JP4652347B2 - 可塑化評価装置及び可塑化評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、可塑化評価装置及び可塑化評価方法に関するものである。

従来、成形機、例えば、射出成形機においては、加熱シリンダ内において加熱され溶融させられた樹脂を、高圧で射出して金型装置のキャビティ空間に充填し、該キャビティ空間内において冷却して固化させた後、成形品を取り出すようになっている。

前記射出成形機は金型装置、型締装置及び射出装置を有し、前記金型装置は固定金型及び可動金型から成る金型を備え、型締装置は、固定プラテン、可動プラテン、型締め用モータ、トグル機構等を備える。そして、前記型締め用モータを駆動し、ボールねじを作動させてクロスヘッドを進退させると、トグル機構が作動して、推力を発生させて可動プラテンを進退させ、型閉じ、型締め及び型開きを行う。また、前記射出装置は、ホッパから供給された樹脂を加熱して溶融させる前記加熱シリンダ、及び溶融させられた樹脂を射出するための射出ノズルを備え、前記加熱シリンダ内にスクリューが回転自在に、かつ、進退自在に配設される。そして、計量用モータを駆動し、前記スクリューを回転させることによって、スクリューの前方に樹脂を溜め、射出用モータを駆動し、前記スクリューを前進させることによって、射出ノズルから樹脂を射出する。

ところで、成形品において、高強度化、耐熱性等が求められるようになっていて、高強度化を満たすために、樹脂に２０〜５０〔％〕程度のガラスフィラ等が添加され、耐熱性を満たすために、樹脂に塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、アンチモン（Ｓｂ）等の元素が添加されることがある。ところが、前記ガラスフィラ及び元素は、金属に対して攻撃性を有し、例えば、ガラスフィラの場合、研磨剤として機能し、前記元素のうちの塩素、臭素等のハロゲン元素は、腐食促進剤として機能する。さらに、樹脂によっては、樹脂自体に塩素、硫黄（Ｓ）等の元素を含有することがあり、その場合、塩素、硫黄等が腐食促進剤として機能する。

また、成形品に高機能化が求められ、例えば、成形品として、微細構造を有する光学素子部品（ピックアップレンズ、導光板、導波路、回折格子等）、狭ピッチコネクタ等を成形する場合、成形時の樹脂の温度、射出圧力、射出速度等が高くされる傾向にあり、射出成形機にとってはその成形条件が過酷になっている。

このことから、射出成形機の各部を構成する部品、特に、射出装置を構成する部品（以下「可塑化部品」という。）は、それに使用される金属材料に、摩耗及び腐食（以下「損耗」という。）に対する耐久性の向上が常に求められるようになっている。

これに対して、可塑化部品に使用される金属材料として、種々の工具鋼、ステンレス鋼等のほかに、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金又はそれらに表面処理を施した材料が提供されている。これらの材料を使用するに当たっては、高温での強度、樹脂による腐食、摩擦による損耗量等を把握することが必要になる。強度については、射出可能温度域での硬さ、引張強度、クリープ強度、疲労強度等の機械的性質をＪＩＳ等に規定されている評価方法で確認すればよいが、前述されたような損耗に対する耐久性については、最適な評価方法がない。

例えば、従来の評価方法において、摩耗試験においては、現状使用されている材料と相対的な優劣比較をするようにしている。また、腐食試験においては、樹脂に含有される元素を考慮し、同じ元素を含有する酸溶液に試験片を浸漬して耐食性を評価するようにしている。ところが、実際の射出成形機、すなわち、実機において、損耗は、樹脂中で起こり、摩耗試験、腐食試験等と形態が異なる。そこで、実機に似せた環境をシミュレートするようにした試験装置が提供されている。この場合、例えば、樹脂のペレットが充填された容器の下面と対向させて、テストピースを回転自在に配設し、ペレットをテストピースに押圧してテストピースの樹脂に対する耐摩耗性を評価するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−５２２４号公報

しかしながら、前記従来の試験装置においては、射出装置の後方における耐摩耗性を評価することができるだけであり、溶融させられた高圧の樹脂による損耗を評価することができない。すなわち、実機と同じ条件下で損耗を評価することができない。

本発明は、前記従来の試験装置の問題点を解決して、実機と同じ条件下で損耗を評価することができる可塑化評価装置及び可塑化評価方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の可塑化評価装置においては、成形材料を収容するための成形材料収容部と、剪断加熱の履歴を有する成形材料を、設定温度及び設定圧力で前記成形材料収容部に供給する成形材料供給装置と、前記成形材料収容部内において、試験片を保持する保持部材と、該保持部材を回転させる駆動部とを有する。

本発明によれば、可塑化評価装置においては、成形材料を収容するための成形材料収容部と、剪断加熱の履歴を有する成形材料を、設定温度及び設定圧力で前記成形材料収容部に供給する成形材料供給装置と、前記成形材料収容部内において、試験片を保持する保持部材と、該保持部材を回転させる駆動部とを有する。

この場合、剪断加熱の履歴を有する成形材料が、設定温度及び設定圧力で成形材料収容部に供給されるので、実機と同じ条件下で試験片の損耗を評価することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態における可塑化評価装置を示す図である。

図において、１１は試験装置、５１は成形材料供給装置としての射出装置であり、前記試験装置１１及び射出装置５１は基台としての成形機フレームｆｒ１に搭載される。また、１３は試験装置１１を支持する支持台、５４は前記射出装置５１を進退自在に支持する可塑化移動装置である。本実施の形態においては、成形材料供給装置として、射出装置５１を使用するようになっているが、該射出装置５１に代えて、成形材料としての樹脂を、所定の温度及び所定の圧力で試験装置１１に供給することができる樹脂供給装置を使用することができる。

前記射出装置５１は、シリンダ部材としての加熱シリンダ５６、該加熱シリンダ５６内において、回転自在に、かつ、進退自在に配設された射出部材としてのスクリュー５７、前記加熱シリンダ５６の前端に取り付けられた射出ノズル５８、前記加熱シリンダ５６の後端の近傍に配設されたホッパ５９、前記スクリュー５７の後端に突出させて形成されたスクリュー軸６１、荷重検出部としてのロードセル７０を介して連結された第１の支持部としての前側支持部７１、及び第２の支持部としての後側支持部７２を備えるとともに、進退自在に配設され、前記スクリュー軸６１を回転自在に支持する可動支持部としてのプレッシャプレート６２、前記前側支持部７１に取り付けられ、プーリ・ベルト式の回転伝達系（駆動要素としての駆動プーリ、従動要素としての従動プーリ、及び駆動プーリと従動プーリとの間に張設された伝動部材としてのタイミングベルトから成る。）６５を介してスクリュー軸６１と連結された計量用の駆動部としての計量用モータ６６、前記成形機フレームｆｒ１に取り付けられ、プーリ・ベルト式の回転伝達系（駆動要素としての駆動プーリ、従動要素としての従動プーリ、及び駆動プーリと従動プーリとの間に張設された伝動部材としてのタイミングベルトから成る。）６８を介して運動方向変換部としてのボールねじ７５と連結された、射出用の駆動部としての射出用モータ６９等を備える。

前記加熱シリンダ５６の外周には、加熱部材としてのヒータｈ１が配設され、該ヒータｈ１は加熱シリンダ５６内の樹脂を加熱し、溶融させる。

前記ボールねじ７５は、回転運動を直進運動に変換する運動方向変換部として機能し、回転伝達系６８と連結された第１の変換要素としてのボールねじ軸７３、及び後側支持部７２に取り付けられ、前記ボールねじ軸７３と螺合させられる第２の変換要素としてのボールナット７４を備える。

また、前記可塑化移動装置５４は、射出装置フレームｆｒ２、該射出装置フレームｆｒ２に取り付けられ、可塑化移動用の駆動部としての可塑化移動用モータ７７、前記射出装置フレームｆｒ２の長手方向に沿って配設され、前記前側支持部７１及び後側支持部７２を案内するガイド７８、射出装置フレームｆｒ２に対して回転自在に配設され、可塑化移動用モータ７７を駆動することによって回転させられる第１の変換要素としてのボールねじ軸８１、該ボールねじ軸８１と螺合させられる第２の変換要素としてのボールナット８２、前記加熱シリンダ５６の後端に取り付けられたブラケット８３、前記ボールナット８２とブラケット８３との間に配設される付勢部材としてのスプリング８４等を備える。

したがって、可塑化移動用モータ７７を駆動することによって、所定のタイミングで射出装置５１を前進させて射出ノズル５８を図示されない金型装置の固定金型に当接させ、ノズルタッチを行うことができる。なお、前記ボールねじ軸８１及びボールナット８２によってボールねじ８６が構成され、該ボールねじ８６は、回転運動を直進運動に変換する運動方向変換部として機能する。

前記構成の射出装置５１において、可塑化移動用モータ７７を駆動すると、該可塑化移動用モータ７７の回転はボールねじ軸８１に伝達され、ボールナット８２が進退させられる。そして、ボールナット８２の推力がスプリング８４を介してブラケット８３に伝達され、射出装置５１が進退させられる。

そして、射出装置５１の通常の使用形態における計量工程において、計量用モータ６６を駆動し、回転伝達系６５を介してスクリュー軸６１に回転を伝達し、スクリュー５７を回転させると、ホッパ５９から供給された樹脂は、加熱シリンダ５６内において加熱されて溶融させられ、前方に移動して、スクリュー５７の前方に溜められる。これに伴って、スクリュー５７は、所定の位置まで後退させられる。

また、射出工程において、可塑化移動用モータ７７を駆動して射出ノズル５８を前記固定金型に押し付けるとともに、射出用モータ６９を駆動し、回転伝達系６８を介してボールねじ軸７３を回転させる。このとき、プレッシャプレート６２は、ボールねじ軸７３の回転に伴って移動し、スクリュー５７を前進させるので、スクリュー５７の前方に溜っている樹脂は射出ノズル５８から射出され、固定金型と前記金型装置の可動金型との間に形成されたキャビティ空間に充填される。そのときの反力は、ロードセル７０によって受けられ、射出力として検出される。

次に、前記試験装置１１について説明する。

図１は本発明の実施の形態における可塑化評価装置の要部を示す図、図３は本発明の実施の形態における試験装置の試験片の取付状態を示す図、図４は本発明の実施の形態における可塑化部品に損耗が発生するメカニズムを示す図である。

図において、１１は試験装置であり、該試験装置１１は、可塑化部品を構成する試験片１２を収容する収容部１７、前記試験片１２を回転させる回転部１４、前記試験片１２に対して負荷を与える負荷付与部１５等を備え、前記収容部１７及び回転部１４はベース１６上において隣接させて配設され、前記負荷付与部１５は、収容部１７の下方に配設される。

該収容部１７は、互いに対向させ、かつ、所定の距離を置いて配設された第１、第２の部材としての端板２１、２２、該端板２１、２２間に配設された環状体２３、前記端板２１、２２及び環状体２３を貫通させて配設され、端板２１、２２と環状体２３とを連結する固定部材２４、収容部１７をベース１６に取り付けるための取付板２７等を備え、端板２１、２２及び環状体２３によって、試験片１２及び樹脂を収容する成形材料収容部としての密閉された試験空間２８が形成される。前記固定部材２４は、ボルト２５及びナット２６によって構成される。なお、本実施の形態においては、端板２１、２２と環状体２３とを連結するために、固定部材２４が使用されるようになっているが、該固定部材２４に代えて溶接によって端板２１、２２と環状体２３とを連結することができる。

前記端板２２には、中央に樹脂を供給するための導入口２９が形成され、該導入口２９は試験空間２８と連通させられる。そして、前記導入口２９の端部に射出ノズル５８が押し付けられ、スクリュー５７によって試験用に射出された樹脂は、導入口２９を介して試験空間２８に充填される。該試験空間２８内の樹脂の温度を保持するために、前記環状体２３に加熱部材としてのヒータｈ１１が配設される。

また、回転部１４は、前記試験片１２を保持する保持部材としての円板状のホルダ３１、該ホルダ３１を回転させるための試験用の駆動部としての試験用モータ３２、該試験用モータ３２をベース１６に取り付けるための取付板３３、該取付板３３に対して試験用モータ３２の出力軸３４を回転自在に支持する軸受部材（スラスト軸受）としてのベアリング３５、前記出力軸３４と連結され、端板２１に形成された貫通孔４１を貫通して試験空間２８内に突出させられ、先端において前記ホルダ３１が取り付けられたシャフト３６等を備える。なお、貫通孔４１の内周面とシャフト３６の外周面との間には、シール部材４３が配設される。また、前記取付板３３には、冷却媒体流路４４が配設され、該冷却媒体流路４４に図示されない温調装置から冷却媒体としての水が供給され、該水によって、出力軸３４、ベアリング３５等が冷却される。したがって、前記水によって、試験空間２８内の樹脂の熱が、シャフト３６及び出力軸３４を介して試験用モータ３２に伝達されるのが防止される。

前記ホルダ３１は、図３に示されるように、本体部４８、該本体部４８の外周縁において、試験片１２を押し付ける当て板４９、及び当て板４９を本体部４８に取り付ける固定部材としてのねじ５０を備える。前記試験片１２は、ホルダ３１の外周縁から径方向外方に向けて突出させて取り付けられる。なお、本実施の形態において、前記試験片１２は、環状体で形成されるが、ホルダ３１の円周方向において所定のピッチ角ごとに複数個配設することができる。

また、前記負荷付与部１５は、前記環状体２３における下方に、環状体２３を貫通して進退自在に配設された押圧部材４６、該押圧部材４６の先端に、試験片１２に対して摺動自在に当接させて取り付けられた押圧片としてのステータ４７、前記押圧部材４６及びステータ４７を試験片１２に対して所定の付勢力で付勢する付勢部材としてのスプリング３８、該スプリング３８を介して、押圧部材４６と対向させて配設された受け部材３９、前記スプリング３８、受け部材３９等を包囲するケース５２、前記受け部材３９とケース５２との間に配設され、前記スプリング３８の付勢力を検出する荷重検出部としてのロードセル５３等を備える。したがって、前記スプリング３８によって、ステータ４７が前記付勢力で試験片１２を押圧するので、試験片１２に他の部材との摺動状態を形成することができる。なお、試験片１２は各種の材料で形成され、必要に応じて交換される。

また、前記ケース５２に冷却媒体供給路５５が接続され、該冷却媒体供給路５５に前記温調装置から水が供給され、該水によって、受け部材３９が冷却される。したがって、前記水によって、試験空間２８内の樹脂の熱が、押圧部材４６、スプリング３８及び受け部材３９を介してロードセル５３に伝達されるのが防止される。

ところで、可塑化部品の損耗のうち、腐食は、加熱及び剪断による樹脂の劣化に伴って発生させられるラジカルによるものとされ、摩耗は、ガラスフィラ等の硬質研摩粒子によるアブレッシブ摩耗によるものとされる。

前記ラジカルが発生すると、ラジカルによって可塑化部品を構成する材料、例えば、鉄（Ｆｅ）が酸化させられる。図４に示されるメカニズムにおいては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＡ）等の樹脂が使用される。

図４において、ＲＨは樹脂であり、樹脂ＲＨに熱、機械的な剪断力等が加わると、ラジカルＲ・が発生し、該ラジカルＲ・が酸化すると、ラジカルＲＯＯ・が発生する。そして、ラジカルＲＯＯ・が樹脂ＲＨと反応し、更にラジカルＲ・を発生させる。その結果、鉄とラジカルＲＯＯ・とが、次のような反応をし、鉄が酸化させられる。

Ｆｅ＋ＲＯＯ・→Ｆｅ₃ （ＲＯＯ）₂
Ｆｅ₃ （ＲＯＯ）₂ →Ｆｅ₃ Ｏ₄ ＋２Ｒ−Ｒ
なお、Ｒ−Ｒは分子量の小さい樹脂を表す。

また、ポリフェニレンサルファイトを使用すると、図４と同様なメカニズムによって、ラジカルＲ・が硫化し、ラジカルＲＳ・が発生する。そして、鉄とラジカルＲＳ・とが、次のような反応をし、鉄が硫化させられる。

Ｆｅ＋２ＲＳ・→Ｆｅ（ＳＲ）₂
Ｆｅ（ＳＲ）₂ →２ＦｅＳ＋Ｒ−Ｒ
同様にして、ラジカルＲ・が塩化すると、ラジカルＲＣｌ・が発生する。そして、鉄とラジカルＲＣｌ・とが反応し、鉄が塩化する。

ところで、前記ラジカルＲ・、ＲＯＯ・、ＲＳ・、ＲＣｌ・等は、樹脂が溶融する温度下で生成される。また、前記アブレッシブ摩耗は、溶融状態の樹脂の場合、高圧下で生じる。

ところで、射出成形機においては、溶融させられた樹脂の温度は２００〔℃〕以上、かつ、４００〔℃〕以下の範囲にされる。また、溶融させられた樹脂に加わる圧力は、計量工程においては約２００〔ｋｇ／ｃｍ² 〕以下の範囲になり、射出工程においては約２０００〔ｋｇ／ｃｍ² 〕になる。

そこで、本実施の形態においては、実機における可塑化部品の損耗状態を検査するために、実機と同様の高温・高圧状態の樹脂環境を再現し、該樹脂環境下に評価すべき試験片１２を置くようにしている。

すなわち、試験装置１１において、試験空間２８に充填される樹脂の温度が、溶融温度である３００〔℃〕以上、好ましくは、ラジカルを発生させる分解温度である３５０〔℃〕以上の設定温度にされる。また、圧力は１０〔ｋｇ／ｃｍ² 〕以上の設定圧力にされる。なお、試験中、該設定圧力は保持され、圧力抜け等が発生しないようにされる。そのために、射出装置５１において、計量が行われ、前記加熱シリンダ５６内の樹脂がヒータｈ１によって加熱され、溶融させられて前記設定温度にされ、スクリュー５７の回転に伴って、スクリュー５７の前方に溜められ、このとき、樹脂に剪断力が加わり、剪断加熱の履歴が形成される。

続いて、スクリュー５７が前進させられ、溶融させられた樹脂が試験空間２８に充填され、スクリュー５７によって保圧されて、試験空間２８内が前記設定圧力にされる。必要に応じて試験空間２８内の樹脂はヒータｈ１１によって補助的に加熱される。

また、試験用モータ３２を駆動することによってホルダ３１を回転させ、試験片１２を試験空間２８内で回転させるようにしている。したがって、試験片１２と試験空間２８内の樹脂とが摺動し、試験片１２に実機と同じ条件下で損耗を評価することができる。

この場合、高圧下で試験空間２８内の樹脂が漏れないように、シール部材４３によってシールが行われるが、試験空間２８内の樹脂を所定の量だけ排出することができるように、図示されない成形材料排出部としての樹脂ドレン用配管が配設され、樹脂ドレン用配管によって樹脂の消費量を制御することができる。また、試験空間２８内において同じ樹脂が滞留するのを防止することによって、樹脂が分解炭化するのを防止するとともに、可塑化部品の摩耗粉等が樹脂に混入して、損耗が過多になるのを防止することができる。

なお、試験用モータ３２の回転速度を高くしたり、ホルダ３１の径を大きくしたりすると、試験片１２と樹脂との摺動速度を高くすることができる。また、ヒータｈ１１によって、試験空間２８内の樹脂の温度を高くしたり、ステータ４７による充填時の圧力を高くしたりすると、単位時間当たりの損耗量を大きくする環境を形成することができる。したがって、短期間で可塑化部品の損耗を評価し、寿命を予測することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における可塑化評価装置の要部を示す図である。 本発明の実施の形態における可塑化評価装置を示す図である。 本発明の実施の形態における試験装置の試験片の取付状態を示す図である。 本発明の実施の形態における可塑化部品に損耗が発生するメカニズムを示す図である。

符号の説明

１２ 試験片
２８ 試験空間
３１ ホルダ
３２ 試験用モータ
４７ ステータ
５７ スクリュー

Claims (7)

1. （ａ）成形材料を収容するための成形材料収容部と、
   （ｂ）剪断加熱の履歴を有する成形材料を、設定温度及び設定圧力で前記成形材料収容部に供給する成形材料供給装置と、
   （ｃ）前記成形材料収容部内において、試験片を保持する保持部材と、
   （ｄ）該保持部材を回転させる駆動部とを有することを特徴とする可塑化評価装置。
2. 前記成形材料供給装置は、成形材料の圧力を１０〔ｋｇ／ｃｍ² 〕以上の設定圧力にする請求項１に記載の可塑化評価装置。
3. 前記成形材料供給装置は、成形材料の温度を成形材料の溶融温度以上の設定温度にする請求項１に記載の可塑化評価装置。
4. 前記成形材料供給装置は、成形材料の温度を成形材料の分解温度以上の設定温度にする請求項１に記載の可塑化評価装置。
5. 前記試験片に対して摺動自在に当接させて配設された押圧片を有する請求項１に記載の可塑化評価装置。
6. 前記成形材料収容部内の成形材料を排出する成形材料排出部を有する請求項１に記載の可塑化評価装置。
7. （ａ）剪断加熱の履歴を有する成形材料を、設定温度及び設定圧力で成形材料収容部に供給し、
   （ｂ）該成形材料収容部内において、試験片を保持する保持部材を回転させることを特徴とする可塑化評価方法。

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