WO2021085256A1

WO2021085256A1 - 溶融樹脂の流動性指標制御方法および装置

Info

Publication number: WO2021085256A1
Application number: PCT/JP2020/039491
Authority: WO
Inventors: 浩司奥山
Original assignee: 芝浦機械株式会社
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-05-06
Also published as: US20230302701A1; JP7333245B2; DE112020005189B4; JP2021066157A; DE112020005189T5; CN114599498A

Abstract

［課題］連続成形を行っている間でも溶融樹脂の流動性を把握できるだけでなく、所望の目標範囲内に制御できるようにした溶融樹脂の流動性指標制御方法を提供する。［解決手段］溶融樹脂の流路に形成されている狭隘流路をキャピラリー若しくはオリフィスと擬制し、溶融樹脂の計量樹脂量と計量工程中に前記スクリューに作用する背圧とに基づいて、計量された溶融樹脂の流動性性状を表す流動性指標を測定し、前記流動性指標の測定値をフィードバックして目標値と比較し、偏差がなくなるように前記背圧または前記スクリューの回転数を制御する。

Description

溶融樹脂の流動性指標制御方法および装置

　本発明は、溶融樹脂の流動性指標制御方法に関する。

　射出成形機では、加熱バレル内に投入された成形材料の樹脂をスクリューを回転させて可塑化する。そして、スクリューを後退させながら、溶融樹脂をスクリューの前方に送って計量を行う。射出工程では、スクリューの前進により、金型内に溶融樹脂が充填される。　
　射出成形では、流動する溶融樹脂の扱いが中心になるので、溶融樹脂の流動性を評価し性状を把握しておくことは、高品質の成形品を得るために重要である。通常、溶融樹脂の流動性は、粘度（viscosity）で表される。

　かつては、加熱バレル内の溶融樹脂の粘度を測定することが、温度、圧力に較べて困難であることから、行われないことが多かった。しかし近年では、溶融樹脂の粘度を測定するための技術改良が進んでいる。

　例えば、特許文献１では、成形工程とは別の工程で、ノズルタッチさせていない状態で溶融樹脂を射出し、その時の射出圧力から溶融樹脂の粘度を算出することが記載されている。

　また、特許文献２では、成形中の溶融樹脂の粘度をリアルタイムでオンライン（online）で測定できるように、射出工程において、溶融樹脂の圧力と樹脂流路における樹脂流量を求めることで、射出する度毎に樹脂粘度を算出することが記載されている。

　また、特許文献３には、射出工程において、ノズル先端部での溶融樹脂の圧力を測定し、この圧力に基づいて溶融樹脂の粘度を算出することが記載されている。

特開２００４－１４２２０４号公報特開平５－３２９８６４号公報特開平１１－１０６９３号公報

　しかしながら、特許文献１のように、成形工程とは別に、金型からノズルを離した状態で溶融樹脂のパージを行い溶融樹脂の粘度を測定する方法では、信頼できる粘度の値を得るには、複数回のパージ（purge）を繰り返す必要があり、廃棄される樹脂も大量になる。また、特許文献２、３のように、射出工程で溶融樹脂の粘度を求める場合、溶融樹脂を金型内に射出しないかぎり、樹脂の粘度を把握することができない。

　連続成形中には、樹脂の流動性状を把握することができないことに鑑み、本出願人は、この課題を解決するために、溶融樹脂の流動性指標測定方法を提案している（特願２０１９－９５４０６号）。
　他方、樹脂材料は、ペレットの形態で樹脂メーカーから提供されるが、製造ロット（lot）が異なると物性にばらつきがあり、同じ製品とされている樹脂であっても、ロットが異なると溶融したときの流動性状に変動があり、何らかの要因で、樹脂の流動性状の変動が大きくなる。　

　本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、連続成形を行っている間でも溶融樹脂の流動性を把握できるだけでなく、所望の目標範囲内に制御できるようにした溶融樹脂の流動性指標制御方法および装置を提供することを目的としている。

　前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る溶融樹脂の流動性指標制御方法は、加熱バレル内で溶融した樹脂を前進するスクリューによりノズルから金型内に射出する射出成形機において、溶融樹脂の流動性指標を制御する方法であって、溶融樹脂の流路に形成されている狭隘流路をキャピラリー若しくはオリフィスと擬制し、溶融樹脂の計量樹脂量と計量工程中に前記スクリューに作用する背圧とに基づいて、計量された溶融樹脂の流動性性状を表す流動性指標を測定し、前記流動性指標の測定値をフィードバックして目標値と比較し、偏差がなくなるように前記背圧または前記スクリューの回転数を制御することを特徴とするものである。

図１は本発明の実施形態による溶融樹脂の流動性指標制御方法を実施する射出成形機の射出装置の断面図である。図２は加熱バレルの縦断面を示す図である。図３はスクリューの先端部に設けられた逆流防止用のチェックリングを示す断面図である。図４はキャピラリーレオメーター法で用いられるシリンダの模式図である。図５は溶融樹脂の流動性指標制御装置の制御ブロック図である。図６は第１実施形態による計量工程中の流動性指標の変化を示すグラフである図７は第２実施形態によるスクリューの前方に溜まっている計量された樹脂を示す図である。図８は第２実施形態における計量工程中の流動性指標の変化を示す図である。

　以下、本発明による溶融樹脂の流動性指標制御方法の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。　
　　　　（第１実施形態）
　図１は、本実施形態による溶融樹脂の流動性指標制御方法を実施する射出成形機の射出装置の断面図である。　
　図１において、参照番号１０は、ベース５０の上に設けられた射出装置を示す。射出装置１０は、ベース５０の上にレール５２に沿って移動可能に設置されている。射出装置１０の前方に示されているのは、型締装置の固定ダイプレート１４である。射出装置１０は、フレーム２０によって水平に支持された加熱バレル２２と、加熱バレル２２の内部に設けられたスクリュー２４を備えている。加熱バレル２２の先端には、金型に接続されるノズル２１が設けられている。加熱バレル２２の基端側には、成形材料の樹脂ペレット（pellet）を投入するためのホッパ（hopper）２３が設けられている。

　スクリュー２４は、加熱バレル２２内に摺動かつ回転可能に収容されている。スクリュー２４の基端部は、回転駆動機構のプーリ２５に連結されている。回転駆動機構は、スクリュー回転モータ２６の回転を伝動ベルト２７を介してプーリ２５に伝動するようになっている。プーリ２５を支持する軸受２８の後方には、ロードセル３０が設けられている。このロードセル３０は、スクリュー２４に軸方向にかかる荷重を計測する荷重計測器である。

　スクリュー２４は、次のような前後進機構３２によって、加熱バレル２２内を軸方向に前進および後退するようになっている。前後進機構３２は、図示しない前後進用モータからベルト伝動されるプーリ３３と、ナット部３５と、ボールねじ３６と、ボールねじ３６を支持する軸受３７などから構成されている。

　なお、図１において、ベース５０の上には、射出装置１０の全体を前進、後退させる推進機構３８が設けられている。この推進機構３８は、推進用モータ３９と、ボールねじ４０とナット４１からなるボールねじ機構を備えている。

　次に、図２は、加熱バレル２２の縦断面を示し、図３は、スクリュー２４の先端部に設けられた逆流防止用のチェックリング６０を示す図である。　
　図２、図３において、スクリュー２４の先端には、スクリューチップ（screw tip）６１が取り付けられている。スクリューチップ６１は、小径軸６２を介してスクリュー２４の前端に固定されている。スクリューチップ６１は、円錐形状を有しており、その外周面と加熱バレル２２の内周面との間に溶融樹脂が流れる第１流路６４が形成されている。小径軸６２には、チェックリング６０が軸方向に移動可能に装着されている。

　チェックリング６０は、スクリューチップ６１の後端面６３とスクリュー２４の前端面にある弁座６５の間に配置されている。チェックリング６０の内周面と小径軸６２の外周面との間には、溶融樹脂が流れ第１流路６４と連通している第２流路６６が形成されている。図３では、計量工程でのチェックリング６０の位置が示されている。スクリュー２４は、回転しながら溶融樹脂を前方に送り込むが、このときスクリュー２４が後退しながら溶融樹脂の計量が行われる。

　図３では、点線矢印で計量時の溶融樹脂の流れが示されている。計量時には、スクリュー２４の後退に伴って、チェックリング６０は、相対的にスクリューチップ６１側に移動して弁座６５から離間する。溶融樹脂は、狭隘流路６８から第２流路６６に流れ込み、さらに第１流路６４を通ってスクリューチップ６１の前方に溜められることになる。　
　なお、射出時には、チェックリング６０の後端面が弁座６５に押し付けられて狭隘流路６８が閉塞されるので、溶融樹脂の逆流は防止される。

　本実施形態による溶融樹脂の流動性指標制御方法では、計量工程でチェックリング６０にできる狭隘通路６８や第２流路６６を利用して、溶融樹脂の流動性指標を算出するが、その前に、一般的な流体の粘度試験法であるキャピラリーレオメーター法（capillary rheometer）について、図４を参照して説明する。　
　図４は、キャピラリーレオメーター法で用いられるシリンダの模式図である。　
　図４において、７０は、シリンダを示し、７１は、シリンダ７０に嵌合しているピストンを示している。シリンダ７０の先端部には、キャピラリー（毛細管　capillary）７２が設けられている。

　キャピラリーレオメーター法は、一定速度のピストン７１でシリンダ７０内の溶融樹脂をキャピラリー７２から押し出し、その際の荷重をロードセル７３で検出し、以下のような（１）～（４）式により流体の粘度を算出する。最終的に粘度は（４）式で算出される。

　ここで、Ｑ：溶融樹脂の流量（mm³/s）
　　　　　Ａ：ピストン断面積（mm²）
　　　　　ν：ピストンの速度（mm/s）
　　　　　γ：見掛けのせん断速度（s^-1）
　　　　Ｄ：キャピラリー内径（mm）
　　　　　τ：見掛けのせん断応力（Ｐａ）
　　　　ｐ：ピストン荷重（Ｐａ）
　　　　　Ｌ：キャピラリー長さ（mm）
　　　　　η：溶融粘度（Ｐａ・sec）
とすると、
　　　　　Ｑ＝Ａν　　　　　　　…（１）
　　　　　γ＝32Ｑ／πＤ³　　　…（２）
　　　　　τ＝ｐＤ／４Ｌ　　　　…（３）
　　　　　η＝τ/γ　　　　　…（４）
という関係が成り立つ。

　ところで、図４において、粘度を測定する流体が溶融樹脂であるとして、図４で溶融樹脂がピストン７１で押し出される状況と、図３の計量工程で溶融樹脂がスクリュー２４の後退により計量されるときの状況を対比してみると、両者は似ていることがわかる。

　キャピラリーレオメーター法では、ピストン７１による加圧によって、絞られた流路であるキャピラリー７２を通って溶融樹脂が押し出され、計量工程では、スクリュー２４で圧力をかけて溶融樹脂が狭隘流路６８を通って押し出される。このように、樹脂を狭い流路から圧力をかけて押し出す点では共通している。　
　両者では、ピストン７１とスクリュー２４、またキャピラリー７２と狭隘流路６８とでは、流路の寸法など具体的な形状が異なるだけで、溶融樹脂の流動性を測定する上での本質的な流路を絞るという機能は同じである。本実施形態では、狭隘流路６８をキャビラリー７２とみなして扱う。

　計量工程におけるスクリュー２４の先端部では、図３において、図４のシリンダ７０のキャピラリー７２の内径Ｄには、狭隘流路６８の幅Ｄ’を対応させる。キャピラリー７２の長さＬには、狭隘流路６８の半径方向の長さＬ’、この場合、チェックリング６０の厚さを対応させる。

　溶融樹脂の流量については、単位時間当たりの計量樹脂量が対応するが、この実施形態では、スクリュー２４の後退速度を検出し、スクリュー２４の単位時間あたりの後退距離とスクリュー２４の外径、加熱バレル２２の内径等に基づき、スクリュー２４と加熱バレル２２の間の容積を計算して算出する。　
　スクリュー２４にかかる背圧は、ロードセル３０によって検出することができる。　
　計量工程では、背圧に応じて、スクリュー２４の後退速度が制御される。厳密にいえば、後退速度は一定ではないが、計量工程行程全体での平均速度あるいは数点測定した速度の平均をもって、後退速度の値とする。

　このような対応関係では、（２）式、（３）式は修正が必要となるが、あらかじめ適当に係数を修正しておくとよい。これによって、修正した（４）式から得られる値はキャピラリーレオメーター法に厳密に従った絶対値としての粘度の値ではないが、それに準じた溶融樹脂の流動性の相対評価する指標としては実用上十分である。

　次に、図５は、溶融樹脂の流動性指標制御装置の制御ブロック図である。図５において、参照番号８０は、コントローラを示している。制御対象は、射出装置１０で計量される溶融樹脂の流動性指標（キャピラリーレオメーター法、メルトフローレイト法による）である。この流動性指標に影響を与えるものとして、計量中にかかるスクリュー２４の背圧と回転数がある。この実施形態では、操作量はスクリューの背圧および／または回転数である。背圧については、スクリュー２４を前進および後退させる前後進用モータ３４をコントローラ８０により制御することで操作される。スクリュー２４の回転数は、スクリュー回転モータ２６をコントローラ８０により制御することで操作される。
　溶融樹脂の流動性指標は、スクリュー２４の後退速度から計量樹脂量を測定する流量測定部８１と、スクリュー２４の受ける背圧を検出するロードセル３０の各測定値に基づいて、上述した測定方法を適用して、流動性指標測定部８２によって測定される。測定された流動性指標は、制御系にフィードバックされ、成形条件指令部８３から与えられる目標指令値と比較される。コントローラ８０は、目標指令値と検出値の偏差がなくなるように、スクリュー２４の背圧または回転数を制御する。

　次に、以上のような流動性指標の制御装置の動作について、射出成形機の連続成形運転との関係において説明する。　
　ここでいう連続成形とは、射出装置が金型とノズルタッチした状態のまま、型閉じ、型締め、計量、射出、保圧、型開き、成形品取出しの各工程からなる成形サイクルが長時間に亘って連続して繰り返して行われることをいう。但し、１サイクル中に冷却完了などでノズル２１が後退することもある。
　各成形サイクルの計量工程では、スクリュー２４の後退速度から計量樹脂量を測定するとともに、そのときスクリュー２４に作用する背圧を検出することで、キャピラリーレオメーター法による粘度測定に準じた流動性指標値を流動性指標測定部８２によって測定することができる。このため、連続成形が行われている間には、計量された溶融樹脂の流動性特性をこの指標を基にしてオンラインで把握することが可能になる。　
　連続成形中の計量工程では、溶融樹脂の流動性指標について、流動性指標の目標値があらかじめ設定されている。この目標値は、事前に実機で成形を行っておき、成形品にとって望ましい値が決められる。
　しかしながら、実際の連続成形中では、原材料の樹脂のロット違いや含有水分、樹脂組成の違いなどが外乱となって、溶融樹脂の流動性指標に目標値からの誤差が生じる。　
　そこで、本実施形態では、溶融樹脂の流動性指標が目標値になるようにフィードバック制御される。
　ここで、図６は、計量工程中の流動性指標の変化例を示すグラフである。横軸は、計量工程中のスクリュー２４の位置を示し、縦軸は、溶融樹脂の流動性指標を示している。流動性指標の値が高いほど、溶融樹脂の粘性は大きい。流動性指標の目標値を中央値とする目標範囲が、中央値から所定の巾をもつ上限値と下限値とによって設定されている。
　計量工程の初期段階では、応答に遅れがあるため、流動性指標の実測値が目標値にだんだんと近づいていく。原材料の樹脂のロットによっては、組成にばらつきがあり、これが外乱となり、流動性指標の目標範囲の上限を超えてしまうことがあり得る。このとき、フィードバックされた実測値と目標値が比較され、目標値と実測値の偏差がなくなるように、スクリュー２４に受ける背圧が操作され、流動性指標の値は目標範囲内に復帰する。そして、振動的な変動を繰り返しながら、流動性指標の値は概ね目標範囲内に収まることになる。このようにして、連続成形が行われている間の計量工程では、溶融樹脂の流動性指標は、所望の目標範囲内に維持されるので、連続成形による安定した良品成形が可能になる。

　　　　（第２実施形態）
　上述した第１実施形態は、計量工程での溶融樹脂の流動性指標を一つの目標値を基準に制御している。これに対して、第２実施形態は、バレル２２内部の計量樹脂の複数の領域毎に異なる目標値を設定して、流動性指標を制御するものである。
　図７は、スクリュー２４の前方に溜まっている計量された樹脂を示す図である。　
　本実施形態では、例えば、３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分けて流動性指標の目標値を変えている。先端側の領域Ａは流動性指標を小さく、後端側の領域Ｃは大きく、真ん中の領域Ｂは中間の値を有するようにする。
　図８は、第２実施形態における計量工程中の流動性指標の変化を示す図である。　計量工程の区間１、区間２、区間３では、それぞれ流動性指標の目標値が決められており、それぞれ上限値と下限値で目標範囲Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩが設定されている。区間１乃至区間３は、図７の領域Ａ乃至Ｃに対応している。
　スクリュー２４が区間１を移動する過程では、流動性指標のフィードバックされた実測値と目標値が比較され、目標値と実測値の偏差がなくなるように、スクリュー２４に受ける背圧が操作され、流動性指標の値は目標範囲Ｉ内に維持される。同様に、区間２、区間３においても、流動性指標のフィードバック制御が行われ、流動性指標は、目標範囲ＩＩ、目標範囲ＩＩＩ内に維持される。
　このような第２実施形態によれば、図７に示したように、領域Ａ、Ｂ、Ｃごとに異なる流動性特性をもつ溶融樹脂を計量した上で、金型内に射出することが可能になる。これにより、金型内のキャビティに部分ごとに適した流動性の溶融樹脂を送ることが可能になり、成形品の品質を高めることができる。

　　　　（変形例）
　前述の実施形態では、流動性指標として、キャピラリーレオメーター法に準じた流動性指標を算出しているが、その他、狭隘流路６８をオリフィスとみなして、メルトフローレイト法（ＭＦＲ）に準じた流動性指標を計量時に測定することが可能である。　
　メルトフローレイト法とは、図４において、一定の荷重をピストン７１にかけ、キャピラリー（オリフィス）７２から押し出される１０分間あたりの流体重量（g/10min）である。

　計量工程では、スクリュー２４には背圧が一定にかかるように制御されるので、１０分間あたりの計量樹脂量を算出すればよい。１０分間あたりの計量樹脂量については、上述の実施形態で求めた単位時間当たりの計量樹脂量を１０分間あたりの樹脂量に換算する。　

　このようなメルトフローレイト法（ＭＦＲ）に準じた流動性指標を測定し、これをフィードバックすることにより、キャピラリーレメータ法による流動性指標と同様に、流動性指標を目標範囲内に保たれるように制御することが可能になる。

　以上説明した実施形態は、成形材料として熱可塑性樹脂を用いた射出成形に適用した実施形態である。本発明は、熱硬化性樹脂等の射出成形にも適用可能である。熱硬化性樹脂等の射出装置では、スクリューの先端にチェックリングは設けられない。この場合は、スクリューの外周のフライトによって仕切られた狭い通路を樹脂が通るので、熱可塑性樹脂と同様に、計量行程において流動性指標を算出することが可能である。
　また、上述した実施形態では、流動性指標を制御する操作量としてスクリューの背圧を用いているが、背圧の替わりにスクリューの回転数を用いたり、背圧とスクリューの回転数、バレルヒータの加熱温度を組み合わせるようにしてもよい。

　以上、本発明の溶融樹脂の流動性指標制御方法について、好適な実施形態を挙げて説明したが、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。

Claims

　加熱バレル内で溶融した樹脂を前進するスクリューによりノズルから金型内に射出する射出成形機において、溶融樹脂の流動性指標を制御する方法であって、
　溶融樹脂の流路に形成されている狭隘流路をキャピラリー若しくはオリフィスと擬制し、溶融樹脂の計量樹脂量と計量工程中に前記スクリューに作用する背圧とに基づいて、計量された溶融樹脂の流動性性状を表す流動性指標を測定し、
　前記流動性指標の測定値をフィードバックして目標値と比較し、偏差がなくなるように前記背圧または前記スクリューの回転数を制御することを特徴とする溶融樹脂の流動性指標制御方法。
　前記狭隘流路は、逆流防止用のチェックリングが前記スクリューの前端の弁座から計量中に離れてできた流路であることを特徴とする請求項１に記載の溶融樹脂の流動性指標制御方法。
　溶融樹脂の流動性指標は、前記狭隘流路をキャピラリーとみなし、キャピラリーレオメーター法に準じて算出される流動性指標であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融樹脂の流動性指標制御方法。
　溶融樹脂の流動性指標は、前記狭隘流路をオリフィスとみなし、メルトフローレイト法に準じて算出される流動性指標であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融樹脂の流動性指標制御方法。
　溶融樹脂の流動性指標の目標値は、計量される溶融樹脂の複数の領域ごとに設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の溶融樹脂の流動性指標制御方法。
　請求項１乃至５のいずれかに記載した流動性指標制御方法を実施する射出成形機であって、
　計量工程中に計量樹脂量を測定する手段と、
　計量工程中に前記スクリューに作用する背圧を測定する手段と、
　前記計量樹脂量と背圧に基づいて前記流動性指標を測定する測定手段と、
　前記流動性指標の測定値をフィードバックして目標値と比較し、偏差がなくなるように前記背圧または前記スクリューの回転数を制御する流動性指標制御手段と、
を有することを特徴とする射出成形機。