JP5626811B2 - 可塑化装置および可塑化方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュが配設された加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する可塑化装置およびその可塑化方法に関するものである。

射出成形機の可塑化装置は、加熱筒内に回転可能かつ前後進可能にスクリュが配設されている。そして可塑化工程では、スクリュを回転させつつ背圧に抗して後退させることにより、成形材料を可塑化してスクリュ前方に供給し貯留する。そして次の射出工程ではスクリュを前進させることにより加熱筒のスクリュ前方に貯留された可塑化された溶融材料をノズルを介して成形金型のキャビティ内に射出する。射出された溶融材料は、キャビティ内で冷却固化され、成形金型が型開されて成形品が取出される。

このような射出成形機の可塑化装置では、成形材料の可塑化の際にガスや水分が発生するが、前記ガスや水分を除去する装置として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１では加熱筒内のガスや水分が除去されるため良好な成形品が成形でき、また加熱筒内やスクリュへのガスが液状化した物質の付着も少なくすることができる。そして特許文献１に記載のものは、加熱筒内の真空度を６．３３ｋＰａ〜１．３３ｋＰａと比較的高真空にすることにより、より一層ガスや水分の除去が有効に行えるようになっている。

また加熱筒後端部においてスクリュ軸と加熱筒の間をシールして内部の真空度を保つ技術は公知であり、例えば特許文献２に記載されたものが知られている。

特開２００９−１２４４７号公報（請求項１、図１） 特開２０００−９４４８７号公報（請求項１、図１）

しかしながら特許文献１に記載の加熱筒内を真空状態とする射出成形方法では、真空ポンプにより溶融材料からガス等を吸引するのみであるので、加熱筒内をいくら高真空状態としても、加熱筒の材料供給口の近傍または加熱筒の材料供給口よりも後方の部分にガスが液状化した物質が付着するという問題があった。そしてそういった付着した物質に対して更に成形材料（ペレット）が付着して流路の断面積を狭めたり、付着した物質自体が新しい成形材料に混入して不良を引き起こしたりするという問題があった。また材料供給部分に光電センサを透過させる目的や覗き窓の目的で透明ガラスが設られている場合には、前記透明ガラスにガスが液状化した物質が付着して光電センサが読み取り不能となったり、内部の状態が把握できにくくなる場合があった。

そこで本発明は、加熱筒内の溶融材料からガスや水分の除去を良好に行うとともに、加熱筒の材料供給口の近傍または加熱筒の材料供給口よりも後方の部分にガスが液状化した物質の付着を極力防止する可塑化装置および可塑化方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の可塑化装置は、スクリュが配設された加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する可塑化装置において、加熱筒後端部を除く加熱筒後部または材料供給口を介して加熱筒内を６．３３ｋＰａ以下に減圧可能な可塑化装置とその負圧発生手段と、加熱筒の後端面に取り外し可能に取り付けられるキャップと、前記加熱筒の後端面およびキャップの間並びにスクリュの軸部およびキャップの間にそれぞれ設けられたシール部材と、前記キャップに貫通形成された通孔を介して接続される流量調整弁を備えた気体供給手段とが設けられたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の可塑化方法は、スクリュが配設された加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する可塑化方法において、加熱筒後端部を除く加熱筒後部または材料供給口を介して加熱筒内を６．３３ｋＰａ以下に減圧可能な可塑化装置とその負圧発生手段と、加熱筒後端部または加熱筒後部から供給量を制御して大気を供給する流量調整弁を備えた気体供給手段とか設けられ、流量制御弁は窒素ガス供給装置や乾燥空気供給装置に接続されずに外界に接続され、前記負圧発生手段により加熱筒内を負圧にしつつ、気体供給手段により大気を供給することを特徴とする。

本発明の可塑化装置は、スクリュが配設された加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する可塑化装置において、加熱筒後端部を除く加熱筒後部または材料供給口を介して加熱筒内を６．３３ｋＰａ以下に減圧可能な可塑化装置とその負圧発生手段と、加熱筒の後端面に取り外し可能に取り付けられるキャップと、前記加熱筒の後端面およびキャップの間並びにスクリュの軸部およびキャップの間にそれぞれ設けられたシール部材と、前記キャップに貫通形成された通孔を介して接続される流量調整弁を備えた気体供給手段とが設けられているので、加熱筒内の溶融材料から発生したガスや水分を良好に吸引除去するとともに、ガスが液状化した物質を加熱筒の材料供給口の近傍または加熱筒の材料供給口よりも後方の部分に極力付着しないようにすることができる。

本実施形態の射出成形機の可塑化装置の概略説明図である。 本実施形態の射出成形機の可塑化装置のスクリュ軸のシール部分の拡大断面図である。

本実施形態の射出成形機の可塑化装置について、図１、図２を参照して説明する。可塑化装置１１は、ノズル孔を備えたノズル１２が前端部に固着され、ハウジング部１３が後部に固着された加熱筒１４を備える。加熱筒１４は溶融樹脂Ｍの圧力に耐えることが可能な所定肉厚の円筒部材である。加熱筒１４の温調ゾーンは、ノズルゾーンやスクリュヘッドゾーンとは別に、スクリュヘッドゾーンに隣接する前部ゾーン、中部ゾーン、ハウジング部１３に最も近い後部ゾーンの各ゾーンにそれぞれ区分されている。そして各ゾーンにはヒータ１５と熱電対１６がそれぞれ配設され、制御装置１７から各ゾーン毎に温度制御可能となっている。そして前記加熱筒１４には、前記ノズル孔に連通される内孔１４ａが形成され、該内孔１４ａにはスクリュ１８が回転可能かつ前後進可能に配設されている。よって可塑化装置１１は、加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する機能を有する。本実施形態では可塑化装置１１は、射出機能を有する射出装置でもある。

スクリュ１８の前方側には、可塑化工程の際に溶融樹脂Ｍを前方に送り射出時に溶融樹脂Ｍの後方への移動を阻止するリングバルブが取付けられている。そしてスクリュ１８は、図２に示されるように螺旋条のフライト１８ａを有し、前方側から軸部が大径に形成されたメタリングゾーン、軸部１８ｂが前方側に向けてテーパー状に拡径されたコンプレッションゾーン、軸部１８ｂの直径が一定の太さの小径に形成されたフィードゾーンとなっている。

ハウジング部１３の孔には加熱筒１４が挿入されて固着され、ハウジング部１３の上面から加熱筒１４に連通して材料供給口１９が穿孔されている。そしてハウジング部１３の材料供給口１９の上部には接続筒２０が配設されている。そして前記材料供給口１９は、前記接続筒２０を介して成形材料である樹脂ペレットの搬送量を調節して供給する材料供給装置２１が固定されている。材料供給装置２１は、フィードスクリュ２２とそのモータ２３等からなる。またハウジング部１３の材料供給口１９の前方には、ハウジング部１３の温度を調整する温調手段である媒体流路が配設されている。更にハウジング部１３の材料供給口１９の周囲や接続筒２０の周囲には加熱用ヒータが設けられている。なお材料供給装置２１や接続筒２０については、その一部または全部が透明なガラス等から形成されたものでもよい。透明なガラス等を用いたものは、外部に設けた光電センサ等により、ガラス部分を介して内部の成形材料の量を検出したり、目視により内部の成形材料の量を把握することができる。

また加熱筒１４は、ハウジング部１３の後端側から更に所定長さに亘って延びている。本発明では、加熱筒１４のうち、最も後方のヒータ１５よりも後方側のハウジング部１３との間の部分、ハウジング部１３と当接する部分、およびハウジング部よりも後方の部分を加熱筒後部１４ｂと呼ぶ。そして加熱筒１４の後端面１４ｃには取り外し可能なキャップ２４が取付けられている。図２に示されるように、キャップ２４は加熱筒１４の直径とほぼ一致する直径の円盤状の部材であり、中央にはスクリュ１８の軸部１８ｂが挿通される孔２５が設けられている。そしてキャップ２４は、加熱筒１４の後端面１４ｃの外側の小径部１４ｄに対して、キャップ２４の突出部分２４ａの内径が嵌合可能となっている。またキャップ２４の内側面２６の外周寄りには、環状の凹状溝２７が設けられ、溝にはシール部材であるＯリング２８が嵌めこまれるようになっている。この部分に設けられるＯリング２８は、キャップ２４の内側面２６と加熱筒１４の後端面１４ｃの間をシールするものである。またキャップ２４の中央の孔２５を形成する内周面にも凹状溝２９が設けられ、シール部材３０が挿入されるようになっている。この部分に設けられるシール部材３０は溝側がＯリングでありスクリュ軸側がふっ素樹脂等の樹脂からなるシールが用いられ、キャップ２４とスクリュ１８の軸部１８ｂとの間をシールする。スクリュ１８の軸部１８ｂの側を樹脂にすることにより、シール部材の磨耗が抑えられる。なおシール部材２８，３０はそれぞれ別の材質や形状の部材でもよく、シール部材２８，３０が設けられる場所も別の部分でもよい。なお本発明では、加熱筒１４自体の後端面１４ｃと取付けられたキャップ２４を合わせて加熱筒後端部３１と呼ぶ。

またキャップ２４の外周面３２の開口部３２ａから中心方向に空気が流通可能な通孔３３が設けられ、通孔３３は途中で屈曲してキャップ２４の内側面２６の開口部２６ａに接続されている。なお通孔３３は、キャップ２４の外側面３４から内側面２６に向けて直接貫通形成されたものでもよい。そして通孔３３の開口部３２ａの近傍にはネジが形成され、前記ネジに空気管３５が接続されている。空気管３５には気体供給手段の流量調整弁３６が接続されている。本実施形態で流量調整弁３６は、手動によりエアの供給量を制御するものである。流量調整弁３６が固定される場所は、操作側のベッド上や安全カバーの部分であるが、これには限定されない。また流量制御弁３６は、加熱筒内の真空度を測定し、前記真空度が一定か所定の範囲に収まるように、自動的に空気流量を制御するものでもよい。また供給量を制御して気体を供給する気体供給手段については、流量調整弁３６に変えて、同様の働きをするバルブやオリフィスを準備しエア供給量を調整するものでもよい。

そして流量調整弁３６に接続される空気管３５，３７のうち、キャップ２４と接続される空気管３５とは反対側の空気管３７は、手動または電動の開閉弁３８に接続され、開閉弁は、更に空気管３９に接続されている。そして空気管３９は、フィルタ４０を介して外界に向けて開放されている。ただし空気管３９を外界に向けて開放せずに、窒素ガス供給装置や乾燥空気供給装置に接続したものでもよい。また開閉弁３８やフィルタ４０は必須のものではない。

そして可塑化装置１１のハウジング部１３と平行に図示しない移動盤が移動可能に設けられ、前記移動盤に対して、スクリュ１８の軸部１８ｂが回転自在かつ軸方向移動不能に取付けられている。そして前記移動盤には、計量用サーボモータ５０が設けられ、その回転駆動が、スクリュ１８の軸部１８ｂに伝達されるようになっている。またハウジング部１３または図示しない別のプレートには、射出用サーボモータが固定されており、射出用モータの駆動により、ハウジング部１３に対して移動盤が前後進移動されるようになっている。なお本発明の可塑化装置１１の駆動機構は上記に限定されず、別の配置のものや油圧を用いたものでもよい。

材料供給装置２１の搬送筒４１の後方側の上面には、成形材料供給経路を含む加熱筒内がシール可能であって材料供給装置２１に成形材料を供給するシャッタ装置４６が接続されている。シャッタ装置４６は上下２段のシャッタ４６ａと４６ｂとその駆動手段を備える。また搬送筒４１の前方側の上面には、負圧発生手段である真空ポンプ４２へ接続される管路４３が取付けられ、前記管路４３には開閉バルブ４４と真空計４５が設けられている。また真空ポンプ４２は更に図示しないフィルタや脱臭装置を介して外界に接続されている。

一例として本実施形態で用いられる真空ポンプ４２は、ルーツ型４段のドライポンプであり、排気速度は９１０Ｌ／ｍｉｎ、到達真空度−１０１ｋＰａ（絶対真空度０．３３ｋＰａ）の能力を有する。ただし加熱筒内の真空度は、ゲージ圧が大気圧基準（ゲージ圧基準）で−９５ｋＰａ以下（絶対圧基準で６．３３ｋＰａ以下）に維持できれば望ましいガス吸引効果が得られるので、そのような密閉度の可塑化装置１１と能力を有する真空ポンプ４２の組み合わせが望ましい。また真空ポンプ４２は、回転翼型の油回転ポンプ等、別のタイプの真空ポンプでもよく、大型の可塑化装置の場合は、複数個の真空ポンプを取付けてもよい。また後述する大気導入を行ってもゲージ圧が−１０１ｋＰａ以下となるような高い真空度を得る真空ポンプはコストとの関係で採用してもオーバースペックとなる。なお負圧発生手段は加熱筒後端部３１を除く加熱筒後部１４ｂまたは材料供給口１９はを介して加熱筒内を負圧にするものであればよい。具体的には、最後方のヒータ１５よりも後方の加熱筒１４、材料供給口１９の上部のハウジング部１３、接続筒２０に開口を設けて負圧発生手段が接続されるものでもよい。また加熱筒後部１４ｂの材料供給口１９の周囲の部分に開口を設けて負圧発生手段が接続されるものでもよい。加熱筒後端部３１に負圧手段を接続するとガスが液状化した物質や供給される成形材料の粉が材料供給口１９よりも後方側のシールの部分に入り込みやすくなり好ましくない。また加熱筒１４の中部からガスを吸引するものは、溶融樹脂Ｍがベントアップして吸引孔を塞ぐ可能性があるので好ましくない。

そして加熱筒１４、ハウジング部１３、接続筒２０、材料供給装置２１の搬送筒４１、およびシャッタ装置４６等の接続部は、すべて図示しないＯリング等によりシールされている。従って本実施形態ではシャッタ装置４６のシャッタ４６ａまたは４６ｂにより外界と区画される領域（加熱筒内）が略同条件で真空化される。本発明において「加熱筒内」という場合に、加熱筒１４の内孔１４ａ、加熱筒１４とハウジング部１３の材料供給口１９に加え、接続筒２０内、搬送筒４１内、シャッタ装置４６のシャッタ４６ａまたは４６ｂよりも下部、および管路４３等も含まれる。なお接続筒２０にシャッタを設け、該シャッタよりも下部のみを加熱筒内として真空化または上部に比べて高真空化してもよい。また負圧発生手段の真空ポンプ４２、シャッタ装置４６のシャッタ４６ａ，４６ｂの駆動装置、フィードスクリュ２２のモータ２３、図示しない射出用サーボもモータや計量用サーボモータ５０等も制御装置１７に接続されている。

また射出成形機には型締装置が設けられ、図示しない固定盤と可動盤にはそれぞれ固定金型４７と可動金型４８が取付けられる。そして可動盤が移動して型締された際に、両方の金型４７，４８の間にはキャビティ４９が形成される。またノズル１２は、一般的には、固定金型４８のノズルタッチ面に当接される。

次に本実施形態の可塑化装置の可塑化方法について説明する。まず可塑化装置１１は、ノズル１２及び加熱筒１４が制御装置１７からヒータ１５をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、所定の設定温度に昇温されている。そして次に負圧発生手段の真空ポンプ４２を作動させて加熱筒内を真空引きする。また同時に流量調整弁３６を手動により操作して外界から加熱筒内に取り込む大気の量を調整する。なお当初は真空ポンプ４２のみを作動させ、加熱筒内がある程度の真空度となってから、流量調整弁３６を操作して、外界から大気を取り込むようにしてもよい。

または流量調整弁３６の外界側に窒素供給装置や乾燥空気供給装置に接続された装置では、流量調整弁３６を介して窒素や乾燥空気が加熱筒内に取り込まれる。ただし本発明の効果である「溶融材料からガスや水分の除去を良好に行うとともに、加熱筒１４の材料供給口１９の近傍または加熱筒１４の材料供給口１９よりも後方の部分にガスが液状化した物質の付着を極力防止する」という点において、一般的な樹脂材料を使用した例では、大気を取り入れた場合、窒素ガス等を用いた場合とでは、ガスが液状化した物質の付着にほとんど差がなかったので、設備コストを抑える点では前記窒素供給装置や乾燥空気供給装置を設ける必要がない場合が多い。

そして加熱筒内の真空度は真空計４５により計測される。本実施形態では真空ポンプ４２の能力は前記のように０．３３ｋＰａまで到達可能であるが、実質的には加熱筒内の真空度は、前記の流量調整弁３６を介しての大気導入やそれ以外の部分からの僅かなリーク等により、大気圧基準（ゲージ圧基準）で−９８ｋＰａ、絶対圧基準で３．３３ｋＰａ程度となっている。なお−９５ｋＰａ（６．３３ｋＰａ）よりも真空度が低くなる（大気圧に近くなる）と効率的な真空引きによるガスや水分の除去に支障を来たす可能性があるので、真空ポンプ４２を連続運転した状態で、前記値よりも真空度が低下しない状態を維持するように、流量調整弁３６の空気流量を微調整する。また−１００ｋＰａ以下としても成形品の状態に変化はなく、加熱筒１４のシール構造、真空ポンプ４２の能力と価格のバランス、電気消費量の関係から−１００ｋＰａ以下とすることが経済的合理性を欠く。前記気体を導入することによる真空度の低下は、０．５ｋＰａ程度である。従って真空ポンプ４２により、気体の供給が行われても加熱筒内を６．３３ｋＰａ以下（大気圧基準（ゲージ圧基準）で−９５ｋＰａ以下）に減圧された状態を保つことは容易である。

そして材料投入口から投入された成形材料である樹脂ペレットは、上部のシャッタ４６ｂが開放されて中間の貯留室内に投入されると、上部のシャッタ４６ｂが閉鎖され、前記貯留室内が真空引きされた後、下部のシャッタ４６ａが開放されることにより、加熱筒内の真空度を低下させることなく、材料供給装置２１へ供給される。そしてモータ２３を駆動させることによりフィードスクリュ２２が回転駆動され、成形材料は前方に運ばれ、材料供給口１９から内孔１４ａ内へ供給される。

可塑化工程では、可塑化装置１１は前方に移動され、ノズル１２が固定金型４７のノズルタッチ面に当接され、ノズル孔は閉塞されている。そして計量用サーボモータ５０の回転とともにスクリュ１８が回転駆動され、フィードスクリュ２２から供給された成形材料である樹脂ペレットが、スクリュ１８のフライト１８ａによりフィードゾーンから前方のコンプレッションゾーン、メタリングゾーンへ送られ、リングバルブの間を通ってスクリュ１８の前方の内孔１４ａ内に貯留される。

なお本発明では、加熱筒内に供給され滞留される成形材料の量を制限する飢餓成形を行うことがより望ましく、背圧は０〜６ＭＰａ程度と一般的な背圧よりも低くすることがより望ましい。また可塑化工程のスクリュ回転に要する時間を長くすることがより望ましい。

そしてフィードゾーンから溶融し始めた成形材料（溶融樹脂Ｍ）は、コンプレッションゾーンで圧縮されるとともにせん断発熱を受けて溶融樹脂Ｍとなり、その割合は搬送が進むにしたがって多くなる。そしてメタリングゾーンに到達するときには、完全にほぼ溶融状態となるとともに、スクリュ１８、フライト１８ａ及び内孔１４ａの壁面で形成される空間を空隙なく充填され。スクリュ前方へ送られ貯留される。本実施形態の可塑化工程では、飢餓成形ではフィードゾーン、コンプレッションにおいて溶融材料が加熱筒内に充満していないので、発生したガスや水分が負圧発生手段により吸引除去されやすくなる。

また本実施形態では、負圧発生手段の真空ポンプ４２により加熱筒内を負圧に吸引しつつ、加熱筒後端１４ｄまたは加熱筒後部１４ｂから気体供給手段の流量調整弁３６により供給量の制御された気体（大気）が制限して供給されているので、溶融材料から発生したガスや水分は前記気体とともに負圧発生手段である真空ポンプ４２へ送られる。その結果、加熱筒後部１４ｂの内孔１４ａに対応するスクリュ１８の部分、材料供給口１９、接続筒２０、材料供給装置２１の内壁やフィードスクリュ２２等にガスに含まれる固形分や水分等が付着しにくくなる。その結果、前記部分を介して供給される成形材料（ペレット）が、ガスが液状化した物質の付着した内壁に付着してしまい、成形材料の供給路の断面積が狭められることが無くなる。またガスが液状化した物質の付着やペレットが後の成形品に混入することも非常に減少し、色替え性の向上や成形品歩留まりの向上に繋がる。更には加熱筒後部１４ｂの材料供給口１９よりも後部の内孔１４ａやスクリュ１８についても発生したガスや水分が付着しなくなるので、樹脂材料の粉などが付着しにくくなる。そのためシールを痛めたりすることが減少する。更にまた材料供給装置２１に透明ガラスのセンサ測定用の窓や覗き窓がある場合は、センサの測定精度が低下せず、また視認性が良好に保たれる。そしてこれらの結果、加熱筒内のガスが液状化した物質等の不純物の付着物を除去するために分解してメンテナンスを行う回数が減少する。

本発明にとって特に有用な成形品としては、表面の肌の綺麗さが要求される成形品、ゲート形状等からシルバーストリーク（成形品の表面にできる筋状に銀白色の模様）が発生しやすい成形品、加熱筒内でガス等の排気体が多い成形材料を使用した成形品、および冷却時間が長い肉厚の厚い成形品（成形サイクルを延長する必要がない）等である。

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。本実施形態は、本発明は、成形材料が熱可塑性樹脂である場合について説明したが、熱硬化性樹脂、金属材料、セラミックス、含水有機材料等の成形材料にも用いることができる。また装置としては、スクリュを内蔵した可塑化装置とプランジャ式の射出装置とが接続されたプリプラ式の射出成形機にも用いることができる。従って可塑化装置はスクリュが前後進しないタイプも含まれる。

１１ 可塑化装置
１３ ハウジング部
１４ 加熱筒
１４ａ 内孔
１４ｂ 加熱筒後部
１８ スクリュ
１９ 材料供給口
２１ 材料供給装置
２４ キャップ
３１ 加熱筒後端部
３６ 流量調整弁（気体供給手段）
４２ 真空ポンプ（負圧発生手段）

Claims (2)

1. スクリュが配設された加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する可塑化装置において、
   加熱筒後端部を除く加熱筒後部または材料供給口を介して加熱筒内を６．３３ｋＰａ以下に減圧可能な可塑化装置とその負圧発生手段と、
   加熱筒の後端面に取り外し可能に取り付けられるキャップと、
   前記加熱筒の後端面およびキャップの間並びにスクリュの軸部およびキャップの間にそれぞれ設けられたシール部材と、
   前記キャップに貫通形成された通孔を介して接続される流量調整弁を備えた気体供給手段とが設けられたことを特徴とする可塑化装置。
2. スクリュが配設された加熱筒内で成形材料を可塑化し加熱筒前方から排出する可塑化方法において、
   加熱筒後端部を除く加熱筒後部または材料供給口を介して加熱筒内を６．３３ｋＰａ以下に減圧可能な可塑化装置とその負圧発生手段と、
   加熱筒後端部または加熱筒後部から供給量を制御して大気を供給する流量調整弁を備えた気体供給手段とか設けられ、
   流量制御弁は窒素ガス供給装置や乾燥空気供給装置に接続されずに外界に接続され、前記負圧発生手段により加熱筒内を負圧にしつつ、気体供給手段により大気を供給することを特徴とする可塑化方法。