JP7337881B2 - 成形装置及び成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１型と第２型との間のキャビティに、ゴム又は熱可塑性エラストマよりなる未硬化材料を充填して成形品を成形する成形装置及び成形方法に関する。

この種の未硬化材料をプレス機でトランスファー成形する場合、予備成形（通常、重量管理で行う）を行ってから金型に挿入することが知られている。また、この種の未硬化材料を射出成形する場合には、成形機による被成形材料の体積の管理が行われている。

例えば、特許文献１の射出成形装置は、金型内の各キャビティに、キャビティ内に充填される熱硬化性樹脂材料などの、高流動性溶融材料の充填状況を検知する光センサと、この光センサの情報により開閉するキャビティ用ゲートとを備えている。

特許第２６３５２２３号公報

しかしながら、予備成形で規定の質量に合わせることは困難であり、また、高精度で計量できないという問題がある。

また、ゴムのような弾性体よりなる未硬化材料は、塊にしたときに空気等が混ざりやすく、さらに、正確に計量できないと、金型キャビティへ安定して充填することが難しい。計量が少ない場合は寸法過小や欠肉になり、計量が多い場合は寸法過大やバリになるという問題がある。

上記特許文献１の射出成形機は、熱硬化性樹脂材料などの流動性の高い材料には適用できるが、そもそもこのような流動性の高い溶融材料では、成形前に塊にならず空気等が混ざるという問題が発生しにくい。また、光センサの情報により開閉するキャビティ用ゲートが、溶融材料が流れ込んできて硬化する場所にあるため、硬化した材料によってキャビティ用ゲートにバリが入って正常に動かなくなり、長時間連続で成形できないという問題もある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビティ内に未硬化材料を充填して成形品を成形する成形装置及び成形方法において、容易かつ精密に成形品の仕上がり寸法や質量を安定させることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、充填センサ及び充填装置の可動部を最適な位置に設けた。

具体的には、第１の発明では、第１型と第２型との間のキャビティに、ゴム又は熱可塑性エラストマよりなる未硬化材料を充填して成形品を成形する成形装置であって、
上記キャビティに上記未硬化材料を充填するプランジャ又はスクリューを有する充填装置と、
上記充填装置によって充填された上記未硬化材料が上記キャビティの９０％以上充填されたときに流れ込む最終充填領域と、
上記最終充填領域に設けられた充填センサと、
上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記未硬化材料が硬化する領域から離れた位置（すなわち、材料未硬化領域）に設けられた上記充填装置の可動部を制御して上記未硬化材料の充填量を調整する制御装置とを備えている。

上記の構成によると、充填前に未硬化材料の厳密な計量を行わなくても、実際にキャビティ内の最終充填領域に未硬化材料が充填されてきたことを検知し、その検知信号を利用して充填装置の可動部を制御して未硬化材料の充填量を調整するので、欠肉やバリが生じにくくなって製品の仕上がり寸法や質量が安定する。また、プランジャ又はスクリュー、シャットオフノズル、バルブゲートなどの可動部が、未硬化材料が硬化する領域から離れた位置に設けられているので、可動部にバリが入ることはなく、安定した連続運転が可能である。ここで、未硬化材料とは、ゴム材料では、加圧及び加熱が施されていない未加硫状態を意味する。

第２の発明では、第１の発明において、
上記制御装置は、上記充填センサの信号を受けて上記プランジャ又はスクリューの押込量を調整するように構成されている。

上記の構成によると、プランジャ又はスクリューの可動部は、未硬化材料が硬化する領域から十分に離れており、可動部にバリが入ることはなく、制御も容易である。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
上記制御装置は、上記充填センサの信号を受けて上記プランジャ又はスクリューの出口を開閉するシャットオフノズルを閉じるように構成されている。

上記の構成によると、シャットオフノズルの可動部も未硬化材料が硬化する領域から十分に離れており、可動部にバリが入ることはなく、制御も容易である。

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、
上記制御装置は、上記充填センサの信号を受けて上記プランジャ又はスクリューの出口から上記キャビティに至る充填流路を開閉するバルブゲートを閉じるように構成されている。

上記の構成によると、バルブゲート自体は、未硬化材料が硬化する領域に近いので、バルブゲートを閉じるとすぐに未硬化材料の充填が停止される。このため、充填量の制御が容易である。この場合、バルブゲートの可動部の位置を未硬化材料が硬化する領域内に設けない又は断熱材などを設けて未硬化材料が硬化する領域とはしないことで、可動部周辺にバリが生じるのを防ぐことができる。

第５の発明では、第１型と第２型との間のキャビティに硬化前の、ゴム又は熱可塑性エラストマよりなる未硬化材料を充填して成形品を成形する成形方法を対象とし、
上記成形方法では、
上記キャビティにプランジャ又はスクリューを有する充填装置によって上記未硬化材料を充填し、
上記充填装置によって充填された上記未硬化材料が、上記キャビティの９０％以上充填されて最終充填領域に流れ込み、
上記最終充填領域に設けられた充填センサが上記未硬化材料を検知したときに上記未硬化材料が硬化する領域から離れた位置に設けられた上記充填装置の可動部を制御して上記未硬化材料の充填量を調整する構成とする。

上記の構成によると、充填前に未硬化材料の厳密な計量を行わなくても、実際にキャビティ内の最終充填領域に未硬化材料が充填されてきたのを検知し、その検知信号を利用して充填装置の可動部を制御して未硬化材料の充填量を調整するので、欠肉やバリが生じにくくなって製品の仕上がり寸法や質量が安定する。また、プランジャ又はスクリュー、シャットオフノズル、バルブゲートなどの可動部が、未硬化材料が硬化する領域から離れた位置に設けられているので、可動部にバリが入ることはなく、安定した連続運転が可能である。

第６の発明では、第５の発明において、
上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記プランジャ又はスクリューを停止して上記未硬化材料の押込量を調整する構成とする。

上記の構成によると、プランジャ又はスクリューの可動部は、未硬化材料が硬化する領域から十分に離れており、可動部にバリが入ることはなく、制御も容易である。

第７の発明では、第５の発明において、
上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記プランジャ又はスクリューの出口を開閉するシャットオフノズルを閉じる構成とする。

上記の構成によると、シャットオフノズルの可動部も未硬化材料が硬化する領域から十分に離れており、可動部にバリが入ることはなく、制御も容易である。

第８の発明では、第５の発明において、
上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記プランジャ又はスクリューの出口から上記キャビティに至る充填流路を開閉するバルブゲートを閉じる構成とする。

上記の構成によると、バルブゲート自体は、未硬化材料が硬化する領域にある程度近いので、バルブゲートを閉じるとすぐに未硬化材料の充填が停止されるので、充填量の制御が容易である。この場合、バルブゲートの可動部の位置を未硬化材料が硬化する領域内に設けないことで、可動部周辺にバリが生じるのを防ぐことができる。

以上説明したように、本発明によれば、容易かつ精密に成形品の仕上がり寸法や質量を安定させることができる。

射出中の本発明の実施形態に係る、成形装置の概要を示す断面図である。 射出前の本発明の実施形態に係る、成形装置の概要を示す断面図である。 比較例と実施例とで製品重さを比較した結果を示す図である。 射出前の、本発明の実施形態の変形例に係る、成形装置の概要を示す断面図である。 別の金型の例を示す断面図である。 別の金型の例を一部切断して示す斜視図である。 別の金型の例を示す平面図である。 別の金型の例を上方から見た斜視図である。 準備工程を示す断面図である。 計量工程を示す断面図である。 射出工程を示す断面図である。 加硫工程を示す断面図である。 取出工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の実施形態の成形装置１を示し、この成形装置１は、金型９の第１型２と第２型３との間のキャビティ４に、硬化前の、ゴム又は熱可塑性エラストマよりなる未硬化材料５を充填して成形品を成形するものである。本実施形態では、第１型２が可動型で、第２型３が固定型であるが、第１型２が固定型で、第２型３が可動型でもよく、両方が可動型でもよい。また、図１に示すように、第１型２及び第２型３を水平に並べてもよいし、図５Ａに示すように、第１型２が下型で、第２型３が上型となるように上下に並べてもよい。本実施形態では、図１に一部拡大して示すように、例えば成形品として内径４０ｍｍ、線径５ｍｍのＯリング２０の場合について説明するが、その形状には限定されない。例えば、第１型２が固定され、第２型３が移動して型開きするようになっている。

金型の具体例は後述するが、例えばゴムの場合、材料硬化領域Ａでは、未硬化材料５が加硫する温度になるようにヒータなどで例えば１２０℃から１８０℃に温調される。材料未硬化領域Ｂでは、未硬化材料５が加硫する温度にならないように、３０℃～８０℃にウオータジャケットの温水などで温調される。材料硬化領域Ａと材料未硬化領域Ｂとの間には、熱の伝導を抑制する断熱板１４が設けられている。加硫を行うために未硬化材料に硫黄などのバインダが加えられていてもよい。

本実施形態の成形装置は、キャビティ４に未硬化材料５を充填するスクリュー７（充填シリンダ７ａ部分も含む）を有する充填装置６を備えている。スクリュー７は、プランジャでもよい。スクリュー７の先端側に未硬化材料５を貯めてからスクリュー７を進ませてその先端から第２型３の材料注入口３ａへ未硬化材料５を充填するようになっている。

材料注入口３ａからキャビティ４に向かう充填流路としてのスプルー３ｂには、ゲート３ｃが設けられ、このゲート３ｃよりも先がキャビティ４に連通している。ゲート３ｃを開閉するバルブゲート１３の開閉シリンダ１３ａ（駆動部）は、材料硬化領域Ａから断熱板１４を隔てた材料未硬化領域Ｂに設けられている。

図１に一部拡大して例示するように、ゲート３ｃから流れ込んだ未硬化材料５は、３角形状の第１余肉部２０ａ部分を通ってＯリング本体部２０ｂ部分を通り三角形状の第２余肉部２０ｃ部分（本実施形態では、最終充填領域８）に至る。この最終充填領域８は、充填装置６によって充填された未硬化材料５がキャビティ４の９０％以上充填されたときに流れ込む部分よりなる。この最終充填領域８の少なくとも一部を構成するオーバーフロー部には、圧力センサ、光学センサ、温度センサ等よりなる充填センサ１０が設けられている。

成形装置１は、ＣＰＵなどを有する制御装置１１で制御されるが、この制御装置１１は、充填センサ１０が未硬化材料５を検知したときに、材料未硬化領域Ｂに設けられた充填装置６の可動部を制御して未硬化材料５の充填量を調整する役割を果たす。

具体的には本実施形態では、制御装置１１は、充填センサ１０の信号を受けてスクリュー７の押込量を調整するように構成されている。

－実施例－
図３に、実施例として上記成形装置１でＯリング２０を成形した場合と、比較例として、充填センサ１０を設けずに予め計量した未硬化材料５を用いてＯリングを成形した場合とで、製品重さがどう異なるかを複数の試料１～１０を用いて比較した。

比較例では、製品重さの最大値から最小値を引いた値が０．０４１５ｇであったのに対し、実施例では、０．０１３８ｇとなり、製品重さのばらつきが約１／３に低減されたことがわかる。

－変形例－
図４は本発明の実施形態の変形例を示し、制御装置１１が制御する可動部が、シャットオフノズル１２及びバルブゲート１３である点で実施形態と異なる。なお、以下の変形例及びでは、図１及び図２と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

すなわち、本変形例では、スクリュー７の先端にシャットオフノズル１２が設けられている。シャットオフノズル１２は、図示しないエアシリンダなどのアクチュエータで開閉可能となっている。このシャットオフノズル１２を閉じることで、スクリュー７から材料注入口３ａに至る流路が即時に遮断されるようになっている。

また、キャビティ４と充填流路（スプルー３ｂ）とを遮断するバルブゲート１３が設けられている。このバルブゲート１３も図示しないアクチュエータ（図５Ａの例では開閉シリンダ１３ａ）により開閉可能となっている。このバルブゲート１３を閉じることで、スプルー３ｂからキャビティ４に至る流路が即時に遮断されるようになっている。

このように、本変形例では、制御装置１１は、充填センサ１０の信号を受けてスクリュー７の出口を開閉するシャットオフノズル１２を閉じたり、スクリュー７の出口からキャビティ４に至る充填流路（スプルー３ｂ）を開閉するバルブゲート１３を閉じたりするように構成されている。上記実施形態のように、同時にスクリュー７の進行自体を止めてもよいし、シャットオフノズル１２のみを閉じたり、バルブゲート１３のみを閉じたりしてもよい。

バルブゲート１３自体は、材料硬化領域Ａに近い（本変形例では、領域内にある）ので、バルブゲート１３を閉じるとすぐに未硬化材料５の充填が停止される。このため、充填量の制御が容易である。

この場合、バルブゲート１３の可動部（開閉シリンダ１３ａ）の位置を材料硬化領域Ａではなく材料未硬化領域Ｂに設けることで、効果的に可動部周辺にバリが生じるのを防ぐことができる。

シャットオフノズル１２の可動部も未硬化材料５が硬化する領域から十分に離れており、可動部にバリが入ることはなく、制御も容易である。

（金型の具体例）
図５Ａ～図６Ｂは、本発明の実施形態に係る、成形装置１の金型９の具体例を示し、図１及び図２と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図１等でも示したように、成形装置１の金型９における、第１型２と第２型３には、材料硬化領域Ａと材料未硬化領域Ｂとの間での熱伝達を抑制する断熱板１４が設けられている。

未硬化材料５は、スクリュー７によって材料注入口３ａから注入され、充填流路としてのスプルー３ｂ及びランナ３ｄを通ってゲート３ｃに向かうようになっている。また、第１型２には真空引用流路１５も設けられており、キャビティ４内の空気を吸い込めるようになっている。

上記実施形態とは多少位置が異なるが、充填センサ１０は、最終充填領域８のオーバーフロー部に該当する位置に設けられており、充填センサ１０よりも先は、キャビティ４内部の空気がエアベント部１６を通って外部に逃げるように構成されている。

本実施形態では、ゲート３ｃそのものは、材料硬化領域Ａ内に配置されているが、少なくともバルブゲート１３の駆動部である開閉シリンダ１３ａなどバルブゲートのシステムは領域Ｂの温度管理内にある。

－成形方法－
次に、本実施形態に係る成形方法について図面を用いて説明する。

まず、図７Ａに示す準備工程において、滞留時間を考慮してスクリュー７部分を、加硫しないが粘度が最低になる温度に温調し、材料硬化領域Ａを１２０℃から１８０℃（例えば、１８０℃）に温調し、材料未硬化領域Ｂを３０℃～８０℃（例えば、８０℃）に温調しておく。型締め力は、最初は最大に設定しておく。金型開き位置は金型寸法による。金型開閉速度は、異音がしない程度の速さに設定しておく。

次いで、図７Ｂに示す計量工程において、スクリュー７にシリコンゴムよりなる未硬化材料５を充填する。３ＤのＣＡＤデータやショートショット（充填不良）を考慮して計量する。背圧は、エアの巻き込みがなく鼻タレが発生しない程度に設定する。スクリュー７の回転数は、早すぎると発熱するので、加硫時間内にシリンダに溜まるように設定する。サックバック（スクリュー後退）は５ｍｍを標準とする。この場合、従来のように正確に充填量を測る必要はないので、作業が極めて楽である。ゴム材料であれば硫黄などのバインダを加えておくことで、加熱及び加圧により加硫が行われ、未加硫状態から加硫状態となる。

次いで、図７Ｃに示す射出工程において、スクリュー７を進ませてキャビティ４に未硬化材料５を充填する。射出速度は、架橋が始まるまでに充填できる速度に設定する。Ｖ－Ｐ切替位置は、充填の９０～９５％とする。射出圧は、過圧防止のために設備最大値の７０％程度とする。

未硬化材料５は、硬化し終わる前に、満充填状態になる手前で最終充填領域８に流れ込む。この最終充填領域８に設けられた充填センサ１０が未硬化材料５を検知する。

この検知信号が制御装置１１に送信され、制御装置１１はすぐにスクリュー７の進行を停止する。場合によっては、上述したように、充填センサ１０の信号を受けてシャットオフノズル１２を閉じたり、バルブゲート１３を閉じたりする。

次いで、図７Ｄに示す加硫工程において、成形品の重量が変わらないようなゲートシール時間（加硫完了時間）で保圧する。加硫時間は、未加硫でなく、焼けてしまわない時間とする。加熱により、未硬化材料５が加硫し、製品となるＯリング２０が成形される。

次いで、図７Ｅに示す取出工程において、第２型３を開いてＯリング２０を取り出し、製品として不要な第１余肉部２０ａ、第２余肉部２０ｃ等を取り除いて製品が完成する。エジェクタ速度及びエジェクタ圧は、製品が変形しないように設定するとよい。

このように本実施形態では、充填前に未硬化材料５の厳密な計量を行わなくても、実際にキャビティ４内の最終充填領域８に未硬化材料５が充填されてきたのを検知し、その検知信号を利用して充填装置６の可動部を制御して未硬化材料５の充填量を調整するので、欠肉やバリが生じにくくなって製品の仕上がり寸法や質量が安定する。

また、スクリュー７、シャットオフノズル１２、バルブゲート１３などの可動部が、未硬化材料５が硬化する材料硬化領域Ａではなく、材料未硬化領域Ｂに設けられているので、可動部周辺にバリが入ることはなく、安定した連続運転が可能である。

以上説明したように、本発明によれば、容易かつ精密に未硬化材料５を安定させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、未硬化材料はシリコンゴムで、製品はＯリングとしたがこれに限定されず、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、フッ素ゴムなどの弾性体となるゴム材料でもよいし、弾性体となる熱硬化性エラストマ材料又は熱可塑性エラストマ材料でもよく、製品は弾性体であれば特に限定されない。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ 成形装置
２ 第１型
３ 第２型
３ａ 材料注入口
３ｂ スプルー（充填流路）
３ｃ ゲート
３ｄ ランナ（充填流路）
４ キャビティ
５ 未硬化材料
６ 充填装置
７ スクリュー
８ 最終充填領域
９ 金型
１０ 充填センサ
１１ 制御装置
１２ シャットオフノズル
１３ バルブゲート
１３ａ 開閉シリンダ
１４ 断熱板
１５ 真空引用流路
１６ エアベント部
２０ Ｏリング（製品）
２０ａ 第１余肉部
２０ｂ Ｏリング本体部
２０ｃ 第２余肉部

Claims (8)

1. 第１型に形成した開口又は溝部と第２型に形成した開口又は溝部との間のキャビティに、ゴム又は熱可塑性エラストマよりなる未硬化材料を充填して成形品を成形する成形装置であって、
   上記キャビティに上記未硬化材料を充填するプランジャ又はスクリューを有する充填装置と、
   上記充填装置によって充填された上記未硬化材料が上記キャビティの９０％以上充填されたときに流れ込む、上記成形品の余肉部を形成する上記第１型及び上記第２型の少なくとも一方に形成した開口又は溝部と、
   上記余肉部を形成する開口又は溝部よりも奥のオーバーフロー部を形成する壁面に設けられた充填センサと、
   上記キャビティに上記未硬化材料が完全に充填される前にＶ－Ｐ切替すると共に上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記未硬化材料が硬化する領域から離れた位置に設けられた上記充填装置の可動部を制御して上記未硬化材料の充填量を調整する制御装置とを備えている
   ことを特徴とする成形装置。
2. 請求項１に記載の成形装置であって、
   上記制御装置は、上記充填センサの信号を受けて上記プランジャ又はスクリューの押込量を調整するように構成されている
   ことを特徴とする成形装置。
3. 請求項１又は２に記載の成形装置であって、
   上記制御装置は、上記充填センサの信号を受けて上記プランジャ又はスクリューの出口を開閉するシャットオフノズルを閉じるように構成されている
   ことを特徴とする成形装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の成形装置であって、
   上記制御装置は、上記充填センサの信号を受けて上記プランジャ又はスクリューの出口から上記キャビティに至る充填流路を開閉するバルブゲートを閉じるように構成されている
   ことを特徴とする成形装置。
5. 第１型に形成した開口又は溝部と第２型に形成した開口又は溝部との間のキャビティに硬化前の、ゴム又は熱可塑性エラストマよりなる未硬化材料を充填して成形品を成形する成形方法であって、
   上記キャビティにプランジャ又はスクリューを有する充填装置によって上記未硬化材料を充填し、
   上記充填装置によって充填された上記未硬化材料が、上記キャビティに完全に充填される前にＶ－Ｐ切替すると共に、９０％以上充填されて上記成形品の余肉部を形成する上記第１型及び上記第２型の少なくとも一方に形成した開口又は溝部に流れ込み、
   上記余肉部を形成する開口又は溝部よりも奥のオーバーフロー部を形成する壁面に設けられた充填センサが上記未硬化材料を検知したときに上記未硬化材料が硬化する領域から離れた位置に設けられた上記充填装置の可動部を制御して上記未硬化材料の充填量を調整し、
   上記未硬化材料の加硫を完了し、
   加硫後の成形品を上記キャビティから取り出し、
   上記余肉部を取り除く
   ことを特徴とする成形方法。
6. 請求項５に記載の成形方法であって、
   上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記プランジャ又はスクリューを停止して上記未硬化材料の押込量を調整する
   ことを特徴とする成形方法。
7. 請求項５に記載の成形方法であって、
   上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記プランジャ又はスクリューの出口を開閉するシャットオフノズルを閉じる
   ことを特徴とする成形方法。
8. 請求項５に記載の成形方法であって、
   上記充填センサが上記未硬化材料を検知したときに、上記プランジャ又はスクリューの出口から上記キャビティに至る充填流路を開閉するバルブゲートを閉じる
   ことを特徴とする成形方法。

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