JP6755613B2 - 発泡樹脂製品の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、使用するエネルギーの削減と成形サイクルの短縮を図ることができる発泡樹脂製品の成形方法に関するものである。

熱可塑性樹脂粒子から発泡樹脂製品を成形する方法として、充填工程と加熱工程と冷却工程と製品の取り出し工程からなる方法が広く知られている（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。前記充填工程は予備発泡した原料ビーズを一対の金型間に形成したキャビティ内に充填する工程であり、加熱工程は金型裏面側のチャンバーに供給した加熱用流体により前記原料ビーズを加熱し発泡・融着する工程であり、冷却工程はチャンバーに供給した冷却用流体により金型を冷却処理する工程である。また、取り出し工程は前記各工程を経て成形された製品を金型から取り出す工程である。

特許文献１や特許文献２に記載されるように、従来技術では、充填工程はキャビティ内を大気圧の状態として圧縮空気により原料ビーズを原料ホッパーからキャビティ内に充填する方法が一般的であった。また加熱工程は、原料ビーズ充填後の大気圧状態にあるキャビティ内に加熱流体を導入して行うのが一般的であった。また冷却工程は、加熱工程後のチャンバー内(金型内)に水噴霧して顕熱による冷却を行い、その後、大気圧の状態で圧縮空気を吹き付けて冷却を行うのが一般的であった。

しかしながら、従来技術では充填工程が空気の圧縮力を利用しているため原料ビーズの流れが悪く、また溢路な部位でブリッジを発生させて詰まりが生じるという問題があった。また、加熱工程および冷却工程においては、ともにキャビティ内部を一度大気下の状態とした後に、減圧状態に調整してそれぞれ加熱処理や冷却処理を行っていたので、大気圧から減圧状態に調圧するのに多大のエネルギーを要するとともに、成形サイクルも長くなるという問題があった。
そこで、上記の問題点を解消して使用するエネルギーの減少を図ることができ、また成形サイクルの短縮化を図ることができる新たな発泡樹脂製品の成形方法の開発が求められていた。

特開平８−２５３９２号公報 特許第３０８３４９６号公報

本発明は上記のような問題点を解決して、大量の圧縮空気の使用をやめて省エネルギー化を図り、また成形サイクルの短縮化も達成することができる発泡樹脂製品の成形方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明の発泡樹脂製品の成形方法は、予備発泡した原料ビーズを一対の金型間に形成したキャビティ内に充填する充填工程と、金型裏面側のチャンバーに供給した加熱用流体により前記原料ビーズを加熱し発泡・融着する加熱工程と、次いでチャンバーに供給した冷却用流体により金型を冷却処理する冷却工程を含む発泡樹脂製品の成形方法であって、充填終了時にもキャビティ内が減圧状態となるように減圧条件下で原料ビーズを充填し、この充填終了時の減圧状態に引き続いてキャビティ内の圧力をさらに減圧したうえ、加熱用蒸気を供給して加熱処理し、加熱処理後に更に真空吸引を行い冷却処理し、前記充填工程、加熱工程、冷却工程のいずれの工程にも減圧を作用させ、成形サイクルの始まりから終了までを一貫して減圧度を操作しつつ成形するようにしたことを特徴とするものであり、これを請求項１に係る発明とする。
更に厳密に言えば、一対の金型を型締めした後、最初に減圧をキャビティ内及び金型内に作用させ、その後、充填工程、加熱工程、冷却工程のいずれの工程に於いても、大気圧状態に戻すことなく減圧を作用させ、成形サイクルの始まりから終了までを一貫して減圧度を操作しつつ成形するようにしたものである。

また、前記キャビティ内の圧力を−０．０１〜−０．０７MPaの範囲で調圧し、一方、原料ホッパー内の圧力を前記キャビティ内の圧力よりも高い圧力値に調圧して、両者の圧力差により原料ビーズをキャビティ内に充填するのが好ましく、これを請求項２に係る発明とする。

その他の好ましい実施形態によれば、充填終了時の減圧状態に引き続いてキャビティ内の圧力をさらに減圧し、充填されている原料ビーズ間の空気量を小さくした状態で加熱用蒸気を供給することにより、キャビティ内への加熱用蒸気の流入と拡散を加速させて加熱処理するのが好ましく、これを請求項３に係る発明とする。

また、前記請求項３に係る発明において、キャビティ内の圧力を−０．０６〜−０．０９MPaの範囲まで減圧して加熱処理するのが好ましく、これを請求項４に係る発明とする。

その他の好ましい実施形態によれば、加熱工程の終了後、金型に水噴霧してキャビティ内の飽和蒸気を急速に凝縮させることでより高い減圧状態とし、更に真空吸引して気化冷却により発泡成形体の発泡力を下げるように冷却処理するのが好ましく、これを請求項５に係る発明とする。

また、前記請求項５に係る発明において、キャビティ内の圧力が−０．０６〜−０．０９MPaとなるように真空吸引を行い冷却処理するのが好ましく、これを請求項６に係る発明とする。

本発明の発泡樹脂製品の成形方法では、充填工程、加熱工程、冷却工程のいずれの工程にも減圧を作用させ、成形サイクルの始まりから終了までを一貫して減圧度を操作しつつ成形するようにしたので、圧縮空気を使用することがなく省エネルギー化を図ることができ、また各工程において大気圧へ戻さずに減圧状態を維持したまま次工程へ移行するため成形サイクルを大幅に短縮することが可能となる。

請求項２に係る発明では、キャビティ内の圧力を−０．０１〜−０．０７MPaの範囲で調圧し、一方、原料ホッパー内の圧力を前記キャビティ内の圧力よりも高い圧力値に調圧して、両者の圧力差により原料ビーズをキャビティ内に充填するようにしたので、充填時に空気抵抗が小さく原料ビーズの流れがよくなり、原料ビーズをスムーズにキャビティ内に導入することができる。また、キャビティ内が減圧状態となっているため溢路な部位においてもブリッジ現象が発生せず、原料ビーズの詰まりがなくて隅々まで均一に充填することが可能になる。

請求項３に係る発明では、充填終了時の減圧状態に引き続いてキャビティ内の圧力をさらに減圧し、充填されている原料ビーズ間の空気量を小さくした状態で加熱用蒸気を供給することにより、キャビティ内への加熱用蒸気の流入と拡散を加速させて加熱処理するようにしたので、従来のようにキャビティ内を蒸気により空気を排出後、大気圧から減圧して加熱処理するのに比べて成形サイクルを大幅に短縮することができる。また、流入した蒸気は空気の断熱が小さいため自身が持つ熱エネルギーを原料ビーズに直接授受できて、効率的な加熱処理が行えることとなる。

請求項４に係る発明では、キャビティ内の圧力を−０．０６〜−０．０９MPaの範囲まで減圧して加熱処理するようにしたので、原料ビーズ間の空気量を小さくして、キャビティ内への蒸気の流入と拡散を加速することができる。

請求項５に係る発明では、加熱工程の終了後、金型に水噴霧してキャビティ内の飽和蒸気を急速に凝縮させることでより高い減圧状態とし、更に真空吸引して気化冷却により発泡成形体の発泡力を下げるように冷却処理するので、従来のようにキャビティ内を大気圧に戻して残留水を型外へ排出する工程がなく、大気圧から減圧して冷却処理しないため、成形サイクルを短縮することができる。

請求項６に係る発明では、キャビティ内の圧力が−０．０６〜−０．０９MPaとなるように真空吸引を行い冷却処理するようにしたので、十分に気化冷却処理を行うことができる。

充填工程を示す説明図である。 充填工程後にさらにキャビティ内の圧力を減圧する工程を示す説明図である。 加熱工程を示す説明図である。 水による冷却工程を示す説明図である。 真空による冷却工程を示す説明図である。 成形時間と成形圧力との関係を示すグラフである。 従来例の成形時間と成形圧力との関係を示すグラフである。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。
本発明の発泡樹脂成形品の成形方法は、予備発泡した原料ビーズを凹型の固定型と凸型の移動型からなる一対の金型間に形成したキャビティ内に充填する充填工程と、金型裏面側のチャンバーに供給した加熱用流体により前記原料ビーズを加熱し発泡・融着する加熱工程と、次いでチャンバーに供給した冷却用流体により金型を冷却処理する冷却工程からなるものであり、その後、金型から製品を取り出す離型工程を経て製品の成形が終了する点は従来と基本的に同じである。
そして本発明では、前記充填工程、加熱工程、冷却工程のいずれの工程にも減圧を作用させ、成形サイクルの始まりから終了までを一貫して減圧度を操作しつつ成形するようにした点を特徴的構成としている。

図１は、充填工程を示す説明図である。
図において１は凹型の固定型、２は凸型の移動型、３はこれら固定型１と移動型２で形成される成形用のキャビティである。前記固定型１および移動型２は裏面側にそれぞれ蒸気流通用の固定チャンバー１ａと移動チャンバー２ａを有しており、キャビティ３を構成する面には蒸気導入用の通気孔が形成されている。なお、Ｖ１、Ｖ２は前記固定チャンバー１ａ、移動チャンバー２ａにそれぞれ蒸気や冷却水を流入したり、真空吸引を行うためのバルブである。

また、前記固定型１の背面側中央には原料ビーズ２１を送出する原料供給機４が配設されている。なお、５は原料ホッパーである。原料ビーズ２１としては、予備発泡したポリスチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレン・ポリスチレン共重合樹脂などが用いられる。

充填工程は、従来技術においては、原料ホッパー５内を空気加圧して原料ビーズ２１を空気圧で押し出してキャビティ内に充填する方法が一般的であったが、本発明ではキャビティ３内の圧力を−０．０１〜−０．０７MPaの範囲で調圧し、一方、原料ホッパー５内の圧力を前記キャビティ３内の圧力よりも高い圧力値に調圧して、両者の圧力差により原料ビーズ２１をキャビティ３内に吸引して充填するようにしている。
このように減圧を利用することにより、空気抵抗が小さく原料ビーズ２１の流れがよいため原料ビーズ２１をスムーズにキャビティ３内に導入することができ、またキャビティ３内が減圧状態となっているため溢路な部位もブリッジ現象が発生せず、原料ビーズ２１の詰まりがなくて隅々まで均一に充填することが可能となる。

前記キャビティ３内の圧力を、−０．０１〜−０．０７MPaの範囲で調圧するのは、−０．０１MPa 未満では原料ビーズのスムーズな導入が難しくなり、０．０７MPaより大きいと省エネルギーに反するからである。一方、原料ホッパー５内の圧力は減圧・加圧を問わず前記キャビティ３内の圧力よりも絶対圧力０．０２ MPa以上高い圧力値に調圧すればよい。
なお図１の状態では、バルブＶ１とバルブＶ２はともに真空吸引されるように開かれた状態となっている。

前記充填工程を終えた後は、図２に示すように、充填終了時の減圧状態に引き続いてキャビティ内の圧力をさらに減圧する。これにより、充填されている原料ビーズ間の空気量を小さくした状態として、次の加熱用蒸気の流入および拡散を加速できるようにする。この時、キャビティ３内の圧力は、−０．０６〜−０．０９MPaの範囲で調圧するのが好ましい。−０．０６MPa 未満では次の加熱用蒸気の効率的な導入が難しくなり、−０．０９MPaより大きいと省エネルギーに反するからである。
なお、図１の状態では、バルブＶ１とバルブＶ２はともに真空吸引されるように開かれた状態となっている。

次いで、図３に示すように、加熱用蒸気を供給して加熱工程に入る。前述したように、キャビティ３内は減圧されて原料ビーズ間の空気量が小さくなっているため、加熱用蒸気の流入および拡散を十分に加速することができる。
従来の場合、加熱工程ではキャビティ内を蒸気により空気を排出後、大気圧から減圧して加熱用蒸気を供給し加熱処理を行っていたが、本発明では減圧状態を維持したまま加熱処理に移行するため、従来に比べて大幅に成形サイクルを短縮することができ、また真空度のギャップも小さく省エネルギーで減圧できる。更には、流入した蒸気は空気の断熱が小さいため自身が持つ熱エネルギーを原料ビーズ２１に直接授受できて、効率的な加熱処理が行えることとなる。
なお、図３の状態では、バルブＶ１とバルブＶ２はともに加熱用蒸気を供給する状態となっている。

前記加熱工程を終えた後は、図４に示すように、金型に水噴霧してキャビティ３内の飽和蒸気を急速に凝縮させる。これにより、キャビティ３内はより高い減圧状態となる。従来は、加熱工程終了後、型内に冷却水を噴霧し、次いで型外へ残留水を排出するため、型内を一度大気圧に戻すこととなって、大気状態から次の冷却工程に向けて大きく減圧を行う必要があった。これに対し、本発明では減圧度が大きくなるように操作するのみで大気圧に戻すことがないため、短時間で所定の減圧状態に入ることができ、成形サイクルを短くすることができる。
なお、図４の状態では、バルブＶ１とバルブＶ２はともに冷却水を供給する状態となっている。

次いで、図５に示すように、更に真空吸引して気化冷却により発泡成形体の発泡力を下げて安定化するように冷却処理を行う。この場合、キャビティ３内の圧力が−０．０６〜−０．０９MPaとなるように真空吸引を行って冷却処理するのが好ましい。−０．０６MPa 未満では冷却が不十分となり、−０．０９MPaより大きいと省エネルギーに反するからである。この段階で、冷却処理が完了して発泡度が安定化した発泡樹脂製品２０となる。
なお、図５の状態では、バルブＶ１とバルブＶ２はともに真空吸引されるように開かれた状態となっている。

以上のようにして成形を完了した発泡樹脂製品２０は、金型が開かれた後、離型ピン６により外部へ押し出されて製品が取り出され、一連の成形が終了する。

図６は、原料ビーズとして５０倍で予備発泡した発泡ポリスチレン樹脂粒子を用い、外径が４５×６０×１５ｃｍで、厚みが２ｃｍの魚箱を成形したときの成形時間（秒）と成形圧力（MPa）との関係を示すグラフである。
前述の説明においては、キャビティ内の圧力を調圧することを記載したが、このキャビティ内の圧力は固定チャンバー１ａ、および移動チャンバー２ａの圧力とほぼ等しいとみなしてもよいことから、現実の成形機においては固定チャンバー１ａ、および移動チャンバー２ａの圧力値を調整するようにしてキャビティ内の圧力操作を行っている。

キャビティ内の圧力を−０．０２MPaまで減圧し、一方、原料ホッパー内の圧力を大気圧として原料ビーズをキャビティ内に充填した。引き続き減圧状態を保持したまま、更に−０．０７MPaまで減圧を行った後、加熱用蒸気を導入して加熱処理をした。次いで、金型に水噴霧してキャビティ内を−０．０７MPaまで急速に減圧し、更に真空吸引して−０．０８MPaまで減圧して冷却処理を終了した。ここまでに要する時間は６１秒であり、その後、金型から製品を取り出す離型工程（１０秒）を経て製品の成形を終了した。充填工程〜離型工程を１サイクルとすると、１サイクル７１秒となる。

図７は、前記と同じ製品を従来方法によって成形したときの成形時間（秒）と成形圧力（MPa）との関係を示すグラフである。
充填工程、加熱工程、冷却工程を経るまでに要した時間は１１０秒であり、その後、金型から製品を取り出す離型工程（１０秒）を 経て製品の成形を終了した。この場合、１サイクル１２０秒であり、本発明では成形効率を約７０％向上できることが確認できた。

以上の説明からも明らかなように、本発明は充填工程、加熱工程、冷却工程のいずれの工程にも減圧を作用させ、成形サイクルの始まりから終了までを一貫して減圧度を操作しつつ成形するようにしたものであり、従来のように、工程の途中でキャビティ内の圧力を大気圧に戻すことがない。この結果、各工程において大気圧へ戻さずに減圧状態を維持したまま次工程へ移行するため成形サイクルを大幅に短縮することができることとなり、更には圧縮空気を使用することがなく省エネルギー化も図ることができる。

１ 固定型
１ａ チャンバー
２ 移動型
２ａ チャンバー
３ キャビティ
４ 原料供給機
５ 原料ホッパー
６ 離型ピン
２０ 発泡樹脂成形品
２１ 原料ビーズ
Ｖ１ バルブ
Ｖ２ バルブ

Claims (6)

1. 予備発泡した原料ビーズを一対の金型間に形成したキャビティ内に充填する充填工程と、金型裏面側のチャンバーに供給した加熱用流体により前記原料ビーズを加熱し発泡・融着する加熱工程と、次いでチャンバーに供給した冷却用流体により金型を冷却処理する冷却工程を含む発泡樹脂製品の成形方法であって、
   充填終了時にもキャビティ内が減圧状態となるように減圧条件下で原料ビーズを充填し、この充填終了時の減圧状態に引き続いてキャビティ内の圧力をさらに減圧したうえ、加熱用蒸気を供給して加熱処理し、加熱処理後に更に真空吸引を行い冷却処理し、
   前記充填工程、加熱工程、冷却工程のいずれの工程にも減圧を作用させ、成形サイクルの始まりから終了までを一貫して減圧度を操作しつつ成形するようにしたことを特徴とする発泡樹脂製品の成形方法。
2. キャビティ内の圧力を−０．０１〜−０．０７MPaの範囲で調圧し、一方、原料ホッパー内の圧力を前記キャビティ内の圧力よりも高い圧力値に調圧して、両者の圧力差により原料ビーズをキャビティ内に充填するようにした請求項１に記載の発泡樹脂製品の成形方法。
3. 充填終了時の減圧状態に引き続いてキャビティ内の圧力をさらに減圧し、充填されている原料ビーズ間の空気量を小さくした状態で加熱用蒸気を供給することにより、キャビティ内への加熱用蒸気の流入と拡散を加速させて加熱処理するようにした請求項１または２に記載の発泡樹脂製品の成形方法。
4. キャビティ内の圧力を−０．０６〜−０．０９MPaの範囲まで減圧して加熱処理する請求項３に記載の発泡樹脂製品の成形方法。
5. 加熱工程の終了後、金型に水噴霧してキャビティ内の飽和蒸気を急速に凝縮させることでより高い減圧状態とし、更に真空吸引して気化冷却により発泡成形体の発泡力を下げるように冷却処理する請求項１〜４のいずれかに記載の発泡樹脂製品の成形方法。
6. キャビティ内の圧力が−０．０６〜−０．０９MPaとなるように真空吸引を行い冷却処理する請求項５に記載の発泡樹脂製品の成形方法。