JPWO2014170932A1 - 射出成形装置、及び、射出成形方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、可塑化工程における繊維の切断を防ぐために、シリンダに熱可塑性樹脂原料を供給するための供給口、繊維材料を供給するための供給口、樹脂中に含まれるガス分を除去するためのベント口をそれぞれ設けたシリンダとスクリュを備えた可塑化装置が提案されている(特許文献2)。
繊維強化樹脂の可塑化工程における繊維の切断は、主に可塑化装置の前半、すなわち樹脂ペレットの供給部及び圧縮部で発生するため、可塑化装置においては繊維材料の供給口を、熱可塑性樹脂が十分に溶融する、圧縮部以降に設けている。
本発明は、強化繊維の含有量のバラツキを防止あるいは抑制し、安定した成形品質が得られる、強化繊維を含む樹脂材料の射出成形装置及び射出成形方法を提供する。
また可塑化工程においてはスクリュが回転するので、フライトが通過してホッパ孔を封鎖するため、フライトが繊維のスクリュ内への落下の障害となり、特に繊維長が2mm以上になると強化繊維のスクリュ溝内の落下が不安定になり易い。このため成形品中に強化繊維の含有量が少ない領域が生じることが分かった。
本発明におけるスクリュは、後方側に位置し、樹脂原料を溶融する第1ステージと、前方側に位置するとともに、第1ステージに連結され、溶融された樹脂原料と強化繊維を混合する第2ステージと、を備え、第2ステージに設けられる第2フライトのリードL2が、少なくとも繊維供給部から強化繊維が供給される繊維受け領域において、第1ステージに設けられる第1フライトのリードL1より大きいことを特徴とする。
本発明は、第2フライトのリードL2、つまり、隣接する第2フライトの間の溝幅を大きくして、強化繊維が落下して充填できる空隙を大きくすることに加えて、第2フライトのリードL2を大きくすることによって繊維供給部とスクリュ先端間の単位距離当たりのフライト山数を少なくして、射出工程時においては、スクリュの前進時にベント孔が第2フライトに遮られる回数が少なくなる。また可塑化工程時においては、繊維供給部とスクリュ先端間の単位距離当たりのフライト山数が少ないので、スクリュが回転し溶融樹脂を計量することによってスクリュが後退する際に、ベント孔が第2フライトに遮られる回数が少なくなる。したがって、射出工程時のスクリュの前進中でも、あるいは可塑化工程時のスクリュ後退中でも、強化繊維の落下が第2フライトで止まることなく連続して溝内に落とすことができる。
また第2フライトのリードL2を大きくすることによって、第2フライト領域でのフライト間の溝に溶融した樹脂が付着していない領域を増大できるので、スクリュに付着した樹脂に遮られることなく、強化繊維をスクリュの下方にも行き渡らせることができる。これらによって、特に長さが2mm以上の強化繊維を供給する場合であっても、強化繊維の含有量の少ない領域が生じるのを防ぐことができる。
また、本発明の射出成形機において、第1フライトのリードL1が、0.4×L2〜0.8×L2であることが好ましい。
つまり、本発明の射出成形機において、第2ステージには、繊維受け領域よりも先端側の一部又は全部に、第2フライトのない領域を備えることができる。
また、本発明の射出成形機において、第2ステージが、繊維受け領域よりも先端側の所定の領域に、ミキシング機構を備えることができる。
また、本発明の射出成形機において、第2ステージが、繊維受け領域よりも先端側の所定の領域に、リードL3が1.2×D以下の第3フライトを備えることができる。
また、本発明の射出成形機において、第2ステージの圧縮比を、1.0〜2.0にすることができる。
また、本発明の射出成形機において、第2ステージの第2フライトの一部または全部の外径D2が、スクリュの最大外径Dmaxより小さくすることができる。
[第1実施形態]
本実施形態に係る射出成形機1は、図1に示すように、型締ユニット100と、可塑化ユニット200と、これらのユニットの動作を制御する制御部50と、を備えている。
以下、型締ユニット100の構成と動作、可塑化ユニット200の構成と動作の概略について説明し、次いで、射出成形機1による射出成形の手順について説明する。
型締ユニット100は、ベースフレーム101上に固設されるとともに固定金型103が取り付けられた固定ダイプレート105と、油圧シリンダ113の作動によってレールや摺動板などの摺動部材107上を図中左右方向に移動するとともに可動金型109が取り付けられた可動ダイプレート111と、固定ダイプレート105と可動ダイプレート111とを連結する複数のタイバー115とを備えている。固定ダイプレート105には、各タイバー115と同軸に型締め用の油圧シリンダ117が設けられており、各タイバー115の一端は当該油圧シリンダ117のラム119に接続されている。
これらの各要素は制御部50の指示にしたがって必要な動作を行なう。
型締ユニット100の概略の動作は以下の通りである。
まず、型開閉用の油圧シリンダ113の作動により可動ダイプレート111を図中の二点鎖線の位置まで移動させて可動金型109を固定金型103に当接させる。次いで、各タイバー115の雄ねじ部121と可動ダイプレート111に設けられた半割りナット123を係合させて、可動ダイプレート111をタイバー115に固定する。そして、油圧シリンダ117内の可動ダイプレート111側の油室の作動油の圧力を高めて、固定金型103と可動金型109とを締め付ける。このようにして型締めを行った後に、可塑化ユニット200から金型のキャビティ内に溶融樹脂Mを射出して成形品を成形する。
なお、本実施形態のスクリュ10は後述するように熱可塑性の樹脂ペレットPと強化繊維Fをスクリュ長手方向に個別に供給する方式であるため、スクリュ10の全長もしくは可塑化ユニット200の全長が長くなりやすい。このため、本実施形態は、トグルリンク方式や可動ダイプレートの背面に型締めシリンダを備えた方式の型締め装置が設置できないような狭いスペースでも、設置ができる省スペース化が可能な前述した構成を有する型締ユニット100を示した。しかし、ここで示した型締ユニット100の構成はあくまで一例に過ぎず、他の構成を適用し、あるいは置換することを妨げない。例えば、本実施形態では型開閉用のアクチュエータとして油圧シリンダ113を示したが、型開閉用のアクチュエータをボールねじやラック・アンド・ピニオンなどの回転運動を直線運動に変換させる部材とサーボモータや誘導モータなどの電動モータとの組み合わせに代えてもよい。また、電動駆動あるいは油圧駆動によるトグルリンク式型締ユニットに代えてもよいことは言うまでもない。
可塑化ユニット200は、筒型の加熱シリンダ201と、加熱シリンダ201の前方側に設けた吐出ノズル203と、加熱シリンダ201の内部に設けられたスクリュ10と、強化繊維Fが供給される繊維供給装置213と、樹脂ペレットPが供給される樹脂供給ホッパ207とを備えている。繊維供給装置213は、樹脂供給ホッパ207よりも前方側に設けられているベント孔206に連結されている。
可塑化ユニット200は、スクリュ10を前進又は後退させる第1電動機209と、スクリュ10を正転又は逆転が可能な第2電動機211と、樹脂供給ホッパ207に対して樹脂ペレットPを供給するペレット供給装置215と、を備えている。これらの各要素は制御部50の指示にしたがって必要な動作を行なう。なお、可塑化ユニット200において、溶融樹脂Mが射出される側を前、原料(強化繊維、樹脂ペレット)が供給される側を後とする。
はじめに、第2ステージ22の第2フライト28のリードL2が、第1フライト27のリードL1より大きく設定されている。これは以下の理由による。第2ステージ22は可塑化工程時および射出工程時にその後端側で強化繊維Fの供給を受けるが、リードL2が大きいと、第2フライト28の間の溝幅が大きく、強化繊維Fが落下して充填できる空隙が大きくなる。加えて、リードL2が大きいと、可塑化工程時のスクリュ10の後退時および射出工程時のスクリュ10の前進時にベント孔206が第2フライト28に遮られる回数が少なくなる。したがって、スクリュ10の後退中または前進中でも、強化繊維Fの落下が第2フライト28で止まることなく連続して強化繊維Fを溝内に落とすことができる。また、強化繊維Fを充填する溝の一部には溶融樹脂Mが既に入っているが、可塑化工程が終了しスクリュ10の回転が止まると溝内の溶融樹脂Mは自重で下方に垂れ落ちて、スクリュ10の上方面の溶融樹脂Mと加熱シリンダ201の内壁面の間に隙間ができる。そうすると、溝内の溶融樹脂Mが射出工程時のスクリュ10の前進に伴いベント孔206を通過しても強化繊維Fをこの隙間に入れることができる。結果的に、スクリュ10の溝内に強化繊維Fを落とすことができる。このため、リードL2が大きいと、溶融樹脂Mが溝内に入っていても溶融樹脂Mが自重により下方に垂れ落ちることにより空いたスクリュ上方の空隙に強化繊維Fを充填することができる溝幅は、溶融樹脂Mが入っている領域を無視して溝幅の全域を使うことができる。よって、強化繊維Fを射出工程中にスクリュ溝内に充填することが容易となる。またリードL2を大きくすることは強化繊維Fの折損抑制に有効である。具体的にはスクリュ先端部までのスクリュ溝の螺旋状の溝長さが短くできるため、可塑化工程時にスクリュの回転によって強化繊維Fを含有した溶融樹脂Mが、スクリュ溝内での旋回流動による剪断力を受ける距離または時間を短縮できるためである。
ただし、リードL2が大きくなりすぎると、溶融樹脂Mを搬送する力が弱くなり、通常の可塑化に要する背圧(5〜10MPa)程度でも、溶融樹脂Mの搬送が不安定となり、背圧による溶融樹脂Mがベント孔206に逆流してベントアップが発生しやすくなる。したがって、リードL2は、2.0×D以下にすることが好ましく、更に1.7×D以下にすることがより好ましい。つまり、第2フライト28のリードL2は、1.2×D〜2.0×Dとすることが好ましく、更に1.4×D〜1.7×Dとすることがより好ましい。
また、第2フライト28のフライトの幅W2は、リードL2の0.01〜0.3倍(0.01×L2〜0.3×L2)とする。フライトの幅W2がリードL2の0.01倍より小さいと第2フライト28の強度が不十分となり、フライトの幅W2がリードL2の0.3倍を超えると、スクリュ溝幅が小さくなり繊維がフライト頂部に引っかかって溝内に落ちにくくなるからである。
ここでは、第2フライト28が1条の例を示しているが、本発明は2条のフライトを備えることもできる。この場合は、フライト幅はリードL2の0.01〜0.15倍と幅狭のフライトにすることが好ましい。
なお、以上のように、第2フライト28のリードL2を第1フライト27のリードL1より大きくするのは、第2ステージ22の全域である必要はない。第2ステージ22の中で、ベント孔206から供給される強化繊維Fを受ける領域において、第2フライト28のリードL2が大きくされていれば、目的を達成できるからである。一つの指針として、第1ステージ21と第2ステージ22の境界部分から、第2ステージ22側の少なくとも2.0×Dの範囲において、第2フライト28のリードL2を大きくする。
可塑化ユニット200の概略の動作は以下の通りである。なお、図1を参照願いたい。
加熱シリンダ201の内部に設けられたスクリュ10が回転されると、繊維供給装置213からベント孔206を介して供給された強化繊維F、および、樹脂供給ホッパ207から供給された熱可塑性樹脂からなるペレット(樹脂ペレットP)は、加熱シリンダ201の前方側の吐出ノズル203側へ送り出される。この過程において、搬送部から加熱され、徐々に溶融し始めた樹脂ペレットP(溶融樹脂M)は強化繊維Fと混錬された後に、型締ユニット100の固定金型103と可動金型109の間に形成されるキャビティへ所定量だけ射出される。なお、樹脂ペレットPの溶融に伴いスクリュ10が背圧を受けながら後退した後に、前進することで射出を行なうというスクリュ10の基本動作を伴うことは言うまでもない。また、加熱シリンダ201の外側には、樹脂ペレットPの溶融のためにヒータを設けるなど、他の構成を適用し、あるいは置換することを妨げない。
以上の要素を備える射出成形機1は、以下の手順で射出成形を行なう。
射出成形は、よく知られているように、可動金型109と固定金型103を閉じて高圧で型締めする型締工程と、樹脂ペレットPを加熱シリンダ201内で加熱、溶融して可塑化させる可塑化工程と、可塑化された溶融樹脂Mを、可動金型109と固定金型103により形成されるキャビティに射出、充填する射出工程と、キャビティに充填された溶融樹脂Mが固化するまで冷却する保持工程と、金型を開放する型開き工程と、キャビティ内で冷却固化された成形品を取り出す取り出し工程と、を備え、上述した各工程をシーケンシャルに、あるいは一部平行させて実施して1サイクルが完了する。
[可塑化工程]
可塑化工程では、樹脂ペレットPを加熱シリンダ201の後方の樹脂供給ホッパ207から供給する。可塑化開始当初ではスクリュ10は、加熱シリンダ201の前方に位置しており、その初期位置からスクリュ10を回転させながら後退させる(図2(a)「可塑化開始」)。スクリュ10を回転させることで、スクリュ10と加熱シリンダ201の間に供給された樹脂ペレットPは、せん断力を受けて加熱されながら徐々に溶融して、前方に向けて搬送される。なお、本発明では可塑化工程におけるスクリュ10の回転(向き)を正転とする。溶融樹脂Mが繊維供給装置213まで搬送されたならば、強化繊維Fを繊維供給装置213から供給する。スクリュ10の回転に伴い、強化繊維Fは溶融樹脂Mに混錬、分散して溶融樹脂Mとともに前方に搬送される。樹脂ペレットP、強化繊維Fの供給を継続するとともに、スクリュ10を回転し続けると、加熱シリンダ201の前方に搬送され、溶融樹脂Mがスクリュから吐出されスクリュ10の前方に溜まる。スクリュ10の前方に溜まった溶融樹脂Mの樹脂圧力とスクリュ10の後退を抑制する背圧とのバランスによってスクリュ10を後退させる。このときスクリュ10の回転および後退によりフライトが断続的にベント孔206を封鎖するものの、スクリュ10は、第2ステージ22の第2フライト28のリードL2が前述したように大きく設定されているので、スクリュ10溝内に強化繊維Fを充填することが容易となる。この後、必要な量の溶融樹脂Mが溜まったところで、スクリュ10の回転及び後退を停止する(図2(b)「可塑化完了」)。
可塑化工程完了時は、図2(b)に示す樹脂溶融領域は、強化繊維Fを供給する繊維供給装置213よりも後方にあるため、この領域のスクリュ10の溝には強化繊維Fは供給されていない状態である。
射出工程に入ると、図2(c)に示すように、スクリュ10を前進させる。そうすると、スクリュ10の先端部に備えられている図示しない逆流防止弁が閉鎖することで、スクリュ10の前方に溜まった溶融樹脂Mの圧力(樹脂圧力)が上昇し、溶融樹脂Mは吐出ノズル203からキャビティに向けて吐出される。
本実施形態では、射出工程中においても、繊維供給装置213によって加熱シリンダ201内に強化繊維Fを供給する。以下、この点において説明する。
従来、強化繊維Fは投入口であるベント孔206に取り付けられた原料ホッパ内で絡み合い易いため、スクリュ10の長手方向に並んでいるフライトがベント孔206を高速で断続的に通過してベント孔206を略封鎖する射出工程中は、強化繊維Fをスクリュ10内に充填できない。また、高速で通過するフライトの間を通ってスクリュ10の溝内に強化繊維Fが落下しても、スクリュ10の周囲には、溶融樹脂Mが付着しているため、図3(b)に示すように、繊維供給装置213から供給された強化繊維Fが溶融樹脂Mに貼り付いてしまう。供給された強化繊維Fはスクリュ10の上部に貼り付いたままで、スクリュ10の溝内を伝って下方に充填するのは困難である。あるいは、スクリュ回転による溶融樹脂Mの搬送ができずに、スクリュ10の溝内の溶融樹脂Mは重力によってスクリュ10の下方に垂れ落ちて加熱シリンダ201との間に溜まる。このため、供給された強化繊維Fは垂れ落ちた溶融樹脂Mに塞がれてスクリュ10の下方に充填するのは困難である。したがって、図2(b)に示した樹脂溶融領域のスクリュ10の溝内には強化繊維Fが十分充填されないままスクリュ10が前進し、射出工程中に樹脂溶融領域は繊維供給装置213を通過して、更に前方に達する。そうすると、図3(a)に示すように、加熱シリンダ201の下方の溶融樹脂Mには、強化繊維Fが含まれずに、射出工程が終了することになる。
射出工程が終了して、次の成形サイクルのために可塑化ユニット200により可塑化を進めると、図3(c)に示すように、強化繊維Fを含まない部分Nが生じてしまう。
なお、樹脂ペレットPを供給する領域では、この問題は生じない。当該領域は、樹脂ペレットPが溶融しておらず、かつ、スクリュ10の表面温度も樹脂ペレットPが溶融する温度よりも十分低いため、スクリュ10の周囲に溶融樹脂Mが存在しない(図2(b)の右側)。したがって、樹脂ペレットPは自重によりスクリュ10の溝内、特にスクリュ10の下方に流れ落ちることができる。
射出工程中の繊維供給装置213からの強化繊維Fの供給は、射出工程の全期間に亘って行うことが好ましいが、断続的に供給するなど、一部の期間だけ停止させてもよいし、供給速度を連続的あるいは段階的に変化させてもよい。また、安定して良品成形を行うことを容易にするために、繊維供給装置213からの供給のタイミングと供給量をタイマー(図示しない)や、スクリュ位置センサー、第1電動機209および第2電動機211に備えた回転エンコーダなどの各種センサーを用いて高精度に制御してもよい。
強化繊維Fを加熱シリンダ201内に供給する繊維供給装置213は、スクリュ式あるいはピストン式などの計量フィーダーを用いることができる。この場合、加熱シリンダ201に繊維供給装置213を直接連結させ、加熱シリンダ201内に直接強化繊維Fを供給してもよいし、ベント孔206に繊維供給用ホッパ205を設けて、繊維供給装置213から強化繊維Fを繊維供給用ホッパ205に供給してもよい。
スクリュ式計量フィーダーを用いる場合は、スクリュが1本の単軸型のフィーダーでもスクリュが複数本の複数軸型フィーダーを用いることができる。溶融樹脂Mへの混合率を所定の値にするために強化繊維Fを計量し安定して供給する搬送力が強く強化繊維Fとフィーダー間の滑りを抑制できる複数軸型フィーダーが好ましく、特に構造がシンプルな2軸型フィーダーがコスト的にも設計的にも制御的にも好ましい。
また、強化繊維F表面の樹脂の濡れ性を大きくするために、スクリュフィーダーを図示しないヒータによって加熱してもよい。これにより、スクリュフィーダー内の強化繊維Fの温度が上昇し、溶融樹脂Mが強化繊維Fに接触したときに、溶融樹脂Mが温度低下して固化あるいは粘度が増大し、強化繊維Fの塊の中に溶融樹脂Mが浸入しにくくなるのを防止できる。これにより、強化繊維Fの繊維間に溶融樹脂Mが入り、繊維の束が解けて強化繊維Fの溶融樹脂M中への分散を促進できる。また強化繊維Fの温度を高温にすることにより溶融樹脂Mが強化繊維Fに付着しやすくなるので、可塑化工程時のスクリュ10によって溶融樹脂Mが搬送される力あるいは回転される力を、または射出工程時のスクリュ10と共に溶融樹脂が前進する力を、強化繊維Fをベント孔206からシリンダ内に引き込む力として利用することも可能となる。この場合、フィーダーの加熱温度は、樹脂のガラス転移点以上、加熱シリンダの設定温度以下とすることが好ましい。樹脂の金属に対する摩擦係数はガラス転移点近傍から急激に上昇するため、強化繊維Fの温度を樹脂のガラス転移点以上とすることにより、溶融樹脂Mの温度が強化繊維Fと接触により温度低下しても、摩擦係数の大きい下限値であるガラス転移点を下回らないため、溶融樹脂Fにより強化繊維Fの引き込み効果が大きくできる。また、フィーダー加熱温度を加熱シリンダ温度以下とすることにより、溶融樹脂Mの過度の温度上昇により熱劣化を防止することができる。
また、2軸型スクリュフィーダー214への強化繊維Fの供給方法は、2軸型スクリュフィーダー214に連続繊維、いわゆるロービング状態の繊維(以下、ロービング繊維という)を直接投入してもよいし、予め所定長さに切断されたチョップドストランド状態の繊維(以下、チョップド繊維という)を投入してもよい。あるいは、ロービング繊維とチョップド繊維を所定の割合で混合して投入してもよい。ロービング繊維を直接投入する場合は、切断されていない状態の長い繊維をスクリュに投入できるため、最終的に射出される溶融樹脂中に長い繊維を残すことができる。チョップド繊維を投入する場合は、繊維の絡み合いにより互いに拘束し合うため、繊維間の滑りが抑制され、フィーダーによる繊維の搬送が安定する。またチョップド繊維とロービング繊維を混合して投入する場合は、ロービング繊維による長い繊維を得られると共に、チョップド繊維の絡み合いに起因したフィーダーによる繊維の搬送が安定するという両方の効果を得ることができる。
チョップド繊維を投入する場合は、計量フィーダーの繊維投入口付近までロービング繊維で搬送し、繊維投入口付近でロービング繊維を切断した直後に上記の計量フィーダーに投入してもよい。これにより、飛散しやすいチョップド繊維を成形機投入まで暴露することがないので作業性を向上できる。
本実施形態では、2軸型スクリュフィーダー214の繊維投入口付近に、ロービングカッター218を設ける。ロービングカッター218により、ロービング繊維を切断し、チョップド繊維にしてから2軸型スクリュフィーダー214に供給する。
なお、複数軸型のフィーダーにおいてスクリュ式の計量フィーダーを用いる場合は、スクリュのフライトと溝が互いに噛み合う、いわゆる、2軸押出成形機式のフィーダースクリュでも、隔壁により独立した、あるいは、隔壁が無いが互いに干渉することなく独立したフィーダースクリュでもよい。2軸押出成形機式のフィーダースクリュを用いる場合のスクリュの回転方向は、同方向でも異方向でもよい。
また、通常、強化繊維と樹脂との密着性を増強するために、特にポリプロピレンやポリエチレンなどの非極性樹脂にマレイン酸などの添加剤が含有されている場合があるが、この添加剤は原料樹脂の溶融時に揮発し易い。よって、この添加剤の揮発成分がベント孔206から加熱シリンダ201の外部に漏れ出てしまわないように、ベント孔206が直接外部と連通しないような簡易式あるいは高度な気密が可能な密閉構造とするか、またはベント孔206内に窒素ガスなどの不活性ガスを封入しておくことが好ましい。ベント孔206内に不活性ガスを封入することは、樹脂の酸化劣化の原因である加熱シリンダ201の周辺空気が、加熱シリンダ201の内部に入り込むのを防止する観点からも好ましい。
次に可塑化工程時に供給する強化繊維Fの供給量の決定の手法の一例を説明する。
第1ステップで、強化繊維Fを繊維供給装置213から供給することなく、樹脂ペレットPのみを加熱シリンダ201の後方の樹脂供給ホッパ207から供給し可塑化行い、所定量の樹脂を計量完了後に射出を行う。
第2ステップで、射出した樹脂の重量を測定する。
第3ステップで、測定した樹脂の重量に対し所望の強化繊維含有率を積算し、所望の強化繊維重量を算出する。
第4ステップで、算出した強化繊維重量と可塑化に要した時間から、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216から加熱シリンダ201に供給する単位時間当たりの強化繊維F供給量を決定する。
このとき、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216からの強化繊維Fの供給量は、スクリュ10の回転数または後退速度に同期させて制御してもよい。また、可塑化工程のスクリュ10の回転数が複数段制御の場合は、回転数に対して補正係数を掛け合わせて強化繊維Fの供給量の運転条件値を決定し、回転数を切り替える毎にフィーダーからの強化繊維Fの供給量も切り替える。
なお、上記の補正係数は理論的に求めても、実験に基づいて求めてもどちらでもよい。また、可塑化工程におけるスクリュ10の回転数が複数段制御の場合は、補正係数を各回転数に対してそれぞれ別個に設定してもよいし、同一値でもよい。
またスクリュ10の後退により原料ホッパからスクリュ先端までの距離である、いわゆる有効スクリュ長が短縮する。これによりスクリュ回転による原料樹脂の搬送力が低下するため、スクリュ10の後退量につれてスクリュ後退速度が低下していく。このときスクリュ10内を搬送されている溶融樹脂Mの流量も低下している。スクリュ10内の溶融樹脂Mの搬送流量が低下した場合でも強化繊維Fの供給量を一定値で供給すると、スクリュ10内の溶融樹脂Mに含有される強化繊維Fの含有率が所望の値よりも大きくなる虞がある。この溶融樹脂Mの搬送流量はスクリュ10の後退速度に略比例しているので、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216からの強化繊維Fの供給量をスクリュ10の後退速度に同期させて変化させることで、所望の強化繊維Fの含有率を維持することができる。また、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216からの強化繊維Fの供給量をスクリュ10の後退速度の検知タイミングに対して、時間的な速度の差を考慮してフィーダーからの強化繊維Fの供給量を制御しても良い。スクリュ後退は繊維供給部の下流であるスクリュ先端から吐出される溶融樹脂Mの流量によってスクリュ後退速度が決まることが広く知られている。しかし、スクリュ先端から吐出される溶融樹脂Mの流量は、強化繊維Fが供給されたスクリュ10の略中央部からみて下流の流量である。つまりスクリュ先端部の溶融樹脂Mの流量は強化繊維Fの供給部から見たら既に過去に通過した樹脂の流量である。よって、スクリュ10の後退はこの過去に通過した樹脂の流量による結果である。つまり、スクリュ10の後退量が大きい場合は前述の通りスクリュ後退速度が低下するため、強化繊維Fの供給部においてスクリュ10内を送られている溶融樹脂の流量は、スクリュの先端部の流量よりも少ない場合がある。よって、スクリュ後退速度にオンタイムでフィーダーからの強化繊維Fの供給量を制御すると、強化繊維Fの供給部における溶融樹脂Mへの強化繊維Fの含有率が所望の含有率よりも大きくなる場合がある。これに対して、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216からの強化繊維Fの供給量をスクリュ10の後退速度の検知タイミングに対して、時間的な速度の差を考慮してフィーダーからの強化繊維Fの供給量を制御することで、強化繊維Fを所望の含有率にすることができる。この時間的な速度の差を考慮する方法として、制御部50が事前に1サイクル中のスクリュ後退速度のプロファイルを測定によって学習し、そのプロファイルを元にスクリュの後退速度プロファイルに対して時間的に遡った形態の、フィーダーからの強化繊維Fの供給プロファイルを作成して、これにより2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216を制御しても良い。
次に、上記のとおり強制的に強化繊維Fをスクリュ10の溝内に供給する場合において、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216から射出工程時に供給する強化繊維Fの供給量の決定の手法の一例を説明する。
第1ステップとして、図示しないスクリュ位置センサーで検知したスクリュ10の位置変化情報から可塑化工程におけるスクリュ10の後退速度を算出する。
第2ステップで、射出工程におけるスクリュの前進速度と第1ステップで算出したスクリュ10の後退速度との比を算出する。射出工程が複数段速度制御の場合は、各速度に対して第1ステップで算出した可塑化工程時のスクリュ10の後退速度との比を算出する。
なお、2軸型スクリュフィーダー214あるいは単軸型スクリュフィーダー216から射出工程時に供給する強化繊維Fの供給量の決定手法は、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記の決定手法を取捨選択したり、他の手法に適宜変更することが可能である。
ここで、繊維供給装置213から繊維供給用ホッパ205に強化繊維Fを供給する場合は、ベント孔206内で強化繊維Fが絡み合わない程度の供給量、具体的にはベント孔206を充満させない程度に強化繊維Fの供給量に制限することによって、ベント孔206内を閉塞させることなく、強化繊維Fをスクリュ10内に充填できる。これにより、強化繊維Fに負荷を与えることなく、スクリュ10の溝内に供給できるので、スクリュ10の溝内に投入する前の繊維折損を抑制できる。
本実施形態は、第1実施形態の射出成形機1を用いて、更に強化繊維Fの供給を円滑に行なうために、射出工程の間、スクリュ10を逆転させる。以下では、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、射出工程中のスクリュ10の回転は、射出工程の全期間に亘って行うことが好ましいが、断続的に逆転するなど、一部の期間だけ停止させてもよいし、逆転と正転を交互に切り替えたり、回転速度を連続的あるいは段階的に変化させてもよい。また、安定して良品成形を行うことを容易にするために、スクリュ10の逆転は、回転のタイミングと速度を図示しないタイマーや、スクリュ位置センサー、第1電動機209および第2電動機211に備えた回転エンコーダなどの各種センサーを用いて高精度に制御してもよい。
スクリュ10を逆転させる場合、スクリュ10を前進させる速度(前進速度)をV1、スクリュ10を逆転させる速度(回転速度)をV2とする。また、スクリュ10の第2フライト28のリード角をθ1とする。この場合、図4(b)に示すように、前進速度V1と回転速度V2から規定されるスクリュ溝の進行速度V3のなす角度θ2をリード角θ1と一致させることが好ましい。この条件を満足すれば、繊維供給装置213から強化繊維Fが供給されるベント孔206に対する第2フライト28の相対的な位置(あるいはベント孔206から見える第2フライト28の位置)を一定にすることができる。そうすれば、強化繊維Fをスクリュ10の溝にむらなく連続的に押込むことができる。
前進速度V1と回転速度V2は以下により特定することができる一方、リード角θ1は既知であるから、前進速度V1と回転速度V2を調整することにより、好ましい条件を設定できる。
D2=スクリュ10の第2フライト28の外径(mm)
aD2=スクリュ10の第2フライト28のリードL2(mm)
nD2=射出ストローク(mm)
射出時間=t(sec)
上記のようにすると、tanθ1=aD2/πD2、tanθ2=V1/V2と表されるので、θ1=θ2となる逆転速度V20は、V20=πV1/aとなる。
なお、スクリュ10におけるベント孔206の投影面に対応する領域が、本発明における繊維受け領域を構成する。
また、高速で前進する射出工程において、スクリュ10の前進速度V1と回転速度V2をθ1=θ2となるように制御することは電動サーボモータによる駆動など、高精度な駆動制御系を必要とする。しかし、油圧駆動など高精度な駆動制御系を有しない射出成形機においては、ベント孔206の投影領域にある、つまりベント孔206から見える、スクリュ10の第2フライト28が射出工程中に第2フライト28の1リード長分を超えて移動しないように、スクリュ10の逆転速度で回転制御してもよい。
スクリュ10が前進速度V1で第2フライト28の1リード分前進する時間t0は、t0=aD/V1と表される。
時間t0の間にベント孔206から見えるスクリュ10の第2フライト28の位置が変わらないように見える逆転速度は、時間t0の間にスクリュが1周する速度である。そして、これは、θ1=θ2となる速度でありV20である。
時間t0の間にスクリュ10が2周すれば、ベント孔206から見えるスクリュ10の第2フライト28が射出工程中に第2フライト28の1リード長分だけ後方に移動するように見える。
よって、時間t0の間にスクリュが2周する逆転速度V21は、V21=2×V20と表される。
また、時間t0の間にスクリュ10が半周しかしなければ、ベント孔206から見えるスクリュ10の第2フライト28が射出工程中に第2フライト28の1リード長分だけ前方に移動するように見える。
よって、時間t0の間にスクリュ10が半周する逆転速度V22は、V22=V20/2と表すことができる。
したがって、ベント孔206から見えるスクリュ10の第2フライト28が射出工程中に第2フライト28の移動量が1リード長分以下であるように見える、スクリュ10の逆転速度範囲は、時間t0の間にスクリュが半周する逆転速度以上で、かつ、時間t0の間にスクリュ10が2周する逆転速度以下になる。
したがって、πV1/2a≦V2≦2πV1/aの範囲で運転することで、ベント孔206の下を通過するスクリュ溝を、連続した溝としてベント孔206に対向させることできるので、強化繊維Fが充填されない領域の発生を防止あるいは抑制できる。
例えば、スクリュ10については、図5(b)〜(e)に示す形態を単独であるいは取捨選択により組み合わせて採用することができる。
図5(b)に示すスクリュ10は、第2ステージ22であって、スクリュ10の先端側にフライトのない領域A1を設けている。領域A1では、加熱シリンダ201の内径面近傍の強化繊維Fを含んだ溶融樹脂Mがスクリュ回転時にフライトに掻き取られることによりフライトの側面に沿ってスクリュ溝底方向に流動することによるスクリュ溝内での溝幅方向の旋回が発生することがない。したがって、強化繊維Fは、旋回流動による剪断力が負荷されないために、折損が抑制される。なお、図5(b)に示す領域A1は、スクリュ10の先端側に連続して設けられているが、断続的に複数箇所に分けて設けてもよい。
図5(c)に示すスクリュ10は、第2ステージ22であって、スクリュ10の先端側にミキシング機構を備える領域A2を設けている。この領域A2を通過する過程で、溶融樹脂Mに含まれる強化繊維Fの解繊、分散を促進させることができる。
図5(e)は、第2ステージ22の圧縮比を小さく、具体的には1.0〜2.0としたスクリュ10を示している。第2ステージ22の圧縮比を小さく抑えることによって、スクリュ先端部の圧力を低く抑えられるので、昇圧能力が低いリードの大きい第2フライト28でも溶融樹脂Mの搬送が容易となり、スクリュ溝内の溶融樹脂Mの搬送速度を増大できる。これにより、溶融樹脂Mに混合された強化繊維Fがスクリュ溝内で剪断を受ける時間が短縮されるので、強化繊維Fの折損を抑えることができる。
また、図示を省略するが、第2ステージ22の第2フライト28の外径(D2)は、スクリュ10の最大外径(Dmax)より小さくすることができる。そうすると、第2フライト28の外周と加熱シリンダ201の内周との間に隙間ができるので、供給された強化繊維Fがこの隙間に入ることができるので強化繊維Fを加熱シリンダ201内に充填しやすくできる。また、強化繊維Fがスクリュ10のフライト頂部と加熱シリンダ201の内径面の間に挟み込まれて折損するのを防止できる。また、可塑化工程中のスクリュ10の回転によって、スクリュ10が回転する向きの前方である押し側のフライト側面近傍に存在する溶融樹脂Mが第2フライト28を乗り越えて後方のスクリュ溝に逆流する。したがって、第2フライト28より当該回転の向きの後方である引き側のフライト側面近傍に存在する強化繊維Fの塊に溶融樹脂Mが早期に含浸して、強化繊維Fの分散に有効である。
ところで、射出工程時に逆転する場合は、スクリュ10の逆転によりスクリュ10の先端部の溝内の溶融樹脂Mが後部側に逆流搬送されることになり、スクリュ10の先端部の溶融樹脂Mの圧力が低下する。このとき、樹脂の種類や逆転の条件によっては、溶融樹脂M中に気泡が発生し成形品表面に現れて成形不良となる場合がある。しかし、射出工程時にスクリュ10を正転させる場合は、スクリュ10の先端部の圧力を低下させることなく、ベント孔206下部のスクリュ10の溝内に強化繊維Fを充填できる効果も得ることができる。
なお、このスクリュ10の正転に伴うスクリュ10の先端部の溶融樹脂Mの圧力上昇によって、スクリュ10の先端部に備えられた図示しない逆流防止弁の閉鎖が遅れる場合は、正転開始をスクリュ10の前進開始から遅延することが有効であると考える。スクリュ10の正転開始の遅延制御としては、タイマーのタイムアップやスクリュ10の前進量の所定値への到達や射出のための電動モータトルクや油圧力の所定値への到達を検知するなどが考えられる。
具体的には、可塑化が完了したときの繊維供給フィーダースクリュの位置、つまり、強化繊維Fが充填されている最後部のスクリュ溝の位置を、射出により前進したスクリュ位置において、次の可塑化開始時の繊維供給フィーダースクリュの位置と一致させることができるので、繊維供給装置213より前方のスクリュ溝に連続して強化繊維Fを供給でき、繊維供給装置213より前方のスクリュ10の溝内で強化繊維Fが充填されていない領域の発生の防止あるいは抑制に有効である。
また、フィーダースクリュの切り替え方は、単なるON/OFF制御でもよいし、隣り合うスクリュフィーダーの回転数を連携して変化させてもよい。具体的にはスクリュの後退に伴い前方側のスクリュフィーダーの回転数を徐々に低下させるとともに後方側のスクリュフィーダーの回転数を徐々に増加させてもよい。
また強化繊維Fの加熱シリンダ201への供給は、射出工程や可塑化工程のみでなく、例えば保圧工程や射出待機工程(可塑化工程完了から射出工程開始までの間)においても行ってよい。保圧工程中や射出待機工程中は、スクリュ10が回転および前進あるいは後退を行わないので、フライトの移動によってベント孔が断続的に封鎖されることがない。このため安定して強化繊維をスクリュ10の溝内に供給することができるので、図2(b)に示す強化繊維Fが充填されていない樹脂溶融領域を縮小させることができる。
また繊維供給装置213には、強化繊維Fのみでなく、粉状あるいはペレット状の原料樹脂を混合した強化繊維Fを供給してもよい。この場合、強化繊維F間に溶融樹脂Mが浸入しにくくても、混合した原料樹脂が強化繊維Fの塊中で溶融し、繊維束の中に入り込んで繊維束の解繊を促進できる。また、強化繊維Fの繊維間に、または強化繊維Fとフィーダーの間に、粉状あるいはペレット状の原料樹脂が介在することによって、強化繊維Fの繊維間の、または強化繊維Fとフィーダーの間の滑りが抑制され、フィーダーによる繊維の搬送が安定する。
10 スクリュ
21 第1ステージ
22 第2ステージ
23,25 供給部
24,26 圧縮部
27 第1フライト
28 第2フライト
50 制御部
100 型締ユニット
103 固定金型
109 可動金型
111 可動ダイプレート
113 油圧シリンダ
115 タイバー
117 油圧シリンダ
200 可塑化ユニット
201 加熱シリンダ
205 繊維供給用ホッパ
206 ベント孔
207 樹脂供給ホッパ
209 第1電動機
211 第2電動機
213 繊維供給装置
214 2軸型スクリュフィーダー
215 ペレット供給装置
216 単軸型スクリュフィーダー
217 ベルトフィーダ
218 ロービングカッター
F 強化繊維
L1,L2,L3 リード
M 溶融樹脂
P 樹脂ペレット
本発明におけるスクリュは、後方側に位置し、第1供給部と第1圧縮部を備え、樹脂原料を溶融する第1ステージと、前方側に位置するとともに、第1ステージに連結された第2供給部と第2圧縮部を備え、溶融された樹脂原料と強化繊維を混合する第2ステージと、第2供給部が前記繊維供給部から強化繊維を供給される繊維受け領域と、を備え、第2ステージに設けられる繊維受け領域における第2フライトのリードL2が、シリンダの内径をDとすると、1.2×D〜2.0×Dであり、第1ステージに設けられる第1フライトのリードL1は、0.4×L2〜0.8×L2である、ことを特徴とする。
本発明は、第2フライトのリードL2、つまり、隣接する第2フライトの間の溝幅を大きくして、強化繊維が落下して充填できる空隙を大きくすることに加えて、第2フライトのリードL2を大きくすることによって繊維供給部とスクリュ先端間の単位距離当たりのフライト山数を少なくして、射出工程時においては、スクリュの前進時にベント孔が第2フライトに遮られる回数が少なくなる。また可塑化工程時においては、繊維供給部とスクリュ先端間の単位距離当たりのフライト山数が少ないので、スクリュが回転し溶融樹脂を計量することによってスクリュが後退する際に、ベント孔が第2フライトに遮られる回数が少なくなる。したがって、射出工程時のスクリュの前進中でも、あるいは可塑化工程時のスクリュ後退中でも、強化繊維の落下が第2フライトで止まることなく連続して溝内に落とすことができる。
また第2フライトのリードL2を大きくすることによって、第2フライト領域でのフライト間の溝に溶融した樹脂が付着していない領域を増大できるので、スクリュに付着した樹脂に遮られることなく、強化繊維をスクリュの下方にも行き渡らせることができる。これらによって、特に長さが2mm以上の強化繊維を供給する場合であっても、強化繊維の含有量の少ない領域が生じるのを防ぐことができる。
また、本発明の射出成形機において、第2供給部は、第1ステージに直接的あるいは絞り流路を介して間接的に連結されることが好ましい。
Claims (17)
- 前方側に吐出ノズルが形成されたシリンダと、
前記シリンダの内部に回転および回転軸方向に移動可能に設けられたスクリュと、
樹脂原料を前記シリンダ内に供給する樹脂供給部と、
前記樹脂供給部よりも前方側に設けられ、強化繊維を前記シリンダ内に供給する繊維供給部と、
を備え、
前記スクリュは、
後方側に位置し、前記樹脂原料を溶融する第1ステージと、
前方側に位置するとともに、前記第1ステージに連結され、溶融された前記樹脂原料と前記強化繊維を混合する第2ステージと、を備え、
前記第2ステージに設けられる第2フライトのリードL2が、少なくとも、前記繊維供給部から前記強化繊維が供給される繊維受け領域において、前記第1ステージに設けられる第1フライトのリードL1より大きい、
ことを特徴とする繊維強化樹脂の射出成形装置。 - 前記繊維受け領域における前記第2フライトの前記リードL2は、
前記シリンダの内径をDとすると、1.2×D〜2.0×Dであり、
前記繊維受け領域における前記第2フライトの幅W2は、
0.01×L2〜0.3×L2である、
請求項1に記載の射出成形装置。 - 前記第1フライトの前記リードL1は、
0.4×L2〜0.8×L2である、
請求項1又は請求項2に記載の射出成形装置。 - 射出工程中に、前記繊維供給部から前記シリンダ内に所定量の前記強化繊維が供給される、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記第2ステージは、
前記繊維受け領域よりも先端側の一部又は全部に、前記第2フライトを備えていない、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記第2ステージは、
前記繊維受け領域よりも先端側の所定の領域に、ミキシング機構を備える、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記第2ステージは、
前記繊維受け領域よりも先端側の所定の領域における前記第2フライトのリードL3が1.2×D以下である、
請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記第2ステージの圧縮比は、
1.0〜2.0である、
請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記第2ステージの前記第2フライトの外径D2は、
前記スクリュの最大外径Dmaxより小さい、
請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記繊維供給部から供給される前記強化繊維を加熱する加熱手段を備える、
請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記繊維供給部から供給される前記強化繊維は、
ロービング状態あるいはチョップドストランド状態のいずれか一方あるいは両方を混合したものである、
請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 前記繊維供給部から供給される前記強化繊維は、
粉状あるいはペレット状の前記樹脂原料を混合して含むものである、
請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の射出成形装置。 - 請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の射出成形装置の前記樹脂供給部に、前記樹脂原料を供給し、
前記繊維供給部に、ロービング状態あるいはチョップドストランド状態のいずれか一方あるいは両方を混合した強化繊維を供給するとともに、前記繊維供給部から前記強化繊維を前記スクリュの前記第1ステージに設けられた第1フライトのリードL1より大きいフライトリードを有する前記第2ステージに設けられた第2フライトのリードL2部に供給して、繊維強化樹脂を成形する、
ことを特徴とする射出成形方法。 - 前記強化繊維を少なくとも可塑化工程と射出工程で供給して、前記繊維強化樹脂を成形する、
請求項13に記載の射出成形方法。 - 前記繊維供給部から供給される前記強化繊維は、加熱されている、
請求項13又は請求項14に記載の射出成形方法。 - 前記繊維供給部から供給される前記強化繊維は、
粉状あるいはペレット状の前記樹脂原料を混合して含むものである、
請求項13〜請求項15のいずれか一項に記載の射出成形方法。 - 前記繊維供給部からの前記強化繊維の供給量を、可塑化工程におけるスクリュの回転数またはスクリュの後退速度の変化を元に制御する、
請求項13〜請求項15のいずれか一項に記載の射出成形方法。
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