JP6940269B2 - 射出成形用スクリューおよび射出成形機 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機に用いられる射出成形用スクリューおよびそれを有する射出成形機に関する。

射出成形機に用いられる従来のスクリューが特許文献１に開示されている。このスクリューは、回転軸と、回転軸の外周から突出するらせん状のフライトとを有しており、回転軸の回転により軸線方向に沿って基端側から先端側に樹脂材料を送るように構成されている。

射出成形において成形品の品質を安定させるためには、樹脂材料の溶融状態を均一にすることが必要であり、樹脂材料を比較的早い段階で全体的に溶融・混練することが溶融状態を均一にする重要な要素の一つである。そして、従来技術では、スクリューにおいて、フライト間のスクリュー溝の深さを調整することにより樹脂材料に働くせん断力を変えて、樹脂材料の溶融状態をならし（均し）ていた。

特開２０１６−１８２６８７号公報

しかしながら、樹脂材料は種類ごとに特性が異なることから、樹脂材料に合わせてスクリュー溝の深さを調整するためには高度の技術や経験が必要である。そして、不十分な調整によりスクリュー溝が浅すぎると樹脂材料に働くせん断力が強くなりすぎてヤケが生じたり、スクリュー溝が深すぎると樹脂材料に働くせん断力が弱くなりすぎて溶け残りが生じたりしてしまう。そのため、樹脂材料の溶融状態を均一にすることが困難であった。

そこで、本発明は、樹脂材料の溶融状態を効果的にならすことができる射出成形用スクリューおよびそれを有する射出成形機を提供することを目的とする。

射出成形用スクリューのスクリュー溝内における樹脂材料の溶融メカニズムを図７に模式的に示す。射出成形用スクリュー１３０において、ホッパから投入された固形の樹脂材料はフライト１３３間に形成されたスクリュー溝Ｍ内を射出ノズル側（図５の左側）に向けて搬送される。この搬送の際に、樹脂材料が加熱シリンダ１２１からの伝熱により加熱・溶融されて、ソリッドベッドＳＢと呼ばれる未溶融層と、ソリッドベッドＳＢの加熱シリンダ内面１２１ａ側に重なるメルトフィルムＭＦと呼ばれる溶融層とが形成される。メルトフィルムＭＦが形成されると、その内部でのせん断エネルギーによる発熱によりソリッドベッドＳＢが溶融されてメルトフィルムＭＦが厚さ方向に成長する。そして、メルトフィルムＭＦの厚さがフライト１３３の先端と加熱シリンダ１２１の内面１２１ａとのクリアランス以上に成長すると、前進してくるフライト１３３によってメルトフィルムＭＦが掻き取られ、スクリュー溝Ｍの後方に集められてメルトプールＭＰとなる。掻き取られたメルトフィルムＭＦはメルトプールＭＰ内で循環し、互いに混練される。

本発明者は、このような溶融メカニズムについて鋭意検討を行った結果、スクリュー溝内における先端側に滞留する未溶融のソリッドベッドを効果的に溶融させる構成を見いだし、本発明に至った。

上記目的を達成するために、本発明の一態様の射出成形用スクリューは、回転軸と、前記回転軸の外周面に突出して設けられたらせん状のフライトと、を有し、前記フライトの少なくとも一部の区間が、基端側の部分より先端側の部分の方が前記回転軸の軸線と前記フライトの基端側面とのなす角が大きくなるように形成されていることを特徴とする。

本発明においては、前記フライトは、全体にわたって等ピッチのらせん状となるように形成され、前記フライト間のスクリュー溝の深さが基端側から先端側に向かうにしたがって小さくなるように形成された圧縮部を有し、前記フライトにおける前記圧縮部に配置された区間が、基端側から先端側に向かうにしたがって前記角が連続的に大きくなるように形成されている。

本発明においては、前記フライトにおける前記圧縮部より先端側に配置された区間の前記角が、前記フライトにおける前記圧縮部より基端側に配置された区間の前記角より大きくなるように前記フライトが形成されていることが好ましい。

本発明においては、前記フライトにおける前記圧縮部に配置された区間の前記角が、２０度〜８０度の範囲内であることが好ましい。

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様の射出成形機は、上記射出成形用スクリューと、前記射出成形用スクリューを収容する加熱シリンダと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、フライトの少なくとも一部の区間が、当該区間における基端側の部分より先端側の部分の方が回転軸の軸線とフライトの基端側面とのなす角が大きくなるように形成されている。このようにしたことから、フライト間に形成されるスクリュー溝内では基端寄りに溶融された樹脂材料が滞留しかつ先端寄りに未溶融の樹脂材料が滞留するところ、先端寄りに滞留する樹脂材料に働くせん断力を、フライトの一部の区間または全体において、基端側の部分で強くし、先端側の部分で弱くすることができる。そのため、早い段階で未溶融の樹脂材料に対して強いせん断力を働かせて溶融を促進するとともに、溶融後の樹脂材料に過度のせん断力が働くことを抑制することができるので、樹脂材料の溶融状態を効果的にならすことができる。

本発明の一実施形態に係る射出成形機の概略構成を示す図である。 図１の射出成形機が有する射出成形用スクリューの側面図である。 図２の射出成形用スクリューの部分断面図である。 図２の射出成形用スクリューのスクリュー溝内での溶融メカニズムを模式的に示す図である。 射出成形用スクリューの圧縮部についてのせん断応力分布解析結果を示す図である。 射出成形用スクリューの供給部についての樹脂温度分布解析結果を示す図である。 従来の射出成形用スクリューのスクリュー溝内での溶融メカニズムを模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る射出成形機およびこの射出成形機が有するスクリューについて、図１〜図４を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る射出成形機の概略構成を示す図である。図２は、図１の射出成形機が有する射出成形用スクリューの側面図である。図３は、図２の射出成形用スクリューの部分断面図である。図４は、図２の射出成形用スクリューのスクリュー溝内での溶融メカニズムを模式的に示す図であって、（ａ）は、圧縮部における基端側の部分に配置されたスクリュー溝であり、（ｂ）は先端側の部分に配置されたスクリュー溝である。

図１に示す本発明の一実施形態の射出成形機１は、熱可塑性の粒状の樹脂材料を原料として成形体を作製するものである。射出成形機１は、機台２上に配設された型締ユニット１０および射出ユニット２０を有している。

型締ユニット１０は、図示しないモータの駆動力を駆動源としてトグルリンク機構１１を屈曲作動させることで可動ダイプレート１２を進退させ、可動ダイプレート１２に固定された可動金型１３を固定ダイプレート１４に固定された固定金型１５に対して型閉および型開する。

射出ユニット２０は、筒型の加熱シリンダ２１と、加熱シリンダ２１の先端に設けられた射出ノズル２２と、加熱シリンダ２１内に収容され、当該加熱シリンダ２１内に供給された樹脂材料を混練する射出成形用スクリュー（以下、単に「スクリュー３０」という）と、スクリュー３０を回転自在に支持する支持部材２３と、樹脂材料が投入されるホッパ２４と、ホッパ２４が設けられたホッパブロック２５と、加熱シリンダ２１の外側に配設された加熱ヒータ２６とを有している。

この射出成形機１の射出成形動作では、加熱シリンダ２１内に収容されたスクリュー３０が回転されるとともに加熱ヒータ２６により加熱シリンダ２１が高温に加熱される。これにより、ホッパ２４の供給口２４ａから供給された樹脂材料が加熱シリンダ２１の基端側から先端側（各図において右側から左側）に向かい溶融・混練されながら進む。そして、溶融・混練された樹脂材料は、図示しない計量用モータ等からなる回転駆動手段によりスクリュー３０が回転されることで計量される。計量の後、図示しない射出用モータおよびボールネジ機構等からなる進退駆動手段によりスクリュー３０が前進されることで、型閉された金型内のキャビティへ所定量の溶融樹脂材料が射出ノズル２２を通じて射出される。

ここで、加熱シリンダ２１内に収容されたスクリュー３０ついて詳細に説明する。

図２、図３に示すように、スクリュー３０は、基端側から先端側に向けて順に供給部、圧縮部および計量部が設けられている。また、スクリュー３０は、円柱状の回転軸３１と、回転軸３１の先端に設けられた逆流抑止弁として機能するチェックヘッド３２と、回転軸３１の外周面に突出して設けられたらせん状のフライト３３と、を有している。

回転軸３１は、供給部に配置された部分が全体にわたって同一径に形成され、圧縮部に配置された部分が基端側から先端側に向かうにしたがって径が連続的に大きくなるように形成され、計量部に配置された部分が、供給部に配置された部分よりも大径でかつ全体にわたって同一径に形成されている。

フライト３３は、回転軸３１の軸線Ｌから先端面までの距離が一定でかつ全体にわたって等ピッチのらせん状となるように形成されている。圧縮部において基端側から先端側に向かうにしたがって回転軸３１の径が連続的に大きくなることから、圧縮部では基端側から先端側に向かうにしたがってフライト３３間に形成されるスクリュー溝Ｍの深さが小さくなるように形成されている。または、圧縮部において、基端側から先端側に向かうにしたがってフライトのピッチ（すなわちスクリュー溝Ｍの軸線Ｌ方向の長さ）が連続的に小さくなるように形成されていてもよい。

フライト３３は、供給部に配置された供給部フライト部分３４と、圧縮部に配置された圧縮部フライト部分３５と、計量部に配置された計量部フライト部分３６と、を有している。

供給部フライト部分３４は、回転軸３１の軸線Ｌと基端側面３４ａとのなす角αが全体にわたって一定となるように形成されている。供給部フライト部分３４は、フライト３３における圧縮部より基端側の供給部に配置された区間である。

圧縮部フライト部分３５は、供給部フライト部分３４の先端側に連なり、基端側から先端側に向かうにしたがって回転軸３１の軸線Ｌと基端側面３５ａとのなす角βが連続的に大きくなるように（ただし、β７＞β６＞β５＞β４＞β３＞β２＞β１≧α）形成されている。圧縮部フライト部分３５は、フライト３３における圧縮部に配置された区間である。

計量部フライト部分３６は、圧縮部フライト部分３５の先端側に連なり、回転軸３１の軸線Ｌと基端側面３６ａとのなす角γ（ただしγ≧β）が全体にわたって一定となるように形成されている。計量部フライト部分３６は、フライト３３における圧縮部より先端側の計量部に配置された区間である。

本実施形態において、角αが２０度であり、角βが２０度から８０度まで連続的に変化し、角γが８０度である。もちろん、本発明の目的に反しない限り、角α、角β、角γはこれら以外の大きさとしてもよい。

フライト３３は、回転軸３１の軸線Ｌと供給部フライト部分３４、圧縮部フライト部分３５および計量部フライト部分３６の先端側面（図３において左側を向く面）とのなす角が一定（例えば９０度）となるように形成されている。

次に、上述したスクリュー３０の圧縮部のスクリュー溝Ｍ内における樹脂材料の溶融メカニズムについて説明する。このスクリュー溝Ｍ内には、ソリッドベッドＳＢおよびソリッドベッドＳＢに重なるメルトフィルムＭＦが形成され、メルトフィルムＭＦがフライト３３に掻き取られてなるメルトプールＭＰがスクリュー溝Ｍの後方寄り（すなわち基端寄り）に形成される。

そして、圧縮部における基端側の部分のスクリュー溝Ｍでは、図４（ａ）に示すように、回転軸３１の軸線Ｌとフライト３３（具体的には圧縮部フライト部分３５）の基端側面３５ａとのなす角が小さいので、当該基端側面３５ａと加熱シリンダ２１の内面２１ａとの間隔が狭く、そのため、ソリッドベッドＳＢに比較的強いせん断力が働く。そのため、ソリッドベッドＳＢの溶融を促進する。

また、圧縮部における先端側の部分のスクリュー溝Ｍでは、図４（ｂ）に示すように、回転軸３１の軸線Ｌとフライト３３（具体的には圧縮部フライト部分３５）の基端側面３５ａとのなす角が大きいので、当該基端側面３５ａと加熱シリンダ２１の内面２１ａとの間隔が広く、そのため、溶融後の樹脂材料に過度にせん断力が働くことを抑制する。

以上より、本実施形態の射出成形機１によれば、上述したスクリュー３０を有しているので、フライト３３の一部の区間である圧縮部フライト部分３５が、基端側の部分より先端側の部分の方が回転軸３１の軸線Ｌと基端側面３５ａとのなす角βが大きくなるように形成されている。このようにしたことから、フライト３３間に形成されるスクリュー溝Ｍ内では基端寄りに溶融された樹脂材料が滞留しかつ先端寄りに未溶融の樹脂材料が滞留するところ、先端寄りに滞留する樹脂材料に働くせん断力を、圧縮部フライト部分３５の基端側で強くし、先端側で弱くすることができる。そのため、早い段階で未溶融の樹脂材料に対して強いせん断力を働かせて溶融を促進するとともに、溶融後の樹脂材料に過度のせん断力が働くことを抑制することができるので、樹脂材料の溶融状態を効果的にならすことができる。

同様に、スクリュー３０の全体を見たときに、計量部フライト部分３６の角γが供給部フライト部分３４の角αより大きいので、供給部において未溶融の樹脂材料に対して強いせん断力を働かせて溶融を促進するとともに、計量部において溶融後の樹脂材料に過度のせん断力が働くことを抑制することができるので、樹脂材料の溶融状態を効果的にならすことができる。

また、圧縮部が、圧縮部フライト部分３５間のスクリュー溝Ｍの深さが基端側から先端側に向かうにしたがって小さくなるように形成され、圧縮部フライト部分３５が、基端側から先端側に向かうにしたがって角βが連続的に大きくなるように形成されている。このようにしたことから、スクリュー溝Ｍ内の先端寄りに滞留する樹脂材料に働くせん断力を当初は比較的強くするとともに基端側から先端側に進むにしたがって徐々に弱くしていくことができる。そのため、樹脂材料の溶融状態をより効果的にならすことができる。

また、上記角α、上記角βおよび上記角γが、２０度〜８０度の範囲内であるので、比較的大きい角度範囲であり、そのため、せん断力を広い範囲で変化させることができる。

上述した実施形態では、圧縮部フライト部分３５の角βが２０度から８０度まで連続的に変化する構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、圧縮部フライト部分３５は、上記角βが全体にわたって一定（例えば、５０度）となるように形成されており、上記角α、上記角βおよび上記角γとの関係が、γ＞β＞αとなるようして、供給部、圧縮部および計量部に進むにしたがって段階的に変化するようにしてもよい。

上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

次に、本発明の射出成形用スクリューの実施例および比較例を用い、シミュレーションによりせん断応力分布および樹脂温度分布を解析した結果を図５、図６示す。

図５は、射出成形用スクリューの圧縮部についてのせん断応力分布解析結果を示す図である。図６は、射出成形用スクリューの供給部についての樹脂温度分布解析結果を示す図である。図５、図６において、（ａ）は実施例についての解析結果であり、（ｂ）は比較例についての解析結果である。図５では色が濃いほどせん断応力が高いことを示しており、図６では色が濃いほど樹脂温度が高いことを示している。

実施例では、上述した本実施形態のスクリュー３０において、フライト３３の上記角αを２０度とし、上記角βを２０度から８０度まで連続的に変化するものとし、上記角γを８０度とした。一方、比較例では、上記角α、上記角βおよび上記角γのすべてを８０度とした以外は、上記実施例１と同一の構成とした。

図５（ａ）によれば、基端側においてフライト近傍のせん断応力の強い箇所の幅が広く、基端側から先端側に向かうにしたがって徐々にせん断応力の強い箇所の幅が狭まっており、この幅は基端側面の幅とおおむね一致している。一方、図５（ｂ）によれば、全体にわたってフライト近傍のせん断応力の強い箇所の幅が狭くなっている。このことから、実施例では、圧縮部において比較例よりも早い段階で樹脂材料に強いせん断力を働かせることができることが明らかである。

また、図６（ａ）は、図６（ｂ）に比べてより基端側に近い箇所から樹脂材料の温度が高くなっていることがわかる。特に、図６（ａ）および図６（ｂ）において基端側から２番目のフライト近傍の温度を比べるとその差が顕著である。これらの差異は、フライトの基端側面の形状の違いによって生じる樹脂材料に働くせん断力の違いによるものと考えられる。このことから、実施例では、供給部において比較例よりも早い段階で樹脂材料の温度を高くすることができることが明らかである。

したがって、シミュレーション結果からも本発明の作用効果が明らかである。

１…射出成形機、２…機台、１０…型締ユニット、１１…トグルリンク機構、１２…可動ダイプレート、１３…可動金型、１４…固定ダイプレート、１５…固定金型、２０…射出ユニット、２１…加熱シリンダ、２１ａ…内面、２２…射出ノズル、２３…支持部材、２４…ホッパ、２４ａ…供給口、２５…ホッパブロック、２６…加熱ヒータ、３０…スクリュー（射出成形用スクリュー）、３１…回転軸、３２…チェックヘッド、３３…フライト、３４…供給部フライト部分、３４ａ…基端側面、３５…圧縮部フライト部分、３５ａ…基端側面、３６…計量部フライト部分、３６ａ…基端側面、Ｌ…軸線、Ｍ…スクリュー溝、ＳＢ…ソリッドベッド、ＭＦ…メルトフィルム、ＭＰ…メルトプール。

Claims (4)

1. 回転軸と、前記回転軸の外周面に突出して設けられたらせん状のフライトと、を有し、
   前記フライトの少なくとも一部の区間が、基端側の部分より先端側の部分の方が前記回転軸の軸線と前記フライトの基端側面とのなす角が大きくなるように形成され、
   前記フライトは、全体にわたって等ピッチのらせん状となるように形成され、
   前記フライト間のスクリュー溝の深さが基端側から先端側に向かうにしたがって小さくなるように形成された圧縮部を有し、
   前記フライトにおける前記圧縮部に配置された区間が、基端側から先端側に向かうにしたがって前記角が連続的に大きくなるように形成されていることを特徴とする射出成形用スクリュー。
2. 前記フライトにおける前記圧縮部より先端側に配置された区間の前記角が、前記フライトにおける前記圧縮部より基端側に配置された区間の前記角より大きくなるように前記フライトが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
3. 前記フライトにおける前記圧縮部に配置された区間の前記角が、２０度〜８０度の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の射出成形用スクリュー。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の射出成形用スクリューと、前記射出成形用スクリューを収容する加熱シリンダと、を有することを特徴とする射出成形機。

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