JP7251456B2 - 中空体の成形装置 - Google Patents

Description

本開示は、中空体の成形装置に関する。

パイプなどの中空体を成形する方法として、フローティングコア方式の成形方法が知られている。

たとえば、特許文献１には、一端に加圧ポートを有し、他端に開閉可能な連通口を有するキャビティ内に溶融樹脂を射出した後、加圧ポートからの加圧によりコアを連通口へと移動させる、中空体の成形方法が記載されている。特許文献１には、上記コアの通過により、キャビティ内の樹脂にはコアの径とほぼ等しい径の中空部が形成されること、および、その後樹脂を冷却してキャビティから取り出すことで中空状の成形品が得られること、が記載されている。

一方で、樹脂の成形時に不可避的に発生する廃棄樹脂（廃プラスチック）は、特許文献２および特許文献３にも記載のようにブロック状または塊状として回収されるため、粉砕等が困難であり、再利用が困難である。

これに対し、特許文献２には、射出成形時に発生する廃棄樹脂を圧延して切断し、そのまま成形機のホッパーに投入することができるような形状にペレット化する、廃棄樹脂の回収装置が記載されている。

また、特許文献３には、フローティングコア方式による中空体の成形時に、コアの通過によりキャビティから押し出された樹脂を薄板または細棒状の副キャビティに導入し、薄板または細棒状の破砕しやすい廃棄樹脂を副キャビティから回収する、中空体成形装置が記載されている。

特開平１０－１８０８１２号公報 特開２００４－２８４１０７号公報 特開平９－１９３１８７号公報

フローティングコア方式で中空体を形成するときも、コアに押し出されて排出される樹脂（以下、「排出樹脂」ともいう。）のリサイクル効率を高めることにより、廃棄された樹脂による環境への悪影響が低下されたり、成形材料のコストが削減されたりすることが期待される。一方で、特許文献２および特許文献３には、排出樹脂をリサイクルできるようにする方法が記載されているが、これらの文献に記載の方法でも、未だ多くのコストや手間が必要となっており、リサイクルが容易に行えるとは言い難いのが現状である。

本開示の目的は、フローティングコア方式の成形方法において、排出樹脂のリサイクルが容易に行える、中空体の成形装置を提供することにある。

一態様に係る中空体の成形装置は、樹脂を加熱して溶融させる加熱部と、前記加熱部で溶融された樹脂が導入されるキャビティと、前記キャビティの内部に導入された樹脂の内部にコアを通過させるための加圧流体を、前記キャビティの内部に導入する、加圧ポートと、前記コアの通過によって前記キャビティから押し出された樹脂を、前記加熱部に導入する循環部と、を有する。

フローティングコア方式の成形方法において、排出樹脂のリサイクルが容易に行える、中空体の成形装置が提供される。

図１は、第一の実施形態に関する成形装置の構成を示す模式図である。 図２は、第一の実施形態に関する成形装置を動作させて中空体を成形する動作を示す例示的なフローチャートである。 図３は、第一の実施形態の工程Ｓ１１０における成形装置の様子を示す模式図である。 図４は、第一の実施形態の工程Ｓ１２０における成形装置の様子を示す模式図である。 図５は、第一の実施形態の工程Ｓ１３０における成形装置の様子を示す模式図である。 図６は、第二の実施形態に関する成形装置の構成を示す模式図である。

以下、本開示の複数の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。

１．第一の実施形態
［装置構成］
図１は、第一の実施形態に関する成形装置の構成を示す模式図である。成形装置１００は、加熱部１１０、成形部１２０、および循環部１３０を有する。

加熱部１１０は、ホッパー１１２、加熱部ヒーター１１４ａおよびスクリュー１１４ｂを有するシリンダー１１４、およびダイ１１６を有する公知の射出装置または押出装置とすることができる。本実施形態では、まず、中空体の材料となる樹脂（以下、単に「材料樹脂」ともいう。）をホッパー１１２からシリンダー１１４に投入する。本実施形態において、ホッパー１１２に投入される材料樹脂は、ペレット状である。投入された材料樹脂は、シリンダー１１４の内部で加熱部ヒーター１１４ａにより加熱されて軟化または溶融し、かつスクリュー１１４ｂによって撹拌されて、混練される。その後、混練された材料樹脂は、ダイ１１６から射出または押出されて、成形部１２０のキャビティ１２３へと移動する。

成形部１２０は、キャビティ１２３、コア１２５、および加圧ポート１２７を有する、フローティングコア方式による公知の成形機とすることができる。

本実施形態において、成形部１２０は、加熱部１１０とキャビティ１２３の内部とを連通して、加熱部１１０から移動してきた材料樹脂をキャビティ１２３の内部に導入する導入部１２１と、導入部１２１を開閉する導入ゲート１２１ａと、を有する。さらに、成形装置１００は、キャビティ１２３の内部と循環部１３０とを連通して、コア１２５の通過によりキャビティ１２３から排出される溶融状態の材料樹脂を循環部１３０に導入する排出部１２９と、排出部１２９を開閉する排出ゲート１２９ａと、を有する。排出部１２９は、循環部１３０に向かう流路から枝分かれした分岐部１２９ｂを有し、分岐部１２９ｂの先端は、コア１２５と同一形状の型となっている。

キャビティ１２３は、中空体の成形が行われる型であり、成形すべき中空体の外形に沿った形状を有し、かつ一方の端部から他方の端部に向けてコア１２５が通過できる形状を有する管状の空洞である。キャビティ１２３は、成形される中空体の用途に応じて、持ち手、微細な凹凸、およびフランジ部などを成形される中空体の外表面に形成できる形状であってもよい。また、キャビティ１２３は、成形される中空体の用途に応じて、直線状の中空部を有する直線部のほか、湾曲部や折れ曲がり部などを成形される中空体に形成できる形状であってもよい。また、キャビティ１２３の断面形状（以下、単に「断面形状」というときは、キャビティ１２３または成形される中空体の、コア１２５が移動（通過）する方向を示す仮想直線と垂直に交わる平面における断面形状を意味する。）は一定であってもよいし、断面形状（たとえば、形、断面積および長径または短径の長さなど）が異なる異形部を有していてもよい。

コア１２５は、キャビティ１２３の内径よりも小さい外径を有する移動体である。コア１２５の材料は、キャビティ１２３の内部を通過する際に熱で変形しない程度の耐熱性を有するものであればよく、銅、黄銅、ステンレス、鉄、アルミニウムなどの金属であってもよいし、樹脂であってもよいし、セラミックであってもよいし、シリコーンなどの弾性材料であってもよい。なお、本開示における、コア１２５の材料である樹脂とは、炭素－炭素結合を主骨格とする高分子を意味し、公知の熱硬化性樹脂（ただし、シリコーンは除く）および熱可塑性樹脂を含むものである。

これらのうち、樹脂は、質量が小さいためより低い圧力でもキャビティの内部を通過させることができ、かつ伝熱性が低いため通過時に成形される樹脂を急速に冷却させにくく、成形される中空体の断面形状をより安定させやすいため好ましい。また、成形される材料樹脂と同じ材料からコア１２５を形成することは、成形後に、コア１２５の通過により押し出された材料樹脂とコア１２５とを分離せずに、循環部１３０を通して加熱部１１０に再導入し、そのままコア１２５をもリサイクルできるため好ましい。なお、上記同じ材料からコア１２５を形成するとは、成形される材料樹脂とコアの材料とが、同種の樹脂を含むことを意味する。

キャビティ１２３に導入した材料樹脂の粘度がより高い状態で、キャビティ１２３の内部にコア１２５を通過させるときは、コア１２５の硬度が低いと、加圧流体の導入によってコアが変形または破損して、コア１２５の前後での圧力差が低くなって（あるいは無くなって）しまい、コア１２５が材料樹脂の内部で停止してしまうことがある。上記コア１２５の停止を抑制する観点から、コア１２５は硬度がより高いことが好ましく、たとえば、ＪＩＳ Ｋ６２５３－３（２０１２）に即して測定されるデュロメータタイプＡ硬さが４０以上であることが好ましく、５０以上であることがより好ましく、６０以上であることがさらに好ましい。

加圧ポート１２７は、キャビティ１２３の一方の端部に配置されており、上記一方の端部から、キャビティ１２３の内部に加圧流体を導入する。また、加圧ポート１２７は、コア１２５を着脱可能に保持する。加圧ポート１２７は、溶融した材料樹脂をキャビティ１２３の内部に導入するときには、コア１２５を固定して保持しておく。そして、キャビティ１２３の内部に溶融した材料樹脂を導入した後に、材料樹脂の内部にコアを通過させるときは、加圧ポート１２７は、コア１２５を解放し、かつキャビティ１２３の内部に加圧流体を導入して、導入された材料樹脂の内部にコア１２５を通過させる。

上記加圧流体は、コア１２５を通過させる際の温度および圧力下において導入された材料樹脂と反応しない気体または液体であればよい。上記気体の例には、窒素ガスおよびアルゴンなどを含む不活性ガス、炭酸ガス、ならびに空気などが含まれる。上記液体の例には、水、グリセリンおよびパラフィンなどが含まれる。これらのうち、材料樹脂から自然に脱離するため加熱部１１０への再導入の前に除去する必要がないことから、気体であることが好ましく、さらには樹脂と反応しにくいことから、不活性ガスであることがより好ましい。

管状であるキャビティ１２３の他方の端部（加圧ポート１２７が配置された側の端部とは異なる端部）は、排出部１２９によって、循環部１３０に連通している。また、キャビティ１２３の上記他方の端部は、排出ゲート１２９ａによって開閉される。排出ゲート１２９ａを開放して、キャビティ１２３の内部にコア１２５を通過させると、上記通過によりキャビティ１２３の内部から押し出された材料樹脂は、循環部１３０に導入される。このとき、上記押し出された材料樹脂の一部は排出部１２９の分岐部１２９ｂに導入され、分岐部１２９ｂの先端で冷却されて新たなコア１２５に成形される。

循環部１３０は、一方の端部がキャビティの上記他方の端部に連通し、かつ他方の端部が加熱部１１０の樹脂流入部１１８に連通して、溶融した材料樹脂がその内部を通過する樹脂流路１３２と、樹脂流路１３２を加熱する樹脂流路ヒーター１３４と、を有する。

樹脂流路１３２は、キャビティ１２３の内部から押し出されて導入された材料樹脂にその内部を流通させて、加熱部１１０に再導入する。本実施形態では、樹脂流路１３２は、上記押し出されて導入された材料樹脂を、溶融したまま（流動性を保ったまま）、固化させずにそのまま加熱部１１０に導入する。

樹脂流路１３２は、上記溶融した材料樹脂が通過できる幅および長さであればよい。流路径が小さくなることによる、溶融した材料樹脂の流動性の低下を抑制する観点からは、樹脂流路１３２の流路径は、コア１２５の直径よりも大きいことが好ましい。一方で、流路径が大きくなることによる、溶融した材料樹脂の移動速度の低下を抑制する観点からは、樹脂流路１３２の流路径は、コア１２５の長径と略同一であることが好ましい。

樹脂流路ヒーター１３４は、樹脂流路１３２の内部を流動する材料樹脂を加熱する。これにより、上記流通する材料樹脂は、加熱により溶融または軟化した状態を維持されて（流動性を維持されて）、固化せずに樹脂流路１３２の内部を移動できる。なお、樹脂流路１３２の長さが短く、加熱しなくても樹脂流路１３２の内部を通過する樹脂が固化しないようであれば、樹脂流路ヒーター１３４は必ずしも必要ではない。

［動作例］
図２は、成形装置１００を動作させて中空体を成形する動作を示す例示的なフローチャートである。

図２に示すように、本実施形態に関する方法は、樹脂を加熱する工程（工程Ｓ１１０）と、キャビティの内部に樹脂を導入する工程（工程Ｓ１２０）と、導入された樹脂の内部にコアを通過させる工程（工程Ｓ１３０）と、樹脂を固化させる工程（工程Ｓ１４０）と、を有する。

（樹脂を加熱する工程（工程Ｓ１１０））
本工程では、材料樹脂を、加熱部１１０により加熱して溶融させる。

図３は、本工程における成形装置１００の様子を示す模式図である。

本工程では、ペレット状である材料樹脂を加熱部のホッパー１１２に投入して、シリンダー１１４の内部で、加熱部ヒーター１１４ａにより加熱しながらスクリュー１１４ｂにより攪拌して、混練する。このとき、樹脂流入部１１８は閉鎖されている。このとき、強化繊維および着色剤などの添加剤を別のホッパー（不図示）から投入して、材料樹脂とこれらとを混練してもよい。

材料樹脂は、射出成形または押出成形が可能な熱可塑性樹脂から、成形すべき中空体の用途などに応じて任意に選択することができる。上記樹脂の例には、ポリプロピレン（ＰＰ）などを含むポリオレフィン、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、およびポリカーボネート（ＰＣ）などを含むエンジニアリングプラスチック、ならびに、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリサルフォン（ＰＳＵ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリイミド（ＰＩ）などを含むスーパーエンジニアリングプラスチックなどが含まれる。

材料樹脂を加熱する温度は、材料樹脂が十分に溶融または軟化して流動性が付与される程度であればよく、樹脂および添加剤の種類および量や、成形しようとする中空体の形状などに応じて設定すればよい。

（樹脂を導入する工程（工程Ｓ１２０））
本工程では、上記加熱により溶融した材料樹脂をキャビティ１２３の内部に導入する。

図４は、本工程における成形装置１００の様子を示す模式図である。

本工程では、導入ゲート１２１ａを開放して、加熱部１１０と成形部１２０とを連通する。この状態で、前工程（工程Ｓ１１０）で溶融させた材料樹脂を、加熱部１１０のダイ１１６から射出して、導入部１２１を介して、成形部１２０のキャビティ１２３の内部に導入する。なお、このとき、成形部１２０は、加圧ポート１２７にコア１２５が保持された状態とし、かつ、排出ゲート１２９ａが閉鎖された状態とする。

また、このとき、上記導入された樹脂の一部は排出部１２９の分岐部１２９ｂに導入され、そこで冷却されて新たなコア１２５に成形される。

（コアを通過させる工程（工程Ｓ１３０））
本工程では、上記導入された材料樹脂の内部にコア１２５を通過させる。

図５は、本工程における成形装置１００の様子を示す模式図である。

本工程では、加圧ポート１２７にコア１２５を開放させ、かつ、加圧ポート１２７からキャビティ１２３の内部に加圧流体を導入する。上記加圧流体の導入により、コア１２５は、キャビティ１２３に導入された材料樹脂の内部を、キャビティ１２３の一方の端部側（加圧ポート１２７側）から他方の端部側（循環部１３０側）へと移動する。このとき、コア１２５は、上記導入された材料樹脂を押し出して循環部１３０に流入させながら移動することにより、コア１２５が通過した後に、成形される中空体が有すべき中空部を形成する。

このとき導入される加圧流体の圧力は、材料樹脂の内部にコア１２５をより通過させやすくする観点からは、５ＭＰａ以上であることが好ましい。一方で、加圧流体がコア１２５を追い越して、コア１２５の前後での圧力差が低くなって（あるいは無くなって）しまうことにより、材料樹脂の内部でのコア１２５の停止を抑制する観点からは、上記導入される加圧流体の圧力は、２５ＭＰａ以下であることが好ましい。これらの観点からは、上記加圧流体の圧力は、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることがより好ましく、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることがさらに好ましい。

コア１２５を通過させるタイミングは、キャビティ１２３の内部で冷却されていく樹脂の固化率や、成形すべき中空体の形状などに応じて、任意に設定することができる。コア１２５を通過させるタイミングは、加圧流体の導入、排出ゲート１２９ａの開放などのタイミングにより、制御することができる。

コア１２５の通過によりキャビティ１２３の内部から押し出された樹脂は、循環部１３０の樹脂流路１３２に流入し、樹脂流路ヒーター１３４により加熱されて流動性を維持したまま樹脂流路１３２を通過して、加熱部１１０に導入される。このとき、樹脂流入部１１８は開放される。導入された樹脂は、加熱部１１０で、ホッパー１１２から新たに追加導入された材料樹脂とともに加熱および混練されて、次回の成形に用いられる。

（材料樹脂を固化させる工程（工程Ｓ１４０））
本工程では、コアを通過させて中空部が形成された材料樹脂を、固化させる。

本工程では、材料樹脂が常温程度にまで冷却されて所定の硬度を有するようになり、外部からの応力を付与されても容易に変形しない状態になるまで、材料樹脂を固化させればよい。本工程において、材料樹脂は、自然冷却により固化させてもよいし、不図示の冷却管などにより水冷または空冷などの方法で冷却させて固化させてもよい。

このようにして材料樹脂を固化させた後、成形装置から中空体を取り出して、所望の用途に使用することができる。

上記中空体の用途の例には、工場および家屋などの建築物、自動車などの車両、ならびに、燃焼装置、医療機器および産業機器などの各種機器における管状部材などが含まれる。上記中空体は、ガスおよび液体などを移動させるための配管および管継手などに好適に使用することができる。

また、本工程において、材料樹脂の固化により、排出部１２９の分岐部１２９ｂからは、新たに成形されたコア１２５を取り出すことができる。上記取り出されたコア１２５は、次回以降の成形においてキャビティ１２３の内部を移動させて中空体を成形するために用いることができる。

［効果］
本実施形態では、コア１２５の通過によりキャビティ１２３から押し出された樹脂を、そのまま加熱部１１０に導入する。そのため、樹脂のペレット化や、ペレット化された樹脂の移送などが不要であり、押し出された樹脂のリサイクルを容易に行うことができる。

また、本実施形態では、溶融した状態で押し出された樹脂を、溶融したまま（軟化したまま）加熱部１１０に再導入するため、再導入された樹脂を加熱部１１０で溶解させる必要がなく、より低コストでのリサイクルが可能である。

なお、成形装置１００の構成は上記構成に限定されることはなく、たとえばキャビティ１２３と樹脂流路１３２との間、または樹脂流路１３２の内部に、コア１２５を移動させるために導入した加圧流体を樹脂中から除去するガス抜き部または水切り部などを有してもよい。また、ナイロンなどの乾燥状態で溶融して成形することを要求される樹脂を用いるときなどは、成形装置は、キャビティ１２３と樹脂流路１３２との間、または樹脂流路１３２の内部を通過する樹脂を乾燥させる乾燥部を有してもよい。

また、循環部１３０は、材料樹脂を加圧して樹脂流路１３２の内部における材料樹脂の移動を補助するための加圧部を有してもよい。

また、加熱部１１０は、コア１２５の通過によりキャビティ１２３の内部から押し出された樹脂が加熱部１１０まで流動されやすくなるように、シリンダー１１４の内部を減圧する減圧部を有してもよい。

２．第二の実施形態
第二の実施形態は、成形装置における循環部の構成が異なるほかは、第一の実施形態と同様である。以下、第一の実施形態と重複する内容については説明を省略する。

［装置構成］
図６は、第二の実施形態に関する成形装置の構成を示す模式図である。成形装置２００は、加熱部１１０、成形部１２０、および循環部２３０を有する。加熱部１１０および成形部１２０の構成は、キャビティ１２３の形状が異なる以外は第一の実施形態と同一である。

本実施形態において、循環部２３０は、コア１２５の通過によりキャビティ１２３から押し出された材料樹脂を切断してペレット化する切断部２３６と、切断部２３６によりペレット化された樹脂を加熱部１１０に移送する移送部２３８と、を有する。

切断部２３６は、カッターなどの裁断機または破砕機などを有していて、材料樹脂をペレット状に切断する。ただし、押し出された材料樹脂の厚みが厚すぎるときなどには、材料樹脂の切断が容易ではないため、切断部２３６は、切断される前の材料樹脂をシート化するシート化部を有していてもよい。シート化部は、たとえば材料樹脂を圧延したり、あるいは材料樹脂の流路の厚みを薄くしたりするなどして、材料樹脂をシート化する構成とすることができる。

移送部２３８は、切断部２３６により切断され、かつ冷却によりペレット化した材料樹脂を、加熱部１１０に移送する。移送部２３８は、無担状ベルトからなるベルトコンベアなどであってもよいし、ペレット化された材料樹脂を回収した容器を複数のローラにより移動させる構成であってもよい。

移送部２３８は、移送された材料樹脂を、加熱部１１０のホッパー１１２に投入する。

［動作例］
成形装置２００は、コアを通過させる工程（工程Ｓ１３０）以外は成形装置１００と同様に動作することができる。

本実施形態では、コアを通過させる工程（工程Ｓ１３０）におけるコア１２５の通過によりキャビティ１２３の内部から押し出された材料樹脂は、循環部２３０の切断部２３６に移動し、切断および冷却されてペレット化される。ペレット化された材料樹脂は、移送部２３８により加熱部１１０に移送され、ホッパー１１２に投入される。投入された材料樹脂は、加熱部で再び加熱および混練されて、次回の成形に用いられる。

［効果］
本実施形態では、コア１２５の通過によりキャビティ１２３から押し出された樹脂を、ペレット化して加熱部１１０に導入する。そのため、循環部２３０を移動する材料樹脂の固化による配管（樹脂流路）の詰まりなどが生じにくい。また、上記材料樹脂の固化を防ぐための樹脂流路の加熱も不要であるため、より安価に成形を行える。

なお、上述の実施形態はそれぞれ本発明の一例を示すものであり、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において、他の種々多様な実施形態も可能であることは言うまでもない。

たとえば、各実施形態における成形装置は不図示の制御部を有してもよく、各構成部の動作を、制御部により制御してもよい。

本開示によれば、フローティングコア方式の成形方法における、排出樹脂のリサイクルを容易に行うことができる。そのため、中空体の製造効率を高めることができる。

１００、２００ 成形装置
１１０ 加熱部
１１２ ホッパー
１１４ シリンダー
１１４ａ 加熱部ヒーター
１１４ｂ スクリュー
１１６ ダイ
１１８ 樹脂流入部
１２０ 成形部
１２１ 導入部
１２１ａ 導入ゲート
１２３ キャビティ
１２５ コア
１２７ 加圧ポート
１２９ 排出部
１２９ａ 排出ゲート
１２９ｂ 分岐部
１３０、２３０ 循環部
１３２ 樹脂流路
１３４ 樹脂流路ヒーター
２３６ 切断部
２３８ 移送部

Claims (3)

1. 樹脂を加熱して溶融させる加熱部と、
   前記加熱部で溶融された樹脂が導入されるキャビティと、
   前記キャビティの内部に導入された樹脂の内部にコアを通過させるための加圧流体を、前記キャビティの内部に導入する、加圧ポートと、
   前記コアの通過によって前記キャビティから押し出された樹脂を、前記加熱部に導入する循環部と、
   を有し、
   前記循環部は、前記キャビティから前記加熱部へ、前記押し出された樹脂を溶融または軟化したまま流通させる樹脂流路を有する、
   中空体の成形装置。
2. 前記循環部は、前記樹脂流路を流通する前記樹脂を加熱するヒーターを有する、請求項１に記載の中空体の成形装置。
3. 樹脂を加熱して溶融させる加熱部と、
   前記加熱部で溶融された樹脂が導入されるキャビティと、
   前記キャビティの内部に導入された樹脂の内部にコアを通過させるための加圧流体を、前記キャビティの内部に導入する、加圧ポートと、
   前記コアの通過によって前記キャビティから押し出された樹脂を、前記加熱部に導入する循環部と、
   を有し、
   前記循環部は、
   前記押し出された樹脂を切断してペレット化する切断部と、
   前記ペレット化された樹脂を前記加熱部に移送する移送部と、
   を有する、
   中空体の成形装置。
   
   

Images