JP5940741B1 - 射出成形方法、射出成形機、及び、強化繊維の開繊方法 - Google Patents

射出成形方法、射出成形機、及び、強化繊維の開繊方法 Download PDF

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Abstract

過度なせん断力を添加成分に与えることなく、添加成分の偏在を解消できる射出成形機のスクリュを提供する。回転軸Cを中心にして回転が可能で、かつ、回転軸Cに沿って前進及び後退が可能なスクリュ10を備える加熱シリンダ201に、樹脂ペレットPと添加成分を供給し、スクリュ10を正転させることにより、溶融樹脂Mを生成する可塑化工程と、添加成分を含む溶融樹脂Mを、キャビティに向けて射出する射出工程と、を備え、可塑化工程において、所定の速度で、所定のストロークD1あるいは所定の時間だけ、スクリュ10を強制的に後退させる後退動作を行う。

Description

本発明は、添加成分を含む樹脂の射出成形に関する。
添加成分を含有させることにより強度や機能などを高めた高付加価値成形品が各種の用途に用いられている。この成形品を射出成形で得る手法として、可塑化装置をなすシリンダ内でスクリュの回転により熱可塑性樹脂を溶融し、それに添加成分を混合又は混練した後に、射出成形機の金型に射出することが知られている。
添加剤、充填物質などの添加成分を熱可塑性樹脂と混合、混練して所望の成形品を射出成形する場合、通常、二軸押出成形機によって添加成分を含有するマスターバッチペレットを製造し、その後、マスターバッチペレットを所望の熱可塑性樹脂とともに射出成形機に投入して所定の成形品を製造する。この方法では、一般的な射出成形機のみで樹脂混合を行なえるが、高価なマスターバッチを原料として使用するために原料コストが高くなる。このため、添加成分を直接に供給することが出来、ペレット製造工程を省略することができる原料直接供給式の射出成形機が提案されている。
しかしながら、この原料直接供給式の射出成形機においては、添加成分の熱可塑性樹脂中への分配混合及び分散混合が不十分であるため、これを改善した射出成形機が提案されている。(特許文献1)
また、添加成分のうち、特に強化繊維による強度向上の効果を得るためには、強化繊維が樹脂の中に均一に分散していることが望まれる。特に、強化繊維に樹脂原料を含浸した強化繊維ペレットを用いるのではなく、予め所定長さに切断されたチョップドストランド状態の繊維(以下、チョップド繊維という)、または、いわゆるロービング状態の繊維(以下、ロービング繊維という)で繊維長が3mm以上である強化繊維と、樹脂原料と、をそれぞれシリンダに供給する場合、繊維がスクリュ内で絡み合いやすく、強化繊維の集合である繊維束を開繊し繊維を樹脂内に分散させることが容易でない。このため、添加成分の均一分散を果たすためには、2軸押出機を用いて、非常に大きなせん断力、せん断量を与えればよいが、2軸押出機は非常に高価であるとともに、成形条件選定や保全などの取り扱いが煩雑であり、成形が容易ではない(特許文献1および特許文献2)。また、強化繊維の均一分散に寄与するために、シリンダの内部に強化繊維を強制的に供給する機構(フィーダ)を設けることも行われているが(例えば、特許文献3)、強化繊維の束又は束(以下、束と総称)を解消するには至っていない。特に強化繊維の含有量が10%以上と高含有率の場合、強化繊維を樹脂中に均一に分散させることは困難となっている。
特開2007―7864号公報 特開2012−56173号公報 特表2012−511445号公報
本発明は、添加成分、特に繊維長が3mm以上の強化繊維と樹脂原料をシリンダに供給する溶融樹脂の生成において、シンプルな1軸可塑化スクリュを用いて、容易に添加成分、特に強化繊維の偏在を解消できる、強化繊維などの添加成分を含む樹脂の射出成形方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、そのような射出成形方法を実現する射出成形装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、特に添加成分のうち最も偏在の発生しやすい強化繊維について偏在が発生する原因について検討を行ったところ、一つの結論を得た。つまり、射出成形の可塑化工程中に、図14(c)に示すように、シリンダ310の内部に配置される射出成形用のスクリュ300のフライト306間のスクリュ溝301に、多数の強化繊維Fの集合である繊維束がフライトの引き側303に、また、溶融樹脂Mがフライトの押し側305に分かれて存在する。溶融樹脂Mの粘度が比較的高く、溶融樹脂Mが繊維束の内部に侵入できないために、溶融樹脂Mを媒体としたスクリュ300の回転によるせん断力が繊維束の内部に伝達されず繊維束の開繊が進まない。したがって、強化繊維Fは繊維束のままで射出成形されるために、成形品に強化繊維Fが偏在する。なお、図14(a)の白抜き矢印はスクリュ300が回転する向き(これを正転とする)を示し、図14(c)の白抜き矢印はスクリュ300の回転に伴うスクリュ300とシリンダ310の軸方向あるいは周方向における相対的な移動方向を示している。後述する実施形態についても同様である。また、本発明では可塑化工程において、樹脂原料を溶融するとともにスクリュの先端側に搬送するためにスクリュを回転させる向きを正転とする。
そこで、本発明者は、スクリュ溝301の内部に、スクリュの正転により生ずる向きとは異なる向きに、溶融樹脂Mに旋回流を生じさせ、スクリュの正転により生ずるせん断力に加えて、この溶融樹脂Mの流動に伴うせん断力を繊維束に作用させることで、繊維束の開繊を促進することを着想した。
すなわち本発明の強化繊維を含む樹脂組成物の射出成形方法は、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、回転軸に沿って前進及び後退が可能なスクリュを備えるシリンダに、強化繊維からなる、ロービング状態あるいはチョップドストランド状態の、繊維束と樹脂原料を供給し、スクリュを正転させることにより、溶融樹脂を生成する可塑化工程と、強化繊維等の添加成分を含む溶融樹脂を、スクリュを前進させることによりキャビティに向けて射出する射出工程と、を備え、可塑化工程において、スクリュの先端より下流側に空隙が形成可能な所定のストロークまたは所定の時間だけ、スクリュを強制的に後退させる後退動作により、スクリュの溝の内部の溶融樹脂に含まれる繊維束に、スクリュの回転により生ずるせん断力の向きとは異なる向きのせん断力を負荷して、繊維束の分散を促進させる、ことを特徴とする
常、可塑化工程時において、スクリュ溝内の強化繊維の繊維束には主にスクリュの回転(正転)方向のせん断力しか負荷されない。しかし、このように、可塑化のためのスクリュの回転によるせん断力とは異なる向きのせん断力を繊維束に与えることができるので、繊維束に与える混合又は混練作用が増大する。また、このせん断力によるせん断発熱によって、溶融樹脂の温度が上昇して粘度が低下するので、繊維束の内部の繊維束間に溶融樹脂が入りこみ繊維束の開繊を促進でき、強化繊維の溶融樹脂内における分散を促進することができる。
本発明においては、強化繊維を含む溶融樹脂に、スクリュの回転軸方向に旋回流を生じさる。この旋回流の速度を5(mm/s)または0.05×D(mm/s)(Dはシリンダ内径)のいずれか小さい方の速度以上とする。旋回流は、スクリュを強制的に後退させる後退動作により生じさせることができる。
ところで、通常、可塑化工程においてスクリュを強制的に後退させると、計量中の溶融樹脂に背圧がわずかしか加わらず、これによる混合又は混練効果が小さいため、原料として供給された強化繊維の分散不良が発生しやすい。また、強化繊維の繊維束を分散させるために繊維束に負荷されるせん断力の量は、スクリュに強化繊維が供給されてから強化繊維を含む溶融樹脂がスクリュから吐出されるまでに通過するスクリュの長さ、いわゆる有効スクリュ長に大きく影響される。このため、スクリュを強制的に後退させて、有効スクリュ長が短くなる状態で可塑化することは、繊維束に負荷されるせん断力が不十分となり開繊維不良が発生すると考えることが一般的である。
しかし、発明者は、スクリュが回転している期間に繊維束に負荷されるせん断力の他に、繊維束にせん断力を負荷する方法を鋭意研究した結果、従来では繊維分散に逆効果であると考えられているスクリュの強制後退によって、スクリュの回転方向とは異なる方向にせん断力を負荷することで、繊維長が3mm以上の強化繊維でも分散を促進させることを可能とする方法を想到するに至った。
本発明において、後退動作として、所定のストロークまたは所定の時間だけ、スクリュを強制的に後退させることができる。
本発明において、後退動作と、後退動作の後に、スクリュを正転させる回転動作と、を行うことができる。
この場合、後退動作と、回転動作と、を交互に繰り返すことができる。
また、後退動作と回転動作を交互に繰り返す場合には、先行する後退動作を行うことによりスクリュの前方に形成された、溶融樹脂が存在しない空隙が、回転動作を行うことにより溶融樹脂で充満されたことを検知した後に、後続の後退動作を行うことができる。
以上の回転動作としては、スクリュの回転軸の方向における位置を維持したままで、あるいはスクリュを前進させながら、スクリュを回転させることができる。
また、この場合、空隙が溶融樹脂で充満された後に、前進方向の力を当該溶融樹脂に負荷することができる。具体的には、スクリュに前進方向の力を負荷することにより、前進方向の力を負荷することができるし、または、スクリュを正転させて溶融樹脂を前進方向に搬送することにより、前進方向の力を負荷することができる。
さらに、溶融樹脂の圧力に基づいて、スクリュを軸方向の後方に移動させながら、スクリュを正転させて溶融樹脂を前進方向に搬送することにより、前進方向の力を負荷することもできる。
本発明において、後退動作と、後退動作を行った後に、所定のストロークまたは所定の時間だけ、または、溶融樹脂の圧力が所定の圧力に達したのを検知するまで、スクリュを強制的に前進させる前進動作と、を行うことができる。前進動作の後に、スクリュを正転させる回転動作を行うことができる。
この場合、後退動作と、前進動作と、回転動作と、を交互に繰り返し、後退動作または前進動作の後に回転動作を行うことができる。
この場合、前進動作の前進距離または前進時間が、後退動作の後退距離または後退時間よりも短い前進動作であってもよい。
また、本発明の後退動作において、所定のストロークあるいは所定の時間だけ分割して、連続的に、又は、断続的にスクリュを強制的に後退させることができる。
また、本発明の後退動作は、少なくとも所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達するまで継続することができる。この場合、後退開始から所定の後退速度に達するまでの時間、距離を所定値以上または加速度を所定値以上に制御することができる。また、少なくとも所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達するまで継続する後退動作を、連続的に、又は、断続的に、行って、スクリュを強制的に後退させることができる。また、所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達した後の後退制御は、到達と同時に後退動作を終了してもよいし、到達後に該所定の後退速度あるいは所定の後退力を維持しながら後退動作を継続してもよいし、あるいは、到達後にさらに後退速度を増速あるいは後退力が増大するように制御をおこなってもよい。
後退動作の加速度は、5(mm/s)以上とすることができる。また、所定のストロークは、10(mm)あるいは、0.1×D(mm)のいずれか小さい方のストローク以上とすることができる。
また、本発明の前進動作は、所定のストロークあるいは所定の時間を分割して、連続的に、又は、断続的に、スクリュを強制的に前進させることができる。
本発明では、シリンダの上流側の供給孔から樹脂原料を供給し、下流側の供給孔から添加成分を供給することができる。また、添加成分と樹脂原料とを、シリンダの同じ(共通の)供給孔から供給することもできる。
本発明において、強化繊維の繊維長は3mm以上とすることができる。また、本発明では、溶融樹脂に含まれる強化繊維の含有率は10〜70%とすることが好ましく、15〜50%とすることがさらに好ましい。
本発明は、以上の射出成形方法を実行する射出成形機を提供する。つまり、本発明は、前方側に吐出ノズルが設けられ、強化繊維を供給する強化繊維供給孔を備えたシリンダと、シリンダの内部に、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、回転軸に沿って前進及び後退が可能に設けられたスクリュと、スクリュの動作を制御する制御プログラムを有する制御部と、を備え、スクリュを正転させることにより、シリンダに供給された強化繊維にせん断力を与えて、溶融樹脂を生成する可塑化する射出成形機であって、強化繊維供給孔は、強化繊維からなる繊維束を供給する強化繊維供給孔であり、制御部は、可塑化において、スクリュの先端より下流側に空隙が形成可能な所定のストロークまたは所定の時間だけ、スクリュを強制的に後退させる後退動作により、スクリュの溝の内部の溶融樹脂に含まれる繊維束に、スクリュの回転により生ずるせん断力の向きとは異なる向きのせん断力を負荷して、強化繊維を含む溶融樹脂に、スクリュの回転軸方向に旋回流を生じさせ、かつ、可塑化において、後退動作と、後退動作の後に、スクリュを正転させる回転動作と、を行い、繊維束の分散を促進させる、スクリュを強制的に後退させる制御プログラムを有するととともに、スクリュの後退速度を任意の値に設定可能な後退動作速度入力設定部と、を有する、ことを特徴とする。
本発明の射出成形機は、上述した本発明の射出成形方法における可塑化工程の種々の具体的な実施形態を適宜実行することができる。
また、本発明は、射出成形機の可塑化装置を構成するシリンダに内挿されたスクリュを正転させることにより、シリンダに供給された添加成分にせん断力を与えて、溶融樹脂を生成する可塑化動作を制御する射出成形機の制御装置であって、可塑化動作において、スクリュを強制的に後退させる制御プログラムと、スクリュの後退速度を任意の値に設定する後退動作速度入力設定部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、シンプルな1軸可塑化スクリュを用いた、添加成分、特に強化繊維と樹脂原料をシリンダに供給する溶融樹脂の生成においても、強化繊維をはじめとする添加成分の偏在を解消できる射出成形方法及び射出成形機を提供できる。
本実施形態に係る射出成形機の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る射出成形の各手順における樹脂の溶融状態を模式的に示す図であり、(a)は可塑化開始時、(b)は可塑化完了時、(c)は射出完了時を示している。 可塑化開始後における、本実施形態に係るスクリュの動作を示す図であり、(a)は可塑化開始の状態、(b)は先行するスクリュの強制後退が終了した状態、(c)は先行する強制後退が終了してスクリュが正転する状態、(d)は後続のスクリュの強制後退が終了した状態、(e)は後続の強制後退が終了してスクリュが正転する状態、(f)はスクリュを前進させて射出を完了した状態を示す図である。 本実施形態において、スクリュ溝内の強化繊維に加わるせん断力を示す平面図であり、(a)及び(b)はスクリュが回転(正転)しているときを示し、(c)及び(d)はスクリュが強制後退しているときを示す。 本実施形態において、(a)は正転によりスクリュ溝内に起きる溶融樹脂の流れを示す横図、(b)は強制後退によりスクリュ溝内に起きる溶融樹脂の流れを示す縦断図、(c)は(a)の場合の溶融樹脂の速度分布、(d)は(b)の場合の溶融樹脂の速度分布を示す縦断面図である。 所定のストロークだけ、スクリュを連続的に矯正後退させる例を示す図である。 所定のストロークだけ、スクリュを断続的に矯正後退させる例を示す図である。 溶融樹脂のずり速度と溶融粘度の関係を示すグラフである。 空隙S1が溶融樹脂Mで充満されると行う気泡処理の手順を示す図である。 強制後退に強制前進を組み合せる可塑化工程の手順を示す図である。 図10の可塑化工程において、(a)は正転によりスクリュ溝内に起きる溶融樹脂の流れを示す横図、(b)は強制前進によりスクリュ溝内に起きる溶融樹脂の流れを示す縦断図、(c)は(a)の場合の溶融樹脂の速度分布、(d)は(b)の場合の溶融樹脂の速度分布を示す縦断面図である。 強制前進を組み合せる可塑化工程の他の手順を示す図である。 本実施形態の効果を確認する実験の結果を示す図である。 従来の可塑化工程を示し、(a)は第2ステージの部分を示す側面図、(b)はフライトにより形成されるスクリュ溝及びその近傍を示す断面図、(c)はスクリュ溝の内部で強化繊維の束と溶融樹脂の束が分離して存在する様子を模式的に示す断面図である。 本実施形態の効果を確認する実験に使用した射出成形機の制御装置のマンマシンインターフェースであるスクリュ後退速度設定画面を示す図である。
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る射出成形機1は、図1に示すように、型締ユニット100と、可塑化ユニット200と、これらのユニットの動作を制御するコンピュータプログラムを有する制御部50と、を備えている。制御部50は、射出成形機1の図示しない制御装置に含まれている。
以下、型締ユニット100の構成と動作、可塑化ユニット200の構成と動作の概略について説明し、次いで、射出成形機1による射出成形の手順について説明する。
[型締ユニットの構成]
型締ユニット100は、ベースフレーム101上に固設されるとともに固定金型103が取り付けられた固定ダイプレート105と、油圧シリンダ113を作動させることによってレールや摺動板などの摺動部材107上を図中左右方向に移動するとともに可動金型109が取り付けられた可動ダイプレート111と、固定ダイプレート105と可動ダイプレート111とを連結する複数のタイバー115とを備えている。固定ダイプレート105には、各タイバー115と同軸に型締め用の油圧シリンダ117が設けられており、各タイバー115の一端は油圧シリンダ117のラム119に接続されている。
これらの各要素は制御部50の指示にしたがって必要な動作を行なう。
[型締ユニットの動作]
型締ユニット100の概略の動作は以下の通りである。
まず、型開閉用の油圧シリンダ113の作動により可動ダイプレート111を図中の二点鎖線の位置まで移動させて可動金型109を固定金型103に当接させる。次いで、各タイバー115の雄ねじ部121と可動ダイプレート111に設けられた半割りナット123を係合させて、可動ダイプレート111をタイバー115に固定する。そして、油圧シリンダ117内の可動ダイプレート111側の油室の作動油の圧力を高めて、固定金型103と可動金型109とを締め付ける。このようにして型締めを行った後に、可塑化ユニット200から金型のキャビティ内に溶融樹脂Mを射出して成形品を成形する。
本実施形態のスクリュ10は後述するように熱可塑性の樹脂ペレットPと強化繊維Fをスクリュの長手方向に個別に供給する方式であるため、スクリュ10の全長もしくは可塑化ユニット200の全長が長くなりやすい。このため、本実施形態は、トグルリンク方式や可動ダイプレートの背面に型締めシリンダを備えた方式の型締め装置が設置できないような狭いスペースでも、設置ができる省スペース化が可能な前述した構成を有する型締ユニット100を組み合わせることが射出成形機1の全長を短く抑えるのに有効である。しかし、ここで示した型締ユニット100の構成はあくまで一例に過ぎず、他の構成を適用し、あるいは置換することを妨げない。例えば、本実施形態では油圧シリンダ113を型開閉用のアクチュエータとして示したが、回転運動を直線運動に変換させる機構とサーボモータや誘導モータなどの電動モータとの組み合せに代えてもよい。この変換機構としては、ボールねじやラック・アンド・ピニオンを用いることができる。また、電動駆動あるいは油圧駆動によるトグルリンク式型締ユニットに代えてもよいことは言うまでもない。
[可塑化ユニットの構成]
可塑化ユニット200は、筒型の加熱シリンダ201と、加熱シリンダ201の下流端に設けた吐出ノズル203と、加熱シリンダ201の内部に設けられたスクリュ10と、強化繊維Fが供給される繊維供給装置213と、樹脂ペレットPが供給される樹脂供給ホッパ207とを備えている。繊維供給装置213は、樹脂供給ホッパ207よりも下流側に設けられているベント孔206に連結されている。
可塑化ユニット200は、スクリュ10を前進又は後退させる第1電動機209と、スクリュ10を正転又は逆転をさせる第2電動機211と、樹脂供給ホッパ207に対して樹脂ペレットPを供給するペレット供給装置215と、を備えている。これらの各要素は制御部50の指示にしたがって必要な動作を行なう。
スクリュ10の下流側の端部(後端)と第1電動機209の間には、図示を省略するロードセルが介在しており、スクリュ10が軸方向に受ける荷重を検知することができる。電動機による可塑化ユニット200は、ロードセルで検知した荷重に基づいて、可塑化におけるスクリュ10の背圧を制御する。本実施形態においては、背圧の制御とは異なる目的でも、ロードセルで検知した荷重を用いる。この点については、後述する。
スクリュ10は、いわゆるガスベント式スクリュと同様の2ステージ型のデザインとなっている。具体的にはスクリュ10は、上流側に設けられる第1ステージ21と第1ステージ21に連なり下流側に設けられる第2ステージ22とを有し、第1ステージ21は上流側から順に供給部23と圧縮部24と計量部70を備え、第2ステージ22は上流側から順に供給部25と圧縮部26と計量部71を備える。なお、図中右側が上流側であり、左側が下流側である。
スクリュ10は、第1ステージ21に第1フライト27が設けられ、第2ステージ22に第2フライト28が設けられている。
第1ステージ21及び第2ステージ22ともに、相対的に、供給部23,25におけるフライト間のスクリュ溝が深く、圧縮部24,26のフライト間のスクリュ溝が上流側から下流側に向けて漸減していうように設定され、計量部70、71におけるスクリュ溝が最も浅く設定されている。ここで、第1ステージ21の計量部70よりも第2ステージ22の供給部25のスクリュ溝が深いために、第1ステージ21から供給部25に吐出される溶融樹脂Mが供給部25のスクリュ溝を埋め尽くすことができない。これにより、溶融樹脂Mがスクリュ10の回転により押し側305に押しつけられて偏在することになる。これにより第2ステージ22の供給部25の引き側303に空隙が発生する。このためベント孔206を介して繊維供給装置213から供給された強化繊維Fは、この空隙となった引き側303に強化繊維Fが配分されることで、図14に示したように、溶融樹脂Mと強化繊維Fが区分されるものと解される。
第1ステージ21は、樹脂原料を溶融して溶融樹脂Mを生成するのに加えて、生成された溶融樹脂Mを第2ステージ22に向けて搬送するので、溶融樹脂Mの搬送速度及び可塑化能力を確保する機能を備えていればよい。
この機能を得るために、図1に示すように、第1ステージ21の第1フライト27は、そのフライトリード(L1)が第2ステージ22の第2フライト28のフライトリード(L2)以下とすること、つまりL1≦L2が成り立つことが好ましい。なお、フライトリード(以下、単にリード)とは、前後に隣接するフライトの間隔をいう。一つの指標として、第1フライト27のリードL1は、リードL2の0.4〜1.0倍とするのが好ましく、0.5〜0.9倍とすることがより好ましい。
上述したL1≦L2が成り立つ好ましい形態によると、第2ステージ22の第2フライト28のリードL2は、第1フライト27のリードL1より大きい。第2ステージ22は可塑化工程中にその後端側で強化繊維Fの供給を受ける。リードL2が大きいと、第2フライト28の間の溝幅が大きく、強化繊維Fが落下して充填できる空隙が大きくなる。加えて、可塑化工程時のスクリュ10の後退時および射出工程時のスクリュ10の前進時にベント孔206が第2フライト28に遮られる回数が少なくなる。したがって、スクリュ10の後退中または前進中でも、強化繊維Fの落下が第2フライト28で止まることなく連続して溝内に落ち易くなる。具体的には、第2フライト28のベント孔206から供給される強化繊維Fを受ける領域において、リードL2は、1.0×D以上にすることが好ましく、さらに1.2×D以上にすることがより好ましい。そうすることで、射出工程中に、安定して強化繊維Fをスクリュ10の溝内に落下させることができる。なお、Dは加熱シリンダ201の内径である。
ただし、リードL2が大きくなりすぎると、溶融樹脂Mを搬送する力が弱くなり、通常の可塑化に要する背圧(5〜10MPa)程度でも、溶融樹脂Mの搬送が不安定となり、背圧による溶融樹脂Mがベント孔206に逆流してベントアップが発生しやすくなる。したがって、リードL2は、2.0×D以下にすることが好ましく、さらに1.7×D以下にすることがより好ましい。つまり、第2フライト28のリードL2は、1.0×D〜2.0×Dとすることが好ましく、さらに1.2×D〜1.7×Dとすることがより好ましい。
また、第2フライト28のフライトの幅は、リードL2の0.01〜0.3倍(0.01×L2〜0.3×L2)とするのが好ましい。フライトの幅がリードL2の0.01倍より小さいと第2フライト28の強度が不十分となり、フライトの幅がリードL2の0.3倍を超えると、スクリュ溝幅が小さくなり繊維がフライト頂部に引っかかって溝内に落ちにくくなるからである。
また、上述したL1≦L2が成り立つ好ましい形態の他、第2ステージ22の特に供給部25の一部または全部の第2フライト28は、1条フライトではなく、複数条数のフラ
イトでもよい。この場合、第1ステージ21から吐出された溶融樹脂Mが、複数条数のフライトにより区画されたスクリュ溝にそれぞれ分割して分配されるため、各スクリュ溝内で繊維束と溶融樹脂Mがそれぞれ接触、混合されるので、繊維束への溶融樹脂Mの含浸に有効である。また更に繊維供給装置213から強化繊維Fの供給を受ける領域のフライト条数を複数にすることにより、複数条数のフライトによってスクリュ10の1回転当たりのベント孔206下のフライトの通過回数が増加するため、強化繊維Fをベント孔206から掻き取る能力が向上し、強化繊維Fのスクリュ10溝内への取り込み効率が向上する。
本実施形態の繊維供給装置213は、図1に示すように、2軸型スクリュフィーダー214を加熱シリンダ201に設け、強化繊維Fをスクリュ10の溝内に強制的に供給する。なお、単軸型のスクリュフィーダーを用いても支障がないことは言うまでもない。
2軸型スクリュフィーダー214への強化繊維Fの供給方法は、2軸型スクリュフィーダー214にロービング繊維を直接投入してもよいし、チョップド繊維を投入してもよい。あるいは、ロービング繊維とチョップド繊維を所定の割合で混合して投入してもよい。
チョップド繊維を投入する場合は、計量フィーダーの繊維投入口付近までロービング繊維で搬送し、繊維投入口付近でロービング繊維を切断した直後に上記の計量フィーダーに投入してもよい。これにより、飛散しやすいチョップド繊維を成形機投入まで暴露することがないので作業性を向上できる。
本実施形態では、2軸型スクリュフィーダー214の繊維投入口付近に、ロービングカッター218を設ける。ロービングカッター218により、ロービング繊維を切断し、チョップド繊維にしてから2軸型スクリュフィーダー214に供給する。
[可塑化ユニットの動作]
可塑化ユニット200の概略の動作は以下の通りである。なお、図1を参照願いたい。
加熱シリンダ201の内部に設けられたスクリュ10が回転すると、繊維供給装置213からベント孔206を介して供給された強化繊維F、および、樹脂供給ホッパ207から供給された熱可塑性樹脂からなるペレット(樹脂ペレットP)は、加熱シリンダ201の下流端の吐出ノズル203に向けて送り出される。なお、強化繊維Fの供給を開始するタイミングは、樹脂供給ホッパ207から供給された樹脂ペレットP(溶融樹脂M)が、強化繊維Fが供給されるベント孔206に到達した後とすることが好ましい。溶融樹脂Mがベント孔206に到達する前に強化繊維Fの投入を開始すると、流動性およびスクリュ10による搬送性の乏しい強化繊維Fがスクリュ溝内を閉塞してしまい、溶融樹脂Mの搬送を妨げてベント孔206から溶融樹脂Mがあふれ出したり、スクリュ10の異常摩耗や破損を発生したりするおそれがあるからである。溶融樹脂Mは強化繊維Fと混合された後に、型締ユニット100の固定金型103と可動金型109の間に形成されるキャビティへ所定量だけ射出される。なお、樹脂ペレットPの溶融に伴いスクリュ10が背圧を受けながら後退した後に、前進することで射出を行なうというスクリュ10の基本動作を伴うことは言うまでもない。また、加熱シリンダ201の外側には、樹脂ペレットPの溶融のためにヒータを設けるなど、他の構成を適用し、あるいは置換することを妨げない。
[射出成形の手順]
以上の要素を備える射出成形機1は、以下の手順で射出成形を行なう。
射出成形は、よく知られているように、可動金型109と固定金型103を閉じて高圧で型締めする型締工程と、樹脂ペレットPを加熱シリンダ201内で加熱、溶融して可塑化させる可塑化工程と、可塑化された溶融樹脂Mを、可動金型109と固定金型103により形成されるキャビティに射出、充填する射出工程と、キャビティに充填された溶融樹脂Mが固化するまで冷却する保持工程と、金型を開放する型開き工程と、キャビティ内で冷却固化された成形品を取り出す取り出し工程と、を備え、上述した各工程をシーケンシャルに、あるいは一部を並行させて実施して1サイクルの射出成形が完了する。
続いて、本実施形態が関連する可塑化工程と射出工程の概略について、図2を参照して、順に説明する。本実施形態は、可塑化工程中にスクリュ10を強制後退させるが、その動作については、射出工程の説明の後に図3を参照して行う。
[可塑化工程]
可塑化工程では、樹脂ペレットPを加熱シリンダ201の上流側の樹脂供給ホッパ207に対応する供給孔208から供給する。可塑化開始当初のスクリュ10は、加熱シリンダ201の下流に位置しており、その初期位置からスクリュ10を回転させながら後退させる(図2(a)「可塑化開始」)。スクリュ10を回転させることで、スクリュ10と加熱シリンダ201の間に供給された樹脂ペレットPは、せん断力を受けて加熱されながら徐々に溶融して、下流に向けて搬送される。なお、本発明では可塑化工程におけるスクリュ10の回転(向き)を正転とする。溶融樹脂Mが繊維供給装置213まで搬送されたならば、強化繊維Fを繊維供給装置213から供給する。スクリュ10の回転に伴い、強化繊維Fは溶融樹脂Mに混錬、分散して溶融樹脂Mとともに下流に搬送される。樹脂ペレットP、強化繊維Fの供給を継続するとともに、スクリュ10を回転し続けると、溶融樹脂Mが強化繊維Fとともに加熱シリンダ201の下流側に搬送され、かつ、スクリュ10よりも下流側に溜まる。スクリュ10の下流に溜まった溶融樹脂Mの樹脂圧力とスクリュ10の後退を抑制する背圧とのバランスによってスクリュ10を後退させる。この後、1ショットに必要な量の溶融樹脂Mが計量され溜まったところで、スクリュ10の回転及び後退を停止する(図2(b)「可塑化完了」)。
図2(a)(b)(c)は、樹脂(樹脂ペレットP,溶融樹脂M)と強化繊維Fの状態を、「未溶融樹脂」、「樹脂溶融」、「繊維分散」及び「繊維分散完了」の4段階に区別して示している。「可塑化完了」の段階では、スクリュ10よりも下流の「繊維分散完了」は、溶融樹脂Mの中に強化繊維Fが分散され、射出に供される状態を示し、「繊維分散」は、スクリュ10の回転に伴い、供給された強化繊維Fが溶融樹脂Mに分散されていることを示す。また、「樹脂溶融」は、樹脂ペレットPがせん断力を受けることで徐々に溶融し、「未溶融樹脂」はせん断力を受けるが、溶融不足の樹脂が残存する状態であり全てが溶融するには到っていないことを示している。ただし、「繊維分散完了」の領域には、強化繊維Fが偏在することがある。
[射出工程]
射出工程に入ると、図2(c)に示すように、スクリュ10を前進させる。そうすると、スクリュ10の先端部に備えられている図示しない逆流防止弁が閉鎖することで、スクリュ10の下流に溜まった溶融樹脂Mの圧力(樹脂圧力)が上昇し、溶融樹脂Mは吐出ノズル203からキャビティに向けて吐出される。
以後は、保持工程と、型開き工程と、取り出し工程を経て、1サイクルの射出成形が完了し、次のサイクルの型締め工程、可塑化工程が行われる。
[スクリュ10の強制後退]
本実施形態は、可塑化工程中に、スクリュ10を強制的に後退させる。
通常、可塑化工程においては、スクリュ10の回転に伴って下流に搬送される溶融樹脂Mの樹脂圧力によって、スクリュ10は背圧を受けつつ後退する。本実施形態における強制後退あるいは強制的な後退とは、この樹脂圧力によらず、第1電動機209の動作により後退させることをいう。この強制的な後退は、樹脂圧力による後退に比べて、後退する速度が速く、例えば樹脂圧力による後退の速度の2倍以上に設定される。以下、図3(a)〜(f)を参照して、スクリュ10の強制後退について詳しく説明する。なお、図3(a)〜(f)には強制後退の説明に必要な要素のみを描いている。
[基本的強制後退]
可塑化工程が開始して、スクリュ10の下流側に溶融樹脂Mが充填されたならば、スクリュ10を距離(ストローク)D1だけ、強制的に後退(第1後退,FB1)させる。この過程が、図3(a)と図3(b)に示されているが、第1後退の結果として、スクリュ10の先端より下流側には、溶融樹脂Mの存在しない空隙S1が形成される。このときのスクリュ10の位置を第1後退位置と呼ぶ。
なお、ここでは、スクリュ10が途中で停止することなく連続的にストロークD1だけ後退するものとし、また、強制的に後退する間、スクリュ10は回転が止まっているものとする。ただし、強制後退を行っている最中に、スクリュ10を正転させることもできる。また、スクリュ10の強制後退はストロークD1だけ後退するのにかぎらず、所定のタイミングからスタートするタイマなどのカウンタがカウントアップするまで行ってもよく、あるいはストロークD1とカウンタのカウントアップを組み合わせて行ってもよい。
また、この空隙S1は、溶融樹脂Mの中に含まれていた主に揮発成分からなるガス成分が漏れでできたことに加えて、溶融樹脂Mの中よりも低圧になったことで膨張して形成される。この空隙S1を占めるガス成分は、次の第1正転を行うと、スクリュ10により溶融樹脂Mの圧力が上昇して、再度、溶融樹脂Mの中に押し込まれる。
次に、スクリュ10を第1後退位置において回転(第1正転,NR1)させることで、溶融樹脂Mを下流に向けて搬送して、図3(c)に示すように、先に形成された空隙S1に補充する。
空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたならば、第1後退と同様に、スクリュ10を距離(ストローク)D1だけ、強制的に後退(第2後退,FB2)させる。この過程が、図3(c)と図3(d)に示されているが、強制後退の結果として、スクリュ10の先端より下流側には、溶融樹脂Mの存在しない空隙S2が形成される。このときのスクリュ10の位置を第2後退位置と呼ぶが、第2後退位置は、1ショットに必要な量の溶融樹脂Mが計量されるスクリュ10の位置(計量位置)と一致している。つまり、本実施形態は、等しいストロークで2回の強制後退を行うことにより、スクリュ10を計量位置まで後退させている。また、スクリュ10の強制後退のストロークは、第1後退と第2後退で同一ストロークでもよいし異なったストロークでもよい。更にはスクリュ10の強制後退の速度は、第1後退と第2後退で同一速度でもよいし異なった速度でもよい。
また、第1後退は、第1後退位置でスクリュ10の回転によって空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたのを後述の検知手法によって検知しても、スクリュ10の回転を停止せずに継続し、溶融樹脂Mの圧力に基づいてあるいは所定の速度で、所定のストロークあるいは所定の時間あるいは所定のストロークと所定の時間を任意に組み合わせてスクリュ10を後退させた後、スクリュ10を第2後退位置まで強制的に後退させてもよい。
これにより、後述する気泡処理効果が得られるとともに、スクリュ10の位置を固定することなく、所定の背圧でスクリュ10の後退位置を制御して可塑化することにより、背圧が過度に上昇し過大なせん断力がスクリュ溝内の溶融樹脂Mと強化繊維Fに負荷されるのを防止することができる。また、本発明では、空隙S1,S2を形成するスクリュ10の後退動作により強化繊維Fの開繊を促しつつ、スクリュ10を回転させて空隙S1,S2に溶融樹脂Mを補充した状態でさらにスクリュ10を回転させながら後退させることができる。これにより、空隙が形成された状態のほぼ背圧は負荷されない条件下あるいは所望の背圧値に制御できない成り行きの低背圧条件下のみで可塑化される場合のスクリュ溝内の溶融樹脂と比較し、本発明のスクリュ溝31内の溶融樹脂Mには、空隙S1,S2が溶融樹脂Mで補充された状態でスクリュ10の回転によるさらなるせん断力が負荷されるとともに、溶融樹脂Mの温度上昇に伴い樹脂粘度の低下が促進される。これにより、強化繊維Fの繊維束の内部に溶融樹脂Mが侵入し易くなり、強化繊維Fの開繊をより促進することができる。また、背圧値を必要に応じて所望の値まで増大させることができるので、スクリュ溝内の溶融樹脂の混練度合いの制御が容易にできる。
また、強化繊維Fの開繊に必要な十分な後退速度の範囲を実験や数値解析により予め把握している場合などは、所定の加速条件(加速距離または加速度)により、強化繊維Fの開繊に必要な十分な後退速度以上に達するまで、加速させて後退動作させてもよい。あるいは、強化繊維Fの開繊に必要な十分な後退速度を成すのに必要な強制後退力を予め把握している場合は、この強制後退力以上に達するまで後退動作させてもよい。
空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたか否かは、前述したロードセルにより検知することができる。つまり、空隙S1がある状態から空隙S1が充満すると、スクリュ10が溶融樹脂Mから荷重を受けることになるので、スクリュ10を介してこの荷重を検知することにより、空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたことを検知できる。そして、この検知をきっかけに、第2後退を実行する。
空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたことの検知は、ロードセルに限るものでなく、他の手段を適用することができる。空隙S1が溶融樹脂Mで充満すると、スクリュ10は微小量だけ後退することがあるので、この変位を検知することにより、充満を検知することができる。また、加熱シリンダ201を貫通して、加熱シリンダの内部に連通する圧力計を設けることによっても、充満を検知することができる。
次に、スクリュ10を第2後退位置において回転(第2正転,NR2)させることで、溶融樹脂Mを下流に向けて搬送して、図3(e)に示すように、先に形成された空隙S2に補充する。
また、第2後退位置を計量位置に達する前の位置として強制後退を終了した後、スクリュ10の回転によって空隙S2が溶融樹脂Mで充満されたのを検知しても、スクリュ10の回転を停止せずに継続し、溶融樹脂Mの圧力に基づいてあるいは所定の速度でスクリュ10を計量位置まで後退させてもよい。
これにより、前述の第1後退位置でスクリュ10の回転によって空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたのを後述の検知手法によって検知する場合や、スクリュ10の回転を停止せずに継続し、溶融樹脂Mの圧力に基づいてあるいは所定の速度で後退させる場合と同様な効果が得られる。また、通常、可塑化工程終盤の計量完了位置近傍に位置するスクリュから吐出される溶融樹脂は、有効スクリュ長が短い状態で可塑化されるため、せん断力を受ける距離、時間が短い。このため、繊維束の開繊が不十分になりやすいので、可塑化工程終盤の計量完了位置の近傍では、スクリュ10に背圧を負荷しながら可塑化してもよい。これにより、可塑化工程終盤に可塑化される溶融樹脂Mに対する混合又は混練不足を防止することができる。
空隙S2が溶融樹脂Mで充満されたならば、図3(f)に示すように、スクリュ10を前進させて射出工程を行う。この間、スクリュ10は正転及び逆転しない。
本実施形態ではスクリュの強制後退を第1後退および第2後退で示したが、必要に応じて第3後退、第4後退…といった強制後退の回数を増加させてもよい。この時、増加させた第3後退、第4後退…といった強制後退に対しても、本実施形態で示した第1後退および第2後退の様態を同様に適用することができる。
スクリュ10の強制後退を伴う可塑化工程は以上の手順で行われるが、次に、強制後退による作用及び効果を図4(a)〜(d)及び図5(a)〜(d)を参照して説明する。
スクリュ10が正転NR1,2している間は、図4(a),(b)に示すように、スクリュ溝31の中の溶融樹脂Mは、スクリュ10の周方向にせん断力T1を受けることになる。溶融樹脂Mの中に含まれる強化繊維Fは、図4(a)に示すように、強化繊維Fの長さ方向がスクリュ10の回転軸Cの方向(以下、軸方向C)に沿って配列されている繊維束もあれば、図4(b)に示すように、強化繊維Fの長さ方向が軸方向Cに直交する周方向に沿って配列されている繊維束もある。また回転軸Cの方向および軸方向Cに直交する周方向のどちらに対しても任意の角度を有する図示しない方向に強化繊維Fの長さ方向が配列されている繊維束もある。この周方向のせん断力T1は、強化繊維Fの長さ方向が、軸方向に沿って配列されている強化繊維Fの束を開繊する力として働くが、周方向に沿って配列されている強化繊維Fの束に対して開繊する力として働かない。一方、スクリュ10が強制後退FB1,2している間には、図4(c),(d)に示すように、スクリュ溝31の中の溶融樹脂Mは、スクリュ10の軸方向Cに沿うせん断力T2を受ける。このせん断力T2は、図4(c)のように強化繊維Fの長さ方向が、軸方向に沿って配列されている強化繊維Fの束を開繊する力として働かないが、図4(d)のように周方向に沿って配列されている強化繊維Fの束に対して開繊する力として働く。
ところで、通常の可塑化工程においても、溶融樹脂Mの圧力によってスクリュ10は後退するが、この後退速度は樹脂原料の種類、成形温度などに大きく影響を受けるので、所望の後退速度、つまり開繊に必要な十分な後退速度となるように制御することが困難であるため、積極的に強制後退を行う本発明によって、強化繊維Fの開繊を有効かつ実用的に促進することができる。
以上のように、正転に加えて強制後退を行うことにより、軸方向に沿う強化繊維Fと周方向に沿う強化繊維Fの両者に対して、開繊する力を与えることができる。
ここで、図5(a)に示すように、スクリュ10を正転(NR1,2)させると、スクリュ溝31の底面31Aに付着した溶融樹脂Mは速度V1が生じ、これにより、加熱シリンダ201の内壁面201Aに付着した溶融樹脂Mには相対的に速度−V1が生じる。この相対的な速度の差により、図5(c)に示すように、溶融樹脂Mには、スクリュ10の周方向に沿うせん断力T1が生じる。このとき、スクリュ10が正転(NR1,2)する時に発生するスクリュポンプ作用で、第2フライト28の引き側(図5(b)(c)の図中左側)から押し側(図5(b)(c)の図中右側)に向かって圧力が上昇する。よって、強化繊維Fは相対的に押し側が密となり引き側が粗になる。
一方、図5(b)に示すように、スクリュ10を強制後退(FB1,2)させると、スクリュ溝31の底面31Aに付着した溶融樹脂Mは速度V2が生じ、これにより、加熱シリンダ201の内壁面201Aに付着した溶融樹脂Mには相対的に速度−V2が生じる。これにより、スクリュ10が正転(NR1,2)する時に第2フライト28の押し側で密となった強化繊維Fが引きずられて第2フライト28の引き側に移動するため、フライトの押し側の強化繊維Fは密から粗となる、つまり、強化繊維Fの塊繊維束が解きほぐされる効果が得られる。これとともに、速度V2と速度−V2の相対的な速度の差により、図5(d)に示すように、溶融樹脂Mには、スクリュ10の軸方向C、つまりスクリュ溝31の溝幅方向に沿うせん断力T2が生じる。このとき、加熱シリンダ201の内壁面201Aに付着した溶融樹脂Mは、フライト28の引き側(図中の左側)の頂部で掻き取られ、フライト28の引き側の側面28Aに沿ってスクリュ溝31に流れ込む。さらに、スクリュ溝31の底面31A、フライト28の押し側の側面28B、内壁面201Aに沿ってスクリュ溝31に流れ、スクリュ溝31内に、軸方向Cに沿う溶融樹脂Mの旋回流RFが形成される。これにより、図5(d)に示すようにスクリュ溝31内の溝深さ方向に大きさ及び方向の異なる速度の流れが発生する(同様に旋回流RFにより溝幅方向にも大きさ及び方向の異なる速度の流れが発生するが、説明の単純化のためここでは説明しない)。この溝深さ方向の速度の差によりせん断力が発生するが、この速度差は溝幅方向全域に分布することからスクリュ溝31の溝方向全域に渡って強化繊維Fにせん断力を負荷することができ、特に強化繊維Fの長さ方向が、軸方向Cに直交する周方向に沿って配列されている強化繊維Fの束、あるいは周方向と成す角度が小さい強化繊維Fの束に対して開繊する力として働く。
また、図14(c)に示すような、強化繊維Fの供給部近傍などの多数の強化繊維Fの集合である繊維束がフライトの引き側303に、また、溶融樹脂Mがフライトの押し側305に分かれて存在する場合には、この旋回流RFによる溶融樹脂Mが、フライトの引き側303と強化繊維Fの繊維束の間に流れ込むとともに、強化繊維Fの束の内部に入り込むので、繊維束の開繊を促進できる。
また、本実施形態において、スクリュ10は、第1後退、第1正転、第2後退及び第2正転を順に行うので、強化繊維Fは、溝幅方向のせん断力T2と周方向のせん断力T1を交互に受けることになる。これにより、一方向に偏ることなく、それぞれの方向のせん断力によって繊維束が解れながらその都度、位相を変えて異方向のせん断力を受けるので、撹拌力との相乗効果で、単に強制後退とスクリュの回転をそれぞれ単独で行う場合よりも繊維の開繊が促進できる。
以上説明したように、可塑化工程中にスクリュ10の強制後退を行う本実施形態によると、可塑化工程の際に行われるスクリュ10の正転と、スクリュ10の強制後退と、を行う。これにより、スクリュ溝31の内部の溶融樹脂Mに、互いに直交する向きのせん断力T1とせん断力T2を複合して負荷するので、強化繊維Fの長さ方向が任意の方向にランダムに配列される強化繊維Fの繊維束を開繊することができる。したがって、本実施形態によれば、強化繊維Fの開繊不良などによる偏在が解消され、強化繊維Fの分散性の高い繊維強化樹脂を得ることができる。
また、強制後退によりスクリュ溝31内にてスクリュ10の軸方向Cに沿って生じる溶融樹脂Mの旋回流RFは、スクリュ10の全長にわたって発生する。よって、通常、せん断を受けた時間の長いスクリュ10の先端部に到達した強化繊維Fのみならず、スクリュ10の先端部から強化繊維Fを供給するベント孔206までのスクリュ構溝31内にある強化繊維Fにおいても分散性が向上する。これにより、スクリュ溝31内の強化繊維Fが十分に分散し、綿状にスクリュ溝31内に充満した状態となる。このため、可塑化時に高背圧を負荷した場合や、成形運転を中断あるいは終了した際の停機時などスクリュ10の回転の停止によりスクリュ溝31内圧力が低下しスクリュ溝31内の溶融樹脂Mが膨張した場合などに、溶融樹脂Mがベント孔206に逆流しようとしても、溶融樹脂Mが強化繊維Fの綿状の小さい隙間の繊維間を通って逆流する際の流動抵抗が大きくなり逆流量が低下するので、ベントアップを抑制できるとともに、ベントアップにより溶融樹脂Mが2軸型スクリュフィーダー214内に浸入、固化することによる強化繊維Fの供給不良トラブルや2軸型スクリュフィーダー214の故障トラブルを防止できる。
[強制後退のパターン例]
以上で説明した強制後退のパターンは、本発明の一例であり、他のパターンで強制後退を含む可塑化工程を行うことができる。
例えば、図6(a)〜(d)に示すように、1回の強制後退FBを行うことにより、スクリュ10を計量位置まで変位させることができる。
[断続的な強制後退]
また、図7(a)〜(d)に示すように、所定のストロークD1だけ強制後退を行う際に、スクリュ10を例えば1/3×D1ずつ後退、停止(図7(b))、後退、停止(図7(c))…というように、ストロークD1を分割して断続的にスクリュ10を後退させることができる。この断続的な強制後退は、図3(a)〜(d)に示した複数回の強制後退を行うことでスクリュ10を計量位置まで変位させるパターンの各強制後退にも適用することができるし、図6(a)〜(d)に示した1回の強制後退を行うことにより、スクリュ10を計量位置まで変位させるパターンにも適用することができる。また、この断続的な強制後退でのストロークD1の分割距離は、それぞれ均一な距離でも、一部あるいは全部が異なる距離でもよい。またこの断続的な強制後退での各後退速度は均一な速度でも、一部あるいは全部が異なる速度(多段速度)でもよい。
この断続的な強制後退により、強化繊維Fの開繊をより促進することが期待できる。つまり、図8に溶融樹脂のずり速度と溶融粘度の関係を示すが、ずり速度が遅いほど粘度が高い。スクリュ溝31の内部の溶融樹脂Mに流動を起こさせる場合を想定すると、溶融樹脂Mに流れが無く止まっている状態から流れを起こさせる為に力を負荷した瞬間は、溶融樹脂はほぼ固体のような振る舞いをする。つまり、この瞬間の挙動は溶融樹脂の表面に負荷されたせん断力が溶融樹脂の変形に消費されることなく、溶融樹脂内部の強化繊維Fに伝達されて強化繊維Fの繊維束を解きほぐすことができる。更に継続して溶融樹脂にせん断力を負荷することで、加速途中の低ずり速度域の高粘度状態により繊維束に高いせん断力を加えるとともに、溶融樹脂に流れを発生させて、解れた繊維束に攪拌効果を加えられるので、繊維束の開繊を促進することができる。
また、溶融樹脂に発生するせん断力は、溶融粘度値とずり速度値の積であるが、図8に示すとおり、ずり速度が大きいときは粘度が低く、粘度が高いときはずり速度が小さい。よって、大きなせん断力を得るためには粘度とずり速度がバランスよく大きな値となる条件が必要であるが、溶融粘度はずり速度のみでなく、原料樹脂の種類や樹脂温度にも大きく影響を受けるため、粘度と速度がバランスよく大きくなる条件を把握することは、樹脂物性の知見が必要であると共に煩雑であり容易ではない。しかし、断続的な強制後退を行うことにより強制後退の加速途中において、低速から高速まで連続的に変化させるので、連続的に幅広く粘度とずり速度の組合せによるせん断力場を溶融樹脂に負荷して、高せん断力が得られる条件を成し得ることができる。これにより、樹脂物性の知見が無くても、強化繊維Fの開繊に有効な大きなせん断力を負荷できる強制後退条件を実施することができる。
したがって、この動き出しの回数を増やすことにより、スクリュ溝31内の繊維束に有効なせん断力と攪拌力を繰り返し加えられるので、繊維束の開繊度合いを大きくすることができる。
また、この断続的な強制後退をする際のスクリュ10の速度は一定に限るものでなく、速度を変えることができる。例えば、上述した例の場合に、ストロークD1を後退する前半の速度を速くし、後半の速度を遅くすることができるし、この逆にすることもできる。速度が高速から低速にあるいは低速から高速に切り換えられる瞬間は、前述した止まっている状態にせん断力を負荷した場合と同様に、溶融樹脂は固体と同様の振る舞いをするので、強制後退中の速度を変化させることによって、スクリュ溝31内の繊維束に有効なせん断と攪拌力を加えることができる。
また、断続的にスクリュ10を強制後退させる場合に、高速、低速、高速、低速…というように、個々の後退の速度を変えることができる。
また、断続的にスクリュ10を強制後退させる場合に、前述した強化繊維Fの開繊に必要な十分な後退速度以上あるいは強制後退力以上に達するまで後退制御を連続的にあるいは断続的に行うこともできる。
また、以上では、強制後退の際にスクリュ10の回転を停止させているが、スクリュ10を正転させながら強制後退させてもよい。この場合、強制後退している全期間にわたって正転させることができるし、強制後退している一部の期間だけに限って正転させることができる。また、強制後退の後の空隙S1または空隙S2を充満させるためのスクリュ10の正転は第1後退位置あるいは第2後退位置で行っているが、この空隙S1またはS2を充満させるためのスクリュ10の正転は前進させながら行うことができる。この場合、スクリュ10の正転による溶融樹脂によって空隙S1または空隙S2を縮小できると共に、同時にスクリュ10を前進させることにより空隙S1または空隙S2を縮小できるので、空隙S1または空隙S2を短時間で充満させることができ生産性が向上する。このときのスクリュ10の前進速度は、樹脂の圧力によるスクリュ10の後退速度と同程度の前進速度、つまり開繊に必要な十分な移動速度に達しない低速度でもよい。
[気泡処理]
以上の実施形態においては、先に形成された空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたことを検知すると、第1正転から第2後退に転じることにしているが、充満するのを超えて、当該領域を占める溶融樹脂Mに所定の圧力を加える気泡処理を行うことが好ましい。図9(a)〜(d)を参照してその理由を説明する。
図9(a)に示すように、空隙S1に臨む溶融樹脂Mの壁面W1と壁面W2のそれぞれに、空隙S1の形成に伴って発生したガス成分が気泡bとなって顕在化するおそれがある。そうすると、図9(b)に示すように、空隙S1を溶融樹脂Mで充満させただけでは、壁面W1と壁面W2の境界面Wに気泡bがそのまま残り、これが射出成形品の中に欠陥として存在してしまう場合がある。そこで、この境界面Wに圧力を付与することで、気泡bを縮小させてあるいは気泡bを再度、溶融樹脂Mに溶解させて溶融樹脂Mの中に分散させる気泡処理を行うのである。
気泡処理として、以下の第1気泡処理と第2気泡処理の2つの手段を提案する。
第1気泡処理は、空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたことを検知すると、スクリュ10の正転を停止してから、図9(c)に示すように、スクリュ10に前進方向の荷重を加える。これにより、壁面W1と壁面W2の境界面Wに圧力Pを付与して、気泡bを微細にして溶融樹脂Mの中に分散させる。このとき荷重は、スクリュ10を所定の前進速度で、所定の時間、あるいは荷重が所定の荷重Loに到達するまで、あるいはスクリュ10の前進量が所定の値に到達するまで負荷すればよい。その後、第2後退を行う。
スクリュ10に加える荷重条件である、前進速度、負荷時間、荷重Lo、およびスクリュの10前進量は、あらかじめ実験によりその効果が得られる程度を把握して定めればよい。後述する第2気泡処理におけるスクリュ10を正転する時間あるいは角度も同様である。
次に、第2気泡処理は、空隙S1が溶融樹脂Mで充満されたことを検知すると、図9(d)に示すように、スクリュ10を正転NRさせて、溶融樹脂Mを下流に向けて搬送することで、壁面W1と壁面W2の境界面Wに圧力Pを付与する。これにより、当該境界面Wの気泡bを縮小させてあるいは気泡bを再度溶融樹脂に溶解させて溶融樹脂Mの中に分散させる。
第2気泡処理において、スクリュ10は、充満を検知した軸方向の位置を維持したままで正転させることができる。また、スクリュ10を軸方向の後方に移動させながら、スクリュ10を正転させることができる。さらに、スクリュ10に前進方向の荷重Loを加えながら、スクリュ10を正転させることもできる。さらにまた、溶融樹脂Mの圧力に基づいてスクリュ10を軸方向の後方に移動させながら、スクリュ10を正転させ、スクリュ10に前進方向の荷重Loを加えることもできる。
第1気泡処理および第2気泡処理は、比較的小さな空隙S1または空隙S2を充満させる毎に行うことが好ましい。これにより、スクリュ10の前進による負荷する荷重またはスクリュ10の正転による樹脂圧力が、溶融樹脂Mの圧縮変形に消費されることなく、壁面W1と壁面W2の境界面Wに圧力Pを付与することができる。
[スクリュ10の強制前進]
強制後退は、スクリュ溝31の中に、溶融樹脂Mに軸方向の流動を生じさせるために行うものであることは前述したとおりであり、この流動は、強制後退に限るものではなく、スクリュ10と加熱シリンダ201の間に軸方向の変位が起きることにより生じる。したがって、スクリュ10を強制的に前進させても溶融樹脂Mに軸方向の流動を生じさせることができる。そこで、本実施形態は、強制後退に強制前進を組み合せることを提案する。この組み合わせのいくつかのパターンを、図10(a)〜(h)及び図11(a)〜(d)を参照して説明する。
ここでは、強制後退と同じストロークだけ強制前進するパターンを、図10(a)〜(h)を参照して説明する。なお、図10(a),(b)は、強制後退について説明した図3(a),(b)と同じ操作が行われるものとし、図3とは異なる図10(c)以降の手順について説明する。
強制後退(図10(b),第1後退FB1)をした後に、スクリュ10の正転を停止したままで、スクリュ10をストロークD1だけ強制的に前進(以下、第1前進FF1)させる。これにより、図10(c)に示すように、スクリュ10は当初の位置まで戻り、第1後退で生じた空隙S1はスクリュ10及び溶融樹脂Mで占められる。
次に、スクリュ10を回転(第1正転NR1)させることで、溶融樹脂Mを下流に向けて搬送しながら、図10(d)に示すように、スクリュ10を第1後退位置まで後退させる。
次に、図10(e)に示すように、スクリュ10をストロークD1だけ、強制的に後退(第2後退FB2)させ、次いで、図10(f)に示すように、スクリュ10をストロークD1だけ、強制的に前進(第2前進FF2)させる。
次に、スクリュ10を回転(第2正転NR2)させることで、溶融樹脂Mを下流に向けて搬送しながら、図10(g)に示すように、スクリュ10を第2後退位置まで後退させる。第2後退位置は、1ショットに必要な量の溶融樹脂Mが計量されるスクリュ10の位置(計量位置)と一致している。つまり、本実施形態は、等しいストロークで2回の強制後退と2回の強制前進を行うことにより、スクリュ10を計量位置まで後退させている。このとき、第1後退と第2後退で異なったストロークで後退させても支障ない。以後は、図10(h)に示すように、スクリュ10を前進させる射出工程を行う。
強制前進を伴う本実施形態によると、以下の効果を奏する。
つまり、強制後退と強制前進とを行っている間は、図11(a),(b)に示すように、互いに逆向きの溶融樹脂Mの旋回流RF1,RF2が生じる。よって、強制前進を行う本実施形態によると、図11(c),(d)に示すように、強制後退によるせん断力T2とこれとは逆向きのせん断力T3を強化繊維Fに作用させることができる。これにより、一方向に偏ることなく、それぞれの方向のせん断力によって繊維束が解れながら位相を変えて異方向のせん断力を受けて撹拌されることによる相乗効果で強化繊維Fの開繊が促進できる。
以上では、強制後退と強制前進のストロークを同じにした例を示したが、本発明は、強制前進のストロークまたは時間を強制後退よりも小さくすることができる。例えば、図12(a)に示すように、強制後退FBのストロークをD1とすると、強制前進FFのストロークを例えば1/2×D1にすることができる。また、強制後退FBのストロークをD1だけ後退した後、強制前進FFのストロークを1/2×D1だけ前進し、再度ストロークD1だけ強制後退FBをおこなうことを、連続してあるいは断続して行うこともできる。また、所定のストロークD1だけ強制前進を行う際に、スクリュ10を例えば1/3×D1ずつ前進、停止、前進、停止…というように、ストロークD1を分割して断続的にスクリュ10を前進させることができる。また、この断続的な強制前進でのストロークD1の分割距離は、それぞれ均一な距離でも、一部あるいは全部が異なる距離でもよい。またこの断続的な強制前進での各前進速度は均一な速度でも、一部あるいは全部が異なる速度(多段速度)でもよい。
また、強制前進は、ロードセルにより検知した荷重、つまり溶融樹脂Mの圧力、が所定の値に達するまで行ってもよい。これによると、強制後退の際にスクリュ10内部の溶融樹脂Mが空隙S2に流入して、スクリュ10の前方に蓄えられた溶融樹脂Mの量が、強制後退前よりも強制後退後の方が増加し、溶融樹脂の壁面W1がスクリュ側に移動あるいは壁面W2が壁面W1側に移動した状態で、スクリュ10が強制前進によって強制後退前の位置まで前進すると、移動後の壁面W1および壁面W2が当接後に更に押し込まれてスクリュ10の前方に蓄えられた溶融樹脂Mが過剰に圧縮されて高圧となり、溶融樹脂Mの密度が変動などして成形品質が不安定となるのを防止できる。
また、通常の可塑化背圧を負荷しながらスクリュ10を後退させて、スクリュ10の位置が計量完了位置に達する前の所定の位置あるいは計量完了位置に到達後、強制後退と強制前進を交互に繰り返してもよい。このとき、スクリュ10の位置が計量完了位置に達する前の所定の位置から、強制前進と強制後退を行う場合は、強制後退後あるいは強制前進後に、再び通常の可塑化背圧を負荷しながらスクリュ10を後退させてもよい。また、スクリュ10の位置が計量完了位置に達した後、強制前進と強制後退を行う場合は、最後に強制前進により計量完了位置にスクリュ10の位置を戻して計量工程を完了してもよい。
また、以上の説明では、第1後退に引き続き第1前進を行った後に第1正転に移行し、また、第2後退に引き続き第2前進を行った後に第2正転に移行しており、正転の前には強制後退と強制前進を一回ずつしか行っていない。しかし、本発明は、例えば、図12(b)に示すように、強制後退FB、強制前進FF、強制後退FB及び強制前進FFというように、強制後退と強制前進を複数回繰り返すこともできるし、図示はしていないが強制後退FBおよび強制前進FFを行った後、再び強制後退FBをおこなった後、空隙S1または空隙S2を充満させるようにスクリュ10を正転させるといった、強制後退FBと強制前進FFおよびスクリュ10の正転を任意に組み合わせてもよい。これらの場合も、強制前進のストロークまたは時間を強制後退のストロークまたは時間よりも小さくすることができる。
本実施形態の効果を確認する実験を行った。
図15に本実験に使用した射出成型機の制御装置のマンマシンインターフェースであるスクリュ後退速度設定画面を示す。この画面には、強制後退の動作速度を任意の値で入力可能な後退速度設定部と、当該強制後退の動作の動作区間を設定するための切替位置を設定する複数の後退動作区間設定部と、が配置されている。後退速度設定部および後退動作区間設定部は、成形作業者が、他の可塑化条件(設定値および実行値)、特に金型に充填する溶融樹脂量をスクリュの後退により計量するための計量完了スクリュ位置と比較できるように設けられている。本画面には、複数の後退動作区間毎にそれぞれ後退速度が設定できるように、各後退動作区間に対応させた配置で複数の後退速度設定部を設けている。一方で、後退速度を位置基準で切り換えずに一定の後退速度とする場合は、後退速度設定部を1つのみ配置してもよい。また、図15には可塑化の条件を設定する画面(可塑化条件設定画面)の中に、後退速度設定部と後退動作区間設定部を配置しているが、可塑化条件設定画面とは別の画面あるいは異なる部位に設けられた別の入力装置に後退速度設定部と後退動作区間設定部を設けてもよい。また、強制後退を行って金型に充填する溶融樹脂量を計量する制御と、強制後退を行わないで当該溶融樹脂量を計量する制御と、を切り換える切換スイッチを設けてもよい。
また、スクリュ後退速度設定画面の中に、原料樹脂供給装置や強化繊維供給装置の運転条件設定部を、後退速度の設定値や後退動作区間の設定値と比較できるように配置して設けてもよい。
また図15は各後退動作区間をそれぞれ作業者が個別に設定できる画面となっているが、後退動作とスクリュ回転動作を交互に折り返し行う場合で、各後退動作区間が等分でよい場合、または予め決まったパターンあるいは比率で分配してもよい場合は、作業者が分割数を入力するだけで、自動で各後退動作区間を算出および設定できるようにしてもよい。また本画面に、後退動作の加速度を任意の値で入力可能な加速度加速度設定部を設けてもよい。
本実験の結果を図13(a)(b)に示す。なお、図13(a)は、強制後退を行うことなく成形した繊維強化樹脂(従来例)の表面を示し、図13(b)は、図3(a)〜(f)に示すパターンで強制後退を行って成形した繊維強化樹脂(実施例)の表面を示している。
図13(a)に示すように、従来例は、束になっている強化繊維Fが多く存在しており、それが成形品の表面に黒い点となって現れている。これに対して、図13(b)に示すように、実施例は、束になっている開繊不良の強化繊維Fがほとんど存在していないために、従来例のような黒い点が表面に現れていない。
また、強制後退のストロークは、0.1×D(mm)(Dはシリンダ内径)または10(mm)のいずれか小さい方のストローク未満の場合、強化繊維Fの開繊が十分でない場合があった。これは、強制後退のストロークが0.1×D(mm)または10(mm)のいずれか小さい方のストローク未満の場合、スクリュ構内で絡み合った強化繊維Fを十分な距離引き延ばすことができないので、絡み合いで屈曲し変形した強化繊維Fが伸延びるだけで引き離すことができずに、絡み合いを崩して開繊させるに至れなかったためと考える。このことから、スクリュ10の強制後退のストロークは、0.1×D(mm)(Dはシリンダ内径)または10(mm)のいずれか小さい方のストローク以上であることが好ましい。しかし、強制後退のストロークを大きくすると、絡み合った強化繊維Fを十分な距離引き離すことができるが、後退に要する時間が長くなる。これは、可塑化工程の所要時間、つまり可塑化開始から完了までの時間が長くなるため、生産性の低下に繋がる。このことから、強制後退のストロークは、2.0×D(mm)以下であることが好ましい。これらは、後退動作とスクリュ回転動作を交互に繰り返し行う場合の各1回の後退動作距離でも同様であった。よって、スクリュ10の強制後退のストロークは、0.1×D(mm)または10(mm)のいずれか小さい方のストローク以上であることが好ましく、更に、強制後退のストロークは、2.0×D(mm)以下が好ましい。更に好ましくは、強制後退のストロークは、0.2×D(mm)または20(mm)のいずれか小さい方のストローク以上で、且つ1.5×D(mm)以下の範囲が最も好ましい。
また、後退速度が、5(mm/s)または、0.05×D(mm/s)(Dはシリンダ内径)のいずれか小さい方の速度以上であることによって、本発明の効果を有効に得られることを知見するに至った。ところで、溶融樹脂Mから強化繊維Fに負荷されるせん断力は、よく知られている通り、溶融樹脂Mの粘度とずり速度(変形速度)の積に比例するので、溶融樹脂Mに負荷する速度が大きいほど強化繊維Fに開繊力として働くせん断力が大きくなる。後退速度が5(mm/s)あるいは0.05×D(mm/s)のいずれか小さい方の速度未満である場合、スクリュ溝内で絡み合った強化繊維Fに十分なせん断力を負荷することができずに、繊維束を解きほぐすことができず、絡み合った繊維束同士にズレを発生させる或いは繊維束を穏やかに変形させるだけで、繊維束の結束と絡み合いを崩して開繊させることができないためと思われる。またことのとから、旋回流RFの速度(V2,−V2)は、スクリュ後退速度と略実質的に同一であることから、スクリュ溝内の旋回流RFの速度(V2,−V2)が、5(mm/s)または、0.05×D(mm/s)(Dはシリンダ内径)のいずれか小さい方の速度以上とすることが、強化繊維Fの開維に有効であると考える。
また、ずり速度の変化度合いを示す後退動作の加速度が5(mm/s)未満である場合、強化繊維Fの開繊が十分でない場合があった。これは、溶融樹脂Mはずり速度の変化が緩やかな場合は容易に変形するため、後退動作の加速度が5(mm/s)未満と小さい場合、繊維束間に介在する溶融樹脂Mが緩やかに変形して、せん断力が溶融樹脂Mの変形に消費されてしまい繊維束の開繊に有効に働かないためと考えられる。このことから後退動作の加速度は5(mm/s)以上であることが好ましい。後退動作の加速度は、更に50(mm/s)以上が好ましく、更に500(mm/s)以上が最も好ましい。500(mm/s)以上の加速度で後退動作を行った場合では、いずれの実験条件においても強化繊維Fの開繊不良が発生しなかった。
また、後退動作の加速距離は、0.1×D(mm)または10(mm)のいずれか小さい方のストローク未満であることが好ましい。前述の通り本発明の効果を得られる後退ストロークの下限値が、0.1×D(mm)または10(mm)のいずれか小さい方のストロークであることから、加速に、0.1×D(mm)または10(mm)のいずれか小さい方のストローク以上を必要とすると、強化繊維Fの開繊に有効な後退速度で後退動作する区間が一瞬で終わってしまい、原料樹脂によってはユーザが必要とする成形品質を満足するレベルに達しない場合があるためである。
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、強制後退のパターンとして、基礎的強制後退、断続的な強制後退、気泡処理、スクリュ10の強制前進、の大きく4通りの強制後退のパターンを示したが、この内、任意の複数の強制後退のパターンを任意の順序で組み合わせて強制後退をさせてもよい。
また、本発明が適用される射出成形機のスクリュ10は本実施形態に示した2ステージ型のデザインに限るものではなく、第2ステージの下流側に、さらに供給部、圧縮部、計量部を備えた第3ステージを備える3ステージ型のデザインとすることができる。この場合、第3ステージに、溶融樹脂へ機能部材を添加しあるいは揮発物質を脱気するといった機能などを追加してもよい。また、本発明は、供給部、圧縮部、計量部を1カ所ずつ有するような1ステージ型のスクリュ10を用い、樹脂ペレットPと強化繊維Fを同じホッパから供給するタイプの可塑化ユニットに適用することもできる。
また、本発明は、スクリュを備える可塑化装置と射出装置とを個別に備えるプリプラ方式と称される射出成形機に適用することができる。この成形機は、樹脂ペレットPと強化繊維Fを可塑化装置で可塑化させ、これを射出装置のプランジャへ送り込んだ後、プランジャを前進させて射出成形する。本発明はこのプリプラ方式の射出成形機の可塑化装置に適用することができる。
本発明の可塑化ユニット200は、繊維供給装置213及び樹脂供給ホッパ207を加熱シリンダ201に対して固定させているが、スクリュ10の軸方向に移動する可動式のホッパにすることができる。特に繊維供給装置213に複数軸型の計量フィーダーを用いる場合には、スクリュ10の長手方向に複数のフィーダーを平行に連結配置し、可塑化工程において強化繊維Fを供給するフィーダーを切り替えて使用してもよい。具体的には可塑化工程開始時は、スクリュ10の先端側に配置したフィーダーから強化繊維Fを供給し、可塑化工程においてスクリュ10が後退するのに伴い、スクリュ10と繊維が吐出してくるフィーダースクリュとの相対位置が変化しないように、強化繊維Fを供給するフィーダーを後方側に順々に切り替えていってもよい。これによって、スクリュ10の後退および射出時のスクリュ10の前進による、加熱シリンダ201とスクリュ10の相対位置の変化にかかわらず、スクリュ10に対する強化繊維Fの供給位置を一定とすることができる。
具体的には、可塑化が完了したときの繊維供給フィーダースクリュの位置、つまり、強化繊維Fが充填されている最後部のスクリュ溝の位置を、射出により前進したスクリュ位置において、次の可塑化開始時の繊維供給フィーダースクリュの位置と一致させることができるので、繊維供給装置213より下流のスクリュ溝に連続して強化繊維Fを供給でき、繊維供給装置213より下流のスクリュ10の溝内で強化繊維Fが充填されていない領域の発生の防止あるいは抑制に有効である。
また、フィーダースクリュの切り替え方は、単なるON/OFF制御でもよいし、隣り合うスクリュフィーダーの回転数を連携して変化させてもよい。具体的にはスクリュの後退に伴い下流側のスクリュフィーダーの回転数を徐々に低下させるとともに後方側のスクリュフィーダーの回転数を徐々に増加させてもよい。
また強化繊維Fの加熱シリンダ201への供給は、射出工程や可塑化工程のみでなく、例えば保圧工程や射出待機工程(可塑化工程完了から射出工程開始までの間)においても行ってよい。保圧工程中や射出待機工程中は、スクリュ10が回転および前進あるいは後退を行わないので、フライトの移動によってベント孔が断続的に封鎖されることがない。このため安定して強化繊維をスクリュ10の溝内に供給することができる。
また繊維供給装置213には、強化繊維Fのみでなく、粉状あるいはペレット状の原料樹脂を混合した強化繊維Fを供給してもよい。この場合、強化繊維F間に溶融樹脂Mが浸入しにくくても、混合した原料樹脂が強化繊維Fの束中で溶融し、繊維束の中に入り込んで繊維束の解繊を促進できる。
また、本発明に適用される樹脂、強化繊維は、特に限定されるものでなく、ポリプロピレンやポリエチレンなどの汎用樹脂や、ポリアミドやポリカーボネートなどのエンジニアリングプラスチックなどの公知の樹脂、およびガラス繊維、炭素繊維、竹繊維、麻繊維などの公知の強化繊維など、公知の材質を広く包含している。なお、本発明の効果を顕著に得るには、強化繊維の含有量が10%以上と高含有率な繊維強化樹脂を対象とするのが好ましい。しかし、強化繊維の含有率が70%を超えるとスクリュ溝内の強化繊維の搬送抵抗が大きくなるので、比較的樹脂の搬送能力の低い小径フライトを用いる本発明では、強化繊維を搬送することが困難となり、強化繊維がスクリュ溝内を閉塞してベント孔部でベントアップを発生してしまうおそれがある。このため、本発明に適用される強化繊維は含有率が10〜70%であることが好ましく、さらには15〜50%であることが好ましい。
また、本発明の効果は、特に繊維長が6mm以上の強化繊維を使用した成形で顕著に得ることができる。更に言えば、繊維長が9mm以上のチョップド繊維あるいはロービング繊維を使用した成形で顕著に得ることができる。
また、本発明において、添加成分として強化繊維に代えて、または強化繊維あるいは樹脂原料と組み合わせて、添加剤、充填物質などの溶融樹脂M中に均一分散することで成形品の品質や価値が向上する添加成分を適用してもよい。例えば、加熱シリンダの上流側の供給孔から樹脂原料を供給し、下流側の供給孔から強化繊維を供給する場合は、下流側の供給孔から強化繊維に代えてあるいは強化繊維とともに添加剤および/または充填物質を供給してもよいし、加熱シリンダの上流側の供給孔から樹脂原料とともに添加剤および/または充填物質を供給し、下流側の供給孔から強化繊維を供給してもよい。また、強化繊維と樹脂原料とを、加熱シリンダの同じ供給孔から供給する場合は、強化繊維に代えてあるいは強化繊維とともに添加剤および/または充填物質を加熱シリンダに供給してもよいし、上流側と下流側の供給孔の両方から、添加剤および/または充填物質を加熱シリンダに供給してもよい。また、これらを適宜組み合わせて、例えば添加剤を上流側の供給孔から供給し、充填物質を下流側の供給孔から加熱シリンダに供給するなど、添加剤、充填物質を加熱シリンダに供給してもよい。
本発明の添加剤としては、熱可塑性樹脂を成形する時の、成形性や熱安定性を付与するものや、熱可塑性樹脂成形品が使用される環境下での耐久性を向上させるものである。具体的には、安定剤(酸化防止剤、熱劣化防止剤、加水分解防止剤)、光安定剤、紫外線吸収剤、滑剤、離型剤、可塑剤、摺動性向上剤、難燃剤、発泡剤、帯電防止剤、分散剤、核剤、着色剤等であり、これらの添加剤は、一種或いは二種以上を混合して用いる事ができる。
また本発明の充填物質としては、熱可塑性樹脂成形品の強度、剛性、耐熱性等の諸特性を向上させるためのものであり、通常使用されているものである。具体的には、ガラスビーズ、ガラスフレーク、ガラスバルーン等のガラス系強化剤、タルク、クレー、マイカ、ウォラストナイト、モンモリロナイト、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウム等のケイ酸塩系強化剤、硫酸バリウム等の硫酸塩系強化剤、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸亜鉛等の炭酸塩系強化剤、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の水酸化物強化剤、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化アンチモン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化珪素等の酸化物強化剤、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維等の炭素系強化剤、アルミ、銅、鉄、ボロン、ステンレスの繊維、粉及びフレークなどの金属系強化剤、炭化珪素、窒化ホウ素やチタン酸カリウムウィスカー、ほう酸アルミニウムウィスカー、カップリング剤、酸変性樹脂バインダ剤、ゴム成分、等が例示される。本発明においては、これらの充填物質を一種或いは二種以上を混合して用いる事ができる。また、特に、加熱シリンダの上流側の供給孔から樹脂原料を供給し、下流側の供給孔から添加成分を供給する場合は、添加成分がスクリュ溝内で熱を受ける時間を短くできるため、木材パルプ、紙屑、古紙及びウールなどの低耐熱性の添加成分でも、熱劣化を抑制しながら溶融樹脂中に均一分散させることができる。
1 射出成形機
10 スクリュ
21 第1ステージ
22 第2ステージ
23 供給部
24 圧縮部
25 供給部
26 圧縮部
27 第1フライト
28 第2フライト
28A 側面
28B 側面
31 スクリュ溝
31A 底面
50 制御部
70 計量部
71 計量部
100 型締ユニット
101 ベースフレーム
103 固定金型
105 固定ダイプレート
107 摺動部材
109 可動金型
111 可動ダイプレート
113 油圧シリンダ
115 タイバー
117 油圧シリンダ
119 ラム
121 雄ねじ部
123 ナット
200 可塑化ユニット
201 加熱シリンダ
201A 内壁面
203 吐出ノズル
206 ベント孔
207 樹脂供給ホッパ
208 供給孔
209 第1電動機
211 第2電動機
213 繊維供給装置
214 2軸型スクリュフィーダー
215 ペレット供給装置
218 ロービングカッター
300 スクリュ
301 スクリュ溝
303 引き側
305 押し側
306 フライト
310 シリンダ
F 強化繊維
M 溶融樹脂
b 気泡
P 樹脂ペレット
S1 空隙
S2 空隙
W1 壁面
W2 壁面
W 境界面

Claims (46)

  1. 回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、前記回転軸に沿って前進及び後退が可能なスクリュを備えるシリンダに、強化繊維からなる、ロービング状態あるいはチョップドストランド状態の、繊維束と樹脂原料を供給し、前記スクリュを正転させることにより、溶融樹脂を生成する可塑化工程と、
    前記強化繊維を含む前記溶融樹脂を、キャビティに向けて射出する射出工程と、を備え、
    前記可塑化工程において、
    前記スクリュの先端より下流側に空隙が形成可能な所定のストロークまたは所定の時間だけ、前記スクリュを強制的に後退させる後退動作により、前記スクリュの溝の内部の前記溶融樹脂に含まれる前記繊維束に、前記スクリュの回転により生ずるせん断力の向きとは異なる向きのせん断力を負荷して、
    前記強化繊維を含む前記溶融樹脂に、前記スクリュの回転軸方向に旋回流を生じさせ、かつ、
    前記可塑化工程において、
    前記後退動作と、
    前記後退動作の後に、前記スクリュを正転させる回転動作と、を行い、前記繊維束の分散を促進させる、
    ことを特徴とする強化繊維含有樹脂の射出成形方法。
  2. 前記樹脂原料は前記シリンダの上流側から供給し、前記繊維束は前記シリンダの下流側から供給する、
    請求項1に記載の射出成形方法。
  3. 前記繊維束と前記樹脂原料とを、前記シリンダの同じ供給孔から供給する、
    請求項1に記載の射出成形方法。
  4. 前記せん断力は、
    前記スクリュの前記回転軸方向に沿うせん断力T2と、
    前記回転軸方向に直交する周方向のせん断力T1と、を含む、
    請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  5. 前記旋回流の速度が、5(mm/s)あるいは、0.05×D(mm/s)(Dは前記シリンダの内径)のいずれか小さい方の速度以上である、
    請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  6. 前記後退動作と、前記回転動作と、を交互に繰り返す、
    請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  7. 先行する前記後退動作を行うことにより前記スクリュの前方に形成された、前記溶融樹脂が存在しない空隙が、前記回転動作を行うことにより前記溶融樹脂で充満されたことを検知した後に、後続の前記後退動作を行う、
    請求項6に記載の射出成形方法。
  8. 前記回転動作が、前記スクリュの前記回転軸の方向における位置を維持したままで、あるいは前記スクリュを前進させながら、前記スクリュを回転させる回転動作である、
    請求項〜請求項7のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  9. 前記空隙が前記溶融樹脂で充満された後に、前記スクリュに前進方向の力を負荷することにより、前記前進方向の力を当該溶融樹脂に負荷する、請求項7または請求項8に記載の射出成形方法。
  10. 前記スクリュを正転させて前記溶融樹脂を前記前進方向に搬送することにより、前記前進方向の力を負荷する、
    請求項9に記載の射出成形方法。
  11. 前記溶融樹脂の圧力に基づいて前記スクリュを軸方向の後方に移動させながら、前記スクリュを正転させて前記溶融樹脂を前記前進方向に搬送することにより、前記前進方向の力を負荷する、
    請求項10に記載の射出成形方法。
  12. 前記可塑化工程において、
    前記後退動作と、
    前記後退動作を行った後に、所定のストロークまたは所定の時間だけ、または前記溶融樹脂の圧力が所定の圧力に達したのを検知するまで、前記スクリュを強制的に前進させる前進動作と、
    を行う、
    請求項1に記載の射出成形方法。
  13. 前記可塑化工程において、
    前記前進動作の後に、前記スクリュを正転させる回転動作と、を行う、
    請求項12に記載の射出成形方法。
  14. 前記後退動作と、前記前進動作と、を交互に繰り返し、前記後退動作または前記前進動作の後に前記回転動作を行う、
    請求項13に記載の射出成形方法。
  15. 前記前進動作の前進距離または前進時間が、前記後退動作の後退距離または後退時間よりも短い前進動作である、
    請求項13に記載の射出成形方法。
  16. 前記後退動作において、
    前記所定のストロークあるいは前記所定の時間を分割して、連続的に、又は、断続的に、前記スクリュを強制的に後退させる、
    請求項4〜請求項14のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  17. 前記後退動作は、少なくとも所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達するまで継続する、
    請求項3に記載の射出成形方法。
  18. 前記少なくとも所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達するまで継続する後退動作を、連続的に、又は、断続的に、行って、前記スクリュを強制的に後退させる、
    請求項17に記載の射出成形方法。
  19. 前記後退動作の加速度が5(mm/s)以上である、
    請求項1〜請求項18のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  20. 前記所定のストロークが、10(mm)あるいは、0.1×D(mm)のいずれか小さい方のストローク以上である、
    請求項1〜請求項18のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  21. 前記前進動作において、
    前記所定のストロークあるいは前記所定の時間を分割して、連続的に、又は、断続的に、前記スクリュを強制的に前進させる、
    請求項12〜請求項14のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  22. 先行する前記後退動作を行うことにより前記スクリュの前方に形成された、前記溶融樹脂が存在しない空隙が、前記回転動作を行うことにより前記溶融樹脂で充満されたことを検知した後に、前進方向の力を当該溶融樹脂に負荷する、
    請求項6に記載の射出成形方法。
  23. 前記溶融樹脂で充満されたことを検知した後に、前記スクリュの前記回転動作を継続して、前記溶融樹脂の圧力に基づいて前記スクリュを軸方向の後方に移動させながら、前記溶融樹脂を前記前進方向に搬送することにより、前記前進方向の力を当該溶融樹脂に負荷する、請求項22に記載の射出成形方法。
  24. 前記強化繊維の繊維長が3mm以上である、
    請求項〜請求項23のいずれか一項に記載の射出成形方法。
  25. 前方側に吐出ノズルが設けられ、強化繊維を供給する強化繊維供給孔を備えたシリンダと、
    前記シリンダの内部に、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、前記回転軸に沿って前進及び後退が可能に設けられたスクリュと、
    前記スクリュの動作を制御する制御プログラムを有する制御部と、を備え、
    前記スクリュを正転させることにより、前記シリンダに供給された前記強化繊維にせん断力を与えて、溶融樹脂を生成する可塑化する射出成形機であって、
    前記強化繊維供給孔は、前記強化繊維からなる繊維束を供給する強化繊維供給孔であり、
    前記制御部は、
    前記可塑化において、
    前記スクリュの先端より下流側に空隙が形成可能な所定のストロークまたは所定の時間だけ、前記スクリュを強制的に後退させる後退動作により、前記スクリュの溝の内部の前記溶融樹脂に含まれる前記繊維束に、前記スクリュの回転により生ずるせん断力の向きとは異なる向きのせん断力を負荷して、前記強化繊維を含む前記溶融樹脂に、前記スクリュの回転軸方向に旋回流を生じさせ、かつ、
    前記可塑化において、
    前記後退動作と、
    前記後退動作の後に、前記スクリュを正転させる回転動作と、を行い、前記繊維束の分散を促進させる、
    前記スクリュに関する前記制御プログラムを有するとともに、前記スクリュの後退速度を任意の値に設定可能な後退動作速度入力設定部を有する、
    ことを特徴とする射出成形機。
  26. 前記シリンダは、
    前記強化繊維供給孔の上流側に樹脂原料を供給する樹脂供給孔を備える、
    請求項25に記載の射出成形機。
  27. 前記強化繊維供給孔は、前記繊維束および樹脂原料供給する強化繊維供給孔である、
    請求項25に記載の射出成形機。
  28. 前記制御部は、
    前記後退動作として、
    所定のストロークまたは所定の時間だけ、前記スクリュを強制的に後退させる、
    請求項25〜請求項27のいずれか一項に記載の射出成形機。
  29. 前記制御部は、
    前記可塑化において、
    前記後退動作と、
    前記後退動作の後に、前記スクリュを正転させる回転動作と、をさせる、
    請求項25〜請求項28のいずれか一項に記載の射出成形機。
  30. 前記後退動作と、前記回転動作と、を交互に繰り返す、
    請求項29に記載の射成形機。
  31. 先行する前記後退動作を行うことにより前記スクリュの前方に形成された、前記溶融樹脂が存在しない空隙が、前記回転動作を行うことにより前記溶融樹脂で充満されたことを検知した後に、後続の前記後退動作を行う、
    請求項30に記載の射出成形機。
  32. 前記回転動作が、前記スクリュの前記回転軸の方向における位置を維持したままで、あるいは前記スクリュを前進させながら、前記スクリュを回転させる回転動作である、
    請求項29〜請求項31のいずれか一項に記載の射出成形機。
  33. 前記空隙が前記溶融樹脂で充満された後に、前記スクリュに前記前進方向の力を負荷することにより、前記前進方向の力を当該溶融樹脂に負荷する、請求項31または請求項32に記載の射出成形機。
  34. 前記スクリュを正転させて前記溶融樹脂を前記前進方向に搬送することにより、前記前進方向の力を負荷する、
    請求項33に記載の射出成形機。
  35. 前記溶融樹脂の圧力に基づいて前記スクリュを軸方向の後方に移動させながら、前記スクリュを正転させて前記溶融樹脂を前記前進方向に搬送することにより、前記前進方向の力を負荷する、
    請求項34に記載の射出成形機。
  36. 前記可塑化工程において、
    前記後退動作と、
    前記後退動作を行った後に、所定のストロークまたは所定の時間だけ、または前記溶融樹脂の圧力が所定の圧力に達したのを検知するまで、前記スクリュを強制的に前進させる前進動作と、
    前記前進動作の後に、前記スクリュを正転させる回転動作と、を行う、
    請求項28に記載の射出成形機。
  37. 前記後退動作と、前記前進動作と、を交互に繰り返し、前記後退動作または前記前進動作の後に前記回転動作を行う、
    請求項36に記載の射出成形機。
  38. 前記前進動作の前進距離または前進時間が、前記後退動作の後退距離または後退時間よりも短い前進動作である、
    請求項37に記載の射出成形機。
  39. 前記後退動作において、
    前記所定のストロークあるいは前記所定の時間を分割して、連続的に、又は、断続的に、前記スクリュを強制的に後退させる、
    請求項28〜請求項38のいずれか一項に記載の射出成形機。
  40. 前記スクリュを強制的に後退させる動作は、少なくとも所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達するまで継続する、
    請求項25に記載の射出成形機。
  41. 前記後退動作の加速度が5(mm/s)以上である、
    請求項40に記載の射出成形機。
  42. 前記後退動作の開始位置から10(mm)あるいは、0.1×D(mm)のいずれか小さい方のストローク(mm)以下で前記所定の後退速度に到達可能な、
    請求項40または請求項41に記載の射出成形機。
  43. 前記少なくとも所定の後退速度あるいは所定の後退力に到達するまで継続する後退動作を、連続的に、又は、断続的に、行って、前記スクリュを強制的に後退させる、
    請求項40〜請求項42のいずれか一項に記載の射出成形機。
  44. 前記前進動作において、
    前記所定のストロークあるいは前記所定の時間を分割して、連続的に、又は、断続的に、前記スクリュを強制的に前進させる、
    請求項36〜請求項39のいずれか一項に記載の射出成形機。
  45. 前記強化繊維の繊維長が3mm以上である、
    請求項25〜請求項44のいずれか一項に記載の射出成形機
  46. 上流側に樹脂原料を供給する樹脂供給孔と、前記樹脂供給孔の下流側に強化繊維を供給する繊維供給孔と、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、前記回転軸に沿って前進及び後退が可能なスクリュとを備える射出成形機のシリンダに、
    前記樹脂供給孔から前記樹脂原料を供給し、前記繊維供給孔から前記強化繊維からなる、ロービング状態あるいはチョップドストランド状態の、繊維束を供給するとともに、前記スクリュを正転させることにより、前記強化繊維を含有した溶融樹脂を生成する可塑化工程において、
    前記スクリュの先端より下流側に空隙が形成可能な所定のストロークまたは所定の時間だけ、前記スクリュを強制的に後退させる後退動作であって、
    5(mm/s)あるいは、0.05×D(mm/s)(Dは前記シリンダの内径)のいずれか小さい方の速度以上で、前記スクリュを強制後退させて、
    前記強制後退により前記スクリュの溝の内部の前記溶融樹脂に生じる、前記スクリュの回転軸方向の旋回流で、前記溶融樹脂を攪拌することにより前記繊維束にせん断力を付与し、かつ、
    前記可塑化工程において、
    前記後退動作と、
    前記後退動作の後に、前記スクリュを正転させる回転動作と、を行う、ことを特徴とする溶融樹脂中に含まれる強化繊維の開繊方法。
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