WO2017072931A1 - スクリュー射出装置及び射出成形装置 - Google Patents
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- B29C45/47—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould using screws
- B29C45/48—Plasticising screw and injection screw comprising two separate screws
Definitions
- the present invention relates to an improvement of a screw injection device and an injection molding device configured using the screw injection device.
- a fine foam molding method using a supercritical fluid of a foaming gas is known as a technique capable of reducing the weight of an injection molded product. If this method is used, the molded article reduced in weight by including many fine foams inside is obtained. However, the molded product thus obtained tends to be weaker than the conventional molded product without fine foaming.
- a reinforcing fiber is formed by using a resin composition kneaded in advance and injecting a supercritical fluid of a foaming gas into the resin and then molding the resin. It is described that a fine foam molded article exhibiting impact resistance superior to that of a conventional molded article which does not contain selenium can be obtained.
- the present invention has been made paying attention to this problem, and removes moisture and residual monomers reliably and injects a resin containing a reinforcing fiber and a foaming gas to produce a high-strength and lightweight micro-foam molding. It aims at providing the screw injection device which can manufacture goods, and the injection molding device using the same.
- the screw injection device has a plasticizing cylinder in which a screw is inserted, and this plasticizing cylinder has a vent hole for releasing steam from the inside of the cylinder and a predetermined reinforcing material in the cylinder. And a reinforcing material supply hole for supplying a predetermined supercritical fluid in the cylinder is formed on the tip side of these holes.
- the injection molding apparatus according to the present invention is formed by combining a molding die with the screw injection apparatus.
- impurities such as moisture and residual monomers are removed from the plasticized resin by a vent, and the reinforcing fiber and the foaming gas as a supercritical fluid are supplied to the resin.
- a micro-foamed molded article that does not contain coarse bubbles due to residual monomers and that is high in strength and lightweight can be manufactured.
- FIG. 1 It is a longitudinal cross-sectional view which shows schematic structure of an example of embodiment. It is a phase diagram regarding the temperature and pressure of a general substance. It is a longitudinal cross-sectional view which shows schematic structure of the modification of embodiment. It is a longitudinal cross-sectional view which shows schematic structure of the injection molding apparatus by this invention.
- (A)-(d) is a series of sectional views for explaining the operation of the injection molding apparatus in time series.
- (A) is simple sectional drawing explaining the advancing aspect of resin in a metal mold
- (b) is a simple sectional view of the solidified workpiece
- FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of an injection apparatus as an example of an embodiment.
- the injection device 10 removes impurities such as moisture and residual monomer from the plasticized resin by a vent, and the resin contains reinforcing fibers (reinforcing material) F, a supercritical fluid, Since the foaming gas S is supplied, it is possible to manufacture a micro-foamed molded article that does not contain coarse bubbles due to moisture or residual monomers and that is high in strength and lightweight.
- the resin PLA (polylactic acid), PA (polyamide), PET (polyethylene terephthalate), PP (polypropylene) and the like are suitable, but are not limited thereto.
- the injection device 10 is of an inline screw type and has a plasticizing cylinder 11 in which a screw 12 is inserted.
- the cylinder 11 is a cylinder made of a magnetic metal, for example, ordinary steel, and an injection nozzle 13 is provided at the tip thereof, and the rear end is opened to extend the screw 12 rearward.
- the cylinder 11 has a vent hole 11a for releasing moisture and residual monomer vapor from the cylinder 11 and a reinforcing material supply hole 11b for supplying a predetermined reinforcing fiber F into the cylinder 11 at an intermediate portion thereof. Further, a supercritical fluid supply hole 11c for supplying the supercritical fluid S of the foaming gas into the cylinder 11 is formed at the tip side of these holes.
- a resin pellet supply hole 11d for supplying the resin pellet PP into the cylinder 11 is formed at the rear end of the cylinder 11, and a hopper 14 for storing the resin pellet PP is provided above the resin pellet supply hole 11d. .
- the cylinder 11 has an induction heating coil 15 wound around its peripheral wall surface.
- a power supply device for supplying an alternating current to the coil 15 is not shown.
- a heat insulating material 16 is arranged in a cylindrical shape so as to cover the coil winding portion of the cylinder 11.
- the type of the heat insulating material 16 is not particularly limited. Briefly describing the induction heating of the cylinder 11, an alternating current is passed through the coil 15, thereby generating an alternating magnetic field in the axial direction of the cylinder 11. Since the cylinder 11 is formed of a magnetic metal exhibiting a high magnetic permeability, most of the magnetic field passes through the wall surface of the cylinder 11.
- an eddy current is induced in the wall surface of the cylinder 11 in the direction that cancels the change in the magnetic field, that is, in the circumferential direction.
- the cylinder 11 is heated by Joule heat generated by the eddy current. If such induction heating is used, the heating device for the cylinder 11 becomes compact and the efficiency increases.
- the injection nozzle 13 is a shut-off type, is formed in a generally conical shape so as to automatically align with the nozzle receiving portion of the molding die, and a resin injection port 13a is opened at the tip thereof. Opening and closing control can be performed by the valve mechanism 13b.
- the screw 12 is a rod made of ordinary steel or various alloys, and a series of spiral grooves are formed over substantially the entire length except for the tip.
- the supply area 12b, the measurement area 12c, the vent area 12d, and the mixing area 12e are set in order from the rear end to the front end by changing the shaft diameter or groove shape of the screw 12 for each part.
- the volume per pitch is set so that the resin feed amount per rotation of the screw 12 becomes a predetermined value.
- the supply area 12b and the vent area 12d are set so that the volume per pitch is larger than that of the measurement area 12c.
- protrusions, protrusions and the like having special shapes are regularly arranged, and the reinforcing fiber F and the supercritical fluid S supplied into the cylinder 11 are uniformly mixed with the resin P. ing.
- the resin pellet PP dropped from the hopper 14 to the supply region 12b in the plasticizing cylinder 11 is transported to the tip side of the cylinder 11 and is measured in the measuring region 12c. Pressurized and plasticized.
- the plasticized resin P is once depressurized in the vent region 12d. Therefore, if the vent hole 11a and the reinforcing material supply hole 11b are disposed in the vented region 12d, the resin ejection phenomenon (vent up phenomenon) can be suppressed. Since the plasticized resin P is at a high temperature, moisture and residual monomer vapor are easily released from the vent hole 11a opened to the outside. The residual monomer is almost completely removed, and the purity is high.
- the resin P is mixed with the reinforcing fiber F from the reinforcing material supply hole 11b, and further injected with the supercritical fluid S from the supercritical fluid supply hole 11c.
- the reinforcing fiber F and supercritical fluid S are injected. Is kneaded into the resin P.
- the rear end of the screw 12 is connected to a motor device 18 through a power cylinder device 17.
- the motor device 18 is a power source for rotating the screw 12
- the power cylinder device 17 is a power source for moving the screw 12 back and forth.
- the power cylinder device 17 is composed of a hydraulic cylinder, an electric cylinder and the like.
- the basic structure of a hydraulic cylinder is shown as an example.
- the screw 12 is moved back and forth by adjusting the hydraulic pressure applied to the A and B chambers shown in the figure. As the screw 12 moves forward, the resin P accumulated at the tip of the cylinder 11 is injected from the injection nozzle 13.
- the motor device 18 includes a motor unit such as a stepping motor, a brush motor, and a brushless motor and a power transmission mechanism.
- a motor unit such as a stepping motor, a brush motor, and a brushless motor and a power transmission mechanism.
- the reinforcing material supply device 20 is an element that supplies the reinforcing fiber F to be kneaded to the resin P.
- the reinforcing fiber F supplied to the reinforcing material supply hole 11b of the cylinder 11 is automatically drawn into the cylinder 11 mixed with the resin P.
- the reinforcing material supply device 20 can be simply configured with a reel holding portion for supplying reinforcing fibers F, a fiber yarn feed guide, and the like as shown in the figure.
- carbon fiber filament yarn (long fiber) is suitable, but is not limited thereto.
- a glass fiber filament may be used as another reinforcing fiber, or a carbon fiber filament and a glass fiber filament may be mixed and used.
- the reinforcing material is not limited to a fibrous material, and a granular material (granular) can also be used.
- a granular material granular
- the fibrous reinforcing material mainly contributes to the tensile strength of the molded product, and the granular reinforcing material contributes to the compressive strength of the molded product.
- the reinforcing fiber F supplied into the cylinder is cut into an appropriate length by the screw 12 in the vent region 12d.
- the cut reinforcing fibers F are uniformly dispersed in the resin P by mixing in the mixing region 12e.
- the supercritical fluid supply device 21 is an element that pressurizes a foaming gas such as nitrogen or carbon dioxide and sends it as a supercritical fluid S at a constant flow rate, and includes a tank, a heater, a pressure pump, a solenoid valve, and the like.
- the supercritical fluid injection device 22 is an element that receives the supercritical fluid S from the supercritical fluid supply device 21, adjusts the pressure of the fluid, and quantitatively injects the fluid into the cylinder 11 from the supercritical fluid supply hole 11c. , Pressure sensor, solenoid valve and so on.
- FIG. 2 is a phase diagram relating to temperature and pressure of a general substance.
- the substance has three phases of solid, liquid and gas. Normally, when gas is compressed, it becomes liquid at a certain pressure. However, if the temperature exceeds a certain value at this time, it will not become liquid no matter how much pressure is applied. Such a value is called the critical temperature of the material. Normally, when a liquid is heated, it becomes a gas at a certain temperature. However, if the pressure exceeds a certain value at this time, it will not become a gas no matter how much it is heated. Such a value is called the critical pressure of the material.
- the substance When the temperature and pressure of a substance both exceed the critical temperature and the critical pressure, the substance is a fluid in a state where gas and liquid cannot be distinguished, that is, a supercritical fluid.
- Supercritical fluids are known to exhibit both high gas diffusivity and liquid solubility.
- the reason for injecting the foaming gas into the cylinder as a supercritical fluid is that high pressure is required to inject a large amount of gas, resulting in a supercritical fluid, and the fluid is more metered than the gas Is easy. If the foaming gas is injected into the cylinder in a supercritical fluid state, it is considered that the diffusibility immediately after the injection is improved. Although the solubility of the foaming gas in the resin increases with the pressure of the resin, the supercritical fluid injection device controls the injection amount so that the injection amount of the foaming gas is slightly lower than the saturation amount. If it does so, the resin of which the gas for foaming was inject
- the reinforcing material is appropriately cut by this mixing and is well dispersed in the resin.
- the foaming gas is rapidly dissolved by the reduced pressure in the mold, and the foaming gas is vaporized, resulting in a large number of minute bubbles in the resin.
- the injection pressure can be lowered. If the injection pressure is low, the pressure received by the molding die from the resin is small, so that the mold clamping force is small and the press device can be downsized.
- a mold clamping force of about 700 to 3000 tons has been conventionally required, but this can be reduced to about 450 to 1000 tons.
- the weight can be reduced by about 10 to 30% while maintaining the strength of the molded product.
- FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a modified example of the embodiment.
- a major difference between this modified example and the embodiment shown in FIG. 1 is that a reinforcing material supply amount adjusting device 23 that freely adjusts the supply amount of the reinforcing fiber F is provided.
- the reinforcing material supply amount adjusting device 23 may be configured by combining a driving roller capable of adjusting the rotation speed and a driven roller facing the driving roller. In such a case, if the rotational speed of the driving roller is adjusted with the reinforcing fiber F sandwiched between the driving roller and the driven roller, the supply amount of the reinforcing fiber F changes according to the rotational speed.
- a reinforcing material supply amount adjusting device 23 for example, it becomes possible to supply a larger or smaller amount of reinforcing fiber F than that automatically pulled into the cylinder 11, and the strength of the molded product Can be adjusted freely. Further, the reinforcing material supply amount adjusting device 23 may adjust the number (tow) of filament yarns.
- the reinforcing material supply amount adjusting device 23 may be provided with a cutting means for automatically cutting the reinforcing fiber F into an appropriate length so that the reinforcing fiber F having a certain length is always supplied to the reinforcing material supply hole 11b. (Not shown).
- vent hole 11a and the resin supply hole are formed as one common hole. If the vent hole 11a and the resin supply hole are formed as one common hole, there is an advantage that the manufacturing cost of the cylinder 11 can be suppressed. Since other elements are common to the above-described embodiment, the common elements are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
- FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of the injection molding apparatus.
- a part of the cylinder 11 constituting the injection device 10 and a molding die 31 are shown, and a frame portion and the like for holding them are not shown.
- a three-plate type mold is adopted, but it is not limited to the three-plate type.
- the molding die 31 is composed of first to third dies 31a to 31c.
- the first mold 31 a is fixed to the movable side mounting plate 32.
- the second and third molds 31b and 31c are attached to the fixed attachment plate 33 so as to be able to advance and retract.
- a nozzle receiving portion 33 a for receiving the injection nozzle 13 of the injection device 10 is formed on the fixed side mounting plate 33.
- a cavity 31d is formed on the surface of the first mold 31a, and a core 31e accommodated in the cavity 31d is formed on the second mold 31b.
- a workpiece of a molded product is formed by the cavity 31d and the core 31e.
- the third mold 31c is provided with a runner cavity 31f.
- a runner is formed by the back surface of the second mold 31b and the runner cavity 31f of the third mold 31c.
- the runner cavity 31f is connected to the surface of the core 31e through a thin gate, and is connected to the injection nozzle 13 of the resin injection cylinder 22 through a spool.
- a protruding pin 34 penetrates from the back surface of the third mold 31c to the surface of the core 31e.
- the protruding pin 34 can move forward and backward with respect to the third mold 31c, and can push the molded workpiece from the core 31e.
- the resin P injected from the cylinder 11 generates fine bubbles of foaming gas by decompression, and spreads into the cavity 31d while growing the bubbles.
- the gate connecting the cavity 31d and the runner cavity 31f is provided in the thin part of the workpiece, whereby the resin P becomes a thin part of the workpiece. It is thought that it is desirable to make it progress toward a thick part.
- FIGS. 5A to 5D are a series of cross-sectional views for explaining the operation of the injection molding apparatus in time series.
- the mold 31 is closed and the protruding pin 34 is in the retracted position.
- the injection nozzle 13 of the cylinder 11 communicates with the runner cavity 31f of the third mold 31c via the fixed side mounting plate 33.
- the resin P melted from the cylinder 11 is injected and injected into the mold 31 to form a workpiece.
- the temperature of the mold 31 is appropriately controlled in each step of resin injection and curing.
- the injection device 10 maintains the pressure of the resin for a predetermined time after the injection of the resin.
- FIG. 5 (b) the forming of the workpiece 2 is completed, and the first and second molds 31a and 31b are opened. At this time, the runner 2 a is separated from the resin injection cylinder 22 by retreating the cylinder 11. At this time, the work 2 is in a state of being fitted into the core 31e.
- the protruding pin 34 is advanced.
- the workpiece 2 comes out of the core 31e, and the workpiece 2 and the runner 2a are automatically cut and separated at the gate portion.
- the work 2 separated from the runner 2 a is taken out from the mold 31 by the work take-out device 40.
- the second mold 31b is separated from the third mold 31c. This makes it possible to remove the runner 2a from the third mold 31c.
- FIG. 6A is a simple cross-sectional view for explaining the progress of the resin P in the mold 31.
- white arrows indicate the traveling direction of the resin P.
- the traveling speed of the resin P is higher in the central portion than in the interface portion with the mold 31, and therefore, it is considered that many bubbles B are generated in the central portion.
- the resin P progresses while actively bursting and evaporating the foaming gas from the interface with the space at the front end of the traveling direction, so that the interface with the space where the number of bubbles B has decreased becomes the mold by the resin P that has come later. It is considered that the interface portion with the mold 31 is newly formed by being pushed in the boundary direction with the die 31.
- the resin P fat is solidified in a state in which a small amount of bubbles B are included in the interface portion with the mold 31 and many bubbles B are included in the central portion.
- the foaming gas evaporated from the resin P into the space in the mold 31 is discharged to the outside from a vent portion provided at a proper position of the mold 31.
- FIG. 6B is a simple cross-sectional view of the solidified workpiece.
- the work 2 has a multilayer structure in which a skin layer SL containing almost no bubbles B is formed in the surface layer portion, and a core layer CL containing many bubbles B is formed in the central portion of the thickness.
- the reinforcing fibers F are uniformly dispersed in the resin P.
- the skin layer SL has a higher density with fewer bubbles B than the core layer CL
- the skin layer SL has a higher density than the core layer CL.
- the reinforcing fibers F are mixed with high density. Therefore, the skin layer SL becomes stronger than the core layer CL.
- the reinforcing fiber F is dispersed in the resin, and the molded article does not contain coarse bubbles (500 microns or more) and contains a large amount of microbubbles B (5 to 50 microns). Is obtained.
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Abstract
スクリュー射出装置において、水分や残留モノマーによる粗大な気泡を含んでおらず、高強度、かつ軽量な微小発泡成形品が製造できるようにする。 スクリュー射出装置10は、可塑化シリンダー11の中間部に、シリンダー内から蒸気を放出させるベント穴11aと、シリンダー内に所定の補強材を供給するための補強材供給穴11bとが形成され、これらの穴よりも先端側に、シリンダー内に所定の超臨界流体を供給するための超臨界流体供給穴11cが形成されている。
Description
本発明は、スクリュー射出装置及びそれを用いて構成される射出成形装置の改良に関する。
従来、射出成形品を軽量化できる技術として、発泡用ガスの超臨界流体を用いた微細発泡成形法が知られている。この方法を用いれば、内部に多数の微細発泡を含むことで軽量化された成形品が得られる。しかしこうして得られた成形品は、微細発泡を伴わない従来の成形品に比べて強度が弱くなる傾向がある。
これに対して、例えば次の特許文献では、補強用繊維が予め混錬された樹脂組成物を用い、その樹脂に発泡用ガスの超臨界流体を注入してから成形することで、補強用繊維を含ませない従来の成形品よりも優れた耐衝撃性を示す微細発泡成形品が得られることが記載されている。
ところで成形前の樹脂に水分や揮発性の残留モノマーが含まれていると成形品に気泡が生じる場合がある。特に微細発泡成形の場合、水分や残留モノマーによって粗大な気泡が生じるとその部分で強度が大幅に低下してしまい問題になる。従来、このような問題の対策として、樹脂ペレットを予め乾燥させることが一般的であった。しかし乾燥だけでは樹脂に含まれている水分や残留モノマーを完全に除去できず、その水分や残留モノマーが微細発泡成形品の強度に悪影響を与えていた。
本発明はこの問題に着目してなされたものであり、水分や残留モノマーを確実に除去し、補強用繊維と発泡用ガスと含ませた樹脂を射出することで高強度かつ軽量な微小発泡成形品が製造できるスクリュー射出装置及びそれを用いた射出成形装置を提供することを目的としている。
本発明によるスクリュー射出装置は、スクリューが内挿された可塑化シリンダーを有し、この可塑化シリンダーは、その中間部に、シリンダー内から蒸気を放出させるベント穴と、シリンダー内に所定の補強材を供給するための補強材供給穴とが形成され、これらの穴よりも先端側に、シリンダー内に所定の超臨界流体を供給するための超臨界流体供給穴が形成されていることを特徴とする。
また本発明による射出成形装置は、前記スクリュー射出装置に成形金型を組み合わせてなる。
本発明では、可塑化させた樹脂からベントによって水分、残留モノマー等の不純物を除去し、その樹脂に補強用繊維と、超臨界流体とした発泡用ガスとを供給する構成としているので、水分や残留モノマーによる粗大な気泡を含んでおらず、高強度、かつ軽量な微小発泡成形品を製造できる。
図1は実施形態の一例とされる射出装置の概略構成を示す縦断面図である。
以下に詳細に説明するように、射出装置10は、可塑化させた樹脂からベントによって水分、残留モノマー等の不純物を除去し、その樹脂に補強用繊維(補強材)Fと、超臨界流体とした発泡用ガスSとを供給する構成としているので、水分や残留モノマーによる粗大な気泡を含んでおらず、高強度、かつ軽量な微小発泡成形品が製造できる。
樹脂としては、PLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)等が適しているが、それらに限定されることはない。
以下に詳細に説明するように、射出装置10は、可塑化させた樹脂からベントによって水分、残留モノマー等の不純物を除去し、その樹脂に補強用繊維(補強材)Fと、超臨界流体とした発泡用ガスSとを供給する構成としているので、水分や残留モノマーによる粗大な気泡を含んでおらず、高強度、かつ軽量な微小発泡成形品が製造できる。
樹脂としては、PLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)等が適しているが、それらに限定されることはない。
射出装置10はインラインスクリュー式のものであってスクリュー12が内挿された可塑化シリンダー11を有する。
シリンダー11は、磁性金属、例えば普通鋼等からなる筒体であり、その先端に射出ノズル13が設けられ、後端はスクリュー12を後方に延出させるために開放されている。またシリンダー11は、その中間部に、シリンダー11内から水分や残留モノマーの蒸気を放出させるベント穴11aと、シリンダー11内に所定の補強用繊維Fを供給するための補強材供給穴11bとが形成され、更にこれらの穴よりも先端側に、シリンダー11内に発泡用ガスの超臨界流体Sを供給する超臨界流体供給穴11cが形成されている。そしてシリンダー11の後端部には、樹脂ペレットPPをシリンダー11内に供給するための樹脂ペレット供給穴11dが形成されており、その上方には樹脂ペレットPPを貯留させるホッパー14が設けられている。
シリンダー11は、その周壁面に誘導加熱用コイル15が巻設されている。コイル15に交流電流を供給する電源装置等は図示を省略している。シリンダー11のコイル巻設部を覆うように断熱材16が筒状に配置されている。断熱材16の種別は特に制限されない。
シリンダー11の誘導加熱について簡単に説明すると、コイル15に交流電流を流し、これによってシリンダー11の軸方向に交流磁界を生じさせる。シリンダー11は高透磁率を呈する磁性金属で形成しているので、その磁界の大部分はシリンダー11の壁面内を通過する。するとシリンダー11の壁面内にはその磁界の変化を打ち消す方向、つまり周方向に渦電流が誘起される。この渦電流が生じさせるジュール熱によってシリンダー11が加熱される。このような誘導加熱を用いれば、シリンダー11の加熱装置がコンパクトになり効率も高くなる。
シリンダー11の誘導加熱について簡単に説明すると、コイル15に交流電流を流し、これによってシリンダー11の軸方向に交流磁界を生じさせる。シリンダー11は高透磁率を呈する磁性金属で形成しているので、その磁界の大部分はシリンダー11の壁面内を通過する。するとシリンダー11の壁面内にはその磁界の変化を打ち消す方向、つまり周方向に渦電流が誘起される。この渦電流が生じさせるジュール熱によってシリンダー11が加熱される。このような誘導加熱を用いれば、シリンダー11の加熱装置がコンパクトになり効率も高くなる。
射出ノズル13はシャットオフタイプであり、成形金型のノズル受部と自動整合するように概ね円錐状に形成され、その先端部に樹脂射出口13aが開口しており、この樹脂射出口13aを弁機構13bによって開閉制御できるようになっている。
スクリュー12は普通鋼又は各種合金からなる棒体であり、先端部を除いて略全長にわたって一連の螺旋溝が形成されている。スクリュー12は部位毎に軸径あるいは溝形状を異ならせることで、後端から先端に向けて順番に、供給領域12b、計量領域12c、ベント領域12d、混合領域12eが区分設定されている。計量領域12cは、スクリュー12の回転当たりの樹脂送り量が所定値になるようにピッチ当たりの容積が設定されている。供給領域12b、ベント領域12dはピッチ当たりの容積が計量領域12cよりも大きく設定されている。混合領域12eは、特殊形状の突起、突条等が規則的に配列されており、シリンダー11内に供給された補強用繊維F、超臨界流体Sを樹脂Pに一様に混合させるようになっている。
コイル15に交流電流を流した状態でスクリュー12を回動させると、ホッパー14から可塑化シリンダー11内の供給領域12bに落下した樹脂ペレットPPはシリンダー11の先端側に輸送され、計量領域12cで加圧、可塑化される。可塑化された樹脂Pは、ベント領域12dで一旦除圧される。よってこの除圧されたベント領域12dにベント穴11a、補強材供給穴11bを配置すれば樹脂噴出現象(ベントアップ現象)が抑えられる。可塑化された樹脂Pは高温であるため、外部に開放されたベント穴11aから水分や残留モノマーの蒸気が容易に放出され、その結果、ベント穴11aよりも先端側では、樹脂Pは水分や残留モノマーが略完全に除去された高純度なものになる。その後、樹脂Pは補強材供給穴11bから補強用繊維Fを混入され、更に超臨界流体供給穴11cから超臨界流体Sを注入され、混合領域12eではこれらの補強用繊維F、超臨界流体Sが樹脂Pに混錬される。
スクリュー12の後端は、動力シリンダー装置17を通じてモーター装置18に連結されている。ここにモーター装置18はスクリュー12を回動させる動力源であり、動力シリンダー装置17はスクリュー12を前後移動させる動力源である。
動力シリンダー装置17は、油圧シリンダー、電動シリンダー等で構成される。ここでは一例として油圧シリンダーの基本構造を示している。図示のA室、B室に与える油圧を調節することでスクリュー12が前後移動される。スクリュー12が前進すると、シリンダー11の先端部に溜まっていた樹脂Pが射出ノズル13から射出される。
一方モーター装置18はステッピングモーター、ブラシモーター、ブラシレスモーター等のモーターユニットと動力伝達機構等で構成される。モーター装置18がスクリュー12を回動させると、螺旋溝の作用によって樹脂ペレットPPあるいは可塑化された樹脂Pがシリンダー11の先端方向に輸送される。
補強材供給装置20は、樹脂Pに混錬すべき補強用繊維Fを供給する要素である。シリンダー11の補強材供給穴11bに供給された補強用繊維Fは、樹脂Pに混じって自動的にシリンダー11内に引き込まれる。そのため補強材供給装置20は例えば図示のように補強用繊維Fを供給するリールの保持部、繊維糸の送りガイド等で簡単に構成できる。
補強用繊維Fとしては、炭素繊維フィラメントヤーン(長繊維)等が適しているが、これに限定されることはない。例えば他の補強用繊維として硝子繊維フィラメントを利用してもよく、炭素繊維フィラメントと硝子繊維フィラメントを混合して用いてもよい。また繊維フィラメントが予め所定長に切断されているチョップドファイバーを用いてもよい。
なお補強材は繊維状のものに限られず、粒状のもの(粒状)も利用できる。例えば炭素、セラミック、硝子粉末等である。繊維状の補強材は主として成形品の引っ張り強度に寄与し、粒状の補強材は成形品の圧縮強度に寄与すると考えられる。
シリンダー内に供給された補強用繊維Fはベント領域12dでスクリュー12によって適切な長さに寸断される。寸断された補強用繊維Fは混合領域12eでの混合によって樹脂Pに一様に分散される。
超臨界流体供給装置21は、例えば窒素、二酸化炭素等の発泡用ガスを加圧し超臨界流体Sとして一定の流量で送り出す要素であって、タンク、ヒーター、加圧ポンプ、電磁弁等で構成される。
超臨界流体注入装置22は、超臨界流体供給装置21から超臨界流体Sを受け取り、その流体の圧力を調節して超臨界流体供給穴11cからシリンダー11内に定量注入する要素であって、タンク、圧力センサー、電磁弁等で構成される。
図2は、一般的な物質の温度、圧力に関する相図である。この相図Gに示すように物質には固体、液体、気体の三相がある。通常、気体を圧縮していくとある圧力で液体になる。ところがこのとき温度がある値を超えていると、どれほど圧力をかけても液体にならなくなる。このような値はその物質の臨界温度と呼ばれる。また通常、液体を加熱していくとある温度で気体になる。ところがこのとき圧力がある値を超えていると、どれほど加熱しても気体にならなくなる。このような値はその物質の臨界圧力と呼ばれる。
物質の温度、圧力がいずれも臨界温度、臨界圧力を超えているとき、物質は気体と液体の区別ができない状態の流体、すなわち超臨界流体になっている。超臨界流体は、気体の高い拡散性と液体の高い溶解性の両方を示すことが知られている。
物質の温度、圧力がいずれも臨界温度、臨界圧力を超えているとき、物質は気体と液体の区別ができない状態の流体、すなわち超臨界流体になっている。超臨界流体は、気体の高い拡散性と液体の高い溶解性の両方を示すことが知られている。
発泡用ガスを超臨界流体にしてシリンダーに注入する理由は、大量のガスを注入するため高圧にする必要があり、結果的に超臨界流体になること、また気体よりも流体の方が、計量が容易であること等が挙げられる。また発泡用ガスを超臨界流体の状態でシリンダーに注入すれば、その注入直後の拡散性も向上すると考えられる。
樹脂に対する発泡用ガスの溶解度は樹脂の圧力に応じて高くなるが、超臨界流体注入装置は、発泡用ガスの注入量が飽和量よりも若干低くなるようにその注入量を制御する。そうすれば発泡用ガスが注入された樹脂を充分混合することで、発泡用ガスの気泡が混じっていない単一相の樹脂が得られる。またこの混合によって補強材が適度に切断されて樹脂に良好に分散される。そうした樹脂を金型に射出すれば、金型内での減圧によって発泡用ガスの溶解度が急激に下がって発泡用ガスが気化し、樹脂内に多数の微小な気泡が生じる。
また樹脂は成形金型に射出されたあと、その射出圧力によってキャビティー等に行き渡るのであるが、多数の微小な気泡が生じた樹脂は粘性が低下して柔らかくなるため、射出圧力を低くできる。そして射出圧力が低ければ成形金型が樹脂から受ける圧力も小さくなるので、型締力も小さくて済み、プレス装置も小型化できる。例えば広さ0.5~1平方メートル程の樹脂パレットの場合、従来700~3000トン程度の型締力が必要とされたが、これを450~1000トン程度にまで軽減できる。また樹脂の微小発泡による成形品の強度低下が補強用繊維の配合によって補われるから、成形品の強度を保ったままで重量を1~3割程度軽量化することも可能である。
樹脂に対する発泡用ガスの溶解度は樹脂の圧力に応じて高くなるが、超臨界流体注入装置は、発泡用ガスの注入量が飽和量よりも若干低くなるようにその注入量を制御する。そうすれば発泡用ガスが注入された樹脂を充分混合することで、発泡用ガスの気泡が混じっていない単一相の樹脂が得られる。またこの混合によって補強材が適度に切断されて樹脂に良好に分散される。そうした樹脂を金型に射出すれば、金型内での減圧によって発泡用ガスの溶解度が急激に下がって発泡用ガスが気化し、樹脂内に多数の微小な気泡が生じる。
また樹脂は成形金型に射出されたあと、その射出圧力によってキャビティー等に行き渡るのであるが、多数の微小な気泡が生じた樹脂は粘性が低下して柔らかくなるため、射出圧力を低くできる。そして射出圧力が低ければ成形金型が樹脂から受ける圧力も小さくなるので、型締力も小さくて済み、プレス装置も小型化できる。例えば広さ0.5~1平方メートル程の樹脂パレットの場合、従来700~3000トン程度の型締力が必要とされたが、これを450~1000トン程度にまで軽減できる。また樹脂の微小発泡による成形品の強度低下が補強用繊維の配合によって補われるから、成形品の強度を保ったままで重量を1~3割程度軽量化することも可能である。
また本実施形態ではベントによって樹脂から水分や残留モノマーが除去されるため、樹脂ペレットを予め乾燥させておく必要がなく、成形品内に水分、残留モノマーによる粗大な気泡が発生しないから、成形品の強度低下も抑えられる。
図3は実施形態の変形例の概略構成を示す縦断面図である。
この変形例と図1に示した実施形態との大きな相違点は、補強用繊維Fの供給量を自在に調節する補強材供給量調節装置23が設けられていることである。
この変形例と図1に示した実施形態との大きな相違点は、補強用繊維Fの供給量を自在に調節する補強材供給量調節装置23が設けられていることである。
補強材供給量調節装置23は、回動速度を調節可能な駆動ローラーとこれに対面する従動ローラーとを組み合わせて構成してもよい。そうした場合、補強用繊維Fを駆動ローラーと従動ローラーとの間に挟んだ状態として駆動ローラーの回動速度を調整すれば、その回動速度に応じて補強用繊維Fの供給量が変化する。このような補強材供給量調節装置23を設けることにより、例えば、シリンダー11内に自動的に引き込まれるよりも多量の又は少量の補強用繊維Fを供給することが可能になり、成形品の強度が自在に調節できる。また補強材供給量調節装置23は、フィラメントヤーンの本数(トウ)を調節するようにしてもよい。また補強材供給量調節装置23は、補強用繊維Fを適切な長さに自動切断する切断手段を備え、常に一定長の補強用繊維Fを補強材供給穴11bに供給するようにしてもよい(図示なし)。
またこの変形例では、ベント穴11aと樹脂供給穴とが1つの共通穴として形成されている。ベント穴11aと樹脂供給穴とを1つの共通穴として形成すれば、シリンダー11の製造コストが抑えられるという利点がある。
他の要素は前記実施形態に共通しているので、その共通する要素には同一の参照符号を付けて説明を省略する。
他の要素は前記実施形態に共通しているので、その共通する要素には同一の参照符号を付けて説明を省略する。
次いで前記スクリュー射出装置に成形金型を組み合わせてなる射出成形装置について説明する。
図4はその射出成形装置の概略構成を示す縦断面図である。
図4はその射出成形装置の概略構成を示す縦断面図である。
図中、射出成形装置30の要部として、射出装置10を構成するシリンダー11の一部と、成形金型31とを示し、これらを保持するフレーム部等は図示を省略している。ここでは3プレート式の金型を採用しているが、3プレート式に限定されるわけでない。
成形金型31は第1~第3の金型31a~31cで構成されている。
第1の金型31aは可動側取付板32に固定されている。第2、第3の金型31b、31cは、固定側取付板33に進退可能に取り付けられている。固定側取付板33には射出装置10の射出ノズル13を受けるノズル受部33aが形成されている。
第1の金型31aの表面にはキャビティー31dが形成され、第2の金型31bにはそのキャビティー31dに収容されるコア31eが形成されている。これらのキャビティー31dとコア31eとによって成形品のワークを成形する。
また第3の金型31cにはランナー用キャビティー31fが設けられている。第2の金型31bの裏面と第3の金型31cのランナー用キャビティー31fによってランナーを形成する。ランナー用キャビティー31fは細いゲートを通じてコア31eの表面に繋がるとともに、スプールを通じて樹脂射出シリンダー22の射出ノズル13に繋がる。
また第3の金型31cの裏面からコア31eの表面まで突出ピン34が貫通している。突出ピン34は第3金型31cに対して進退可能になっており、成形後のワークをコア31eから押し出すことができる。
なおシリンダー11から射出された樹脂Pは減圧によって発泡用ガスの微小な気泡を生じさせその気泡を成長させながらキャビティー31dに広がっていく。気泡の成長のために樹脂Pの嵩が増していくことから、キャビティー31dとランナー用キャビティー31fとを連絡するゲートはワークの薄手の部分に設け、これによって樹脂Pがワークの薄手の部分から厚手の部分に向かって進行するようにすることが望ましいと考えられる。
第1の金型31aは可動側取付板32に固定されている。第2、第3の金型31b、31cは、固定側取付板33に進退可能に取り付けられている。固定側取付板33には射出装置10の射出ノズル13を受けるノズル受部33aが形成されている。
第1の金型31aの表面にはキャビティー31dが形成され、第2の金型31bにはそのキャビティー31dに収容されるコア31eが形成されている。これらのキャビティー31dとコア31eとによって成形品のワークを成形する。
また第3の金型31cにはランナー用キャビティー31fが設けられている。第2の金型31bの裏面と第3の金型31cのランナー用キャビティー31fによってランナーを形成する。ランナー用キャビティー31fは細いゲートを通じてコア31eの表面に繋がるとともに、スプールを通じて樹脂射出シリンダー22の射出ノズル13に繋がる。
また第3の金型31cの裏面からコア31eの表面まで突出ピン34が貫通している。突出ピン34は第3金型31cに対して進退可能になっており、成形後のワークをコア31eから押し出すことができる。
なおシリンダー11から射出された樹脂Pは減圧によって発泡用ガスの微小な気泡を生じさせその気泡を成長させながらキャビティー31dに広がっていく。気泡の成長のために樹脂Pの嵩が増していくことから、キャビティー31dとランナー用キャビティー31fとを連絡するゲートはワークの薄手の部分に設け、これによって樹脂Pがワークの薄手の部分から厚手の部分に向かって進行するようにすることが望ましいと考えられる。
図5(a)~(d)は前記射出成形装置の作用を時系列的に説明する一連の断面図である。
図5(a)では、金型31は閉じられており、突出ピン34は後退位置にある。またシリンダー11の射出ノズル13は固定側取付板33を介して第3の金型31cのランナー用キャビティー31fに連通されている。この状態でシリンダー11から溶融した樹脂Pが金型31に射出注入されてワークを成形する。金型31は樹脂注入、硬化の各工程で適切に温度制御される。射出装置10は樹脂の射出注入後の所定時間、樹脂を保圧させる。
図5(b)では、ワーク2の成形は完了しており、第1、第2の金型31a、31b間が開かれている。またこのときシリンダー11を後退させることで、ランナー2aが樹脂射出シリンダー22から分離される。このときワーク2はコア31eに嵌った状態である。
図5(c)では、突出ピン34が前進されている。これによりワーク2はコア31eから抜けた状態になり、ワーク2とランナー2aはゲートの部分で自動的に切断分離される。ランナー2aから分離されたワーク2はワーク取出装置40によって金型31から取り出される。
図5(d)では、第2の金型31bが第3の金型31cから分離されている。これにより第3の金型31cからランナー2aを除去することが可能になる。
最後に前記射出成形装置によって製造されるワークの構造的特徴を図6(a)、(b)に従って説明する。
図6(a)は金型31内での樹脂Pの進行態様を説明する簡単な断面図である。図中、白矢印は樹脂Pの進行方向を示している。樹脂Pの進行速度は金型31との界面部分よりも中心部分の方が速く、そのため中心部分の方に気泡Bが多く発生すると考えられる。
また樹脂Pは進行方向先端にある空間との界面から発泡用ガスを盛んに破裂、蒸発させながら進行していき、そのため気泡Bが少なくなった空間との界面が後からきた樹脂Pによって金型31との境界方向に押しやられて新たに金型31との界面部分を形成すると考えられる。これらの結果、樹P脂は金型31との界面部分には僅かな気泡Bを含み、中心部分に多くの気泡Bを含んだ状態で固化されることになる。なお樹脂Pから金型31内の空間に蒸発した発泡用ガスは金型31の適所に設けられたベント部から外部に放出される。
また樹脂Pは進行方向先端にある空間との界面から発泡用ガスを盛んに破裂、蒸発させながら進行していき、そのため気泡Bが少なくなった空間との界面が後からきた樹脂Pによって金型31との境界方向に押しやられて新たに金型31との界面部分を形成すると考えられる。これらの結果、樹P脂は金型31との界面部分には僅かな気泡Bを含み、中心部分に多くの気泡Bを含んだ状態で固化されることになる。なお樹脂Pから金型31内の空間に蒸発した発泡用ガスは金型31の適所に設けられたベント部から外部に放出される。
図6(b)は固化したワークの簡単な断面図である。ワーク2は図示のように表層部分に気泡Bをほとんど含まないスキン層SLが形成され、厚みの中心部分に気泡Bを多く含むコア層CLが形成された多層構造になる。補強用繊維Fは樹脂Pに均一に分散されているのであるが、スキン層SLの方がコア層CLよりも気泡Bが少なく高密度であるため、スキン層SLの方がコア層CLよりも補強用繊維Fが高密度に混じることになる。そのためスキン層SLはコア層CLよりも強靭になる。
このように本実施形態によれば、樹脂中に補強用繊維Fが分散されており、粗大気泡(500ミクロン以上)を含まずかつ多量の微小気泡B(5~50ミクロン)を含んだ成形品が得られる。
このように本実施形態によれば、樹脂中に補強用繊維Fが分散されており、粗大気泡(500ミクロン以上)を含まずかつ多量の微小気泡B(5~50ミクロン)を含んだ成形品が得られる。
10 スクリュー射出装置
11 可塑化シリンダー
11a ベント穴
11b 補強材供給穴
11c 超臨界流体供給穴
12 スクリュー
15 誘導加熱用コイル
20 補強材供給装置
21 超臨界流体供給装置
23 補強材供給量調節装置
11 可塑化シリンダー
11a ベント穴
11b 補強材供給穴
11c 超臨界流体供給穴
12 スクリュー
15 誘導加熱用コイル
20 補強材供給装置
21 超臨界流体供給装置
23 補強材供給量調節装置
Claims (5)
- スクリューが内挿された可塑化シリンダーを有するスクリュー射出装置において、
前記可塑化シリンダーは、その中間部に、シリンダー内から蒸気を放出させるベント穴と、シリンダー内に所定の補強材を供給するための補強材供給穴とが形成され、これらの穴よりも先端側に、シリンダー内に所定の超臨界流体を供給するための超臨界流体供給穴が形成されていることを特徴とするスクリュー射出装置。 - 請求項1に記載のスクリュー射出装置において、
前記可塑化シリンダーは、その周壁面に、誘導加熱用コイルが巻設されていることを特徴とするスクリュー射出装置。 - 請求項1又は2に記載のスクリュー射出装置において、
前記補強材供給穴に炭素繊維を供給する補強材供給装置と、
前記超臨界流体供給穴に超臨界窒素流体を供給する超臨界流体供給装置とを備えることを特徴とするスクリュー射出装置。 - 請求項3に記載のスクリュー射出装置において、前記炭素繊維の供給量を自在に調節する補強材供給量調節装置を更に備えることを特徴とするスクリュー射出装置。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のスクリュー射出装置に成形金型を組み合わせてなる射出成形装置。
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PCT/JP2015/080636 WO2017072931A1 (ja) | 2015-10-30 | 2015-10-30 | スクリュー射出装置及び射出成形装置 |
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WO2017072931A1 true WO2017072931A1 (ja) | 2017-05-04 |
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ID=58630068
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110686116A (zh) * | 2018-07-05 | 2020-01-14 | 浜名湖电装株式会社 | 控制阀及制造控制阀的方法 |
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WO2005030845A1 (ja) * | 2003-09-30 | 2005-04-07 | Kosuke Uchiyama | スクリュー式加工装置およびそれを用いた製品 |
JP2005272542A (ja) * | 2004-03-23 | 2005-10-06 | Daicel Chem Ind Ltd | 無架橋ポリオレフィン系樹脂組成物及びそれを用いた発泡体 |
-
2015
- 2015-10-30 WO PCT/JP2015/080636 patent/WO2017072931A1/ja active Application Filing
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