JP2020157655A - インフレーション成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高品質なチューブかつフィルム状の樹脂を成形できるインフレーション成形装置を提供する。【解決手段】インフレーション成形装置は、ダイから押し出されたチューブ状の樹脂に関するデータを取得する取得部と、取得部により取得されたデータに基づいて、チューブ状の樹脂に生じている応力を推定し、推定した応力が所定の閾値以上である場合、チューブ状の樹脂が破断するおそれがあると判定する判定部５５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、インフレーション成形装置に関する。

溶かした樹脂をダイからチューブ状に押し出し、その内側に空気を吹き込んで膨らませて薄いフィルム状に成形するインフレーション成形が知られている。従来では、リップ幅や冷却風の風量、風温を調節することにより、樹脂の厚みを目標範囲内に収める技術が提案されている。

特開２０１７−１７７３４８号公報

従来、成形中に樹脂が破断してしまう現象が起きている。破断した場合、インフレーション成形装置を再度立ち上げなければならず、作業効率が低下する。また、樹脂も無駄にしてしまう。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、樹脂の破断を抑止できるインフレーション成形装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のインフレーション成形装置は、ダイから押し出されたチューブ状の樹脂に関するデータを取得する取得部と、取得部により取得されたデータに基づいて、チューブ状の樹脂に生じている応力を推定し、推定した応力を所定の閾値と比較して、チューブ状の樹脂が破断するおそれがあるか否かを判定する判定部と、を備える。

本発明の別の態様もまた、インフレーション成形装置である。この装置は、成形に関する設定値に基づいて、当該設定値で成形した場合に、ダイから押し出されるチューブ状の樹脂に生じる応力を推定し、推定した応力を所定の閾値と比較して、チューブ状の樹脂が破断するおそれがあるか否かを判定する判定部を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、樹脂の破断を抑止できるインフレーション成形装置を提供できる。

実施の形態に係るインフレーション成形装置の概略構成を示す図である。 図１の制御装置の機能および構成を模式的に示すブロック図である。 図１のインフレーション成形装置による、設定時におけるバブル破断の判定についての動作を示すフローチャートである。 図１のインフレーション成形装置による、成形時におけるバブル破断の判定についての動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

インフレーション成形では、ダイからチューブ状に押し出された樹脂が破断することがある。破断する原因としては、樹脂の破断強さに対して樹脂にかかる力が大きくなっていることが考えられる。そこで本実施の形態では、破断するおそれがある応力がチューブ状の樹脂に生じているか否かを例えば定期的に判定する。具体的には、成形中に取得されるチューブ状の樹脂に関するデータに基づいて樹脂に生じている応力を推定し、推定された応力が閾値以上である場合、樹脂が破断するおそれがあると判定する。これにより、ユーザは、バブルが破断するおそれがある場合にこれをいち早く察知でき、いち早く対策を講じることができる。

図１は、実施の形態に係るインフレーション成形装置１の概略構成を示す。インフレーション成形装置１は、ダイ２と、冷却装置３と、一対の安定板４と、引取機５と、厚み取得部６と、幅取得部２２と、フロストライン高さ取得部２６と、制御装置７と、を備える。

押出機（不図示）から供給される溶融した樹脂が、ダイ２に形成されたリング状の吐出口２ａから押し出される。その際、ダイ２の中心部に形成されたエア噴出口２ｂから、押し出された樹脂の内側にエアが噴出され、チューブ状に膨らんだ薄肉の樹脂フィルム（以下、「バブル」とも呼ぶ）が成形される。

冷却装置３は、ダイ２の上方に配置される。冷却装置３は、バブルに冷却風を吹き付けてバブルを冷却する。

一対の安定板４は、冷却装置３の上方に配置され、バブルを引取機５に案内する。引取機５は、安定板４の上方に配置される。引取機５は、一対のピンチロール３８を含む。一対のピンチロール３８は、不図示のモータに駆動されて回転し、案内されたバブルを引っ張り上げながら扁平に折りたたむ。巻取機２０は、折りたたまれた樹脂フィルムを巻き取り、フィルムロール体１１を形成する。

厚み取得部６は、冷却装置３と安定板４との間に配置される。厚み取得部６は、バブルの周りを回りながら、周方向の各位置におけるバブルの厚みを取得（計測）する。厚み取得部６により取得された厚みデータは制御装置７に送信される。

幅取得部２２は、引取機５と巻取機２０との間に配置される。幅取得部２２は、折りたたまれた樹脂フィルムのフィルム幅を取得（計測）する。幅取得部２２により取得された幅データは制御装置７に送信される。

フロストライン高さ取得部２６は、冷却装置３と安定板４との間に配置される。フロストライン高さ取得部２６は、バブルの周りを回りながら、周方向の各位置におけるフロストライン高さを検出する。フロストライン高さは、ダイ２の吐出口２ａから、樹脂が固まる位置であるフロストラインまでの高さである。フロストライン高さ取得部２６の構成は特に限定されない。例えば、フロストライン高さ取得部２６は、吐出口２ａおよびフロストラインを含むようにフィルムの外観を撮影する可視光カメラと、撮影された画像を画像処理することによりフロストライン高さを特定する画像処理部と、を含んで構成されてもよい。また例えば、フロストライン高さ取得部２６は、フィルムの熱画像を撮影する赤外線センサと、撮影された熱画像を画像処理することによりフロストライン高さを特定する画像処理部と、を含んで構成されてもよい。フロストライン高さ取得部２６による検出結果は制御装置７に送信される。

制御装置７は、インフレーション成形装置１を統合的に制御する装置である。

図２は、制御装置７の機能および構成を模式的に示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

制御装置７は、種々の通信プロトコルにしたがって厚み取得部６およびフロストライン高さ取得部２６との通信処理を実行する通信部４０と、ユーザによる操作入力を受け付け、また各種画面を表示部に表示させるＵ／Ｉ部４２と、通信部４０およびＵ／Ｉ部４２から取得されたデータをもとにして各種のデータ処理を実行するデータ処理部４６と、データ処理部４６により参照、更新されるデータを記憶する記憶部４８と、を含む。

記憶部４８は、破断時応力記憶部６４を含む。破断時応力記憶部６４は、過去の成形においてバブルが破断したときの、バブルに生じている応力に関する情報を記憶する。
応力に関する情報は、応力自体であってもよいし、応力を算出するための情報であってもよい。

データ処理部４６は、受信部５０と、登録部５２と、表示制御部５４と、第１判定部５６と、第２判定部５８と、動作制御部６０と、を含む。

受信部５０は、厚み取得部６、幅取得部２２、フロストライン高さ取得部２６からそれぞれ、バブルの厚み、樹脂フィルムのフィルム幅、フロストライン高さを受信する。

判定部５５は、バブルが破断するおそれがあるか否かを判定する。判定部５５は、第１判定部５６と、第２判定部５８と、を含む。

第１判定部５６は、成形に関するインフレーション成形装置１の設計値や設定値、使用する樹脂の特性から、それら設計値、設定値および樹脂で成形した場合にバブルに生じる応力を推定する。第１判定部５６による応力の推定方法については後述する。

第１判定部５６は、推定した応力に基づいて、バブルが破断するおそれがあるか否かを判定する。具体的には、第１判定部５６は、推定した応力を第１閾値と比較して、推定した応力が第１閾値以上である場合、バブルが破断するおそれがあると判定し、推定した応力が第１閾値未満である場合、バブルが破断するおそれはないと判定する。第１閾値は、例えば破断時応力記憶部６４に記憶される応力に関する情報に基づいて決定され、例えば破断時の応力自体であってもよいし、また例えば破断時の応力に安全率を乗じた値であってもよい。また、第１閾値は、例えば、使用する樹脂の樹脂特性に基づいて決定されてもよい。

第１判定部５６は、バブルが破断するおそれがあると判定した場合、その旨を、例えば表示制御部５４を介した画面表示により、ユーザに警告（通知）する。なお、画面表示に限らず、音声出力やその他の方法で警告してもよい。この場合、ユーザは、各種の設定値（例えば樹脂の押出量、ブロー比、引取速度、ダイ出口温度、大気温度、リップ幅、冷却風の風温など）を変更すればよい。

第２判定部５８は、受信部５０が受信したデータや成形に関するインフレーション成形装置１の設計値（例えばダイ２の吐出口２ａの半径、ピンチロール３８の半径など）から、成形中のバブルに生じている応力を推定する。第２判定部５８による応力の推定方法については後述する。

第２判定部５８は、推定した応力に基づいて、バブルが破断するおそれがあるか否かを判定する。具体的には、第２判定部５８は、推定した応力を第２閾値と比較して、推定した応力が第２閾値以上である場合、バブルが破断するおそれがあると判定し、推定した応力が第２閾値未満である場合、バブルが破断するおそれはないと判定する。第２閾値は、例えば破断時応力記憶部６４に記憶される応力に関する情報に基づいて決定され、例えば破断時の応力自体であってもよいし、また例えば破断時の応力に安全率を乗じた値であってもよい。また、第２閾値は、例えば、使用する樹脂の樹脂特性に基づいて決定されてもよい。第２閾値は、第１閾値と同じ値であっても、異なる値であってもよい。

第２判定部５８は、バブルが破断するおそれがあると判定した場合、その旨を、例えば表示制御部５４を介した画面表示により、ユーザに警告（通知）する。なお、画面表示に限らず、音声出力やその他の方法で警告してもよい。この場合、ユーザは、実際にバブルが破断してしまう前に、各種の設定値を見直し、適宜変更すればよい。

表示制御部５４は、画面表示を制御する。例えば表示制御部５４は、各判定部５６，５８がバブルが破断するおそれがあると判定した場合に、その旨を画面上に表示する。また例えば表示制御部５４は、各種の設定値を入力するための入力画面を表示する。

登録部５２は、バブルが破断したときに、例えばユーザからの指示を契機に、バブルに生じていた応力に関する情報を、例えばバブルが破断する直前に推定された応力を、破断時応力記憶部６４に記憶させる。登録部５２は、破断時応力記憶部６４に既に応力に関する情報が記憶されている場合は、今回の応力がより低い応力であった場合に、破断時応力記憶部６４に記憶されている応力に関する情報を更新すればよい。

動作制御部６０は、ユーザが決定した各種の設定値にしたがって、インフレーション成形装置１の動作を制御する。例えば、動作制御部６０は、ユーザから成形開始の指示を受けた場合、第１判定部５６による判定でバブル破断のおそれがあると判定されていれば、成形を開始せずにその旨をユーザに警告する。つまり、バブル破断のおそれがあると判定されていた場合は成形の開始が禁止される。一方、動作制御部６０は、第１判定部５６による判定でバブル破断のおそれがないと判定されていれば、成形を開始するようインフレーション成形装置１の動作を制御する。つまり、バブルバブル破断のおそれがないと判定されていた場合は成形の開始が許容される。具体的には、動作制御部６０は、不図示の押出機からの樹脂の押出量、エア噴出口２ｂから噴出されるエアの流量、冷却装置３からバブルに吹き付けられる冷却風の風温、ピンチロール３８を駆動するモータに流れる駆動電流などの動作を制御する。なお、ユーザは、厚み取得部６により取得されるバブルの厚みが目標範囲に収まるように各種の設定値を設定・変更すればよい。またユーザは、第２判定部５８の判定結果を参考にして、各種の設定値を設定・変更すればよい。

続いて、第１判定部５６による応力の推定方法について説明する。

バブル（特にそのフロストライン）に生じる応力（σ）は、以下の式（１）により算出される。
σ＝４ηε ・・・（１）
ここで、
η：粘度
ε：ひずみ速度
である。

ひずみ速度（ε）について、本実施の形態では、以下の式（２）が成立するものとみなす。
ε＝（ｖ_ｆ−ｖ_ｄ）／Ｌ ・・・（２）
ここで、
ｖ_ｆ：バブルが引き取られる速度である引取り速度
ｖ_ｄ：吐出口２ａにおける樹脂の流速
Ｌ：フロストライン高さ
である。

したがって、式（１）は、以下の式（３）のように書き換えられる。
σ＝４η×（ｖ_ｆ−ｖ_ｄ）／Ｌ ・・・（３）
つまり、応力（σ）は、バブルに関するデータに基づいて、具体的には粘度（η）、引取速度（ｖ_ｆ）、吐出口２ａにおける樹脂の流速（ｖ_ｄ）およびフロストライン高さ（Ｌ）に基づいて推定できる。

粘度（η）は、公知の技術により推定すればよい。例えば粘度（η）は、使用する樹脂の粘度をあらかじめ計測し、粘度モデル式によりフィッティングすることで、推定すればよい。粘度モデル式には例えばＰｏｗｅｒｌｏｗモデルを用いてもよい。

引取速度（ｖ_ｆ）は、設定値である。

吐出口２ａにおける樹脂の流速（ｖ_ｄ）は、以下の式（４）で表される。
ｖ_ｄ＝（ｍ／ρ_ｍｅｌｔ）／（２πＲ_０Ｈ_０） ・・・（４）
ここで、
ｍ：樹脂の押出量（質量流量）
ρ_ｍｅｌｔ：樹脂の溶融密度
Ｒ_０：ダイ２の吐出口２ａの半径
Ｈ_０：リップ幅
なお、樹脂の押出量（ｍ）およびリップ幅（Ｈ_０）は設定値であり、樹脂の溶融密度（ρ_ｍｅｌｔ）は樹脂特性であり、ダイ２の吐出口２ａの半径（Ｒ_０）は設計値である。

フロストライン高さ（Ｌ）は、以下の式（５）で表される。
Ｌ＝ｍＣ_ｐ／ＨＴＣ×ｌｎ｛−（Ｔ_ｄｉｅ−Ｔ_ａｉｒ）／（−Ｔ_{ｓｏｌｉｄ}＋Ｔ_ａｉｒ）｝×１／（２πｙ） ・・・（５）
ここで、
Ｃ_ｐ：樹脂の比熱容量
ＨＴＣ：樹脂の熱伝達係数
Ｔ_ｄｉｅ：ダイ２の出口温度
Ｔ_ａｉｒ：冷却風の温度（周囲温度）
Ｔ_{ｓｏｌｉｄ}：樹脂の固化温度
ｙ：バブルの平均半径
なお、樹脂の比熱容量（Ｃ_ｐ）および樹脂の固化温度（Ｔ_{ｓｏｌｉｄ}）は樹脂特性であり、ダイ２の出口温度（Ｔ_ｄｉｅ）および周囲温度（Ｔ_ａｉｒ）は設定値である。また、熱伝達係数（ＨＴＣ）は、あらかじめ実験により、冷却装置３からの冷却風の風量、風温ごとに求めておけばよい。

なお、実際の成形では、フロストライン高さがユーザが所望する高さになるように冷却風の風量や風温を調節することも多い。この場合は、フロストライン高さ（Ｌ）を設定値とすればよい。

バブルの平均半径（ｙ）は、以下の式（６）で表される。
ｙ＝（ＢＵＲ＋１）×Ｒ_０／２ ・・・（６）
ここで、
ＢＵＲ：ブロー比
である。
なお、ブロー比（ＢＵＲ）は設定値であり、ダイ２の吐出口２ａの半径（Ｒ_０）は設計値である。

続いて、第２判定部５８による応力の推定方法について説明する。

上述したように、バブル（特にそのフロストライン）に生じる応力は、式（１）により算出される。以下に、式（１）を再掲する。
σ＝４ηε ・・・（１）

粘度（η）について、本実施の形態では、以下の式（７）が成立するものとみなす。つまり、温度の影響を考慮せずに、簡易的に粘度（η）を算出する。
η＝ＦＬ／｛８πＲ_ｆＨ_ｆ（ｖ_ｆ−ｖ_ｄ）｝ ・・・（７）
ここで、
Ｆ：引取力
Ｒ_ｆ：フロストラインにおけるバブルの半径
Ｈ_ｆ：フロストラインにおけるバブルの厚み
である。

上述したように、ひずみ速度（ε）について、本実施の形態では、式（２）が成立するものとみなす。以下に、式（２）を再掲する。
ε＝（ｖ_ｆ−ｖ_ｄ）／Ｌ ・・・（２）

したがって、式（１）は、式（２）、（７）より、以下の式（８）のように書き換えられる。
σ＝Ｆ／｛２πＲ_ｆＨ_ｆ｝ ・・・（８）
つまり、応力（σ）は、成形中に取得されるバブルに関するデータに基づいて、具体的には引取力（Ｆ）、フロストラインにおけるバブルの半径（Ｒ_ｆ）およびフロストラインにおけるバブルの厚み（Ｈ_ｆ）に基づいて推定できる。

引取力（Ｆ）は、以下の式（９）で表される。
Ｆ＝Ｔ／Ｒ_ｒ ・・・（９）
ここで、
Ｔ：トルク
Ｒ_ｒ：ピンチロール３８の半径
である。
なお、トルク（Ｔ）は、ピンチロール３８を駆動するモータに流れる駆動電流を検出することにより特定できる。ピンチロール３８の半径（Ｒ_ｒ）は、設計値であり、実測することにより特定できる。

フロストラインにおけるバブルの半径（Ｒ_ｆ）は、以下の式（１０）で表される。
Ｒ_ｆ＝ｗ／π ・・・（１０）
ここで、
ｗ：フィルム幅［ｍ］
である。
なお、フィルム幅（ｗ）は、幅取得部２２により計測される。

フロストラインにおけるバブルの厚み（Ｈ_ｆ）は、厚み取得部６により取得される。

以上が、インフレーション成形装置１の構成である。続いてその動作について説明する。

まず、設定時におけるバブル破断の判定についての動作を説明する。図３は、インフレーション成形装置１による、設定時おけるバブル破断の判定についての動作を示すフローチャートである。図３のフローは、設定値が設定・変更されるたびに実行される。

制御装置７は、ユーザが入力画面に入力した成形に関するインフレーション成形装置１の設定値、例えば以下の設定値を取得する（Ｓ１０）。
・樹脂の押出量（質量流量）（ｍ）
・ブロー比（ＢＵＲ）
・引取速度（ｖ_ｆ）
・ダイ２の出口温度（Ｔ_ｄｉｅ）
・冷却風の温度（Ｔ_ａｉｒ）
・リップ幅（Ｈ_０）

制御装置７は、インフレーション成形装置１の設計値、入力画面に入力された設定値、および使用する樹脂の特性から、成形した場合にバブルに生じる応力を推定する（Ｓ１２）。制御装置７は、推定された応力を第１閾値と比較する（Ｓ１４）。推定された応力が第１閾値以上である場合（Ｓ１４のＹ）、破断のおそれがあるため設定値を変更するよう画面表示、音声出力、その他の方法によりユーザに警告して（Ｓ１６）、フローを終了する。この場合、成形の開始が禁止される。推定された応力が第１閾値未満である場合（Ｓ１４のＮ）、Ｓ１６の処理をスキップして、フローを終了する。この場合、成形の開始が許容される。

続いて、成形時におけるバブル破断の判定についての動作を説明する。
図４は、インフレーション成形装置１による、成形時おけるバブル破断の判定についての動作を示すフローチャートである。図４のフローは、成形が開始されると実行される。

制御装置７は、各取得部等からバブルに関するデータを受信する（Ｓ２０）。制御装置７は、受信したデータやインフレーション成形装置１の設計値から、成形中のバブルに生じている応力を推定する（Ｓ２２）。制御装置７は、推定された応力を第２閾値と比較する（Ｓ２４）。推定された応力が第２閾値以上である場合（Ｓ２４のＹ）、破断のおそれがあるため各種の調節要素を調節するよう画面表示、音声出力、その他の方法によりユーザに警告する（Ｓ２６）。推定された応力が第２閾値未満である場合（Ｓ２４のＮ）、Ｓ２６の処理をスキップする。制御装置７は、成形が終了した場合（Ｓ２８のＹ）、フローを終了し、成形が終了していない場合（Ｓ２８のＮ）、Ｓ２０に戻る。

以上説明した本実施の形態によれば、破断するおそれのある応力がバブルに生じているか否かが判定される。これにより、ユーザは、バブルが破断するおそれがある場合にいち早くこれを察知でき、いち早く対策を講じることができる。

また、本実施の形態によれば、入力された設定値で成形した場合に、バブルが破断するおそれがあるか否かが判定される。これにより、バブルの破断を招く設定値が設定されるのを抑止できる。

以上、実施の形態に係るインフレーション成形装置の構成と動作ついて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

（変形例１）
第２判定部５８による応力の推定方法は、実施の形態のそれには限定されない。

バブル（特にそのフロストライン）に生じる応力（σ）は、以下の式（１１）によっても算出できる。
σ＝Ｆ／Ｓ ・・・（１１）
ここで、
Ｓ：バブルの断面積
である。

バブルの断面積（Ｓ）は、以下の式（１２）で表される。
Ｓ＝２πＲ_０Ｈ_０ ・・・（１２）

したがって、式（１１）は、以下の式（１３）のように書き換えられる。
σ＝Ｆ／（２πＲ_０Ｈ_０） ・・・（１３）
上述した通り、リップ幅（Ｈ_０）は設定値であり、ダイ２の吐出口２ａの半径（Ｒ_０）は設計値である。

上述した実施の形態および変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１ インフレーション成形装置、 ６ 厚み取得部、 ７ 制御装置、 １０ ダイ、 ２６ フロストライン高さ取得部、 ５５ 判定部、 ５６ 第１判定部、 ５８ 第２判定部。

Claims (4)

1. ダイから押し出されたチューブ状の樹脂に関するデータを取得する取得部と、
   前記取得部により取得されたデータに基づいて、チューブ状の樹脂に生じている応力を推定し、推定した応力を所定の閾値と比較して、チューブ状の樹脂が破断するおそれがあるか否かを判定する判定部と、
   を備えることを特徴とするインフレーション成形装置。
2. 前記判定部は、成形に関する設定値に基づいて、当該設定値で成形した場合にチューブ状の樹脂に生じる応力を推定し、推定した応力を所定の閾値と比較して、チューブ状の樹脂が破断するおそれがあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のインフレーション成形装置。
3. 前記閾値は、過去の成形においてチューブ状の樹脂が破断したときの、当該チューブ状の樹脂に生じていた応力に関する情報に基づくことを特徴とする請求項１または２に記載のインフレーション成形装置。
4. 成形に関する設定値に基づいて、当該設定値で成形した場合に、ダイから押し出されるチューブ状の樹脂に生じる応力を推定し、推定した応力を所定の閾値と比較して、チューブ状の樹脂が破断するおそれがあるか否かを判定する判定部を備えることを特徴とするインフレーション成形装置。

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