及び下流側に配置された温度センサを備えていることを特徴とする請求項２に記載の樹脂成形金型。
4. 樹脂成形金型のキャビティ空間に溶融樹脂を注入する第１注入工程と、
   前記第１注入工程で前記樹脂成形金型に注入され前記キャビティ空間に注入前の溶融樹脂の粘度を測定する測定工程と、
   前記第１注入工程で注入された溶融樹脂によって成形された成形品を取り出す第１取出工程と、
   前記キャビティ空間に溶融樹脂を再度注入しつつ該溶融樹脂を前記測定工程で測定した粘度に応じて温度調整する第２注入工程と、
   前記第２注入工程で注入された溶融樹脂によって成形された成形品を取り出す第２取出工程とを備えていることを特徴とする成形方法。
5. 前記測定工程では、前記キャビティ空間に溶融樹脂を注入するためのスプールを流れる溶融樹脂の粘度を測定し、
   前記第２注入工程では、前記スプールを流れる溶融樹脂を温度調整することを特徴とする請求項４に記載の成形方法。

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