JP5666488B2 - 射出装置のフラッシング方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料の樹脂を変更する色変えや装置の運転休止を目的として射出装置の加熱シリンダ内から溶融樹脂を排出する、いわゆるフラッシングに関するものである。

射出成形機は、従来周知のように一対の金型、これらの金型を型締する型締装置、樹脂材料を溶融して金型内に射出する射出装置等から構成され、射出装置はヒータによって加熱される加熱シリンダ、この加熱シリンダ内で軸方向と回転方向に駆動されるスクリュ、材料の樹脂ペレットを供給するホッパ等から構成されている。従ってホッパから樹脂ペレットを供給して、スクリュを回転方向に駆動すると樹脂ペレットは加熱シリンダの熱とスクリュのせん断による熱とによって溶融しスクリュの前方に送られて、溶融樹脂が計量される。型締装置によって一対の金型を型締めし、スクリュを軸方向に駆動して金型内に形成されているキャビティに溶融樹脂を射出し、冷却固化を待って金型を開くと成形品が得られる。

ところで材料の樹脂を変更するいわゆる色変えを実施する場合、もしくは射出成形機を長期間停止させる場合には、加熱シリンダ内から溶融樹脂を排出する必要がある。このような溶融樹脂の排出は、フラッシングあるいはパージと呼ばれており、スクリュ位置を固定にするか否かによって大きく次の２種類の方法に別れる。第１のフラッシング方法は、樹脂ペレットの供給を停止して、スクリュ位置が固定になるようにしてスクリュを回転する方法である。スクリュ位置が固定なので、溶融樹脂はスクリュの前方に送られると加熱シリンダの先端のノズルから連続的に外部に排出される。所定時間スクリュを回転させた後にスクリュの回転を停止し、スクリュを軸方向に駆動してスクリュの前方に溜まっている溶融樹脂を排出してフラッシングを完了する。これに対して第２のフラッシング方法は、樹脂ペレットの供給を停止する点は同じであるが、スクリュを回転するときにスクリュ位置が後退するようにして、スクリュの前方に溶融樹脂が計量されるようにする。このときスクリュに所定の背圧をかけて樹脂圧によってスクリュが後退するようにしてもよいし、強制的にスクリュを後退させるいわゆるサックバックを実施してもよい。いずれにしてもスクリュを回転して溶融樹脂をスクリュの前方に送って所定量を計量する。計量されたらスクリュの回転を停止してスクリュを軸方向に駆動して溶融樹脂を射出する。すなわち排出する。このような溶融樹脂の計量と射出を予め設定された回数だけ繰り返し、加熱シリンダ内の溶融樹脂を排出する。

第１のフラッシング方法も第２のフラッシング方法も、いずれの方法によっても加熱シリンダから溶融樹脂を排出させることができ、例えば射出装置のノズルが金型から離間した状態でフラッシングする場合には第１、２のフラッシング方法に実質的に優劣はない。しかしながら射出装置のノズルが固定側金型にタッチした状態でフラッシングする場合、すなわち型開きした状態で固定側金型のゲートから溶融樹脂を排出する場合、ゲートの大きさや形状によっては溶融樹脂の流動抵抗が大きい。そうするとスクリュ位置を停止してスクリュの回転だけでフラッシングする第１のフラッシング方法ではゲートが抵抗になってしまって排出の効率が若干落ちる。これに対して第２のフラッシング方法ではゲートの抵抗は計量時には影響しない。ゲートの抵抗は単にスクリュを軸方向に駆動するときに関係するだけであり、スクリュに設けられている逆流防止装置によって溶融樹脂は逆流しないので、実質的に影響しないと言える。従って溶融樹脂を効率よくかつ短時間で排出できる。すなわち第２のフラッシング方法は、ノズルが固定側金型にタッチしていても、離間していても同等の効率でフラッシングできるので優れていると言える。

フラッシングにおいて加熱シリンダ内から溶融樹脂がほとんど無くなるいわゆる飢餓状態においてスクリュを回転し続けると問題である。例えば第２のフラッシング方法において加熱シリンダ内が飢餓状態になると、計量中にスクリュが後退しなくなる。そうすると計量が完了せずスクリュが空転することになる。このようにスクリュが飢餓状態で空転するとスクリュが損傷してしまう。スクリュの飢餓状態での空転を防止するために、タイマーによって計量時間に制限を設ける方法が周知である。すなわち所定時間が経過したら計量を中断してスクリュの回転を停止するので、スクリュが飢餓状態で空転するのを防止することができる。

特開２００６−８８５５７号公報

特許文献１には、スクリュを回転させるための駆動トルクを監視し、駆動トルクが予め定められた設定値であるトルク下限値に達したら、加熱シリンダ内の溶融樹脂が十分に排出されたと判断してスクリュの回転を停止するパージ方法、すなわちフラッシング方法が記載されている。この方法は、スクリュを回転させるときにスクリュ位置を固定にしているので、上で説明した第１のフラッシング方法ということができる。特許文献１に記載の方法では、駆動トルクがトルク下限値に達したら、溶融樹脂が十分に排出されたと判断し、直ちにあるいは所定時間経過後にスクリュの回転を停止して、スクリュの飢餓状態での回転を防止している。

第２のフラッシング方法における従来の方法、すなわちタイマーを設けて計量時間を制限する方法によっても、また特許文献１に記載の方法によっても、スクリュの飢餓状態での回転を防止してスクリュの損傷を防止することができる。しかしながらいずれの方法においても解決すべき問題が見受けられる。まず第２のフラッシング方法においてタイマーを設ける方法であるが、設定されたタイマーが長いと、加熱シリンダ内が飢餓状態になっていてもスクリュの回転を停止できない場合がある。またタイマーは一般的に操作者によって変更できるようになっているが、樹脂の流動性は樹脂の種類や温度によって変わるので、その都度最適なタイマーを設定しなければならず煩雑でもある。このようにタイマーの設定を誤ってしまったら飢餓状態でのスクリュの回転を防止できず、スクリュが損傷してしまう。仮にタイマーが適切に設定されていたとしても、計量時にスクリュをサックバックするようにしていると、加熱シリンダ内が飢餓状態になってもこれを検出することができず、設定された回数だけ計量と排出を繰り返してしまい、スクリュの空転を防止することができない場合がある。特許文献１に記載の方法においては、次の２点の問題が見受けられる。第１の問題は、樹脂の種類や温度を変更する度にトルク下限値を変更しなければならず作業が繁雑であるという点である。樹脂の条件が変わると流動抵抗が異なるので、トルク下限値も設定し直す必要があるが、設定を誤ると飢餓状態を検出できずスクリュが回転してスクリュが損傷してしまう。第２の問題は、測定されるスクリュの回転の駆動トルクに、前方に送られる溶融樹脂の流動抵抗もノイズとして含まれてしまう点である。すなわち特許文献１に記載の方法は、第１のフラッシング方法で実施されるので、スクリュを回転する駆動トルクには、スクリュの回転抵抗だけでなく、溶融樹脂を前方に送るときの流動抵抗も付加されてしまうことになる。そうするとノズルが固定側金型にタッチしているときと離間しているときでは、溶融樹脂を前方に送る流動抵抗が変わるので、スクリュの回転抵抗が等しくても駆動トルクが変わってしまう。つまり流動抵抗を除外して、スクリュの回転抵抗だけを正確に検出することができないので、必ずしも加熱シリンダ内に残留している溶融樹脂の状態を検出できるとは限らず、スクリュの回転を停止できる保障がない。

本発明は、上記したような問題点を解決した、射出装置のフラッシング方法を提供することを目的としており、具体的には加熱シリンダ内の溶融樹脂を効率よく十分に排出でき、樹脂の種類や温度が変わっても、加熱シリンダ内の飢餓状態でのスクリュの空転を確実に防止することができ、メンテナンスが容易な射出装置のフラッシング方法を提供することも目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、加熱シリンダと、該加熱シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる射出装置において、ホッパからの材料の供給を停止して、計量動作と射出動作とを繰り返して加熱シリンダ内の溶融樹脂を外部に排出するフラッシング方法として構成する。そしてスクリュを回転するトルクを監視し、フラッシング開始後におけるトルクの最大値に対して予め設定された比率以下のトルクを検出したら計量動作を停止し、射出動作を実施してフラッシングを終了するように構成する。なお、計量動作は、スクリュに背圧をかけて実施してもよいし、スクリュを強制的に後退させるサックバックをして実施してもよい。

かくして、請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、加熱シリンダと、該加熱シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる射出装置において、前記加熱シリンダの後方のホッパからの材料の供給を停止して、前記スクリュを回転して前記スクリュの前方に溶融樹脂を計量する計量動作と、前記スクリュを軸方向に駆動して前記計量された溶融樹脂を外部に排出する射出動作とを繰り返して、前記加熱シリンダ内の溶融樹脂を外部に排出するフラッシング方法であって、前記計量動作において前記スクリュを回転するトルクを監視し、前記フラッシング開始後におけるトルクの最大値である最大トルクを検出し、該最大トルクに対して予め設定された比率以下のトルクを検出したら前記計量動作を停止し、前記射出動作を実施して前記フラッシングを終了することを特徴とする射出装置のフラッシング方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記計量動作は、前記スクリュに所定の背圧をかけて実施することを特徴とする射出装置のフラッシング方法として構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記計量動作は、前記スクリュを軸方向に強制的に後退させるサックバックをして実施することを特徴とする射出装置のフラッシング方法として構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの方法において、前記比率は５０〜６２％であることを特徴とする射出装置のフラッシング方法として構成される。

以上のように、本発明は、加熱シリンダと、該加熱シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる射出装置において、ホッパからの材料の供給を停止して、計量動作と射出動作とを繰り返して加熱シリンダ内の溶融樹脂を外部に排出するフラッシング方法として構成されている。つまり、スクリュを回転してスクリュの前方に溶融樹脂を計量し、スクリュを軸方向に駆動して計量した溶融樹脂を射出して外部に排出し、これらを繰り返すようにしてフラッシングする。このような方法でフラッシングすると、計量時においては、溶融樹脂の外部への排出に伴って生じる溶融樹脂の流動抵抗の影響を受けない。従って加熱シリンダの先端のノズルが、固定側金型にタッチしているか否かに拘わらず、そして溶融樹脂の流動抵抗の大小に拘わらず、効率よく溶融樹脂を計量することができ、その結果射出動作によって効率よく溶融樹脂を排出することができる。そして本発明は、計量動作においてスクリュを回転するトルクを監視し、フラッシング開始後におけるトルクの最大値である最大トルクを検出し、該最大トルクに対して予め設定された比率以下のトルクを検出したら計量動作を停止し、射出動作を実施してフラッシングを終了するように構成されている。従って加熱シリンダ内に残留している溶融樹脂の量を、樹脂の種類や温度によらずに比較的正確に推定することができ、加熱シリンダ内から十分に溶融樹脂を排出できると共に加熱シリンダの飢餓状態でのスクリュの回転を確実に防止することができる。このように樹脂の種類や温度によらずに比較的正確に加熱シリンダ内の溶融樹脂の量を推定できるのは、スクリュを回転させるために要するトルクが、加熱シリンダとスクリュとの間に介在している溶融樹脂の粘性抵抗によるものと見なすことができるからである。溶融樹脂を前方に送りだして外部に排出するための流動抵抗がノイズとしてトルクに混入することを考慮する必要がないからである。実際には機械部品の摩擦によるトルクも存在するが、トルクの大部分が加熱シリンダとスクリュとの間に介在している溶融樹脂の粘性抵抗によるものと見なすことができので、加熱シリンダとスクリュとの間に十分に溶融樹脂が充填されているときにトルクが最大値になり、この最大値に対するトルクの比率を評価することによって、どの程度、溶融樹脂が残留しているかを推定することができる。トルクの比率によって評価するので、樹脂の粘度の大小によって比較的影響を受けにくい。つまり樹脂の種類や温度によって影響を受けにくい。従って本発明によって、フラッシング開始後におけるトルクの最大値に対して予め設定された比率以下のトルクを検出して計量動作を停止すると、樹脂の種類や温度によらずに十分に溶融樹脂を排出できると共にスクリュの損傷を確実に防止できる。他の発明によると、比率は５０〜６２％であるように構成されている。トルクの最大値に対して５０〜６２％の比率以下のトルクを検出したときに計量動作を停止するようにすると、十分な量の溶融樹脂を排出できると共に、加熱シリンダ内が飢餓状態にならないことが保障できる。

本発明の実施の形態に係る射出装置を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るフラッシング方法を説明するグラフであり、フラッシングにおけるスクリュの回転数、スクリュの回転に要するトルク、そしてスクリュ位置のそれぞれを示すグラフである。

本発明の実施の形態を説明する。本発明の実施の形態に係るフラッシング方法を実施する射出成形機も、従来の射出成形機と同様に構成されており、一対の金型、この金型を型締めする型締装置、材料の樹脂を溶融して型締された金型に射出する射出装置１、等から構成されている。図１には射出装置１だけが示されているが、射出装置１は、加熱シリンダ２と、この加熱シリンダ２内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュ３と、加熱シリンダ２の先端に設けられているノズル５と、加熱シリンダ２の後端寄りに設けられて加熱シリンダ２内に材料の樹脂を供給するホッパ６と、スクリュ３を回転方向と軸方向とに駆動する駆動機構８とから構成されている。スクリュ３の先端部には従来周知の逆流防止装置９が設けられ、スクリュ３を回転して溶融樹脂を計量するときには計量の妨げにはならないが、スクリュ３を軸方向に駆動して射出するときには溶融樹脂の逆流を防止するようになっている。駆動機構８は、周知の色々な機構から構成することができるので図１には簡略的に示されているが、スクリュ３を回転方向に駆動するモータ１１と、スクリュ３を軸方向に駆動する駆動装置１２とから構成されている。モータ１１と駆動機構１２は射出成形機のコントローラ１３と信号線Ｓ１、Ｓ２によって接続され、コントローラ１３からの信号によって駆動できるようになっている。なおスクリュ３の回転のトルクはモータ１１に供給する電流値から正確に測定することができ、信号線Ｓ１によってコントローラ１３に入力されている。

本実施の形態に係る射出成形機も、従来の射出成形機と同様にして運転する。すなわち射出装置１において、加熱シリンダ２を図に示されていないヒータによって加熱し、ホッパ６から材料の樹脂のペレットを供給して、モータ１１を駆動してスクリュ３を回転する。そうすると材料の樹脂は加熱シリンダ２の熱と、スクリュ３の回転のせん断力による熱とによって溶融する。溶融樹脂は、スクリュ３のフライトの間に充填され、フライトによって混練されながらスクリュ３の前方に送られる。スクリュ３に所定の背圧をかけて軸方向へ移動できるようにしておくと、溶融樹脂が加熱シリンダ２内のスクリュ３の前方に送られてスクリュ３が後退する。すなわち溶融樹脂が計量される。あるいは、スクリュ３を回転すると共に、駆動装置１２によってスクリュ３を軸方向に少しずつ後退させる、いわゆるサックバックを実施する。このようにしても溶融樹脂を計量することができる。型締装置を駆動して一対の金型を型締めする。駆動装置１２を駆動してスクリュ３を軸方向に駆動して射出する。冷却固化を待って型締装置を駆動して金型を開くと、成形品が得られる。以下同様にして成形品を成形することができる。

本実施の形態に係るフラッシング方法を図２のグラフも参照しながら説明する。図２において、３つのグラフは上からそれぞれスクリュ３の回転数、スクリュ３の回転のトルク、スクリュ３のスクリュ位置を表しており、横軸が時間になっているが、符号１５で示されている時刻以前は、通常の射出成形の成形サイクルが実施されているものとする。

フラッシングをする場合には、ホッパ６からの材料の樹脂のペレットの供給を停止する。次いでコントローラ１３においてフラッシングを要求する所定の操作をするとコントローラ１３からの制御によってフラッシングが開始される。フラッシングの開始の時刻は図２のグラフにおいて符号１５で示されている。コントローラ１３は、最初に計量動作を実行する。すなわちスクリュ３を回転してスクリュ３の先端に所定量の溶融樹脂を計量する。ホッパ６から材料の樹脂のペレットが供給されなくても、溶融樹脂はスクリュ３のフライトの間に十分に残っているので、このような溶融樹脂が計量されることになる。なお計量動作は、スクリュ３に所定の背圧をかけて溶融樹脂の樹脂圧力によってスクリュが後退するようにしてもよいし、スクリュ３を強制的に後退させるサックバックを実施してもよい。計量動作によって所定量が計量されたら、コントローラ１３は射出動作を実行する。すなわちスクリュ３の回転を停止して、スクリュ３を軸方向に駆動してスクリュ３の前方に計量された溶融樹脂を外部に排出する。コントローラ１３はこのような計量動作と射出動作とを予め設定された回数だけ繰り返す。なおグラフにおいて符号１５が計量動作の開始時刻、符号１６が計量動作の終了時刻であると共に射出動作の開始時刻、符号１７が射出動作の終了時刻であると共に次の計量動作の開始時刻になっている。トルクは、スクリュ３の回転に伴って検出されるので、計量動作の開始直後に瞬間的に大きな値になり、その後若干低下した値で推移し、そして計量動作の終了時に急激に小さな値に落ち、射出動作においては実質的に０になる。一方スクリュ位置は、射出完了位置を０とし、後退方向すなわち図１において右方向を正とすると、計量動作によってスクリュ位置は直線的に増加し、そして射出動作において短時間で０になる。

本実施の形態に係るフラッシング方法においては、加熱シリンダ２内が飢餓状態になる前にスクリュ３の回転を停止する。これによって実際には、設定された回数だけ計量動作と射出動作を繰り返す前にフラッシングが終了することになる。具体的には次のようする。コントローラ１３はフラッシングを開始したら、その直後からスクリュ３の回転のトルクを監視する。そしてこのトルクが最大値となった最大トルク１９を記憶する。図２のグラフにおいて、最大トルク１９は符号２０において検出されている。コントローラ１３は引き続きトルクを監視するが、トルクの監視はスクリュ３を回転するときに限定する。すなわち監視は計量動作においてのみ行う。このようにして監視しているトルクが、最大トルク１９に対して予め設定されている比率以下、すなわちトルク下限係数以下になったら、計量動作を中断する。すなわちスクリュ３の回転を停止する。図２のグラフにおいて、監視しているトルクが、最大トルク１９に対してトルク下限係数の比率以下になったタイミングが符号２２で示されている。また、この時のトルクが符号２３で示されている。このタイミングで計量動作を中断するので、加熱シリンダ２内が飢餓状態になる前にスクリュ３の回転を停止することができる。最後に射出動作を実施してフラッシングを完了する。

このように本実施の形態においては、スクリュ３の回転の停止を、トルクの比率に基づいて判断している。スクリュ３のトルクは主として、スクリュ３を駆動する駆動機構８における摩擦と、加熱シリンダ２とスクリュ３との間で流動している溶融樹脂の摩擦とに起因するものであるが、前者の摩擦は後者の摩擦に比して比較的小さい。スクリュ３のフライト間に十分に溶融樹脂が充填された状態において最大トルク１９が検出され、溶融樹脂が減少するに従ってトルクが減少することになる。加熱シリンダ２内の溶融樹脂の挙動は複雑であるので、トルクの減少の割合と溶融樹脂の減少の割合の関係は必ずしも線形にはならないが、十分な相関を有することになる。溶融樹脂の粘度は、樹脂の種類や温度によって変化するので、粘度に影響を受けるトルクも樹脂の種類や温度によって大きく変動するはずであるが、本実施の形態では、このようにトルクの比率に基づいてスクリュ３の回転の停止を判断するので、樹脂の種類や温度が異なっていても、比較的安定した精度で加熱シリンダ２内の溶融樹脂の残量を推定することができる。すなわち加熱シリンダ２内が飢餓状態になる前にスクリュ３の回転を停止することができる。なお、トルク下限係数の適切な範囲は、４０〜７０％、好ましくは５０〜６２％である。

本実施の形態に係るフラッシング方法によって、十分に溶融樹脂を加熱シリンダ２から排出でき、加熱シリンダ２内が飢餓状態になる前にスクリュ３の回転を停止できることを確認する試験を実施した。
（１）試験方法
図１に示されている射出装置１を使用して、最初にフラッシングしない状態での加熱シリンダ２内の溶融樹脂の量を調べた。すなわち、ホッパ６から材料の樹脂のペレットを供給して、計量動作、射出動作を繰り返し実施し、スクリュ３のフライト間に十分に溶融樹脂が充填されるようにした。この状態で加熱シリンダ２内の溶融樹脂の量を調べたところ、８２．７ｇあった。
トルク下限係数を、９０％、８０％、７０％、６２％、６０％、５０％、４０％に設定し、それぞれのトルク下限係数に対して、本実施の形態に係るフラッシング方法を実施した。そしてフラッシング終了時点における加熱シリンダ２内の溶融樹脂の量を調べた。なお計量動作は、スクリュ３に所定の背圧をかけて溶融樹脂の樹脂圧力によってスクリュが後退する方法Ａ、スクリュ３を強制的に後退させるサックバックによる方法Ｂのそれぞれによって実施した。各試験において測定された加熱シリンダ２内の溶融樹脂の量を表１に示す。トルク下限係数が５０〜６２％において十分に溶融樹脂が排出されていると共に、飢餓状態でのスクリュ３の回転を防止できたと言える。

本実施の形態に係るフラッシング方法は色々な変形が可能である。例えば、トルクの監視は瞬時値で実施してもよいし、移動平均で実施してもよい。またトルクの監視は、スクリュ３を回転するときに限定するように説明しているが、計量動作の開始直後は監視対象から除外してもよい。前記したように計量動作の開始直後にはトルクが瞬間的に大きな値になるが、これには慣性モーメントに抗してスクリュ３を回転するのに必要なトルクも含まれているからである。計量動作の開始直後を監視対象から除外すると、瞬間的に大きくなるトルクを除外して最大トルクを決定できるので、より正確に溶融樹脂の残量を評価することができる。

１ 射出装置 ２ 加熱シリンダ
３ スクリュ ５ ノズル
６ ホッパ ９ 逆流防止装置
１１ モータ １３ コントローラ

Claims (4)

1. 加熱シリンダと、該加熱シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる射出装置において、前記加熱シリンダの後方のホッパからの材料の供給を停止して、前記スクリュを回転して前記スクリュの前方に溶融樹脂を計量する計量動作と、前記スクリュを軸方向に駆動して前記計量された溶融樹脂を外部に排出する射出動作とを繰り返して、前記加熱シリンダ内の溶融樹脂を外部に排出するフラッシング方法であって、
   前記計量動作において前記スクリュを回転するトルクを監視し、前記フラッシング開始後におけるトルクの最大値である最大トルクを検出し、該最大トルクに対して予め設定された比率以下のトルクを検出したら前記計量動作を停止し、前記射出動作を実施して前記フラッシングを終了することを特徴とする射出装置のフラッシング方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記計量動作は、前記スクリュに所定の背圧をかけて実施することを特徴とする射出装置のフラッシング方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記計量動作は、前記スクリュを軸方向に強制的に後退させるサックバックをして実施することを特徴とする射出装置のフラッシング方法。
4. 請求項１〜３のいずれかの方法において、前記比率は５０〜６２％であることを特徴とする射出装置のフラッシング方法。

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