JP3553270B2 - 射出スクリュ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、合成樹脂の成形に使用される射出装置の加熱シリンダに内装された射出スクリュに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
射出スクリュでは、スクリュ有効長さの後端から先端を順に供給部、圧縮部、計量部となし、その各部にわたり同一外径のスクリュ（フライト）を連続形成している。またスクリュのピッチは標準的には、ピッチ（Ｐ）／外径（Ｄ）＝１としているが、可塑化の効率向上などを目的として、各部のスクリュのピッチを変更しているものもある。
【０００３】
加熱シリンダ内における粒状の材料樹脂の溶融は、シリンダ外周のバンドヒータによる加熱と、スクリュ回転による樹脂のせん断発熱との両方により生ずる。供給口からスクリュ溝に落ち込んだ材料樹脂は、スクリュの回転によりバンドヒータによって加熱されたシリンダ内へと相互に擦れ合いながら送られて、供給口から離れた後部のバンドヒータに接近する付近から加熱溶融を始める。
【０００４】
加熱溶融はシリンダ内壁に接する外側の材料樹脂から生じ、スクリュの回転により供給部を移送されている間に、スクリュ軸部に接する内側の材料樹脂にまで及ぶようになる。材料樹脂が加熱軟化してシリンダ内壁に接する外側の材料樹脂が溶融し始めると、材料樹脂に粘性と熱膨張による体積増大が生ずる。この熱膨張は材料樹脂によって異なるが、容積が制限されたスクリュ溝内で外側の材料樹脂が熱膨張すると、スクリュ軸部に接する内側の未だ加熱されていない材料樹脂が圧迫されて過密化し、スクリュの回転による移送に必要な相互の融通性が失われて滞留するようになる。
【０００５】
非晶性の樹脂では、供給部区間内でそのような傾向が著しく、加熱溶融を開始する位置での滞留が、連続して供給口から送られてくる材料樹脂の移送障害となるばかりか、スクリュの回転力により無理に加熱溶融の開始位置に押込められて、その位置のスクリュ溝の材料密度が著しく増す。このためスクリュの回転抵抗が増大するので、大きなスクリュ回転トルクが要求され、また材料滞留は成形品の焼けや変色等の不良の原因となる。
したがって、アクリル樹脂のような樹脂の射出成形にあたっては、供給部区間内における加熱溶融の現象を、何らかの手段をもって解決しなければ、供給部区間での熱膨張が小さな樹脂や相互の擦れ合がスムーズな樹脂と同様に成形を行うのは困難とされている。
【０００６】
可塑化時の回転トルクを低減する手段としては、供給部のスクリュのピッチをＰ／Ｄ＝０．８〜１．０の範囲に小さく設定するか、計量部のスクリュのピッチをＰ／Ｄ＝１．０〜１．３の範囲に大きく設定して、可塑化時における体積の減少がすくない材料樹脂、あるいは溶融状態における粘性が高い材料樹脂などでも、計量部にスムーズに移動できるようにしたものが知られている。
【０００７】
しかし、この従来技術では加熱溶融の開始位置での材料滞留による問題は言及されておらず、また供給部全体のスクリュのピッチを通常よりも小さく設定しているので、加熱溶融の開始位置における上記現象の解決には至らず、アクリル樹脂のような材料樹脂の射出成形には採用し難い課題を有する。
【０００８】
そこで本発明者らは、加熱溶融の開始位置における現象の解決について研究を重ねたところ、材料計量の最終時にホッパーから給送された供給口直下の材料樹脂が、射出工程への移行によるスクリュ前進により、供給口直下から加熱溶融の開始点まで短時間で送り込まれて急激に加熱され、その位置は次の計量に移行するまで保たれてシリンダ内壁に接する外側の材料樹脂だけが溶融して急速に熱膨張することを突き止めた。
【０００９】
したがってこの発明の目的は、材料樹脂がスクリュ前進により供給口直下から加熱溶融の開始点まで送り込まれて急速に加熱溶融を始めても、その際に生ずる熱膨張を吸収して、材料樹脂の移送に必要な融通性を確保することができ、これにより加熱溶融の開始位置での材料樹脂の移送をスムーズに行って、熱膨張の大きな材料樹脂に生じがちな食い込みの悪さを解消できる新たな射出スクリュを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、ノズルを先端に有するシリンダの外周囲に複数のバンドヒータを備え、そのバンドヒータより後部のシリンダ壁に供給口を穿設した加熱シリンダ内に回転かつ進退自在に設けられ、後部バンドヒータの供給口側端部を材料樹脂の加熱溶融の開始点Ｍとして、スクリュ最前進状態においてこの開始点Ｍに対応するスクリュ部位をｍとした射出スクリュであって、スクリュ最後退位置において、スクリュ後端ａから供給口後縁に対応するスクリュの部位ｂまでの区間Ａを射出ストロークＳに相当する長さとし、その区間ＡのスクリュのピッチＰ₁ を、Ｐ₁ ／Ｄ（スクリュ外径）＝０．７〜０．８５の範囲に設定する一方、上記ｂから、上記ｍよりも前進方向にある終端位置ｃまでの区間ＢのスクリュのピッチＰ₂ を、上記ピッチＰ₁ よりも順次ピッチを１０％前後ずつ拡大した可変ピッチとなし、その区間Ｂの終端位値ｃからスクリュ先端ｄまでの区間ＣのスクリュのピッチＰ₃ を、Ｐ₃ ／Ｄ＝１．０〜１．２の範囲に設定するとともに、上記可変ピッチのスクリュを介して区間Ａと区間Ｃのスクリュを連続形成し、スクリュ前進により供給口直下から上記開始点Ｍに送り込まれた材料樹脂の加熱膨張を、上記区間Ｂにて吸収するように構成してなる、というものである。
【００１１】
このような構成では、計量完了時点に区間Ｂの後部にある供給口直下の最終材料樹脂が、射出スクリュの前進移動により溶融の開始点Ｍの位置まで一気に送り込まれ、射出工程が計量工程に切換わるまで開始点Ｍに待機して、加熱により熱膨張しても、待機部位より前に位置する区間Ｂの前部のスクリュのピッチが、区間Ａのスクリュのピッチよりも順次ピッチを１０％前後ずつ拡大形成されているので、その区間Ｂのピッチの拡大によって熱膨張分が吸収され、体積が増してもスクリュ溝間は過密にならない。
【００１２】
また区間Ｂのスクリュのピッチの拡大は、複数ピッチにわたって順次ピッチを拡大しているので、材料樹脂間の空気の巻き込みや材料樹脂中の揮発分の発生原因となり易い不要な空間をシリンダ内に形成することもなく、工程が射出から計量に移行した後のスクリュの後退による区間Ｂの供給口への戻りにより、新たに供給された材料樹脂の上記開始点に至る間の熱膨張も区間Ｂにて吸収され、個々の材料樹脂の体積の増大による過密化も防止されて、食い込みの悪さが改善される。なお、射出工程に際するスクリュの前進は最大ストロークに限定されず、クッション量を残したストロークでもあってもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図中１は射出スクリュで、スクリュ有効長さの後端から先端まで同一外径のスクリュ（フライト）２を一連に形成したものからなる。
【００１４】
３は加熱シリンダで、ノズルを先端に有するシリンダの外周囲に前部，中間部，後部の順で３個づつ３組のバンドヒータ５，６，７を備え、それらバンドヒータより後部のシリンダ壁に成形樹脂の供給口４が穿設してある。
【００１５】
上記射出スクリュ１は、後部バンドヒータ７の供給口側の端部を材料樹脂の加熱溶融の開始点Ｍとして、スクリュ最前進状態においてこの開始点Ｍに対応するスクリュ部位をｍとした射出スクリュであって、上記加熱シリンダ３に回転かつ進退自在に内装され、供給口４に給送された粒状の材料樹脂を回転により先端へ圧送しつつ可塑化すると同時に、加熱シリンダ３の先端内に圧送された可塑化材料の圧力により設定位置まで後退しながら計量を行う。
【００１６】
上記スクリュ２のピッチは、供給口後縁より後部ではスクリュ外径（Ｄ）よりも小さく形成され、反対に前部ではスクリュ外径（Ｄ）と同じかそれよりも大きく形成されているが、供給口部分では前方に順次拡大形成された可変ピッチにより形成してある。
【００１７】
上記スクリュ後部、即ちスクリュ有効長さの後端ａ（以下スクリュ後端ａと称する）から供給口４の後縁に対応するスクリュの部位ｂまでの長さは、図１に示すスクリュ最後退位置において、射出ストロークＳに相当する長さからなり、その区間ＡのスクリュのピッチＰ₁ は、Ｐ₁ ／Ｄ＝０．７〜０．８５の範囲に設定してある。また上記ｂから、上記ｍよりも前進方向にある終端位置ｃまでの区間ＢのスクリュのピッチＰ₂ は、上記ピッチＰ₁ よりも順次ピッチを拡大した可変ピッチに形成してある。
【００１８】
この区間Ｂの長さはピッチＰ_２ の拡大寸法によって異なり、また拡大寸法は材料樹脂の熱膨張率により異なるが、溶融開始時における材料樹脂の熱膨張の吸収という目的からは、拡大寸法はピッチＰ_１ の１０％前後であればよく、その拡大範囲から設定される区間Ｂの長さは、区間Ａよりも短く済む場合が多い。
【００１９】
また区間Ｂの終端位置ｃからスクリュ先端ｄまでの区間ＣのスクリュのピッチＰ_３ は、Ｐ_３ ／Ｄ＝１．０〜１．２の範囲に設定され、そのスクリュは上記可変ピッチの区間Ｂのスクリュを介して区間Ａのスクリュと連続形成されている。この区間Ｃと上記区間Ａとのスクリュのピッチ差は、０．３〜０．３５程あるが、この差は上記区間ＢのピッチＰ_２ の順次拡大により均されて、射出スクリュ１のスクリュ２はピッチ急変部を生ずることなくスクリュ後端ａからスクリュ先端ｄまで連続している。
【００２０】
図２は、計量完了時とスクリュ最前進時とにおける最終計量材料の位置と、加熱シリンダ３の温度分布との相関図であって、加熱シリンダ３では上記供給口４の周辺まで高温に加熱すると、ホッパー（図は省略）からの材料樹脂が、供給口４に落下した時点で表面溶融を起こし、供給口４に付着してシリンダ内に落ちににくくなる。このような現象を防止するために加熱シリンダ３による溶融の開始点Ｍを供給口４より距離を隔てた前方に設定して、供給口前後のシリンダ温度を材料樹脂の溶融温度よりも著しく低く設定している。
【００２１】
図の温度表はアクリル樹脂の場合であって、供給口４の前縁部温度Ｆは９４℃，後縁部温度Ｒは７０℃に設定されているが、上記溶融の開始点Ｍでは２００℃に設定されている。この温度設定は後部のバンドヒータ７の設定位置と出力とにより決められ、中部及び前部のバンドヒータ６，５によりシリンダ温度は表に示すように溶融温度まで高く設定されている。
【００２２】
供給口４からシリンダ内に落下した材料樹脂は粒状のままスクリュ前進によりシリンダ前方に短時間で送られてシリンダ側から加熱される。この加熱により材料樹脂はシリンダ内壁に接する外側の材料樹脂だけが溶融して熱膨張を始める。この熱膨張は図３に示す温度と比容積の相関図から明らかなように温度に比例するが、ある温度から比容積は急に大きく変化する。
この比容積変化に応じたスクリュの溝容積が確保されないと、材料樹脂は過密状態となり、それが射出スクリュ１の回転抵抗となるので大きなトルクが必要となる。また熱膨張による体積の増大により後続の材料樹脂の送り込みにも障害が生じて、材料食い込みの悪さとなる。
【００２３】
このような熱膨張が原因とされる課題は、材料受給部にあたるスクリュのピッチを小さく設定して、材料樹脂の受給量をある程度制限しながら計量を行うことで解決することもできるが、材料計量後の射出工程により射出スクリュ１が最前進位置まで移動したときに、上記開始点Ｍまで一気に送り込まれた材料樹脂の熱膨張による上記課題までは解決することができない。
【００２４】
計量完了時点の最終材料樹脂１０は粒状で、上記供給口４の直下の区間Ｂの後部にある。これが射出ストロークＳだけ射出スクリュ１と共に前進移動すると、加熱溶融の開始点Ｍの位置まで一気に送り込まれる。開始点Ｍのシリンダ温度は２００℃〜２２５℃であるから粒状の材料樹脂は急激に高温加熱されることになる。また射出工程が計量工程に切換わるまでスクリュ回転は行われず、材料樹脂はそこ待機することから、その静止時間内にて急速に溶融し熱膨張する。
【００２５】
また最終材料樹脂１０では前縁部温度Ｆ’と後縁部温度Ｒ’との加熱温度が、上記開始点Ｍにおける位置の前後差から、前縁部温度Ｆ’２２４℃，後縁部温度Ｒ’１９６℃と異なり、その温度での各部の比容積は前縁部温度Ｆ’で０．９２３，後縁部温度Ｒ’で０．９０８であるが、供給口４の直下での比容積は、前縁部温度Ｆで０．８５５（９４℃），後縁部温度Ｒは０．８５２（７０℃）であるから、上記開始点Ｍにおける熱膨張は上記前縁部温度Ｆ’１．０８０，上記後縁部Ｒ’１．０６６の増大であり、その何れも１０％を若干下回る程度となる。
【００２６】
この材料樹脂の待機部位のスクリュのピッチが、材料樹脂の受給制限からスクリュ外径（Ｄ）よりも小さく設定されていると、熱膨張に伴う材料樹脂の体積の増大からスクリュ溝間が過密状態となり、材料樹脂が相互に押し合って回転抵抗となるが、最終材料樹脂１０が位置する部位から前方のスクリュのピッチ、すなわち供給口４の後縁ｂより前方のピッチＰ_２ を、上記区間ＡのスクリュのピッチＰ_１ より１０％より若干大きく形成した場合には、そのピッチＰ_２ の拡大によって熱膨張分が吸収され、体積が増してもスクリュ溝間が過密とならない。
【００２７】
また熱膨張の吸収は区間Ｂの１ピッチッを１０％ほど急に拡大して行う必要はなく、複数ピッチにわたって順次ピッチを拡大するのが最も好ましい。これは熱膨張そのものが加熱時間に伴って増してゆくので、先々に熱膨張を吸収するスペースがスクリュ溝間にあれば充分である。また１ピッチのみを急に拡大すると不要な空間をシリンダ内に形成することになり、この空間の発生により材料樹脂間の空気の巻き込みや材料樹脂中の揮発分の発生原因となり易い。
【００２８】
工程が射出から計量に移行して射出スクリュ１が回転すると、上記開始点Ｍの半溶融状態の最終材料樹脂１０が、それより前に位置する溶融樹脂と共にスクリュ回転により移送され、スクリュ先端部の可塑化樹脂から順に計量が行われる。また同時に供給口４から区間Ａの後端部に落下した新たな材料も粒状のまま次々に上記開始点Ｍへと送られ、溶融を始めながら最終材料樹脂１０の後に続く。この新たな計量は、計量に伴う射出スクリュ１の後退により、区間Ｂが供給口４へと戻りながら行われる。このため加熱による材料樹脂の上記開始点Ｍに至る間の熱膨張は区間Ｂにて吸収されて、個々の材料樹脂の体積の増大による過密化が防止され、食い込みが悪くなるようなことはない。
【００２９】
このように区間ＡのスクリュのピッチＰ₁ をスクリュ外径（Ｄ）よりも小さく設定し、区間ＢのスクリュのピッチＰ₂ を可変ピッチとして順次ピッチを１０％前後ずつ拡大形成して、スクリュのピッチＰ₃ に接続した射出スクリュ１では、材料受給部に当たる区間Ａのスクリュのピッチ制限によって、供給口４からの材料樹脂の食い込み量はある程度減少する。しかし加熱により急速に粒状の材料樹脂の体積が膨張しても、その膨張は区間Ｂのスクリュのピッチの拡大によるスクリュ溝の容積の拡大により吸収されるようになって、熱膨張による体積の増大に伴う過密化が防止され、この結果、スクリュ回転抵抗も減少して、材料樹脂がアクリル樹脂のように供給部区間Ａ，Ｂにおいて比容積が大きな材料樹脂の食い込みの悪さがなくなり、材料食い込み時の騒音も低くなる。またアクリル樹脂以外にも液晶ポリエステル（ＬＣＰ）や含油プラスチックなどの材料樹脂の食い込みも改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わる射出スクリュを備えた射出シリンダの略示縦断側面図である。
【図２】計量完了時とスクリュ最前進時とにおける最終計量材料の位置と加熱シリンダの温度分布との相関図である。
【図３】アクリル樹脂のＰＶＴ曲線図である。
【符号の説明】
１ 射出スクリュ
２ スクリュ
３ 加熱シリンダ
４ 供給口
７ 後部のバンドヒータ
１０ 最終材料樹脂

Claims (1)

1. ノズルを先端に有するシリンダの外周囲に複数のバンドヒータを備え、そのバンドヒータより後部のシリンダ壁に供給口を穿設した加熱シリンダ内に回転かつ進退自在に設けられ、後部バンドヒータの供給口側端部を材料樹脂の加熱溶融の開始点Ｍとして、スクリュ最前進状態においてこの開始点Ｍに対応するスクリュ部位をｍとした射出スクリュであって、
   スクリュ最後退位置において、スクリュ後端ａから供給口後縁に対応するスクリュの部位ｂまでの区間Ａを射出ストロークＳに相当する長さとし、
   その区間ＡのスクリュのピッチＰ₁ を、Ｐ₁ ／Ｄ（スクリュ外径）＝０．７〜０．８５の範囲に設定する一方、
   上記ｂから、上記ｍよりも前進方向にある終端位置ｃまでの区間ＢのスクリュのピッチＰ₂ を、上記ピッチＰ₁ よりも順次ピッチを１０％前後ずつ拡大した可変ピッチとなし、
   その区間Ｂの終端位値ｃからスクリュ先端ｄまでの区間ＣのスクリュのピッチＰ₃ を、Ｐ₃ ／Ｄ＝１．０〜１．２の範囲に設定するとともに、上記可変ピッチのスクリュを介して区間Ａと区間Ｃのスクリュを連続形成し、
   スクリュ前進により供給口直下から上記開始点Ｍに送り込まれた材料樹脂の加熱膨張を、上記区間Ｂにて吸収するように構成してなることを特徴とする射出スクリュ。

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