JP6625348B2 - 射出成形機 - Google Patents

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Description

本発明は、射出成形機に関する。
射出成形機は、金型装置のキャビティ空間に成形材料を充填する射出装置を有する。射出装置は、成形材料を加熱するシリンダと、シリンダ内に回転自在に配設されるスクリュとを有する。スクリュは、回転軸と、回転軸の外周から突出する螺旋状のフライトとを有する。フライトにより螺旋状の溝が形成され、溝の上流部に成形材料が供給される。射出装置は、回転軸を回転させることにより、溝に沿って上流側から下流側に成形材料を送る。成形材料は、下流側に送られながら、シリンダからの熱によって徐々に溶融される。未溶融の成形材料が下流側に流れるのを抑制するため、サブフライトがスクリュに形成されることがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−185342号公報
従来、成形材料の溶融状態が不明であった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、成形材料の溶融状態を把握できる、射出成形機の提供を主な目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
成形材料を加熱するシリンダと、前記シリンダ内に回転自在に配設されるスクリュとを有する射出装置と、
前記射出装置の温度を監視する監視装置とを備え、
前記スクリュは、回転軸と、前記回転軸の外周から突出する螺旋状の第1フライトと、前記第1フライトにより形成される溝を区画する螺旋状の第2フライトとを有し、
前記第2フライトの高さは、前記第1フライトの高さよりも低く、
前記監視装置は、前記スクリュの回転時に前記第2フライトおよび/またはその付近の温度を監視し、前記第2フライトが形成されていない区間の温度から前記第2フライトが形成されている区間の温度を引いた差が閾値以上である場合、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する、射出成形機が提供される。
本発明の一態様によれば、成形材料の溶融状態を把握できる、射出成形機が提供される。
一実施形態による射出成形機を示す図である。 一実施形態による射出装置の一部を拡大して示す図である。 一実施形態による射出装置の温度分布を示す図であって、シリンダにおける内壁近傍の軸方向温度分布を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。
図1は、一実施形態による射出成形機を示す図である。射出成形機は、射出装置40と、コントローラ90とを有する。
射出装置40は、金型装置30に対し進退自在とされる。射出装置40は、金型装置30にタッチされ、金型装置30のキャビティ空間34に成形材料を充填する。金型装置30は、固定金型32と可動金型33とで構成される。固定金型32に対し可動金型33を進退させることにより、金型装置30の型閉、型締、型開が行われる。型締状態の固定金型32と可動金型33との間にキャビティ空間34が形成される。キャビティ空間34内に充填された成形材料を固化することで、成形品が得られる。その後、金型装置30の型開が行われ、金型装置30から成形品が突き出される。
射出装置40は、例えばシリンダ41、ノズル42、スクリュ43、計量モータ45、射出モータ46、および圧力検出器47を有する。以下、充填時のスクリュ43の移動方向(図1中左方向)を前方とし、計量時のスクリュ43の移動方向(図1中右方向)を後方として説明する。
シリンダ41は、供給口41aから供給された成形材料を加熱する。供給口41aはシリンダ41の後部に形成される。
シリンダ41の外周には、ヒータなどの加熱源Hが設けられる。加熱源Hは、シリンダ41の軸方向に複数設けられる。シリンダ41の軸方向における温度分布が設定温度分布になるように、コントローラ90が複数の加熱源Hを独立に制御する。
シリンダ41の温度は、熱電対などの温度計Tにより測定される。温度計Tは、シリンダ41の軸方向に複数設けられ、それぞれの測定温度をコントローラ90に出力する。コントローラ90は、測定温度と設定温度の偏差がゼロになるように加熱源Hを制御する。
ノズル42は、シリンダ41の前端部に設けられ、金型装置30に対して押し付けられる。
スクリュ43は、シリンダ41内において回転自在に且つ進退自在に配設される。スクリュ43の詳細については後述する。
計量モータ45は、スクリュ43を回転させることにより、スクリュ43の螺旋状の溝に沿って成形材料を前方に送る。成形材料は、前方に送られながら、シリンダ41からの熱によって徐々に溶融される。液状の成形材料がスクリュ43の前方に送られシリンダ41の前部に蓄積されるにつれ、スクリュ43が後退させられる。
射出モータ46は、スクリュ43を進退させる。射出モータ46は、スクリュ43を前進させることにより、スクリュ43の前方に蓄積された液状の成形材料を金型装置30のキャビティ空間34に充填させる。その後、射出モータ46は、スクリュ43を前方に押し、キャビティ空間34内の成形材料に圧力をかける。不足分の成形材料が補充できる。射出モータ46とスクリュ43との間には、射出モータ46の回転運動をスクリュ43の直線運動に変換する運動変換機構が設けられる。
圧力検出器47は、例えば射出モータ46とスクリュ43との間に配設され、スクリュ43が成形材料から受ける圧力、スクリュ43に対する背圧などを検出する。スクリュ43が成形材料から受ける圧力は、スクリュ43から成形材料に作用する圧力に対応する。
コントローラ90は、CPU(Central Processing Unit)91と、メモリなどの記憶媒体92とを有する。コントローラ90は、記憶媒体92に記憶されたプログラムをCPU91に実行させることにより、射出装置40などを制御する。コントローラ90が特許請求の範囲に記載の監視装置に対応する。尚、監視装置は、コントローラ90とは別に設けられてもよい。
コントローラ90は、充填工程、保圧工程、および冷却工程などの一連の工程を行うことにより、成形品を製造する成形動作を行う。コントローラ90は、これらの一連の工程を繰り返し行うことにより、成形品を繰り返し製造するサイクル運転を行う。成形サイクルの短縮のため、冷却工程中に、計量工程が行われてよい。
充填工程では、射出モータ46を駆動してスクリュ43を設定速度で前進させ、スクリュ43の前方に蓄積された液状の成形材料を金型装置30内に充填させる。スクリュ43の位置や速度は、例えば射出モータ46のエンコーダ46aにより検出される。スクリュ43の位置が所定位置に達すると、充填工程から保圧工程への切替(所謂、V/P切替)が行われる。
尚、充填工程においてスクリュ43の位置が所定位置に達した後、その所定位置にスクリュ43を一時停止させ、その後にV/P切替が行われてもよい。V/P切替の直前において、スクリュ43の停止の代わりに、スクリュ43の微速前進または微速後退が行われてもよい。
保圧工程では、射出モータ46を駆動してスクリュ43を設定圧力で前方に押し、金型装置30内の成形材料に圧力をかける。不足分の成形材料が補充できる。成形材料の圧力は、例えば圧力検出器47により検出される。保圧工程後、冷却工程が開始される。冷却工程では、キャビティ空間34内の成形材料の固化が行われる。冷却工程中に計量工程が行われてよい。
計量工程では、計量モータ45を駆動してスクリュ43を設定回転数で回転させ、スクリュ43の螺旋状の溝に沿って成形材料を前方に送る。これに伴い、成形材料が徐々に溶融される。液状の成形材料がスクリュ43の前方に送られシリンダ41の前部に蓄積されるにつれ、スクリュ43が後退させられる。スクリュ43の回転数は、例えば計量モータ45のエンコーダ45aにより検出される。
計量工程では、スクリュ43の急激な後退を制限すべく、射出モータ46を駆動してスクリュ43に対して設定背圧を加えてよい。スクリュ43に対する背圧は、例えば圧力検出器47により検出される。スクリュ43が所定位置まで後退し、スクリュ43の前方に所定量の成形材料が蓄積されると、計量工程が終了する。
尚、本実施形態の射出装置40は、インライン・スクリュ方式であるが、プリプラ方式などでもよい。プリプラ方式の射出装置は、可塑化シリンダ内で溶融された成形材料を射出シリンダに供給し、射出シリンダから金型装置内に成形材料を射出する。可塑化シリンダ内にはスクリュが回転自在にまたは回転自在に且つ進退自在に配設され、射出シリンダ内にはプランジャが進退自在に配設される。この場合、可塑化シリンダが特許請求の範囲に記載のシリンダに対応する。
ところで、スクリュ43は、回転軸431と、回転軸431の外周から突出する螺旋状のフライト432とを有する。フライト432により螺旋状の溝433が形成され、溝433に沿って上流側(図中右側)から下流側(図中左側)に成形材料が送られる。フライト432が特許請求の範囲に記載の第1フライトに対応する。
スクリュ43は、上流側から下流側に向けて、第1区間Z1、第2区間Z2、第3区間Z3をこの順で有する。第1区間Z1は、成形材料の固相が存在する区間である。第2区間Z2は、成形材料の固相と液相の両方が存在する区間である。第3区間Z3は、成形材料の液相が存在する区間である。
溝433の深さは、第1区間Z1で深く、第3区間Z3で浅く、第2区間Z2において上流側から下流側に向かうほど浅い。この場合、第1区間Z1は供給部、第2区間Z2は圧縮部、第3区間Z3は計量部とも呼ばれる。
尚、溝433の深さは一定でもよい。
図2は、一実施形態による射出装置の一部を拡大して示す図である。図2において、一点鎖線はスクリュ43の中心線を表す。スクリュ43は、図2などに示すように、回転軸431の外周から突出する螺旋状のサブフライト435をさらに有する。サブフライト435が特許請求の範囲に記載の第2フライトに対応する。
サブフライト435は、フライト432により形成される溝433を区画する。サブフライト435の高さは、フライト432の高さよりも低い。つまり、サブフライト435とシリンダ41との隙間は、フライト432とシリンダ41との隙間よりも大きい。
サブフライト435は、スクリュ43の回転時に、未溶融の成形材料を押しつぶし、せん断熱を生じさせることで、未溶融の成形材料が下流側に流れるのを抑制する。未溶融の成形材料は、せん断熱の他、シリンダ41からの熱によって溶融させられる。
サブフライト435の上流端435a(以下、「サブフライト上流端435a」ともいう)は、例えば図1に示すように固相と液相の両方の成形材料が存在する第2区間Z2に配されてよい。尚、サブフライト上流端435aは、第1区間Z1または第3区間Z3に配されてもよい。
一方、サブフライト435の下流端435b(以下、「サブフライト下流端435b」ともいう)は、例えば図1に示すように液相の成形材料が存在する第3区間Z3に配されてよい。尚、サブフライト下流端435bは、サブフライト上流端435aよりも下流側に配されている限り、第2区間Z2に配されてもよい。
サブフライト435のピッチは、フライト432のピッチよりも大きくてよい。サブフライト435は、その上流端435aとその下流端435bの両方において、フライト432に連続的につながっていてよい。
尚、サブフライト435のピッチは、フライト432のピッチよりも小さいか、同じでもよい。また、サブフライト435のピッチは、一定であるが、変化してもよい。同様に、フライト432のピッチは、一定であるが、変化してもよい。
サブフライト435のフライト幅は、フライト432のフライト幅と同じであるが、小さくても、大きくてもよい。また、サブフライト435のフライト幅は、一定であるが、変化してもよい。同様に、フライト432のフライト幅は、一定であるが、変化してもよい。
図3は、一実施形態による射出装置の温度分布を示す図であって、シリンダにおける内壁近傍の軸方向温度分布を示す図である。図3において、サブフライト対応領域とは、計量開始時のサブフライト下流端435bと軸方向同一位置を下流端とし、計量終了時のサブフライト上流端435aと軸方向同一位置を上流端とする領域のことである。図3において、サブフライト対応領域が、特許請求の範囲に記載の「第2フライトが形成されている区間」に対応する。また、図3において、サブフライト対応領域よりも上流側の領域、およびサブフライト対応領域よりも下流側の領域が、特許請求の範囲に記載の「第2フライトが形成されていない区間」に対応する。図3において、シリンダ41における内壁近傍の温度は、計量開始から計量終了までの平均値である。
スクリュ43の回転時にサブフライト435が未溶融の粒状の成形材料を押しつぶすと、その粒内部の低温部分が外部に現れシリンダ41から熱を奪う。そのため、サブフライト対応領域において、成形材料全体に占める固相の割合が多いほど、シリンダ41における内壁近傍の温度が低下する。その結果、サブフライト対応領域の少なくとも一部では、その近傍の上流域よりも、シリンダ41における内壁近傍の温度が低くなりうる。
そこで、コントローラ90は、スクリュ43の回転時に、サブフライト435および/またはその付近の温度を監視する。例えば、コントローラ90は、スクリュ43の回転時に、サブフライト435の付近におけるシリンダ41の温度を監視してよい。スクリュ43の回転時にシリンダ41は回転しないので、温度の監視が容易である。尚、コントローラ90は、スクリュ43の回転時に、サブフライト435そのものの温度を監視してもよい。
コントローラ90は、サブフライト対応領域の温度を監視する。そして、コントローラ90は、サブフライト対応領域の温度と、サブフライト対応領域よりも上流側の領域の温度とを比較してもよい。また、コントローラ90は、サブフライト対応領域の温度と、サブフライト対応領域よりも下流側の領域の温度とを比較してもよい。
コントローラ90は、監視結果に基づいて成形材料の溶融状態を判定する。判定基準としては、例えば下記(1)〜(3)の判定基準が挙げられる。これらの判定基準は、単独で用いられてもよいし、組合せて用いられてもよい。組合せは任意である。
(1)の判定基準は、サブフライト対応領域における最低温度T1が閾値T0以上であるか否かである。上記最低温度T1が閾値T0未満である場合、サブフライト435による成形材料の温度低下が激し過ぎ、サブフライト対応領域において未溶融の成形材料が多過ぎる。そのため、成形材料の一部が未溶融のまま射出装置40から射出される恐れがある。そこで、上記最低温度T1が閾値T0未満である場合、成形材料の溶融状態が不良であると判定する。一方、上記最低温度T1が閾値T0以上である場合、サブフライト対応領域において未溶融の成形材料が十分に少なく、成形材料の溶融状態が良好であると判定する。
(2)の判定基準は、上記最低温度T1の計測位置よりも上流側における最高温度T2から上記最低温度T1を引いた温度差ΔT(ΔT=T2−T1)が閾値ΔT0(ΔT0>0)未満であるか否かである。上記温度差ΔTが閾値ΔT0以上である場合、サブフライト435による成形材料の温度低下が激し過ぎ、サブフライト対応領域において未溶融の成形材料が多過ぎる。そのため、成形材料の一部が未溶融のまま射出装置40から射出される恐れがある。そこで、上記温度差ΔTが閾値ΔT0以上である場合、成形材料の溶融状態が不良であると判定する。一方、上記温度差ΔTが閾値ΔT0未満である場合、サブフライト対応領域において未溶融の成形材料が十分に少なく、成形材料の溶融状態が良好であると判定する。
(3)の判定基準は、上記最低温度T1の計測位置よりも下流側における最高温度T3から上記最低温度T1を引いた温度差ΔT´(ΔT´=T3−T1)が閾値ΔT0´(ΔT0´>0)未満であるか否かである。上記温度差ΔT´が閾値ΔT0´以上である場合、サブフライト435による成形材料の温度低下が激し過ぎ、サブフライト対応領域において未溶融の成形材料が多過ぎる。そのため、成形材料の一部が未溶融のまま射出装置40から射出される恐れがある。そこで、上記温度差ΔT´が閾値ΔT0´以上である場合、成形材料の溶融状態が不良であると判定する。一方、上記温度差ΔT´が閾値ΔT0´未満である場合、サブフライト対応領域において未溶融の成形材料が十分に少なく、成形材料の溶融状態が良好であると判定する。
尚、上記(1)〜(3)の判定基準において、最低温度T1の代わりに、特定位置の温度が用いられてもよい。また、上記(2)の判定基準において、最高温度T2の代わりに、特定位置の温度が用いられてもよい。また、上記(3)の判定基準において、最高温度T3の代わりに、特定位置の温度が用いられてもよい。
コントローラ90は、成形材料の溶融状態を判定するため、シリンダ41における内壁近傍の温度を監視してよく、加熱源Hの制御に用いる温度の測定位置(以下、「制御用測定位置」とも称する)よりも深い位置の温度を監視してよい。尚、コントローラ90が監視するシリンダ41の内壁近傍の温度の測定位置は、制御用測定位置と同じ深さの位置でもよいし、制御用測定位置よりも浅い位置でもよい。シリンダ41の内壁近傍ではサブフライト435による成形材料の温度低下が顕著に表れるため、判定精度が向上する。
コントローラ90は、成形材料の溶融状態を判定するため、加熱源Hの制御に用いる温度計よりも多くの温度計を用いて、シリンダ41の温度を監視してもよい。シリンダ41の軸方向の温度分布を精度良く監視できる。
コントローラ90は、成形動作におけるスクリュ43の回転時に監視を行い、その監視結果に基づいて成形材料の溶融状態を判定してよい。成形動作におけるスクリュ43の回転時に監視を行うことで、成形品の歩留まりを向上できる。
ところで、暖機時および成形材料の交換時などには、パージ動作が行われる。パージ動作は、金型装置30から射出装置40を離した状態で行われ、計量工程に対応する動作と、充填工程に対応する動作とを含む。計量工程に対応する動作では、スクリュ43を設定回転数で回転させることにより、スクリュ43の前方に成形材料を蓄積させる。これに伴い、スクリュ43が後退させられる。このとき、不図示の開閉機構がノズル42を閉塞してもよい。一方、充填工程に対応する動作では、スクリュ43を設定速度で前進させることにより、スクリュ43の前方に蓄積された液状の成形材料をシリンダ41から射出する。このとき、開閉機構はノズル42を開放する。
尚、パージ動作は、スクリュ43を設定回転数で回転させる動作のみを含んでもよく、例えば定位置でスクリュ43を設定回転数で回転させる動作のみを含んでもよい。スクリュ43の回転によって、成形材料がスクリュ43の前方に送られ、シリンダ41から射出される。
そこで、コントローラ90は、パージ動作におけるスクリュ43の回転時に監視を行い、その監視結果に基づいて成形材料の溶融状態を判定してもよい。パージ動作におけるスクリュ43の回転時に監視を行うことで、成形動作の開始前に成形条件の条件出しが可能である。
コントローラ90は、成形材料の溶融状態の判定基準の作成に用いるデータとして、パージ動作におけるスクリュ43の回転時にサブフライト435および/またはその付近の温度を取得してよい。コントローラ90は、取得した温度と、成形材料の溶融状態とを対応付けて記憶媒体92に記憶する。成形材料の溶融状態は、成形材料の固化後に、外観検査や品質検査などによって判断できる。その結果は、ユーザによる入力操作を受け付ける操作装置などを介してコントローラ90に記憶されてよい。コントローラ90は、スクリュ43の設定回転数やシリンダ41の設定温度などの成形条件を変更することで、多数のデータを取得してよい。コントローラ90は、これらの記憶に基づいて、例えば上記(1)の判定基準の閾値T0、上記(2)の判定基準の閾値ΔT0、上記(3)の判定基準の閾値ΔT0´などを求める。よって、パージ動作中に判定基準を作成することができ、成形動作前に判定基準を作成することができる。コントローラ90は、作成した判定基準を用いて、別のパージ動作における成形材料の溶融状態を判定してもよいし、成形動作における成形材料の溶融状態を判定してもよい。尚、コントローラ90は、パージ動作を行うことで上記データを取るが、試験的に成形動作を行うことで上記データを取ってもよい。
コントローラ90は、成形材料の溶融状態の判定結果に基づいて、警報を出力させてもよい。成形材料の溶融状態が不良である場合に警報が出力され、成形材料の溶融状態が良好である場合に警報が出力されない。警報の出力は、画像の表示、音の出力などにより行われてよい。
コントローラ90は、成形材料の溶融状態の判定結果に基づいて、成形条件の設定を変更してもよい。例えば、コントローラ90は、成形材料の溶融状態の判定結果に基づいて、スクリュ43の設定回転数およびシリンダ41の設定温度の少なくとも一方を変更してよい。
成形材料の溶融状態が不良である場合、スクリュ43の設定回転数が小さくなる方向に変更されてよい。成形材料を前方に送る速度が小さくなり、成形材料の加熱時間が長くなるため、成形材料の溶融状態が改善する。また、成形材料の溶融状態が不良である場合、シリンダ41の設定温度が大きくなる方向に変更されてよい。この場合も、成形材料の溶融状態が当然に改善する。
一方、成形材料の溶融状態が良好である場合、成形条件の設定は変更されなくてもよいが、変更されてもよい。成形材料の溶融状態が良好である場合、良好な範囲内でスクリュ43の設定回転数が大きくなる方向に変更されてよい。成形サイクルが短縮できる。また、成形材料の溶融状態が良好である場合、良好な範囲内でシリンダ41の設定温度が小さくなる方向に変更されてよい。加熱源Hの負荷が軽減できる。
成形材料の溶融状態が良好である範囲において、スクリュ43の設定回転数はできるだけ大きく設定されてよい。スクリュ43の設定回転数は、冷却工程の時間なども考慮して決められる。
また、成形材料の溶融状態が良好である範囲において、シリンダ41の設定温度はできるだけ小さく設定されてよい。シリンダ41の設定温度は、スクリュ43の設定回転数なども考慮して決められる。



以上、射出装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。
例えば、上記実施形態のコントローラ90は、成形材料の溶融状態を良否の2段階で判定するが、3段階以上の多段階で判定してもよい。この場合、判定基準も多段階で作成されてよい。また、この場合、コントローラ90は、段階に応じた変更幅で、成形条件の設定を変更してよい。
40 射出装置
41 シリンダ
43 スクリュ
431 回転軸
432 フライト
433 溝
435 サブフライト
435a サブフライト上流端
435b サブフライト下流端
90 コントローラ

Claims (6)

  1. 成形材料を加熱するシリンダと、前記シリンダ内に回転自在に配設されるスクリュとを有する射出装置と、
    前記射出装置の温度を監視する監視装置とを備え、
    前記スクリュは、回転軸と、前記回転軸の外周から突出する螺旋状の第1フライトと、前記第1フライトにより形成される溝を区画する螺旋状の第2フライトとを有し、
    前記第2フライトの高さは、前記第1フライトの高さよりも低く、
    前記監視装置は、前記スクリュの回転時に前記第2フライトおよび/またはその付近の温度を監視し、前記第2フライトが形成されていない区間の温度から前記第2フライトが形成されている区間の温度を引いた差が閾値以上である場合、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する、射出成形機。
  2. 前記監視装置は、前記スクリュの回転時に前記第2フライトの付近における前記シリンダの温度を監視し、前記第2フライトが形成されていない区間の温度から前記第2フライトが形成されている区間の温度を引いた差が閾値以上である場合、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する、請求項1に記載の射出成形機。
  3. 前記監視装置は、前記スクリュの回転時に前記第2フライトの付近における前記シリンダの内壁近傍の温度を監視し、前記第2フライトが形成されていない区間の温度から前記第2フライトが形成されている区間の温度を引いた差が閾値以上である場合、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する、請求項2に記載の射出成形機。
  4. 前記監視装置は、前記スクリュの回転時に前記第2フライトおよび/またはその付近の温度を監視し、前記第2フライトが形成されている区間の温度が閾値未満である場合、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の射出成形機。
  5. 前記監視装置は、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する場合、警報を出力させる、請求項1〜のいずれか1項に記載の射出成形機。
  6. 前記監視装置は、前記成形材料の一部が未溶融のまま前記射出装置から射出される恐れがあると判定する場合、成形条件の設定を変更する、請求項1〜のいずれか1項に記載の射出成形機。
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