JP2014104597A - 繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置および可塑化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維材料の切断を極力減少させ、狙い通りの繊維長の繊維を一定以上の比率に保つことができる繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置および可塑化方法を提供する。
【解決手段】
繊維材料ｆを含む樹脂材料ｒの可塑化装置１は、加熱筒２の内孔２ａに配設されたスクリュ５と、加熱筒２の内孔２ａに向けて貫通形成された樹脂供給孔１０と、前記樹脂材料供給孔１０に連通して設けられた樹脂材料供給装置６と、前記樹脂供給孔１０よりも前方に加熱筒２の内孔中心２ｂに対して偏芯して貫通形成された繊維材料供給孔２７と、前記繊維材料供給孔２７に連通して設けられた繊維材料を前記加熱筒２の内孔２ａに押込む押込み機構２８を有する繊維材料供給装置７とが備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置および可塑化方法に関する。

ガラス繊維や炭素繊維などの繊維材料を含む樹脂材料をスクリュが備えられた射出装置において可塑化し、射出を行うものとして、特許文献１ないし特許文献３に記載されたものが知られている。特許文献１は第１図に示されるように、シリンダ（加熱筒）の後方に樹脂材料の主原料投入口が設けられ、その前方にガラス繊維等の副原料投入口が設けられている。また副原料投入口の設けられている部分に対応する位置のスクリュはスクリュの軸の直径が前後の部分よりも細くなっている。従って前記の軸の直径が細くなっている部分で樹脂材料の圧力が開放された状態で、副原料投入口から繊維材料が供給されるようになっている。

また特許文献２についても加熱筒の中間部にガラスファイバー等の繊維を供給する入口パイプが接続されている。そして特許文献２では、５頁の図に示されるように、ガラスファイバー等はリールから供給され、減摩材とともにスクリュにより入口パイプを通じて加熱筒内に送られるようになっている。また特許文献３は、加熱筒の中間部にフィラー等の供給孔が設けられ、前記供給孔に対してスクリュ式の供給装置が接続されている。

特開昭６１−２７７４２１号公報（請求項１、図１） 特開昭４７−２１９１号公報（請求項１、図面） 特開平４−１５６３２０号公報（第５頁右下欄、第５図）

上記の特許文献１は、繊維材料の副投入装置の上にはホッパしか設けられておらず、嵩の高い繊維材料を加熱筒内に有効に押込むことができないという問題があるものであった。また特許文献２は、スクリュを用いるので、特許文献１よりも繊維材料を押込む力はあるが、スクリュの部分から加熱筒の内孔までの間は入口パイプで接続されており、やはり嵩の高い繊維材料を加熱筒内に押込む際に問題があるものであった。その点特許文献３は、入口パイプに相当する供給路の部分が短くて、特許文献２よりはスクリュにより加熱筒内孔にフィラー等を押込めるものと言える。しかしながら特許文献３についても、加熱筒内にはスクリュの回転軌跡に対して放射方向（略直角方向）からフィラー等を押込むようにしているので、スクリュの溝に対しては必ずしも良好にフィラー等が食い込んで加熱筒前方に送ることができるものではなかった。

また上記の文献において繊維材料供給装置の押込み力を強力にすることも考えられるが、無理やりに繊維材料を押込む場合には繊維材料が切断され、狙い通りの繊維長のものを一定以上の比率に保つことができなくなることが考えられる。そこで本発明の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置および可塑化方法は、上記の問題に鑑みて、加熱筒のスクリュの溝に良好に繊維材料を食い込ませて前方へ送ることが可能であり、またその際に、繊維材料の折損や切断を極力減少させ、狙い通りの繊維長の繊維を一定以上の比率に保つことができる繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置および可塑化方法を提供することを目的とする。

また次善の課題として、繊維材料が炭素繊維である場合に、良好な炭素繊維と樹脂材料の混合を行い、所定の強度を有する炭素繊維と樹脂の複合成形品を成形することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置は、樹脂材料と繊維材料を加熱筒内でスクリュにより可塑化するとともに混合する繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置において、加熱筒の内孔に配設されたスクリュと、加熱筒の内孔に向けて貫通形成された樹脂材料供給孔と、前記樹脂材料供給孔に連通して設けられた樹脂材料供給装置と、前記樹脂供給孔よりも前方に加熱筒の内孔中心に対して偏芯して貫通形成された繊維材料供給孔と、前記繊維材料供給孔に連通して設けられた繊維材料を前記加熱筒の内孔に押込む押込み機構を有する繊維材料供給装置とが備えられたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の可塑化装置は、請求項１において、前記繊維材料供給孔は、スクリュのフライトの回転軌跡の方向と繊維材料の供給方向が一致する側に偏芯して加熱筒に設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の可塑化装置は、請求項１または請求項２において、前記繊維材料供給孔に対応する部分のスクリュの溝部の溝深さは、供給される繊維材料の長さよりも深いことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の可塑化装置は、請求項ないし請求項３のいずれか１項において、前記スクリュは、後方からフィードゾーン、第１のコンプレッションゾーン、第１のメタリングゾーン、圧力開放ゾーン、第２のコンプレッションゾーン、第２のメタリングゾーンを備えており、前記繊維材料供給孔は、圧力開放ゾーンまたは第２のコンプレッションゾーンにおける中間位置よりも後方に対向するように設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の可塑化装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記スクリュは、第２のメタリングゾーンに複数の凸部または複数の凹部が形成されたミキシング部が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の可塑化方法は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置の繊維材料供給装置から加熱筒の内孔に押込まれる繊維材料は、炭素繊維であることを特徴とする。

本発明の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置は、樹脂材料と繊維材料を加熱筒内でスクリュにより可塑化するとともに混合する繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置において、加熱筒の内孔に配設されたスクリュと、加熱筒の内孔に向けて貫通形成された樹脂材料供給孔と、前記樹脂材料供給孔に連通して設けられた樹脂材料供給装置と、前記樹脂供給孔よりも前方に加熱筒の内孔中心に対して偏芯して貫通形成された繊維材料供給孔と、前記繊維材料供給孔に連通して設けられた繊維材料を前記加熱筒の内孔に押込む押込み機構を有する繊維材料供給装置とが備えられているので、溶融樹脂との混合時に繊維材料の折損や切断を極力減少させ、狙い通りの繊維長の繊維材料が一定以上の比率に保たれた繊維材料と樹脂の複合成形品を成形するための可塑化を行うことがができる。

本実施形態の可塑化装置の概略断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線における断面図である。

図１は、本実施形態の可塑化装置の概略断面図である。ただし図１において繊維材料供給装置の部分は図２のＢ−Ｂ線に沿った断面となっている。本実施形態の可塑化装置１は、スタンピング成形を行うための可塑化装置１であり、加熱筒２の前方のノズル３にはダイ（Ｔダイ）４が取付けられている。そして加熱筒２の軸芯に沿って設けられた内孔２ａにはスクリュ５が回転可能かつ前後進可能に設けられている。また加熱筒２の後部（後端ではない）には、樹脂材料供給装置６が設けられている。また加熱筒２において樹脂材料供給装置６よりも前方には、繊維材料供給装置７が設けられている。

可塑化装置１は図示しない移動装置のサーボモータにより全体が前後進移動可能とんっている。そして可塑化装置１の移動とともに図示しないプレス装置の下型８のキャビティ形成面８ａに対してノズル３のダイ４が水平方向に移動されるようになっている。スクリュ５は、図示しないスクリュ回転用のサーボモータにより回転数を制御して回転駆動されるようになっている。またスクリュ５は、図示しない射出用のサーボモータにより前後進移動可能となっている。スクリュ５の前後進は、ボールネジとボールネジナットを使用した公知の機構により行われる。なお可塑化装置１の移動装置のサーボモータ、スクリュ回転用のサーボモータ、射出用のサーボモータについては、油圧機構等の別の駆動源を用いたものでもよい。

加熱筒２は、樹脂材料供給装置６に近い後部ゾーンからノズル３に近い前部ゾーンまで各ゾーン毎に図示しない電気ヒータが設けられ温度制御可能となっている。加熱筒２の後部にはハウジングブロック９が固定されており、加熱筒２の内孔２ａに向けてハウジングブロック９と加熱筒２の上部を鉛直方向に貫通形成して樹脂材料供給孔１０が形成されている。そして前記樹脂材料材料供給孔１０に連通して樹脂材料供給装置６が設けられている。樹脂材料供給装置６は、樹脂材料供給孔１０の周囲のハウジングブロック９に縦方向に固定される供給筒の上部に横方向に供給筒１１が固定され、供給筒１１の内部にはフィードスクリュ１２がモータ１３により回転自在に取付けられている。また供給筒１１の後部の供給孔の上部には樹脂材料ｒを貯留するホッパ１４が取付けられている。なお樹脂材料供給装置６については、上記に限定されず、フィードスクリュ１２を使用しないものでもよい。ただし樹脂材料供給装置６は、加熱筒２の内孔２ａへ樹脂材料ｒの供給量を調整して供給可能であることが望ましい。

加熱筒２の前方には電気ヒータが取付けられたシリンダヘッド１５が固定され、シリンダヘッド１５の前方には内部にノズル孔３ａが形成され外部に電気ヒータが取付けられたノズル３が取付けられている。ノズル孔３ａは加熱筒２の内孔２ａと連通している。そしてノズル３にはノズル孔３ａの開閉を行うためのロータリ式の開閉バルブ１６が取付けられている。なお開閉バルブ１６については、ニードル式のシャットオフバルブなど他の方式でもよく、射出成形を行う場合は必須のものではない。またノズル３の先端にはダイ（Ｔダイ）０４が固定されている。そしてダイ４内でノズル孔３ａに連通される流路は下方に向けられダイ４の下面の所定幅の供給孔１７に接続されている。

本実施形態のスクリュ５は、長さＬと直径Ｄの比であるＬ／Ｄが２８と比較的長いスクリュ５が取付けられている。そしてスクリュ５のフライト５ａは一定の間隔に設けられており、サブフライト等は形成されていない。スクリュ５のゾーンとしては、後方から順に、スクリュ軸５ｂが一定の細い状態に形成されるフィードゾーン１８、スクリュ軸５ｂがテーパー状に太くなるなるよう形成される第１コンプレッションゾーン１９、スクリュ軸５ｂが太い状態に形成される第１メタリングゾーン２０、スクリュ軸５ｂが再び細くなり一定の細さに形成される圧力開放ゾーン２１、スクリュ軸５ｂが再びテーパー状に太くなるように形成される第２コンプレッションゾーン２２、スクリュ軸５ｂが再び太い状態に形成される第２メタリングゾーン２３が設けられている。また２メタリングゾーン２３にはフライト５ａの形成されている部分以外に、フライト５ａを有さずに、複数の凸部または複数の凹部が形成されたミキシング部２４が形成されている。そしてミキシング部２４の前方には逆流防止弁２５が設けられ、その前方には三角錐状のスクリュヘッド２６が設けられている。スクリュ５の圧力開放ゾーン２１のスクリュ軸５ｂが一定の細さに形成される部分の前後方向の中心位置２１ａは、スクリュ５にフライト５ａがある部分全体の中では後方から１６／２８の位置にある。即ち圧力開放ゾーン２１のスクリュ軸５ｂが一定の細さに形成される部分の前後方向の中心位置２１ａは、スクリュ５全体の中間位置よりも前方に位置することが望ましく、後方から１９／２８までの範囲であることが望ましい。なおスクリュ５のＬ／Ｄについては、上記に限定されず２４〜３６程度が望ましい。スクリュ５の長さに応じてそれぞれのゾーンの長さも調節されて設けられる。

スクリュ５の圧縮比は、一例として第１コンプレッションゾーン１９のスクリュ５の圧縮比が１．８〜３、第２コンプレッションゾーン２２のスクリュ５の圧縮比が１．２〜２．０の範囲内とすることが望ましい。繊維材料供給孔２７に対応する部分のスクリュ５の溝部５ｂの溝深さｄは、供給される繊維材料の長さ（平均長さ）よりも深いことが望ましい。従って本実施形態では、圧力開放ゾーン２１の溝深さｄ（フライト高さ）が、繊維材料の長さ（平均長さ）よりも深い（長い）ことになる。

スクリュ５の表面処理については、窒化チタン（Ｔｉｎ）や窒化クロム（ＣｒＮ）、タングステンカーバイト（ＷＣＣ）、硬質クロムメッキなどの硬質コーティングがなされていることが好ましい。

本実施形態においてスクリュ５は、第１コンプレッションゾーン１９と第１メタリングゾーン２０を備えるが、フィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンが形成された一般的なスクリュやスクリュ軸が一定の太さのスクリュであってもよい。即ち、繊維材料が繊維材料供給装置７から供給される位置までに加熱筒２からの伝熱により十分に樹脂材料ｒ１が溶融されていることと、繊維材料が供給される位置においてスクリュ５のフライト５ａ間に溶融樹脂ｒ１以外の空間が確保されていることが満たされれば、図１以外の他の形状のスクリュであってもよい。これらのスクリュにおいても、。繊維材料供給孔に対応する部分のスクリュの溝部の溝深さは、供給される繊維材料の長さ（平均長さ）よりも深い（長い）ことが望ましい。

加熱筒２を前方から見た断面図である図２にも示されるように、樹脂材料供給孔１０よりも前方の加熱筒２の中間部であって、スクリュ５の圧力開放ゾーン２１に対向する部分の上部には、繊維材料供給孔２７が加熱筒２の内孔中心２ｂに向けて偏芯して貫通形成されている。なお繊維材料供給孔２７が設けられる位置は、第２コンプレッションゾーン２２の中間位置２２ａよりも後方なら第２コンプレッションゾーン２２に対向する位置でもよい。繊維材料供給孔２７とスクリュ５の位置関係は、スクリュ５が可塑化や射出（樹脂供給）により前後進するので、必ずしも同じ位置に正対しているわけではない。しかしスクリュ５が前後進しても、圧力開放ゾーン２１か第２コンプレッションゾーン２２における中間位置２２ａよりも後方に常時対向するように設けられていることが望ましい。

繊維材料供給孔２７と加熱筒２の周方向との配置関係については、繊維材料供給孔２７は、加熱筒２の中心（スクリュ軸５ｂの中心）の真上の位置を外して一側方（図２においては右側）に形成されている。更に説明すると図２において、スクリュ５は時計方向に回転（前方から見て右回転）されるが、繊維材料供給孔２７についても内孔中心２ｂよりもスクリュ５の回転方向である右方向に偏芯して形成される。なお繊維材料供給孔２７は、加熱筒２の内孔中心２ｂの真上位置を含むように形成してもよく、図２のように含まないように形成してもよい。また繊維材料供給孔２７は、図２のように加熱筒２の内孔２ａの側面端２ｃを含むように形成してもよく、含まないように形成してもよい。更には図示はしないが、繊維材料供給孔２７の下方の加熱筒２の内孔２ａの側方を拡張したものでもよい。その場合、内孔２ａは真円とはならず、スクリュ５と図２において内孔２ａの側面端２ｃに相当する部分の間に一定幅の間隙が形成される。そして前記においては間隙が形成された部分の上方、または間隙が形成された部分とスクリュ５の上方に繊維材料供給孔２７を設けられる。

また本実施形態の図１，図２では、繊維材料供給孔２７の形状（方向）は、垂直方向に形成されているが、一例として鉛直線に対して０〜４５°の範囲で斜め方向に繊維材料供給孔２７を形成してもよい。更には、繊維材料供給孔２７のスクリュ軸５ｂの軸方向の形状についても、垂直方向に限定されず、一例として加熱筒前方に向けて鉛直線に対して０〜６０°の範囲で斜め方向に形成してもよい。

前記繊維材料供給孔２７に連通して繊維材料ｆを前記加熱筒２の内孔２ａに押込む押込み機能を有する繊維材料供給装置７が設けられている。繊維材料供給装置７は、垂直方向に設けられた供給筒２８の先端がテーパー状に先細に形成され繊維材料供給孔２７に接続されている。より具体的には、繊維材料供給孔２７の周囲の加熱筒２と供給筒２８の先端が接続・固定されている。そして供給筒２８の内部にスクリュ２９が電動モータ３０により回転自在、かつ前後進不能に内蔵されている。本実施形態ではスクリュ２９は、供給筒２８内部の円筒の部分に収納されているが、テーパー状の部分にもフライトや軸が先細となるスクリュが位置するような形状としてもよい。

そして前記スクリュ２９と電動モータ３０が押込み機構に相当し、スクリュ２９が回転すると繊維材料ｆが強制的に下方へ送られ、繊維材料供給孔２７を介して加熱筒２の内孔２ａへ送り込まれる。また供給筒２８の上部の側方には、ホッパ３１から接続される管と連通する繊維材料ｆの供給孔３２が設けられている。本実施形態では、切断された繊維材料ｆはホッパ３１から接続される管と供給孔３２を介して供給筒２８内に供給される。しかしホッパ３１からも供給筒２８内へもスクリュ等により強制的に繊維材料を供給するものでもよい。

なお繊維材料供給装置７についても、繊維材料供給孔２７の応用例と同じく垂直方向に限定されず、鉛直方向に対して角度を持って形成されたものでもよい。また繊維材料供給装置７は、プランジャ式の押込み装置により、加熱筒２の内孔２ａに繊維材料を押し込むものでもよい。また本実施形態では、繊維材料供給装置７は、予め切断された繊維材料ｆがホッパ３１に貯留されているが、図示しないリールから巻き出された繊維材料ｆが図示しない切断装置により切断されて、繊維材料供給装置７に供給されるものでもよい。

次に本実施形態の可塑化装置１を用いた繊維材料ｆを含む樹脂材料ｒの可塑化方法について記載する。本実施形態に使用される繊維材料ｆは、可塑化時に折損や切断により長繊維が残せないことが問題となる繊維材料が有効に用いられるが、一例として炭素繊維ｆが用いられる。また樹脂材料ｒについても限定はされないが一例としてポリプロピレンが用いられる。

樹脂材料供給装置６のホッパ１４に貯留されている樹脂材料ｒ（ポリプロピレンペレット）は、フィードスクリュ１２の回転速度および／または回転時間を制御することにより、加熱筒２の内孔２ａに供給される。この際に樹脂材料ｒの供給量を制限する飢餓供給を行うことが望ましく、常時スクリュ５のフィードゾーン１８の溝容積に対して２０〜７０％程度になるように供給が行われる。

可塑化時のスクリュ５の回転速度は、可塑化装置１のスクリュ径にもよるが、５０〜１００ｒ．ｐ．ｍ．程度が望ましい。スクリュ回転速度（回転数）を比較的低速にすることにより、後述する炭素繊維ｆと溶融樹脂ｒ１とを混合する際の炭素繊維ｆの折損や切断を減少させることができる。また可塑化時の背圧は、０ＭＰａにすることが望ましい。これによりやはり炭素繊維ｆの折損や切断を減少させることができる。なお背圧については、１ＭＰａ以下、より一層望ましくは０．５ＭＰａ以下の低圧の背圧を付与するものでもよい。供給された樹脂材料ｒはスクリュ５の回転とともに最初に樹脂材料供給孔１０を介して供給されたフィードゾーン１８から前方の第１コンプレッションゾーン１９へ送られる。第１コンプレッションゾーン１９ではスクリュ軸５ｂの軸径がテーパー状に太くなっており、樹脂材料ｒが送られる溝部の深さが浅くなるにつれて、前記樹脂材料ｒには加熱筒２の内孔２ａとの間でせん断発熱が加えられる。また加熱筒２に設けられた電気ヒータからも樹脂材料ｒに熱が加えられ、樹脂材料ｒの溶融が進行する。

次の第１メタリングゾーン２０では更にせん断発熱と加熱筒２からの伝熱により樹脂材料ｒは完全に溶融状態となる。溶融状態となった溶融樹脂ｒ１は更に第１メタリングゾーン２０からスクリュ５の前方の圧力開放ゾーン２１へ送られる。次に圧力開放ゾーン２１ではスクリュ軸５ｂがテーパー状に細くなっており、溶融樹脂ｒ１の圧力が開放される。なお圧力開放ゾーン２１はスクリュ軸５ｂがテーパー状に細くなっている部分とスクリュ軸５ｂが細い状態で一定の部分があるが、そのどちらの部分でもスクリュ５のフライト５ａ間の溝部には溶融樹脂ｒ１が充満していない状態で溶融樹脂ｒ１は前方へ送られる。

そして圧力開放ゾーン２１に対応する加熱筒２の上部に偏芯して設けられた繊維材料供給孔２７を介して繊維材料供給装置７から炭素繊維ｆが供給される。本実施形態では、炭素繊維ｆは太さが７μｍであって９ｍｍの長さのものが準備され供給される。しかし炭素繊維ｆは前記に限定されず、長さは５〜１５ｍｍのものが望ましい。炭素繊維ｆは、ホッパ３１からスクリュ２９の押込み機構により下方に向けて強制的に送られ、繊維材料供給孔２７を介して加熱筒２の内孔２ａに設けられたスクリュ５のフライト５ａ間の溝部に供給される。可塑化時には加熱筒２前方に炭素繊維を含む溶融樹脂ｒ１が貯留されるとともにスクリュ５は後退されるので、スクリュ５と繊維材料供給孔２７の対応関係はいつも同じ位置ではないが、スクリュ５の圧力開放ゾーン２１のいずれかの部分が繊維材料供給孔２７と対向するようになっている。

この際に図２に示されるように、繊維材料供給孔２７は、加熱筒２の内孔中心２ｂに対して偏芯して貫通形成されており、スクリュ５のフライト５ａが回転されていく側に形成されている。従って繊維材料供給孔２７からの炭素繊維ｆの落下方向とスクリュ５のフライト５ａの回転軌跡の方向が略一致しており、炭素繊維ｆは良好にスクリュ５の溝部内に供給され前方へ送られる。またこの際にスクリュ５の溝部内の溶融樹脂ｒ１は、圧力が開放されており、溝部内には隙間がある状態なので、炭素繊維ｆと溶融樹脂ｒ１との混合が妨げられず、また溶融樹脂ｒ１が繊維材料供給孔２７から溢れ出してきたり、繊維材料供給孔２７を塞いでしまうということがない。また繊維材料供給装置７により溶融樹脂ｒ１を押し退けて炭素繊維ｆを無理やり押し込まないので炭素繊維ｆの折損や切断が極力防止される。そしてまたスクリュ５の大気開放ゾーン２１の溝深さｄは、供給される炭素繊維ｆの長さである９ｍｍよりも深く（長く）なっているので、炭素繊維ｆの折損がより一層防止される。

炭素繊維ｆの供給は可塑化の間、継続されていることが望ましく、供給量の調整は電動モータ３０によるスクリュ５の回転速度を調整することにより行われる。すなわち可塑化装置１のメインのスクリュ５の回転と繊維材料供給装置７のスクリュ２９の回転は連動して行われることが一般的である。炭素繊維ｆの供給量は、樹脂材料ｒであるポリプロピレンと炭素繊維ｆを混合した複合物の全重量に対して、炭素繊維ｆの重量が１５〜４０重量％となるように行うことが望ましい。これ以上炭素繊維ｆの比率が少ないと炭素繊維と樹脂材料の複合成形品において所望の強度が出せない場合が多く、これ以上炭素繊維ｆの比率が高いと良好な混合が行えない場合が多い。

そして前記圧力開放ゾーン２１で炭素繊維ｆが投入された後、溶融樹脂ｒ１と炭素繊維ｆは混合されながら第２コンプレッションゾーン２２に送られる。第２コンプレッションゾーン２２においては炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１は再び徐々に溝内での密度が高められるとともに混合されて第２メタリングゾーン２３に送られ、更に圧縮されるとともに昇温される。また第２メタリングゾーン２３のうちの前方に形成されたミキシング部２４により更に炭素繊維ｆと溶融樹脂ｒ１の混合が促進される。そして本実施形態では、溶融樹脂ｒ１に混合された炭素繊維ｆの長さは、平均４ｍｍ程度は確保され、炭素繊維と樹脂材料の複合成形品を成形した際に十分な強度が確保される。

そして混合された炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１は逆流防止弁２５を通過して加熱筒２の内孔２ａのスクリュ５の前方に貯留される。この際に可塑化装置１のノズル３はロータリバルブまたはシャットオフバルブ等の開閉バルブ１６により閉鎖されている。そしてスクリュ回転用のサーボモータによりスクリュ回転が継続され、スクリュ５の前方への炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１の貯留が進行するとともにスクリュ５が後退し、所定位置までスクリュ５が後退するとスクリュ回転は停止され、可塑化工程は終了される。

次に図示しないプレス装置の側でも前回の成形が完了し、上型と下型８が型開されると、加熱された下型８の上方に可塑化装置１のノズル３のダイ４が図示しない移動装置によって移動される。そして下型８上の所定位置にダイ４が移動終了すると、ノズル３の開閉バルブ１６が開放されるとともに、射出用のサーボモータの駆動によりスクリュ５が前進駆動されて、下型８のキャビティ形成面８ａへ炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１が供給される。そして炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１が供給が終了すると可塑化装置１およびダイ４は下型８上から後退移動される。

次にプレス装置では、同じく加熱された上型が下降して下型８と型合せされ、炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１はキャビティ形状に応じて圧縮成形される。上型と下型８は、冷却機能も有しており、溶融樹脂ｒ１が冷却固化された状態で型開がなされ、炭素繊維と樹脂の複合成形品が成形される。なおプレス装置は、下型８が水平方向に移動可能であって、炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１が供給されるステージが上型の下方以外の部分で行われるものでもよい。また下型が上昇してプレス成形を行うものなどでもよい。

更には下型８のキャビティ形成面８ａには予め炭素繊維シートまたはプリプレグシートが配置されており、その上に炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１が供給されるものや、供給された炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１の上に更に炭素繊維シートまたはプリプレグシートを載置するものでもよく、それらを複層にすることも考えられる。またプレス装置で成形後に僅かにキャビティを開いた空間に、別の溶融樹脂（炭素繊維を含む場合と含まない場合がある）を射出し、多層成形品を成形するものでもよい。

更にまた、可塑化装置１の加熱筒２内を真空ポンプにより真空吸引するものでもよい。その場合、加熱筒後部の樹脂材料供給孔１０を介してか、加熱筒の前記樹脂材料供給孔１０よりも後方から真空吸引することが望ましい。またプレス装置についても上型と下型が型合せされた際にできる空間を真空ポンプにより真空吸引してから加圧するものでもよい。また可塑化装置１とプレス装置の全体、またはノズル３から下型８へ炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１が供給される主要部を真空チャンバに入れて、ノズル３から下型８へ炭素繊維ｆを含む溶融樹脂ｒ１が供給される過程も真空状態としてもよい。

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。可塑化装置は、スクリュにより射出動作も行うインライン式の射出装置のスクリュであってもよい。また可塑化装置からプランジャ装置に接続され、プランジャ装置により射出動作を行って射出成形やスタンピング成形を行うものでもよい。この場合、可塑化装置はスクリュが前後進されるものでもよく、前後進されないで一定位置で回転されるものでもよい。更には可塑化装置は、スクリュ回転とともに前方のダイから繊維材料を含む溶融材料が押出される押出機に用いられたものでもよい。

また使用される繊維材料は、炭素繊維の他、ガラス繊維、ケプラー繊維、アルミ等の金属繊維、天然繊維等の他の種類の繊維材料であってもよい。更に樹脂材料ｒについても限定はされず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、またはその混合材料でもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル等が挙げられ、他の種類の熱可塑性樹脂でもよい。

１ 可塑化装置
２ 加熱筒
２ａ 内孔
３ ノズル
５ スクリュ
５ａ フライト
５ｂ スクリュ軸
６ 樹脂供給装置
７ 繊維材料供給装置
８ 下型
１０ 樹脂材料供給孔
２１ 圧力開放ゾーン
２７ 繊維材料供給孔
ｄ 溝深さ
ｆ 繊維材料（炭素繊維）
ｒ 樹脂材料
ｒ１ 溶融樹脂

Claims (6)

1. 樹脂材料と繊維材料を加熱筒内でスクリュにより可塑化するとともに混合する繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置において、
   加熱筒の内孔に配設されたスクリュと、
   加熱筒の内孔に向けて貫通形成された樹脂材料供給孔と、
   前記樹脂材料供給孔に連通して設けられた樹脂材料供給装置と、
   前記樹脂供給孔よりも前方に加熱筒の内孔中心に対して偏芯して貫通形成された繊維材料供給孔と、
   前記繊維材料供給孔に連通して設けられた繊維材料を前記加熱筒の内孔に押込む押込み機構を有する繊維材料供給装置とが備えられたことを特徴とする繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置。
2. 前記繊維材料供給孔は、スクリュのフライトの回転軌跡の方向と繊維材料の供給方向が一致する側に偏芯して加熱筒に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置。
3. 前記繊維材料供給孔に対応する部分のスクリュの溝部の溝深さは、供給される繊維材料の長さよりも深いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置。
4. 前記スクリュは、後方からフィードゾーン、第１のコンプレッションゾーン、第１のメタリングゾーン、圧力開放ゾーン、第２のコンプレッションゾーン、第２のメタリングゾーンを備えており、前記繊維材料供給孔は、圧力開放ゾーンまたは第２のコンプレッションゾーンにおける中間位置よりも後方に対向するように設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置。
5. 前記スクリュは、第２のメタリングゾーンに複数の凸部または複数の凹部が形成されたミキシング部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置の繊維材料供給装置から加熱筒の内孔に押込まれる繊維材料は、炭素繊維であることを特徴とする繊維材料を含む樹脂材料の可塑化方法。