JP7270161B2 - 射出成形機および射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱硬化性樹脂材料用の射出成形機、および、射出成形機で用いられる射出成形方法に関する。

従来の熱硬化性樹脂材料用の射出成形機の一例が特許文献１に開示されている。この射出成形機は、加熱シリンダと、加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収容されたスクリューとを有し、スクリューを加熱シリンダ内で回転駆動することにより、熱硬化性樹脂の混練及び可塑化を行う。

特開２０１６－１０７５０９号公報

このような射出成形機では、熱硬化性樹脂材料の硬化反応を抑制するために、加熱シリンダ内で熱硬化性樹脂材料に必要以上の熱量が加わらないようにすることが重要である。一方で、加熱シリンダ内で熱硬化性樹脂材料に必要な熱量が加わらないと、熱硬化性樹脂材料の粘度が十分に下がらず、成形性が悪化したり、ガラスやカーボンなどからなる長繊維材料を混入した場合に折損が生じたりする。従来の射出成形機では、熱硬化性樹脂材料を加熱する際、熟練者の経験に頼ることが多く、適切に加熱することが困難であった。

また、射出動作後に加熱シリンダの先端部に残った熱硬化性樹脂材料において、余熱により硬化反応が進んでしまうことがあった。

そこで、本発明は、熱硬化性樹脂材料を適切に加熱できる射出成形機および射出成形機で用いられる射出成形方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る射出成形機は、熱硬化性樹脂材料用の射出成形機であって、シリンダと、前記シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収容されたスクリューと、前記シリンダの先端部を加熱する加熱装置と、前記シリンダの先端部を冷却する冷却装置と、を有し、前記シリンダは、先端が開口されており、前記開口を通じて金型の樹脂流路と直接的に連通するように構成され、前記シリンダの先端は、前記スクリューの先端が突出可能な大きさに開口されており、前記加熱装置が、前記シリンダ内の熱硬化性樹脂材料を可塑化するときに前記シリンダの先端部を加熱する誘導加熱式ヒーターを有し、前記冷却装置が、前記シリンダの先端部に設けられた非磁性材料製の冷媒流路を有し、前記シリンダ内の可塑化された熱硬化性樹脂材料が前記スクリューによって射出されたあと、前記冷媒流路に冷媒を供給して前記シリンダの先端部を冷却するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、加熱装置が、誘導加熱式ヒーターによってシリンダの先端部を加熱する。そして、冷却装置が、シリンダ内の可塑化された熱硬化性樹脂材料が射出されたあと、非磁性材料製の冷媒流路に冷媒を供給してシリンダの先端部を冷却する。このようにしたことから、誘導加熱式ヒーターは昇温速度が十分に速く、シリンダの先端部を比較的短時間で加熱することができる。また、冷媒流路が非磁性材料製であるので、誘導加熱への影響が小さく、効果的にシリンダの先端部を加熱することができる。また、冷却装置によってシリンダの先端部の余熱を素早く取り去ることができる。これにより、熱硬化性樹脂材料における累積熱量の増加を効果的に抑制することができる。また、自然放熱による冷却に比べて短い時間でシリンダを冷却できるので、成形サイクルの時間を短くすることができる。

本発明において、前記冷媒が液体であり、前記冷却装置が、前記誘導加熱式ヒーターによって前記シリンダの先端部を加熱するとき、前記冷媒流路から冷媒を排出するように当該冷媒流路に冷媒排出ガスを供給することが好ましい。このようにすることで、シリンダの先端部を加熱する際に、液体である冷媒を排出して気体である冷媒排出ガスで冷媒流路を満たし、冷媒によってシリンダの熱が吸収されてしまうことを抑制できる。そのため、シリンダの先端部をより効率的に加熱することができる。

本発明において、前記シリンダの先端部より基端寄りの部分を冷却する補助冷却装置をさらに有していることが好ましい。このようにすることで、シリンダの先端部側から基端部側への熱の伝導を抑制して、シリンダ内の熱硬化性樹脂材料に加えられる熱量をより少なくすることができ、累積熱量の増加をより効果的に抑制することができる。

本発明において、前記シリンダは、先端が開口されており、前記開口を通じて金型の樹脂流路と直接的に連通するように構成されていることが好ましい。このようにすることで、シリンダの先端にノズルを設ける必要がなくなり、ノズル内に残った熱硬化性樹脂材料が硬化してしまうことを回避できる。

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る射出成形方法は、シリンダと、前記シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収容されたスクリューと、を有し、前記シリンダは、先端が開口されており、前記開口を通じて金型の樹脂流路と直接的に連通するように構成され、前記シリンダの先端は、前記スクリューの先端が突出可能な大きさに開口されている熱硬化性樹脂材料用の射出成形機で用いられる射出成形方法であって、前記シリンダの先端部を誘導加熱式ヒーターによって加熱して前記シリンダ内の熱硬化性樹脂材料を可塑化する工程、前記シリンダ内で可塑化された前記熱硬化性樹脂材料を前記スクリューによって射出する工程、および、前記シリンダ内の可塑化された熱硬化性樹脂材料が前記スクリューによって射出されたあと、前記シリンダの先端部に設けられた非磁性材料製の冷媒流路に冷媒を供給して前記シリンダの先端部を冷却する工程、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、シリンダの先端部を誘導加熱式ヒーターによって加熱してシリンダ内の熱硬化性樹脂材料を可塑化する。シリンダ内で可塑化された熱硬化性樹脂材料をスクリューによって射出する。そして、シリンダ内の可塑化された熱硬化性樹脂材料がスクリューによって射出されたあと、シリンダの先端部に設けられた非磁性材料製の冷媒流路に冷媒を供給してシリンダの先端部を冷却する。このようにしたことから、誘導加熱式ヒーターは昇温速度が十分に速く、シリンダの先端部を比較的短時間で加熱することができる。また、冷媒流路が非磁性材料製であるので、誘導加熱への影響を抑制して、効果的にシリンダの先端部を加熱することができる。また、冷却装置によってシリンダの先端部の余熱を素早く取り去ることができる。これにより、熱硬化性樹脂材料における累積熱量の増加を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、熱硬化性樹脂材料における累積熱量の増加を効果的に抑制して、熱硬化性樹脂材料を適切に加熱できる。

本発明の一実施形態に係る射出成形機を有する成形システムの要部断面図である。 図１の射出成形機の機能ブロック図である。 図１の射出成形機における動作の一例を示すフローチャートである。 図１の射出成形機における計量前動作を説明する図である。 図１の射出成形機における計量動作を説明する図である。 図１の射出成形機における射出動作を説明する図である。 図１の射出成形機における製品取り出し動作を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る熱硬化性樹脂材料用の射出成形機を有する成形システムについて、図１～図７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を有する成形システムの要部断面図である。図２は、図１の射出成形機の機能ブロック図である。図３は、図１の射出成形機における動作の一例を示すフローチャートである。図４～図７は、それぞれ図１の射出成形機における計量前動作、計量動作（可塑化動作）、射出動作および製品取り出し動作を説明する図である。本明細書において、「左右」とは、図１、図４～図７の左右方向に対応する。

成形システム１は、金型１０と、射出成形機２０と、を有している。この成形システム１では、金型１０のキャビティ１８に、射出成形機２０により可塑化された熱硬化性樹脂材料（以下、単に「樹脂材料Ｐ」という）を射出したのち硬化させて製品Ｓを成形する。

金型１０は、右方から左方に順に配置された固定金型１３および移動金型１４を有している。固定金型１３には、左右方向に貫通した樹脂流路１６が形成されている。固定金型１３と移動金型１４との間にキャビティ１８が形成されている。固定金型１３の右側面には凹部１９が形成されており、凹部１９の中心部分に樹脂流路１６が開口されている。固定金型１３は、凹部１９に対応して埋め込まれた金型冷却装置１５を有している。金型冷却装置１５は、例えば、水などの比較的低温の熱交換媒体（冷媒）が流動される管路を有しており、凹部１９付近を冷却する。金型１０には、キャビティ１８に充填された樹脂材料Ｐを加熱して硬化させるための図示しないヒーターが設けられている。金型１０は、型締駆動部３３によって型開閉される。

射出成形機２０は、シリンダ２１と、スクリュー２２と、加熱装置２３と、冷却装置２４と、補助冷却装置２５と、シリンダ駆動部３１と、スクリュー駆動部３２と、型締駆動部３３と、制御部４０と、を有している。

シリンダ２１は、先端２１ａが開口された円筒状に形成されており、先端２１ａを金型１０に向けて配置されている。すなわち、シリンダ２１の先端２１ａにはノズルが設けられておらず、ノズルレス構造となっている。本実施形態において、シリンダ２１は、先端２１ａの開口を含む全体の内径が一定である。先端２１ａは、金型１０の凹部１９に嵌合可能な形状を有している。シリンダ２１は、シリンダ駆動部３１により軸方向（左右方向）に移動される。シリンダ２１の先端２１ａは、スクリュー２２の先端２２ａが突出可能な大きさに開口されていればよい。

スクリュー２２は、シリンダ２１内に回転可能かつ前後進可能に収容され、スクリュー駆動部３２によりシリンダ２１内で回転されるとともに、軸方向に移動される。

加熱装置２３は、シリンダ２１の先端部２１ｂを加熱する。加熱装置２３は、シリンダ２１の先端部２１ｂを内側に収容するらせん状に巻かれたコイルを備えた誘導加熱式ヒーター（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ；ＩＨ）を有している。誘導加熱式ヒーターは昇温速度が比較的速く、電磁誘導によりシリンダ２１の先端部２１ｂを瞬時に加熱することができる。本実施形態において、シリンダ２１は誘導加熱可能な材料（強磁性体）で構成されている。一般的に用いられるバンドヒーターは昇温速度が０．２８℃／秒程度であるが、誘導加熱式ヒーターを用いることで８．８℃／秒を実現することができ、比較的短時間でシリンダ２１を加熱できる。本明細書において「瞬時に加熱する」とは、昇温速度が８℃／秒以上のことをいう。

冷却装置２４は、シリンダ２１の先端部２１ｂを冷却する。冷却装置２４は、シリンダ２１の先端部２１ｂに設けられた非磁性材料製の冷媒流路と、この冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給部と、を有している。本実施形態において、冷媒流路は、シリンダ２１の先端部２１ｂの外周面にらせん状に巻き付けられた管路（パイプ）で構成されている。冷媒供給部は、シリンダ２１の先端部２１ｂを冷却するときに、例えば水などの液体の冷媒を供給して冷媒流路内を流動させる。また、冷媒供給部は、シリンダ２１の先端部２１ｂを加熱するとき、例えば空気などの気体からなる冷媒排出ガスを供給して冷媒流路内の液体の冷媒を排出する。

本実施形態において、冷媒流路は、加熱装置２３の誘導加熱式ヒーターとシリンダ２１との間に配置されている。これ以外にも、冷媒流路と誘導加熱式ヒーターとを互いに平行となる二条のらせん状としてシリンダ２１の先端部２１ｂに巻き付けた構成としてもよい。また、冷媒流路は、らせん状の管路以外にも、例えば、シリンダ２１の先端部２１ｂが内側に嵌まる中空円筒状に形成されていてもよく、本発明の目的に反しない限り、その形状は任意である。また、冷媒は、空気などの気体であってもよい。

また、本実施形態において、冷媒流路は、非磁性材料を切削加工や金属造形などにより成形して得られる。冷媒流路は、非磁性体（磁化しない・磁化しにくい、比透磁率が低い（μｓ＜１００））であれば、本発明の目的に反しない限り、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５（Ｍ）、アルミナセラミックス、高ニッケル特殊合金など、任意の材料で構成することができる。

補助冷却装置２５は、シリンダ２１における先端部２１ｂより基端（先端２１ａの反対側の端）寄りの部分に設けられている。補助冷却装置２５は、例えば、水などの比較的低温の熱交換媒体（冷媒）が流動される管路を有している。補助冷却装置２５は、シリンダ２１を冷却することができ、加熱装置２３によって加熱されたシリンダ２１の先端部２１ｂの熱が、シリンダ２１の基端側に伝達されることを抑制する。補助冷却装置２５によってシリンダ２１を冷却することで、樹脂材料Ｐが溶融されず固体の状態（粘土状）で先端側に移送される。

また、射出成形機２０は、成形システム１全体の動作を司る制御部４０を有している。制御部４０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、各種Ｉ／Ｏインタフェースなどを有する組み込み機器用のマイクロコンピュータを有して構成されている。制御部４０は、金型冷却装置１５、加熱装置２３、冷却装置２４、補助冷却装置２５、シリンダ駆動部３１、スクリュー駆動部３２および型締駆動部３３と、制御信号を送受可能に接続されている。制御部４０は、型閉動作、計量前動作、計量動作（可塑化動作）、射出動作、冷却動作、硬化待ち動作、型開動作および製品取り出し動作などの各種動作において、成形システム１の各駆動部等を制御する。

次に、上述した本実施形態の射出成形機２０の制御部４０において実行される成形サイクルに係る動作の一例について、図３～図７を参照して説明する。

射出成形機２０の制御部４０は、事前にパージ動作等を行って、シリンダ２１の先端部２１ｂ内の樹脂材料Ｐをスクリュー２２により混練した状態とする。また、制御部４０は補助冷却装置２５を制御して、シリンダ２１の先端部２１ｂより基端寄りの部分を常時冷却する。

製品Ｓの成形サイクルにおいて、始めに、制御部４０は型締駆動部３３を制御して、固定金型１３および移動金型１４を重ねて型締めする（型閉動作、Ｓ１１０）。

次に、制御部４０はシリンダ駆動部３１を制御して、シリンダ２１を金型１０に近づくように移動（すなわち前進）させ、図４に示すように、先端２１ａを凹部１９に嵌合させる。この状態において、シリンダ２１の内部と金型１０の樹脂流路１６とが連通される。そして、制御部４０はスクリュー駆動部３２を制御して、スクリュー２２を所定の計量開始位置まで前進させる（計量前動作、Ｓ１２０）。また、制御部４０は、金型冷却装置１５を制御して、金型１０におけるシリンダ２１の先端２１ａが当接される箇所である凹部１９を冷却する。

次に、シリンダ２１の先端部２１ｂを誘導加熱式ヒーターによって加熱しつつシリンダ２１内の樹脂材料Ｐを可塑化して、計量する（計量動作、Ｓ１３０（計量工程（可塑化工程）））。具体的には、制御部４０は冷却装置２４を制御して、冷媒流路に冷媒排出ガスを供給し、冷媒流路から冷媒を排出する。そして、制御部４０は加熱装置２３を制御して、シリンダ２１の先端部２１ｂを瞬時に加熱する。これにより、樹脂材料Ｐの粘度を下げて可塑化しやすくする。瞬時に加熱することにより、シリンダ２１内の樹脂材料Ｐの加熱時間を短くして、樹脂材料Ｐに加えられる熱量を少なくすることができ、累積熱量の増加を効果的に抑制しつつ粘度を下げることができる。本実施形態においては、樹脂材料Ｐが１５０℃～１６０℃となる程度までシリンダ２１を加熱する。さらに、制御部４０はスクリュー駆動部３２を制御して、スクリュー２２を回転させながら後退させ、図５に示すように、樹脂材料Ｐを可塑化しつつ１回の射出に必要となる量の樹脂材料Ｐをシリンダ２１の先端部２１ｂに供給（計量）する。計量が終わると、制御部４０は加熱装置２３を制御して、シリンダ２１の先端部２１ｂの加熱を停止する。なお、後述する射出動作のあとにシリンダ２１の先端部２１ｂの加熱を停止してもよい。

次に、シリンダ２１内で可塑化された樹脂材料Ｐをスクリュー２２によって射出する。具体的には、制御部４０はスクリュー駆動部３２を制御して、図６に示すように、スクリュー２２を前進させる。これにより、シリンダ２１の先端部２１ｂの樹脂材料Ｐが樹脂流路１６を通じてキャビティ１８に押し込まれる（射出動作、Ｓ１４０（射出工程））。

次に、樹脂材料Ｐがスクリュー２２によって射出されたあと、制御部４０は冷却装置２４を制御して、冷媒流路に液体の冷媒を供給して、シリンダ２１の先端部２１ｂを冷却する（冷却動作、Ｓ１５０（冷却工程））。

冷却動作と並行して、制御部４０は金型１０のヒーターを制御して、キャビティ１８内の樹脂材料Ｐが硬化するように加熱する（硬化待ち動作、Ｓ１６０）。また、制御部４０はシリンダ駆動部３１を制御して、図７に示すように、シリンダ２１を金型１０から離れるように移動（すなわち後退）させ、先端２１ａと凹部１９との嵌合を解除する。このとき、シリンダ２１の先端２１ａから樹脂材料Ｐが垂れないように、制御部４０はスクリュー駆動部３２を制御して、スクリュー２２を射出動作が完了した位置より後退させる。さらに、制御部４０は型締駆動部３３を制御して、固定金型１３および移動金型１４を左右方向に開き（型開動作、Ｓ１７０）、図示しないエジェクトピンによりキャビティ１８から製品Ｓを取り出す（製品取り出し動作、Ｓ１８０）。

以降、上記型閉動作～上記製品取り出し動作を繰り返して製品Ｓの成形を行う。

以上説明したように、本実施形態の成形システム１の射出成形機２０によれば、加熱装置２３が、誘導加熱式ヒーターによってシリンダ２１の先端部２１ｂを加熱する。そして、冷却装置２４が、シリンダ２１内の可塑化された樹脂材料Ｐが射出されたあと、非磁性材料製の冷媒流路に冷媒を供給してシリンダ２１の先端部２１ｂを冷却する。このようにしたことから、誘導加熱式ヒーターは昇温速度が十分に速く、シリンダ２１の先端部２１ｂを比較的短時間で加熱することができる。また、冷媒流路が非磁性材料製であるので、誘導加熱への影響が小さく、効果的にシリンダ２１の先端部２１ｂを加熱することができる。また、冷却装置によってシリンダ２１の先端部２１ｂの余熱を素早く取り去ることができる。これにより、樹脂材料Ｐにおける累積熱量の増加を効果的に抑制することができる。したがって、樹脂材料Ｐを適切に加熱できる。また、自然放熱による冷却に比べて短い時間でシリンダを冷却できるので、成形サイクルの時間を短くすることができる。

また、冷媒が液体であり、冷却装置２４が、誘導加熱式ヒーターによってシリンダ２１の先端部２１ｂを加熱するとき、冷媒流路から冷媒を排出するように当該冷媒流路に冷媒排出ガスを供給する。このようにすることで、シリンダ２１の先端部２１ｂを加熱する際に、液体である冷媒に代えて気体である冷媒排出ガスで冷媒流路を満たして、冷媒によってシリンダ２１の熱が吸収されてしまうことを抑制できる。そのため、シリンダ２１の先端部２１ｂをより効率的に加熱することができる。

また、シリンダ２１の先端部２１ｂより基端寄りの部分を冷却する補助冷却装置２５をさらに有している。このようにすることで、シリンダ２１の先端部２１ｂ側から基端側への熱の伝導を抑制して、シリンダ２１内の樹脂材料Ｐに加えられる熱量をより少なくすることができ、累積熱量の増加をより効果的に抑制することができる。

また、シリンダ２１の先端２１ａが開口されており、シリンダ２１がこの開口を通じて金型１０の樹脂流路１６と直接的に連通するように構成されていることが好ましい。このようにすることで、シリンダ２１の先端２１ａにノズルを設ける必要がなくなり、ノズル内に残った樹脂材料Ｐが硬化してしまうことを回避できる。

また、金型１０が、金型１０におけるシリンダ２１の先端２１ａが当接される凹部１９を冷却する金型冷却装置１５を有している。そのため、シリンダ２１の熱が金型１０に伝わることを抑制することができ、金型１０の樹脂流路１６内で樹脂材料Ｐの硬化反応が進むことを抑制できる。

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。

１…成形システム、１０…金型、１３…固定金型、１４…移動金型、１５…金型冷却装置、１６…樹脂流路、１８…キャビティ、１９…凹部、２０…射出成形機、２１…シリンダ、２１ａ…シリンダの先端、２１ｂ…シリンダの先端部、２２…スクリュー、２３…加熱装置、２４…冷却装置、２５…補助冷却装置、３１…シリンダ駆動部、３２…スクリュー駆動部、３３…型締駆動部、Ｐ…熱硬化性樹脂材料、Ｓ…製品

Claims (4)

1. 熱硬化性樹脂材料用の射出成形機であって、
   シリンダと、
   前記シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収容されたスクリューと、
   前記シリンダの先端部を加熱する加熱装置と、
   前記シリンダの先端部を冷却する冷却装置と、を有し、
   前記シリンダは、先端が開口されており、前記開口を通じて金型の樹脂流路と直接的に連通するように構成され、前記シリンダの先端は、前記スクリューの先端が突出可能な大きさに開口されており、
   前記加熱装置が、前記シリンダ内の熱硬化性樹脂材料を可塑化するときに前記シリンダの先端部を加熱する誘導加熱式ヒーターを有し、
   前記冷却装置が、前記シリンダの先端部に設けられた非磁性材料製の冷媒流路を有し、前記シリンダ内の可塑化された熱硬化性樹脂材料が前記スクリューによって射出されたあと、前記冷媒流路に冷媒を供給して前記シリンダの先端部を冷却するように構成されていることを特徴とする射出成形機。
2. 前記冷媒が液体であり、
   前記冷却装置が、前記誘導加熱式ヒーターによって前記シリンダの先端部を加熱するとき、前記冷媒流路から冷媒を排出するように当該冷媒流路に冷媒排出ガスを供給する、請求項１に記載の射出成形機。
3. 前記シリンダの先端部より基端寄りの部分を冷却する補助冷却装置をさらに有している、請求項１または請求項２に記載の射出成形機。
4. シリンダと、前記シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収容されたスクリューと、を有し、前記シリンダは、先端が開口されており、前記開口を通じて金型の樹脂流路と直接的に連通するように構成され、前記シリンダの先端は、前記スクリューの先端が突出可能な大きさに開口されている熱硬化性樹脂材料用の射出成形機で用いられる射出成形方法であって、
   前記シリンダの先端部を誘導加熱式ヒーターによって加熱しつつ前記シリンダ内の熱硬化性樹脂材料を可塑化する工程、
   前記シリンダ内で可塑化された前記熱硬化性樹脂材料を前記スクリューによって射出する工程、および、
   前記シリンダ内の可塑化された熱硬化性樹脂材料が前記スクリューによって射出されたあと、前記シリンダの先端部に設けられた非磁性材料製の冷媒流路に冷媒を供給して前記シリンダの先端部を冷却する工程、を含むことを特徴とする射出成形方法。

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