JPWO2016113776A1 - 射出成形機及び射出成形方法 - Google Patents

Abstract

多条ねじによる混練効果を享受しながらも、受ける摩擦抵抗を最小限に抑えることのできる射出成形機に用いるスクリュを提供する。本発明の射出成形機用のスクリュは、上流側に設けられる第１ステージ２０と、下流側に設けられる第２ステージ３０とを備え、第１ステージ２０は主フライト２５と、主フライト２５よりも外径が小さい副フライト２６が設けられる圧縮部２２を備え、第２ステージ３０は、上流側に設けられ、複数条のフライトを備える多条ねじ部３１と、多条ねじ部より下流側に設けられるフィン混練部３２と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、強化繊維を含む樹脂の射出成形に関する。

強化繊維を含有させることにより強度を高めた繊維強化樹脂の成形品が各種の用途に用いられている。この成形品は、可塑化装置をなすシリンダ内でスクリュの回転により溶融された熱可塑性樹脂と強化繊維の混合物を、射出成形機の金型に射出することにより作製される。
強化繊維による強度向上の効果を得るためには、強化繊維が樹脂の中に均一に分散していることが望まれる。均一分散を果たすためには、混合の条件を厳しくして強化繊維に付与するせん断力を強くすればよいが、過度に強いせん断力は強化繊維の切断を招いてしまう。そうすると、当初の繊維長よりも成形後の繊維長が大幅に短くなってしまい、得られた成形品は、所望の特性を満足できなくなるおそれがある。

以上に対して、特許文献１は、ベントアップが発生し難いベント式射出成形機を使用し、ベント口から強化繊維を供給し、上流から溶融樹脂に混合させることにより、比較的長い繊維が均質に分散した成形品が得られることを述べている。そして、特許文献１は、具体的な射出成形機として、原料供給部、第１ステージ、ミキシング（混練）部、第２ステージからなり、ミキシング部の直後にベント部を備え、かつ、第２ステージを３条以上の多条ねじ形状とすることを提案している。

特開２０１４−１６６７１２号公報

特許文献１は、第２ステージをなす多条ねじ部をその全長に亘って設けている。したがって、第２ステージにおける混練効果は高いと言えるが、条数に応じてフライトの先端である頂部とシリンダ内壁面の接触頻度が多くなる。スクリュはその回転に伴って不可避的に回転時が振れ回る芯振れを起こすために、フライトの頂部とシリンダ内壁面の接触頻度が多いと、スクリュの芯振れ力、つまりスクリュが振れ回ってフライトがシリンダ内径面に押しつけられる力によって、フライト頂部とシリンダ内壁面の間の摺動に伴いかじりが生じるなどの不具合が生じ得る。また、多条ねじ部は流路断面積に対する流路壁（スクリュ溝表面、およびシリンダ内径面）面積の比が大きく、壁面から受ける摩擦抵抗（流動抵抗）が大きい。このため多条ねじ部長が第２ステージ全長に亘る特許文献１の形状では、溶融樹脂と強化繊維が多条ねじ内部で目詰まりが発生し、可塑化能力が低下してしまう。また、この場合、混合物がスクリュを通過するのに要する時間が長くなるので、混練度合いが上昇し繊維折損の増加および樹脂温度上昇による樹脂滞留焼けなどの成形品質不具合が発生する。
そこで本発明は、多条ねじによる混練効果を享受しながらも、かじり不具合を防止するとともに受ける摩擦抵抗を最小限に抑えることのできる繊維強化樹脂の射出成形に用いることのできるスクリュを提供することを目的とする。
また、本発明は、そのようなスクリュを用いる繊維強化樹脂の射出成形方法を提供すること、加えて、そのようなスクリュを備える繊維強化樹脂の射出成形機を提供することを目的とする。

本発明のスクリュは、上流側に設けられる第１ステージと、第１ステージより下流側に設けられる第２ステージとを備え、第１ステージは、主フライトと、主フライトよりも外径が小さい副フライトが設けられる圧縮部を備え、第２ステージは、上流側に設けられ、複数条のフライトを備える多条ねじ部と、多条ねじ部より下流側に設けられるフィンによる混練部と、を備えることを特徴とする。
なお、第１ステージは、主に樹脂ペレットＰを可塑化溶融するステージであり、第２ステージは、主に強化繊維と溶融樹脂の混合物を混練するステージである。

本発明のスクリュにおいて、主フライトの頂部における直径をＤとすると、多条ねじ部が設けられる、スクリュの回転軸方向の長さが、２Ｄ〜５Ｄであることが好ましい。
また本発明のスクリュにおいて、多条ねじ部におけるフライトの条数が、６〜１０であり、多条ねじ部におけるそれぞれの前記フライトの巻き数が、１〜２であることが好ましい。
また、多条ねじ部の溝深さは、第１ステージの下流側終端部の溝深さ以上の溝深さであることが好ましい。

本発明のスクリュにおいて、フィン混練部は、円周方向の同じ位置に間隔をあけて設けられる複数の板状のフィンからなるフィン群を回転軸方向に間隔をあけて複数備え、主フライトの頂部における直径をＤとすると、それぞれのフィンの回転軸方向の長さが０．０５Ｄ〜０．２Ｄ、回転軸方向に隣接するフィンの間隔が０．１Ｄ〜０．２Ｄ、フィン群の段数が、５〜１０であることが好ましい。

本発明のスクリュは、主フライトの頂部における直径をＤとすると、Ｄが９０ｍｍ以上である場合に有効である。

また、本発明の射出成形機は、射出ノズルが設けられたシリンダと、シリンダの内部に、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、回転軸に沿って前進及び後退が可能に設けられたスクリュと、を備え、繊維強化樹脂を射出成形する射出成形機であって、以上のいずれかのスクリュを用いることを特徴とする。
この射出成形機において、強化繊維を樹脂原料と一緒に、シリンダの内部に供給可能な供給口を、シリンダの上流側に設けることが好ましい。

また、本発明の射出成形方法は、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、回転軸に沿って前進及び後退が可能なスクリュを備えるシリンダに、固体状の樹脂原料と強化繊維をそれぞれ供給し、スクリュを正転させることにより、溶融樹脂を生成する可塑化工程と、強化繊維と溶融樹脂の混合物を、金型のキャビティに向けて射出する射出工程と、を備え、以上のいずれかのスクリュを用いることを特徴とする。
この射出成形方法において、強化繊維を樹脂原料と一緒に、シリンダの上流側で供給することが好ましい。

本発明によれば、多条ねじによる混練効果を享受しながらも、かじり不具合を防止するとともに受ける摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。

本実施形態に係る射出成形機の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る射出成形の各手順における樹脂の溶融状態を模式的に示す図であり、（ａ）は可塑化開始時、（ｂ）は可塑化完了時、（ｃ）は射出完了時を示している。 本実施形態にかかるスクリュを示す図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
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。

［型締ユニットの構成］
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を作動させること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。

［型締ユニットの動作］
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のナット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。

本実施形態のスクリュ１０は、個別に用意された熱可塑性の樹脂ペレットＰと強化繊維Ｆをスクリュ１０の上流端の近傍に設けられる供給ホッパ２０７に投入して混合する方式である。ただし、以下に具体的に説明する型締ユニット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、本実施形態では油圧シリンダ１１３を型開閉用のアクチュエータとして示したが、回転運動を直線運動に変換させる機構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せに代えてもよい。この変換機構としては、ボールねじやラック・アンド・ピニオンを用いることができる。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。
なお、本実施形態及び本発明において、上流及び下流は、樹脂ペレットＰ（溶融樹脂Ｍ）及び強化繊維Ｆが、搬送される向きを基準にして定められるものである。樹脂ペレットＰ及び強化繊維Ｆは上流端に設けられる供給ホッパ２０７を介して供給される、下流端に設けられる射出ノズル２０３から金型のキャビティへ射出される。なお、供給ホッパ２０７に投入される強化繊維Ｆは、大部分が束状となっており、この繊維束を開繊することが、強化繊維Ｆの分散を確保する上で重要となる。

［可塑化ユニットの構成］
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の下流端に設けた射出ノズル２０３と、加熱シリンダ２０１の内部に設けられたスクリュ１０と、樹脂ペレットＰと強化繊維Ｆが供給される供給ホッパ２０７と、を備えている。また、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を正転又は逆転をさせる第２電動機２１１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。
スクリュ１０の下流側の端部（後端）と第１電動機２０９の間には、図示を省略するロードセルが介在しており、スクリュ１０が軸方向に受ける荷重を検知することができる。電動機による可塑化ユニット２００は、ロードセルで検知した荷重に基づいて、可塑化におけるスクリュ１０の背圧を制御する。

スクリュ１０は、２ステージ型のデザインを採用しているが、以下説明するように、２ステージ型として知られている一般的なガスベント式スクリュとは構成および目的、作用、効果が異なる。
スクリュ１０は、上流側に設けられる第１ステージ２０と第１ステージ２０に連なり下流側に設けられる第２ステージ３０とを有している。

第１ステージ２０は上流側から順に供給部２１と、圧縮部２２と、計量部２３を備え、圧縮部２２の周囲に、主フライト２５と、主フライト２５よりも外径が小さく設定されている副フライト２６を設けている。また、副フライト２６は、主フライト２５よりリード角が大きく設定されている。この副フライト２６は、その両端が主フライト２５に対して閉塞されていることが好ましい。副フライト２６の両端あるいは片方が、主フライト２５から離れていると、その隙間から溶融樹脂Ｍおよび強化繊維束が結束が崩れないまま漏れ出るのに対して、閉塞していれば溶融樹脂Ｍが副フライト２６の頂部をもれなく乗り越えるのでせん断力を付与して強化繊維束の結束を崩して下流に搬送できる。
第１ステージ２０は、副フライト２６を設けることにより、固体樹脂と溶融樹脂を分離するとともに、緩やかに、つまり比較的弱い力で緩やかに圧縮することを念頭においている。これによって、第１ステージ２０のスクリュ溝内で固体樹脂が目詰まりをおこし、それが加熱シリンダ２０１に対して楔となり、スクリュ１０に偏加重、偏芯、振れ周りが発生するのを抑制することができる。

第２ステージ３０は上流側から順に多条ねじ部３１と、フィン混練部３２とを備える。
本実施形態において、多条ねじ部３１は、第２ステージ３０の一部を構成しているのに過ぎない。これは、多条ねじ部３１の領域の長さを短縮することによって、スクリュ１０の回転時に第２ステージ３０の振れ回りによるフライト頂部のかじりのリスクを低減するためである。この多条ねじ部３１の下流にフィン混練部３２を設け、フィンによる攪拌効果と流動抵抗の緩和効果を交互に与えることによって、目詰まりを起こすことなく混練効果を強化繊維Ｆに負荷することができる。

以上の主旨に基づいて設けられる第１ステージ２０と第２ステージ３０について、図３を参照して説明する。
第１ステージ２０は、樹脂ペレットＰを溶融して溶融樹脂Ｍを生成するのに加えて、生成された溶融樹脂Ｍを第２ステージ３０に向けて搬送するので、溶融樹脂Ｍの搬送速度及び可塑化能力を確保する機能を備えていることが望まれる。

また、第１ステージ２０に設けられる副フライト２６は、図３に示すように、主フライト２５の頂部における外径（直径）をＤとすると、回転軸Ｃ方向の長さＬ２６が７Ｄ〜１２Ｄの範囲に収まるように設けることが好ましい。そうすることで、第１ステージ２０において、樹脂が溶融した量に対して必要且つ十分な溝深さを縮小させる緩やかで長さの長い圧縮部２２の全部あるいは大部分を含めることができる。長さＬ２６は、７Ｄ未満では、固体樹脂の溶融度合いが不十分なまま副フライトの下流端に達してしまうので、固体樹脂が副フライト２６を乗り越えることができずスクリュ１０の溝内で固体樹脂が目詰まりするおそれがある。また特に、スクリュ１０の溝内で樹脂ペレットＰが目詰まりすると、スクリュ溝が樹脂ペレットＰで封鎖されてしまい溶融樹脂流が滞り、可塑化能力が低下するとともに、圧縮部２２内の目詰まった箇所を含む上流側の圧力が過大となる。この目詰まった樹脂ペレットＰ間に在る強化繊維Ｆに過度な圧縮力と剪断力が加わり、強化繊維Ｆの折損を増大させる。また、副フライト２６の下流端を固体樹脂が無理矢理乗り越えようとするので、副フライト２６と加熱シリンダ２０１の内径面間に固体樹脂が楔のように食い込むこととなる。この楔作用によるスクリュ１０に偏加重が加わって囓り摩耗が発生するなどの不具合が発生する。一方、１２Ｄを超えると、溶融樹脂と固体樹脂を整然と分離することができずに固体樹脂が溶融樹脂Ｍ中に浮遊するおそれがある。この場合、スクリュ回転よる剪断力が溶融樹脂Ｍの変形によって吸収されてしまい、樹脂ペレットＰに伝達されないので、可塑化能力が低下する。特に副フライト２６の長さが樹脂の溶融領域である圧縮部の長さを大きく超えると、溶融樹脂Ｍと固体樹脂の分離が不十分となり、固体樹脂が溶融樹脂Ｍ中で浮遊して可塑化能力の低下が大きくなる。よって、第１ステージ２０に設けられる副フライト２６の長さＬ２６が７Ｄ〜１２Ｄの範囲に収まるように設けることより、繊維束を徐々にほぐして開繊を進め、強化繊維Ｆがある程度分散された溶融樹脂Ｍと強化繊維Ｆの混合物を生成して第２ステージ３０に受け渡すとともに、第２ステージ３０の多条ねじ部３１のフライト頂部における摺動かじりの発生と可塑化能力低下の抑制に寄与する。
より好ましい長さＬ２６は８Ｄ〜１１Ｄであり、さらに好ましい長さＬ２６は９Ｄ〜１０Ｄである。

次に、第２ステージ３０の多条ねじ部３１は、図３に示すように、その回転軸Ｃ方向の長さＬ３１が２Ｄ〜５Ｄの範囲に設けることが好ましい。
長さＬ３１が２Ｄより短いと、多条ねじ部３１の溝の中で、強化繊維Ｆと溶融樹脂Ｍが旋回する回数、度合いが不十分となり混練効果を十分に得ることができず、一方、長さＬ３１が５Ｄより長いと、混練効果は十分得られるが、特にフライトの条数が５を超える場合には、加熱シリンダ２０１の内径面と接触、摺動するフライト頂部の数が多く、かつ長くなり、可塑化時のスクリュ１０の芯振れにより、接触頻度が増加するので、フライト頂部の摺動かじりが発生しやすくなることを鋭意研究した結果に知見した。より好ましい長さＬ３１は２．５Ｄ〜４．５Ｄであり、さらに好ましい長さＬ３１は２Ｄ〜４Ｄである。

また、多条ねじ部３１におけるフライトの条数は６〜１０とすることが好ましい。
多条ねじ部３１の長さＬ３１を短くするのに代えて、条数を６〜１０とすることで第１ステージ２０から流入する溶融樹脂Ｍと強化繊維Ｆからなる混合物を条数に応じて分岐させる。これにより、それぞれのスクリュ溝の内部における単位重量当たりの強化繊維Ｆの旋回回数が増えることにより攪拌効果を増大させ、強化繊維Ｆの分散度合いを向上させることができる。
多条ねじ部３１の長さＬ３１を２Ｄ〜５Ｄと短めにすることを前提にすると、フライトの条数が６未満になると強化繊維Ｆの高い分散状態が得にくくなるので、開繊しきれない繊維束がそのまま成形品中に混入するおそれがある。また、条数が１０を超えると、一つ当たりのスクリュ溝の断面積が小さくなり、強化繊維Ｆが溝内で目詰まりするおそれがあり、そうすると可塑化能力が低下して混練度合いが高くなることによる強化繊維Ｆの折損が増加及び樹脂温度上昇による樹脂滞留焼けなどの成形品の品質不具合が生じ得る。より好ましい条数は７〜９である。

多条ねじ部３１におけるそれぞれのフライトの巻数は１〜２とすることが好ましく、そうすることにより、フライトのリードを大きくして、つまりスクリュ１０の１回転当たりの強化繊維Ｆが移動する距離を大きくして、強化繊維Ｆが多条ねじ部３１を通過する時間を短縮し、多条ねじ部３１のスクリュ溝内で強化繊維Ｆが目詰まりするのを抑制する。これに対して、巻数が１巻より少ないと、強化繊維Ｆが多条ねじ部３１を通過する時間が短すぎて、多条ねじ部３１で強化繊維Ｆが旋回する回数が少なくなり、強化繊維Ｆの十分な分散効果が得られない。
なお、多条ねじ部３１を構成するそれぞれのフライトは、同じ外径、同じリード角を有している。

また多条ねじ部３１は、フライト断面が占める領域により溶融樹脂Ｍの流動可能な断面積が縮小するため、特に強化繊維Ｆが高含有率の溶融樹脂Ｍの場合、溝内部で目詰まりが発生しやすくなる。これを防止するため、多条ねじ部３１の溝深さは、第１ステージの下流側終端部である計量部２３の溝深さより深くすることが好ましい。また強化繊維Ｆと溶融樹脂Ｍに加えられた圧縮を十分開放して圧力を低下させ、強化繊維Ｆが自由に旋回、位置置換できるような空間を増大、膨張させて開繊を促進するために、多条ねじ部３１の溝深さは、多条ねじ部３１の溝断面積の総和が第１ステージ２０の計量部２３の溝断面積以上となる溝深さとすることが更に好ましい。

次に、多条ねじ部３１の下流側に設けられるフィン混練部３２は、図３に示すように、多条フィン型からなり、円周方向に間隔をあけて設けられる複数の板状のフィン３３からなるフィン群３４を、回転軸Ｃ方向に間隔をあけて複数群備えている。
フィン混練部３２において、それぞれのフィン３３の回転軸Ｃ方向の長さＬ３２は０．０５Ｄ〜０．２Ｄ、回転軸Ｃ方向に隣接するフィン３３とフィン３３の間隔Ｌ３３は０．１Ｄ〜０．２Ｄとすることが好ましい。また、フィン群３４の段数は、５〜１０段とすることが好ましい。
このように、多条ねじ部３１の下流に、長さが比較的に短いフィン３３と、フィン３３を設けない流路断面積が大きく流動抵抗の小さい領域（隣接するフィン３３の回転軸Ｃ方向の間隔及び周方向の間隔）とを交互に設ける。これによるフィン混練部３２を設けることにより、フィン３３による攪拌効果と流動抵抗の緩和効果を溶融樹脂Ｍと強化繊維Ｆの混合物に交互に与えることによって、目詰まりを起こすことなく混練効果を強化繊維Ｆに負荷することができる。

次に、本実施形態の射出成形機１は、図１に示すように、強化繊維Ｆをスクリュ１０の上流端に対応する供給ホッパ２０７から樹脂ペレットＰとともに投入する。このように、本実施形態は、第２ステージ３０に対して強化繊維Ｆを供給するものでないために、第２ステージ３０に対応するベント孔を加熱シリンダ２０１に設ける必要がなくなり、ベント孔から溶融樹脂が溢れ出すベントアップのリスクがなくなる。これにより、第２ステージ３０の全長及び全周に渉ってスクリュ溝内に溶融樹脂Ｍを充満させることができるので、位置によってスクリュ溝内で溶融樹脂Ｍが充満していない空隙を発生させることを回避できるので、溶融樹脂圧力が無い空隙部と溶融樹脂圧力を有する溶融樹脂Ｍが偏在する、あるいはバラツキ分布になることがない。その結果として、第２ステージ３０の全長及び全周において、溶融樹脂圧がスクリュ１０に均等に作用するため、スクリュ１０に半径方向の意図しない一方向に押しつける局部的かつ偏った加重が生ずるのが抑制され、多条ねじ部３１のフライト頂部に摺動かじりによる不具合が生ずるのを抑制することができる。

［可塑化ユニットの動作］
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が回転すると、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）と強化繊維Ｆは、加熱シリンダ２０１の下流端の射出ノズル２０３に向けて送り出される。この過程で、樹脂ペレットＰは溶融樹脂Ｍとなる。溶融樹脂Ｍは強化繊維Ｆと混合された後に、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。

［射出成形の手順］
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、あるいは一部を並行させて実施して１サイクルの射出成形が完了する。

次に、以上の工程の中で、本実施形態が関連する可塑化工程と射出工程の概略について、図２を参照して説明する。
［可塑化工程］
可塑化工程では、樹脂ペレットＰ及び強化繊維Ｆを加熱シリンダ２０１の上流側の供給ホッパ２０７に対応する供給口から供給する。可塑化開始当初のスクリュ１０は、加熱シリンダ２０１の下流に位置しており、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、下流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。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とともに下流に搬送される。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、溶融樹脂Ｍが強化繊維Ｆとともに加熱シリンダ２０１の下流側に搬送され、かつ、スクリュ１０よりも下流側に溜まる。スクリュ１０の下流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。この後、１ショットに必要な量の溶融樹脂Ｍが計量され溜まったところで、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」）。

図２は、樹脂（樹脂ペレットＰ，溶融樹脂Ｍ）と強化繊維Ｆの状態を、「未溶融樹脂」、「樹脂溶融」、「繊維分散」及び「繊維分散完了」の４段階に区別して示している。「可塑化完了」の段階では、スクリュ１０よりも下流の「繊維分散完了」は、溶融樹脂Ｍの中に強化繊維Ｆが分散され、射出に供される状態を示し、「繊維分散」は、スクリュ１０の回転に伴い、供給された強化繊維Ｆが溶融樹脂Ｍに分散されていることを示す。また、「樹脂溶融」は、樹脂ペレットＰがせん断力を受けることで徐々に溶融し、「未溶融樹脂」はせん断力を受けるが、溶融不足の樹脂が残存する状態であり全てが溶融するには到っていないことを示している。ただし、「繊維分散完了」の領域には、強化繊維Ｆが偏在することがある。
［射出工程］
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の下流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は射出ノズル２０３からキャビティに向けて吐出される。
以後は、保持工程と、型開き工程と、取り出し工程を経て、１サイクルの射出成形が完了し、次のサイクルの型締め工程、可塑化工程が行われる。

［効 果］
以上説明したように、本実施形態は、第２ステージ３０の多条ねじ部３１の回転軸方向の長さを短めに設定するとともに、第１ステージ２０における圧縮力を緩やかにすることにより、多条ねじ部３１による混練効果を享受しながらも、スクリュ１０から強化繊維Ｆが受ける摩擦抵抗と剪断力による繊維折損を最小限に抑えることができる。しかも、第２ステージ３０にフィン混練部３２を設けることにより、多条ねじ部３１を短くした分の混練を担保する。

次に、多条ねじは単条ねじに比べ流路断面積に対する流路壁（スクリュ溝表面、及びシリンダ内径面）面積の比が大きく、壁面から受ける流動抵抗が大きい。このため多条ねじの長さが長くなると溶融樹脂Ｍと強化繊維Ｆが多条ねじ内部で目詰まりが発生し、可塑化能力が低下して混練度合いが上昇することによる強化繊維Ｆの折損に繋がり、また、樹脂温度上昇による樹脂滞留焼けを起こすなどの品質低下が発生することが懸念される。これに対して、本実施形態は多条ねじ部３１を第２ステージ３０の一部に限って短く設けているので、成形品の品質低下を抑えることができる。

また、本実施形態によるスクリュ１０では、上流側から、主フライト２５および主フライト２５よりも外径が小さい副フライト２６が設けられる圧縮部２２、複数条のフライトを備える多条ねじ部３１、フィン混練部３２の、各混練エレメントをこの記述順に備えている。これは、スクリュの上流側から段階的に剪断、混練作用が高くなるレイアウトとすることで、開繊、分散効果と、スクリュ溝内の目詰まりの防止効果を両立させるのに有効だからである。具体的には、供給ホッパ２０７の供給口から投入された直後には結束が強く、変形による剪断力の吸収が少ない状態にあり、いきなり強い剪断力を負荷すると繊維の折損が発生する虞のある強化繊維束に対して、本実施形態の各混練エレメントの内で最も剪断、混練が緩やかな混練エレメントである副フライト２６部で強化繊維束の結束を崩すとともに溶融樹脂Ｍ中に混合し下流に送る。この結束が崩れた程度で繊維束が多く残っている状態の混合物を、複数条のフライトを備える多条ねじ部３１に流し込み、繊維束を分岐し、効率よく混練して繊維の分散を促進する。次に、攪拌効果と流動抵抗の緩和効果を交互に与えることができるフィン混練部３２で断続的に攪拌することによって、上流の多条ねじ部３１で大半の繊維束が開繊し、繊維が絡み合って綿状になり目詰まりが発生しやすい状態でも、目詰まりを発生させることなく、剪断、混練を促進することができる。このレイアウトは、特に強化繊維の含有量が１０％以上の高含有率で、スクリュ溝内で目詰まりが発生しやすい原料に対して、本発明の効果を得るのに有効である。

前述の通り多条ねじ部３１は、シリンダ内径面と接触、摺動するフライト頂部の数が多く、かつ長くなり、接触頻度が増加するのでフライト頂部の摺動かじりが発生しやすくなる。このため形状的なかじり要因である真直度不良を防止するために高精度に加工することが好ましい。しかし、真直度のバラツキが大きくならないように高精度に加工すれば、摺動かじりが発生するのを低減できるが、それは、加工時間が長く、加工コストが高価となり生産性を悪化させてしまう。これに対して、本実施形態によると、高混練効果を得られる多条ねじを用いた場合でも、加工コストを抑えながらも、摺動かじりの発生を低減できる。ところで、型締め力が８５０ｔｏｎ以上、あるいはスクリュ径Ｄが９０ｍｍ以上の射出成形機において、長さの長い、例えば、スクリュ径Ｄの５倍程度以上の多条ねじにおいては、スクリュの振れ回りによりフライト頂部にかじりが発生しやすい。これはスクリュ溝内で局部的で激しい溶融樹脂圧力変動が発生した場合、小径（例えばΦ５０ｍｍ以下）のスクリュではスクリュ表面積が小さいため、変動する圧力変動値を受圧する面積も小さくなり、少々変動圧力値が大きくてもフライトをシリンダ内径面に押しつける偏加重の絶対値もまた小さいためである。これに対し、口径が９０ｍｍ以上のスクリュでは、受圧面積が大きいためフライトをシリンダ内径面に押しつける偏加重の絶対値もまた大きくなり、スクリュのフライト頂部とシリンダ内径面の摺動部で、非常に大きな局部応力が発生して凝着摩耗、つまりかじりが発生してしまうためである。しかし、本実施形態を適用すれば、シリンダ内径面と接触、摺動して接触頻度が増加する多条ねじ部２３を、スクリュ径Ｄが９０ｍｍ以上であるスクリュに適用した場合であってもフライト頂部のかじりの発生を抑制できる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、以上の実施形態では、第２ステージ３０の例として、上流側に多条ねじ部３１を、また、下流側にフィン混練部３２を配置した例を示しているが、強化繊維Ｆの含流率が比較的低い原料に対しては、この配置を逆にしても同様の効果を得ることができる。

また、本発明に適用される樹脂、強化繊維は、特に限定されるものでなく、ポリプロピレンやポリエチレンなどの汎用樹脂や、ポリアミドやポリカーボネートなどのエンジニアリングプラスチックなどの公知の樹脂、及びガラス繊維、炭素繊維、竹繊維、麻繊維などの公知の強化繊維など、公知の材質を広く包含している。なお、本発明の効果を顕著に得るには、強化繊維の含有量が１０％以上と高含有率な繊維強化樹脂を対象とするのが好ましい。しかし、強化繊維の含有率が７０％を超えるとスクリュ溝内の強化繊維の搬送抵抗が大きくなるので、比較的樹脂の搬送能力の低い小径フライトを用いた場合、強化繊維を搬送することが困難となり、強化繊維がスクリュ溝内を閉塞してフィン部または多条ねじ部３１または副フライト部２６で目詰まり、可塑化能力の低下、あるいは可塑化不能（樹脂の搬送不能）な状態を発生してしまうおそれがある。このため、本発明に適用される強化繊維は含有率が１０〜７０％であることが好ましく、さらには１５〜５０％であることが好ましい。

また、本発明のスクリュは、非常に高い混練効果を有していることから、原料ホッパに原料と添加材や充填材などを混同して投入する成形において適用しても、均一混練、分散効果が得られる。添加材、充填材の例としては、フィラー、タルク、顔料、発泡材などが考えられる。
また、供給する強化繊維と樹脂原料は、個別に用意された強化繊維と原料樹脂を混合して供給することが本発明の効果を顕著に得るうえで好ましいが、強化繊維に樹脂が含浸されて一体となった複合原料を用いても支障はない。

１ 射出成形機
１０ スクリュ
２０ 第１ステージ
２１ 供給部
２２ 圧縮部
２３ 計量部
２５ 主フライト
２６ 副フライト
３０ 第２ステージ
３１ 多条ねじ部
３２ フィン混練部
３３ フィン
３４ フィン群
５０ 制御部
１００ 型締ユニット
１０１ ベースフレーム
１０３ 固定金型
１０５ 固定ダイプレート
１０７ 摺動部材
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
１１５ タイバー
１１７ 油圧シリンダ
１１９ ラム
１２１ 雄ねじ部
１２３ ナット
２００ 可塑化ユニット
２０１ 加熱シリンダ
２０３ 射出ノズル
２０７ 供給ホッパ
２０９ 第１電動機
２１１ 第２電動機
Ｃ 回転軸
Ｄ スクリュ径
Ｆ 強化繊維
Ｐ 樹脂ペレット

第２ステージ３０は上流側から順に多条ねじ部３１と、フィン混練部３２とを備える。
本実施形態において、多条ねじ部３１は、第２ステージ３０の一部を構成しているのに過ぎない。これは、多条ねじ部３１の領域の長さを短縮することによって、スクリュ１０の回転時に第２ステージ３０の振れ回りによるフライト頂部のかじりのリスクを低減するためである。この多条ねじ部３１の下流にフィン混練部３２を設け、フィンによる攪拌効果と流動抵抗の緩和効果を交互に与えることによって、目詰まりを起こすことなく混練効果を強化繊維Ｆに負荷することができる。
第２ステージ３０は、フィン混練部３２よりも下流側にフライト２８を備えている。このフライト２８は、第１ステージ２０に設けられた主フライト２５と同等のフライト高さを有している。

本発明の射出成形機は、射出ノズルが設けられたシリンダと、シリンダの内部に、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、回転軸に沿って前進及び後退が可能に設けられたスクリュと、を備え、繊維強化樹脂を射出成形する射出成形機であって、以下のスクリュを用いることを特徴とする。
本発明のスクリュは、上流側に設けられる第１ステージと、第１ステージより下流側に設けられる第２ステージとを備え、第１ステージは、主フライトと、主フライトよりも外径が小さい副フライトが設けられる圧縮部を備え、第２ステージは、上流側に設けられ、複数条のフライトを備える多条ねじ部と、多条ねじ部より下流側に設けられるフィンによる混練部と、を備え、多条ねじ部は、複数条の全てのフライトが、同じ外径、同じリード角を有することを特徴とする。
なお、第１ステージは、主に樹脂ペレットＰを可塑化溶融するステージであり、第２ステージは、主に強化繊維と溶融樹脂の混合物を混練するステージである。

また、本発明の射出成形機において、強化繊維を樹脂原料と一緒に、シリンダの内部に供給可能な供給口を、シリンダの上流側に設けることが好ましい。

Claims (10)

1. 上流側に設けられる第１ステージと、前記第１ステージより下流側に設けられる第２ステージとを備え、
   前記第１ステージは、
   主フライトと、前記主フライトよりも外径が小さい副フライトが設けられる圧縮部を備え、
   前記第２ステージは、
   上流側に設けられ、複数条のフライトを備える多条ねじ部と、
   前記多条ねじ部より下流側に設けられるフィンによる混練部と、
   を備えることを特徴とする射出成形機のスクリュ。
2. 前記主フライトの頂部における直径をＤとすると、
   前記多条ねじ部が設けられる、前記スクリュの回転軸方向の長さが、２Ｄ〜５Ｄである、
   請求項１に記載のスクリュ。
3. 前記多条ねじ部における前記フライトの条数が、６〜１０であり、
   前記多条ねじ部におけるそれぞれの前記フライトの巻き数が、１〜２である、
   請求項１又は請求項２に記載のスクリュ。
4. 前記多条ねじ部の溝深さは、前記第１ステージの下流側終端部の溝深さ以上の溝深さである、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のスクリュ。
5. 前記混練部は、
   円周方向に間隔をあけて設けられる複数の板状のフィンからなるフィン群を、前記回転軸方向に間隔をあけて複数備え、前記主フライトの頂部における直径をＤとすると、
   それぞれの前記フィンの前記回転軸方向の長さが、０．０５Ｄ〜０．２Ｄ、
   前記回転軸方向に隣接する前記フィンの間隔が、０．１Ｄ〜０．２Ｄ、
   前記フィン群の段数が、５〜１０である、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のスクリュ。
6. 前記主フライトの頂部における直径をＤとすると、Ｄが９０ｍｍ以上である、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスクリュ。
7. 射出ノズルが設けられたシリンダと、
   前記シリンダの内部に、回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、前記回転軸に沿って前進及び後退が可能に設けられたスクリュと、を備え、繊維強化樹脂を射出成形する射出成形機であって、
   前記スクリュが、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスクリュである、
   ことを特徴とする射出成形機。
8. 強化繊維を樹脂原料と一緒に前記シリンダの内部に供給可能な供給口が、前記シリンダの上流側に設けられる、
   請求項７に記載の射出成形機。
9. 回転軸を中心にして回転が可能で、かつ、前記回転軸に沿って前進及び後退が可能なスクリュを備えるシリンダに、樹脂原料と強化繊維をそれぞれ供給し、前記スクリュを正転させることにより、溶融樹脂を生成する可塑化工程と、
   前記強化繊維と前記溶融樹脂の混合物を、金型のキャビティに向けて射出する射出工程と、を備え、
   前記スクリュが、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスクリュである、
   ことを特徴とする射出成形方法。
10. 前記強化繊維を前記樹脂原料と一緒に前記シリンダの上流側で供給される、
    請求項９に記載の射出成形方法。

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