JPH06262635A

JPH06262635A - 結晶性プラスチック成形品における成形条件の設定方法および結晶性プラスチック成形品の成形方法

Info

Publication number: JPH06262635A
Application number: JP5396893A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kawana; 武川名; Yoichiro Tamoto; 洋一郎田本; Yuji Enomoto; 裕治榎本; Kyoko Kurahashi; 恭子倉橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【目的】結晶性プラスチック成形品の成形において、
成形条件の最適化を図り得る結晶性プラスチック成形品
における成形条件の設定方法を提供すること。【構成】核発生速度式・球晶成長速度式をＡｖｒａｍ
ｉの式に代入して樹脂の結晶成長速度を時間と温度の関
数として求め、一方金型ｄ内の樹脂温度をシミュレーシ
ョンなどの手法により時間の関数として求め、その両者
から結晶化度の累積値を求めることにより、金型温度・
樹脂温度・冷却固化時間の設定を最適化するように構成
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶性プラスチック成
形品の成形において、成形条件の最適化を図るために好
適な結晶性プラスチック成形品における成形条件の設定
方法、および結晶性プラスチック成形品の成形方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】エンジニアリング・プラスチックとして
精密機構部品に使用されるポリアセタール・ナイロン・
ポリカーボネートなどは、いずれも結晶性プラスチック
成形品であって、その成形寸法精度・機械的強度・耐薬
品性は結晶化度に左右される。結晶化度はポリアセター
ルで約８０％、ナイロン６で２０〜５０％、ポリカーボ
ネートで２０〜３０％であり、この結晶化度を一定に保
持することが成形品の品質維持上必要である。しかし、
成形の生産性向上のため、品質を維持しつつ成形時間を
短縮すること、すなわちハイサイクル化が求められてい
る。

【０００３】これを実現するための成形条件としては、
樹脂メーカーの資料あるいは文献（例えば、松谷・各務
著：プラスチック技術総合資料集（１９８７）、７１５
〜７１６ページ）に記載される標準的条件に従うのが一
般的である。また、樹脂の流動および冷却に関する解析
あるいは計算機を利用した解析プログラムが発表されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来技術
のうち標準的条件は、個別の場合に最適な条件を提示す
るものではなく、解析プログラムは成形品の特性に影響
の大きい結晶化度まで求めるものではなく、温度解析に
当たり溶解潜熱を無視するものもある。実務上、成形条
件はこれらを基礎にして、実験的・経験的・ノウハウ的
に定められている。

【０００５】本発明の目的は、結晶性プラスチック成形
品の成形において、結晶化度の到達値を定量化しつつ成
形条件の最適化を図り得る結晶性プラスチック成形品に
おける成形条件の設定方法および結晶性プラスチック成
形品の成形方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的は、核発生速度
式・球晶成長速度式をＡｖｒａｍｉの式に代入して樹脂
の結晶成長速度を時間と温度の関数として求め、一方金
型内の樹脂温度をシミュレーションなどの手法により時
間の関数として求め、その両者から結晶化度の累積値を
算出して、それが一定の値に達した条件を成形条件とす
ることにより、達成される。

【０００７】また、前記目的は樹脂注入時から固化冷却
し金型から成形品を取り出すまでの金型温度を、成形対
象物の結晶化の進み特性に対応させて制御することによ
り、達成される。

【０００８】そして、前記目的は前記成形条件の設定方
法を、結晶性プラスチック成形品の射出成形に適用した
ことにより、また前記成形条件の設定方法を、結晶性プ
ラスチック成形品の圧縮成形に適用したことにより、さ
らには前記成形条件の設定方法を、プラスチック成形品
の設計・製造を支援するためのＣＡＥに組み込んだこと
により、達成される。

【０００９】その詳細を以下に説明する。

【００１０】高分子の結晶化は、ａを未結晶の容積分
率、ｔを時間、ｎとｋを球晶発生機構と成長速度によっ
て定まる定数とすると、次に示すＡｖｒａｍｉの式に従
う（山本編：結晶工学ハンドブック、共立出版、（１９
７１）、２２７ページ参照）。

【００１１】

【数１】

【００１２】ｎとｋは結晶成長の態様によって理論的に
与えられ（同上参照）、ポリアセタール樹脂（ポリオキ
シメチレン）など３次元的に成長するものでは、ｎは
４、ｋはＡを核発生速度、Ｇを球晶成長速度であるとす
ると、次式で表される。

【００１３】

【数２】

【００１４】したがって、ＡとＧが求められれば結晶化
の速度を求めることができることになるが、文献（Ｎ．
ＯＫＵＩ：ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＡｓｐｅｃｔｏ
ｆＣｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎＴｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅａｔＭａｘｉｍｕｍＣｒｙｓｔａｌＧｒ
ｏｗｔｈＲａｔｅ，ＰｏｌｙｍｅｒＪｏｕｒｎａ
ｌ，１９，１１（１９７１）１３０９〜１３１５）によ
れば、次式で与えられる。ここで、ΔＥは液相から結晶
へ移動する際の流れのエネルギー、Ｒはガス定数、Ｔは
絶対温度、ΔＴは（Ｔｍ−Ｔ）であってＴｍは融点、Ｋ
１とＫ２は境界面の自由エネルギーの関数で温度に依存
しない定数、Ａ₀とＧ₀は温度に依存しない定数である。

【００１５】

【数３】

【００１６】

【数４】

【００１７】Ｋ１とＫ２については、前記文献等に測定
例があり、それによれば、例えばポリアセタール樹脂に
対しては、次式のように表される。

【００１８】

【数５】

【００１９】

【数６】

【００２０】一方、ＡとＧについては文献（Ｍ．ＩＮＯ
ＵＥａｎｄＴ．ＴＡＫＡＹＡＮＡＧＩ：Ｋｉｎｅｔ
ｃｓｏｆＢｕｌｋＣｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏ
ｎｉｎＰｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｉｌｅｎｅ，Ｊ．ｏｆ
ＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，４７，１４９（１
９６０）４９８〜５０２）等に測定例があり、これより
Ａ₀とＧ₀を定めることができる。無論、測定することも
可能である。以上により、結晶成長の速度が温度と時間
の関数として求められる。

【００２１】結晶化の予測には、はじめに成形時の温度
の推移を求めることが必要となる。この温度の推移は、
数式によっても求められるが、結晶性樹脂の場合融解熱
（潜熱）も含めた非線形解析となること、形状が一般的
に複雑であることから、電子計算機を用いた有限要素法
または境界要素法によるシミュレーションが便宜であ
る。その例を図２，図３および図４により説明する。

【００２２】図３は厚さ２mmの板状成形品を成形する場
合の２次元モデルであって、板に対し対称であるから、
板厚の半分のみを対象としている。したがって、Ａ点は
板厚の中央（深さ１mm）、Ｂ点は深さ０．６mmである。
成形する樹脂はポリアセタール樹脂（融点は１６５
℃）、射出時の温度は１９０℃、金型温度は６０℃と
し、これ以外の物性値・設定値は簡単化を図るため省略
する。

【００２３】図４はシミュレーションの結果であって、
図３のＡ点およびＢ点の温度推移を例示したものであ
る。融点の１６５℃において融解熱が放出されるため、
温度下降が一時停止するのが特徴的である。

【００２４】ついで、結晶化の累積値を求める方法を図
１，図２および図４により説明する。

【００２５】図１の樹脂温度推移は、図４と同様に求め
た成形品の一点の温度推移であるとし、融点で温度下降
の一時停止がある。図２は数１に示される結晶成長速度
式の定数ｋを模式的に示したもので、結晶が成長する上
限温度がＴａ、下限温度がＴｂである。したがって、図
１で結晶が成長するのは、温度Ｔａ，Ｔｂに対応する時
間ｔａ，ｔｂ間であることになる。結晶化の累積値は、
樹脂温度推移および数１から、図１に示すように定量的
に算出できることになる。

【００２６】以上の方法により、特定の成形品の形状・
金型構造に対し、金型温度・樹脂温度を設定すると、こ
れにより得られる結晶化度および冷却固化時間の予測が
可能となり、その逐次計算によって成形条件の最適設定
が可能となる。また、ハイサイクル化、すなわち樹脂の
結晶化を確保しつつ成形時の樹脂温度からできるだけ早
く冷却させる金型温度および冷却時間を設定することの
限界も求めることができる。

【００２７】

【作用】以上のように、本発明では核発生速度式・球晶
成長速度式をＡｖｒａｍｉの式に代入して樹脂の結晶成
長速度を時間と温度の関数として求め、一方金型内の樹
脂温度をシミュレーションなどの手法により時間の関数
として求め、その両者から結晶化度の累積値を求めるこ
とにより、金型温度・樹脂温度・冷却固化時間の設定を
最適化するようにしているので、一定の結晶化度を得る
ために必要な金型温度・樹脂温度・冷却固化時間等の成
形条件の設定が、定形的な手法により求めることが可能
となる。

【００２８】また、本発明では樹脂注入時から固化冷却
し金型から成形品を取り出すまでの金型温度を、成形対
象物の結晶化の進み特性に対応させて制御するようにし
ているので、小物・薄肉品等の成形品の特性を活かし
て、結晶性プラスチックによる成形品を有効に成形する
ことが可能である。

【００２９】さらに、本発明では前記成形条件の設定方
法を結晶性プラスチック成形品の射出成形に適用してお
り、また前記成形条件の設定方法を結晶性プラスチック
成形品の圧縮成形に適用しており、さらには前記成形条
件の設定方法をプラスチック成形品の設計・製造を支援
するためのＣＡＥに組み込んでいるので、それぞれ結晶
性プラスチックによる成形品を的確に成形することがで
きる。

【００３０】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面により説明す
る。

【００３１】図５は本発明方法の一実施対象であるプラ
スチック部品用の加工組立複合ユニットの構成を示す
図、図６は本発明方法の処理手順を示すフローチャート
である。

【００３２】（プラスチック部品用の加工組立複合ユニ
ットの主要部）この加工組立複合ユニットは、射出成形
と組立の複合した機能を有するもので、射出成形部Ｍ
と、組立部Ａと、検査部Ｃとを備えて構成されている。
さらに、射出成形部Ｍは材料供給部ｆと、加熱部ｈと、
押出部ｐと、金型ｄと、型締部ｃとにより構成されてい
る。なお、この加工組立複合ユニットは、生産ラインの
要求に応じ、１個単位で成形することを目的としてい
る。

【００３３】（材料供給部ｆ）この材料供給部ｆは、１
個単位での成形を目指しているところから、ペレットの
供給においても１個分の供給を行う。そして、原料ペレ
ット６のホッパ１は振分部２の中央上部に固定されてい
る。振分部２の中には、パルスモータ３で回転駆動する
送りねじ４が支持されている。振分部２の左右両端に
は、供給管５ａ，５ｂが加熱シリンダ７の上方に位置す
るように取り付けられている。前記ホッパ１内に蓄えら
れた原料ペレット６は、振分部２内の送りねじ４を正
転，逆転させることにより左右に振り分けられて供給さ
れる。

【００３４】（加熱部ｈ）この加熱部ｈは、原則として
部品１個単位の成形を可能にするため、加熱シリンダと
してスクリュー方式ではなくプランジャ方式を採用し、
タクトタイムの短縮を図るため、加熱シリンダを２個備
えている。また、ペレットの溶融のための加熱には、射
出筒以外の高温度化を防止するため、誘導加熱方式を用
いている。

【００３５】すなわち、図３において、左右に水平移動
可能に架台に取り付けられた加熱ホルダ８に、２個並列
に加熱シリンダ７が固定され、その加熱シリンダ７の周
りに樹脂溶融のための誘導加熱コイル９が巻かれてい
る。加熱シリンダ７の中心軸上には、加熱時間の短縮を
目的とする加熱柱１０が立てられ、先端には射出時以外
では溶融樹脂が漏れないように加熱ピン１１が上下にス
ライド可能に取り付けられている。これは、加熱シリン
ダ７が下降して金型ｄに接するときに一定の距離だけ上
昇して溶融した原料ペレット６を押し出し可能にするも
のである。

【００３６】この加熱部ｈでは、加熱ホルダ８が水平移
動することにより、位置を変えて材料供給部ｆからの原
料ペレット６の供給と、溶融した樹脂の押し出しを同時
に行うことができる。

【００３７】（押出部ｐ）この押出部ｐは、図５におい
て、架台に取り付けられたステージ１４と、低騒音化を
図るため採用したＡＣサーボモータ１２で駆動されかつ
ステージ１４を上下動させるボールねじ１３と、ステー
ジ１４に固定されたプランジャ１５とにより構成されて
いる。ステージ１４には、プランジャ１５を上下に加振
するためのピエゾ振動子１６が取り付けられている。

【００３８】そして、材料供給部ｆより供給された原料
ペレット６を加熱シリンダ７の中で一定時間加熱溶融さ
せた後、金型ｄの上方に加熱ホルダ８を水平移動させて
プランジャ１５を下降させることにより、押出部ｐは樹
脂を金型ｄ内に押し出す。

【００３９】（金型ｄ）この金型ｄは、図５において、
固定型１７と、可動型１８と、これらの型から抜き出し
可能な中間金型１９と、この中間金型１９と一緒に成形
品２７を抜き出すロボットハンド２０とで構成されてい
る。前記ロボットハンド２０は、組立部Ａの一部でもあ
る。前記可動型１８は、型締部ｃにより左右方向に開閉
する。

【００４０】（型締部ｃ）この型締部ｃは図５におい
て、架台および可動型１８に端部を支持されたダブルト
グル機構２１と、ダブルトグル機構２１の一点に接続さ
れたラック２２と、このラック２２を動かすトルクモー
タ２３とにより構成されている。この実施例では、機構
の簡素化および駆動源の小動力化を目的として、ダブル
トグル機構２１を採用している。型締め方向は水平方向
としており、これはハンドリングにおいて、チャッキン
グを水平方向にしたことに対応させたものである。

【００４１】（組立部Ａ）この組立部Ａは、射出成形部
Ｍで成形した部品を、この加工組立複合ユニットの前面
に想定するコンベアライン上のワークに組み付けるもの
である。金型からの成形品の取り出しおよび組み付け
は、前述のように、組立部のロボットハンドが成形時に
は金型の一部をなすことにより行う。したがって、金型
内の成形品は、組立時の姿勢で配置することを原則とす
る。

【００４２】図５に示す組立部Ａは、組立ロボット２４
と、この組立ロボット２４により３軸方向に駆動される
アーム２５と、前述のごとく金型の一部である中間金型
１９を有するロボットハンド２０とにより構成されてい
る。前記アーム２５の中には、検査部Ｃである質量セン
サ２６が組み込まれ、ロボットハンド２０とその中に把
持された成形品２７の質量を計量して検査を行う。

【００４３】金型ｄからの成形品２７の取り出しおよび
組み付けは、成形品２７と金型の一部である中間金型１
９とを取り外せる構造としておき、その中間金型１９を
用いて行う、またはその中間金型１９を組立部Ａの一部
に固定しておく、言い換えれば組立部Ａのロボットハン
ド２０が成形時には金型の一部を構成することにより行
う。

【００４４】（検査部Ｃ）成形の良否は質量の計測によ
り判別できる。この質量の計測は、部品を把持したまま
計測することが望ましい。したがって、中間金型および
ロボットハンドの一部の質量を含めて部品の質量を計測
することが必要となる。

【００４５】そこで、この実施例では高分解能で計測可
能な電磁力平衡式質量計測方式の質量センサ２６を用い
ている。

【００４６】（この実施例による処理手順）ついで、前
述のごとく構成したプラスチック部品用の加工組立複合
ユニットの動作に関連して、本発明方法の一実施例を、
図６のフローチャートにより説明する。

【００４７】はじめに、ステップ１で成形品の材質・形
状を設定し、ついでステップ２で金型の構造・温度調節
方式の設定を行い、ステップ３で溶融樹脂温度・金型温
度の設定など成形条件の仮設定を行う。成形に用いる樹
脂がポリアセタール樹脂の場合、溶融樹脂温度としては
１９０℃、金型温度としては６０℃が標準的である。

【００４８】次に、以上の成形条件の評価を行う。ま
ず、ステップ４で金型内で樹脂が冷却する際の温度推移
を算出する。さきに述べたように、有限要素法または境
界要素法によるシミュレーションが便宜である。さら
に、ステップ５で結晶化の累積値の推移の算出を行う。
算出方法は、さきに図１，図２および図４により説明し
た通りである。この結果より、ステップ６で設定された
成形条件の下で必要な冷却固化時間が一定結晶化度に至
る時間として求められる。一定結晶化度とは、ポリアセ
タール樹脂で約８０％、ナイロン６で２０〜５０％、ポ
リカーボネートで２０〜３０％である。

【００４９】ステップ７で成形条件を評価する。（ａ）
結晶化しない、（ｂ）結晶化度が一定値に達しない、
（ｃ）必要な冷却固化時間が長過ぎる、（ｄ）結晶化度
が成形品内で均一でないなど、成形品または成形条件に
満足できない場合には、ステップ３に戻り溶融樹脂温度
・金型温度の再設定を行い、前述のステップを繰り返
す。さらに、必要がある場合には、ステップ１の成形品
の形状、ステップ２の金型の構造・温度調節方式まで戻
る。これらも、温度推移および結晶化度に影響を及ぼす
からである。

【００５０】さらに、発明者等が実施対象とする前記プ
ラスチック部品用の加工組立複合ユニットにおいては、
小物・薄肉の成形品を成形対象とする。この場合、金型
温度として標準的な６０℃程度に設定すると冷却速度が
大となり、図２において結晶化速度大の領域の通過速度
が大となって、結晶化が進まない結果となる。

【００５１】これは金型の温度が一定であることが原因
と言える。したがって、小物・薄肉品の成形において
は、樹脂注入時から一定時間、金型の温度を１００℃程
度に保持し、結晶化が進んだ後に標準的な６０℃程度ま
たはそれ以下に設定することにより、良好な成形を行う
ことができることになる。

【００５２】通常、金型の熱容量は大で、その温度を変
化させることは困難である。しかし、前記加工組立複合
ユニットでは、小物・薄肉品を対象とし、生産ラインの
要求に応じて１個単位で成形することを目的としている
ところから、小形かつ１個取りで熱容量小の金型を用い
ている。したがって、熱容量小であって、金型温度の成
形中の変更を容易に行うことができる。

【００５３】そして、樹脂注入時から固化冷却し金型か
ら成形品を取り出すまで、金型の設定温度を一定にせ
ず、段階的または連続的に金型温度を変化させること
は、成形品の特性を向上させるうえで効果的である。

【００５４】また、本発明の前記処理手順による成形条
件の最適化方法は、射出成形のみならず、圧縮成形にも
適用し得ること勿論である。

【００５５】さらに、近年、プラスチック成形品の設計
・製造を支援するためにＣＡＥシステムが多く利用され
るに至っているが、本発明による成形条件の最適化方法
は、前記ＣＡＥに組み込んで用いることにより、その重
要な要素となり得るものである。

【００５６】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、核発生速
度式・球晶成長速度式をＡｖｒａｍｉの式に代入して樹
脂の結晶成長速度を時間と温度の関数として求め、一方
金型内の樹脂温度をシミュレーションなどの手法により
時間の関数として求め、その両者から結晶化度の累積値
を求めることにより、金型温度・樹脂温度・冷却固化時
間の設定を最適化するようにしているので、次のような
効果がある。

【００５７】（１）一定の結晶化度を有する特性の良い
成形品を得ることができる。

【００５８】（２）試行錯誤的実験または経験的ノウハ
ウの蓄積に依存することなく、最適な成形条件を設定す
ることが可能となる。

【００５９】（３）成形品の形状、金型構造の可否を判
断することができる。

【００６０】（４）ハイサイクル化の限界を求めること
ができる。

【００６１】（５）新しい結晶性樹脂、成形経験のない
樹脂であっても、その結晶成長速度式の定数が分かれ
ば、（１）〜（４）が可能となる。

【００６２】また、本発明によれば樹脂注入時から固化
冷却し金型から成形品を取り出すまでの金型温度を、成
形対象物の結晶化の進み特性に対応させて制御するよう
にしているので、小物・薄肉品等の成形品の特性を活か
して、結晶性プラスチックによる成形品を有効に成形し
得る効果がある。

【００６３】さらに、本発明によれば前記成形条件の設
定方法を結晶性プラスチック成形品の射出成形に適用し
ており、また前記成形条件の設定方法を結晶性プラスチ
ック成形品の圧縮成形に適用しており、さらには前記成
形条件の設定方法をプラスチック成形品の設計・製造を
支援するためのＣＡＥに組み込んでいるので、それぞれ
結晶性プラスチックによる成形品を的確に成形し得る効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の基本思想の説明図である。

【図２】結晶成長速度の例を示す図である。

【図３】冷却時の樹脂温度シミュレーションのモデルを
示す図である。

【図４】シミュレーションによる冷却時の樹脂温度の推
移を示す図である。

【図５】本発明方法の一実施対象であるプラスチック部
品用の加工組立複合ユニットの構成を示す図である。

【図６】本発明方法の処理手順を示すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

Ａ…組立部、Ｃ…検査部、Ｍ…射出成形部、ｐ…押出
部、ｄ…金型、ｃ…型締部、１…ホッパ、２…振分部、
６…原料ペレット、７…加熱シリンダ、１５…プランジ
ャ、１７…金型の固定型、１７…同じく可動型、１９…
同じく中間金型、２０…ロボットハンド、２１…型締部
のダブルトグル機構、２４…組立ロボット、２６…質量
センサ、２７…成形品。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者倉橋恭子神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核発生速度式・球晶成長速度式をＡｖｒ
ａｍｉの式に代入して樹脂の結晶成長速度を時間と温度
の関数として求め、一方金型内の樹脂温度をシミュレー
ションなどの手法により時間の関数として求め、その両
者から結晶化度の累積値を求めることにより、金型温度
・樹脂温度・冷却固化時間の設定を最適化することを特
徴とする結晶性プラスチック成形品における成形条件の
設定方法。
【請求項２】樹脂注入時から固化冷却し金型から成形
品を取り出すまでの金型温度を、成形対象物の結晶化の
進み特性に対応させて制御することを特徴とする結晶性
プラスチック成形品における成形条件の設定方法。
【請求項３】前記請求項１または請求項２記載の成形
条件の設定方法を、結晶性プラスチック成形品の射出成
形に適用したことを特徴とする結晶性プラスチック成形
品の成形方法。
【請求項４】前記請求項１または請求項２記載の成形
条件の設定方法を、結晶性プラスチック成形品の圧縮成
形に適用したことを特徴とする結晶性プラスチック成形
品の成形方法。
【請求項５】前記請求項１または請求項２記載の成形
条件の設定方法を、プラスチック成形品の設計・製造を
支援するためのＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）に組み込んだことを特徴とす
る結晶性プラスチック成形品の成形方法。