JPS5852486B2 - 射出成形機の型内圧による制御方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 射出成形はプラスチック材料をスクリューで加熱筒内に
送り、外部加熱とスクリューの回転による機械的な内部
摩擦熱とで可塑化し、溶融状態となった材料に機械的エ
ネルギーを加えて金型内に注入、充填、加圧し冷却して
所望の品質をもった成形品を得るプロセスである。

したがって、プラスチックの状態は、外部からの熱エネ
ルギーを受けて固体から液体に変化し、運動エネルギー
を与えられて金型内に充填されると、与えられたエネル
ギーを金型に吸収させて再び固体へと変化する過程で、
外部からの成形条件に大きく左右され成形品の品質に重
大な影響を及ぼす。

実際間違った条件のもとにおこる成形品の不良項目に（
１）ショートショット、（２）フラッシュ、（３）フロ
ーマーク、（４）ジェツテイング、（５）ウェルドマー
ク、（６）ガス焼、（７）気泡、（８）くもり、（９）
コールドマーク、（１睡、０υ反り、０２）ひけ、０３
）規格外製品、αａフシ３フ間の規格誤差、０５）ロン
ド間の規格誤差がある。

これに対して成形条件には材料を可塑化するためのシリ
ンダー加熱温度、スクリュー回転数、金型内に注入され
るべく射出シリンダーにたくわえる材料の量、計量スト
ローク、スクリュー背圧、金型内に注入、充填、加圧さ
せるための射出圧力、射出速度、射出時間、熱エネルギ
ーを吸収するための冷却温度、冷却時間があり、成形品
を得るにはどれも欠かすことができない重要な条件であ
る。

たとえばシリンダー加熱温度を高くすると材料が劣化し
、プラスチックのもつ特性を失ってしまうし、言１量ス
トロークをあまり大きくとると樹脂はシリンダー内に残
り、滞溜時間が長くなって樹脂は金型の分割面からはみ
出したり歪の原因となったり、また射出エネルギーを低
くとりすぎると樹脂のもつ光沢性が失われ、コールドマ
ークを生じたりするし、冷却時間を短くすると成形品の
形状不安定をもたらしたり反りを生じたりする。

そこで、今までは経験を有するオペレータによってなさ
れてきた。

すなわち得られた成形品を目で見て判断し調整されてき
たわけであるが、成形条件というものはどれをとっても
単独では成立せず、相互に関連して最終的に成品となる
わけで成品が得られるまでのプロセス中プラスチックの
状態が与えた条件によってどう変るのか型内の状態を知
らずして調整するのは不可能である。

与えた成形条件というものは必ずしも一定であるとは限
らず多少変動しているものであるからショット毎の成品
に均一性を持たせるのも容易ではない。

実際油圧の変動、油温の変動、加熱温度の脈動を受けて
プラスチックの状態は大いに変る。

これら変動に対しては現実的には難しいことではなく、
またこれらが安定していることが成形機として具備しな
くてはならない条件であるが、たとえこれらが変動がな
いとしても成形品がバラツクのは可塑化要因の中で樹脂
の脱気、材料の純度、再成品の混合化、複合材料の混合
化、再成品の粘度等が原因している。

実験の結果これらの要素が成品のバラツキの大半を占め
ている。

これらの項目は品質管理が大変難しい。

そこで、射出成形はどうあるべきかと考えると均一に可
塑化された適正量の晦融樹脂を金型構造に即した適切な
射出エネルギーで金型に充填してゲートがシールされる
まで充填圧を正確に保持し適正な冷却温度で適正時間冷
却することである。

しからば、これらを如何にしてコントロールするかとい
うことになる。

プラスチックの状態函数は樹脂圧、樹脂容量、樹脂温度
の三つの変数より成り立っている。

この中で樹脂温度の制御はプラスチックの短時間なサイ
クルの中で応答性から見て制御は難しく、むしろ一定に
保つことにある。

樹脂容積は型締状態を一定に保つことにより最終的には
一定となるが金型が樹脂で充満するまでの充填量の増加
は樹脂圧の圧力上昇状況で間接的に促えられる。

したがって、制御の基本となるものは樹脂圧といってよ
い。

いいかえると、第２図に示すように、時間の経緯と型内
圧との関係において、前記不良品の生ずる項目中（図中
穴の時点）で生ずるものに（３に４Ｘ５）（６Ｘ７Ｘ８
Ｘ９ＸＩＯＸｌυがあり、保圧行程（図中Ｃの時点）で
生ずるものに（ＩＸ２Ｘ１１Ｘ１２Ｘ１３Ｘ１舶≦あり
、冷却行程（図中りの時点）で起るものにαυ０４）が
あることから大半の不良項目が充填中に生ずることが理
解される。

したがって、制御の基本となるものを樹脂圧と見て差支
えない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので詳しくは
射出成形用金型内の通路すなわちランナ部のまたはキャ
ビティのゲート近傍、またはスプール近傍に樹脂圧力を
検出するための圧力変換器を設けて溶融樹脂が成形機の
ノズルから金型に注入されてからキャビティ末端まで充
満して冷却固化するまでに至る樹脂圧力を測定し、充填
不足または充填オーバーにならない型内圧力の最高許容
範囲内に所望の必要設定圧力を見出し、ゲートがシール
されるまでこの設定圧を保持するように成形機の射出機
構たとえば油圧機構を制御するようにして上記欠点を除
去するようにしたものである。

金型内の樹脂通路部に圧力センサーを設けて、型内圧を
測定すると、金型構造の変化に応じて樹脂の充填されて
ゆく状況、金型末端部へ樹脂が充満してからの樹脂の圧
縮状況、冷却固化に伴う収縮状況、射出終了後の圧力降
下（残留応力）状況が時間の経緯と共に観測することが
できる。

一般に金型が透明なガラスで出来てない限り金型内の樹
脂の充填状況を外部からみることは出来ないのでこの樹
脂通路部での型内圧は成形品が形成されてゆく過程での
重要な情報源である。

逆に樹脂通路部で型内圧を観測することは金型があたか
もガラスで出来ているように樹脂の充填状況がよくわか
ることである。

樹脂通路部での型内圧は金型構造の変化や樹脂の充填、
圧縮、収縮状況を示す唯一の情報源である。

金型末端部へ圧力センサーを設けて型内圧を観測すると
その部分での樹脂の充填状況は判るが、その部分まで樹
脂が到達する充填状況がわからないから少ない情報源し
か得られない。

射出成形は充填中に製品が形成されてゆくわけだから充
填中のプロセスは最も重要である。

本発明でサンサーの設置場所を樹脂通路部と限定するの
は上記の理由からを別に制御上の問題がある。

それは情報がより早く得られると対応が間に合うからで
ある。

たとえば通常は、金型はランナーとゲートとキャビティ
（ｌケとは限らず複数個から戊り立つ場合もある）より
構成されている。

型内圧センサーをランナ一部へ設けると樹脂がゲートを
通路するときの状況、多数個取りにあってはゲートバラ
ンスの状況、キャビティへの充填状況、シートシール状
況等射出成形で問題となってくる各工程での状況が殆ん
ど情報として得られるから全プロセスにわたって問題を
生じないように対応もできるから射出制御は成形品全体
についてその品質をカバーできる。

しかし、センサーを成るキャビティに設置すると、その
キャビティの樹脂の充満したかしないかは判るが、ゲー
ト通過時の樹脂の流入状況も判らないし、また、他のキ
ャビティの充填状況は全く判らないから制御の対象もそ
のキャビティに限定されてしまうばかりでなくその制御
も田無になってくる。

なぜならゲートからの樹脂の注入速度は速くキャビティ
の樹脂の圧力状況は急激に立ち上がり、その量を制限し
ようとしても応答的に制御上高い応答を要求されフィー
ドバック制御して樹脂量を加減するのは通常細いゲート
を境にしては精度上に無理があるからである。

一般に射出成形品の外観不良はこのゲート通過時の樹脂
の流動速度で生じるのでセンサーの設置場所は重要であ
る。

本発明の樹脂通路でのセンサーの設置は１ヶ取りの製品
にあってはそのスプールの近傍、多数個取りにあっては
ランナ一部を製品に応じて最も樹脂の流動状況が良く判
る樹脂通路部と限定するのは各部へ樹脂が充填されてゆ
く過程を正確に制御することが射出成形にあっては最も
重要な要素であるからである。

上記の理由から樹脂通路でのセンサー設置の重要性の他
にこの型内圧を制御することが他のこれまでの射出制御
の方法と比べどれだけの利点が得られるかを説明する。

従来の成形の射出制御は射出工程中のスクリュー前進位
置での射出速度のプログラムや時間での射出圧力のプロ
グラムであり、これら機械的な変位又は時間での油圧の
調整であり、これを型構造に併せて細分化し、制御方式
もオープンループからクローズドローフへと如何に精度
よく制御することで、品質を一定に保つかに努力がはら
れれてきたが、実際に必要なのは金型内部での樹脂の速
度とか圧力（密度）が問題なのである。

実際に品質が安１定しているといわれるこれらの成形条
件を一定にして型内圧を観測すると連続成形中これらの
条件を一定にしているにもかかわらず型内圧はショット
毎に違い、且つ型内圧の変化に対応して成形品の品質も
変化していることが確認される。

連続成形中にも微妙に変化しているから成形スタート時
での型内圧の変化は非常に大きいことが判る。

そして、射出中の型内圧の変化が射出終了後の冷却中の
圧力降下にも影響を及ぼしていることである。

さらに重要なことは型内圧の変化の形態を観測するだけ
で実際に射出された成形品をみなくとも、その品質を予
測することができることである。

そして、良品といわれる成形品の型内圧の形態に共通し
たものも有していることである。

このことから従来の油圧の射出速度や射出圧力を一定と
する機械的な成形条件の設定は不完全で、むしろ型内圧
を一定にすべく油圧を可変にして調整する制御の方法が
最良といえる。

また、従来のショット毎の型内圧のピーク圧がそろえる
設定制御も不完全で、ピーク圧に達するまでの充填過程
と到達してからの型内圧をどのように処理するかで成形
品の品質は左右される。

本発明はこの型内圧に着目して型内圧を単にピーク圧と
いう点でとらえるのではなくアナログ的に樹脂の流動か
らゲートシールに至るまでの連続的な型内圧としてとら
えてこの型内圧を一定に保って成形品の品質を一定にし
ようとする制御方法で、これまでのショット毎の型内ピ
ーク圧を一定とする制御方法や射出工程や任意のスクリ
ュー前進位置での射出速度や射出圧力をプログラム制御
する方法と全く本質的に異なる。

本発明の目的及び効果はこれまでの制御方法から得られ
る不完全な結果をより成形品の品質を一定にするばかり
でなく信頼あるものとし、より簡単に、より経済的に、
より付加価値を高めることにある。

いわば成形技術のソフトウェアがすでに最適にプログラ
ムされている制御装置といえる。

つぎに、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず第１図において、射出成形用金型１のランナ部２ま
たはキャビティ３のゲート４の近傍またはスプール５の
近傍に樹脂圧力を検出するための圧力兼換器６を設けて
溶融樹脂が成形機のノズル７から金型１に注入されてか
らキャビティ３の末端まで充満して冷却固化するまでに
至る樹脂圧をオシロ等の記録計８にて測定して第３図に
示すように充填不足または充填オーバーにならない上限
ａ及び下限すの範囲における型内圧力の最高圧の許容範
囲内に所望の設定圧力Ｃを見出し、型内圧のグラフが第
４図に示されるごとく型内圧のグラフに於いて、／７’
−トがシールされるまで、この設定圧Ｃをコントローラ
ー９を用いて保持するように成形機の油圧機構１０を制
御することにより全体として射出成形機の型内圧の制御
をする。

本発明によるこの型内圧の制御方法について、第２図に
基づいて説明する。

第２図は射出工程を３つに区分しである。

Ａの段階は内圧の立ち上がりから、まだ末端まで樹脂が
充満されていない流動中の過程である。

Ｂの段階は末端まで樹脂が充満して急速に樹脂が圧縮さ
れていくバッキング過程である。

Ｃは樹脂が収縮する保圧工程である。Ａの過程では樹脂
が粘弾性体であるため、圧力センサ一部に樹脂が流れて
くるとセンサーは感知する。

この間の型内圧は通路部の通路抵抗と材料の粘性抵抗で
決まるある固有な形態をもっている。

この間に、かりに金型の冷却上の問題から、通路部の表
面温度が変化したりすると、当然抵抗が変わるから、流
動状況が変わり、型内圧は変化する。

制御装置はこの間の型内圧を本来の所望の形態を一定に
保つように作動する。

したがって粘度変化すなわち金型の表面温度の変化とか
樹脂温度の変化に対応して射出圧力や射出速度を調整し
て、本来の流動状況に戻すように働く。

したがって、外乱に対し射出機構を調整して、品質を一
定に保つ働きをする。

通路部にセンサーを設けるのはこの理由からであり、ま
た別な目的で重要な意味をもっている。

Ｂの段階では通常急激に圧力が上昇し一種のサージ圧力
の挙動を示し、配向を乱し、歪みやパリの発生原因とな
る。

この間での制御はサージ圧を発生しないように設定圧力
までの到達過程をセーブするように射出機構を瞬時に調
整し、これらの不良が出ないように圧縮過程を制御する
。

Ｃの段階では通常金型表面からの熱伝達によって冷却さ
れ、樹脂の収縮に伴なって型内圧は下降し、その結果ひ
けや寸法変化を生じる。

この間では制御装置は設定圧力を一定に保持するように
働く。

すなわち収縮に伴なって下降しようとする型内圧を一定
に保持すべく、射出圧力を調整して樹脂を供給するので
、ひけをなくし、体積変化を最小限にくいとめられる。

しかしながら、ゲートがシールされると、樹脂は供給を
断たれるから一定圧に保持しようとして、射出圧力を上
げても型内圧は下降する。

この時点をゲートシール点といい装置はこの点をとらえ
て自動的に射出制御を完了する。

また、品質（ひけ）があまり問題とならない成形品の場
合は、経済上から、射出時間を短くするために設定圧に
到達してからのある保圧時間で射出を完了してもよい。

第４図は誰もが簡単にこの型内圧波形を設定できるよう
にＡ、Ｈの段階を設定圧とこれに到達する充填時間の２
変数で定まる、あるアナログ函数を取り入れたもので、
函数は多くの実験から、もつとも品質によい影響を及ぼ
すものをインプットしであるが、必要に応じこの函数を
変えることもできる。

保圧時間はゲートシール時間または保圧時間いずれかを
選択できるようにしである。

また射出初期の段階で射出速度を減じなければいけない
ような型構造に対して、ある型内圧までは射出速度を調
整できるように初期射出速度の領域をもたせである。

この初期射出速度設定と、制御開始設定圧力と、型内設
定圧力および充填時間の組合せによりすべての型構造に
対応して適合性があることと、従来では成形できなかっ
たものも成形できる応用性を有している。

設定値はすべてテイジタルで行なう。

ここでさらに具体的には、上記構成において、射出機構
にサーボ弁または比例電磁弁などの可変油圧供給装置を
適用して、型内樹脂圧力をフィードバックする閉ループ
を構成して強制的に毎ショットの型内圧のグラフが第４
図に示されるごとく型内圧のグラフに於いてゲートがシ
ールされるまで、この設定圧Ｃをコントローラー９を用
いてショット毎に圧力制御することが考えられる。

さらに別の実施例として上記の構成において、成形機の
射出機構に可変油圧供給装置を適用して第５図に示すよ
うに、設定圧力を等分した任意の圧力上昇時点まで射出
速度を金型構造に即した任意のプログラムコントロール
が組め、かつ、設定圧ＰＳに達するとこれまでのプログ
ラムを無効とし、型内圧のグラフにおいてゲートがシー
ルされるまで設定圧を保持するようにして型内圧を制御
することができる。

本発明はこのようにしてなるので、上記した理由から型
内圧を一定に保持するように制御するので、従来のよう
に型内圧と射出時間との関係から生ずる型内圧のバラツ
キからくる成形品の不良現象は解消される。

いいかえると、本発明は射出成形条件が適正でない場合
に生ずる（１）ショートショット、（２）フラッシュ、
（３）フローマーク、（４）ジェツテイング、（５）ウ
ェルドライン、（６）ガス焼、（７）気泡、（８）くも
り、（９）コールドマーク、（１０）歪、０υ反り、０
２）ひけ、０槻格外製品、（１４）ショット間の規格誤
差、（１５１０ンド間の規格誤差等に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる装置の概略図、第２図は従来に
おける型内圧と時間経緯による成形量の不良現象を示す
線図、第３図は型内圧と時間の経緯による制御されてい
ない型内圧曲線図、第４図、第５図は本発明における別
の実施例を示す型内圧曲線図である。 図面において、１は金型、２はランナ部、′３はキャビ
ティ、４はゲート、５はスプール、６は圧力変換器、７
はノズル、８は記録計、９はコントローラー、１０は油
圧機構、ａは上限、ｂは下限、Ｃは設定圧力である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 射出成形用金型内の樹脂の通路に樹脂圧力を検出す
   る圧力変換器を設けて、溶融樹脂が成形機のノズルから
   金型内に注入され、キャビティ末端まで充満して冷却固
   化するまでに至る樹脂圧力を測定し、予め充填不足また
   は過充填にならない型内圧力の最高圧の許容範囲内に所
   望の必要設定圧力を見出し、ゲートがシールされるまで
   この設定圧を保持するように成形機の射出機溝を制御す
   るようにすることを特徴とする射出成形機の型内圧によ
   る制御方法。